Studio sperimentale della dinamica di una boa strumentata per la misura direzionale delle onde

This thesis project presents an experimental study on an instrumented buoy, aimed at evaluating its performance in monitoring the directionality of wave motion. To this end, a reduced-scale physical model of the buoy was used, developed at the ICEA Department of the University of Padua. The work was structured into three main phases: the design of the measurement system, experimental testing in a controlled environment, analysis and processing of the acquired data. The data acquisition system was developed using a modular combination of three Arduino boards. The MKR WiFi 1010 board was used for its wireless connectivity, enabling remote data transmission. The MEM board allowed for local data storage during testing, while the IMU board, equipped with the BNO055 sensor, integrates an accelerometer, gyroscope, and magnetometer, enabling real-time acquisition of the corresponding data: acceleration, angular velocity, and magnetic field. The experimental phase took place in the 2D wave flume of the Maritime Laboratory at the ICEA Department, where regular waves were generated with various combinations of height, period, and anchoring systems, in order to evaluate the buoy’s behavior under different operating conditions. Data were acquired using the Arduino-based system integrated into the buoy. In the final phase, the collected data were processed using a Kalman filter, employed to integrate the information from the BNO055 sensor. In particular, filtered linear accelerations were used to estimate wave directionality, while the use of Euler angles allowed for the reconstruction of the sensor’s orientation over time within the buoy. The results, compared with visual observations and validated through additional tests conducted outside the flume, showed that the system is capable of accurately estimating both the orientation of the sensor and the directionality of wave, demonstrating its effectiveness for wave motion monitoring applications.

Questo progetto di tesi presenta uno studio sperimentale su una boa strumentata, finalizzato a valutarne le prestazioni nel monitoraggio della direzionalità del moto ondoso. A tale fine è stato utilizzato un modello fisico in scala ridotta, realizzato presso il Dipartimento ICEA dell’Università di Padova, e il lavoro è stato articolato in tre fasi: progettazione dello strumento di misura, sperimentazione in ambiente controllato, analisi ed elaborazione dei dati acquisiti. Il sistema di acquisizione sviluppato si basa sull’utilizzo di una combinazione modulare di tre schede Arduino. La scheda MKR WiFi 1010 è stata impiegata per la sua connettività wireless, che ha reso possibile la trasmissione remota dei dati. La scheda MEM ha permesso la memorizzazione locale dei dati di misura, mentre la scheda IMU, dotata del sensore BNO055, integra accelerometro, giroscopio e magnetometro, e consente di acquisire in tempo reale i corrispondenti dati di accelerazione, velocità angolare e campo magnetico. La fase sperimentale si è svolta nel canale ad onde 2D del Laboratorio Marittimo del Dipartimento ICEA, dove sono state generate onde regolari con diverse combinazioni di altezza, periodo e sistemi di ancoraggio, al fine di valutare il comportamento della boa in differenti condizioni. I dati sono stati acquisiti tramite il sistema basato su Arduino, inserito all'interno della boa. Nella fase di analisi, i dati raccolti sono stati elaborati tramite un filtro di Kalman, utilizzato per integrare le informazioni provenienti dal sensore BNO055. In particolare, Le accelerazioni lineari, opportunamente filtrate per ridurre il rumore, sono state impiegate per il calcolo della direzionalità dell’onda, mentre l’utilizzo degli angoli di Eulero ha permesso di ricostruire nel tempo l’orientamento del sensore all’interno della boa e, di conseguenza, gli spostamenti di quest’ultima. I risultati, confrontati con osservazioni visive e validati con prove esterne al canale, hanno mostrato che il sistema è in grado di stimare correttamente sia l’orientamento del sensore all'interno della boa, sia la direzionalità delle onde, dimostrandone l’efficacia per applicazioni di monitoraggio del moto ondoso.