Nauticontest: VR COACH for SHARD, l’assistente per la vela

Una opportunità per giovani progettisti.

NAUTICONTEST è un’iniziativa free access che vuole dare spazio alle nuove idee provenienti da chi si prepara a diventare il progettista di domani valorizzando quei progetti belli ed originali che, al tempo stesso, siano anche potenzialmente realizzabili.

NAUTICONTEST è riservato a tutti gli studenti d’Italia frequentanti un corso universitario o un Master di formazione che sia caratterizzante del settore Nautico e Navale (Ingegneria Nautica, Ingegneria Navale, Architettura, Design, Disegno Industriale, etc) che possono partecipare per vedere la propria tesi di laurea pubblicata all’interno della  prestigiosa rivista! – Per partecipare: www.nautica.it/nauticontest

VR COACH for SHARD
L’ASSISTENTE PER LA VELA
Progettista Alberto Brioschi – Davide Papapicco
Università/Scuola di Specializzazione Università di Genova
Corso di Laurea/Master Laurea magistrale in Design Navale e Nautico
Anno conseguimento titolo di studio 2020

Ideazione, progettazione e realizzazione di uno skiff a vela, dotato di un sistema di supporto alla navigazione: VR COACH

Introduzione – Dall’idea alla sua realizzazione

Una tesi di laurea, anche quando ha come oggetto il progetto di una barca, è quasi sempre limitata a tanti conti e alcuni bei disegni riportati nel book di tesi. Al massimo a delle belle slide di una presentazione. È inevitabile, per ovvi motivi economici e di tempo!
Alberto Brioschi e Davide Papapicco sono invece riusciti a fare molto di più: prima progettando SHARD, una deriva a vela tecnologicamente innovativa, e poi uno specifico sistema barca–tecnologie. Alla fine, il tutto l’hanno anche costruito e portato in regata, alla competizione universitaria 1001 Vela Cup. Nonostante il Covid che ha notevolmente complicato le cose.

Ma partiamo dall’inizio. L’idea alla base del progetto è stata la constatazione che, nel mondo della vela, le alte prestazioni sono solitamente raggiungibili solo da pochi atleti, validi e molto preparati. Ciò anche a fronte delle innovazioni tecniche e tecnologiche che, succedutesi negli ultimi anni, rendono possibili – almeno sulla carta – grandi miglioramenti delle performance ma, di fatto, complicano a dismisura la gestione di una barca da regata compromettendo il raggiungimento del risultato finale, ovvero il miglioramento delle performance.

La situazione è la stessa anche nell’ambito delle derive sportive più performanti, dove il divertimento è indissolubilmente legato a un alto livello tecnico (vela acrobatica, skiff, foils). Così, elevate performance e facilità di utilizzo sono oggi un ossimoro nel mondo delle derive. Ma non per Alberto e Davide che, con il loro progetto, si sono prefissi l’ambizioso obiettivo di rendere fruibile a un maggior numero di utenti l’esperienza delle elevate performance su una barca a vela.

In pratica l’obiettivo è quello di semplificare l’utilizzo di una barca ad alte prestazioni e permettere di spremerne il massimo anche se non ci si chiama Giovanni Soldini! Obiettivo raggiungibile con sistema barca-tecnologie messo a punto con SHARD che fornisce all’equipaggio un feedback in tempo reale sulle prestazioni della barca, suggerendo una diversa regolazione delle vele, un diverso angolo di rotta o una modifica all’assetto di navigazione (quindi uno spostamento di persone-peso a bordo).

Tutto queste richiede ovviamente un sistema computerizzato “intelligente” in grado di analizzare e mettere in relazione sia le caratteristiche della barca caricate al suo interno (performance della carena e delle vele, stabilità) sia i dati di navigazione misurati real time, fornendo la necessaria azione correttiva.

Stiamo parlando di VR-COACH, un sistema smart ideato dagli stessi ragazzi e messo a punto con la collaborazione di GARMIN, un sistema prototipale che mette insieme sensoristica della barca, hardware e software di analisi per dare indicazioni all’equipaggio delle azioni da fare al fine di ottimizzare le performance. Tutto consultando visivamente degli appositi smart watch portati al polso. Un po’ come i fitness watch che ci dicono quanti passi abbiamo fatto e quante calorie abbiamo consumato. Di questo e molto altro ne parleremo ora approfonditamente.

La barca: uno skiff per regatare

SHARD è uno skiff di classe R3 e come tale deve essere conforme al regolamento del 1001Vela Cup, una competizione tra atenei italiani ed esteri per l’assegnazione di un trofeo in una “tre-giorni” di regate che si svolge annualmente con imbarcazioni progettate, costruite e condotte da studenti universitari. Il regolamento fissa le norme per “far regatare insieme barche con le stesse caratteristiche, realizzate all’interno degli Atenei, lasciando ampio margine per la loro progettazione”. Questo dice il regolamento del 1001 Vela Cup che aggiunge anche un altro obiettivo, ovvero quello di “far realizzare imbarcazioni a vela di limitate dimensioni utilizzando tecnologie facilmente accessibili e con costi contenuti, mettendo sullo stesso piano laboratori didattici universitari con capacità e attrezzature differenti, anche attraverso l’introduzione di limitazioni di scelta dei materiali.”

Tutto ciò determina una classe di imbarcazioni con caratteristiche ben definite, generalmente costruite con uno scafo a superfici sviluppabili (a curvatura singola), in modo da poter essere costruito con pannelli piani prefabbricati (generalmente compensato marino). Ci sono poi altri vincoli costruttivi come, ad esempio, il 70{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} del peso della barca costituito da materiali naturali/riciclabili/riciclati.
Ed è proprio una barca per poter partecipare a questa competizione che Alberto e Davide hanno avuto in mente fin dall’inizio, una barca con la quale dare visibilità al loro progetto.

Il progetto

La carena è stata sviluppata partendo da un’imbarcazione del Politecnico di Milano che aveva partecipato alle edizioni passate dell’evento, imbarcazione a superfici sviluppabili della quale è stata mantenuta l’impostazione generale: oltre a tali superfici, stessa stabilità di forma grazie a una larghezza al galleggiamento simile al fine di conservare una buona efficienza complessiva senza ricorrere a geometrie troppo estreme tipiche di una deriva di livello medio-alto. La poppa, invece, è stata allargata per migliorare la planata mentre sullo scafo sono presenti degli spigoli, al di sopra dell’opera viva e a poppa, per un miglior distacco dell’acqua al fine di una minor superficie bagnata, che determina una minor resistenza e quindi velocità più elevate.

Successivamente, a valle di una precisa quantificazione e posizionamento dei pesi, della definizione della stabilità e dello sviluppo del piano velico, è stato eseguito un accurato studio delle prestazioni tramite il VPP (Velocity Prediction Program) integrato con un’analisi CFD per quanto riguarda le performance in regime di planata che costruisce il regime più usuale in cui la barca naviga. L’analisi con il VPP è un passaggio fondamentale per il corretto funzionamento del VR COACH perché il VPP, mettendo insieme le prestazioni della parte idrostatica, di quella idrodinamica e delle vele, permette di determinare le prestazioni in tutte le condizioni di vento e in tutte le andature della barca.

Per motivi di budget e immediatezza di esecuzione il metodo di costruzione scelto è stato quello del cuci-incolla, metodo che permette di costruire scafi con superfici sviluppabili (a curvatura singola) e spigoli. Un metodo semplice ed economico che comunque permette di costruire barche leggere con buone caratteristiche meccaniche. A patto di fare le cose fatte bene, come hanno fatto Alberto e Davide che hanno progettato nel dettaglio l’intero scafo e le strutture di rinforzo.

Nel complesso, la barca ha reticolo tridimensionale di strutture longitudinali e trasversali, una sorta di scheletro progettato per distribuire al meglio gli sforzi attraverso un assemblaggio solido dei vari componenti, fasciame di scafo e coperta compresi. I vari elementi sono tenuti insieme fra loro tramite un sistema a incastri nei quali gli spigoli sono cordonati con resina caricata e tabbing (sovrapposizione alla cordonatura di un nastro di fibra di vetro di 10 cm per una migliore distribuzione degli sforzi). Particolare attenzione è stata poi dedicata ai punti di maggior sollecitazione, ovvero gli ancoraggi di lande e strallo, il piede dell’albero, la cassa della deriva. In questo modo è possibile ottenere una struttura rigida ma anche sufficientemente leggera, come si richiede per una barca da regata.

Nonostante il metodo costruttivo e i suoi limiti, nonostante si tratti di una deriva da regata dove le priorità sono le performance, l’agilità in manovra, la pulizia del layout di coperta, i due tesisti sono comunque stati attenti anche al design di SHARD, con un’estetica riconoscibile che utilizza tratti distintivi e linee particolari per ottenere una forma complessivamente organica, senza penalizzare l’aspetto funzionale. Giocando sulla forma e sulle linee di semplici elementi, è infatti stato possibile dare un’identità alla barca che altrimenti rischiava di essere uguale a tutte le altre. Ecco, quindi, i volumi di prua, potenti e sfaccettati, che procedendo verso poppa si allineano alle superfici dello scafo, diventando parte delle terrazze, del ponte e delle murate, regalando omogeneità e pulizia di forma.

A questo si aggiunge il minimalismo della coperta, interamente piatta e con un puntapiedi minimo e integrato nello scafo, seguito da un supporto del timone con le stesse caratteristiche. Il risultato è una forma di scafo organica con una attraente componente emozionale.

Particolare attenzione è stata poi dedicata all’ergonomia delle manovre fondamentali per la buona conduzione della barca, manovre perfettamente integrate nel design e, allo stesso tempo, pienamente funzionali. L’equipaggio dispone di un pozzetto completamente sgombro, piatto, privo di ostacoli e, allo stesso tempo, protetto dall’acqua grazie all’altezza delle murate. L’obiettivo è quello di rendere le manovre più fluide possibile senza avere voluminosi tunnel centrali che intralciano il passaggio o cime scomode da raggiungere. È così stato ottenuto un pozzetto minimal, semplice e chiaro, che è anche autovuotante, grazie all’assenza di uno specchio di poppa e all’inclinazione di 2° verso poppa del piano di calpestio per lasciare defluire l’acqua.

La realizzazione hand made

Nonostante il Covid, verrebbe da dire! Infatti, dopo che a Gennaio 2020 Alberto e Davide sono partiti con il loro lavoro di tesi di laurea a sviluppare il progetto, il lockdown li ha fermati. Ma solo fino a settembre, quando hanno potuto iniziare la costruzione presso uno spazio messo a disposizione dall’azienda milanese Ambeco (sponsor del progetto, insieme al Politecnico di Milano, all’ Università di Genova e al Polo Marconi di La Spezia, a Garmin), per poi continuare all’interno del laboratorio SMaRTLab – (Sustainable Marine Research and Tecnology Lab) messo a disposizione dal Politecnico di Milano nel polo territoriale di Lecco.

Come accennato, la barca è stata costruita con il metodo “cuci e incolla”, partendo da pannelli piani di compensato marino okoumè, pre-tagliati al laser. I rinforzi longitudinali, invece, sono costituiti da listelli di mogano massello. Sia lo scafo sia la coperta sono stati successivamente laminati esternamente con una pelle bidirezionale di fibra di vetro da 300 gr e resina epossidica. Il ponte e le appendici sono state costruite in fibra di basalto, mentre il volume di prua e il sandwich nelle terrazze sono in XPS (espanso 100{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} riciclabile). È stato importante porre attenzione ai materiali utilizzati per rientrare nel regolamento di classe R3 e, in particolare, per fare in modo che il peso della barca fosse per il 70{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} costituito da materiali di origine naturale o bio-materiali, oppure riciclabili e riciclati.

Inoltre, entrando nell’ottica di dare nuova vita a ciò che è già stato usato, la barca è stata progettata prendendo in considerazione i materiali di vecchie imbarcazioni delle scorse edizioni del circuito 1001Vela Cup, quali boma, albero, bozzelli, sartie, che se non fossero stati nei magazzini pronti all’uso avrebbero richiesto un notevole impegno economico, di tempo e progettuale. A questo proposito va ricordato il fondamentale supporto logistico ed economico del Politecnico e degli altri sponsor necessario sia per la costruzione sia per la partecipazione alla regata.

La regata

Davvero non è frequente che il progetto della barca con cui ci si laurea sia già in costruzione durante la discussione della laurea stessa. Ed è altrettanto raro che, una volta discussa la tesi, il progetto si concluda positivamente e si costruisca la barca. Ma Alberto e Davide sono andati oltre: non solo hanno completato la loro opera e ci hanno navigato, ma ci hanno anche gareggiato.

A settembre 2021 hanno infatti partecipato per il Politecnico di Milano alla 14a edizione della competizione universitaria 1001 Vela Cup 2021 svoltasi a Mondello (PA) con Shard ITA39, la barca da loro progettata e costruita, messa a punto per la regata sotto la guida del prof. A Ratti e del tecnico C. Ferretti dello SmartLAB di Lecco. “È stato un banco prova per testare a fondo l’imbarcazione appena varata, scoprirne i difetti per apportare migliorie e per godere dell’elaborato appena ultimato, che è senz’altro grande fonte di soddisfazione”, ci raccontano Alberto e Davide che continuano: “Abbiamo partecipato alla competizione con una barca che, pur rispettando il regolamento, non è stata progettata ad hoc per questa competizione e che, quindi, risulta meno estrema e performante delle altre.

Nonostante ciò, siamo rimasti molto soddisfatti di quello che la barca ha dimostrato nelle 9 regate sostenute, permettendoci di raggiungere la decima posizione su dodici barche in classifica finale. Ulteriore motivo di orgoglio è stato il “premio per l’innovazione” ricevuto grazie al sistema “VR COACH” sviluppato con Garmin”.

Al di là dei risultati, la partecipazione alla competizione ha permesso, da una parte, all’equipaggio-team di progettisti di vivere un’esperienza indimenticabile a coronamento di tanto impegno e tante risorse profuse, di avere una irripetibile occasione di confronto con altre barche e con le altre persone dei team delle altre università, dall’altra di dare visibilità ad un progetto innovativo.

Conclusione

Ideazione, progetto, costruzione, regata! Niente male per una semplice tesi di laurea. Sarà anche una piccola barca ma la tecnologia e le novità non mancano. Peraltro, Alberto e Davide non considerano questo un punto di arrivo, anzi. Se questa prima versione del sistema altro non è che una combinazione (nuova) di vari componenti che già esistono (non solo a livello delle tecnologie) e svolgono delle funzioni proprie, in un futuro prossimo, l’ottimizzazione del prodotto potrebbe portare:

allo studio e alla produzione di componenti ad hoc per il sistema (non solo componenti da catalogo Garmin ma strumenti ottimizzati a svolgere le funzioni specifiche richieste);

all’implementazione della precisione di VR COACH con software che utilizzi algoritmi non su base PLC (limite imposto da Garmin in questa fase di prototipazione);

all’aggiunta di nuove funzionalità che si possono rivelare importanti nel corso del tempo;

a migliorare la morfologia della deriva stessa che è stata progettata per questo sistema.

Tutto questo per il case study rappresentato da SHARD. Ma VR-COACH può essere sviluppato anche come piattaforma applicabile a ogni imbarcazione a vela e per ogni tipo di equipaggio. VR-COACH può essere, infatti, un progetto a più ampio respiro con ampi margini di miglioramento e implementazione, un progetto che può portare alla creazione di un prodotto completo e unico nel suo genere.

I progettisti: Alberto Brioschi – Davide Papapicco

Alberto Brioschi e Davide Papapicco si sono conosciuti al primo anno del corso di laurea magistrale in design navale e nautico al Polo G. Marconi di La Spezia.

Fin dall’inizio li ha uniti la passione per il mare e per la natura, il desiderio di provare a rendere il mondo un posto migliore, e un forte spirito di avventura: un mix che già nel 2019 li ha portati a collaborare nella circumnavigazione della Sardegna (Alberto e un altro compagno di università a bordo di un formula 18), mentre Davide in sella alla moto per fornire supporto logistico e organizzativo, con lo scopo di portare lungo la costa un messaggio di sostenibilità ambientale. Poi è arrivata SHARD, la laurea, la 1001 VelaCup.

Oggi i due hanno intrapreso il loro percorso professionale che ha portato Alberto a lavorare presso l’azienda Forlivese Skyron mentre Davide lavora presso Cantiere Del Pardo, entrambi come progettisti nautici.

VR COACH – L’allenatore in barca

Contestualmente alla progettazione della barca e alla stesura della tesi, il duo progettuale ha collaborato con la Garmin ai fini della prototipazione del sistema smart da loro stessi ideato. “Per noi – raccontano Alberto e Davide – costituisce motivo di orgoglio aver collaborato con una azienda così affermata nel settore per la messa a punto di questo sistema.

Dopo l’incontro nella loro sede di Milano, con Simone D’aiuto (Sales Manager Marine), è stato creato un contatto diretto con Giacomo Negro (Digital Switching Specialist) che ha seguito fino ad oggi lo sviluppo. Con lui, fin da subito, sono stati definiti i componenti hardware che avrebbero dovuto costituire il sistema e le features del software affinché potesse svolgere i calcoli desiderati.”

Andiamo ora ad analizzare il sistema.
Il sistema punta a massimizzare la user experience di un’uscita in deriva, migliorandola e senza crearne una nuova a cui l’utente debba abituarsi.

Il funzionamento si basa sulla comunicazione non invasiva tra il sistema smart e l’equipaggio al fine di fornire un feedback in tempo reale, di rendere più intuitiva e sicura la navigazione, di “consigliare” l’equipaggio, laddove necessario, sul come comportarsi in determinate condizioni meteomarine.

Tutto gira intorno a dei fattori principali che sono la morfologia della barca, le condizioni meteomarine in real time, la direzione di navigazione e la velocità del vento. Com’è noto, una barca a vela per ogni andatura (angolo tra rotta barca e direzione del vento) è caratterizzata da una velocità massima che può raggiungere, con una certa intensità del vento, solo orientando le vele nella maniera corretta e disponendo i pesi dell’equipaggio in modo ottimale. Il compito del sistema è quindi quello di rilevare la reale andatura e confrontare la velocità istantanea della barca con quella massima teorica espressa dalle polari. Se le due velocità corrispondono, le condizioni di navigazione sono quelle ottimali. Se, invece la velocità istantanea dovesse risultare inferiore, l’equipaggio dovrà darsi da fare per ottimizzare la propria andatura agendo sui tre possibili aspetti:
assetto, distribuendo i pesi a bordo (persone) in modo da ottenere angoli di assetto trasversali e longitudinali prossimi allo zero;
direzione, ottimizzando la rotta in base al punto di arrivo;
propulsione, regolando le vele in base all’andatura per sfruttare al meglio il vento.

Quindi, nel momento in cui questi tre aspetti sono ottimizzati, la barca starà navigando al massimo delle proprie possibilità. È evidente come dietro a tutto questo ci sia un accurato algoritmo che deve gestire in real time una gran quantità di informazioni che poi il sistema smart rende accessibile all’utente anche meno esperto.
Terminale display, smartwatch, smartphone, costituiscono la line-up della “User experience” e sono parte integrante del sistema. L’utente interagisce con l’elettronica di bordo attraverso un display posizionato a piede d’albero, indossando gli smartwatch e con il supporto dello smartphone. Tutti questi dispositivi sono di facile e intuitiva consultazione e creano un contatto diretto con la barca, che va oltre la semplice navigazione a vela, ampliandone i confini spazio-temporali.

L’equipaggio riesce infatti a monitorare le proprie performance a bordo, correggere gli errori in navigazione monitorare i propri progressi nel tempo per migliorare anche e soprattutto le proprie doti marinaresche. L’ambizione di questo sistema è un po’ quella di portare la figura dell’allenatore in barca, da cui il nome VR COACH, in modo da correggere in tempo reale eventuali errori di conduzione, oltre a raccogliere dati durante l’allenamento che siano consultabili in una fase di debriefing per capire come sia andata complessivamente l’attività e quali siano stati eventuali errori.

Ovviamente, tutto il sistema si compone di ulteriori componenti che non vengono utilizzati dall’equipaggio ma che servono al VR COACH ad acquisire i dati in real time, dalla bussola all’antenna GPS, fino ai trasduttori per la misurazione della velocità del vento.

Insomma, un sistema che non lascia nulla al caso e assiste l’equipaggio durante tutta la propria esperienza di navigazione, stimolandolo ad ampliare le proprie capacità e trovare sempre il limite tra piacere di navigazione ed esperienza tecnologica.