UVASS: Unmanned Vehicles for Autonomous Sensing and Sampling

ABSTRACT

The goal of the UVASS (Unmanned Vehicles for Autonomous Sensing and Sampling) project is to use UMVs (Unmanned Marine Vehicles) to perform atmospheric and sea-ice data sensing and sampling in places which are either inaccessible to human beings or difficult to reach and therefore dangerous (i.e. close to glacier fronts/tongues).  The term UMVs includes a wide range of vehicles, such as ROVs (Remotely Operated Vehicles), AUVs (Unmanned Underwater Vehicles), USVs (Unmanned Surface Vehicles), USSVa (Unmanned Semi-Submersible Vehicles) and UAVs (Unmanned Aerial Vehicles).  In the past 20 years the “Autonomous robotic systems and control” group at CNR-ISSIA in Genoa has developed a small fleet of UMVs (Romeo ROV, Charlie USV, SHARK ROV) which have been extensively used for collecting research data during  scientific campaigns performed all over the world and  have also been successfully deployed in the Polar Regions.

PRINCIPAL INVESTIGATOR
GABRIELE BRUZZONE

PEOPLE INVOLVED
GIORGIO BRUZZONE – GENOVA
EDOARDO SPIRANDELLI – GENOVA
ANGELO ODETTI – GENOVA
ARTURO ARGENTIERI – BARI
PIERPAOLO SORIA – BARI

   TYPE AND DATE
   NATIONAL PROJECT
   STARTING DATE – 2015
   ENDING DATE – 2016

COST
TOTAL COST €: …
TOTAL FUNDING € …

CNR ISSIA
COST € ..
FUNDING € …

All CNR-ISSIA’s unmanned vehicles are equipped with a sophisticated control system that allows various working modes (manual, semi-automatic and automatic) and can also be remotely controlled by means of a control station (command console). For the UVASS project,  CNR-ISSIA, in cooperation with CNR-ISMAR, CNR-IAMC and CNR-ISAC, will endow its UMVs with additional sensors and samplers that will be used for performing atmospheric and sea-ice data collection in areas that are either difficult to access or are inaccessible to human beings. Possible places of interest could be the stretches of sea in front of the Kronebreen, Conwaybreen and Kongsbreen glaciers. The GPS coordinates of the vertices of two quadrilaterals delimiting the areas of interest are as follows:

Area near Kronebreen glaciers A) 78°53’35″N 12°30’11″E B) 78°53’26″N 12°33’10″E C) 78°52’8″N 12°31’33″E D) 78°52’24″N 12°28’43″E Area near Conwaybreen and Kongsbreen glaciers E) 78°59’33″N 12°30’25″E F) 78°58’32″N 12°34’24″E G) 78°58’6″N 12°31’51″E H) 78°59’12″N 12°26’55″E During the campaign, the following sensors/samplers will be used: – one Tritech PA500 echosunder for acquiring bathimetric data provided by CNR-ISSIA; – one Idronaut Ocean Seven 305 CTD (Conductivity Temperature and Depth) multiprobe sensor for performing water data sensing provided by CNR-ISSIA; – one pyrometer provided by CNR-ISMAR; – one water data sampler provided by CNR-IAMC (for study of microbial biomass and bacteria respiractory activity). All  data collected by these devices will be integrated with UMVs telemetry (for synchronization and geolocalization of data). During the surveys the collected data will also be made accessible in real-time to the end user so that he/she will be able to modify the sampling area according to the acquired data (adaptive sampling). In view of the critical importance of the application, the communication link between the console and the UMVs will be made redundant and  will be performed by means of at least two different communication systems chosen from the following list: – 2.4 GHz WI-FI – 902-928 MHz Ethernet radio – 435–450 MHz radio-modem – 436 MHz radio-modem – 169 MHz radio-modem The scientific campaign in 2015 will be performed using the small size USV SHARK and will pave the way for a more challenging campaign to be performed in 2016 using the larger, more performant USV Charlie.

La campagna scientifica si terrà alle Isole Svalbard nel periodo: 14-26/6/2015, più precisamente sarà svolta a Ny-Ålesund in prossimità della Base Artica Italiana “Dirigibile Italia” gestita dal Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR).

ABSTRACT

La campagna scientifica sarà condotta nell’ambito del progetto di ricerca denominato UVASS (Unmanned Vehicles for Autonomous Sensing and Sampling) del quale è responsabile Gabriele Bruzzone – CNR-ISSIA – unità operativa di Genova con cui collaboreranno i colleghi Giorgio Bruzzone ed Edoardo Spirandelli (unità operativa di Genova del CNR-ISSIA) ed i colleghi Arturo Argentieri e Pierpaolo Soria (unità operativa di Bari del CNR-ISSIA). Il progetto UVASS è di durata biennale (2015-2016) e rientra nel novero delle attività scientifiche approvate dallo Svalbard Science Forum (SSF). In particolare, il progetto prevede lo sviluppo ed il miglioramento di sistemi integrati di misura meteomarini e di veicoli robotici unmanned (senza equipaggio) per lo studio dei processi alle interfacce (aria-mare-ghiaccio). Nello specifico la ricerca sarà finalizzata allo studio dei cambiamenti climatici, dell’inquinamento ambientale, degli ecosistemi.

Lo scopo principale della campagna scientifica del Giugno 2015 sarà quello di effettuare misure e campionamenti di parametri ambientali marini nei pressi dei fronti marini dei ghiacciai ovvero in aree laddove gli esseri umani non possono recarsi a causa del pericolo che possano staccarsi enormi blocchi di ghiaccio. Sono state identificate alcune aree di particolare interesse nei pressi degli sbocchi in mare dei ghiacciai Kronebreen, Conwaybreen e Kongsbreen.

Operazioni marine:

Le misurazioni dei parametri ambientali ed i campionamenti di acqua saranno effettuati mediante l’utilizzo di un piccolo robot marino autonomo semi-sommergibile denominato Shark interamente progettato e sviluppato da CNR-ISSIA. Il veicolo sarà messo a mare e tele-operato da un’imbarcazione d’appoggio tenuta a distanza di sicurezza (circa 1 Km) dal fronte dei ghiacciai. Sul veicolo robotico oltre alla strumentazione base di navigazione (bussola e GPS) ed al relativo sistema di controllo automatico saranno montati un sistema radio ad hoc (progettato in collaborazione con la ditta MARCOM) per l’invio di comandi e la ricezione dei dati di telemetria ed una telecamera che ne consentirà il pilotaggio con visione in soggettiva.

Shark sarà inoltre dotato di sensori aggiuntivi (pirometro, sonda multi-parametrica, ecoscandaglio) ed un campionatore di acqua, quest’ultimo sviluppato dai colleghi Maurizio Azzaro e Giuseppe Zappalà del CNR-IAMC di Messina. Il pirometro consentirà di misurare la temperatura superficiale dell’acqua, la sonda multi-parametrica (prodotta dalla ditta Idronaut) permetterà di acquisire i valori di conduttività (salinità), temperatura, pH, redox, ossigeno disciolto nell’acqua (dell’acquisizione e dell’analisi di questi dati si occuperanno i colleghi Federico Giglio e Stefano Miserocchi del CNR-ISMAR di Bologna ed il collega Stefano Aliani del CNR-ISMAR di La Spezia) mentre l’ecoscandaglio consentirà di realizzare una batimetria delle zone marine in cui saranno eseguite le misurazioni. A rimorchio del veicolo Shark sarà invece collegato il campionatore di acqua che sarà azionato a distanza una volta raggiunte le zone di interesse. I campioni d’acqua saranno utilizzati per lo studio della biomassa microbica e dell’attività respiratoria dei batteri.

Operazioni aeree a supporto:

Durante le operazioni il veicolo Shark sarà coadiuvato da un drone ottocottero volante prodotto e progettato su nostre specifiche dalla ditta Italdron. Il drone si alzerà in volo dalla nave quando il veicolo Shark sarà già in prossimità della zona operativa.I tempi di percorrenza per coprire 1 km saranno di circa 45/50 secondi. Si prevede di far rientrare e atterrare il velivolo sulla nave per almeno tre volte per coprire l’arco temporale della missione. Il drone aereo è stato progettato tenendo presente le particolari condizioni meteorologiche della zona: basse temperature, forti venti in quota, correnti ascensionali in prossimità del ghiacciaio. Particolare attenzione è stata riservata all’autonomia di volo che è di 45 minuti. Il sistema radio-telemetrico è stato progettato tenendo presente le stringenti normative in vigore alle Isole Svalbard che impongono un intervallo di utilizzo delle frequenze non oltre 1 GHz. Entro questo intervallo quindi il drone sarà in grado di effettuare sia volo autonomo che in FPV (First Person View), atterraggio e decollo dall’acqua ed eventuale azionamento di unsistema di paracadute d’emergenza automatico.

Il sistema video e navigazione FPV è composto da tre telecamere:

• una con gimbal con comandi separati e pilotabile da una seconda persona che aiuterà la navigazione del veicolo Shark (individuando ad esempio ostacoli quali piccoli iceberg);
• una dedicata alla guida in FPV;
• una dedicata all’acquisizione video e fotografica (entrambe geo-taggate)

2017 mission

Today PROTEUS succeeded in reaching twice the Blomstrandbreen glacier face, collecting throughout its path both water samples and marine environmental parameters. At the same time, the Otto drone on the one hand helped PROTEUS to identify the best route to reach the glacier and on the other hand it acquired atmospheric data. Thanks to the data collected from the two vehicles the researchers will be able to characterize for the first time the important phenomena occurring in the entire vertical column near the front of the glacier.

First day of actual mission on the field, under the kronebreen glacier, in kongsfjord in svalbard. The purpose of the mission is to take samples of water and to acquire environmental parameters near the glacier, an area that for safety reasons is forbidden to navigation. We were surprised by a sudden strong wind that trapped proteus in an ice grip. We have therefore been forced to cut the safety cable linking the vehicle to the support vessel and to implement a risky recovery operation. Fortunately, with the help of the aircraft drone, we were able to pinpoint the location of the vehicle and then retrieve it. Hope it’s better tomorrow.
Special thanks to Roar Strand (captain of our boat) that took us out of a difficult situation.

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SEE ALL FIELD AND INTERACTION ROBOTICS PROJECTS

PARTNERSHIP

CNR ISSIA – Italy
CNR-IAMC. Messina – Italy
CNR-ISMAR, Bologna / La spezia – Italy
MARCOM, Verona – Italy
IDRONAUT, Brugherio (MB) – Italy
AERIALCLICK, Brindisi – Italy