Localizzazione e navigazione

IC DI LOCALIZZAZIONE –

La localizzazione è una delle tecnologie che, grazie al rapido sviluppo dei sensori Mems, porterà nel prossimo futuro ad applicazioni capaci di interagire in maniera intelligente con l’ambiente, sia in contesti esterni che interni.

La crescente importanza del computing onnipresente e dell'informazione contestualizzata (vedi Internet of Things) sta portando a una crescente attenzione e intereresse verso le applicazioni basate sulla localizzazione, come la navigazione e l'identificazione di ambienti e di persone e sistemi all'interno degli ambienti. Le tecnologie di localizzazione erano fino a qualche anno fa limitate all'ambiente aperto, ma l'attenzione degli sviluppatori si è estesa recentemente agli ambienti chiusi, sia a se stanti, sia in continuità con quelli aperti. Relativamente agli ambienti aperti, la tecnologia di localizzazione basata sul sistema Gps (Global Positioning System) si è dimostrata sufficente solo in condizioni “normali”, cioè di buona copertura del sistema satellitare, ma non sufficente in ambienti chiusi e poco affidabile in ambienti mascheranti (canyon urbani). Una delle più importanti limitazioni del sistema di localizzazione basato sul segnale radio satellitare Gps è la non disponibilità del segnale del satellite in determinate situazioni, in particolare quando si passa dalla navigazione esterna (outdoor) a quella interna (indoor). Un'altra importante limitazione è la mancanza di informazioni nella dimensione verticale che impedisce a questo sistema di fornire informazioni altimetriche.
Il segnale Gps in ambito urbano, in presenza di sottopassaggi, grattaceli, pareti, parcheggi sotterranei, ambienti sotterranei in generale, ecc. diventa troppo debole per essere ricevuto e utilizzato per localizzare. La localizzazione indoor richiede quindi tecnologie diverse da quelle satellitari, prevalentemente appartenenti alla natura stessa dell'ambiente in cui deve essere attiva la localizzazione, come ospedali, centri commerciali, campus universitari, aeroporti, metropolitane.
La natura della localizzazione indoor è senza dubbio più complessa di quella outdoor e comunque non riconducibile a un'unica tecnologia, tra l'altro non esaustiva, come quella Gps per l'outdoor. Grazie all'eccezionale sviluppo della tecnologia dei sensori, sia in termini funzionali, sia in termini dimensionali, la tecnologia della localizzazione ha oggi una tassonomia molto articolata e soprattutto capace di offrire soluzioni funzionanti in contesti applicativi molto differenti. In particolare, la localizzazione in costesti chiusi si è rapidamente sviluppata, anche grazie all'ampia disponibilità in modalità nativa di sensori di varia natura nei dispositivi mobili, capaci di catturare segnali di qualsiasi natura fisica.

Natura della localizzazione
e tecnologie di riferimento


La localizzazione di un oggetto nello spazio è determinata dalla misura di quantità fisiche che variano in maniera proporzionale alla posizione della persona o degli oggetti di interesse. Le tecnologie di localizzazione si classificano in base alla natura dei fenomeni fisici misurabili tramite i sensori: segnale radio, segnale meccanico, segnale ottico, segnale audio, segnale elettromagnetico, segnale magnetico, segnale barometrico. Per ognuno dei segnali utili alla navigazione vi è una classe di sensori che ne implementano la cattura e la messa a disposizione del sistema applicativo in una forma adeguata ad ottenere, tramite opportuni processi di calcolo matematico, le necessarie informazioni. Alcuni di tali sensori, per esempio i microfoni, sono preesistenti alla tecnologia della localizzazione, ma proprio in questo contesto applicativo che sono emerse nuove tecnologie come i Mems e gli array microfonici, aprendo alla localizzazione scenari applicativi prima non immaginabili.
I recenti sviluppi della tecnologia di localizzazione riguardano soprattutto i contesti chiusi (Indoor Localization) e alcuni importanti miglioramenti della tecnologia di localizzazione in contesti aperti (Outdoor Localization) basata sul sistema Gps. La localizzazione interna è comunque molto dipendente dalla natura degli ambienti e soprattutto dalla natura delle infrastrutture presenti in tali ambienti.

Le onde radio

Le tecnologie di localizzazione basate sulle onde radio sono ampiamente utilizzate soprattutto quando i sistemi di generazione di radiofrequenze sono parte dell'ambiente in cui si applica la localizzazione. Il vantaggio di queste tecniche di localizzazione sta anche nella capacità delle onde radio di passare attraverso gli oggetti, quindi di non avere particolari ostacoli che impediscono di agire negli ambienti chiusi. Particolarmente importanti sono le tecnologie radiofrequenza di prossimità come la Rfid, ma altre tecnologie radifrequenza a banda stretta come la Bluetooth e la wireless Lan, sono utilizzate vantaggiosamente per la localizzazione.
La Rfid comunque ha un potenziale applicativo più alto rispetto alle altre tecnologie di localizzazione tramite radiofrequenze in conseguenza di una serie di vantaggi che questa tecnologia offre, come le piccolissime dimensioni dei dispositivi, il bassissimo consumo di potenza (in particolare l'harvesting), la possibilità di autoidentificarsi e di detenere informazioni di natura digitale che possono essere scambiate tra trasmettitore e ricevitore. STMicroelectronics ha sviluppato una tecnologia Rfid (M24LR64) con caratteristiche innovative come la capacità di memorizzazione di significative quantità di dati grazie ad una memoria embedded non volatile capace fino a 64 kbit e di una interfaccia wired I2C contemporanea a quella wireless Iso 15692 a 13,56 MHz. Una peculiarità di questo dispositivo è la capacità di catturare e rendere disponibile l'energia elettrica dal segnale Rf (harvesting).

La determinazione dell'altezza nella localizzazione

La determinazione dell'altezza nella localizzazione è fondamentale per la navigazione 3D, tipica di ambienti indoor multilivello. L'altitudine viene determinata tramite la misura della pressione atmosferica. All'aumentare della pressione diminuisce l'altezza e viceversa. Il calcolo dell'altezza dipende dalla pressione atmosferica, ma anche da altri fattori che dovrebbero essere costanti, ma che di fatto possono variare, come la pressione al livello del mare, la temperatura e la densità dell'aria. Il sensore intelligente di Freescale, Xtrinsic MLP3115A2, è un altimetro di precisione in tecnologia Mems, a bassissimo consumo capace di fornire in uscita in digitale sia la pressione, sia l'altezza. Grazie a questo sensore è possibile calcolare l'altezza dell'oggetto in cui è integrato il sensore in base alla presione assoluta che esso misura. Pur essendo l'altezza dipendente da altri parametri, questi vengono compensati internamente grazie alla rappresentazione interna digitale delle misure e grazie alla possibilità di introdurre dall'esterno dati di riferimento diversi da quelli interni fissati in fase di produzione, come per esempio la misura della pressione a livello del mare, qualora questa non corrispondesse a quella default. La pressione, dalla superficie del mare fino alla mesosfera varia progressivamente in funzione della temperatura e dell'altezza.

La localizzazione audio

La localizzazione audio è una delle più promettenti tecnologie perchè si basa su uno dei segnali più ricco di informazioni e utilizza i microfoni. Questi sono sensori nativi della maggior parte dei sistemi embedded che vengono configurati per applicazioni di localizzazione, per esempio gli smartphone. La localizzazione basata sull'audio può essere attiva quando si utilizza una sorgente di suono inteso ad eseguire la scansione dell'ambiente per rilevarne le caratteristiche geometriche, individuare gli ostacoli e i percorsi adatti alla navigazione (modalità Sonar). La localizzazione audio può essere passiva quando utilizza i suoni che caratterizzano l'ambiente per localizzare le sorgenti (persone o sistemi) e per riconoscere la natura dell'ambiente sulla base del rumore di fondo (fingerprint). Anche se con un singolo microfono è possibile ottenere risultati di localizzazione accettabili, due microfoni rappresentano comunque la soluzione minima in termini di accuratezza. La disponibilità di microfoni in tecnologia Mems ha creato le premesse per un utilizzo molto esteso della tecnologia di localizzazione audio, soprattutto in combinazione con altre tecnologie Mems a basso costo ed elevata disponibilità come i sensori inerziali. In particolare la dispobilità dei microfoni in configurazione multipla (array microfonici) permette di implementare meccanismi di localizzazione basati sull'audio molto sofisticati ed efficaci. STMicroelectronics ha realizzato diverse soluzioni di array microfonico basate sui microfoni Mems in cui un certo numero di microfoni vengono gestiti contemporaneamente in configurazione ad array, acquisendo in maniera contemporanea e sincrona il segnale audio e rendendolo disponibile all'application processor sotto forma di stream audio multicanale. A questo scopo è stato anche realizzato un processore microfonico che svolge il compito di acceleratore hardware verso l'application processor, eseguendo le più o meno complesse operazioni di preprocessing necessarie. La tecnologia array microfonica basata su Mems e su un application specific processor è racchiusa in in una piccola scheda a cui sono collegabili fino a 6 microfoni Mems tramite una interfaccia Pdm. La scheda ospita il processore microfonico scalabile STA321MP che, oltre ad eseguire la conversione da Pdm a Pcm, esegue anche una serie di preelaborazioni del segnale, tra cui l'equalizzazione, fino a rendere disponibile all'application processor lo stream di dati sul interfaccia I2S.

La localizzazione inerziale
Le limitazioni dei sistemi di localizzazione sono strettamente connessi alla natura del segnale e dei sensori cui fanno riferimento. Il sistema Gps è soggetto ad errori che ne riducono l'accuratezza e alterano i tempi di aggiornamento. I sistemi radio e magletici sono suscettibili alle interferenze, mentre quelli ottici sono invece inefficaci dove ci sono ostacoli che ostruiscono la visione. E' quindi inevitabile che i sistemi di localizzazione debbano essere multimodali per risultare tolleranti alle varie sitazioni che indeboliscono o addirittura mettono completamente fuori uso uno dei sistemi cooperanti. La localizzazione inerziale, anche non assoluta, è, rispetto alle atre tecnologie di localizzazione, meno problematica e, sotto certi aspetti, più affidabile e conveniente. La tecnologia sensoriale di riferimento è quella degli accelerometri e dei giroscopi, che, in tecnologia Mems, rappresentano una soluzione ottimale sotto svariati aspetti, tra cui l'affidabilità, le dimensioni, i costi e i consumi di potenza elettrica. La tecnica di localizzazione è quella del dead reckonizing (vedi riquadro). L'integrazione dei sensori inerziali con gli altri tipi di sensori, consente di ottenere un sistema di localizzazione particolarmente affidabile e preciso, come richiesto dalle applicazioni industriali e biomedicali. L'integrazione dei sistemi sensoriali in un sistema di localizzazione multimodale avviene attraverso tecniche di data fusion, di cui i filtri di Kalman rappresentano la metodologia di fusione più impiegata. Gli accelerometri misurano le accelerazioni lineari relative al sistema di riferimento inerziale, in maniera relativa al sistema di movimento. I giroscopi misurano la velocità angolare del sistema rispetto a tre assi. Anche questa misura è relativa e quindi, per un sistema di localizzazione inerziale è possibile misurare variazioni di posizione, variazioni di velocità e variazioni di orientamento, attraverso misure di accelerazioni lineari e angolari. Non sono richiesti riferimenti esterni per ottenere la posizione relativa, ma per ottenere la localizzazione assoluta è necessario disporre della posizione e velocità iniziale (per esempio attraverso il Gps, se disponibile). Per le applicazioni industriali e professionali, diversamente dalle applicazioni consumer, la localizzazione inerziale non può essere basata sui sensori inerziali utilizzati negli smartphone o in generale nei sistemi consumer. La precisione richiesta nella applicazioni industriali è di un'ordine di grandezza superiore.
Analog Devices ha realizzato un sistema Mems integrato accelorometrico e giroscopico a 6 gradi di libertà (6 assi), ADIS16334 iSensor Imu (Inertial Measurement Unit). Questo è incapsulato in un contenitore di piccolissime dimensioni (11 x 22x 33 mm) ed è integrabile con altri gradi di libertà ( tre assi magnetometro, temperatura, pressione, ecc.) per ottenere un sistema di localizzazione di elevata precisione per applicazioni industriali e medicali.

Tecniche di localizzazione

Alle tecnologie di localizzazione si affiancano le tecniche di localizzazione, cioè una serie di metodi computazionali che consentono di utilizzare le informazioni catturate dai sensori per ottenere la posizione dell'oggetto. Le principali sono: triangolazione, prossimità, dead reckoning. La triangolazione è una tecnica che utlizza la lateralizzazione o l'angolazione per calcolare la posizione di un oggetto in base alla sua distanza relativa a punti fissi nello spazio ed alle proprietà geometriche dei triangoli. La tecniche di lateralizzazione ottengono la localizzazione da misure di distanza da più punti di riferimento (la trilateralizzazione utilizza tre punti di riferimento). La distanza viene calcolata in base al tempo di propagazione del segnale di riferimento (caratterizzato da velocità costante). A tale proposito varie sono le tecniche: Direction of Arrival (DoA), Time of Arrival (ToA), Time Difference of Arrival (TDoF), Round Trip Time (RTT). I metodi basati sull'angolazione valutano l'angolo di arrivo (AoA) e possono utilizzare solo due riferimenti, ma questa tecnica è più efficente se si utilizzano array di riferimenti. La prossimità è una tecnica che stabilisce la vicinanza di un oggetto ad un sensore. La misura di vicinanza si ottiene misurando quantità fisiche che si modificano in presenza dell'oggetto, per esempio campi elettrici o magnetici. La dead reckoning determina la posizione in base alla posizione precedente in maniera incrementale. Questa tecnica è particolarmente efficace nella localizzazione basata sui sensori inerziali. Il difetto intrinseco di questa tecnica è un accumulo di errori dovuto alla natura relativa e non assoluta del modello computazionale.

Oltre la localizzazione

La localizzazione è una tecnologia fondamentale per l'attuazione del principale obiettivo di Internet of Things, la conoscenza dello stato della persona o del sistema in un determinato luogo (location awarness). Il location awareness è il passo successivo della locatlizzazione, particolarmente importante in ambito indoor. L'uso di sensori di localizzazione in combinazione con altri sensori presenti nei sistemi di navigazione (in particolare quelli basati su smartphone), come i sensori di umidità, i sensori di temperatura, i sensori di luminosità, i microfoni, ecc., è possibile contestualizzare la localizzazione relativamente alla natura del luogo e alla motivazione della navigazione. L'utilizzo di più sensori per la localizzazione e per l'awareness necessita di metodologie di sensor data fusion e inferenziali più o meno complesse per ottenere informazioni attendibili ed efficaci. Uno dei problemi fondamentali da superare nella localizzazione è il riferimento assoluto per evitare l'accumulo di errori nel calcolo relativo. Nella navigazione outdoor, il riferimento del Gps è una soluzione efficace, mentre nella navigazione indoor una soluzione efficace sta nel riferimento Wi-Fi.

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