Bio-inspired magnetic field-based trajectory planning for GPS-free long-range marine navigation

This thesis addresses the problem of autonomous marine navigation in GPS-denied environments by proposing an innovative approach based on the Earth's magnetic field. Inspired by animal orientation mechanisms, a real-time guidance algorithm is developed that generates a piecewise trajectory following an Adaptive Biased Random Walk (ABRW) pattern, using only local magnetic measurements. The method requires no prior geomagnetic map and adapts dynamically to magnetic field characteristics during navigation. Simulation results show that the vehicle can reach the target under different scenarios. This work provides a promising foundation for the development of a complete guidance and navigation system for long-range autonomous missions without GPS. Since the approach remains consistent with current scientific understanding of animal orientation, the results also offer relevant insights for future studies on orientation strategies used by animals, particularly sea turtles. Questa tesi affronta il problema della navigazione autonoma in ambiente marino privo di GPS proponendo un approccio innovativo basato sull’utilizzo del campo magnetico terrestre. Ispirandosi all’orientamento di alcune specie animali, viene sviluppato un algoritmo di guida in tempo reale che genera una traiettoria a tratti secondo una dinamica di tipo Adaptive Biased Random Walk (ABRW), utilizzando esclusivamente misure magnetiche locali. Il metodo non richiede mappe geomagnetiche preesistenti e si adatta dinamicamente alle caratteristiche del campo magnetico durante la navigazione. I risultati delle simulazioni dimostrano che il veicolo è in grado di raggiungere il target in scenari diversi. Il lavoro fornisce una base promettente per lo sviluppo di un sistema completo di guida e navigazione per missioni autonome a lungo raggio in assenza di GPS. Poiché l’approccio mantiene coerenza con l’attuale comprensione scientifica dei meccanismi di orientamento animale, i risultati offrono anche spunti rilevanti per future ricerche nello studio dei metodi di orientamento impiegati dagli animali, in particolare dalle tartarughe marine.