Academic year2023/24
CourseROBOTICS AND AUTOMATION ENGINEERING
Code280II
Credits6
PeriodSemester 2
LanguageEnglish
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) |
| SISTEMI SUBACQUEI | ING-INF/04 | LEZIONI | 60 | |
Obiettivi di apprendimento
Conoscenze
Lo studente acquisirà conoscenze riguardo gli strumenti ed i sensori per l'esplorazione geofisica in ambiente subacqueo, i rilievi del fondale e dei sedimenti marini, le misure nella colonna d'acqua. Lo studente acquisira' inoltre conoscenze su come tali strumenti possono essere operati remotamente o in modalità autonoma utilizzando veicoli e robot subacquei, e sui criteri e le metodologie di dimensionamento e progetto di robot subacquei che rispondano alle esigenze di esplorazione e misura.
Knowledge
Students who successfully complete the course will acquire knowledge on instrumentation and sensors in the field of marine geophysical exploration, in particular exploration of the seaflor, sub-bottom sediments, water column properties. The student will also acquire knowledge on how the above instruments can be operated, remotely or in autonomous mode, through unmanned vehicles or robots, and on the dimensioning and design criteria of marine robots for ocean exploration.
Modalità di verifica delle conoscenze
L'accertamento delle conoscenze avviene attraverso discussione in sede di esame.
Assessment criteria of knowledge
Discussion within the final examination.
Capacità
Al termine del corso lo studente sarà capace:
- di descrivere qualitativamente la propagazione di segnali acustici in base alle condizioni oceanografiche in situ;
- di selezionare un simulatore di propagazione acustica per la predizione numerica del campo acustico in mare;
- di utilizzare le equazioni del sonar per dimensionare la portata di un sistema di misura acustico;
- di determinare la risoluzione di un sistema di misura acustico sulla base della frequenza e delle condizioni ambientali in situ;
- di interpretare i dati di strumenti acustici per l'esplorazione del fondale (ecoscandaglio a fasce, sonar a scansione laterale, profilatori sismici);
- di descrivere tramite opportuni strumenti analitici i modelli dinamici di un robot suacqueo, e del suo sistema di guida, navigazione e controllo;
- di descrivere e dimensionare i sensori per la navigazione subacquea (sistemi a linea di base lunga, corta, ultra corta; correntometri a effetto doppler);
- di descrivere le caratteristiche della principale sensoristica oceanografica (CTD, sonde multiparametriche) e di bordo utilizzata in robot subacquei, nonchè il contesto e i limiti operativi di ciascun sensore.
Skills
At the end of the course the student will be able to:
- describe in a qualitative manner acoustic signal propagation on the basis of in situ oceanographic conditions;
- select an appropriate acoustic spropagation model to numerically predict the acoustic field in the ocean;
- use the sonar equations to determine the range achievable with an acoustic instrument;
- determine the resolution of an acoustic system on the basis of the frequency and of the environmental conditions;
- interpret data from acoustic instrumentation for seafloor exploration (multibeam echosounders, side-scan sonars, sub-bottom profilers);
- describe through appropriate analytical methods the dynamic model of an underwater robot and of its system of guidance, navigation and control;
- describe and dimension appropriately sensors for underwater navigation (Long, Short and Ultra-Short Base Line systems, Acoustic Doppler Current Profilers/Doppler Velocity Logs)
- describe the characteristic of the principal oceanographic sensors (CTD, Multi-Parameter probes) and of on-board sensors as used in an underwater robot, and the context of use and limitations of each sensor.
Modalità di verifica delle capacità
L'accertamento delle capacità avviene attraverso discussione in sede di esame.
Assessment criteria of skills
Discussion within the final examination.
Comportamenti
Lo studente avrà acquisito la capacità di pianificare, condurre e interpretare i risultati di sperimentazione geofisica in mare, con la necessaria consapevolezza delle problematiche, dei limiti fisici e dei necessari compromessi nelle prestazioni dovuti alla complessità ed ai vincoli della sperimentazione in ambito marino.
Lo studente avrà sviluppato un approccio razionale e metodologicamente motivato alla scelta, configurazione ed impiego della strumentazione oceanografica.
Behaviors
The student will be able to plan, lead and analyze the results of geophysical experimentation at sea, with the necessary awareness on the problems, the physical limtations, the unavoidable trade-offs in performance due to the complexity and constraints of marine experimentation.
The studen will exhibit a rational and methodologically justified approach to the choice, configuration and use of oceanographic instrumentation.
Modalità di verifica dei comportamenti
L'accertamento dei comportamenti avviene attraverso discussione di casi di studio in sede di esame.
Assessment criteria of behaviors
Discussion within the final examination.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
- Fisica della propagazione delle onde (modello ottico)
- Teoria dei sistemi dinamici e elaborazione dei segnali
- Probabilità, processi stocastici
Prerequisites
- Physics of wave propagation (optical model)
- Systems and Signal Theory
- Probability and Stochastic Processes
Indicazioni metodologiche
L'insegnamento prevede:
- Lezioni frontali con slide, notebooks e filmati preparati dal docente, e distribuiti all'inizio dell'insegnamento;
- Discussioni collettive di casi di studio;
- Seminari di ricercatori ospiti su tematiche specifiche.
Teaching methods
Delivery: face to face, with material (slides) given by the teacher at the beginning of the course.
Learning activities:
- attending lectures
- participation in seminar of host researche on specific themes;
- participation in discussion of case-studies.
Attendance: Not mandatory
Teaching methods:
Programma (contenuti dell'insegnamento)
- Elementi di oceanografia e propagazione acustica: la velocità del suono e la variabilità delle condizioni oceanografiche, strumeti di misura oceanografica;
- Propagazione acustica attraverso la teoria dei raggi: interferenza e attenuazione; rumore ambiente e riflessione diffusa; l'equazione del sonar e il compromesso portata-risoluzione.
- L'equazione delle onde: equazione di Helmholtz, funzione di Green.
- Sistemi acustici per l'esplorazione del fondale: ecoscandagli, ecoscandagli a fasci, sonar a scansione laterale, profilatori sismici.
- Robotica marina e sistemi autonomi: Remotely Operated Vehicles (ROVs); Autonomous Underwater Vehicles (AUVs); glider oceanografici; Autonomous Surface Vehicles (ASV).
- Modellistica cinematica e dinamica di robot marini; modelli dinamici a ridotta complessità; sistemi di guida, navigazione e controllo; localizzazione acustica (LBL, SBL, USBL) e sistemi di navigazione di bordo (ADCP/DVL).
- Pianificazione e analisi di missione.
Syllabus
- Basic oceanography and acoustic propagation: speed of sound and oceanographic variability, oceanographic measurement systems.
- Acoustic propagation with ray theory: interference, attenuation; ambient noise and scattering; the sonar equations and the range-resolution compromise;
- Wave equations, Helmholtz equation, Green function.
- Acoustic Systems for seabed exploration: echosounders, multi-beam echosounders, side-scan sonars, sub-bottom profilers.
- Marine robotics and autonomous systems: Remotely Operated Vehicles (ROVs); Autonomous Underwater Vehicles (AUVs); oceanographic gliders; Autonomous Surface Vehicles (ASV).
- Kinematic and dynamic modeling of marine robots; reduced complexity dynamic models; guidance and control systems; acoustic localization and gauging systems.
- Mission planning and analysis
Bibliografia e materiale didattico
Letture consigliate:
- J.M. Hovem: "Marine Acoustics", Penisula Publishing, 2012;
- X. Lurton: "Introduction to underwater acoustics", Springer, 2002;
- P. Blondel: "The Handbook of side scan sonar", Springer, 2009;
- T. Fossen: "Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control", Wiley, 2009;
- G. Antonelli: "Underwater Robots", Springer, 2006;
- R.H. Stewart: "Introduction to Physical Oceanography", University of Texas, http://oceanworld.tamu.edu/ocean410/ocng410_text_book.html
Bibliography
Recommended readings:
- J.M. Hovem: "Marine Acoustics", Penisula Publishing, 2012;
- X. Lurton: "Introduction to underwater acoustics", Springer, 2002;
- P. Blondel: "The Handbook of side scan sonar", Springer, 2009;
- T. Fossen: "Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control", Wiley, 2009;
- G. Antonelli: "Underwater Robots", Springer, 2006;
- R.H. Stewart: "Introduction to Physical Oceanography", University of Texas, http://oceanworld.tamu.edu/ocean410/ocng410_text_book.html
Indicazioni per non frequentanti
Nessuna
Non-attending students info
None
Modalità d'esame
La modalità di esame è orale.
Nel corso dell'esame allo studente è richiesto di discutere con la commissione un caso di studio di una operazione in mare (e.g., ricerca e salvataggio, manutenzione di siti off-shore, mappatura del sedimento, etc.). Lo studente deve essere in grado di giustificare tecnicamente ogni passaggio dell'operazione pianificata, dalla selezione degli strumenti di misura alla loro installazione a bordo di robot marini ed alle procedure di operazione. Lo studente deve dimostrare la conoscenza delle metodologie e delle formulazioni analitiche che giustificano le suddette scelte tecniche.
Assessment methods
The student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss a case-study of an at-sea operation (e.g., search and rescue, off-shore field maintenance, sediment mapping, etc.) to be conducted in autonomous or semi-autonomous mode. The student must be able to justify every step of the planned operation, from the selection of the measurement systems to their installation on board of marine robots and to the procedures of operation. The student must demonstrate the knowledge of the methodologies and of the analytical formulations that justify her/his choices.
Methods:
Final oral exam
Updated: 22/10/2023 19:25
