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Nel corso degli anni, le barche da regata oceanica hanno continuato a evolversi in termini di architettura, scelta di materiali e profili, con l'obiettivo di ottenere prestazioni sempre più elevate. Tra i progressi più recenti, l'elettronica e l'informatica sono diventati elementi chiave per ottimizzare il trimming di queste imbarcazioni e assistere lo skipper nel governarle.
Diamo un'occhiata all'elettronica di bordo (Figura 1). Su una barca da regata, decine di dati (vento, velocità dell'imbarcazione, ecc.) sono misurati da sensori. Tutti questi dati vengono raccolti, elaborati e memorizzati da un centro di navigazione (Bravo 4). Un gran numero di sensori può essere collegato all'unità centrale utilizzando i MiniNodes, piccoli moduli di acquisizione che trasmettono i dati dei sensori. Essi decuplicano la capacità di connessione della centrale di navigazione. I dati elaborati dalla centrale vengono poi utilizzati per analizzare le prestazioni dell'imbarcazione o per trasmetterli ai vari sistemi di ausilio alla navigazione (software di rotta, analisi tattica, visualizzazione, ecc.) e ai sistemi di servocontrollo (MAD Controller DCMotor), in particolare al Autopilot automatico (MAD Brain Autopilot).
Figura 1: L'elettronica di una barca a vela servoassistita
Un Autopilot automatico è costituito da due circuiti di controllo successivi. Un circuito dicontrollo"generale", gestito dal cervello MAD. È in questo primo circuito che risiede tutto il know-how e l'intelligenza dell'Autopilot. Il suo ruolo è quello di determinare l'angolo di timone che consentirà all'imbarcazione di rispettare le istruzioni impartite dallo skipper (una rotta da seguire, un angolo di vento apparente da rispettare, ecc.) Per determinare l'angolo di timone appropriato, l'algoritmo di servocontrollo dello sterzo utilizza tutte le informazioni inviate dall'unità di navigazione (velocità, vento apparente/reale, ecc.). Questa impostazione dell'angolo viene poi trasmessa al controllore MAD, che ha il compito di garantirne il rispetto. Questo è il secondo anello, ilservocontrollo dell'attuatore. Il controllore MAD gestisce la potenza elettrica applicata all'attuatore o alla pompa idraulica per azionare la barra. Il suo ruolo è quello di regolare questa potenza in base al setpoint dell'angolo di barra trasmesso dal MAD Brain, ma anche in base alla posizione attuale della barra ricevuta direttamente dal sensore della barra o dall'unità di controllo se la misura deve essere elaborata (ad esempio nel caso di un'installazione con due sensori (sensore tricky)).
Tutti questi circuiti di controllo assistono lo skipper nella gestione della barca e forniscono alcune funzioni di sicurezza (anti-cavitazione, ecc.). Tuttavia, la manovra di un timone o di un foil richiede molta energia ed è necessario impiegare alti livelli di potenza. I loop di servoassistenza predisposti per governare e controllare gli attuatori devono tenere conto di questo criterio, altrimenti si rischia di esaurire l'energia a bordo. Senza energia, la barca diventa molto più difficile da gestire e si consiglia vivamente di rientrare in porto (spegnimento del dissalatore, perdita dei dati di geolocalizzazione e della comunicazione, obbligo di governare 24 ore su 24, ecc.)
L'obiettivo di questo articolo è quindi quello di spiegare come Madintec integri la dimensione energetica accanto alle prestazioni nei suoi sviluppi. Descrive l'intero processo di dimensionamento dei sistemi, dagli attuatori all'accumulo elettrico, per garantire la migliore gestione possibile del criterio energetico in un servosistema. Questo lavoro permette a Madintec di controllare al meglio i consumi dovuti al governo (timone o foil), ma anche di migliorare la precisione dei servocomandi grazie a una migliore comprensione del sistema di alimentazione.
Per illustrare questo aspetto, prendiamo l'esempio di un loop di controllo di un attuatore, che controlla l'inclinazione di una lamina utilizzando un attuatore elettrico.
Prima di parlare di potenza elettrica, è necessario determinare la potenza meccanica coinvolta. Lo scopo principale della potenza elettrica è quello di generare lo sforzo meccanico necessario per manovrare il foil. Le misurazioni o le stime delle forze vengono effettuate dagli architetti o dagli uffici di progettazione delle squadre, utilizzando strumenti di modellazione o la strumentazione diretta dell'imbarcazione. Le forze/carichi applicati al foil vengono poi utilizzati per progettare gli attuatori.
Per poter erogare la forza necessaria a spostare la lamina, è necessario dimensionare correttamente l'attuatore che la manovrerà. È importante scomporre tutti i componenti per capire come si comportano. Un attuatore elettrico è costituito da un motore a corrente continua che trasforma l'energia elettrica in energia meccanica, da un riduttore, da un sistema di viti e da un'asta che trasformano e ripristinano le forze meccaniche generate dal motore. Attraverso la modellazione, è possibile controllare completamente il comportamento di ciascuno di questi elementi, soprattutto in termini di perdita di energia. L'energia trasmessa al motore non sarà tutta restituita alla lamina, il che è noto come efficienza energetica. Un motore a corrente continua subisce perdite elettriche e magnetiche che provocano un surriscaldamento (perdite Joule e perdite di ferro), oltre a perdite meccaniche dovute all'attrito del rotore. Anche il riduttore, il sistema vite-dado e il mandrino sono soggetti ad attrito e gioco meccanico, che si traducono in perdite di energia (Figura 2). Conoscendo la potenza meccanica da applicare alla lamina e il comportamento di ciascuno dei componenti che compongono l'attuatore (e quindi la sua efficienza), è possibile determinare la potenza elettrica da applicare al motore in modo che possa restituire la forza meccanica richiesta.
Figura 2: Attuatore elettrico
Tuttavia, la conoscenza della potenza non ci permette ancora di parlare di energia. L'energia corrisponde all'applicazione di potenza per un certo periodo di tempo. È quindi necessario sapere come verrà utilizzato l'attuatore elettrico. Il ruolo del controllore MAD è quello di controllare l'attuatore e quindi di gestire questo servocontrollo (rispetto di un angolo impostato). È quindi importante implementare strategie di controllo adeguate per garantire l'accuratezza del sistema, riducendo al contempo il consumo energetico della movimentazione di una lamina. Alcune strategie di controllo saranno descritte in dettaglio nel resto del documento.
Conoscere queste strategie significa sapere come verrà utilizzato l'attuatore e quindi il consumo di energia necessario per controllare una lamina. Tuttavia, per poter fornire questa energia al sistema, dobbiamo essere in grado di immagazzinarla. È quindi importante dimensionare correttamente l'accumulo di energia. Il dimensionamento dell'accumulo e la scelta di una tecnologia adeguata si basano sull'esame dei seguenti punti:
Una volta presi in considerazione tutti questi punti, è possibile scegliere la tecnologia di accumulo più adatta (diesel, metanolo, batteria agli ioni di litio, Pb, super-capacità, ecc.) Ogni tecnologia ha un utilizzo specifico (Figura 3). Ad esempio, il diesel, che ha un contenuto energetico molto elevato (circa 1 kWh/kg), sarà utilizzato per lo stoccaggio a lungo termine. Può trasportare una grande quantità di energia a fronte di un peso contenuto. Tuttavia, non sopporta un uso troppo frequente. Non è consigliabile avviare un generatore ogni due minuti, poiché il generatore ha un'efficienza molto bassa all'avvio e le perdite di energia sarebbero troppo elevate. Per questo motivo è spesso pratica comune trasferire questa energia in batterie agli ioni di litio, che hanno un contenuto energetico inferiore (circa 100Wh/kg) ma possono sopportare un uso molto più frequente. Sono utilizzate per lo stoccaggio a medio termine. All'altra estremità della scala ci sono i supercondensatori, che possono generare una potenza molto maggiore rispetto alle due tecnologie precedenti (circa 5kW/kg rispetto ai 200W/kg delle batterie agli ioni di litio) ma che saranno utilizzati per l'immagazzinamento a breve termine perché il loro contenuto energetico è molto elevato (circa 10Wh/kg). Questa tecnologia viene utilizzata, ad esempio, per muovere la chiglia di una barca.
Figura 3: Diagramma di Ragone (fonte: ac-nantes.fr)
L'insieme di questi passaggi ci consentirà di determinare il fabbisogno energetico per lo spostamento di una lamina, dalla potenza meccanica da esercitare all'efficienza energetica dell'attuatore, alla potenza elettrica da fornire e alle capacità e caratteristiche di stoccaggio. Una volta conosciuto questo comportamento, quali strategie di controllo energetico potrebbero essere messe in atto?
Tra gli altri sviluppi, Madintec sta lavorando all'implementazione delle seguenti strategie per il controllo dei suoi attuatori. Il team è impegnato a ridurre il consumo delle apparecchiature, garantendo al contempo almeno lo stesso livello di precisione dei sistemi attuali.
L'efficienza energetica di un motore elettrico può variare dal 30% all'80% a seconda dei diversi punti di funzionamento. Una parte significativa dell'energia può quindi andare persa se i comandi trasmessi al motore non sono ben definiti in relazione al carico da spostare. Le strategie di controllo applicate da Madintec cercano di massimizzare l'efficienza del motore selezionando accelerazioni e velocità di traslazione appropriate. Non si tratta quindi semplicemente di spostare una lamina da un punto A a un punto B, ma di trovare il percorso migliore per il motore in modo che sia il più efficiente possibile. Il controllo del sistema ci permette di quantificare l'energia che vogliamo destinare alla manovra.
I due criteri principali per l'implementazione delle strategie di controllo sono le prestazioni e il consumo energetico. Madintec esprime questi due criteri utilizzando funzioni di costo rappresentative di questi criteri. Il controllore genera quindi comandi per minimizzare o massimizzare queste funzioni (minimizzare il consumo/massimizzare le prestazioni). È possibile impostare una ponderazione per favorire l'uno o l'altro criterio. Queste ponderazioni possono poi essere bilanciate in base agli obiettivi del comandante. È anche possibile basarsi sul bilancio energetico attuale dell'imbarcazione. Possiamo anche immaginare di basarci su una valutazione nell'arco di 24 ore, stimando la produzione e il consumo di energia, conoscendo la rotta approssimativa dell'imbarcazione. Questo lavoro è ancora in corso, ma i risultati sono molto incoraggianti.
Per attuare queste strategie, Madintec si affida alla teoria del controllo ottimale, che fa parte della scienza del controllo automatico. Questo tipo di controllo è ampiamente utilizzato in aeronautica. Va oltre il semplice correttore PID (Proporzionale Integrale Derivativo) attualmente utilizzato dai piloti di vecchia generazione e presente anche nei sistemi di produzione. Questo tipo di correttore non era più sufficiente per soddisfare le nuove esigenze delle regate oceaniche in termini di servocontrollo sempre più esigente (controllo del foil, controllo 3D, controllo multi-criterio (prestazioni, energia)).
Il team Madintec sta attualmente proseguendo il lavoro di ricerca e sviluppo per integrare la dimensione energetica nel modo più efficace possibile, garantendo (o addirittura migliorando) lo stesso livello di prestazioni dello stato dell'arte. Il consumo energetico di un Autopilot automatico rappresenta una parte consistente del consumo totale di un'imbarcazione. Lavorando esclusivamente sul loop del servo attuatore (controllo della potenza dell'attuatore elettrico), Madintec ha ottenuto significativi guadagni in termini di consumo energetico. Questi risultati aprono prospettive interessanti per i nostri sviluppi futuri. Madintec sta ora proseguendo il suo lavoro, non basandosi più solo sull'anello di controllo dell'attuatore, ma sull'intero servo-anello di controllo. Un lavoro più approfondito sugli algoritmi consentirà di eliminare il più possibile i movimenti parassiti dell'Autopilot, riducendo ulteriormente il consumo energetico.
Tra qualche anno potremo passare a barche a vela che funzionano esclusivamente con energia verde. Le barche a vela di oggi sono già sufficientemente strumentate. Controllando il più possibile i consumi, potremo sfruttare maggiormente questa rete e ottenere barche a vela autosufficienti dal punto di vista energetico.
