Studio, progettazione e sperimentazione di un sistema di sicurezza per il portiere elettronico El.Go.

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Indice

Introduzione 1

1 La sicurezza nel progetto El.Go. 3

1.1 Sport e disabilità . . . 3

1.1.1 Sport e disabilità in Italia . . . 4

1.2 Calcio e disabilità . . . 5

1.3 El.Go. . . 6

1.3.1 Stato dell'arte sui portieri a controllo elettronico . . . 7

1.4 Messa in sicurezza . . . 8

1.5 Sensori usati nell'ambito della sicurezza . . . 11

1.5.1 Sensori posti sulla traiettoria di funzionamento della sagoma . . . 12

1.5.2 Sensori per il riconoscimento di persone in una deter-minata area . . . 13

Sensori di presenza a pressione . . . 13

Sensori di prossimità . . . 14

1.6 Altre soluzioni . . . 15

1.7 Sensor fusion . . . 16

2 Requisiti 17 2.1 Requisiti del sistema El.Go. . . 17

2.1.1 Urto tra giocatore e sagoma . . . 18

2.1.2 Urto tra il giocatore e altri componenti meccanici del portiere elettronico . . . 18

2.1.3 Pallone indirizzato verso l'utente utilizzatore del por-tiere elettronico . . . 18

2.1.4 Possibile ribaltamento della struttura . . . 19

2.1.5 Scariche elettriche dovute a tensioni elevate nel sistema di trazione . . . 19

2.1.6 Inltrazioni di acqua nel sistema causati da agenti atmosferici . . . 20

2.2 Altre considerazioni . . . 20

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2.2.2 Compatibilità . . . 20

2.2.3 Trasporto e montaggio . . . 21

2.2.4 Compatibilità col gioco del calcio . . . 21

2.2.5 Estetica . . . 21

2.2.6 Dimensioni . . . 22

3 Architettura del sistema 23 3.1 Sensori ed interfacce . . . 25

3.1.1 Sensore Matguard-440F . . . 25

3.1.2 Interfaccia matguard . . . 29

3.1.3 Barriera optoelettrica AL2109-P-1820 . . . 30

3.1.4 Interfaccia lightgrid . . . 32

3.1.5 Allarme visivo . . . 37

3.1.6 Realizzazione prototipo su millefori . . . 38

3.1.7 Sensore MA40S4 R/S . . . 39

3.1.8 Circuito per i sensori ultrasonici . . . 42

Circuito di trasmissione . . . 43

Circuito di ricezione . . . 44

Realizzazione PCB . . . 46

3.2 Test e Veriche . . . 47

3.3 Descrizione scheda di elaborazione . . . 50

3.3.1 Fluctus . . . 50

Stellaris LM3S9B90 . . . 50

analog-to-digital converter (ADC) . . . 55

General-Purpose Timers . . . 56

General-Purpose Input/Outputs (GPIOs) . . . 57

Firmware . . . 58 4 Valutazioni degli utenti sul portiere elettronico 61

5 Conclusioni 68

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Introduzione

Il presente lavoro di tesi descrive tutti i passi che hanno portato alla pro-gettazione e alla sperimentazione di un sistema di sicurezza per il portiere elettronico El.Go.(Electronic Goalkeeper).

Il progetto El.Go., sviluppato dall'Ing. Mauro Turturici in un lavoro di tesi precedente, si inserisce nel contesto dell'ausilio a persone con disabilità, e più specicamente, nel favorirne l'integrazione attraverso lo sport. L'ela-borato attuale si occupa della messa in sicurezza del sistema ponendosi come naturale completamento del progetto precedente.

La fase di progettazione non riguarda solamente la realizzazione dei cir-cuiti relativi al sistema, ma comprende anche lo studio dei requisiti che questo deve rispettare per garantire l'incolumità dei giocatori e dell'utente che utilizza El.Go.

Nel primo capitolo vengono introdotte le motivazioni che hanno portato alla realizzazione del sistema di sicurezza per il portiere elettronico, sotto-lineando come lo sport possa essere un mezzo per favorire l'integrazione e l'interazione tra persone con disabilità e non. Sono inoltre descritti altri por-tieri elettronici, evidenziando come El.Go. sia unico nel suo genere e inne viene introdotto il concetto di messa in sicurezza con una panoramica dei vari tipi di sensori di sicurezza.

Nel secondo capitolo vengono descritti tutti i requisiti di sicurezza che il sistema deve rispettare, dedotti dallo studio di una situazione di potenziale pericolo.

Nel terzo capitolo vengono descritti tutti i componenti del sistema in mo-do dettagliato. Sono descritti i sensori Lightgrid, Matguard e ultrasonici con il loro funzionamento e i relativi circuiti di interfaccia con il sistema di ela-borazione. Per i sensori ultrasonici vengono anche descritti i passi che hanno portato alla progettazione di una PCB(Printed Board Circuit) su cui salda-re i sensori di trasmissione e ricezione. Viene inoltsalda-re descritto il sistema di

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elaborazione e presentato il usso di progetto per il rmware di controllo. In ultimo sono descritti i vari test eettuati in laboratorio con i relativi risultati. Nel quarto capitolo sono presentate le esperienze eettuate presso il Li-ceo Scientico Salutati di Montecatini Terme e a Corsagna, presso il centro sportivo S.Michele. In queste occasioni è stata data la possibilità ai ragazzi di poter interagire col portiere elettronico. Le esperienze sono state docu-mentate attraverso foto e lmati e nel caso di Montecatini ricevendo anche delle valutazioni per mezzo di questionari che hanno permesso di constatare l'impatto che questo strumento può avere non solo sull'utente utilizzatore, ma anche su tutti i giocatori partecipanti.

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Capitolo 1

La sicurezza nel progetto

El.Go.

In questo capitolo viene fatta una panoramica sulla disabilità e su come lo sport può essere un mezzo di integrazione per una persona con disabilità e viene introdotto il progetto Electronic Goalkeeper (El.Go.) riportando anche altri esempi di portieri elettronici. Inne viene introdotto il tema centrale dell'elaborato, ovvero la sicurezza nei sistemi e più precisamente la sicurezza del portiere a controllo elettronico, facendo anche una panoramica sullo stato dell'arte dei sensori per la sicurezza presenti in commercio.

1.1 Sport e disabilità

Sempre più studi hanno confermato come la componente ludica inuisca positivamente sulla crescita psicosica di un individuo. Lo sport in parti-colare se vissuto come momento di aggregazione e socializzazione permette di infondere valori universali di giustizia, uguaglianza, democrazia perché la sua pratica obbliga al rispetto di regole accettate ed interiorizzate.

Per la persona con disabilità può essere dicile svolgere un'attività sica ma questo non deve essere considerato un limite che precluda questa opportuni-tà; tramite lo sport infatti, una persona può riscoprire le proprie capacità e potenzialità e ciò favorisce il processo di integrazione.

Con questo spirito nel 1948 il medico inglese Ludwig Guttmann, orga-nizzò i cosiddetti Giochi di Stoke Mandeville, aperti a ex membri di sesso maschile e femminile delle forza armate britanniche che avevano avuto danni alla colonna vertebrale. Guttmann fu uno dei primi medici a credere nello sport come terapia per la riabilitazione delle persone con disabilità.

Nelle varie edizioni che seguirono, sempre più atleti di varie nazionalità pre-sero parte alla manifestazione, che ormai aveva assunto connotati

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interna-CAPITOLO 1. LA SICUREZZA NEL PROGETTO EL.GO.

zionali e nel 1960, anche grazie al medico italiano Antonio Maglio,1 _{i giochi}

vennero svolti a Roma (che quell'anno ospitava i giochi olimpici) e ricono-sciuti posteriormente come I Giochi Paralimpici estivi[1].

Negli anni successivi, anche le altre nazioni organizzatrici dei giochi olimpici seguirono l'esempio italiano e vennero organizzate altre edizioni dei giochi paralimpici estivi.

Oggigiorno, i giochi paralimpici, sono riconosciuti a livello internazionale e si svolgono ogni quattro anni parallelamente alle Olimpiadi.

Figura 1.1: discipline paralimpiche estive con i relativi loghi

1.1.1 Sport e disabilità in Italia

Le attività sportive per persone con disabilità sul territorio nazionale sono gestite dal CIP[2](Comitato Italiano Paralimpico) che regola i criteri volti

1_{direttore del centro paraplegici dell'Istituto Nazionale per l'Assicurazione contro gli}

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CAPITOLO 1. LA SICUREZZA NEL PROGETTO EL.GO.

ad assicurare il diritto di partecipazione all'attività sportiva in condizioni di uguaglianza e pari opportunità. Ad oggi il CIP riconosce oltre quaranta tra entità sportive e Federazioni Sportive Nazionali che curano ed organizzano l'attività di base ed agonistica per gli atleti con disabilità.

1.2 Calcio e disabilità

In Italia lo sport più diuso e praticato è il calcio[3]. Per quanto riguarda il calcio per le persone con disabilità, esistono varie varianti, le più famose sono tre:

per persone aette da cecità

per persone aette da paralisi cerebrale infantile per persone con disabilità in sedia a rotelle

Figura 1.2: immagine di una partita di calcio per non vedenti

La prima si gioca tra due squadre di 5 giocatori l'una. Il portiere non deve sorire di cecità totale. Si disputano due tempi di 25 minuti ciascuno e il campo, di forma rettangolare, è lungo tra i 38 e i 42 metri e largo tra i 18 e i 22 metri. Viene utilizzato un pallone che emette un suono chiaramente udibile dai giocatori.

La seconda è molto simile al calcio tradizionale. Le dierenze più impor-tanti si hanno nel numero dei giocatori (7 per squadra), le minori dimensioni

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Figura 1.3: immagine di una partita di calcio per disabili in sedia a rotelle

di campo da gioco e porte, l'assenza del fuorigioco e la libertà di eseguire le rimesse laterali.

Il calcio in carrozzina per persone con disabilità è simile al calcio a 5 e si gioca su un campo da pallacanestro tra due squadre di 4 giocatori l'una che si arontano in due tempi di 20 minuti ciascuno.

Purtroppo non esistono versioni del calcio che prevedano l'interazione tra persone con disabilità e non. Anche a livello amatoriale non è sempre possibile raggiungere questo obiettivo.

E' in questo contesto che si inserisce il progetto El.Go. il cui scopo è far partecipare attivamente la persona con disabilità ad una partita amatoriale insieme ad altre persone, senza che il gioco ne risenta o risulti pericoloso.

1.3 El.Go.

El.Go. acronimo di Electronic Goalkeeper è un progetto realizzato al-l'interno del dipartimento di Ingegneria dell'Informazione di Pisa dall'ing. Mauro Turturici sotto la guida del Prof. Luca Fanucci che ha avuto come scopo primario, quello di fornire un mezzo alle persone con disabilità per poter partecipare al gioco del calcio. Come già accennato ci sono versioni del gioco del calcio per persone con disabilità, ma nessuna variante prevede l'interazione con persone non disabili. Il progetto El.Go. ore invece questa opportunità.

Secondo lo studio progettuale eettuato[4], il ruolo che più si prestava ad essere ricoperto da una persona con disabilità, è risultato essere quello del portiere.

EL.Go. è un sistema elettromeccanico che si compone di una sagoma mobile posta su un binario che si sposta parallelamente alla linea di porta

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tramite un motore in corrente continua. Esso viene comandato dall'utente tramite una delle interfacce disponibili:

joypad due pulsanti quattro pulsanti

le tre interfacce sono interscambiabili, a seconda della preferenza dell'utente. Essendo presenti delle parti meccaniche in movimento, risulta evidente l'im-portanza di avere un sistema automatico di sicurezza. Inoltre, se si considera l'ambito scolastico nel quale il sistema viene utilizzato, l'importanza di un sistema di sicurezza, risulta praticamente vitale.

Basti pensare alle conseguenze relative ad un infortunio riportato da una persona durante il gioco. Oltre alle responsabilità legali ci sono anche da considerare le ripercussioni psicologiche che potrebbe accusare l'utente con disabilità che utilizza il sistema come strumento di socializzazione e integrazione.

1.3.1 Stato dell'arte sui portieri a controllo elettronico

Per quanto riguarda l'elettronica associata alla disabilità per lo sport, in commercio sono presenti per lo più carrozzine elettroniche o ausili per le persone con problemi alla vista o all'udito.

El.Go. dunque si presenta come un sistema totalmente innovativo poichè non esistono in letteratura strumenti simili o paragonabili ad esso.

Per quanto riguarda i portieri di calcio elettronici, in rete si trovano vari progetti, tra cui: Goalias e Robokeeper.

Realizzato dall'Istituto di automazione dell'Universita' di Stoccarda2_,

Goalias[5] è stato il primo portiere-robot al mondo capace di difendere una porta di dimensioni standard.

Il robot, realizzato con materiali sintetici, ha la sagoma di un portiere con le braccia tese verso l'alto e scorre lungo una sorta di binario piazzato davanti alla porta. Tre videocamere calcolano la traiettoria del pallone istante per istante, stabilendo di volta in volta qual sia la migliore posizione per parare il tiro: il tutto, in circa 400 millisecondi.

Come nel caso precedente, anche Robokeeper[6] è progettato per parare automaticamente qualsiasi tiro.

In questo caso il portiere è vincolato alla base e può ruotare di 180°. Il po-sizionamento ottimale avviene tramite due telecamere poste come in g.1.5, esse seguono la traiettoria della palla che deve necessariamente avere un

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Figura 1.4: immagine di Goalias in azione

colore diverso dallo sfondo di gioco. Le telecamere funzionano con una fre-quenza di 90 fotogrammi al secondo e tutti i fotogrammi vengono inviati ad un software di elaborazione di immagini che, processando i dati, provvede al calcolo della possibile traiettoria. A questo punto un motore passo-passo provvede al posizionamento del portiere con una velocità che può arrivare no ai 100Km/h.

Questi due esempi dimostrano come le nalità dei progetti siano com-pletamente diverse; Golias e Robokeeper sono stati realizzati per scopi pu-ramente ricreativi, vengono impiegati in manifestazioni e hanno lo scopo di parare qualsiasi tiro venga eettuato verso la porta.

EL.Go. invece ha uno scopo ricreativo indirizzato soprattutto alle persone con disabilità e il suo scopo non è quello di parare autonomamente qualsiasi tiro, ma orire un ausilio alle persone con disabilità per il gioco del calcio, il tutto senza aggiungere ulteriori fonti di pericolo per gli utenti che utilizzano il sistema. L'obiettivo di questo elaborato è quello di discutere le problema-tiche relative alla sicurezza del prototipo di El.Go.3_{, fornendo varie soluzioni}

ed inne scegliendo e realizzando quelle che più hanno garantito requisiti di adabilità, stabilità e sicurezza.

1.4 Messa in sicurezza

Con il termine sicurezza si intende un complesso di misure atte a preve-nire e contrastare potenziali pericoli che possono danneggiare persone o cose

3_{realizzato presso il Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione dell'Università di}

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CAPITOLO 1. LA SICUREZZA NEL PROGETTO EL.GO. durante il normale funzionamento di un sistema.

Ovviamente il concetto di sicurezza assoluta è perseguibile ma dicilmente attuabile in quanto è impossibile prevedere la componente umana e quindi redigere una casistica completa di tutti i possibili stati pericolosi; infatti in una stessa situazione, persone diverse possono agire in modo completamente dierente.

E' però indispensabile, una volta individuate delle possibili problematiche, intervenire preventivamente al ne di ridurre al minimo i rischi di infortuni o di danneggiamenti.

La realizzazione della maggior parte dei sistemi, si basa sul modello del ciclo di Deming (o ciclo di PDCA) visibile in g.1.6 il quale si compone

Figura 1.6: Ciclo di Deming

principalmente di quattro fasi: 1. pianicazione

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CAPITOLO 1. LA SICUREZZA NEL PROGETTO EL.GO. 2. esecuzione

3. monitoraggio e raccolta dati 4. migliorie

Nella pianicazione si individuano i possibili casi critici e si trova una prima soluzione, successivamente si testa il sistema in un'ambiente protet-to per evitare possibili danni (esecuzione). La fase seguente (moniprotet-toraggio) serve per testare se le soluzioni adottate sono accettabili e si raccolgono i dati per poter eseguire le successive migliorie; una volta chiuso il ciclo, si riparte no a quando il sistema non soddisfa totalmente le caratteristiche di sicurezza cercate.

La sicurezza di un sistema richiede un lavoro costante in quanto solo l'espe-rienza derivata dall'esecuzione può aiutare a trovare ulteriori pericoli non riscontrati nella fase preliminare di pianicazione.

Per le criticità, nella pianicazione, si possono distinguere due tipologie di intervento: preventive e protettive. Una volta riscontrato un possibi-le probpossibi-lema, si può intervenire in modo preventivo, facendo sì che l'evento pericoloso non abbia modo di vericarsi. Un possibile esempio può essere dato da un sistema che si trova a lavorare ad alte temperature, per evitare possibili danni causati dall'eccessivo calore, bisognerà intervenire isolandolo e proteggendolo con un opportuno sistema di rareddamento e isolamento termico.

Purtroppo non è sempre possibile intervenire in modo preventivo, bisogna prevedere delle procedure particolari per far fronte ad un errore o malfunzio-namento del sistema. E' il caso, per esempio, di una rottura di un tubo in cui scorre un gas potenzialmente pericoloso. La prima cosa da fare sarà rilevare il guasto e provvedere alla messa in sicurezza del sistema e degli utenti. Specialmente nella seconda tipologia, i tempi di reazione dovranno essere molto ristretti perciò è preferibile usare sistemi automatici comandati gene-ralmente da un sistema di elaborazione.

Il sistema di elaborazione si serve di una rete di sensori in grado di monitorare l'ambiente e intervenire quando la situazione lo richiede.

1.5 Sensori usati nell'ambito della sicurezza

Esistono svariate tipologie di sensori per coprire la maggior parte delle casistiche di pericolo; questi sensori possono essere alimentati o passivi, au-tomatici o azionabili dall'utente, o possono essere suddivisi in base al segnale d'ingresso:

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CAPITOLO 1. LA SICUREZZA NEL PROGETTO EL.GO. termici: temperatura, calore specico, entropia, usso termico. magnetici: intensità di campo, momento magnetico, densità di usso. chimici: composizione, concentrazione, velocità di reazione, pH,

poten-ziale redox.

I sensori meccanici, sono ampiamente utilizzati nei sistemi di sicurezza e trovano il loro impiego soprattutto nella delimitazione di aree critiche. Ad esempio, sensori di pressione possono essere posizionati nei varchi di ingresso di zone in cui è necessaria un'elevata sorveglianza, come nel caveau di una banca per riconoscere l'accesso di un individuo estraneo.

I sensori termici si utilizzano per rilevare la variazione di temperatu-ra, fondamentale per individuare malfunzionamenti del sistema. Ad esempio una temperatura troppo elevata di un componente del sistema, può essere un campanello d'allarme di un possibile sovraccarico di corrente.

I sensori magnetici rilevano variazioni del campo magnetico prodotto gene-ralmente dal sensore stesso. Questa tipologia di sensori è usata, ad esempio, nei sistemi di anti intrusione delle case per rilevare l'apertura di una nestra. I sensori chimici rilevano particelle di un determinato gas o elemento. Questa tipologia di sensori è utilissima per rilevare la presenza di quantità eccessive di agenti contaminanti in determinate aree. Ad esempio risultano di particolare importanza in laboratori o nei piccoli ambienti domestici per rilevare fughe di gas.

Per la messa in sicurezza del portiere elettronico, è stata presa in esame una situazione potenzialmente pericolosa, cioè l'ingresso o lo stazionamento di una persona in un'area critica o sulla linea di azione della sagoma. Il mancato tempestivo arresto del moto della sagoma, avrebbe potuto provo-care anche seri danni qualora avesse colpito un giocatore. E' stato dunque indispensabile monitorare costantemente l'area di interesse per poter inter-venire quando la situazione lo avesse richiesto, garantendo l'incolumità degli utenti.

Per il monitoraggio dell'area, la prima suddivisione tra i vari tipi di senso-ri da utilizzare, è stata fatta quindi sulla base della distanza di senso-rilevamento: la persona si trova già sulla traiettoria di funzionamento della sagoma. la persona sta entrando in un'area potenzialmente pericolosa.

1.5.1 Sensori posti sulla traiettoria di funzionamento della sagoma

Per poter rilevare una persona posta sulla traiettoria di funzionamento della sagoma, sono stati esaminati i sensori inerziali di urto, da collocare sulla sagoma stessa, e i sensori a griglia ottica o ultrasonica .

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I sensori inerziali di urto (g.1.7), posizionati su tutto il contorno della sagoma mobile, hanno un funzionamento a tasto e si attivano durante un ur-to; questi sensori sono stati scartati, poichè agiscono quando ormai la sagoma ha urtato la persona, quindi non sono ritenuti utili in fase di prevenzione.

Figura 1.7: esempio di sensore di pressione installabile sulla sagoma

E' stato dunque fondamentale rilevare una persona che transitava o si trovava sulla traiettoria prima dell'urto.

Denendo linea critica una zona oltre la quale è messa a rischio l'incolumità della persona, nell'istante in cui viene riconosciuto il passaggio di una persona oltre tale linea, si deve procedere istantaneamente all'arresto della sagoma. E' questo il principio di funzionamento delle griglie ottiche o ultrasoniche.

La griglia è generalmente composta da due dispositivi, un trasmettitore ed un ricevitore posti sulla stessa traiettoria . Il trasmettitore invia un usso continuo infrarosso o ultrasonico rilevato in ogni istante dal ricevitore; nel-l'istante in cui questo usso si interrompe, viene inviato un segnale elettrico al sistema di elaborazione.

Le griglie ad infrarosso sono più direttive, hanno tempi di risposta più veloci e un range di funzionamento più ampio rispetto a quelle ultrasoniche. La scelta in fase di progetto è ricaduta perciò sulla griglia ad infrarossi e in particolare sulla AL2109-P-1820 della Pepperl-Fuchs.

1.5.2 Sensori per il riconoscimento di persone in una deter-minata area

Per questa tipologia di sensori si può fare un'ulteriore classicazione in: sensori di pressione e sensori di prossimità.

Sensori di presenza a pressione

A prescindere dalla tecnologia utilizzata, i sensori di presenza a pressione rilevano la presenza di una persona che si trova all'interno di una supercie

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opportuna. La tecnologia utilizzata può variare dall'utilizzo di celle di carico, a misure di variazione di capacità, a variazione nella propagazione di onde sonore o semplicemente al funzionamento come un pulsante.

Il problema di questo tipo di sensori è lo stress a cui sono sottoposti in quanto limita il tempo di vita e dunque anche l'adabilità dell'oggetto. In-fatti, questi oggetti, una volta deformati a causa delle continue sollecitazioni, forniranno informazioni errate e dovranno essere sostituiti. Il vantaggio nel-l'utilizzo di questi sensori è la facilità di interfacciamento e il riconoscimento immediato della presenza di una persona, oltre alla possibilità di scelta del-l'area di potenziale pericolo solo selezionando le dimensioni della supercie sensibile, che molte volte, si presenta nella forma di tappeto. Questa tipo-logia di sensori è inoltre usata anche nelle banche come meccanismo di anti intrusione. Considerando il suo utilizzo in ambito industriale, la scelta del sensore è ricaduta sul Matguard-440F, già presente in commercio e testato ampiamente su macchinari pesanti si è rivelato in grado di resistere anche a ingenti deformazioni, come ad esempio quelle dei muletti industriali (g.1.8).

Figura 1.8: utilizzo sensore Matguard in ambiente industriale

Sensori di prossimità

Nella categoria di sensori di prossimità si riconoscono sensori che rile-vano la vicinanza di un ostacolo, di questi i principali tipi sono i sensori a infrarossi passivi e i sensori ad ultrasuoni.

Ogni oggetto con una temperatura diversa dallo zero assoluto, emette ra-diazioni (in proporzione alle dimensioni), dunque anche gli esseri umani; su questo principio basano il loro funzionamento i sensori ad infrarosso passivi (PIR). Essi rilevano l'intensità di queste radiazioni e li trasformano in segnali elettrici. Purtroppo, rilevando esclusivamente la quantità di radiazioni, il li-mite di questi sensori è dato dall'impossibilità di distinguere tra un bambino

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posto nell'area di pericolo o un uomo adulto posto ad una distanza maggio-re. I sensori ad ultrasuoni, invece, sono utilizzati spesso per la misura delle distanze in quanto non risentono della grandezza dell'oggetto. Questi sensori basano il funzionamento su un trasmettitore, generalmente un trasduttore piezoelettrico sollecitato ad una certa frequenza, e un ricevitore, anch'esso piezoelettrico sensibile alla frequenza di sollecitazione. Talvolta trasmetti-tore e ricevitrasmetti-tore sono rappresentati dallo stesso sensore piezoelettrico. E' stato preso in esame il sensore SFR04 in g.1.9 ma dopo una fase iniziale

Figura 1.9: sensore SFR04

di test, è stato notata una scarsa adabilità a causa di falsi allarmi nono-stante non ci fossero ostacoli da rilevare. Nel sistema di sicurezza, al ne di aumentare l'adabilità e la velocità di risposta, si è scelto di utilizzare i sensori MA40S4R/S (g.1.10) e di progettare l'elettronica di trasmissione e ricezione.

1.6 Altre soluzioni

Un' altra soluzione presa in esame è stata ad esempio l'utilizzo di tele-camere; questa è risultata non praticabile in quanto avrebbe richiesto uno sforzo di calcolo troppo elevato per il sistema di elaborazione e tempi di ri-sposta troppo elevati per garantire l'incolumità dell'utente. Per un sistema di questo tipo, sarebbe stato necessario aggiungere un computer per l'elabo-razione e delle strutture apposite per l'utilizzo delle telecamere in ambiente esterno, comportando ulteriori problemi in termini di portabilità.

Un'ulteriore soluzione sarebbe stata l'uso da parte dei giocatori di sensori opportuni che inviano continuativamente la propria posizione al sistema di

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Figura 1.10: sensori ad ultrasuoni

elaborazione. Conoscendo la posizione in tempo reale di ogni giocatore, il sistema di elaborazione, avrebbe potuto prendere decisioni opportune in bre-ve tempo; questa soluzione è però ritenuta scomoda sia per i giocatori, che dovrebbero disporre di un equipaggiamento particolare, sia per il sistema di elaborazione, che avrebbe un grande usso di dati da gestire e avrebbe bisogno di una potenza di calcolo elevata.

1.7 Sensor fusion

Poichè si tratta di un sistema di sicurezza, l'uso di una sola di queste so-luzioni garantisce una sicurezza solo parziale, in quanto ogni sensore assicura protezione elevata solo per particolari eventi. La soluzione più opportuna ri-sulta dunque la sensor fusion, cioè l'utilizzo di più sensori che interagendo con lo stesso evento nello stesso istante, grazie ad informazioni ridondanti, fanno in modo che in caso di malfunzionamento temporaneo di una tipologia di sensore non si arrechino problemi all'integrità dell'intero sistema. Inoltre a seconda dei sensori che si attivano, il sistema di controllo può vericare se c'è stato un falso allarme o se è il caso di bloccare tutto per la sostituzione di un sensore difettoso. Per esempio, se i sensori a ultrasuoni rilevano una persona nell'area critica, ma il tappetino dà informazioni contrastanti, si può ferma-re pferma-reventivamente la sagoma e segnalaferma-re un'anomalia. Un comportamento analogo è previsto per quanto riguarda la griglia e il tappetino.

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Capitolo 2

Requisiti

2.1 Requisiti del sistema El.Go.

Per quanto riguarda la sicurezza associata al portiere elettronico (El.Go.), uno studio preliminare ha portato alla redazione dei requisiti di sicurezza le-gati al sistema.

Come primo parametro è stato considerato l'ambito di utilizzo del siste-ma e le sue implicazioni. Il portiere elettronico, considerato un ausilio per l'integrazione delle persone con disabilità, verrà utilizzato soprattutto nelle scuole o nei campi di calcio all'aperto, non deve aggiungere ulteriori pericoli oltre a quelli già insiti nel gioco del calcio. La caratteristica essenziale del sistema, è quella di lavorare in totale autonomia rispetto all'utente utilizza-tore, al ne di poter agire tempestivamente in caso di pericolo. Si aggiungono altre caratteristiche molto importanti quali la robustezza e l'adabilità del sistema, il quale deve funzionare senza subire ripetuti interventi di manuten-zione e garantendo in ogni istante l'incolumità dei giocatori. Oltre a questi requisiti fondamentali, indispensabili per ogni sistema di sicurezza, prenden-do in esame il funzionamento tipico del sistema e ipotizzanprenden-do alcune possibili situazioni pericolose, sono emersi altri vincoli che il sistema avrebbe dovuto rispettare. Le situazioni prese in esame sono state:

urto tra un giocatore e la sagoma

urto tra il giocatore e altri componenti meccanici del portiere elettro-nico

pallone indirizzato verso l'utente utilizzatore del portiere elettronico possibile ribaltamento della struttura

scosse elettriche dovute a tensioni elevate nel sistema di trazione inltrazioni di acqua nel sistema causati da agenti atmosferici

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CAPITOLO 2. REQUISITI

2.1.1 Urto tra giocatore e sagoma

La sicurezza totale si avrebbe nel caso in cui il giocatore si trovasse im-possibilitato a raggiungere la sagoma, scongiurando così la possibilità di un urto. Si potrebbe fare ciò tracciando una linea ad una distanza di sicurezza dalla sagoma e controllando che nessuno la oltrepassi. Questo però contrasta con l'obiettivo di rendere il gioco più realistico possibile, inoltre non esclude la possibilità che un giocatore possa essere colpito dalla sagoma nel momento in cui, ad esempio, si avvicini alla rete della porta per recuperare un pallone. L'intervento per la messa in sicurezza è consistito nel rivestire la sagoma con materiale in grado di attenuare l'intensità dell'urto, ma ancora più importan-te, prevenire un possibile urto tramite una sensoristica indonea a riconoscere la presenza di una persona entro un'area pericolosa, agendo poi sul sistema di trazione e bloccandolo, evitando così un possibile urto.

Inoltre la sagoma è stata progettata in grado di resistere agli urti provenienti dal pallone nelle normali fasi di gioco, essa non deve rompersi o scheggiarsi lasciando elementi sporgenti che potrebbero ferire i giocatori. Nel caso in cui nonostante questi accorgimenti un giocatore colpito restasse incastrato tra sagoma e palo della porta, è stato previsto anche un sistema di smontaggio rapido della sagoma e della struttura della porta per poter intervenire nel più breve tempo possibile.

2.1.2 Urto tra il giocatore e altri componenti meccanici del portiere elettronico

Per evitare che un giocatore rimanga ferito nell'urto con componenti mec-caniche quali la cinghia di trasmissione, il motore o il supporto del portiere elettronico, è stata prevista una copertura antiurto e autoestinguente. La stessa struttura però non è ssa e ciò per consentire interventi di manuten-zione straordinaria più rapidi. Inoltre non è opaca e ciò consente anche un controllo visivo costante delle parti meccaniche che compongono il portiere elettronico.

2.1.3 Pallone indirizzato verso l'utente utilizzatore del por-tiere elettronico

La posizione ottimale per poter controllare al meglio il portiere elettro-nico, è sicuramente dietro la porta, dove la vista frontale del gioco fa si che l'utente possa immedesimarsi più facilmente con il portiere stesso.

La presenza della rete di porta garantisce di per se una protezione, ma solo per tiri indirizzati frontalmente alla porta. Se il pallone dovesse scavalcare la porta o passare lateralmente, potrebbe colpire l'utente. Per evitare questa eventualità si dovrebbe pensare ad una struttura protettiva da posizionare intorno all'utente. Per le fasi di test, è stato usato un espendiente, ovve-ro l'utente è stato sistemato all'interno della porta già presente nel campo

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di gioco ed è stata anteposta la porta che funziona da supporto ad El.Go. (g.2.1). Questo espediente può essere usato anche in futuro, ma non si

esclu-Figura 2.1: esempio di posizionamento dell'utente

de l'eventualità di usare delle postazioni opportune poste dietro la porta di gioco.

2.1.4 Possibile ribaltamento della struttura

Specialmente durante la fase di test la porta non è ssata al suolo e ciò potrebbe portare ad un ribaltamento della struttura causando anche seri danni ai giocatori. Per evitare questa situazione, la porta è stata ssata con la struttura di sostegno del motore e aggiungendo dei pesi. Facendo così la struttura della porta risulta più rigida e non si può ribaltare facilmente.

2.1.5 Scariche elettriche dovute a tensioni elevate nel sistema di trazione

Per evitare scariche elettriche, l'alimentazione del sistema è data da ten-sioni relativamente basse(24 V continui). Inoltre le protezioni poste sugli elementi di trazione fanno si che non possano essere contattate direttamen-te da un giocatore, ma solo un addetto può indirettamen-tervenire sugli elementi di trazione.

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2.1.6 Inltrazioni di acqua nel sistema causati da agenti at-mosferici

Una possibile collocazione di El.Go. è prevista nelle palestre delle scuole, ma se ne prevede un utilizzo anche in ambienti esterni. Per questo bisognerà provvedere alla protezione dei sensori e del sistema centrale da agenti atmo-sferici secondo la codica IP[7]. Per quanto riguarda l'unità di elaborazione centrale, essa può essere trasportata e messa al riparo in caso di condizioni atmosferiche avverse.

2.2 Altre considerazioni

Oltre a questi vincoli, se ne possono aggiungere altri, non essenziali al funzionamento e alla sicurezza del sistema, ma da tenere in considerazione nella fase di progettazione del sistema di sicurezza:

Alimentazione

Compatibilità con il progetto già implementato

Compatibilità con il normale svolgimento del gioco del calcio Trasporto e montaggio

Estetica Dimensioni

2.2.1 Alimentazione

Per quanto riguarda l'alimentazione, El.Go. è stato progettato come un sistema portatile e dunque alimentato tramite batterie ad alta capacità e bassa tensione. E' pertanto importante che il sistema di sicurezza venga progettato in ottica low power, consumando meno potenza possibile in con-dizioni statiche, anche perchè il sistema dovrà funzionare continuativamente. Infatti l'istante di potenziale pericolo non è prevedibile a priori e non è quin-di possibile mandare il sistema in uno stato quin-di riposo.

2.2.2 Compatibilità

Come già anticipato, il sistema sarà portatile e dunque alimentato tra-mite batterie. Le batterie utilizzate in fase di prototipizzazione sono state due batterie ricaricabili in serie in grado di fornire in uscita una tensione complessiva continua di 24 V.

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Tutti i sensori e il sistema dovranno essere compatibili con questa alimenta-zione in modo da non dover aggiungere altre fonti di alimentaalimenta-zione.

Per quanto riguarda i segnali provenienti dai sensori, essi andranno inter-facciati con un microcontrollore che supporta tensioni di ingresso massime di 3.3 V. Come si vedrà in seguito è stato necessario creare delle interfacce per i sensori per evitare sovratensioni che avrebbero danneggiato il sistema.

2.2.3 Trasporto e montaggio

Per consentire la fase di test, il sistema è stato pensato, in una prima fase di prototipizzazione in modo da poter essere trasportato nei luoghi adibiti a test, e più precisamente all'interno di una scuola.

In relazione a ciò, il sistema dovrà essere studiato in modo da poter essere montato anche da personale esterno al team del progetto. Inoltre anche per questione di sicurezza bisognerà prevedere un sistema di smontaggio veloce nel caso in cui un utente si trovi in una condizione pericolosa, ad esempio nel caso in cui si rimanga incastrati nella struttura.

2.2.4 Compatibilità col gioco del calcio

Il normale svolgimento di una partita di calcio, anche in ambito amatoria-le, richiede che lo spazio davanti la porta sia libero da qualsiasi impedimento. Per questo il sistema dovrà essere pensato in modo da non alterare il campo da gioco con l'inserimento di attrezzature particolari che impedirebbero o limiterebbero lo spazio di gioco. Inoltre, essendo il calcio uno sport molto popolare anche grazie alla sua facilità di gioco che non prevede equipaggia-menti particolari, sarebbe opportuno che i giocatori non debbano indossare attrezzature supplementari che renderebbero il gioco meno uido e più sco-modo per gli utenti.

Se si considerano le dinamiche del gioco poi, risulta evidente come il siste-ma, dopo aver scongiurato un potenziale pericolo, dovrà ripartire in modo autonomo e senza intervento esterno; questo perchè altrimenti il gioco risul-terebbe spezzettato a causa del continuo intervento di un operatore per far ripartire il gioco.

2.2.5 Estetica

Anche in ottica puramente estetica, sarebbe opportuno avere un sistema che non si discosti troppo dalla normale dotazione calcistica, e che gli elemen-ti aggiunelemen-tivi non siano di intralcio o troppo visibili. Ricreare una situazione di gioco più realistica possibile, aiuterebbe, anche dal punto di vista sociale, l'utente con disabilità.

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2.2.6 Dimensioni

Per quanto riguarda le dimensioni, come riferimento, si è presa una porta di calcetto regolamentare. Le dimensioni di una porta standard[8] sono di circa 3 m di larghezza e 2 m di altezza, con uno spessore dei pali di circa 8 cm (g. 2.2). In base a queste misure di riferimento, bisognerà adattare un'area di pericolo e provvedere alla messa in sicurezza.

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Capitolo 3

Architettura del sistema

Una volta ricavati tutti i requisiti di prevenzione per la messa in sicurezza della struttura e della sagoma del portiere elettronico, si è passati allo studio e alla progettazione della messa in sicurezza protettiva del sistema, ovvero la protezione degli utenti dagli urti con la sagoma.

I sensori lavorano con tensioni nominalmente più elevate rispetto a quel-le che può sopportare il microcontrollore; al ne di evitare danneggiamenti, tra le uscite dei sensori e gli ingressi del microcontrollore va inserita un'e-lettronica di interfaccia progettata in ottica low power che consentono di traslare il segnale dalla tensione di funzionamento dei sensori, ovvero 24 V, alla tensione minima riconoscibile dal microntrollore, data nel datasheet del microcontrollore della tabella 3.1, si parlerà dunque d'ora in avanti di range di tensioni in ingresso al microcontrollore. Bisogna inoltre sottolineare come il sistema sia alimentato tramite batterie che durante il loro funzionamento non erogano sempre una tensione costante, ma variabile tra un massimo di 28.4V quando le batterie sono cariche e un minimo di 20 V quando le bat-terie sono scariche[9][10]. Perciò, considerando i casi critici, si dovrà parlare di range di alimentazione in modo da garantire il funzionamento in qualsiasi momento, indipendentemente dalla carica delle batterie.

La realizzazione del sistema è un processo abbastanza complesso e non sempre lineare, va quindi precisato che la realizzazione del sistema non si limita solo alla progettazione e al dimensionamento dei circuiti. Come mo-strato nella g. 3.1. Una volta progettato e dimensionato il circuito, si passa alla ricerca dei componenti nei package desiderati che più si adattano co-me caratteristiche a quelle ricercate nelle speciche, bisogna tener conto del fatto che ogni piccola variazione nello schema circuitale, porta generalmente anche alla nuova ridenizione dei componenti in base alle nuove carattistiche del circuito. Successivamente il circuito viene simulato con il programma

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CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DEL SISTEMA

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Tabella 3.1: tabella condizioni di lavoro raccomandate del microcontrollore

LTspice.

Una volta appurato il funzionamento, si è passati alla realizzazione di un prototipo utilizzando una scheda millefori, per quanto riguarda i sensori Lightgrid e Matguard. Per i sensori ultrasonici, invece, la fase realizzativa è continuata, infatti, una volta sicuri che il circuito rispettasse i requisiti e rispecchiasse le simulazioni, si è passati al disegno tramite CAD(KiCad) per la realizzazione della PCB e inne è stata sviluppata tramite una tecnica di fast prototyping la scheda per l'interfaccia dei sensori ultrasonici con il microcontrollore.

La gura 3.2 mostra una schematizzazione dell'architettura del sistema. Nei paragra successivi, invece, verranno presentati in modo dettagliato i sensori selezionati con i relativi circuiti di interfaccia e la scheda di elaborazione con il rmware implementato per la gestione del sistema.

3.1 Sensori ed interfacce

3.1.1 Sensore Matguard-440F

Questa famiglia di sensori è deputata al riconoscimento di una persona in una determinata area. Sono sensori di pressione di forma rettangolare e di varie dimensioni, costituiti da due strati conduttivi separati da elementi isolanti e comprimibili (g. 3.3).

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Figura 3.2: schematizzazione architettura del sistema

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La pedana è completamente sigillata e presenta una protezione quasi to-tale da agenti atmosferici( IP67 ), ciò consente l'utilizzo in ambienti esterni. I due strati conduttivi sono collegati con l'esterno tramite quattro li che possono essere suddivisi in due li di alimentazione (uno bianco ed uno ne-ro) e due li di uscita(uno bianco ed uno nene-ro). I due li di alimentazione saranno pilotati con una tensione pari a 24V . Per convenzione la tensione positiva è sul lo bianco e quella di riferimento sul lo nero. Le due coppie di li di alimentazione e uscita sono interscambiabili tra loro senza alterare il funzionamento interno della pedana.

Il principio di funzionamento, come evidenziato in g. 3.4, è assimilabile ad un tasto.

Figura 3.4: Struttura interna del sensore Matguard

In condizioni di riposo gli elementi isolanti fanno si che sui li di usci-ta si misuri una tensione pari a quella di alimenusci-tazione. Se si eettua una pressione sul tappeto, invece, le due piastre conduttrici entrano in contatto e sui due li di uscita si misura una tensione nulla. La pedana è in grado di rilevare una pressione minima di 0.026 kg/cm2_{, e resistere a pressioni no a}

3kg/cm2, è quindi in grado riconoscere tranquillamente una persona adulta che transita sulla pedana senza subire deformazioni e dunque senza dan-neggiarsi( una persona di 70kg esercita una pressione di circa 0.23 kg/cm2 _).

Per l'installazione della pedana, è stata considerata come area potenzialmen-te pericolosa quella antistanpotenzialmen-te la linea di porta, includendo anche zone vicino ai pali in modo che nessun utente si possa avvicinare, anche lateralmente, senza essere rilevato. Per il posizionamento ottimale in termini di sicurezza, si è calcolata la distanza minima di montaggio in accordo con la normativa ISO EN999. Tale normativa prevede che

. . . il raggiungimento del punto pericoloso sia possibile solo dopo l'arresto dell' azione pericolosa della macchina.

Perciò secondo la formula

S = (1600 ∗ T ) + 1200 dove S è la minima distanza in mm

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T = T1+ T2

è il tempo complessivo di arresto della sagoma comprensivo di: T1: tempo di arresto del portiere elettronico

T2: tempo di commutazione del sensore pari a 35ms

1600mm/s è la velocità di avvicinamento alla sagoma

1200mm è la distanza complessiva di un passo umano medio e della lunghezza di un braccio

Il tempo T, dopo aver raccolto dati sperimentali, risulta pari a circa 100ms, pertanto dopo aver sviluppato i calcoli si è posizionata la pedana ad una distanza di 1300mm rispetto alla sagoma. Un possibile posizionamento è visibile in g. 3.5. Non essendo stata suciente una sola pedana per

Figura 3.5: possibile posizionamento di un sensore matguard

coprire tutta la linea di porta, sono state collegate due pedane in serie tra loro, con l'accortezza di mantenere la convenzione sui li come in g. 3.6. Si nota come le due pedane risultino schematizzabili come due tasti in parallelo tra loro, così che basta l'attivazione di uno dei due sensori per avere una commutazione della tensione d'uscita.

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Figura 3.6: collegamento di due pedane in serie

Il rivestimento resistente agli agenti atmosferici e lo spessore di soli 16mm rendono il sensore idoneo anche ad una installazione in un ambiente all'aperto e tutto ciò senza inuire sul normale svolgimento del gioco. Per il montaggio si è tenuto conto degli eetti indesiderati che buche e detriti potrebbero avere sulla pedana, danneggiandola o causando falsi contatti e dunque segnalazioni di pericolo non corrispondenti alla realtà. Pertanto, prima dell'installazione, si è provveduto alla ripulitura e allo spianamento dell'area sottostante la pedana.

3.1.2 Interfaccia matguard

Il sensore Matguardcome già visto richiede un'alimentazione di 24 V e ha il funzionamento equiparabile ad un tasto (g.3.7).

Figura 3.7: schematizzazione matguard

Senza una adeguata protezione dal cortocircuito, nel momento in cui viene eettuata una pressione, alimentazione e massa andrebbero a contat-tarsi, ciò determinerebbe l'erogazione di una corrente molto elevata da parte della batteria determinandone una rapida scarica. La scarica comportereb-be inoltre una diminuzione della tensione di alimentazione portano ad un malfunzionamento dell'intero sistema. Perciò tra il cavo proveniente dalle

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batterie e il cavo utilizzato per l'alimentazione del sensore, andrà posto un limitatore di corrente. Come già ribadito più volte, volendo lavorare in ottica low power, la scelta è ricaduta su una resistenza posta in serie ai due cavi. Il valore della resistenza, pari a 100KΩ, fa si che nel momento dell'attiva-zione del sensore, in accordo con la legge di Ohm, scorra una corrente pari a 240µA.

Per i due terminali di uscita, invece, bisogna traslare la tensione da un valore pari alla tensione di alimentazione del sensore al range di funzionamento del microcontrollore. Per fare ciò un primo studio ha portato alla scelta di un partitore. Questa soluzione circuitale però per quanto semplice, porta ad un consumo statico cioè anche quando il sensore non entra in funzione. La scelta è ricaduta invece sullo schema circuitale in g. 3.8 dove il transistore pnp corrisponde al BC327.

Figura 3.8: Circuito di interfaccia per l'uscita del sensore Matguard

Quando nessun utente transita sul sensore, il transistore rimane interdet-to in quaninterdet-to la tensione VBE non è tale da attivarlo, mentre l'unica corrente

che scorre è la corrente di perdita del transistor pari a qualche pA, quindi il consumo di potenza è trascurabile. Quando invece c'è una pressione sul sensore, si attiva il limitatore di corrente dal lato dell'alimentazione e la ten-sione di base del transistor viene portata a massa; venendosi a creare una dierenza di potenziale in modulo maggiore della tensione di soglia, si atti-va il transistore e scorre corrente sulle resistenze. Così facendo la tensione d'uscita rientra nel range riconosciuto come 1 logico dal microcontrollore.

3.1.3 Barriera optoelettrica AL2109-P-1820

Il sensore, scelto in base ai requisiti di sistema già discussi nel precedente capitolo, è composto da due unità separate che quando vengono alimentate generano la linea critica costituita da un insieme di fasci infrarossi (g. 3.9). I fasci vengono emessi da un dispositivo detto emettitore e rilevati un altro dispositivo detto ricevitore. Per poter funzionare correttamente, emettitore e ricevitore devono trovarsi allineati sulla stessa traiettoria.

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L'emettitore invia un fascio continuo di infrarossi ad una lunghezza d'onda di 950nm, a questa lunghezza d'onda il fascio non risulta visibile all'occhio umano. Inoltre il sensore presenta una resistenza alla luce esterna no a cento mila lux, questa caratteristica unita allo standard IP541 _{del sensore,}

che garantisce la protezione da polvere e spruzzi d'acqua, ore la possibilità di un'installazione in ambiente esterno, senza la necessità di dover schermare ulteriormente il sensore. Sull'emettitore sono presenti circa 20 singoli fasci infrarossi che si trovano ad una distanza di 90mm tra di loro e, a seconda della distanza tra emettitore e ricevitore, il numero di incroci passa automa-ticamente da tre, a cinque, a sette, permettendo di riconoscere anche oggetti molto piccoli. La portata del sensore no a 3500mm fa si che possa coprire tutta la linea di porta. Per un'interfaccia più agevole, il sensore presenta due uscite complementari tra loro, composte rispettivamente da un transistore pnp e uno npn a prova di cortocircuito.

Il sensore permette la scelta della modalità di rilevamento tra dark on e light on. Nella modalità dark on il sensore presenta, in assenza di ostacoli tra ricevitore ed emettitore, un'uscita a livello alto per quanto riguarda il tran-sistore npn e un livello basso per quanto riguarda l'uscita pnp; dualmente nella modalità light on, le uscite sono invertite rispetto al caso precedente. Il tempo di risposta del sensore è minore di 100ms, sucientemente basso per permettere di intervenire tempestivamente nella situazione di pericolo. Per l'installazione del sensore, si è tenuto conto del possibile malfunziona-mento dovuto agli urti che potrebbero disallineare emettitore e ricevitore causando falsi allarmi, pertanto, prima dell'installazione, si è provveduto ad allineare il ricevitore con l'emettitore, posizionando le due strutture dal lato interno dei pali della porta di calcio. Un montaggio è visibile in g. 3.10.

3.1.4 Interfaccia lightgrid

Il sensore Lightgrid non ha previsto particolari accorgimenti per il colle-gamento con l'alimentazione, a parte la scelta della modalità di utilizzo del sensore. La scelta è ricaduta sul dark mode, ottenuta collegando sull'emetti-tore il cavo di IN direttamente con l'alimentazione a 24V come in g. 3.11. Il collegamento è stato eettuato manualmente, ma in futuro per avere più essibilità si potrebbe prevedere una circuiteria per modicare la moda-lità anche in fase di funzionamento, prestando particolare attenzione a non lasciare mai l'ingresso scollegato. Le uscite Q1 e Q2 rispettivamente npn e pnp a prova di cortocircuito sono duali tra loro, cioè quando viene interrotto il fascio, l'uscita Q1 si porta ad un livello logico alto, mentre Q2 ad un livello logico basso.

Come esplicitato dal datasheet (g. 3.12), le uscite vanno collegate ad un

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Figura 3.10: possibile montaggio del sensore light grid

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pull-up e un pull-down rispettivamente per le uscite Q1 e Q2. Il circuito

Figura 3.12: collegamento del pull-up e del pull-down per le uscite Q1 e Q2

interno del sensore lightgrid non è riportato né sul datasheet né sulla lette-ratura disponibile in rete, perciò i valori delle resistenze da utilizzare sono stati scelti in base a dati sperimentali riportati in tabella 3.2.

Valore resistenza Q2 bassa Q2 alta

680Ω 1.01mV 23.02V 6.8KΩ 11mV 23.16V 68KΩ 113mV 23.17V 160KΩ 164mV 23.17V 680KΩ 1.06V 23.17V 6.8M Ω 6.56V 23.18V

Tabella 3.2: valori delle resistenze di pull-up e pull-down

I valori di Q1 sono identici ma invertiti per i livelli logici alti e bassi d'uscita.

Osservando questi valori e prendendo come riferimento il circuito già uti-lizzato per il sensore matguard, si è scelto come valore di resistenza di pull-up e pull-down 6.8kΩ.

Rispetto al circuito precedente però questa volta bisogna fare la distinzione tra le due uscite Q1 e Q2 (g. 3.13). Per quanto riguarda Q1, senza osta-coli la tensione di uscita dal sensore è pari a 23.18V , usando un transistore pnp esso risulterà interdetto in quanto la tensione, in modulo, è minore di quella di soglia. Dunque nel caso di funzionamento normale, cioè senza che sia interrotto il fascio, il sistema non consuma potenza. Quando invece il

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fascio viene interrotto, la tensione di uscita del sensore scende no a 0.6V , attivando il transistore e facendo scorrere corrente. La tensione d'uscita così facendo, si assesterà nel range VIH considerato 1 logico dal microcontrollore.

Come già anticipato, anche la tensione di alimentazione può variare in base alla carica delle batterie; le simulazioni con le variazioni delle tensioni di alimentazioni sono riportate in g. 3.14 e g. 3.15 Per quanto riguarda

Figura 3.14: Simulazione dell' uscita alta in funzione della tensione di alimentazione

Figura 3.15: Simulazione dell' uscita bassa in funzione della tensione di alimentazione

l'uscita Q2, invece, essa è pari ad un valore approssimabile a massa in con-dizioni normali di funzionamento mentre quando viene interrotto il fascio

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CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DEL SISTEMA arriva a 23.16V .

Si è fatto in modo che l'uscita rispettasse il range di funzionamento del mi-crocontrollore, inoltre, si è cercato di rendere le uscite interscambiabili tra loro, facendo in modo che in caso di interruzione del fascio, al microcontrol-lore arrivasse un segnale logico alto da entrambe le uscite. Per fare ciò, è stato usato un transistore npn in congurazione inseguitore di emettitore. Tramite questa conguarazione, durante il normale funzionamento il transi-store è interdetto, non scorre corrente e la resistenza sull'emettitore porta a massa l'uscita. Quando invece viene interrotto il fascio, il transistore condu-ce e poichè scorre corrente nella resistenza di emettitore, la tensione d'uscita viene riconosciuta come livello logico alto dal microcontrollore.

3.1.5 Allarme visivo

Si è inoltre pensato di collegare un array di led ad alta intenstità facendoli accendere automaticamente ad ogni situazione di pericolo. Il collegamento è stato eettuato come in g. 3.16 attraverso tre transistori npn, uno per ogni

Figura 3.16: circuito interfaccia led

uscita dei sensori, collegati con il collettore in comune. Quando una delle tre uscite si attiva, si crea un collegamento tra i led e massa e scorrendo corrente, i led vengono attivati.

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Il circuito è stato dimensionato partendo dai dati della corrente e della ten-sione presenti ai capi dei led, pari rispettivamente a 60mA e 15V ricavati spe-rimentalmente. Il valore della resistenza da porre tra l'alimentazione(24V ) e i led per limitare la corrente, sarà dunque pari a:

R = (24 − 15)V

60mA = 150Ω

.

I led sono stati inne collocati all'interno di un contenitore rivestito per proteggerli dagli urti e posizionati sulla struttura interna della porta per consentirne una maggiore visibilità.

3.1.6 Realizzazione prototipo su millefori

Dopo le opportune simulazioni, si è passati alla realizzazione del circuito con componenti discreti saldati su una scheda su millefori. Il circuito realiz-zato è visibile in g.3.17 e rappresenta il primo passo per le succsessive fasi

Figura 3.17: circuito di interfaccia con componenti discreti

di test eettuate sui sensori. Un successivo passo progettuale è stato fatto integrando questo circuito di alimentazione e condizionamento del segnale prvoniente da questi sensori, con un circuito già esistente di El.Go. che pre-vedeva al suo interno l'interfaccia per i sensori di ne corsa induttivi utili al portiere elettronico per comunicare l'arrivo alla ne della guida ed evitare così urti violenti con le protezioni.

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3.1.7 Sensore MA40S4 R/S

Gli ultrasuoni sono delle onde meccaniche sonore caratterizzate da fre-quenze superiori rispetto a quelle udibili dagli esseri umani. In natura sono molti gli animali che utilizzano gli ultrasuoni per orientarsi nel loro habitat, un esempio sono i pipistrelli che usano gli ultrasuoni per percepire gli ostacoli anche nel buio più tto.

Nell'aria ad una temperatura ambiente di 20°C le onde elettromagnetiche si propagano con una velocità di circa 344m/s . L'onda si attenua propor-zionalmente con la distanza e anche in base alla frequenza di lavoro, come mostrato nel graco in g. 3.18 fornito dal costruttore, inoltre anche tramite al graco sulla sensibilità fornito dal costruttore e visibile in g. 3.19 si è scelto di usare una frequenza di lavoro di 40KHz.

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Figura 3.19: graco sensibilità MA40S4

L'onda inoltre viene attenuata a seconda del coeciente di assorbimen-to del materiale dell'oggetassorbimen-to che incontra. Quindi nel sistema di ricezione bisognerà prevedere anche uno stadio di amplicazione per poter trattare correttamente il segnale.

Il sensore, come illustrato in g. 3.20, è formato da un nucleo piezoelet-trico ceramico che sottoposto ad una tensione alternata, genera un segnale ultrasonico che si propaga nell'aria. Il segnale, una volta riesso, verrà rile-vato dal circuito di ricezione e tramutato in un impulso elettrico di ampiezza opportuna. La misura del tempo trascorso, unitamente alle leggi che rego-lano il moto di onde nell'aria, darà la misura della distanza tra i sensori e l'ostacolo.

distanza = velocit`a del suono ∗ tempo trascorso dove la velocità del suono in aria è

331.5 + (0.607 ∗ T ) e T è la dipendenza dalla temperatura espressa in .

Il valore della distanza, è quello dell'onda che colpisce l'oggetto e ritorna in-dietro. Questo valore andrà dunque diviso per due anchè si possa trovare la distanza eettiva dell'oggetto. A seconda della distanza verranno poi prese decisioni dal sistema di elaborazione al ne di arrestare o meno la sagoma mobile. Altra caratteristica molto importante è la direttività, ossia l'angolo di emissione e ricezione, che dal datasheet risulta essere di 80°.

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Figura 3.20: schema interno del sensore MA40S

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coppie di emettitori/ricevitori posizionati in modo opportuno. Il posiziona-mento dei sensori è mostrato in g. 3.22, avendo come struttura di riferi-mento la porta, essi sono montati all'interno dei pali preservandoli così anche dagli urti che avrebbero potuto causare danneggiamenti e malfunzionamenti.

Figura 3.22: possibile posizionamento dei sensori ad ultrasuoni

Dopo un test del sistema, si è deciso di posizionare i sensori anche all'in-terno della porta per monitorare l'area tra la sagoma e la parte posteriore della porta, nel caso in cui un utente oltrepassasse la sagoma, venendosi così a trovare in un'area pericolosa non rilevata tramite i sensori illustrati prece-dentemente. I sensori così posizionati, non sono inuenzati dal movimento della sagoma, in quanto viene eettuata una calibrazione via rmware del range di rilevamento. I sensori posti sulla traversa non sono inuenzati dalla sagoma in quanto si trovano in una posizione più avanzata rispetto ad essa con un orientamento verso il campo di gioco.

3.1.8 Circuito per i sensori ultrasonici

Per i sensori ultrasonici, è stato previsto un circuito per l'amplicazione del segnale da inviare al sensore e un circuito per la ricezione e il trattamento del segnale di risposta indirizzato poi al microcontrollore.

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Per semplicità di esposizione, il circuito verrà scomposto in parte di tra-smissione e parte di ricezione, anche se inne le due parti si troveranno sulla stessa scheda PCB.

Circuito di trasmissione

Dal datasheet del sensore MA40S4S si possono osservare le caratteristi-che essenziali caratteristi-che il circuito di trasmissione deve avere. Il sensore supporta in ingresso tensioni no a 20Vp−p e per funzionare correttamente necessita

di un'onda quadra di frequenza 40KHz privata della componente continua. In letteratura si trovano molti circuiti in grado di generare un'onda quadra alla frequenza desiderata, ma avendo a disposizione il microcontrollore della scheda Fluctus, si è scelti di generare tramite esso la forma d'onda voluta e progettare il circuito per amplicarla.

A questo scopo è stato scelto un circuito formato da un amplicatore opera-zionale montato in modalità non invertente, la cui schematizzazione è visibile in g. 3.23.

Figura 3.23: schematico del circuito di trasmisisone

In accordo con le formule classiche per il montaggio utilizzato, è stato scelto un rapporto tra le resistenze pari a 5. Con questo valore, il segnale ad una frequenza di 40KHz e un'ampiezza picco-picco di 3.3V viene amplicato no ad un valore di 19.8V . Nella realtà il valore si discosta da quello ideale in quanto i valori commerciali delle resistenze scelti in base alla disponibilità sono stati pari a:

R1 = 6.8KΩ R2 = 33KΩ

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CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DEL SISTEMA con un'amplicazione complessiva di

Amplif icazione = 1 + R2/R1 = 5.85

ed un valore picco-picco dell'onda quadra in ingresso pari a 19.31V . Per eliminare la componente continua tra il piedino d'uscita dell'amplicatore operazionale e il sensore, è stato inserito un condensatore del valore di 220µF . Nella scelta dell'operazionale sono stati rispettati i criteri di:

slew-rate superiore a quello del segnale

prodotto guadagno banda tale da non distorcere il segnale

alimentazione di 24V per non aggiungere ulteriori fonti di alimentazio-ne

La scelta è dunque ricaduta sull'amplicatore operazionale MC34071 con slewrate pari a 13V/ µs e prodotto guadagno banda pari a 4.5MHz. Il segnale inoltre sarà composto da un treno di cinque impulsi distanziati tra loro di circa 100ms in modo da consentire il riconoscimento del segnale in ricezione, senza la sovrapposizione di echi spuri che si andrebbero a sommare col segnale utile.

Circuito di ricezione

Il circuito di ricezione dovrà procedere all'amplicazione del segnale dopo che è avvenuta la sua riessione con l'oggetto esterno. Tale segnale sarà proporzionale a quello di trasmissione attenutato di un fattore dipendente dalla distanza e dal coeciente di assorbimento del corpo con il quale avviene la riessione. Già a cinque metri infatti il segnale è attenuato di 35dB rispetto a quello trasmesso. Per il coeciente di riessione, invece, esso è dipendente dal materiale e dalla forma di cui è composto l'oggetto da rilevare: metalli, legno, vetro, hanno un coeciente di riessione pari quasi al 100%, cotone, lana, sono più dicili da rilevare in quanto hanno un'attenuazione maggiore.

Dal datasheet, una piastra metellica di 10cm × 10cm posta ad una distanza di 50cm produce in risposta ad un treno di cinque impulsi di ampiezza pari a 10V, un segnale in uscita dal sensore, visualizzabile in g. 3.24 di ampiezza pari a 60mV .

Sulla base di questi dati sperimentali di partenza si è scelto di amplicare il segnale inizialmente di un fattore pari a 100. Successivamente si è scelto di eettuare un'ulteriore amplicazione per aumentare il range di rilevamento e aggiungere un rivelatore di picco per rendere il segnale d'uscita stabile per poter essere campionato correttamente dal convertitore presente nel micro-controllore.

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ampli-CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DEL SISTEMA

Figura 3.24: segnale d'uscita del sensore relativo ad una piastra metallica posta a 50cm

Figura 3.25: circuito relativo alla prima amplicazione del segnale

catori operazionali sono della stessa famiglia utilizzata nel circuito di tra-smissione. Essendo dunque amplicatori operazionali ad alimentazione sin-gola, si eettua una traslazione del segnale pari a metà della tensione di

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alimentazione(Vcc) per garantire al segnale di evolversi con la massima

dina-mica possibile. Ciò è stato fatto con un partitore non caricante sull'ingresso non invertente. I condensatori di disaccoppiamento permettono l'ampli-cazione della sola componente utile del segnale, bloccando la componente continua priva di informazioni utili. Il secondo stadio di alimentazione, ha lo stesso schema del primo, varia solo il valore dell'amplicazione pari a 50. Il segnale a questo punto della catena sarà una riproduzione del segnale tra-smesso con le inevitabili attenuazioni. Per consentire al convertitore di poter rilevare una tensione stabile e non variabile sensibilmente nel tempo, è stato aggiunto un circuito rivelatore di picco formato da due diodi schottky che non abbassano la dinamica del segnale e una squadra RC in parallelo. In uscita inne è stato posto un diodo zener che ha la funzione di eliminare il segnale che eccede la soglia di 3.3V rilevabile dal microcontrollore. Il circuito completo è mostrato in g. 3.26

Figura 3.26: schematico completo del circuito di ricezione

Realizzazione PCB

Il circuito realizzato su scheda millefori, ha permesso di eettuare alcuni test per vericare l'eettivo funzionamento. I test sono stati eettuati in laboratorio utilizzando una piastra metallica posta a varie distanze e con-trollando tramite l'oscilloscopio la temporizzazione dei segnali. Appurato il funzionamento, si è passati alla realizzazione della PCB. Nelle gure seguenti sono riportati i vari passi che hanno portato alla realizzazione del PCB. Nella g. 3.27 è mostrato lo strato superiore di rame che ospita tutti i componen-ti. Nella g. 3.28 è riportata la scheda stampata con una tecnica di fast prototyping[11]. Nella g. 3.29 e g. 3.30 è riportato il circuito completo con tutti i componenti saldati.

Nella g.3.31 è riportato il circuito all'interno di una scatolina apposita per protegerlo dagli urti.

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Figura 3.27: strato superiore di rame

Figura 3.28: scheda realizzata con la tecnica di fast prototyping

3.2 Test e Veriche

In primo luogo la fase di test è stata condotta in laboratorio attraverso la verica dell'adabilità e della robustezza del sistema. I test sui sensori sono stati eettuati suddividendo il sistema in tre blocchi elementari costituiti dai

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Figura 3.29: strato superiore con i componenti saldati

Figura 3.30: strato inferiore

singoli sensori collegati ai relativi circuiti di interfaccia: Blocco Matguard;

Blocco Lightgrid; Blocco a Ultrasuoni.

Inizialmente sono state misurate le tensioni d'uscita sui sensori e sui relativi circuiti di interfaccia e dal confronto con i valori ricavati dalle simulazioni è

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Figura 3.31: pcb integrata nel suo package protettivo

stato appurato il corretto funzionamento dei circuiti.

Il blocco Matguard è stato testato staticamente spostando un peso di 10 Kg su vari punti della supercie al ne di rilevare malfunzionamenti causati da zone non sensibili alla pressione. Altro aspetto da valutare era l'adabilità del blocco nel tempo. É stato perciò lasciato il blocco attivo per un gior-no intero, collocandolo in una zona di passaggio all'intergior-no del laboratorio. Questo ha reso aleatori gli istanti di attivazione del blocco, per cui è stato necessario il collegamento dell'array di led per avere un immediato riscontro visivo.

Un procedimento analogo è stato seguito anche per il blocco Lightgrid. Sono state individuate sulla struttura della porta due zone sse in cui collo-care le due unità del sensore, trasmettitore e ricevitore, in modo che fossero allineate. Nota la linea critica generata dal sensore, è stata posizionata la sagoma del portiere elettronico evitando che interferisse con essa. Inizial-mente è stato eettuato un controllo sulla sensibilità del sensore vericando la corretta risposta in presenza o meno di un ostacolo in un punto qualsiasi della linea critica. Anche in questo caso il blocco è stato mantenuto attivo un intero giorno e testato in istanti casuali. La struttura della porta è stata poi sottoposta a sollecitazioni meccaniche per simulare un impatto col pallone e vericare che questo non determinasse false segnalazioni.

I due blocchi, Matguard e Lightgrid, sono stati testati contestualmente evi-denziando ottime prestazioni nel riconoscimento delle persone nell'area cri-tica antistante la linea di porta.

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Inne, il test del blocco a ultrasuoni è stato eseguito tramite il posiziona-mento a varie distanze di una supercie metallica. Attraverso un oscilloscopio sono state visualizzate le varie forme d'onda in ingresso e uscita dal circuito per vericare che rispettassero le temporizzazioni studiate. A causa di alcuni inconvenienti, il test della scheda PCB è tuttora in corso; perciò, non essendo certi del funzionamento ottimale, questo blocco non è stato ancora testato in ambiente esterno. Sono in corso tuttavia altri test per la validazione del blocco e se ne prevede l'utilizzo già dalla prossima dimostrazione pubblica di El.Go.; infatti l'integrazione di questo blocco con i precedenti, inserendosi in un contesto di sensor fusion, garantisce una protezione maggiore per gli utenti nali.

3.3 Descrizione scheda di elaborazione

In riferimento alla scheda di elaborazione, una menzione particolare va fatta alla collaborazione con Cubit srl[12] e l'adesione al progetto IoTprise[13], tramite la quale è stata messa a disposizione per la realizzazione del sistema di sicurezza una piattaforma Fluctus[14].

3.3.1 Fluctus

La losoa con cui è stato sviluppato il Fluctus Intelligent Sensor System è stata quella di coniugare un sistema full custom per sensori in una scheda sperimentale general purpose. L'ampia libertà di programmazione e l'elevato numero di pin e di possibili moduli di espansione, ha garantito la essibilità al programmatore per poter gestire i vari sensori per il sistema di sicurezza.

Nella scheda base sono presenti varie periferiche visibili in tabella 3.3. E' inoltre presente una porta di espansione utilizzata per connettere le interfacce dei sensori visibile in dettaglio in g. 3.33.

Molto utili in fase di debug, sono stati anche i led di tre colori diversi presenti sulla scheda (g. 3.34).

Ma l'attenzione principale ricade, ovviamente, sul cuore della scheda, ovvero su Stellaris®_{LM3S9B90 Microcontroller e sulle periferiche}

utilizza-te analog-to-digital converutilizza-ter (ADC), Purpose Timers e General-Purpose Input/Outputs (GPIOs).

Stellaris LM3S9B90

Come tutti i microcontrollori, anche questo modello si basa su una unità di calcolo interna, correlata con vari blocchi di memoria e una serie di peri-feriche collegate con il core attraverso un bus di sistema, come illustrato in g. 3.35.

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