I sistemi di interazione ambientale rappresentano un campo di ricerca ad ampio spettro e con molteplici applicazioni in vari settori scientifici e industriali. Esempi di tali sistemi si ritrovano in diverse aree di ricerca (automobilistica, robotica, biomedica, ...) e vengono indicati quali esempi di innovazione e spesso strumenti che realizzano il miglioramento della qualità della vita. Esempi come la guida senza pilota in ambito automobilistico, il riconoscimento di ostacoli e più in generale dell'ambiente in cui è immerso un robot che deve interagire con gli elementi che popolano lo stesso ambiente o decidere un percorso da affrontare, l'accrescimento percettivo in soggetti non vedenti o non udenti finalizzato al miglioramento della qualità della vita e all'autonomia.
La presente ricerca vuole indagare e innovare l'interazione con sorgenti singole o multiple di segnale oltre che la rilevazione della direzione di arrivo dell'onda diffusa da oggetti passivi. Ovvero individuare la direzione di provenienza (Direction of Arrival, DOA) di un'onda audio o elettromagnetica, rispetto a un sistema di riferimento inerziale solidale con il soggetto ricevente, convertendo inoltre le informazioni rilevate in dati riferiti a un sistema di posizionamento globale. Per far ciò, occorre conoscere oltre alla direzione d'arrivo dell¿onda anche l'assetto del sistema di ricezione mediante un IMU (Inertial Measurement Unit).
La ricerca si propone quindi di studiare e realizzare un sistema di interazione ambientale costituito da DOA + IMU. Il programma di ricerca prevede uno sviluppo dei due sistemi sensori finalizzato a migliorare la loro integrazione hardware/software, ai fini di una più efficace utilizzabilità ed estensione applicativa del prodotto finale. Le motivazioni che inducono a ottenere risultati integrati DOA+IMU sono soprattutto applicative, con riferimento per esempio alle esigenze di controllo nelle piattaforme mobili remote, quali sono i satelliti orbitanti o i droni.
In ambito nazionale e internazionale la ricerca sui i due sistemi di rilevamento, studiati singolarmente, è attiva da diversi anni. Ma le soluzioni effettivamente valide di DOA elettromagnetico sono poche, a fronte di una richiesta di miglioramento delle performances da parte delle aziende del settore delle telecomunicazioni. Allo stato dell'arte, nulla risulta addirittura sui sistemi combinati DOA+IMU.
Tra le soluzioni di antenne DOA che si ritrovano in letteratura, i progetti Supercart che sono stati pubblicati operano in una banda compresa tra qualche MHz e meno di un centinaio di MHz, con una "Vector antenna" composta da più elementi, tipicamente sei. Da analisi sperimentali, questa soluzione non riesce a stimare la direzione di arrivo dell'onda elettromagnetica per tutte le direzioni, ma solo di alcune di queste e ha come svantaggio più evidente il forte accoppiamento fra gli elementi costituenti l'antenna . Migliori risultati si ritrovano in letteratura con altre tipologie quali le Co-Located Antennas. Di base esse sono indicate essere realizzate con 6 elementi: 3 dipoli elettrici, che rispondono alle componenti del campo elettrico, e 3 dipoli magnetici, dei loops Kandonian che rispondono alle componenti del campo magnetico. Konanur et al. hanno proposto questa architettura con un certo numero di elementi "co-located" che rispondono a più di una polarizzazione, per aumentare la capacità del canale in un ambiente con elevati fenomeni di scattering. L'analisi fatta dai ricercatori [1] dell'informazione mutua fra gli elementi, operanti a 2.22 GHz con larghezza di banda 45 MHz, è particolarmente soddisfacente, soprattutto tenendo conto che il sistema opera in un ambiente con 17 scatteratori, anche se nel rapporto è utilizzato un prototipo dimostrativo con tre soli elementi, pressoché co-planari costituenti la vector antenna: due dipoli elettrici ortogonali e un loop magnetico. In effetti, nella pratica realizzazione del sistema ci sono difficoltà, limiti tecnologici nell'implementare tutti e tre i loops co-located ai tre dipoli elettrici. Una categoria alternativa alle precedenti sono le antenne distribuite. Tra esse, un brevetto europeo di Benyamin Almog, Elta System Ltd, suggerisce una struttura di indubbio interesse perché il singolo elemento della vector antenna è costruito in modo da poter misurare contemporaneamente sia il campo elettrico che quello magnetico, rendendo così fattibile la realizzazione pratica di un sistema con più elementi. Tra le varie architetture quest'ultima stimola un maggiore approfondimento e una maggiore innovazione, da eseguire in una delle fasi del progetto qui proposto, alla ricerca di ulteriori miglioramenti in termini di disegno, configurazione degli elementi e materiali da utilizzare.
Per quanto concerne il sistema di controllo di assetto riferito a un sistema di posizionamento globale, l'attività di ricerca si concentrerà in particolar modo sul sistema dedicato alle applicazioni spaziali della fascia nano-satelliti. Il progetto di apparecchiature destinate a queste missioni deve prestare una particolare attenzione ai costi di realizzazione e richiede perciò soluzioni innovative se non si vogliono degradare le prestazioni. Lo studio primario riguarda la sezione del sensore stellare, in grado di determinare un assetto relativo o assoluto. Questo sensore è tipicamente limitato dal campo visivo e dalla velocità angolare. Dovrà essere scelta un'ottica adeguata alle prestazioni che si vogliono raggiungere, stabilire cioè una risoluzione (pixel/grado) che per un'applicazione a basso costo è stimabile buona se è almeno pari a un decimo di grado. L'obiettivo è quello di integrare i due sensori per ottenere un rivelatore inerziale/stellare che, in funzione della velocità angolare, può operare ovviamente in modalità «a singolo sensore» (stellare o inerziale), ma che in più può elaborare l'informazione stellare per aggiornare lo stato del sensore inerziale. Il vantaggio dell'integrazione dei due sensori con la stessa elettronica di elaborazione dei dati è quello di semplificare e ottimizzare l'intero progetto. Un altro aspetto innovativo rispetto agli attuali e i più costosi Star Trackers sarà quello di rendere il sensore integrato (Star Tracker+IMU) autonomo e non vincolato dall'architettura dell'On Board Computer del veicolo spaziale, ciò aprirebbe certamente nuovi orizzonti applicativi a costi ragionevoli.
La gestione di tutti i sensori DOA+(IMU+Star Tracker) consentirà di accrescere l'interazione ambientale, la realtà aumentata, e grazie all'integrazione delle parti a migliorare la risoluzione dei dati finali elaborati e a ridurre i costi complessivi di realizzazione.
[1] A. S. Konanur, K. Gosalia, S. H. Krishnamurthy, B. Hughes, and G. Lazzi, "Increasing Wireless Channel Capacity Through MIMO Systems Employing Co-Located Antennas", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 53, N. 6, pp. 1837-1844, June 2005.