ITRM20150173A1 - Sistema di metrologia ottica subacquea per reti di sensori mobili - Google Patents
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Description
SISTEMA DI METROLOGIA OTTICA SUBACQUEA PER RETI DI SENSORI
MOBILI
DESCRIZIONE
Campo tecnico dell?invenzione
La presente invenzione si riferisce ad un sistema e ad un metodo di rilevazione di dati metrologici, i quali sistema e metodo sono applicabili in ambiente subacqueo. Ad esempio, essi possono essere impiegati nella comunicazione fra robot operanti in sciame e/o fra una qualsiasi unit? mobile, di superficie o sottomarina, ed una o pi? unit? fisse. In particolare, l?invenzione riguarda un sistema ed un metodo di misurazione della distanza in acqua.
Background
L?interesse dell?uomo nei confronti dell?esplorazione e dello sfruttamento degli ambienti subacquei ? da sempre molto sviluppato, e spazia, ad esempio, dalle attivit? di ricerca e recupero di beni archeologici alle attivit? produttive, in particolare l?allevamento ittico.
Negli ultimi anni, inoltre, si ? aggiunta l?esigenza, sempre pi? sentita, di effettuare rilievi per il monitoraggio di elementi inquinanti e parametri ambientali, nonch? di eseguire operazioni di controllo e ispezione dei fondali, anche in relazione ad aspetti di sicurezza legati a possibili aggressioni di tipo terroristico, integrit? dei confini e violazione delle leggi marittime nazionali.
Per soddisfare dette esigenze, sono noti nell?arte veicoli mobili sottomarini, ad esempio robot idonei a lavorare in sciame, generalmente associati ad una rete di sensori on-board per la rilevazione di parametri o dati di interesse. Il coordinamento di tali sistemi richiede la conoscenza della posizione di ogni nodo, ossia di ogni sensore e/o veicolo che lo porta, istante per istante. Ci? al fine sia di definire la topologia della rete o sciame, sia di gestire uno scambio di informazioni fra i diversi elementi componenti.
Di norma, la misurazione della posizione e la comunicazione dei relativi dati sono realizzate mediante tecnologie di tipo acustico. Tuttavia, queste ultime risultano costose e tecnicamente impegnative, specialmente perch? nelle applicazioni qui considerate i nodi non sono in posizioni assolute o relative fisse.
In particolare, lo stato dell?arte relativo alla misura delle distanze subacquee ? basato prevalentemente sull?uso del sistema SO.N.A.R. (SOund Navigation And Ranging). Tuttavia, la misura mediante SO.N.A.R. ? piuttosto lenta e comunque difficoltosa per distanze ravvicinate, laddove ? invece particolarmente rilevante che i dati metrologici vengano forniti in tempi ridottissimi e, nelle applicazioni in sciame sopra citate, in modo affidabile anche e soprattutto per distanze brevi.
Inoltre, il SO.N.A.R. ? uno strumento costoso e la sua installazione in un numero elevato di veicoli mobili sottomarini ? un?operazione onerosa.
Sommario dell?invenzione
Il problema tecnico posto e risolto dalla presente invenzione ? pertanto quello di fornire un sistema di rilevazione di dati metrologici che consenta di ovviare agli inconvenienti sopra menzionati con riferimento alla tecnica nota.
Tale problema viene risolto da un sistema secondo la rivendicazione 1 e da un metodo secondo la rivendicazione 14.
Caratteristiche preferite della presente invenzione sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti.
La presente invenzione fornisce un sistema ed un metodo di metrologia subacquea - in particolare per reti di veicoli o sensori mobili - basati su mezzi ottici di rilevazione di distanze o lunghezze. Tali mezzi ottici comprendono almeno un emettitore ed un ricevitore e sono configurati per eseguire una misura di attenuazione ottica di ciascuno di una pluralit? di fasci radianti ognuno presentante differente lunghezza d?onda/frequenza. In altre parole, l?invenzione si basa sulla rilevazione dell?assorbimento, ossia dell?attenuazione, differenziale di fasci luminosi di diversa frequenza. Sulla base di tale misura di attenuazione/assorbimento viene stimata la lunghezza di un percorso subacqueo dei fasci luminosi, la quale lunghezza in genere corrisponde alla distanza fra emettitore e ricevitore.
Poich? alcune forme di attenuazione dei fasci (soprattutto quelle legate a scattering da particolato opaco) sono equivalenti per le diverse lunghezze d?onda e potrebbero causare un?alterazione della misura il metodo preferibilmente prevede anche l?impiego, con la stessa apparecchiatura, di una taratura locale in grado di determinare l?attenuazione nella zona di interesse e cancellarne gli effetti sulla misura.
A seconda della specifica forma di realizzazione, i suddetti fasci ottici di diversa frequenza possono essere emessi simultaneamente, in sequenza e/o secondo una temporizzazione prestabilita.
L?invenzione consente di migliorare la rapidit? di misura rispetto ai sistemi basati su tecnologia acustica, in alcune forme di realizzazione anche o almeno di tre ordini di grandezza. Inoltre, essa opera con affidabilit? ottimale anche su brevi distanze.
Ancora, grazie alla elevata velocit? di misura, l?invenzione pu? fornire alle reti di comunicazione mobili un dato non soltanto di distanza, ma anche di velocit? e/o accelerazione attraverso una derivazione delle grandezze misurate.
L?invenzione permette altres? un approccio ottimale alla localizzazione di nodi di una rete o sciame di veicoli e/o sensori fissi o mobili.
In base ad una forma di realizzazione particolarmente preferita, il sistema e/o il metodo ottico secondo l?invenzione possono essere associati ad un sistema o metodo di trasmissione dati mediante tecnologia acustica. In questa applicazione, l?invenzione consente di liberare i canali acustici dall?onere di trasmettere informazioni metrologiche, in particolare di distanza o lunghezza.
Sar? compreso che anche se nel presente contesto ci si riferisce ad un ambiente ?subacqueo?, l?invenzione ? suscettibile di applicazione anche in un mezzo fluido, e in particolare liquido, diverso dall?acqua.
Altri vantaggi, caratteristiche e le modalit? di impiego della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione, presentate a scopo esemplificativo e non limitativo.
Descrizione breve delle figure
Verr? fatto riferimento alla acclusa Figura 1, che mostra una schematica rappresentazione a blocchi di una forma di realizzazione preferita di un sistema di rilevazione di dati metrologici in ambiente subacqueo secondo la presente invenzione.
Descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite
La Figura 1 mostra, in modo esemplificativo, uno schema a blocchi di un sistema di rilevazione di un dato metrologico secondo una forma di realizzazione preferita dell?invenzione. Tale sistema di rilevazione ? complessivamente denotato con 1.
Il sistema 1 ? configurato per la rilevazione di una distanza, o lunghezza, in un ambiente sottomarino o subacqueo in genere. Nella presente forma di realizzazione, il sistema 1 ? idoneo a consentire la rilevazione della distanza fra due veicoli mobili, in particolare due robot, che lavorano in ? e/o sono parte de -uno sciame o rete. In Figura 1, ? mostrato soltanto un primo robot 100 e parte di un secondo robot 100?, quest?ultimo preferibilmente idoneo a scambiare dati/informazioni con il primo robot 100.
Nella presente forma di realizzazione, il sistema 1 comprende principalmente, installati su ciascun robot 100:
- mezzi di emissione 2 di una pluralit? di fasci di radiazioni ottiche - in particolare impulsi ad alta luminosit? - ciascuno di questi ultimi presentante differente lunghezza d?onda,
- mezzi di ricezione 3 di detta pluralit? di fasci, e
- una unit? di elaborazione e controllo 4, o mezzi equivalenti, in comunicazione con detti mezzi di emissione 2 e ricezione 3.
Per tale emissione di fasci a frequenze multiple possono essere impiegati mezzi di emissione a banda larga oppure sorgenti separate per le diverse frequenze.
In particolare, nella presente forma di realizzazione i mezzi di emissione 2 comprendono una pluralit? di sorgenti luminose, in particolare LED preferibilmente del tipo cosiddetto ?high power?.
A titolo puramente esemplificativo, riportiamo di seguito i parametri di dispositivi usati in alcune prove ed applicazioni.
Preferibilmente, sono previsti tre fasci con tre differenti lunghezze d?onda.
Preferibilmente, le frequenze multiple dei fasci emessi comprendono le frequenze del rosso e del blu.
Preferibilmente, i mezzi di emissione 2 emettono impulsi luminosi omnidirezionali.
I mezzi di emissione 2 possono essere configurati per emettere i suddetti fasci di radiazioni di differente lunghezza d?onda in sequenza, simultaneamente e/o secondo una temporizzazione selezionata. In caso di emissione simultanea, pu? essere prevista una separazione delle frequenze mediante filtri ottici o mezzi equivalenti incorporati ne, od associati a, i mezzi di ricezione 3.
Nella presente forma di realizzazione, i mezzi di ricezione 3 comprendono uno o pi? fotodiodi eventualmente associati a mezzi di amplificazione del segnale 30.
In una particolare forma di realizzazione, ? previsto l?impiego di un fotodiodo PIN (diodo tipo-p, intrinseco, tipo-n) ad alta velocit?; fotodiodi di questo tipo sono reperibili in commercio con superfici di ricezione fino ad 1 cm2 circa e si pu? scegliere la superficie pi? ampia per massimizzare la sensibilit? del dispositivo.
L?unit? di elaborazione e controllo 4 ? configurata per stimare la lunghezza del percorso in acqua compiuto dai fasci emessi da un robot dello sciame, ad esempio il robot 100? di Figura 1, e captati dai mezzi di ricezione 3 del robot 100. Tale stima viene eseguita in base a valori di attenuazione differenziale di ciascuno di detti fasci di radiazioni ottiche. In particolare, la relazione che lega la distanza tra i mezzi di emissione 2 e i mezzi di ricezione 3 allo spettro di assorbimento del fotodiodo, e in generale dei mezzi di ricezione 3, ? formulata sulla base della valutazione di tre parametri fisici:
- il coefficiente di assorbimento del mezzo;
- il coefficiente di smorzamento (legato alla presenza di particolato opaco rilevato tramite misura locale) e
- la variazione dell?intensit? luminosa col quadrato della distanza.
In altre parole, l?unit? 4 si basa sull?uso dell?attenuazione relativa di diverse frequenze luminose.
Preliminarmente, viene eseguita una operazione di taratura del livello di trasparenza media locale per ciascuna lunghezza d?onda di detti fasci di radiazioni. Tale taratura pu? essere ottenuta attraverso una misura realizzata nella medesima posizione del ricevitore con gli stessi trasduttori impiegati per il segnale di misura.
In termini generali, per tale taratura, localmente, a distanze predefinite, possono essere posizionati due sistemi di trasmissione/ricezione che sono in grado di fornire all?unit? 4 le caratteristiche di attenuazione locale, sia per scattering che in funzione della frequenza. Tali valori vengono confrontati, preferibilmente in modo automatico ad opera della unit? 4 medesima, con una ?look-up table? di riferimento.
In termini generali, le caratteristiche di assorbimento del mezzo sono note con precisione solo per acqua pura - e sono riportate in varie pubblicazioni anche per acqua marina - ma solo in condizioni di massima limpidezza. In una modalit? operativa preferita, sono state scelte condizioni frequenti (tipicamente quattro o cinque) e riportate nella suddetta ?look-up table?.
Attraverso la suddetta misurazione preliminare locale di limpidezza viene ricavata la condizione operativa corrente mediante confronto della misura con i dati riportati nella tabella.
Nella presente forma di realizzazione, l?unit? 4 ? associata a sistemi di condizionamento del segnale 40, che possono anche essere direttamente integrati in essa.
Nella forma di realizzazione preferita qui considerata, la misura sulle diverse frequenze ottiche viene eseguita in modo sequenziale, evitando di utilizzare mezzi di ricezione con banda passante stretta su ciascuna frequenza di misura e impiegando tre diverse sorgenti di emissione ognuna specializzata su un particolare range di lunghezze d?onda. Questa scelta pu? minimizzare il costo del dispositivo. Varianti di realizzazione prevedono l?impiego di ricevitori a banda stretta e, come gi? citato sopra, una trasmissione simultanea degli impulsi su diverse lunghezze d?onda.
Nella presente forma di realizzazione, ciascun robot realizza un supporto del sistema 1 che comprende sia mezzi di emissione che di ricezione. Varianti di realizzazione possono prevedere che alcuni robot presentino soltanto mezzi di emissione e che la ricezione sia ottenuta su unit? separate, ad esempio fisse.
Inoltre, nella configurazione della presente forma di realizzazione l?unit? 4 stima la lunghezza di un percorso ottico compiuto dai fasci di radiazioni entro nell?ambiente subacqueo e tale lunghezza corrisponde sostanzialmente alla distanza fra i mezzi di emissione e quelli di ricezione e quindi alla distanza fra due robot. Varianti di realizzazione possono prevedere la misura di lunghezza di un percorso fra i mezzi di emissione ed un elemento di riflessione, ad esempio uno specchio. In questa variante, i fasci riflessi possono essere captati da mezzi di ricezione anche a bordo del medesimo robot emettitore.
Vantaggiosamente, nella presente forma di realizzazione il sistema 1 include anche mezzi di acquisizione, elaborazione e/o trasmissione di dati acustici 5, per fornire informazioni di natura differente dai dati metrologici associati ai mezzi sin qui introdotti.
Una possibile modalit? operativa del sistema 1 viene illustrata a seguire. Quando da un controllo esterno, o secondo una temporizzazione selezionata, viene data l?istruzione di eseguire la misura della distanza, l?unit? di controllo 4 comanda l?accensione dei mezzi di emissione, in particolare della o delle sorgenti luminose componenti. Viene quindi emessa una sequenza di impulsi luminosi, di durata tanto pi? breve quanto pi? si desidera limitare il consumo energetico del sistema e abbattere i tempi dell?operazione di misurazione stessa, ma comunque compatibile con le caratteristiche dei mezzi di emissione (risposta in frequenza) e di rivelazione.
Quando detti impulsi luminosi raggiungono i mezzi di ricezione 3? del robot 100?, viene eseguita la misura delle diverse frequenze ottiche assorbite per ciascuna sorgente luminosa preferibilmente in modo sequenziale, adoperando mezzi di ricezione 3? a banda larga.
Come gi? menzionato sopra, il sistema dell?invenzione pu? essere vantaggiosamente applicato anche su piattaforme off-shore. Inoltre, esso pu? anche essere associato a supporti quali boe, barche, minisub o anche impiegato da sommozzatori sia professionali che da diporto.
Sar? apprezzato meglio a questo punto che l?invenzione presenta i seguenti vantaggi principali:
- il sistema di metrologia ottica subacquea proposto ? fortemente idoneo all?impiego per misurazioni a cortissimo e corto raggio;
- l?operazione di misurazione della distanza ? molto rapida, in virt? della velocit? della luce nel mezzo, sensibilmente maggiore della velocit? del suono;
- il sistema pu? essere realizzato con oneri economici estremamente contenuti e, in particolari forme di realizzazione, presenta basso consumo energetico, grazie ai vantaggi offerti dalle recenti tecnologie in ambito illuminotecnico (in particolare, lampade presentanti valori elevatissimi di efficienza luminosa rispetto a quelle tradizionali).
La presente invenzione ? stata fin qui descritta con riferimento a forme preferite di realizzazione. ? da intendersi che possano esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, come definito dall?ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate.
Claims (18)
- RIVENDICAZIONI 1. Sistema di rilevazione di un dato metrologico (1), in particolare una distanza, in ambiente subacqueo, il quale sistema (1) comprende: - mezzi di emissione (2) di una pluralit? di fasci di radiazioni ottiche, ciascuno presentante differente lunghezza d?onda; - mezzi di ricezione (3) di detta pluralit? di fasci, disposti in modo tale da rilevare detti fasci a valle di un percorso di questi ultimi nell?ambiente subacqueo; e - mezzi di elaborazione (4), configurati per stimare una lunghezza di detto percorso in base a valori di attenuazione differenziale di ciascuno di detti fasci di radiazioni ottiche.
- 2. Sistema (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di elaborazione (4) sono configurati per eseguire una operazione preliminare di taratura di livelli di trasparenza dell?ambiente subacqueo per ciascuna lunghezza d?onda di detti fasci di radiazioni.
- 3. Sistema (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti mezzi di emissione (2) sono configurati per emettere detti fasci di radiazioni di differente lunghezza d?onda in sequenza, simultaneamente e/o secondo una temporizzazione selezionata.
- 4. Sistema (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di emissione (2) comprendono una pluralit? di elementi di emissione.
- 5. Sistema (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di emissione (2) sono configurati per emettere fasci di radiazioni nella frequenza del rosso e/o del blu.
- 6. Sistema (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di emissione (2) comprendono uno o pi? elementi di emissione di tipo a led.
- 7. Sistema (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, che ? applicato su una pluralit? di veicoli mobili (100), in particolare robot, configurati per operare in sciame o rete.
- 8. Sistema (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di emissione (2) e detti mezzi di ricezione (3) sono disposti su di un medesimo supporto fisso o mobile (100), in particolare un veicolo o robot.
- 9. Sistema (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detti mezzi di ricezione (3) sono configurati per rilevare una riflessione di detti fasci di radiazioni operata da un elemento di riflessione disposto a valle di detto percorso.
- 10. Sistema (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente mezzi di acquisizione e/o elaborazione di dati acustici (5).
- 11. Veicolo mobile (100) in un ambiente subacqueo, in particolare un robot, comprendente un sistema di rilevazione di un dato metrologico (1) in ambiente subacqueo, in particolare una distanza, il quale sistema a sua volta comprende: - mezzi di emissione (2) di una pluralit? di fasci di radiazioni ottiche, ciascuno presentante differente lunghezza d?onda; - mezzi di elaborazione (3), configurati per stimare una lunghezza di un percorso di detti fasci di radiazioni nell?ambiente subacqueo in base a valori di attenuazione differenziale di ciascuno di detti fasci di radiazioni ottiche.
- 12. Veicolo (100) secondo la rivendicazione precedente, comprendente mezzi di acquisizione e/o elaborazione di dati acustici (5).
- 13. Veicolo (100) secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui detto sistema di rilevazione (1) ? un sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 10.
- 14. Metodo di rilevazione di un dato metrologico, in particolare una distanza, in ambiente subacqueo, comprendente le fasi di: - emettere una pluralit? di fasci di radiazioni ottiche - in particolare impulsi ad alta luminosit? - ciascuno di questi ultimi presentante differente lunghezza d?onda; - rilevare detti fasci a valle di un percorso di questi ultimi nell?ambiente subacqueo; - calcolare valori di attenuazione differenziale di ciascuno di detti fasci di radiazioni ottiche; - stimare la lunghezza del percorso compiuto da detti fasci di radiazioni ottiche, preferibilmente sulla base della valutazione de: ? il coefficiente di assorbimento del mezzo, ? il coefficiente di smorzamento (legato alla presenza di particolato opaco), e ? la variazione dell?intensit? luminosa col quadrato della distanza.
- 15. Metodo secondo la rivendicazione 14, comprendente una fase di taratura preliminare di livelli di trasparenza dell?ambiente subacqueo per ciascuna lunghezza d?onda di detti fasci di radiazioni ottiche.
- 16. Metodo secondo la rivendicazione 14 o 15, che impiega fasci di radiazioni nella frequenza del rosso e/o del blu.
- 17. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 14 a 16, che impiega fasci di radiazioni emessi simultaneamente, in sequenza e/o secondo una temporizzazione selezionata.
- 18. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 14 a 17, che impiega un sistema (1) di metrologia ottica subacquea, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 10, e/o un veicolo mobile (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 11 a 13.
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- 2015-04-23 IT ITRM2015A000173A patent/ITRM20150173A1/it unknown
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