I sistemi Doppler Velocity Log (DVL) sono sensori acustici subacquei che misurano la velocità del veicolo su tre assi rispetto al fondale marino o all’acqua circostante. Utilizzati su AUV, ROV e altri veicoli subacquei senza equipaggio, consentono il tracciamento del fondale, la misurazione dell’altitudine, il tracciamento del terreno e manovre precise a bassa velocità.
Questa pagina presenta i principali produttori di sistemi DVL per AUV e ROV che offrono soluzioni compatte e ad alta precisione per la navigazione e il posizionamento sottomarini.
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Soluzioni avanzate di imaging e posizionamento subacqueo per veicoli marini senza equipaggio e autonomi
Sensori di tracciamento, navigazione, posizionamento e comunicazione per AUV, ROV, USV
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Un log di velocità Doppler (DVL) è un sensore acustico subacqueo che misura la velocità tridimensionale di un veicolo rispetto al fondale marino o a un volume specificato della colonna d’acqua circostante. Funzionando secondo il principio dello spostamento Doppler acustico, lo strumento trasmette impulsi acustici ad alta frequenza lungo diversi fasci angolati e analizza lo spostamento di frequenza negli echi di ritorno per calcolare il movimento relativo. La maggior parte dei sistemi standard utilizza una configurazione Janus a quattro fasci per determinare tale movimento, garantendo una ridondanza di misura integrata e, nei sistemi che supportano il funzionamento a tre fasci, consentendo di mantenere disponibile una soluzione di velocità su tre assi qualora un fascio risulti temporaneamente ostruito o produca un segnale di ritorno non valido.
Per i veicoli subacquei autonomi (AUV) e i veicoli telecomandati (ROV), un DVL fornisce gli aggiornamenti continui e ad alta frequenza della velocità necessari per limitare la deriva di posizione di un sistema di navigazione inerziale (INS) e supportare il mantenimento automatico della posizione. Sebbene sia un sensore di movimento relativo altamente accurato, un DVL non costituisce uno strumento di posizionamento assoluto; ciò significa che la deriva cumulativa della posizione deve comunque essere corretta periodicamente utilizzando le posizioni fisse in superficie fornite dal Sistema Globale di Navigazione via Satellite (GNSS), la navigazione relativa al terreno o le reti di posizionamento acustico.
Syrinx DVL (Doppler Velocity Log) e Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) di Sonardyne International
Il tracciamento del fondale è la modalità operativa principale utilizzata per la navigazione sottomarina, che misura la velocità del veicolo rispetto al fondale marino, considerato come fermo. Ciò consente al computer di navigazione di integrare la velocità nel tempo e calcolare lo spostamento spaziale. La disponibilità del tracciamento del fondale dipende dal mantenimento del fondale marino all’interno del raggio acustico operativo dello strumento e dall’ottenimento di segnali acustici di ritorno sufficienti.
Quando il fondale marino è troppo profondo per essere raggiunto, il sensore rileva le particelle sospese e la biomassa presenti nella colonna d’acqua per stimare la velocità relativa alla massa d’acqua circostante. Sebbene il tracciamento dell’acqua possa fornire un flusso continuo di dati sulla velocità a supporto dei filtri inerziali, l’utilizzo di questa misurazione per la navigazione a stima senza tenere conto delle correnti oceaniche comporterà errori di posizione cumulativi nel tempo. Il software di navigazione deve distinguere attentamente tra queste modalità di riferimento per applicare una corretta modellizzazione degli errori.
Combinando le misurazioni provenienti da almeno tre fasci acustici divergenti, il DVL scompone i movimenti complessi in vettori di velocità longitudinali, laterali e verticali. Questa conversione matematica richiede un allineamento fisico preciso durante l’installazione del sistema. Eventuali disallineamenti di montaggio non compensati possono indurre il filtro di navigazione a scambiare il movimento in avanti per una traslazione laterale o verticale.
Oltre alla velocità, il DVL misura il tempo di volo acustico lungo ciascun fascio per determinare la distanza obliqua dal confine. Il processore di bordo utilizza queste distanze e la geometria nota dei fasci per calcolare un valore di altitudine che rappresenta lo spazio libero sopra il fondale marino. Questi dati di altitudine integrano la profondità di pressione riferita alla superficie, consentendo atterraggi sicuri e manovre di seguimento del terreno.
Per stabilire un aggancio al fondale, il sensore deve identificare un segnale di ritorno acustico stabile proveniente dal fondale marino e regolare le proprie finestre di elaborazione. Il DVL monitora attivamente le variazioni di altitudine mentre esegue routine di ricerca e convalida per evitare di agganciarsi a bersagli falsi. Se l’aggancio viene perso a causa di un terreno ripido, di segnali deboli o di aerazione, il computer di navigazione deve passare senza soluzione di continuità a input alternativi dei sensori.
Un sistema di navigazione inerziale (INS) fornisce stime ad alta frequenza del movimento e dell’assetto, ma i suoi errori di posizione si accumulano nel tempo. Fornendo all’INS aggiornamenti frequenti e ad alta precisione sulla velocità ogni volta che è disponibile una traccia valida del fondale, un DVL per UUV contribuisce a limitare la deriva legata alla velocità. Questa integrazione consente agli UUV di eseguire missioni a lunga distanza con una minore necessità di risalire in superficie per gli aggiornamenti GPS.
Mantenere una distanza di sicurezza dal fondale marino è fondamentale per la mappatura sottomarina, l’acquisizione di immagini e i rilievi batimetrici. L’autopilota utilizza gli aggiornamenti in tempo reale relativi all’altitudine e alla velocità verticale forniti dal DVL per regolare i propulsori e seguire i contorni del fondale marino. Questo controllo a circuito chiuso riduce al minimo il rischio di collisioni, mantenendo al contempo i sensori del carico utile all’interno delle loro bande operative ottimali.
Il DVL di un ROV rileva i piccoli movimenti del veicolo causati dalle correnti, dall’attrito del cavo o dai movimenti del manipolatore. Il controllore di volo del veicolo utilizza questo feedback di velocità ad alta risoluzione per comandare una spinta contraria, aiutando la piattaforma a mantenere una posizione stabile rispetto al fondale marino quando combinato con le stime di rotta, profondità e navigazione. Questo mantenimento automatico della posizione offre ai piloti la stabilità necessaria per complesse operazioni di manutenzione sottomarina.
L’esecuzione di operazioni delicate come l’attracco o le ispezioni delle condotte richiede una traslazione a bassa velocità estremamente controllata. Il DVL fornisce un feedback diretto e a basso rumore delle velocità laterali e verticali, consentendo ai sistemi di pilota automatico di gestire regolazioni spaziali di precisione. Questa precisione automatizzata garantisce operazioni sicure in prossimità di infrastrutture sottomarine sensibili.
Quando la scarsa visibilità o un fondale privo di punti di riferimento privano i timonieri di punti di riferimento visivi, i dati DVL in tempo reale forniscono una consapevolezza spaziale essenziale. La visualizzazione della velocità, della direzione della deriva e dell’altitudine aiuta gli operatori a mantenere il controllo in ambienti difficili. Inoltre, un Doppler Velocity Log (DVL) per navi autonome può supportare l’attracco preciso e le manovre portuali laddove il fondale marino rimanga entro il raggio di tracciamento del fondale.
Tracker 650 DVL di Cerulean Sonar
Per realizzare un sistema di navigazione affidabile e ad alta precisione, un DVL deve essere integrato con una suite di strumenti sottomarini complementari.
La combinazione di questi diversi flussi di dati provenienti dai sensori consente ai veicoli sottomarini di mantenere una copertura di navigazione affidabile in ambienti mutevoli e a diverse profondità operative.
Nel valutare le opzioni offerte dai produttori di log di velocità Doppler (DVL), gli ingegneri devono analizzare diverse specifiche tecniche che si sovrappongono. La seguente tabella sintetica evidenzia i parametri critici che determinano le prestazioni operative:
| Specifiche | Significato tecnico | Importanza nell’integrazione |
| Precisione della velocità | Grado di corrispondenza tra la velocità riportata e la velocità reale, spesso espressa come percentuale della velocità misurata più un offset fisso. | Determina il tasso di deriva della posizione durante la navigazione a stima. |
| Precisione della velocità | Variazione casuale statistica osservata in misurazioni ripetute in condizioni stabili. | Influisce sulla fluidità dei circuiti di controllo di volo e sulla regolazione dei filtri INS. |
| Intervallo di tracciamento del fondale | Limiti di altitudine minima e massima per il mantenimento dell’aggancio al fondale marino. | Definisce l’involucro operativo verticale del veicolo. |
| Altitudine minima di tracciamento | La distanza minima da un confine alla quale è possibile calcolare la velocità in modo affidabile. | Fondamentale per l’atterraggio, l’attracco e le operazioni in spazi ristretti. |
| Frequenza di aggiornamento | La frequenza con cui vengono trasmessi i nuovi pacchetti di dati relativi alla velocità. | Frequenze di trasmissione elevate migliorano la stabilità e la reattività del pilota automatico. |
| Latenza di misurazione | Ritardo temporale tra la misurazione acustica effettiva e la disponibilità dei dati. | Una latenza non compensata può destabilizzare i circuiti di controllo ad alta velocità. |
| Profondità nominale | Pressione idrostatica massima che l’alloggiamento del sensore è in grado di sopportare. | Definisce i limiti fisici del profilo di immersione del veicolo. |
I recenti progressi ingegneristici stanno ampliando le capacità e le opzioni di impiego della tecnologia Doppler Velocity Log (DVL).
Queste innovazioni continuano ad ampliare l’accesso alla navigazione sottomarina avanzata e a supportare operazioni oceaniche autonome più efficienti.
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