ITUB20159299A1 - Metodo ed apparato per la misura spaziale nel tempo della superficie del mare da piattaforme mobili - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
CAMPO DI APPLICAZIONE
La presente invenzione riguarda un metodo ed apparato per la misura spaziale nel tempo della superficie del mare da piattaforme mobili.
STATO DELLA TECNICA
La misura delle onde a bordo di natanti in movimento è occasionalmente operata a fini di ricerca scientifica, per mezzo di sistemi radar o laser scanner. E' infatti ancora da dimostrare la capacità dei sistemi radar installati a bordo delle navi di rilevare, in maniera accurata, il moto ondoso. I sistemi con laser scanner hanno inoltre notevoli difficoltà nel rispettivo utilizzo.
I sistemi radar hanno il vantaggio di misurare il campo di moto ondoso su di una ampia superficie del mare (gualche km2), ma non riescono a misurare onde in presenza di venti deboli e sono sensibili alla presenza di una corrente che modifica la propagazione del moto ondoso. In generale 1'accuratezza della misura radar non è elevata. I sistemi basati sulla tecnologia laser forniscono dati accurati su transetti 1-D (quindi non un campo 2-D) e possono creare problemi agli operatori. Dunque, ad oggi, la misura delle onde di mare da oggetti galleggianti (piattaforme o navi) è operata occasionalmente con sistemi radar o laser scanner. Questi strumenti, come accennato, soffrono di limiti di accuratezza (radar) e difficoltà nell'utilizzo (laser). Nondimeno, la conoscenza istantanea ("real-time") di alcune caratteristiche dello stato di mare in prossimità della piattaforma/nave in movimento è di fondamentale importanza per garantire la sicurezza della navigazione e delle operazioni da svolgere a bordo (per esempio per una piattaforma off-shore). In altre parole, la misura in tempo reale del campo di moto ondoso da natante in movimento consente di migliorare la sicurezza della navigazione del natante medesimo.
PRESENTAZIONE DELL'INVENZIONE
E' quindi 1'esigenza di misurare il campo di moto ondoso oceanico, da navi in movimento, e in modo accurato. Attualmente, infatti, le navi non sono dotate di strumentazione in grado di fornire a bordo, in maniera accurata, i parametri del moto ondoso, i quali possono essere utilizzati per il governo della nave e per aumentarne i margini di sicurezza.
Tale esigenza è soddisfatta da un metodo in accordo con la rivendicazione 1 e da un apparato in accordo con la rivendicazione 12.
DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente comprensibili dalla descrizione di seguito riportata di suoi esempi preferiti e non limitativi di realizzazione , in cui: - la figura 1 rappresenta una vista schematica di un natante munito di telecamere per realizzare il metodo di misura in accordo con la presente invenzione;
la figura 2 rappresenta una vista schematica dei gradi di libertà di un natante soggetto a moto ondoso; - la figura 3 rappresenta un esempio di misura 3-D nel tempo, in scala di grigi , della superficie del mare (moto ondoso) nella porzione comune alle telecamere . Gli elementi o parti di elementi in comune tra le forme di realizzazione descritte nel seguito saranno indicati con medesimi riferimenti numerici.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
Con riferimento alle suddette figure , con 4 si è globalmente indicata una vista schematica complessiva di un apparato per la misura spaziale nel tempo della superficie del mare da una piattaforma mobile, guaie ad esempio un natante 8.
Ad esempio in figura 1 è rappresentato un natante; tale rappresentazione deve essere considerata in maniera esemplificativa e non esaustiva . In altre parole, la presente invenzione si applica a qualsiasi tipo di corpo in movimento, non necessariamente un natante. I movimenti di un corpo nello spazio sono univocamente definiti una volta noti i 6 gradi di libertà del corpo rigido libero nello spazio 3-D ed una volta fissata una terna cartesiana ortogonale di riferimento : i sei gradi di libertà sono quindi tre spostamenti ortogonali e tre rotazioni (angoli di Eulero).
I movimenti caratteristici di una struttura sono così definiti (figura 2):
Avanzo: spostamento parallelo all' asse X;
Deriva : spostamento parallelo all'asse Y;
Sussulto : spostamento parallelo all'asse Z;
Rollio: rotazione attorno all'asse X;
Beccheggio: rotazione attorno all' asse Y;
Imbardata: rotazione attorno all' asse Z.
L'apparato 4 per la misura spaziale nel tempo della superficie del mare da piattaforme mobili , comprende una prima e una seconda telecamera digitale 12,16, posizionate a bordo del natante 8, ad una determinata distanza tra loro, dette telecamere 12,16 inquadrando porzioni di una superficie di mare W, dette porzioni intersecandosi almeno parzialmente in corrispondenza di una porzione comune 24.
L'apparato 4 comprende inoltre un dispositivo per la misura di 6 gradi di libertà del natante (non rappresentato) , ossia tre rotazioni, rispettivamente di rollio, beccheggio e imbardata, e tre traslazioni , rispettivamente di avanzo, deriva e sussulto, rispetto a tre rispettivi assi x,y,z.
La prima e la seconda telecamera 12,16 sono collegate e sincronizzate al dispositivo per la misura di 6 gradi di libertà del natante 8.
L'apparato 4 comprende inoltre un'unità di elaborazione e controllo (non rappresentata) programmata per effettuare una misura 3-D nel tempo della superficie o piano medio del mare W in corrispondenza di detta porzione comune 24 alle telecamere 12,16, posizionando detta misura della superficie del mare W in un sistema di riferimento geografico .
Secondo una forma di realizzazione, detto dispositivo per la misura di 6 gradi di libertà comprende un sistema di misura inerziale (Inertial Motion Unit IMU) e un sistema di posizionamento GNSS (Global Navigation Satellite System) installato a bordo del natante 8 per la misura dei 6 gradi di libertà.
Secondo una forma di realizzazione, detto sistema di misura inerziale comprende una girobussola .
L'unità di elaborazione e controllo è programmata per eseguire le fasi di un metodo di misura spaziale nel tempo della superficie del mare W da piattaforme mobili, di seguito esplicitato.
Preferibilmente, i dati del dispositivo per la misura di 6 gradi di libertà sono usati per correggere ad ogni istante di campionamento il movimento del natante 8 e guindi assicurare che la misura 3-D del moto ondoso di detta porzione comune 24 sia rilevata rispetto a un piano orizzontale coincidente con un piano medio del mare W.
Preferibilmente, la misura 3D nel tempo del piano medio del mare W tra le telecamere 12,16 è calcolata dopo l'installazione delle telecamere 12,16, utilizzando algoritmi di auto-calibrazione.
Questa scelta permette di semplificare la fase di installazione a bordo del natante e di ridurre gli errori di misura che derivano da un non perfetto montaggio delle telecamere 12,16.
Preferibilmente, il metodo comprende la fase di calibrare preventivamente le telecamere 12,16 in condizioni controllate, prima di disporle sul natante, per ottenere alcuni parametri intrinseci, guali la lunghezza focale, il punto principale e/o parametri di distorsione della lente, per ogni singolo accoppiamento telecamera-lente, e, successivamente , la fase di installare le telecamere 12,16 sul natante 8 in una posizione adatta a consentire la visione di un campo di mare da inquadrare.
Preferibilmente, ciascuna di dette telecamere 12,16 acquisisce immaqini sotto forma di pixel; la fase di misura 3-D nel tempo della superficie o piano medio del mare (W) è estesa a tutti i pixel di detta porzione comune 24 alle telecamere 12,16 al fine di miqliorare 1'accuratezza e la risoluzione della mappa di moto ondoso.
A sequito della fase di acquisizione e ricostruzione della superficie del mare W con i pixel provenienti dalle telecamere 12,16, le traslazioni e rotazioni fornite dal dispositivo per la misura di 6 qradi di libertà del natante 8 permettono di correggere i movimenti della nave che sono applicati ai dati 3-D come roto-traslazione rigida.
E' da notare che la posizione reciproca tra IMU+GNSS e telecamere 12,16 non deve essere nota durante 1'installazione, ma è ricavata durante il processamento dei dati stessi, partendo da una stima approssimativa che si assume data. Questo semplifica la fase di installazione del sistema e permette di utilizzare, se disponibile, un sistema di rilievo del moto già presente sul natante, purché sia sincronizzato con le telecamere 12,16 (a ogni gruppo di immagini sincrono devono corrispondere il moto e la posizione geografica della nave a quell'istante).
In particolare , il sistema assume un riferimento terrestre comprendente i tre versori Xw Yw Zw, orientato di modo che il versore Xw punti verso il nord geografico, il versore Yw verso Ovest e il versore Zw verso 1'alto. Durante 1'acquisizione dati, gli spostamenti del natante sono da considerarsi nell'ordine di centinaia di metri e pertanto si assume il sistema di riferimento terrestre come planare, non considerando quindi correzioni dovute alla curvatura terrestre. L'origine del sistema di riferimento è posizionato secondo le coordinate GNSS del primo frame acquisito e ciò rende gli spostamenti calcolati relativi a tale posizione.
Le camere 12,16 sono solidali con il sistema IMU-GNSS di modo che la loro posizione e orientamento relativo non cambi durante 1'acquisizione dati. Le relazioni spaziali fra il sistema di riferimento terrestre, il sistema IMU-GNSS e le camere 12,16 sono modellati attraverso una catena cinematica in cui il modulo IMU-GNSS fornisce 2 joint di pura rotazione (pitch,roll) e uno di pura traslazione (heave). Per ogni frame acquisito, 1'intera catena cinematica viene ruotata rispetto all'asse Zw dell'angolo (heading) rilevato e traslata sul piano mare W secondo le coordinate GNSS. Per calcolare la roto-traslazione che trasforma il sistema di riferimento delle camere 12,16 nel sistema terrestre è necessario stimare con precisione 7 parametri (costanti per ogni frame) che definiscono la catena cinematica, ossia:
• L'altezza del modulo IMU-GNSS rispetto al piano mare (W)
• La posizione delle camere rispetto al modulo IMU-GNSS (Lx,Ly,Lz)
• L'orientamento relativo fra le camere e il modulo IMU-GNSS, parametrizzato secondo i 3 angoli di Eulero (Camheading, Campitch, Camroll).
La stima è effettuata a partire dai dati stereo acquisiti da cui è possibile calcolare i coefficienti del piano medio mare W. Da questi coefficienti, il vettore distanza v=(vx,vy,vz) osservato fra 1'origine del sistema di riferimento camere e il piano mare W è calcolato per ogni frame. Il problema della stima dei parametri (h, Lx, Ly , Lz, Camheading, Campitch, Camroll) è quindi risolto attraverso un'ottimizzazione non lineare in cui è minimizzata la variazione fra il vettore atteso v, calcolato attraverso la catena cinematica, e il vettore (vx,vy,vz) effettivamente osservato .
In particolare , la configurazione spaziale tra il sistema di riferimento mondo Iw, il sistema IMLJ Iimu e quello delle camere leam è descritta in Figura 4.
La trasformazione rigida che lega il sistema di riferimento delle camere leam al sistema di riferimento terestre Iw è descritta da una roto-traslazione T che dipende da 7 parametri di calibrazione pc = (h, Lx, Ly , Lz, Camheading, Campiteh, Camroll) e da 3 parametri di movimento pm = (IMUpitch, IMUroll, IMUheave). In un qualsiasi istante, conoscendo pc e pm è possibile trasformare un punto [Xc,Yc,Zc,l] dalsistema di riferimento delle camere leam al sistema di riferimento terrestre Iw attraverso la trasformazione :
[Xw Yw Zw]T = T [Xc Yc Zc 1]T
Dove T è definita algebricamente da una matrice 4x4. I parametri di calibrazione pc dipendono da come sono state posizionate le videocamere rispetto all' IMLJ all' interno del natante. Pertanto, una volta calibrate, sono assunte costanti durante 1'acquisizione dei dati. I parametri di movimento pm dipendono dal movimento del natante e variano quindi durante 1' acquisizione . Una volta stimati i parametri pc , la trasformazione dei dati 3D nel sistema Iw può avvenire per ogni frame applicando la trasformazione T direttamente o a seguito di un filtraggio statistico dei dati IMLJ per ridurne il rumore .
La ricostruzione della superficie del mare W è parallelizzata per accelerare 1'estrazione dei parametri del moto ondoso e guindi permettere la misura operativa ( "real-time") dello stato del mare in prossimità del natante . Un 'unica unità di elaborazione e controllo può in generale gestire sia la fase di acquisizione dei dati (immagini e movimenti del natante ) che il processo per la ricostruzione della mappa 2-D della superficie del mare W. Dalla mappa di moto ondoso (come in Figura 3) si ricavano dati importanti per la conoscenza dello stato di mare, come 1'altezza significativa, la lunghezza d'onda e 1'elevazione massima della superficie .
Come si può apprezzare da quanto descritto, il metodo e 1'apparato secondo 1'invenzione consentono di superare gli inconvenienti presentati nella tecnica nota.
Infatti , 1'apparato è progettato per fornire in modo operazionale ( "real-time") il movimento 3-D delle onde in un'area in prossimità dello scafo della nave.
L'invenzione , come visto, rappresenta un sistema ottico per la misura del campo di moto ondoso da natante in movimento : questa applicazione è particolarmente vantaggiosa per garantire la sicurezza della navigazione, ad esempio modificando 1'andatura e/o la rotta dell'imbarcazione in funzione dell'effettivo moto ondoso che guest'ultima incontra, sia per garantire la sicurezza delle operazioni da svolgere a bordo, come ad esempio nel caso di una piattaforma off-shore.
L'invenzione si presta, guindi, a misurare le onde oceaniche in differenti condizioni, soprattutto da oggetti galleggianti per gualungue severità dello stato di mare.
L'invenzione si presta inoltre alla raccolta di dati scientifici in differenti stati di mare da navi di ricerca o di opportunità, oltre che ad essere utilizzato dai natanti per la conoscenza "operazionale" dello stato di mare in cui navigano. Quest'ultimo dato può aumentare la sicurezza della navigazione e delle operazioni a bordo.
Il sistema basato su telecamere secondo la presente invenzione ha la capacità di rappresentare in maniera accurata il moto ondoso su una superficie 2-D, anche se di limitata estensione (dell'ordine di 100x100 m2). Rispetto alle soluzioni dell'arte nota la presente invenzione integra una correzione dei 6 gradi di libertà del natante ottenuti con un accurato strumento esterno (IMU+GNSS) sincronizzato con le telecamere. La presenza dello strumento IMU+GNSS è indispensabile per lunghezze d'onda comparabili con la dimensione del campo di vista delle camere : in queste condizioni le soluzioni dell'arte nota forniscono misurazioni poco accurate ed attendibili .
L'invenzione ha inoltre il vantaggio di poter misurare accuratamente le onde di mare da un mezzo in movimento (piattaforma o nave ) senza che lo strumento sia in contatto con l acqua di mare. Si tratta, quindi, di una tecnica di misura da remoto, che allevia gli svantaggi di strumenti a diretto contatto con 1'acqua marina, che presenta elevate capacità aggressive . Le telecamere costituenti il sistema stereo possono essere fissate in elevazione su una nave o su piattaforma fissa.
Un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche , potrà apportare numerose modifiche e varianti ai metodi ed apparati sopra descritti , tutte peraltro contenute nell'ambito dell' invenzione quale definito dalle seguenti rivendicazioni .
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la misura spaziale nel tempo della superficie del mare da piattaforme mobili, comprendente le fasi di: predisporre una prima e una seconda telecamera digitale, posizionate a bordo di un natante, ad una determinata distanza tra loro, dette telecamere inquadrando porzioni di una superficie di mare, dette porzioni intersecandosi almeno parzialmente in corrispondenza di una porzione comune, - predisporre un dispositivo per la misura di 6 gradi di libertà del natante, ossia tre rotazioni, rispettivamente di rollio, beccheggio e imbardata, e tre traslazioni, rispettivamente di avanzo, deriva e sussulto, rispetto a tre rispettivi assi x,y,z, collegare e sincronizzare detta prima e seconda telecamera al dispositivo per la misura di 6 gradi di libertà del natante, - effettuare una misura 3-D nel tempo della superficie o piano medio del mare (W) in corrispondenza di detta porzione comune alle telecamere, posizionando detta misura della superficie del mare (W) in un sistema di riferimento geografico.
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui i dati del dispositivo per la misura di 6 gradi di libertà sono usati per correggere ad ogni istante di campionamento il movimento della nave e quindi assicurare che la misura 3-D del moto ondoso di detta porzione comune sia rilevata rispetto a un piano orizzontale coincidente con un piano medio del mare (W).
- 3. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la misura 3D nel tempo del piano medio del mare (W) tra le telecamere è calcolata dopo 1'installazione delle telecamere, utilizzando algoritmi di auto-calibrazione.
- 4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente la fase di calibrare preventivamente le telecamere in condizioni controllate, prima di disporle sul natante , per ottenere alcuni parametri intrinseci, quali la lunghezza focale, il punto principale e/o parametri di distorsione della lente, per ogni singolo accoppiamento telecamera-lente, e, successivamente , la fase di installare le telecamere sul natante in una posizione adatta a consentire la visione di un campo di mare da inquadrare.
- 5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascuna di dette telecamere acquisisce immaqini sotto forma di pixel, e in cui la fase di misura 3-D nel tempo della superficie o piano medio del mare (W) è estesa a tutti i pixel di detta porzione comune alle telecamere al fine di miqliorare 1'accuratezza e la risoluzione della mappa di moto ondoso.
- 6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui, a seguito della fase di acquisizione e ricostruzione della superficie del mare (W) con i pixel provenienti dalle telecamere, le traslazioni e rotazioni fornite dal dispositivo per la misura di 6 qradi di libertà del natante permettono di correqqere i movimenti della nave che sono applicati ai dati 3-D come roto-traslazione rigida.
- 7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto dispositivo per la misura di 6 qradi di libertà comprende un sistema di misura inerziale (Inertial Motion Unit - IMU) e un sistema di posizionamento GNSS (Global Positioninq System) installato a bordo del natante per la misura dei 6 qradi di libertà.
- 8. Metodo secondo la rivendicazione 7, in cui detto sistema di misura inerziale comprende una qirobussola.
- 9. Metodo secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui il sistema IMIJ e il sistema GNSS assumono un riferimento terrestre comprendente tre versori Xw Yw Zw, orientato di modo che il versore Xw punti verso il nord geografico, il versore Yw verso Ovest e il versore Zw verso 1'alto, e in cui le camere 12,16 sono solidali con il sistema IMU e GNSS in modo che la loro posizione e orientamento relativo non cambi durante 1'acquisizione dati.
- 10. Metodo secondo la rivendicazione 9, in cui per calcolare la roto-traslazione che trasforma il sistema di riferimento delle camere 12,16 nel sistema terrestre si stimano 7 parametri che definiscono la catena cinematica, ossia: • 1'altezza del modulo IMU-GNSS rispetto al piano mare (h) • la posizione delle camere 12,16 rispetto al modulo IMU-GNSS (Lx,Ly,Lz) • 1'orientamento relativo fra le camere e il modulo IMU-GNSS, parametrizzato secondo i 3 angoli di Eulero (Camheading, Campitch, Camroll).
- 11. Metodo secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui la trasformazione rigida che lega il sistema di riferimento leam al sistema di riferimento terrestre Iw è descritta da una roto-traslazione T che dipende da 7 parametri di calibrazione pc = (h, Lx, Ly, Lz, Camheading, Campiteh, Camroll) e da 3 parametri di movimento pm = (IMUpitch, IMUroll, IMUheave), in modo che, in un qualsiasi istante, conoscendo pc e pm, è possibile trasformare un punto [Xc,Yc,Zc,l] dal sistema di riferimento leam al sistema di riferimento terrestre Iw attraverso la trasformazione: [Xw Yw Zw]T = T [Xc Yc Zc 1]T in cui T è definita algebricamente da una matrice 4x4.
- 12. Apparato per la misura spaziale nel tempo della superficie del mare (W) da piattaforme mobili, comprendente: una prima e una seconda telecamera digitale, posizionate a bordo di un natante, ad una determinata distanza tra loro, dette telecamere inquadrando porzioni di una superficie di mare (W), dette porzioni intersecandosi almeno parzialmente in corrispondenza di una porzione comune, - un dispositivo per la misura di 6 gradi di libertà del natante, ossia tre rotazioni, rispettivamente di rollio, beccheggio e imbardata, e tre traslazioni, rispettivamente di avanzo, deriva e sussulto, rispetto a tre rispettivi assi x,y,z, in cui dette prima e seconda telecamera sono collegate e sincronizzate al dispositivo per la misura di 6 gradi di libertà del natante, - una unità di elaborazione e controllo programmata per effettuare una misura 3-D nel tempo della superficie o piano medio del mare (W) in corrispondenza di detta porzione comune alle telecamere, posizionando detta misura della superficie del mare (W) in un sistema di riferimento geografico.
- 13. Apparato secondo la rivendicazione 12, in cui detto dispositivo per la misura di 6 gradi di libertà comprende un sistema di misura inerziale (Inertial Motion Unit - IMU) e un sistema di posizionamento GNSS (Global Positioning System) installato a bordo del natante per la misura dei 6 gradi di libertà.
- 14. Apparato secondo la rivendicazione 13, in cui detto sistema di misura inerziale comprende una girobussola.
- 15. Apparato secondo la rivendicazione 12, 13 o 14, in cui detta unità di elaborazione e controllo è programmata per eseguire le fasi di un metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a ll.
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| D LAVROV ET AL: "Extraction of geoid heights from shipborne GNSS measurements along the Weser River in northern Germany", JOURNAL OF GEODETIC SCIENCE, 19 November 2015 (2015-11-19), pages 148 - 155, XP055297915, Retrieved from the Internet <URL:https://www.degruyter.com/downloadpdf/j/jogs.2015.5.issue-1/jogs-2015-0014/jogs-2015-0014.xml> [retrieved on 20160826], DOI: 10.1515/jogs-2015-0014 * |
| GLEN RICE ET AL: "Measuring the Water Level Datum Relative to the Ellipsoid During Hydrographic Survey", 1 January 2011 (2011-01-01), XP055297922, Retrieved from the Internet <URL:http://ushydro.thsoa.org/hy11/0427A_08.pdf> [retrieved on 20160826] * |
| RICHARD BRENNAN ET AL: "Surface Imaging Capabilities on Marine Hydrographic Vessels", SEA TECHNOLOGY, vol. 48, no. 12, 1 December 2007 (2007-12-01), pages 37, XP055300222, ISSN: 0093-3651 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2017103779A1 (en) | 2017-06-22 |
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