SICUREZZA IN MARE: IL PROGETTO NAUSICAA 4.0 METTE IN CAMPO DRONI E REALTÀ VIRTUALE

Per la sicurezza in mare, l’Università di Pisa collabora al Progetto NAUSICAA 4.0 (NAUtical Safety by means of Integrated Computer-Assisted Appliances).

L’obiettivo del progetto è creare un sistema di controllo che, per la prima volta, mette in campo droni aerei e marini in combinazione con realtà aumentata e virtuale al servizio della navigazione garantendo maggiore sicurezza alle imbarcazioni di medie-grandi dimensioni.

Il progetto NAUSICAA 4.0 è finanziato dalla Regione Toscana e promosso dall’azienda Team Italia con la collaborazione scientifica del Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale (DICI) dell’università di Pisa. Il DICI, composto da 7 docenti e un borsista, prende parte al progetto per ciò che concerne la progettazione di tutti i sistemi hardware necessari per gestire i droni marini/aerei integrati.

SICUREZZA IN MARE: LA TECNOLOGIA SVILUPPATA DAL PROGETTO NAUSICAA 4.0

In una nota dell’ateneo pisano si legge che la tecnologia sviluppata dal progetto NAUSICAA 4.0 supporterà il personale di bordo nelle fasi di navigazione e di ormeggio. In tempo reale, restituirà una visione realistica ed accurata dell’ambiente circostante e dei fondali. I classici sistemi di controllo, di spinta e propulsione delle imbarcazioni verranno integrati con telecamere, radar, droni marini e aerei per fornire assistenza durante le manovre in porto e in mare aperto.

Grazie al progetto verrà realizzato per la prima volta un drone marino dotato di un sistema di guida manuale e autonoma capace di avvalersi di informazioni ed immagini raccolte dai droni aerei – ha spiegato il professor Bernardo Disma Monelli, responsabile scientifico per l’Università di Pisa del progetto.

L’intero sistema di controllo previsto da Nausicaa è rivolto al settore del Pleasure Yacht (medie-grandi dimensioni), ad imbarcazioni non commerciali e commerciali che si trovano a navigare in acque con fondali mobili o poco conosciute. Gli strumenti messi a disposizione dal progetto, soprattutto i droni aerei e marini, potranno essere impiegati anche per eventuali operazioni di monitoraggio, sorveglianza, soccorso e ricerca (Search and Rescue) nell’ambito della balneazione.

Il pezzo forte della tecnologia sviluppata da NAUSICAA 4.0 è l’integrazione con i sistemi di controllo convenzionali di una serie di sensori di ultima generazione come i sistemi LIDAR (Light Detection And Ranging). Come funzionano?

SISTEMI LIDAR: COSA SONO E COME FUNZIONANO

Il sistema LIDAR (Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging) consiste in una tecnica di telerilevamento che permette di determinare la distanza di una superficie o di un oggetto sfruttando un impulso laser. Questa tecnica è in grado anche di stabilire la concentrazione di specie chimiche nelle distese d’acqua e nell’atmosfera: viene applicata nell’ambito del telerilevamento, geologia, archeologia, sismologia e fisica dell’atmosfera. Il LIDAR viene usato anche nelle ferrovie, nei settori dell’energia e dei trasporti come sistema di sorveglianza.

La sorgente del sistema LIDAR è un laser, un fascio di luce ad una certa lunghezza d’onda, che viene inviato verso l’oggetto o sistema da osservare.

Mentre il radar sfrutta onde radio, il lidar utilizza la luce per determinare la distanza dell’oggetto: misura il tempo trascorso tra l’emissione dell’impulso e la ricezione del segnale retrodiffuso.

A differenza del radar, il lidar utilizza lunghezze d’onda ultraviolette, nel visibile o nel vicino infrarosso: ciò permette di localizzare, ricavare informazioni ed immagini su oggetti molto piccoli (invisibili al radar) tanto che risulta molto sensibile agli aerosol, ai fumi, al particolato e viene perciò usato anche in meteorologia. Consente la mappatura di caratteristiche fisiche con risoluzione molto alta.

Sono stati sviluppati molti strumenti lidar, ad esempio, per la ricerca avanzata della NASA (satelliti per il monitoraggio dei ghiacciai e della morfologia costiera, misurazione e previsione della velocità e direzione del vento, sorveglianza degli uragani.

Le applicazioni militari di lidar (LADAR), grazie alla maggiore risoluzione e rilevamento di immagini dettagliate, permettono di riconoscere il tipo esatto di bersaglio. Alcune applicazioni in ambito militare sono tuttora segrete.

COMPOSIZIONE DEL LIDAR

Un LIDAR è costituito dai seguenti elementi:

• Laser da 1550 nm (molto usato anche dai militari) la cui frequenza non è visibile ai visori infrarossi per visione notturna. I lidar aerotrasportati per mappatura topografica usano generalmente laser YAG da 1064 nm pompati con diodi, mentre i sistemi batimetrici raddoppiano la frequenza (penetrando l’acqua con minore attenuazione) funzionando a 532 nm. Più brevi sono gli impulsi, migliore sarà la risoluzione del bersaglio;
• Scanner e ottica. La velocità di scansione del fascio laser incide particolarmente sulla velocità di creazione dell’immagine. La scelta delle ottiche incide sulla distanza minima e massima e sulla risoluzione angolare che rende il lidar più o meno efficace;
• Ricevitore ed elettronica. Nel progettare un sistema lidar bisogna tenere conto di un parametro importante: la sensibilità del ricevitore. I ricevitori possono essere realizzati con diversi materiali: quelli più comuni sono silicio e arseniuro di gallio e indio;
• Sistemi di localizzazione e navigazione. I sensori lidar installati su satelliti o aerei necessitano di conoscere l’esatta posizione ed il loro orientamento. Per ottenere queste informazioni si utilizzano un ricevitore GPS ed una piattaforma inerziale.

L’OBIETTIVO DEL PROGETTO NAUSICAA 4.0

Implementare un sistema per imbarcazioni di medie-grandi dimensioni che integri i tradizionali sistemi di controllo, propulsione e spinta con sensori di ultima generazione (radar, lidar, telecamere, droni aerei e marini). Un sistema integrato che garantisca più sicurezza in mare durante le fasi di navigazione e di ormeggio. L’obiettivo del progetto NAUSICAA 4.0 è sviluppare una soluzione di sicurezza in ambito nautico tramite l’integrazione e validazione di tecnologie all’avanguardia in grado di ricostruire l’ambiente circostante all’imbarcazione.

Negli ultimi anni, sono disponibili a costi accessibili tecnologie che fanno parte del piano Industria 4.0 non ancora impiegate in ambito nautico su larga scala. Non vengono utilizzate per un motivo principale: devono essere selezionate ed integrate in un sistema da installare e utilizzare sulle imbarcazioni. Su questo punto interviene il progetto: l’integrazione di tecnologie esistenti, la realizzazione di un innovativo framework di controllo tuttora non disponibile sul mercato.

Lo scopo è fornire una visione il più possibile realistica dell’ambiente esterno nel corso delle attività effettuate dagli operatori della plancia di comando. Il sistema rende disponibili informazioni e dati raccolti in modalità contestualizzata a diverse attività di manovra delle navi (Mooring – Approach – At Anchor). Informazioni e dati verranno visualizzati attraverso interfacce HMI che si basano su tecnologie di realtà aumentata e virtuale. Riuscire ad adottare soluzioni tecnologiche già disponibili sul mercato potrà consentire di industrializzare i risultati del progetto NAUSICAA 4.0. Da un lato, si potranno contenere i costi del prodotto finale, dall’altro, sarà possibile ridurre tempi e costi necessari per ingegnerizzare il sistema.

Il progetto dovrà garantire 4 principali attività:

• Visualizzazione 3D dell’ambiente circostante all’imbarcazione con rilevamento di ostacoli e bersagli ed integrazione con i sistemi di supporto all’ormeggio;
• Gestione a distanza da parte del personale di bordo delle operazioni di emergenza ‘uomo in mare’ (assistenza remota tele-assistita) con l’impiego di droni marini ed aerei;
• Verifica delle variazioni dei fondali marini rispetto alle indicazioni fornite dalle carte nautiche nell’eventualità di cambiamenti dovuti a calamità naturali;
• Predisposizione di infrastrutture per la movimentazione automatizzata dei droni aerei e marini.

Francesco Ciano