Stima e predizione in tempo reale delle onde oceaniche per il controllo predittivo di imbarcazioni foiling

The objective of this thesis is to develop one or more algorithms for real-time estimation and prediction of ocean wave elevation for use on a foiling boat. For this type of vessel, knowledge of wave elevation is essential as it can significantly impact performance or even compromise the stability of the system. The primary models considered include regular seas, long-crested irregular seas, and short-crested irregular seas, in conjunction with a kinematic rigid-body model to simulate sensor acquisitions under different scenarios. Two types of algorithms were developed to achieve this goal. The first, designed for use in regular sea conditions, is called the "moving samples" method, which jointly utilizes measurements extracted from sensors to estimate the wave phase speed and spreading direction. Then, a LASSO formulation is used to extract the model for wave estimation and prediction. The second method involves defining an extended Kalman filter with two adaptive frequencies capable of assimilating both temporal and spatial information about wave elevation by leveraging the different locations of onboard sensors. In this case as well, LASSO is employed as a selector to extract the frequencies of interest for initializing the filter model. The developed algorithms demonstrated strong potential in simulations, maintaining low mean absolute errors and confirming, in both cases, the ability to dynamically adapt to new incoming measurements.

L'obiettivo di questa tesi è lo sviluppo di uno o più algoritmi per la stima e la predizione in tempo reale dell'elevazione d'onda oceanica per l'utilizzo su un'imbarcazione foiling. Per questo tipo di barche, la conoscenza di tale informazione è essenziale in quanto può impattare significativamente le performance, o addirittura compromettere la stabilità del sistema. Sono stati presi in considerazione i modelli principali di mare regolare, mare irregolare a cresta lunga e mare irregolare a cresta corta ed il loro utilizzo congiunto con un modello cinematico del corpo rigido per simulare le acquisizioni dei sensori in diversi scenari. Successivamente, due tipologie di algoritmi sono stati sviluppati per conseguire l'obiettivo. Il primo, pensato per essere utilizzato in condizioni di mare regolare, prende il nome di metodo dei "campioni mobili", ed utilizza congiuntamente le misure estratte dai sensori per la stima della velocità di fase e della direzione di propagazione dell'onda. Quindi, una formulazione con LASSO consente di estrarre il modello per la stima e la predizione. Il secondo metodo consiste nella definizione di un filtro di Kalman esteso con due frequenze adattative che sia in grado di assimilare sia l'informazione temporale che l'informazione spaziale dell'elevazione d'onda sfruttando la diversa dislocazione dei sensori a bordo. Anche in questo caso, LASSO viene sfruttato come selettore in grado di estrarre le frequenze di interesse per l'inizializzazione del modello del filtro. Gli algoritmi sviluppati hanno mostrato ottime potenzialità in simulazione, mantenendo errori assoluti medi limitati e confermando in entrambi i casi la capacità di adattarsi dinamicamente alle nuove misure acquisite.