Multi-source sensor fusion and time measurements-based localization for high reliability and Iow cost localization applications.

Risultato della ricerca:

L’attività di ricerca è incentrata sullo sviluppo di algoritmi di sensor fusion per la localizzazione e la navigazione basata su modelli di tipo inerziale-odometrici. I Sensori solitamente presenti in una IMU (Inertial Measurements Unit) hanno caratteristiche diverse in quanto ad accuratezza di misura ed uso in un sistema di localizzazione. Gli algoritmi di fusione consentono di utilizzare tali sensori per ottenere una maggior accuratezza ed affidabilità nella stima della posizione e limitare la propagazione dell’incertezza a un primo livello cui poi va aggiunto una ulteriore misura proveniente da una rete di sensori riferiti all’ambiente. La scelta di tale rete di sensori è importante ai fini dell’aumento della precisione nella localizzazione.

Attività a riguardo sono state già svolte considerando soluzioni di localizzazione a basso costo (ad es. localizzazione su reti Wi-Fi o su reti di sensori BLE beacons) che restituiscono dati di scarsa qualità (per precisione, affidabilità etc.) tali da essere inutilizzabili per impieghi massicci ed a costo non eccessivo all’interno di flussi industriali. L’attività di ricerca ha tuttavia dimostrato che la fusione “intelligente” dei segnali acquisiti dalla rete di sensori collocata nell’ambiente d’interesse con la sensoristica inerziale presente nei dispositivi mobili (da localizzare) consente di ottenere: precisioni accurate (fino ad un metro), basso impatto infrastrutturale e tempi di risposta rapidi. Tuttavia si è rilevato che non è possibile offrire intervalli di confidenza che vadano al di là del 80-90% nella fornitura di un dato di localizzazione con precisione ad esempio di 1 metro o che, all’interno di contesti particolari, l’utilizzo di tecniche RF basate sull’analisi del solo RSSI non è sufficiente per aumentare l’affidabilità e la robustezza complessiva del sistema di localizzazione.

In diversi contesti applicativi infatti, è necessario ottenere dati di localizzazione ad alta o altissima qualità (poche decine di centimetri) il che richiede una scelta ad-hoc dell’infrastruttura di rete da utilizzare: nello specifico un sistema radio che trasmetta su bande molto ampie ovvero altre tipologie di segnali che RF che consentano di superare le limitazioni imposte da una analisi basata su RSSI e permettano invece di eseguire delle misure di tempo di propagazione del segnale. Tali segnali RF si ottengono attraverso forme d’onda non periodiche di brevissima durata dell’ordine dei nanosecondi oppure è possibile impiegare sistemi di segnalazione standard, ad esempio anche WIFI, che abbiano implementazioni a livello di protocollo dati tali da consentire misure di tempo con risoluzione dell’ordine dei nanosecondi.

Tuttavia, seppur la misura precisa di tempo consente, in condizioni ideali, di ottenere stime di posizione con precisione dell’ordine della decina di centimetri, tale tecnica non risolve completamente il problema legato alla possibilità di fornire dei livelli di affidabilità e robustezza della stima anche in condizioni non ideali (es. non-line of sight, temporanea indisponibilità del segnale, brusche variazioni nelle condizioni ambientali etc). Per tale motivo sono state effettuate delle ricerche e dei test che hanno evidenziato che la metodologia legata alla misura del tempo di propagazione fusa insieme ad altre metodologie basate sull’analisi multi-sensore consente di ottenere una soluzione che migliora notevolmente la robustezza ai rumori e l’affidabilità nella stima della posizione offrendo una soluzione tecnica di base molto più performante ed a basso costo per essere impiegata in vari contesti industriali e non.

Riferimento a finanziamenti precedenti:

Alcuni temi alla base della ricerca sono stati finanziati con il bando POR Calabria FERS FSE 2014-2020, ASSE I – PROMOZIONE DELLA RICERCA E DELL’INNOVAZIONE, Progetti di Ricerca Industriale e Sviluppo Sperimentale. Titolo Progetto: SiLl 4.0 — Smart Indoor Localization per applicazioni Industry 4.0.

Innovatività rispetto a soluzioni già esistenti:

Il principale fattore differenziante rispetto a soluzioni esistenti è legato alla capacità tecnica ed al know-how che il gruppo di ricerca ha acquisito nella realizzazione di algoritmi di fusione dati che ad oggi rappresentano lo stato dell’arte nel settore delle applicazioni ai fini della localizzazione. Queste attività di ricerca sono state in parte industrializzate attraverso uno spin-off universitario che oggi rappresenta di fatto una delle aziende leader mondiali nella fornitura di tecnologie di localizzazione indoor/outdoor con il miglior rapporto prezzo/prestazioni tra la qualità del servizio e la capacità di bilanciare adeguatamente l’apporto di infrastruttura di supporto la quale, in applicazioni e con requisiti particolari, può essere addirittura assente.

La possibilità di poter portare sul mercato una tecnica che, auspicabilmente possa essere impiegata su dispositivi commerciali quali ad esempio gli smartphones, e che utilizzi misure di tempo di propagazione di segnali in abbinata con le tecniche inerziali/geomagnetiche già esplorate in passato, rappresenta una novità ed un miglioramento rilevante sia per quanto riguarda la ricerca accademica che per quanto riguarda le potenziali ricadute in ambito industriale.

Titoli di proprietà intellettuale:

La pregressa attività di ricerca si è concretizzata nel deposito di alcuni brevetti:

– W02017134695 – SYSTEM AND METHOD FOR CALIBRATING MAGNETIC SENSORS IN REAL AND FINITE TIME

– W02017158633 – METHOD FOR ESTIMATING THE DIRECTION OF MOTION OF AN INDIVIDUAL

Principali applicazioni e mercato di riferimento:

l mercato dei servizi di posizionamento per interni (indoor positioning services, IPS) è nelle sue fasi nascenti ma definito molto attrattivo in studi di primari analisti di mercato, ad es. IdTechEx lo vede in forte crescita fino ad arrivare a 10 miliardi di dollari in valore totale entro pochi anni. La spinta fondamentale alla creazione e futura prosperità di questo mercato nasce dalla “naturale” attesa del mercato di una estensione agli ambienti chiusi dei servizi di localizzazione ormai diffusissimi all’esterno grazie al GPS e 40 anni di sviluppo tecnologico basato su di esso.

Svariati report di analisti di mercato portano a valutare quali settori di maggiore interesse per applicazione delle tecnologie di localizzazione i seguenti:

– industria (logistica manifatturiera)

– sanitario (tracciamento di assets e pazienti) musei (esperienza di visita) aeroporti (sia per viaggiatori che per gestione risorse)

– grande distribuzione (profilazione utenza).

Esigenze per l’ulteriore sviluppo – Industrializzazione:

Gli aspetti successivi di sviluppo della tecnologia riguardano principalmente due ambiti:

• la realizzazione a livello industriale di una piattaforma software (sia a livello di utente finale che a livello di libreria utilizzabile da terze parti) che metta a disposizione gli algoritmi di localizzazione integrati con quanto necessario all’utilizzo della soluzione all’interno dei contesti descritti in precedenza;
• la verifica e l’eventuale realizzazione di dispositivi che consentano l’utilizzo di tale tecnologia. Ad oggi per esempio, se consideriamo i soli dispositivi commerciali (smartphones) è infatti possibile realizzare tecniche di localizzazione basate su analisi RSSI ma non è possibile, salvo ricorrere all’impiego di hardware specializzato, realizzare tecniche basate su misure di tempo. Ulteriore aspetto dello sviluppo è quindi la messa a punto di dispositivi e/o reference implementation che consentano di minimizzare o di rendere trascurabili gli effetti legati all’impiego di hardware dedicato che, come è semplice comprendere, rendono i costi della soluzione molto più alti.