Quando questo articolo venne pubblicato originariamente, la miniaturizzazione dei giroscopi rappresentava una delle aree più interessanti della ricerca applicata alla navigazione, alla difesa e all’elettronica. Sensori che in passato richiedevano apparecchiature relativamente grandi stavano diventando sempre più piccoli, aprendo la strada alla loro integrazione in smartphone, sistemi di navigazione, droni e numerosi altri dispositivi.
Oggi quella trasformazione è diventata realtà. Giroscopi, accelerometri, magnetometri e altri sensori MEMS sono presenti in moltissimi dispositivi elettronici e lavorano insieme al GPS per determinare orientamento, movimento e, indirettamente, migliorare la stima della posizione.
È però importante chiarire subito un concetto: un giroscopio non è un localizzatore GPS e, da solo, non può determinare dove si trova una persona. Il suo compito è differente. Misura principalmente le variazioni di orientamento e la velocità angolare del dispositivo nel quale è installato.
Cos’è un giroscopio?
Un giroscopio è un sensore utilizzato per rilevare e misurare la rotazione di un oggetto.
Nei moderni dispositivi elettronici vengono normalmente utilizzati sensori estremamente piccoli, spesso realizzati con tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems).
Questi componenti possono rilevare movimenti di rotazione lungo diversi assi. In uno smartphone, per esempio, il sistema può determinare se il dispositivo viene ruotato, inclinato o spostato modificandone l’orientamento.
Queste informazioni vengono utilizzate da moltissime applicazioni: navigazione, giochi, realtà aumentata, stabilizzazione, fotografia, sistemi di movimento e numerose funzioni integrate nel sistema operativo.
Qual è la differenza tra giroscopio e accelerometro?
Giroscopio e accelerometro vengono spesso nominati insieme, ma misurano fenomeni differenti.
L’accelerometro misura le accelerazioni lungo uno o più assi e può quindi rilevare variazioni del movimento e l’effetto della gravità. Il giroscopio misura invece la velocità angolare, cioè quanto rapidamente il dispositivo sta ruotando.
Utilizzando insieme le informazioni provenienti dai due sensori è possibile ottenere una rappresentazione molto più precisa del movimento del dispositivo rispetto a quella disponibile utilizzando un singolo sensore.
Negli smartphone moderni queste informazioni possono essere integrate anche con quelle provenienti da magnetometro, barometro, GPS e altri sensori.
Un giroscopio può localizzare una persona?
No. Questo è uno degli aspetti più importanti da chiarire rispetto alle prime descrizioni divulgative di questa tecnologia.
Un giroscopio non riceve segnali dai satelliti e non conosce latitudine e longitudine. Di conseguenza non può indicare autonomamente la posizione geografica di un dispositivo.
Può però contribuire a determinare come il dispositivo si sta muovendo e come sta cambiando il proprio orientamento.
Quando queste informazioni vengono combinate con quelle provenienti da altri sensori, il sistema può ottenere una stima più completa del movimento.
Come funziona il GPS?
Il GPS funziona secondo un principio completamente differente. Il ricevitore utilizza segnali provenienti da satelliti per calcolare la propria posizione.
Quando le condizioni sono favorevoli e il dispositivo dispone di una buona visibilità del cielo, la localizzazione satellitare può offrire un’elevata precisione.
Esistono però situazioni nelle quali il segnale satellitare può diventare meno affidabile. Edifici molto alti, strade strette, strutture metalliche, ambienti coperti e altri ostacoli possono ridurre o impedire la ricezione diretta dei segnali necessari alla localizzazione.
È proprio in queste situazioni che l’integrazione di più tecnologie diventa particolarmente importante.
Cosa succede quando il segnale GPS diventa debole?
Immaginiamo uno smartphone utilizzato per la navigazione in automobile. All’aperto il dispositivo riceve normalmente i segnali satellitari e può calcolare la propria posizione.
Entrando in una galleria o in un’area dove la ricezione satellitare viene temporaneamente ostacolata, il GPS potrebbe non essere più sufficiente per aggiornare la posizione con la stessa precisione.
Il dispositivo può però continuare a raccogliere informazioni da altri sensori. Accelerometro e giroscopio possono indicare variazioni del movimento e dell’orientamento, mentre altri sistemi possono fornire ulteriori dati utili.
La posizione non viene quindi “scoperta” dal giroscopio: il sistema utilizza le informazioni disponibili per stimare temporaneamente l’evoluzione del movimento fino a quando una sorgente di localizzazione più affidabile torna disponibile.
Che cos’è la navigazione inerziale?
Il principio di utilizzare sensori di movimento per stimare gli spostamenti è alla base dei cosiddetti sistemi di navigazione inerziale.
Se conosciamo una posizione iniziale e possiamo misurare con sufficiente precisione accelerazioni e rotazioni, possiamo stimare come cambia la posizione nel tempo.
Questa tecnologia viene utilizzata, con livelli di precisione e complessità molto differenti, in aeronautica, navigazione marittima, robotica, veicoli, droni e dispositivi elettronici.
Il problema principale è che piccoli errori nelle misurazioni possono accumularsi progressivamente. Per questo motivo i dati inerziali vengono spesso corretti utilizzando periodicamente informazioni provenienti da GPS o da altre sorgenti di riferimento.
Perché GPS e giroscopio lavorano bene insieme?
GPS e sensori inerziali presentano caratteristiche complementari.
Il GPS può fornire un riferimento geografico assoluto, mentre giroscopio e accelerometro possono descrivere molto rapidamente le variazioni del movimento.
Integrando queste informazioni è possibile realizzare sistemi più robusti rispetto all’utilizzo di una sola tecnologia.
Il concetto viene spesso indicato come sensor fusion, cioè fusione dei dati provenienti da più sensori.
Cos’è la Sensor Fusion?
Uno smartphone moderno non si affida necessariamente a un unico componente per comprendere quello che sta accadendo.
Il sistema può elaborare contemporaneamente informazioni provenienti da differenti sorgenti:
- GPS e altri sistemi satellitari per la posizione geografica;
- accelerometro per rilevare accelerazioni e movimento;
- giroscopio per rilevare rotazioni e variazioni dell’orientamento;
- magnetometro per fornire informazioni relative all’orientamento rispetto al campo magnetico terrestre;
- barometro per rilevare variazioni della pressione atmosferica che possono contribuire alla stima delle variazioni di quota;
- Wi-Fi e rete cellulare come ulteriori sorgenti di informazioni sulla posizione, quando disponibili.
L’elaborazione combinata di questi dati consente di ottenere informazioni che un singolo sensore non potrebbe fornire con la stessa continuità.
Perché il GPS funziona male tra edifici molto alti?
Un problema già discusso nelle prime ricerche sulla combinazione tra giroscopi miniaturizzati e GPS continua a essere importante: la localizzazione nelle cosiddette urban canyon, le strade circondate da edifici molto alti.
In queste condizioni i segnali satellitari possono essere bloccati oppure riflessi dalle superfici degli edifici prima di raggiungere il ricevitore.
Queste riflessioni possono introdurre errori nel calcolo della posizione. Per migliorare il risultato, i moderni dispositivi possono quindi utilizzare contemporaneamente differenti sorgenti di informazione.
E all’interno degli edifici?
Negli ambienti chiusi la situazione diventa ancora più complessa perché il segnale satellitare può essere molto debole o completamente assente.
Per questo la localizzazione indoor può utilizzare tecnologie differenti dal GPS, come informazioni provenienti dalle reti Wi-Fi, Bluetooth, rete cellulare e sensori di movimento.
Anche in questo caso il giroscopio non fornisce direttamente una posizione geografica, ma può contribuire alla ricostruzione del movimento del dispositivo.
Dal giroscopio miniaturizzato ai sensori degli smartphone
Quando le prime ricerche sulla miniaturizzazione dei giroscopi venivano presentate al pubblico, poter integrare sensori estremamente sofisticati all’interno di dispositivi di uso quotidiano sembrava una prospettiva particolarmente avanzata.
Oggi uno smartphone contiene una vera e propria rete di sensori miniaturizzati. Giroscopio, accelerometro, magnetometro, sensori di prossimità, sensori di luce e, in alcuni dispositivi, barometro sono soltanto alcuni esempi.
Abbiamo approfondito il funzionamento di queste tecnologie nella nostra guida dedicata ai sensori presenti negli smartphone, dove analizziamo giroscopio, accelerometro, barometro e altri componenti utilizzati per interpretare movimento, orientamento e ambiente circostante.
Giroscopio, GPS e localizzazione moderna
La ricerca sulla miniaturizzazione dei sensori ha avuto un ruolo fondamentale nello sviluppo dei moderni sistemi di navigazione.
La vera evoluzione non consiste nell’aver creato un minuscolo giroscopio capace di “seguire” autonomamente una persona, ma nella possibilità di integrare numerosi sensori estremamente piccoli nello stesso dispositivo e utilizzare software sempre più sofisticati per combinare le informazioni raccolte.
GPS, giroscopio, accelerometro, magnetometro, Wi-Fi, rete cellulare e altri sistemi possono contribuire, ciascuno in maniera differente, alla determinazione del movimento e della posizione.
È proprio questa integrazione, molto più che il singolo sensore, ad aver trasformato smartphone, navigatori e numerosi altri dispositivi in strumenti capaci di comprendere con sempre maggiore precisione dove si trovano, come si stanno muovendo e in quale direzione sono orientati.