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Capitolo 2: Sistemi di posizionamento e di
puntamento ad ultrasuoni
I sistemi di puntamento basati sull’uso di ultrasuoni usano concetti e tecniche simili a quelli utilizzati per risolvere un problema più generale, ovvero il tracciamento e il posizionamento di un oggetto in movimento in un ambiente di osservazione.
2.1 Sistemi di posizionamento ad ultrasuoni
I sistemi di posizionamento costituiscono una tecnologia che sta entrando sempre più prepotentemente nella nostra vita. Un esempio su tutti è il GPS (Global Positio-ning System), basato su una rete satellitare, utilizzato dapprima come aiuto alla na-vigazione per le imbarcazioni o per il tracciamento di veicoli da trasporto, e ora sempre più diffuso grazie all’affermazione dei sistemi di navigazione per le automo-bili.
Ma si prevede, in un futuro prossimo, un’espansione ancora più massiccia dei siste-mi di posizionamento e tracciamento indoor (trasiste-mite l’uso di diverse tecnologie per il monitoraggio), in modo particolare all’interno degli edifici, sia di uso pubblico che privato.
Infatti, la possibilità di tracciare sia oggetti che persone, dotandoli di appositi sensori o marker, unita ad altre tecnologie di rilevazione e di controllo, permette la realizza-zione di uno o più servizi utili all’uomo, realizzando così la cosiddetta Ambient
Intelligence.
In un edificio intelligente, dotato di una rete di sensori, attuatori e controller, è pos-sibile realizzare diverse funzioni. In particolare, tramite un sistema di posizionamen-to, è possibile tracciare la posizione di una persona, permettendo, tramite lo scambio di informazioni con la rete di attuatori, una personalizzazione dell’ambiente in base
9 all’identità dell’individuo (ad esempio controlli di luminosità, musica etc.), o la rea-lizzazione di un monitoraggio di sicurezza in tempo reale (controllo degli accessi); un’altra interessante possibilità è l’ausilio alle persone disabili o anziane.
In generale, grazie anche alle tecniche di posizionamento, il sistema automatizzato diventa context-aware, ovvero consapevole del contesto in cui si trova a funzionare (situazione, identità e stato del soggetto interagente etc.), fatto che rende il sistema stesso più specifico per un particolare evento e, perciò, più efficiente.
I principi fisici che sono sfruttati nei sistemi di posizionamento sono diversi e inclu-dono i seguenti: • Forze meccaniche • Onde radio • Ultrasuoni • Segnali ottici • Segnali termici.
Tra questi, i sistemi ad ultrasuoni sono molto sviluppati; ne esistono diversi esempi commerciali o in via di sviluppo destinati ad edifici privati, tra cui si possono citare i sistemi Cricket, ActiveBat e Dolphin [2], ma la loro trattazione esula dagli scopi di questo lavoro.
Ad ogni modo, un sistema di posizionamento ad ultrasuoni si basa su alcune caratte-ristiche fondamentali:
• La misura della posizione è effettuata tramite la tecnica nota come
triangola-zione (figura 2.1), ovvero tramite la rilevazione del bersaglio da parte di al-meno due sensori, la cui risposta viene combinata per ottenere la posizione
10 del bersaglio. La triangolazione non è una caratteristica esclusiva dei sistemi ad ultrasuoni, ma è usata in molte tecniche di posizionamento.
• Il calcolo della distanza sensore-bersaglio è effettuata tramite la misura del cosiddetto tempo di volo (time-of-flight, tF), legato alla distanza tramite la
ve-locità dell’onda nel mezzo.
• Tipicamente, un sistema ad ultrasuoni per questo tipo di applicazione utilizza come mezzo l’aria: quindi, si utilizzano trasduttori e sensori che lavorano con ultrasuoni trasmessi in aria.
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2.2 Sistemi di puntamento ad ultrasuoni
2.2.1 Introduzione
Un sistema di puntamento è qui inteso come un dispositivo usato come interfaccia uomo-macchina di un calcolatore.
L’esempio più tipico è il mouse, dispositivo, dapprima meccanico ma oramai sempre più diffuso come ottico, che permette l’interazione con il computer tramite lo spo-stamento di un puntatore sullo schermo. Il movimento preciso del puntatore, rispetto al movimento della mano sul mouse, è realizzato tramite una corrispondenza con la posizione e lo spostamento del mouse.
Quindi, un sistema di puntamento realizza una tecnica di posizionamento e traccia-mento di un oggetto e una conversione adeguata dell’informazione, in modo da permettere l’opportuno interfacciarsi dell’utente con la macchina (lo spostamento del puntatore a schermo dell’esempio precedente).
Si nota, perciò, come un sistema di puntamento condivida filosofie e tecniche di un generico dispositivo di posizionamento.
Un sistema di puntamento ad ultrasuoni è utilizzato nella realizzazione di un disposi-tivo tipo penna.
La penna è il dispositivo di scrittura più antico, nonché, probabilmente, quello con cui l’uomo si trova più a suo agio nel registrare informazioni. Perciò, il concetto di penna è stato adattato per divenire un dispositivo di input per un computer, dato che rappresenta un’estensione naturale a ciò che le persone sono abituate ad usare.
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2.2.2 Esempi realizzativi
Diversi sistemi ad ultrasuoni con interfaccia di tipo penna sono stati sviluppati nel corso degli anni, a livello di brevetto o realizzati a livello commerciale.
Fondamentalmente, esistono due tipi di applicazioni coperti da questo tipo di siste-ma.
Il primo tipo riguarda l’acquisizione di note e disegni da trasferire su un PC; l’esempio tipico è la tavoletta grafica (graphical tablet).
Essa è costituita, in linea di principio, da una penna dotata di un trasmettitore ad ul-trasuoni e da un’apposita tavoletta acustico-conduttiva, dotata ai bordi di trasduttori ultrasonici. La penna, a contatto con la superficie conduttiva, emette un segnale ul-trasonico, il quale è captato dai trasduttori della superficie stessa e convertito in se-gnale elettrico, inviato poi all’elaboratore. Questo ricava i tempi di volo impiegati dagli ultrasuoni emessi a giungere ai singoli ricevitori, e da ciò ricava la posizione della penna, cui si può far corrispondere a schermo un tratto, per così dire, di inchio-stro virtuale. Contestualmente, la penna può essere utilizzata come mouse tradizio-nale, di solito limitatamente ai comandi del software applicativo corredato e, co-munque, solo se usata sulla tavoletta.
Di questo tipo di applicazione esistono diversi esempi costruttivi già commercializ-zati.
Accanto a questi, esistono alcuni brevetti che cercano di superare alcune limitazioni presenti nell’architettura classica, quali il collegamento via cavo e la necessità d’uso dell’apposita tavoletta.
Sono, perciò, proposte soluzioni che prevedono un collegamento via radio con l’elaboratore o che utilizzano la trasmissione ultrasonica via aria, per eliminare la necessità della superficie acustico-conduttiva.
13 Il secondo tipo di applicazione è pensato come evoluzione del precedente verso un utilizzo più esteso, ovvero come dotazione di un’aula, a livello di lavagna o di singo-lo banco.
Ad esempio, il sistema MIMIO© (figura 2.2), tramite il posizionamento di opportuni trasduttori ultrasonici ai bordi, trasforma una comune lavagna in una smartboard. Opportune penne “sensorizzate” emettono ultrasuoni via aria che vengono ricevuti dai trasduttori ai bordi della lavagna e inviati, via radio, al PC, il quale ricava le forme disegnate tramite il tracciamento della posizione della penna. In più, se utiliz-zato in congiunzione con un proiettore, il sistema può essere utilizutiliz-zato come sistema di puntamento.
Figura 2.2: Elementi costitutivi del dispositivo MIMIO
Un altro esempio è l’AirTransNote©, che espande il concetto precedente a livello di singolo banco di un’aula. Il concetto per ogni postazione è simile al precedente, ov-vero una penna-emettitore e dei ricevitori collegati ad un foglio di carta (figura 2.3). E’ poi prevista una connessione radio con un server, costituito dal PC della cattedra, che permette la visualizzazione in tempo reale del lavoro di tutti i banchi, seleziona-bili tramite il software di gestione a corredo (figura 2.4).
In più, è prevista un’unità portatile, sotto forma di palmare, che permette ad un inse-gnante in movimento nell’aula di poter “puntare” un singolo banco per visualizzare
14 l’opera del relativo studente: il riconoscimento tra palmare e banco selezionato è realizzato tramite tecnologia RFID.
Figura 2.3: Elementi costitutivi del sistema AirTransNote
