A simplified dynamic model of a moth class boat for real time applications

Sailing is an activity that dates back to ancient times, allowing humans to harness the power of the wind for faster and more efficient transportation. The evolution of sailing vessels, undoubtedly mainly driven by a strong sporting interest, has undergone a steep acceleration in the last century, giving rise to new materials and production techniques. Nowadays, competitive sailing encompasses dozens of different boat classes, each of them with its own characteristics. Among them, the Moth class represents a peculiar case thanks to its ability of rising above the free surface of the water via two horizontal wing profiles placed at the lower ends of the centerboard and the rudder. This specific class of foil boat is the subject of this thesis work, aimed at presenting the development of a physical model able to describe the dynamic of a Moth sailboat during the take-off manoeuvre through the study of the forces acting on it. Starting from the analysis of the geometry of the vessel and the identification of the primary forces involved, it was developed a six-degree-of-freedom model. This model was described by using six equations related to the boat system , consisting of the sum of the forces and their angular moment along the axes. The aerodynamic and hydrodynamic forces was mainly considered, as well as the weight forces acting on the boat treated as a rigid body. After adding the inertia elements to the static equilibrium model, and having limited the dynamic model to three-degree-of-freedom, together with the partners at the top-notch maritime research institute MARIN, a Simulink program was developed to analyze the transient equilibrium states during Moth takeoff with an integration along the , and axes. Then the model was validated with data from the literature. In the future, this model is suitable to be further test in its reliability through the analysis of field data collected directly on the Moth sail boat of the UniPv Sailing Team. Furthermore, the work here presented consists in a unprecedented starting point for the development of more refined boat dynamics model to develop a real-time simulator. The same pipeline will be likely upgraded in future studies to be able to integrate also along the rotation axes and to be this way suitable for a human in the loop system.

Un modello dinamico semplificato di un'imbarcazione di classe moth per applicazioni real time. La vela è un’attività che risale ai tempi antichi, consentendo agli esseri umani di sfruttare la potenza del vento per trasporti più rapidi ed efficienti. L’evoluzione delle imbarcazioni a vela, sicuramente spinta principalmente da un forte interesse sportivo, ha subito una forte accelerazione nell’ultimo secolo, dando origine a nuovi materiali e tecniche produttive. Al giorno d’oggi la vela agonistica comprende decine di classi di imbarcazioni diverse, ognuna con le proprie caratteristiche. Tra questi, la classe Moth rappresenta un caso peculiare grazie alla sua capacità di elevarsi al di sopra della superficie libera dell’acqua tramite due profili alari orizzontali posti alle estremità inferiori della deriva e del timone. Questa specifica classe di foil boat è oggetto del presente lavoro di tesi, volto a presentare lo sviluppo di un modello fisico in grado di descrivere la dinamica di una barca a vela Moth durante la manovra di decollo, attraverso lo studio delle forze che agiscono su di essa. Partendo dall’analisi della geometria della nave e dall’identificazione delle forze primarie coinvolte, è stato sviluppato un modello a sei gradi di libertà. Questo modello è stato descritto utilizzando sei equazioni relative al sistema barca , costituito dall’equazione della somma delle forze e dei momenti lungo gli assi. Abbiamo considerato principalmente le forze aerodinamiche e idrodinamiche, nonché le forze peso agenti sulla barca trattata come un corpo rigido. Dopo aver aggiunto gli elementi di inerzia al modello di equilibrio statico, e aver limitato il modello dinamico a tre gradi di libertà, insieme ai partner dell’istituto di ricerca marittima MARIN di prim’ordine, è stato sviluppato un programma Simulink per analizzare gli stati di equilibrio transitori durante il decollo con un’integrazione lungo gli assi , e . Il modello è stato poi validato con dati tratti dalla letteratura. Questo modello si presta ad essere ulteriormente testato in futuro nella sua affidabilità attraverso l’analisi dei dati di campo raccolti direttamente sulla barca a vela Moth dello UniPv Sailing Team. Inoltre, il lavoro qui presentato costituisce un punto di partenza senza precedenti per lo sviluppo di un modello dinamico della barca più raffinato, volto a sviluppare un simulatore in tempo reale. La stessa pipeline sarà quindi probabilmente aggiornata in studi futuri per consentire l’integrazione anche attorno agli assi di rotazione e per essere così adatta ad un sistema di tipo human in the loop.