4 LPS-D: studio di fattibilità
Introduzione
Si è visto nel primo capitolo una serie di ausili tecnologici tra cui il disabile può districarsi per sopperire alle proprie carenze motorie e cognitive. Inoltre si è messo in evidenza la necessità di uno strumento in grado, attraverso un'unica interfaccia di controllo, altamente modellata e particolareggiata atta a risolvere caso per caso le disfunzioni motorie del soggetto, di controllare la vastità dei dispositivi elettronici presenti normalmente nell'ambiente domestico.
Il progetto a cui partecipa anche questo lavoro di tesi, è mirato all'analisi del progetto di massima di una rete domotica in grado di rendere disponibile ad una unità centrale la posizione spaziale di un disabile all'interno della propria abitazione e fornire ad una interfaccia grafica montata sulla sua carrozzina una serie di comandi che possono essere eseguiti da quella posizione verso utilizzatori dislocati nelle immediate vicinanze. L'obiettivo principale è di studiare un sistema piuttosto semplice da utilizzare per il disabile e ad un basso costo, sia di acquisto, che di gestione. A tale scopo si sono analizzate nel secondo capitolo una serie di metodologie atte a determinare la posizione di un oggetto o una persona nello spazio e si sono viste alcune applicazioni di tali metodologie nel terzo capitolo
In tal senso, più che parlare semplicemente di Local Positionig System, si è definita questa applicazione come LPSD (Local Positioning System for Disabled), in quanto rispecchia meglio l'applicazione e l'intenzione a cui essa è riferita.
In questo capitolo vedremo le regole di progetto da seguire per la realizzazione del dispositivo in esame, analizzando le caratteristiche che questo dovrà avere e le tecnologie che potrebbero essere integrate nella sua eventuale realizzazione.
4.1 Caratteristiche tecniche
Lo scopo del uso di questo LPS non è solo integrare gli automatismi attraverso una singola UI (user interface), ma semplificare il sistema di gestione riferendolo alla singola applicazione, di solito legata ad una ben precisa posizione all'interno di un edificio. In tale maniera ne risulta semplificata la stessa UI diminuendo consequenzialmente le possibilità di errori e rendendo di fatto il sistema più usabile ed accessibile. Per il conseguimento di tale obiettivo occorre pertanto un sistema di localizzazione in grado di rilevare la presenza dell'utilizzatore nelle immediate vicinanze ed un utilizzatore in grado di rendere accessibili all'interfaccia le proprie capacità di interazione.
I ricevitori GPS a basso costo attuali non sono in grado di fornire le necessarie caratteristiche al sistema; infatti né permettono di determinare l'orientamento, se non nei casi in cui si ha a disposizione un vettore di spostamento, né hanno una precisione adeguata, che è all'incirca di 5 m [42]. Migliore precisione è ottenibile solo utilizzando i GPS differenziali che tuttavia sono molto ingombranti e molto costosi. Oltretutto sono completamente inadeguati ad un uso strettamente dedicato a piccoli ambienti.
Il sistema dovrà avere almeno un errore inferiore ad 1 m sulla posizione e di 45° sull'orientamento e tale errore dovrà mantenersi all'interno di tali specifiche durante tutto il normale funzionamento del dispositivo. La giustificazione di tali specifiche risiede nel fatto che all'interno di tali tolleranze il sistema di controllo dell'interfaccia utente non risulterebbe inficiato, qualunque tecnologia di comunicazione questa usasse per il controllo degli utilizzatori. Infatti, se così non fosse ne risulterebbero evidenti problemi nella selezione dei dispositivi da comandare.
Una conferma a quanto descritto si può ottenere osservando per esempio un tipico grafico di direttività di un fotodiodo IR o di un trasduttore ultrasonico:
Quindi, un errore di orientamento che rientri nelle specifiche precedentemente Figura 37: Fotodiodo TSL260-262 Texas
Instruments [49]
Figura 38: Trasduttore piezoelettrico Nek/Tokin [50]
descritte è pienamente compatibile con le caratteristiche dei componenti.
Abbiamo già accennato alla necessità di un dispositivo che sia di facile installazione sia all'interno di un ambiente domestico per il quale non sia stata preventivamente prevista un'installazione di automatismi domotici, sia su una carrozzina non predisposta per l'equipaggiamento di ausili aggiuntivi a bordo. La prima richiesta deriva dal fatto che tale sistema debba essere facilmente posizionabile all'interno di un edificio senza la necessità di eseguire particolari lavori di adattamento strutturali. Invece, la seconda è opportuna sia perché in genere le carrozzine in commercio non prevedono spazi allocabili a strumenti di ausilio aggiuntivi sia per non rendere il dispositivo eccessivamente ingombrante ed invasivo, riducendo di fatto il comfort della persona.
Ricordiamo inoltre che il fine ultimo è quello di proporre oggetti validi ad un basso costo per l'utente, in modo da rendere disponibile il prodotto per il maggior numero possibile di persone. Il mercato propone molti prodotti in questo settore, ma il costo spesso proibitivo ne limita l'effettiva fruibilità.
Figura 39: Specifiche dell'errore
4.2 Scelta metodologica
La scelta metodologico-computazionale risulta di fondamentale importanza, poiché da essa dipende fortemente il rispetto di tutte le caratteristiche tecniche di cui deve essere dotato il sistema. Infatti i costi, le procedure di installazione, la manutenzione, sono influenzate enormemente dal tipo di approccio che si intende seguire. Dall'analisi discussa nei capitoli precedenti, in sostanza si può affermare che una prima scelta va fatta tra le due metodologie fondamentali: l'approccio assoluto o quello relativo, ognuno dei quali presenta vantaggi e svantaggi.
La localizzazione assoluta risulta di gran lunga la più affidabile; gli errori sono ridotti al minimo relativamente al tipo di sistema che si voglia adottare. In particolare si potrebbe affermare senza alcun dubbio che gli errori di misura rimangono praticamente costanti e dipendenti esclusivamente dall'accuratezza del sistema stesso.
Di contro, sistemi di posizionamento relativi presentano errori che possono crescere con il tempo, poiché errori sulla misura istantanea seppur piccoli vanno a sommarsi alle misure successive. Infatti, le misure effettuate ad un certo istante temporale concorrono alla determinazione delle coordinate negli istanti successivi.
Bisogna ricordare che la determinazione di coordinate assolute può essere eseguita con i metodi di triangolazione, trilaterazione o multilaterazione. Ognuno di tali metodi, perché possa essere messo in pratica, necessita dell'utilizzo di punti di riferimento noti a priori attraverso la dislocazione di alcune boe di posizione. Ciò implica che il sistema centrale, debba preventivamente conoscere la loro esatta locazione insieme ad una mappa topologica di riferimento [cfr Cap. 2].
L'utilizzo di due o più boe accresce i costi di realizzazione; ci si trova, inoltre, a dover affrontare in un secondo momento problemi riguardanti l'installazione domestica delle boe stesse che devono essere correttamente orientate, affinché, un eventuale ricevitore montato sulla carrozzina non trovi difficoltà ad intercettare i segnali trasmessi. Si fa presente che, mentre in spazi aperti tali segnali non
incontrano ostacoli alla propagazione, in ambienti indoor il problema è particolarmente sentito, poiché ogni ostacolo che si presenti (muri, mobilio, oggetti metallici fermi o in movimento, ecc.) è un potenziale fattore di assorbimento d'intensità e una possibile sorgente di segnali diffratti o riflessi (fenomeni di multipath o echi). Per risolvere queste problematiche occorre sia aumentare le potenze in gioco sia elaborare complessi algoritmi di correzione della misura.
L'assorbimento o la riflessione del segnale concorrono entrambi ad errate valutazioni delle distanze ad esempio nel TOF. Presumibilmente in questo caso ci si troverebbe a sommare all'errore costante del sistema, un errore di natura aleatoria dipendente dall'ambiente stesso, con conseguente aumento della complessità computazionale incorrendo così in errori dipendenti sia dalla stima della misura sia introdotti dal calcolo stesso.
Metodologie con l'uso di landmark o vision based presentano gli stessi problemi di installazione e configurazione, nonché tutte quelle problematiche che si hanno in fase di apprendimento topologico che renderebbero il sistema di difficile manutenzione e alla portata di personale tecnico altamente specializzato. L'uso di telecamere [25,26] e la necessità di processare le immagini prodotte incrementano enormemente i costi e la potenza richiesta all'hardware. L'LPS dovrà invece avere caratteristiche di adattabilità a qualsiasi spazio indoor si voglia monitorare senza richiedere complessi interventi di configurazione.
Di fatto qualsiasi approccio legato alla “cellularizzazione” dell'ambiente domestico, risulta altamente dispendioso sia in termini economici che in termini realizzativi.
La misura dell'attenuazione di segnali, sia a radiofrequenza che di altra natura come radiazioni infrarosse od ultrasuoni, è improponibile, data la difficoltà di modellizzazione del fenomeno in ambienti indoor ed in presenza di molti ostacoli.
Molti dei modelli disponibili sono ottenuti empiricamente da misure sperimentali e non sono attendibili, ciò condurrebbe ad enormi errori nella stima delle coordinate cartesiane.
D'altra parte, la localizzazione relativa ci conduce a sistemi a più basso costo, più facilmente gestibili e centralizzabili, coinvolgendo non tanto l'ambiente quanto l'integrazione con la carrozzina stessa. Questo tipo di approccio presenta, come già detto, lo svantaggio di introdurre errori crescenti nel tempo e la necessità di effettuare una traslazione del sistema di riferimento.
4.3 Analisi di un approccio “assoluto”
Seguendo un approccio di tipo assoluto, un possibile sistema LPS potrebbe essere quello di utilizzare, in coordinazione, segnali a radiofrequenza con quelli ultrasonici, analogamente a quanto visto nei sistemi Cricket o ActiveBadges. Di fatto, il Cricket, che dimostra di essere un sistema molto economico, è affetto dal problema della bassa risoluzione; invece, gli ActiveBadges, che risultano molto più precisi, sono di contro molto costosi soprattutto quanto più si voglia coprire l'edificio con molti beacons. L'approccio presentato di seguito, invece, è utilizzato di frequente nel campo della localizzazione di piccoli robot in ambienti indoor [43].
Il sistema, robusto, semplice e flessibile, è basato sull'uso di un ricevitore in grado di misurare la distanza e l'angolo di orientamento dei segnali provenienti da
Figura 40: Sistema basato su RF e US
alcune boe. L'accoppiamento di segnali di sincronismo a RF e segnali più lenti ultrasonici, permette di ottenere la necessaria risoluzione spaziale che interessa. I segnali ultrasonici emessi dalle boe sono sincronizzati attraverso segnali a radiofrequenza dal robot verso le boe. Progettando il sistema in modo tale che per ogni stanza il ricevitore veda almeno tre boe, è possibile determinare con una risoluzione di 3 cm la posizione del tracked target [43]. L'unità fondamentale del sistema è costituito da un master montato ad esempio sul robot, in grado di generare un segnale a RF di comando per le boe. Le boe sono connesse ad una Control Area Network (CAN bus incluso l'alimentazione) e generano il segnale ultrasonico in risposta ad un comando del master. In assenza di comandi le boe sono in stand by risparmiando così energia; inoltre ogni gruppo di tre boe è alimentato dalla stessa batteria. Il sistema è in grado di gestire più master poiché l'unità di elaborazione non risiede sulle boe ma sul ricevitore ultrasonico.
Il modulo del master è costituito da un processore a 8 bit, da un transceiver a radiofrequenza a 447MHz, da un rivelatore ultrasonico e da un controller CAN attraverso cui vengono riportate le distanze misurate ad un PC (User).
I beacon sono attaccati al soffitto e sono forniti di un trasduttore ultrasonico e un ricevitore RF. Quando il master ordina ad un particolare beacon di emettere il segnale ultrasonico, identificandolo con un ID trasmesso nel messaggio a radiofrequenza oppure tramite un comando passato tramite la comunicazione CAN, viene misurato il TOF del segnale.
Poiché il robot si muove in uno spazio 2D, l'uso di tre boe è di fatto ridondante.
L'intersezione tra il piano e la sfera centrata in B1 e di raggio d1 è un arco.
L'intersezione di quest'arco con quello generato da B2 determina la reale posizione del robot. L'uso di una terza boe è necessaria per compensare eventuali errori nella misura che potrebbero impedire la determinazione di una soluzione unica.
Il master è in grado di rilevare quali boe sono più vicino ad esso emettendo un segnale di broadcast con il proprio ID a tutte le boe, che per evitare problemi di interferenza nella risposta, reagiscono in maniera sequenziale aspettando un intervallo di tempo proporzionale all'ID assegnato loro. Il segnale di broadcast comunque non ha la potenza per raggiungere tutte le boe, per cui risponderanno solamente quelle effettivamente in grado di accettare la comunicazione.
Il sistema appena descritto potrebbe essere una valida alternativa, tuttavia si evidenziano in esso alcuni dei problemi di cui abbiamo già accennato, come l'elevato costo di realizzazione. Di fatto i sensori ultrasonici sono i componenti più dispendiosi e possono arrivare a costare dai €200 ai €450 (catalogo RS Components) e ogni caso mai meno dei €100. Seppure in fase di industrializzazione si possa scendere molto nel costo dei componenti, i costi rimarrebbero comunque eccessivi.
Se consideriamo che il numero di boe è dato da 3*(N° stanze da monitorare), risulta Figura 41: Misure effettuate dal Master
evidente che pur scegliendo i trasduttori più economici e considerando un appartamento di 4 vani, i costi potrebbero facilmente superare i €1000; occorre inoltre tener presente che il sistema necessita di installazione e cablatura.
4.4 Analisi di un approccio “relativo”
Le problematiche affrontate finora ci inducono ad optare verso un sistema di localizzazione di tipo relativo, che se da un lato ci costringono a trattare gli errori in maniera più accurata, dall'altro ci permettono di intervenire solo sulla carrozzina evitando quindi interventi sull'infrastruttura dell'edificio, riducendo enormemente i costi di realizzazione.
Il modello proposto è ispirato da un sistema di localizzazione per robot [42]
costituito da un compasso analogico (Dinsmore 1655 [44] ormai soppiantato da nuovi modelli), in grado di determinare l'azimut relativo ad un riferimento assoluto quale il Nord Terrestre, ed un sistema di misura odometrico proveniente da un mouse ottico per PC (Microsoft Wheel Mouse Optical). Internamente il mouse ottico usa il circuito integrato HDSN2000 della Agilent in grado di catturare 1500 immagini al secondo, comparando il campione corrente con quello precedente e determinando sia il modulo che la direzione del vettore spostamento. Entrambi i sensori sono connessi ad un micro-controllore PIC adibito al calcolo della posizione relativa e in comunicazione con un sistema centrale che riceve tali informazioni.
Il principio di funzionamento dei recentissimi mouse a lettura ottica è completamente differente dai puntatori ottici di prima generazione.
Il sensore non è il classico trasduttore ottico/elettrico (fotodiodo), il quale riceve un segnale di luce riflesso da una superficie come nei lettori CD, ma una vera telecamera che vede l'immagine della superficie.
Si tratta di un capolavoro di microelettronica, resa possibile dagli enormi investimenti di alcuni costruttori di chip che hanno incapsulato in un economico contenitore di plastica: una telecamera, un DSP (Digital Signal Processor) ed un convertitore di segnali atto a fornire i dati in formato PS/2 o USB [51].
Il cuore di tutto il sistema o meglio l'occhio, è un sensore CCD (Charge Coupled Device) con una risoluzione, di 328 Pixel (18x18) su una superficie di 3 mm di diametro. Ogni 40 ms, più che sufficienti per le velocità di manovra del mouse, è acquisita un'immagine ed è inviata al DSP che confronta ogni microscopica immagine con la precedente per calcolare matematicamente la direzione e la distanza in cui è stato mosso il mouse. In qualsiasi ripresa fotografica è necessario che l'immagine della superficie da visualizzare sia illuminata. La funzione di faretto è ottenuta da un diodo LED, Light Emitting Diode, normalmente di colore rosso, circa da 570 a 690 nm. (la luce emessa da un LED non è monocromatica come il laser).
Un sistema di lenti focalizza, la luce emessa dal LED, in un piccolo forellino sotto il piano del mouse. L'angolo d'emissione del fascio luce è di circa 30°. La densità di potenza ottica emessa dal piccolo foro, di circa 1-2 mm, varia da 10 a 55 W/ m2 , dipende dalla luminanza media della superficie inquadrata (chiara o scura.). Normalmente questi dispositivi sono abbastanza sicuri, in ogni modo è sempre meglio, non capovolgerli o peggio appoggiare l'occhio nel foro, durante il funzionamento. Un secondo foro a distanza molto ravvicinata dal primo, è l'occhio del sistema che tramite una lente focalizza l'immagine sul CCD, integrato nel chip.
La sensibilità della microtelecamera è volutamente scarsa, per non essere influenzata Figura 42: Schema a blocchi dell'HDSN2000
dalla luce ambientale. La distanza del CCD dalla superficie di contatto è di circa 2 - 3 mm. Il circuito rimanente, integrato nel chip, è uguale ad un normale mouse meccanico, che riassumiamo brevemente. Le coordinate della posizione del mouse calcolate sono convertite nel formato di comunicazione seriale, standardizzato PS/2 oppure tramite un altro chip convertito nel più recente bus USB. Lo schermo del monitor è formato da una griglia invisibile (si pensi alla trama di un foglio a quadretti). Ogni quadretto dello schermo è identificato da due numeri di posizione che rappresentano le coordinate orizzontali e verticali. Il computer fornisce automaticamente al cursore una posizione iniziale. Spostando il mouse i segnali inviati al PC cambiano le coordinate e fanno muovere il cursore sullo schermo.
Se abbiamo intuito il principio di funzionamento, siamo in grado di comprendere il tipo di superficie adatta al miglior funzionamento. Il DSP deve elaborare differenze d'immagini, in pratica segni, righe. Più la superficie è tramata, venature del legno, testo di un foglio, stoffa di jeans, maggiore sarà il contenuto informativo sulla matrice di 18x18 pixel. A differenza del mouse meccanico a
Figura 43: Acquisizione immagini [51]
pallina, dove si richiede un giusto attrito, non ha importanza la rugosità del materiale della superficie di scorrimento ma i segni di contrasto chiaro/scuro che contiene la superficie. L'importante che la telecamera non sia ingannata da riflessioni o diffusioni causate da materiali vetrosi o smerigliati, non funziona ovviamente su uno specchio. L'affermazione, fatta dagli assemblatori di mouse ottici, che non richiede pulizia è valida finché i piccolissimi fori non siano otturati da sporcizia.
In particolare l' HDSN2000 è grado di fornire le due componenti dello spostamento x e y, memorizzati in due registri accessibili attraverso una porta seriale, da cui si potrebbero ricavare anche la direzione dello spostamento.
L'uso di un sistema di misura di spostamento ottico può essere particolarmente utile perché è svincolato da alcuni errori di misura altamente cumulativi. Tali errori possono verificarsi in presenza di slittamento delle ruote, per mancanza di aderenza al suolo, in caso di urti con ostacoli o causati dalle irregolarità del terreno, nonché provocati da improvvise accelerazioni o rapidi cambi di direzione (molto frequenti nel caso di sovradimensionamento di potenza nei motori elettrici e in presenza di battistrada consumati o differenza di carico sulle ruote). Si sottolinea il fatto che gli encoder meccanici sono molto suscettibili a queste tipologie di errori.
Occorre ricordare inoltre che usando gli encoder meccanici l'errore dipende dal diametro delle ruote, dall'accoppiamento meccanico con l'asse del motore e dalla risoluzione dell'encoder stesso.
Infine, un aspetto da non sottovalutare riguarda l'installazione degli encoder meccanici sulla carrozzina che può essere alquanto difficoltoso.
Invece, l'utilizzo di un sensore magnetico che permetta di misurare l'angolo di orientamento rispetto al Nord terrestre da solo non è sufficiente a determinare la posizione assoluta. Tale informazione deve essere integrata con altre informazioni, come ad esempio la distanza percorsa, per ottenere un coppia di coordinate.
Non bisogna trascurare il fatto che un sensore magnetico di questo tipo è
altamente suscettibile ad interferenze esterne come ad esempio la vicinanza di materiali ferromagnetici (diventano particolarmente rilevanti quando si è a circa 1m da tali materiali) o rumore elettromagnetico generato dalla vicinanza ai motori della carrozzina. Tuttavia, in presenza di questi materiali, tali disturbi sono abbastanza controllabili, dato che il campo magnetico verrebbe distorto solo per brevi intervalli di tempo, ma rimarrebbe pressoché invariante nel tempo. D'altra parte, nel caso di interferenze provenienti dai motori il problema si potrebbe comunque risolvere posizionando adeguatamente i sensori sulla carrozzina.
La posizione è calcolata in coordinate cartesiane definendo un punto di origine in fase di start up ed utilizzando il Nord terrestre come ascissa. Le coordinate sono ottenute combinando la distanza lineare coperta in un intervallo di tempo, letta dal sensore odometrico, con il corrispondente orientamento istantaneo letto dal compasso.
La posizione è determinata rispetto ad un sistema di riferimento ortogonale fisso il cui centro O è il punto in cui si comincia ad osservare lo spostamento e l'asse X è allineato al campo magnetico terrestre. Le informazioni odometriche invece sono relative ad un sistema di riferimento cartesiano relativo la cui origine O' corrisponde alla posizione corrente della carrozzina e l'ascissa è allineata con la sua direzione di avanzamento. La figura precedente mostra la misura ottenuta dopo un avanzamento di D a cui corrisponde la lettura di (A',B') dell'odometro. Il compasso genera invece la lettura di αtra il sistema di riferimento solidale e il nord terrestre. Le espressioni
Figura 44: Calcolo della posizione istantanea
che permettono di passare dal sistema di riferimento relativo a quello assoluto sono:
=tan
B 'A '
∥D∥=B '2A '2 A=∥D∥⋅cos
B=∥D∥⋅sin
Xi=Xi−1A Yi=Yi−1B
In particolare, le ultime due espressioni permettono di aggiornare le coordinate cartesiane assolute conoscendo lo spostamento relativo e definendo l'origine dell'osservazione come punto (0,0). Da notare inoltre come, essendo lo spostamento relativo, gli errori nel calcolo di α e di θ incrementano, ad ogni passo, l'errore su Xi
ed Yi.
La vera innovazione di tale metodo è proprio nell'uso del sensore ottico, che permette di ottenere alte risoluzioni: 1/16 mm e velocità di risposta adeguate a rapidi movimenti. Al tempo stesso, il sensore ottico permette di superare i problemi legati all'uso degli encoder ottici e non ha alcuna necessità di strisciare direttamente al suolo; nonostante ciò presenta la limitazione di richiedere un pavimento relativamente liscio per funzionare correttamente. Inoltre non funziona affatto su superfici altamente riflettenti come gli specchi.
Infine, il compasso analogico è caratterizzato dall'avere la precisione di 1°.
Tale errore potrebbe sommarsi con il tempo, pertanto sono necessari meccanismi di compensazione che ad esempio possono essere calcolati a partire da esperimenti pratici.
4.5 Il compasso magnetico
Il compasso magnetico è uno strumento essenziale nei sistemi di posizionamento assoluti. Oggetti di questo tipo offrono il vantaggio di avere un componente a stato solido senza la necessità di parti meccaniche in movimento e sono facilmente interfacciabili con altri sistemi elettronici. L'uso di un sensore magneto-resistivo (MR) è alla base del principio che principalmente viene sfruttato all'interno di tali sensori, evitando così l'uso di induttanze e permettendo un impacchettamento migliore del componente. A causa di una più alta sensibilità tali sensori risultano superiori ai dispositivi ad effetto Hall.
Nella figura precedente sono evidenziati il campo e la direzione del campo magnetico terrestre. Come si può notare, questo è in opposizione alla convenzione fisica dei poli che ha origini di tipo storiche. Inoltre i poli magnetici non coincidono con i poli geografici, definiti dall'intersezione con l'asse di rotazione terrestre.
Figura 45: Campo magnetico terrestre
I compassi generano la lettura dell'angolo di declinazione detto azimuth in senso orario rispetto al nord magnetico. In tale lettura pertanto il nord è a 0°, l'est a 90°, il sud a 180° e l'ovest a 270°.
Occorre inoltre considerare l'angolo δdi inclinazione tra il vettore campo magnetico ed il piano orizzontale. Tale angolo varia da 0° all'equatore a 90° in corrispondenza dei poli dove il sensore non fornisce misure corrette. Se il sensore genera misure errate deve essere tenuto in considerazione anche quest'angolo.
La declinazione λinvece è l'angolo tra il nord geografico ed il nord terrestre e dipende direttamente dalla posizione attuale sulla superficie terrestre. Tale angolo va da est a ovest con una variazione di ±25° . L'angolo di lettura del compasso va corretto con l'angolo di declinazione affinché si abbia l'orientamento esatto rispetto al nord geografico.
All'interno del package di solito sono presenti due sensori, ciascuno in grado di Figura 46: Vettore Campo Magnetico
misurare una componente normale del campo magnetico. I sensori sono costituiti da resistenze che variano la propria conducibilità in funzione del campo (effetto magneto-resistivo) [45].
Nella figura è mostrato uno strato di permalloy (permeable alloy 19% Fe, 81%
Ni caratterizzato da un'elevata permeabilità magnetica).
R=RoR⋅cos = RoR⋅
1−
HHyo
2
, HyHodove Ro=Rmin e R=Rmax−Rmin
In assenza di magnetizzazione il permalloy presenta resistenza massima (α=0°), mentre in presenza di un campo esterno Hy il vettore di magnetizzazione del materiale ruoterà di un angolo α, fino ad allinearsi completamente con il campo stesso nel caso di forte intensità del campo stesso (α=90°).
Di seguito invece si riporta lo schema di principio del compasso elettronico. I blocchi evidenziati sono gli elementi minimi, comuni ad ogni dispositivo di questo tipo. Ciascun blocco, eccetto i sensori stessi, vanno realizzati con dell'hardware o del software aggiuntivo.
Nella figura seguente si è rappresentato il caso in cui si voglia conoscere entrambe le componenti normali del campo magnetico terrestre Hex ed Hey, per tale
Figura 47: Effetto magneto-resistivo
motivo sono utilizzati due sensori, entrambi paralleli alla superficie terrestre ma ruotati di 90° l'uno rispetto all'altro.
L'SCU (Signal Conditioning Unit) ha lo scopo di generare un output in tensione che sia proporzionale all'intensità del campo, inoltre si occupa di effettuare la compensazione in temperatura, della sensibilità e degli errori dovuti alla non perfetta ortogonalità dei sensori, nonché eliminare gli errori di offset ed amplificare il segnale al fine di adeguare il range di escursione all'uscita desiderata.
L'unità DDU (Direction Determination Unit) ha come unico scopo quella di eseguire il calcolo dell'angolo αtramite la seguente relazione:
=arctan Vy Vx
Nel caso di alte risoluzioni questa operazione può essere eseguita da un microcontroller.
Figura 48: Diagramma a blocchi del compasso elettronico
4.6 Il sensore odometrico
Il sensore odometrico nell'analisi di progetto risulta un punto cruciale. Si è visto nel modello proposto precedentemente come la scelta ottimale sia l'utilizzo di un sensore ottico. Tuttavia risulterebbero delle difficoltà evidenti in fase realizzativa o di prototipizzazione, infatti tale sensore non risulta facilmente reperibile in commercio e qualora si ricorra a soluzioni quali ADNS-2610 della Agilent, risultano evidenti problemi relativi al corretto assemblaggio del componente. Senza contare la difficoltà a cui si andrebbe incontro se si volesse posizionare il componente in corrispondenza del battistrada delle ruote al fine di utilizzare il grip del copertone per ottenere la lettura dello spostamento.
Se per applicazioni robotiche si può ricorrere all'uso diretto del mouse per computer, tale scelta non sarebbe di facile applicazione su un eventuale dispositivo LPS montato su carrozzina. Una possibile soluzione potrebbe essere quella di effettuare un reverse-engineering [47] del mouse stesso in modo da sfruttare lo stesso supporto costruito industrialmente, su cui è montato il sensore. Ciò andrebbe fatto bypassando il controller on-board del dispositivo.
Figura 49: Vista sezione dell'assemblaggio su PCB
Per tale ragione andrebbe presa in considerazione l'alternativa dell'uso degli encoder, che nonostante le problematiche che si portano dietro, risultano di gran lunga di più immediata applicazione.
Una ulteriore valida alternativa da valutare è l'utilizzo di giroscopi o accelerometri, che tuttavia introducono ulteriori errori di stima dovuti al fatto che le misure ottenute vanno integrate per ottenere la posizione e l'operazione di integrazione accresce l'errore come t2, dove t è l'intervallo di tempo su cui si integra.
Infatti, supponendo l'errore costante, ad esempio errori di offset:
x=∫
0
t ∫
0 t
axteoff⋅dt =∫
0
t ∫
0 t
axt⋅dt1 2⋅eoff⋅t2
In commercio esistono valide soluzioni come l'accelerometro digitale triassiale LIS3LV02DQ di STMicroelectronics, che presenta uno Zero-g Level Offset di 70 mg su un fondo scala di 2 g ed un LSB (Least Significant Bit) pari a 1/1024 g a 12 bit.
C'è da considerare inoltre il fatto che la carrozzina può subire urti con ostacoli presenti nell'ambiente, causando di fatto delle misure errate della posizione.
Figura 50: Bypass del controller
Per tutte le ragioni spiegate e poiché si presume che la carrozzina si debba muovere esclusivamente in un ambiente casalingo, quindi su un pavimento senza irregolarità, si ritiene che in questa applicazione siano da privilegiarsi gli encoder.
Eventuali correzioni dovute allo slittamento delle ruote potrebbero essere effettuate utilizzando proprio un accelerometro. Comparando lo spostamento misurato dai due sensori, infatti, si è in grado di valutare l'entità dello slittamento stesso.
4.7 Cinematica della carrozzina
La carrozzina elettrica, su cui si prevede venga usato il dispositivo in questione, è dotata di due ruote motrici posteriori a controllo differenziale e da ruote anteriori passive.
Le ruote anteriori hanno la proprietà di essere omnidirezionali, mentre le ruote posteriori, oltre ad imprimere la direzione del moto, permettono di effettuare
Figura 51: Carrozzina elettrica
variazioni di direzione variando la velocità dell'una rispetto all'altra [48].
Nella figura seguente è evidenziato ICR (Instantaneus Center of Rotation) o centro istantaneo di rotazione, il quale si ottiene come intersezione di tutti gli assi di rotazione delle ruote. Le ruote anteriori non sono considerate poiché sono omnidirezionali e hanno come unico scopo quello di stabilizzare il veicolo.
Figura 52: Ruota anteriore
Figura 53: Schematizzazione della carrozzina
Le relazioni che descrivono il moto sono:
VL=rL VR=r R
dove VLrappresenta la velocità di avanzamento della ruota sinistra e VRquella della destra, mentre ωR e ωL sono le velocità angolari di ciascuna ruota ed r è il raggio.
=VR−VL
L v=VRVL
2
Entrambe le ruote seguono un cammino circolare con la stessa velocità angolare ωin rotazione intorno al proprio ICR, mentre v è la velocità lineare di avanzamento.
Per cui valgono:
⋅R L 2=V R
⋅R−L 2=VL
dall'uguaglianza delle espressioni precedenti si ottiene il raggio di rotazione:
VR−VL
L = VR
RL2 R=L
2⋅VRVL
VR−VL
=L
2⋅RL
R−L
Il movimento in avanti di ottiene per R∞ VR= VL , mentre il movimento su se stesso si ottiene per R=0 VR=−VL .
La lunghezza del cammino D e l'angolo di rotazione φrisultano:
D=∫VLV2 Rdt
=D R
Determinare la posizione raggiunta dal veicolo, dati i parametri misurati, quali la velocità di rotazione proveniente da un encoder, è un problema cinematico diretto.
4.8 LPS-D: architettura
Durante il corso di tutta la trattazione abbiamo visto quali siano gli aspetti progettuali da tenere in considerazione al fine di realizzare un dispositivo di
localizzazione spaziale indoor per disabili. Si descriveranno ora le varie componenti che andranno a costituire il sistema nel suo complesso.
Nella figura sottostante è stata fatta una schematizzazione a blocchi molto generale delle varie componenti.
Il cuore del sistema di localizzazione è il transponder che dovrà contenere al suo interno l'apparato hardware e software per la determinazione dello spostamento relativo. Esso dovrà essere dotato di una interfaccia di acquisizione dei parametri ambientali provenienti sia da due encoder montati in corrispondenza delle ruote posteriori sia dal un compasso magnetico. Gli encoder dovranno essere in realtà dei Phase Quadrature Incremental Encoder, poiché hanno, come già discusso, la capacità di differenziare il verso di rotazione delle ruote stesse. Il compasso dovrà necessariamente trovarsi distante dai due motori elettrici che muovono la carrozzina.
Figura 54: Sistema LPS
Se si prevede il montaggio sulla stessa PCB del transponder, probabilmente questo dovrà essere posizionato alle spalle del seggiolino.
Un aspetto molto importante, che non è ancora stato sottolineato, è il fatto che il transponder analizzato è in grado di rilevare solamente le coordinate relative ad un sistema di riferimento rispetto all'istante in cui si inizino a misurare i parametri del moto. Ciò risulterebbe un problema in quanto la posizione corrente verrebbe azzerata sia nel caso in cui il sistema fosse resettato (reset manuale, batterie scariche) sia nel caso in cui il veicolo inizi il suo moto all'interno di una qualsiasi stanza. In tal caso la stanza di partenza sarebbe il centro del sistema di coordinate di riferimento. Questo condurrebbe a risultati sempre diversi, poiché ogni posizione della casa avrebbe coordinate variabili a seconda del punto in cui si cominci l'osservazione. Per tale ragione occorre rendere assolute le coordinate dell'ambiente, definendo un punto di origine che sia sempre invariante.
La soluzione del problema potrebbe essere quella di dotare ogni stanza di un sistema identificativo, ad esempio un tag da applicare in corrispondenza delle porte di ingresso, che segnali al transponder di settare a zero le coordinate. Il tag sarebbe comunque un dispositivo elettronico molto semplice il cui unico scopo sarebbe quello di trasmettere un codice ID ad esempio tramite LED IR al transponder in modo che esso possa identificare in quale stanza si trovi. Una tale scelta contiene inoltre degli elementi di scalabilità, infatti un sistema siffatto sarebbe facilmente estendibile ad ulteriori ambienti anche in fasi successive all'installazione.
Il transponder a questo punto avrà tutte le informazioni per localizzare la carrozzina e invierà tali informazioni (posizione relativa alla stanza e ID della stanza) ad una unità centrale di elaborazione (computer host), tramite un gateway a radiofrequenza.
L'unità centrale sarà dotata di una mappa ambientale delle varie stanze che compongono l'ambiente e dei dispositivi controllabili in esse con le corrispondenti coordinate fisiche. L'host avrà il compito di notificare all'interfaccia di controllo
unificata, montata sempre sulla carrozzina, le capacità di interazione di cui il dispositivo individuato è dotato, rendendo visivamente, tramite un display o dispositivi sonori, l'accessibilità dello strumento stesso. L'interfaccia di interazione quindi, comandata da un opportuno ausilio adeguato al tipo di disabilità della persona, dovrà essere in grado di comunicare le selezioni effettuate all'utilizzatore locale.
Il vantaggio evidente è quello di garantire, innanzi tutto, il controllo completo dei dispositivi elettronici tramite lo stesso ausilio ed, in secondo luogo, quello di unificare la gestione di più strumenti dalla stessa interfaccia. Naturalmente occorre predisporre ciascun utilizzatore di opportuni trasduttori che possano comunicare con tale interfaccia stessa e tradurre i comandi impartiti in azioni fisiche sull'apparato da controllare.
