Un veicolo subacqueo autonomo (AUV) è un robot che viaggia sott’acqua senza richiedere l’intervento di un operatore. Gli AUV fanno parte di un più ampio gruppo di sistemi sottomarini noti come veicoli sottomarini senza equipaggio, una classificazione che comprende veicoli sottomarini non autonomi comandati a distanza (ROV), controllati e alimentati dalla superficie da un operatore / pilota tramite un ombelicale o utilizzando un telecomando. Nelle applicazioni militari un AUV è più spesso definito come veicolo sottomarino senza equipaggio (UUV). Gli alianti subacquei sono una sottoclasse di AUV.

Storia
Il primo AUV fu sviluppato presso l’Applied Physics Laboratory presso l’Università di Washington già nel 1957 da Stan Murphy, Bob Francois e in seguito, Terry Ewart. Lo “Special Purpose Underwater Research Vehicle”, o SPURV, è stato utilizzato per studiare la diffusione, la trasmissione acustica e le scie sottomarine.

Altri primi AUV sono stati sviluppati al Massachusetts Institute of Technology negli anni ’70. Uno di questi è esposto nella Hart Nautical Gallery del MIT. Allo stesso tempo, gli AUV sono stati sviluppati anche nell’Unione Sovietica (anche se questo non era noto fino a molto tempo dopo).

applicazioni
Fino a tempi relativamente recenti, gli AUV sono stati utilizzati per un numero limitato di compiti dettati dalla tecnologia disponibile. Con lo sviluppo di capacità di elaborazione più avanzate e di alimentatori ad alto rendimento, gli AUV vengono ora utilizzati per un numero sempre maggiore di compiti con ruoli e missioni in costante evoluzione.

Commerciale
L’industria petrolifera e del gas utilizza gli AUV per realizzare mappe dettagliate del fondale marino prima di iniziare a costruire infrastrutture sottomarine; le condotte e i completamenti sottomarini possono essere installati nel modo più economico con il minimo disturbo per l’ambiente. L’AUV consente alle società di indagine di condurre indagini precise su aree in cui le indagini batimetriche tradizionali sarebbero meno efficaci o troppo costose. Inoltre, ora sono possibili rilievi post tubo, che includono l’ispezione delle condotte. L’uso di AUV per l’ispezione di pipeline e l’ispezione di strutture subacquee create dall’uomo sta diventando più comune.

Ricerca

Un ricercatore dell’Università della Florida del Sud utilizza Tavros02, un “tweeting” a energia solare AUV (SAUV)
Gli scienziati usano gli AUV per studiare laghi, l’oceano e il fondo dell’oceano. Una varietà di sensori può essere apposta agli AUV per misurare la concentrazione di vari elementi o composti, l’assorbimento o il riflesso della luce e la presenza di vita microscopica. Esempi includono sensori di profondità di temperatura conduttività (CTD), fluorometri e sensori di pH. Inoltre, gli AUV possono essere configurati come veicoli da rimorchio per fornire pacchetti di sensori personalizzati a posizioni specifiche.

Passatempo
Molti roboticisti costruiscono AUV come hobby. Esistono diverse competizioni che consentono a questi AUV fatti in casa di competere l’uno contro l’altro nel raggiungimento degli obiettivi. Come i loro fratelli commerciali, questi AUV possono essere dotati di telecamere, luci o sonar. Come conseguenza di risorse limitate e inesperienza, gli AUV hobbisti possono raramente competere con modelli commerciali su profondità operativa, durata o sofisticazione. Infine, questi AUV per hobby di solito non sono oceanici, essendo operati per la maggior parte del tempo in piscine o letti di lago. Un semplice AUV può essere realizzato da un microcontrollore, un involucro a pressione in PVC, un attuatore automatico per serratura, siringhe e un relè DPDT. Alcuni partecipanti alle competizioni creano progetti open-source.

Traffico di droga illegale
Sottomarini che viaggiano autonomamente verso una destinazione attraverso la navigazione GPS sono stati fatti da trafficanti di droga illegali.

Indagini aerospaziali
Veicoli subacquei autonomi, ad esempio AUV ABYSS, sono stati utilizzati per trovare relitti di aerei mancanti, ad es. Air France Flight 447 e Bluefin-21 AUV sono stati utilizzati per la ricerca del volo 370 della Malaysia Airlines.

Applicazioni militari
Il piano generale del veicolo sottomarino senza equipaggio della marina statunitense (UUV) ha identificato le seguenti missioni dell’UUV:

Intelligenza, sorveglianza e ricognizione
Le mie contromisure
Guerra anti-sottomarino
Ispezione / identificazione
Oceanografia
Nodi di rete di comunicazione / navigazione
Consegna del carico utile
Operazioni di informazione
Colpo critico

Il Master Plan della Marina divideva tutti gli UUV in quattro classi:

Classe di veicoli uomo-portatile: cilindrata da 25 a 100 libbre; 10-20 ore di resistenza; lanciato da piccole imbarcazioni ad acqua manualmente (ad esempio, Mk 18 Mod 1 Swordfish UUV)
Classe di veicoli leggera: cilindrata fino a 500 libbre, durata 20-40 ore; lanciato da RHIB utilizzando il sistema launch / retriever o con gru da navi di superficie (ad esempio, Mk 18 Mod 2 Kingfish UUV)
Classe di veicoli pesanti: fino a 3000 libbre di cilindrata, 40-80 ore di resistenza, lanciata da sottomarini
Classe di veicoli di grandi dimensioni: fino a 10 lunghe tonnellate di cilindrata; lanciato da navi di superficie e sottomarini

Disegni del veicolo
Centinaia di diversi AUV sono stati progettati negli ultimi 50 anni circa, ma solo poche aziende vendono veicoli in quantità significative. Ci sono circa 10 aziende che vendono AUV sul mercato internazionale, tra cui Kongsberg Maritime, Hydroid (ora interamente controllata da Kongsberg Maritime), Bluefin Robotics, Teledyne Gavia (precedentemente noto come Hafmynd), International Submarine Engineering (ISE) Ltd, Atlas Elektronik e OceanScan.

I veicoli spaziano dalle dimensioni di un veicolo leggero portatile all’uomo a veicoli di grande diametro di oltre 10 metri di lunghezza. I veicoli di grandi dimensioni presentano vantaggi in termini di resistenza e capacità di carico utile del sensore; i veicoli più piccoli beneficiano in modo significativo della logistica inferiore (ad esempio: supporto dell’imbarcazione, sistemi di lancio e recupero).

Alcuni produttori hanno beneficiato della sponsorizzazione del governo nazionale, tra cui Bluefin e Kongsberg. Il mercato è effettivamente suddiviso in tre aree: scientifica (comprese università e agenzie di ricerca), offshore commerciale (petrolio e gas, ecc.) E applicazione militare (contromisure mine, preparazione dello spazio di battaglia). La maggior parte di questi ruoli utilizza un design simile e funziona in modalità crociera (tipo siluro). Raccolgono dati mentre seguono un percorso pianificato a velocità comprese tra 1 e 4 nodi.

Gli AU disponibili in commercio includono vari progetti, come il piccolo REMUS 100 AUV originariamente sviluppato da Woods Hole Oceanographic Institution negli Stati Uniti e ora prodotto commercialmente da Hydroid, Inc. (una consociata interamente controllata da Kongsberg Maritime); i più grandi HUGIN 1000 e 3000 AUV sviluppati da Kongsberg Maritime e Norwegian Defense Research Establishment; i veicoli Bluefin Robotics con diametro 12 e 21 pollici (300 e 530 mm) e l’International Submarine Engineering Ltd. La maggior parte degli AUV segue la forma tradizionale del siluro poiché è considerata il miglior compromesso tra dimensioni, volume utile, efficienza idrodinamica e facilità di trattamento. Ci sono alcuni veicoli che fanno uso di un design modulare, consentendo ai componenti di essere modificati facilmente dagli operatori.

Il mercato si sta evolvendo e i progetti seguono ora le esigenze commerciali anziché essere puramente evolutivi. I progetti futuri includono AUV hover-capable per ispezione e intervento luminoso (principalmente per le applicazioni di energia offshore) e progetti ibridi AUV / ROV che alternano i ruoli come parte del loro profilo di missione. Ancora una volta, il mercato sarà guidato dai requisiti finanziari e dall’obiettivo di risparmiare denaro e tempo di spedizione costoso.

Oggi, mentre la maggior parte degli AUV è in grado di effettuare missioni senza supervisione, la maggior parte degli operatori rimane all’interno della gamma di sistemi di telemetria acustica al fine di mantenere sotto stretta osservazione il proprio investimento. Questo non è sempre possibile. Ad esempio, il Canada ha recentemente preso in consegna due AUV (ISE Explorers) per ispezionare il fondale marino sotto il ghiaccio artico a sostegno della loro richiesta ai sensi dell’articolo 76 della Convenzione delle Nazioni Unite sul diritto del mare. Inoltre, le varianti a bassissima potenza ea lungo raggio, come gli alianti subacquei, sono in grado di funzionare senza sorveglianza per settimane o mesi nelle aree litoranee e oceaniche, trasmettendo periodicamente i dati via satellite a terra, prima di tornare a essere prelevati.

A partire dal 2008, si sta sviluppando una nuova classe di AUV, che imitano i disegni trovati in natura. Sebbene la maggior parte sia attualmente in fase sperimentale, questi veicoli biomimetici (o bionici) sono in grado di raggiungere livelli più elevati di efficienza nella propulsione e nella manovrabilità copiando progetti di successo in natura. Due di questi veicoli sono FJA AquaJelly (AUV) e EvoLogics BOSS Manta Ray.

sensori
Gli AUV trasportano sensori per navigare autonomamente e mappare le caratteristiche dell’oceano. I sensori tipici comprendono bussole, sensori di profondità, sidescan e altri sonar, magnetometri, termistori e sonde di conducibilità. Alcuni AUV sono dotati di sensori biologici inclusi i fluorometri (noti anche come sensori di clorofilla), sensori di torbidità e sensori per misurare il pH e quantità di ossigeno disciolto.

Una dimostrazione a Monterey Bay, in California, nel settembre 2006, ha dimostrato che un AUV di 21 pollici (530 mm) di diametro può trainare un idrofono di 120 piedi (120 m) mantenendo una velocità di crociera di 6 nodi (11 km / h).

Navigazione
Le onde radio non possono penetrare l’acqua molto lontano, quindi non appena un AUV si tuffa perde il suo segnale GPS. Pertanto, un modo standard per AUV di navigare sott’acqua è attraverso la resa dei conti. La navigazione può tuttavia essere migliorata utilizzando un sistema di posizionamento acustico sott’acqua. Quando si opera all’interno di una rete di transponder di base schierati sul fondale marino, questo è noto come navigazione LBL. Quando è disponibile un riferimento di superficie come una nave di supporto, viene utilizzato il posizionamento ultra-corto della linea di base (USBL) o di baseline bassa (SBL) per calcolare dove il veicolo sottomarino è relativo alla posizione nota (GPS) della superficie per mezzo di misure di portata e raggio acustico. Per migliorare la stima della sua posizione e ridurre gli errori nel calcolo dei decessi (che crescono nel tempo), l’AUV può anche emergere e prendere la propria correzione GPS. Tra le correzioni di posizione e le manovre precise, un sistema di navigazione inerziale a bordo dell’AUV calcola la posizione AUV, l’accelerazione e la velocità. Le stime possono essere effettuate utilizzando i dati di un’unità di misurazione inerziale e possono essere migliorate aggiungendo un Doppler Velocity Log (DVL), che misura la velocità di spostamento sul fondo del mare / lago. Tipicamente, un sensore di pressione misura la posizione verticale (profondità del veicolo), sebbene la profondità e l’altitudine possano essere ottenute anche dalle misurazioni DVL. Queste osservazioni vengono filtrate per determinare una soluzione di navigazione finale.

Propulsione
Ci sono un paio di tecniche di propulsione per AUV. Alcuni di loro usano un motore elettrico spazzolato o senza spazzole, un cambio, una guarnizione a labbro e un’elica che possono essere circondati da un ugello o meno. Tutte queste parti incorporate nella costruzione AUV sono coinvolte nella propulsione. Altri veicoli utilizzano un’unità di propulsione per mantenere la modularità. A seconda della necessità, il propulsore può essere dotato di un ugello per la protezione dalla collisione dell’elica o per ridurre la trasmissione del rumore, oppure può essere dotato di un propulsore diretto per mantenere l’efficienza al massimo livello e i rumori al livello più basso. I propulsori Advanced AUV hanno un sistema di tenuta stagna ridondante per garantire una corretta tenuta del robot anche se uno dei sigilli si guasta durante la missione.

Gli alianti subacquei non si spingono direttamente. Cambiando la galleggiabilità e l’assetto, affondano e salgono ripetutamente; le “ali” a profilo alare convertono questo movimento su e giù per far avanzare il movimento. Il cambiamento di galleggiabilità viene solitamente effettuato attraverso l’uso di una pompa che può assorbire o spingere fuori l’acqua. Il passo del veicolo può essere controllato cambiando il centro di massa del veicolo. Per gli alianti Slocum questo viene fatto internamente spostando le batterie, che sono montate su una vite. A causa della bassa velocità e dell’elettronica a bassa potenza, l’energia richiesta per il ciclo degli stati di assetto è molto inferiore rispetto ai normali AUV, e gli alianti possono avere endurances di mesi e intervalli transoceanici.

Energia
La maggior parte degli AUV attualmente in uso sono alimentati da batterie ricaricabili (agli ioni di litio, ai polimeri di litio, al nichel-metallo idruro, ecc.) E sono implementate con una qualche forma di sistema di gestione della batteria. Alcuni veicoli usano batterie primarie che forniscono forse il doppio della resistenza, a un costo extra considerevole per missione. Alcuni dei veicoli più grandi sono alimentati da celle semi-combustibili a base di alluminio, ma richiedono una manutenzione sostanziale, richiedono costose ricariche e producono prodotti di scarto che devono essere maneggiati in modo sicuro. Una tendenza emergente è quella di combinare diversi sistemi di batterie e di alimentazione con supercondensatori.