ITPV20090004A1 - Sistema per localizzazione e addestramento - Google Patents

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Description

DESCRIZIONE
I sistemi esistenti sul mercato che intendono conseguire il medesimo scopo presentano le seguenti limitazioni:
• sono molto costosi poiché impiegano la tecnologia GPS per la localizzazione dell'elemento remoto ed eventualmente la rete di telefonia mobile per la comunicazione tra elemento remoto e telecomando
• alcuni non forniscono una indicazione precisa della posizione dell’elemento remoto ma si limitano a segnalare quando l’utilizzatore ha puntato il telecomando in direzione dell'elemento remoto
■ non indicano sul telecomando lo stato del soggetto controllato
■ impiegano antenne ingombranti e soggette al rischio di danneggiarsi accidentalmente o di recare danni a terzi durante l’uso
• impiegano un trasduttore acustico che diventa poco efficace se durante l’uso si sporca di fango, terra, materiale di origine vegetale, polvere, sudore.
II sistema in oggetto supera tali limitazioni impiegando differenti tecnologie per le antenne, per il sistema di trasmissione radio, per rilevare la posizione dell’elemento remoto, per i dispositivi di comando e di interazione con l’utente nonché per i trasduttori acustici.
L'elemento remoto rileva lo stato del soggetto controllato tramite un accelerometro allo stato solido sensibile sui tre assi ortogonali, disponibile sul mercato a basso costo, del tipo comunemente impiegato per applicazioni consumer, antifurto e sistemi di navigazione inerziale (a titolo di esempio il dispositivo STMicroelectronics LIS344AL). Le uscite dell'accelerometro sono collegate al microcontrollore che implementa la logica di funzionamento dell’elemento remoto, tramite un convertitore analogico-digitale eventualmente integrato nel sensore o nel microcontrollore (a titolo di esempio si può utilizzare il microcontrollore Microchip PIC16F887 che include un convertitore analogico-digitale dotato di più ingressi). La sensibilità dell'accelerometro è tale che il microcontrollore dell'elemento remoto analizzando il segnale può rilevare:
• i diversi stati in cui si trova il soggetto controllato: corsa, movimento lento, movimento dopo la ferma, ferma, perdita dell’elemento remoto, comportamenti relativi al singolo soggetto controllato come caduta, colpo di tosse, abbaio, ecc.
■ gli spostamenti del soggetto controllato e quindi calcolare la posizione relativa in base all'andamento nel tempo dell’accelerazione a cui è soggetto, come da principi di cinematica.
L'emissione dei suoni avviene tramite un trasduttore acustico (magnetico o piezoelettrico) sonico o ultrasonico (Figura 1 - Elemento Remoto e Figura 3 - Trasduttore Acustico), eventualmente pilotato tramite un trasformatore per ottenere una potenza adeguata all'applicazione. Il microcontrollore controlla il trasduttore emettendo di conseguenza suoni che per frequenza, ampiezza e inviluppo (Attacco, Decadimento, Sostegno, Rilascio):
• possono risultare gradevoli o sgradevòli,per il soggetto controllato
• sono più o meno udibili a distanza daH'utilizzatore
• indicano all'utilizzatore lo stato del soggetto controllato.
Un siffatto sistema in fase di addestramento consente di incentivare o di scoraggiare automaticamente nel soggetto controllato comportamenti opportuni o inopportuni (corsa, ferma, movimento dopo la ferma, abbaio persistente, movimento in direzione voluta o non voluta, eccessivo allontanamento, richiamo ecc.) senza recare alcun disagio o danno al soggetto controllato, e consente all’utilizzatore ascoltando direttamente il suono emesso dall'elemento remoto di localizzare il soggetto controllato e conoscerne lo stato.
Un circuito di misurazione della corrente che scorre nel trasduttore acustico permette al microcontrollore di misurarne l'efficacia al variare della frequenza di pilotaggio, individuando empiricamente le frequenze in cui esso manifesta risonanza. Detto circuito può essere realizzato tramite un resistore posto in serie al trasduttore e la cui tensione viene rettificata, rivelata e presentata al microcontrollore per il tramite di un convertitore analogico-digitale. Periodicamente durante l'utilizzo il microcontrollore pilota il trasduttore effettuando una rapida scansione in frequenza per ricercare quella di risonanza al fine di sintonizzare la frequenza del segnale di pilotaggio con quella di risonanza del trasduttore che eventualmente varierà per vari fattori quali fango, umidità, polvere, acqua, residui di vegetazione, ecc. Nell’ambito delle frequenze di risonanza del trasduttore il microcontrollore emetterà in funzione delle circostanze quelle più gradevoli o sgradevoli per il soggetto controllato, quelle più o meno udibili per l’utilizzatore (queste ultime saranno selezionate dall'utilizzatore tramite un tastierino che serve anche per accendere e spegnere l'elemento remoto o tramite un telecomando che sarà descritto nel seguito). Il trasduttore acustico, racchiuso in un opportuno involucro protettivo, è staccabile dall’elemento remoto per poter essere rapidamente sostituito laddove fosse danneggiato o fosse eccessivamente sporco per funzionare correttamente. Il meccanismo che permette di staccare il trasduttore acustico è realizzato tramite un opportuno incastro che pertanto non richiede all'utilizzatore l'uso di utensili (Figura 3 - Trasduttore Acustico). La trasmissione del segnale di pilotaggio del trasduttore può avvenire in due modalità alternative:
· attraverso due coppie di contatti metallici posti rispettivamente sulla superficie dell'involucro protettivo del trasduttore e sulla superficie dell'involucro che racchiude l'elemento remoto; • attraverso un accoppiamento induttivo realizzato tramite un trasformatore composto dal’avolgimento primario e avvolgimento secondario (avvolti ciascuno su un proprio nucleo o su un unico nucleo solidale con uno solo dei due avvolgimenti) mutuamente affacciati e posti rispettivamente sulla superficie dellnvolucro protettivo del trasduttore e sulla superficie dell'involucro che racchiude l'elemento remoto; l'avvolgimento primario è collegato al circuito elettronico dell’elemento remoto e l’avvolgimento secondario è collegato al trasduttore; quando il trasduttore con il proprio involucro è posizionato sul modulo remoto i due avvolgimenti sono accoppiati realizzando un trasformatore.
L’elemento remoto può funzionare autonomamente o tramite un apposito telecomando che rende disponibili ulteriori funzionalità (Figura 2 - Telecomando). Il telecomando infatti comunica con l'elemento remoto tramite un collegamento bidirezionale a radiofrequenza realizzato tramite un opportuno modulo ricetrasmettitore. In tal modo il telecomando può impartire comandi all’elemento remoto (ad esempio attivare particolari segnalazioni acustiche per incentivare o scoraggiare particolari comportamenti nel soggetto controllato) e l'elemento remoto comunica il proprio stato e la propria posizione relativa da esso stimata in base all'andamento nel tempo dell'accelerazione a cui è soggetto. L’elemento remoto integra una sola antenna di tipo omnidirezionale mentre il telecomando integra sia una antenna direzionale sia una antenna omnidirezionale. L’antenna direzionale è posizionata in modo che l'utilizzatore percepisce la posizione in cui essa è puntata movendo il telecomando. Il telecomando in trasmissione è preferibile che usi solo l'antenna omnidirezionale mentre in ricezione può selezionare luna o l'altra antenna alternativamente, su comando del microcontrollore. Mentre l'utilizzatore punta il telecomando (e quindi l'antenna direttiva che è solidale con esso) nelle varie direzioni il modulo radioricevitore comunica al microcontrollore l'intensità del segnale ricevuto e i dati in esso codificati in modo da trovare la direzione in cui si trova il soggetto controllato che sarà quella dove il modulo ricetrasmettitore misurerà la massima intensità del segnale ricevuto dall'antenna e il minimo tasso di errore della comunicazione. L'antenna omnidirezionale ha il fine di stabilire il contatto radio con l’elemento remoto anche quando il telecomando non è puntato verso l’elemento remoto; in tal modo il telecomando segnala all'utilizzatore che l'elemento remoto non si trova nella direzione in cui è puntato il telecomando e che pertanto è necessario puntare il telecomando in altra direzione.
La specifica scelta della frequenza di funzionamento (da alcune centinaia di MHz fino a 2,5 da un compromesso:
• le frequenze inferiori sono maggiormente penetranti rispetto agli ostacoli naturali
• le frequenze maggiori sono diversamente riflesse dagli ostacoli, permettendo talvolta di superarli
• le frequenze maggiori consentono di realizzare antenne direttive aventi dimensioni più contenute.
Su tutte le frequenze citate sono disponibili sul mercato moduli ricetrasmettitori, talvolta detti anche “ radiomodem " che sono interfacciabili con i microcontrollori che implementano la logica di funzionamento sia del modulo remoto sia del telecomando (ad esempio, anche in quest'ultimo caso si può utilizzare il microcontrollore Microchip PIC16F887).
Anche il telecomando dispone di un accelerometro allo stato solido sensibile sui tre assi ortogonali collegato al microcontrollore tramite un convertitore analogico-digitale per rilevare il movimento di scansione impresso daH'utilizzatore durante la ricerca dell'elemento remoto. Tale informazione è indispensabile affinché il microcontrollore individui l'esatta direzione in cui si trova l'elemento remoto e visualizzi continuativamente una freccia su un display (Figura 4 -Particolare B) che indica la direzione dell'elemento remoto, anche quando il telecomando è puntato altrove.
Quando l’antenna del telecomando è puntata verso l'elemento remoto, il telecomando attiva suoneria e vibrazione che potranno essere singolarmente disinseribili daH'utilizzatore. Suoneria e vibrazione segnalano all’utilizzatore anche un cambiamento di stato del soggetto controllato. Il sistema stima inoltre la distanza tra telecomando ed elemento remoto in base a:
• intensità del segnale ricevuto sia dall’elemento remoto sia dal telecomando (in quest'ultimo caso usando alternativamente l'antenna direttiva e quella omnidirezionale)
• tasso di errore della comunicazione tra telecomando ed elemento remoto
• posizione dell’elemento remoto da esso stimata in base all'andamento nel tempo dell'accelerazione a cui è soggetto.
Il sistema può inoltre far uso di più elementi remoti simultaneamente che interagiscono con il telecomando, ciascuno nel modo fin qui descritto. La presenza di più elementi remoti consente al sistema di beneficiare di ulteriori funzionalità e di incrementare la distanza a cui il telecomando riesce a localizzare il più lontano elemento remoto. In presenza di più elementi remoti, ciascuno periodicamente emette un segnale (il cui contenuto informativo sarà descritto nel seguito) consentendo ad ogni altro elemento oltre che al telecomando di stimare la distanza da esso in base alla potenza del segnale a radiofrequenza ricevuto ed al tasso di errore della comunicazione. Tale misura in istanti successivi sarà effettuata a frequenze differenti al fine di eliminare gli effetti dell'attenuazione accidentale del segnale dovuta all'attraversamento di ostacoli o alla riflessione su essi.
Nel segnale emesso periodicamente, ogni elemento remoto trasmette:
- l’informazione sulla propria posizione relativa, se disponibile, calcolata in base all’andamento nel tempo dell’accelerazione a cui è soggetto
- l'informazione sulla propria distanza dà ogni altro elemento remoto e dal telecomando, se disponibile, calcolata in base a potenza e tasso di errore dei segnali a radiofrequenza - un marcatore temporale che indica l'istante. in cui le due misure citate sono state effettuate. Inoltre, ogni elemento remoto periodicamente ritrasmette la medesima informazione che riceve dagli altri elementi, al fine di incrementare la distanza massima a cui ogni elemento remoto riesce a comunicare con il telecomando ovvero la distanza massima a cui è localizzabile dall’utilizzatore. In tal modo il telecomando e gli elementi remoti calcolano tramite triangolazione la posizione relativa di ciascuno rispetto agli altri e il telecomando calcola, grazie al puntamento dell'antenna direttiva, la posizione di tutti gli elementi remoti visualizzandola sul display.
Con la ricezione periodica dei segnali trasmessi a radiofrequenza il telecomando ed ogni elemento remoto sincronizzano i loro orologi interni che consentono a ciascuno di sapere quando effettuare la propria trasmissione impiegando la multiplazione di tempo per consentire a ciascuno di trasmettere senza il rischio che si verifichino interferenze o sovrapposizioni di segnale. La modesta quantità di dati da trasmettere rende efficace la descritta trasmissione da parte dei diversi elementi a multiplazione di tempo, riservando la possibilità di cambiare frequenza di trasmissione per evitare interferenze con altri dispositivi analoghi operanti nel medesimo raggio di azione. Differenti protocolli di comunicazione sono evidentemente applicabili con successo al sistema.
Una limitazione alla numerosità degli elementi remoti deriva dai consumi delle batterie che alimentano gli elementi remoti e il telecomando. Il sistema descritto è realizzabile con elementi remoti in quantità tipicamente fino a 6 per l’addestramento, il monitoraggio e il controllo di animali ma è realizzabile con decine di elementi remoti anche per applicazioni quali il monitoraggio di escursionisti, nuotatori, flotte di veicoli, imbarcazioni, ecc.
Laddove si utilizza per la radiotrasmissione la frequenza di 2,5 GHz, il telecomando impiega una antenna direttiva di tipo “a pannello” di circa 10x10x1 cm che tramite una cerniera può essere ripiegata sul display al fine di proteggerlo e rendere il telecomando più compatto (Figura 4 -Particolare A). A questa ed altre frequenze potranno anche essere impiegati altri tipi di antenne direttive note in radiotecnica.
Il telecomando grafico:
■ una freccia che per orientamento, forma e dimensione indica la posizione e la distanza di ogni elemento remoto dal telecomando
• un insieme di punti che rappresentano la posizione degli elementi remoti rispetto al telecomando stesso
• icone, eventualmente animate ottenute alternando la visualizzazione di immagini fisse, memorizzate su una apposita memoria di tipo "flash”, per indicare lo stato del soggetto controllato che indossa l'elemento remoto: fermo, in lento movimento, in corsa, perdita dell’elemento remoto, eccessivo allontanamento, allontanamento in direzione o area indesiderata, comportamenti relativi al singolo soggetto controllato come colpo di tosse, abbaio, caduta, ecc.
Per consentire all’utilizzatore di imprimere comandi in modo semplice e rapido, il display integra un touch-screen che può essere utilizzato anche con guanti e presenta maggiore resistenza alla polvere ed agli agenti atmosferici. Sul mercato sono disponibili numerose tipologie di display di tipo LCD idonee per realizzare l'invenzione descritta, e di touch-screen di tipo resistivo anche essi idonei per realizzare l’invenzione.
La modifica della forma dell'apparecchio, del tipo di display, delle antenne, del dettaglio della logica di funzionamento del telecomando e dell'elemento remoto, l’uso di un sensore di vibrazioni in luogo dell’accelerometro, non escono dall'ambito della presente invenzione in quanto non ne alterano l'intima essenza e non apportano innovazioni significative.

Claims (26)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Elemento remoto elettronico, impiegante un accelerometro o un analogo sensore di vibrazioni per rilevare, indipendentemente dalla taglia (peso, altezza, ecc), lo stato del soggetto controllato che lo indossa: corsa, movimento lento, movimento lento dopo la ferma, ferma, perdita dell'elemento remoto, comportamenti relativi al singolo soggetto controllato quali caduta, tosse, abbaio, ecc.
  2. 2. Elemento remoto come al punto precedente, tale da emettere suoni o ultrasuoni, gradevoli o sgradevoli, al fine di impartire comandi al soggetto controllato, per incentivare o scoraggiare particolari comportamenti del soggetto controllato (es. corsa, ferma, movimento dopo la ferma, abbaio persistente, movimento in direzione o in area indesiderata, eccessivo allontanamento, ecc.).
  3. 3. Elemento remoto come al punto precedente, tale da emettere suoni per indicare il proprio stato all'utilizzatore e permettere a quest'ultimo di localizzare la posizione del soggetto controllato.
  4. 4. Elemento remoto come ai punti precedenti, caratterizzato da un circuito elettronico di pilotaggio del trasduttore acustico (sonico o ultrasonico) che si sintonizza automaticamente su una delle frequenze di risonanza del trasduttore (che dipenderà non solo dalle tolleranze di lavorazione ma anche dalla presenza sull'elemento remoto di fango, umidità, polvere, acqua, vegetazione) al fine di massimizzarne la resa sonora indipendentemente dalle condizioni operative di utilizzo e minimizzare il consumo di elettricità.
  5. 5. Elemento remoto come ai punti precedenti, tale che il trasduttore acustico sia staccabile dall’elemento remoto per poter essere rapidamente sostituito.
  6. 6. Trasduttore acustico staccabile dall'elemento remoto accoppiato induttivamente ad esso realizzato tramite un trasformatore composto daH'awolgimento primario solidale con l’elemento remoto e avvolgimento secondario solidale con il trasduttore, mutuamente affacciati in modo che quando il trasduttore acustico è posizionato sul modulo remoto i due avvolgimenti sono accoppiati realizzando un trasformatore.
  7. 7. Elemento remoto come ai punti precedenti, tale che l’utilizzatore può cambiare la gamma di frequenza di pilotaggio del trasduttore acustico sonico o ultrasonico al fine di adattarlo alla sensibilità uditiva propria o del soggetto che indossa l’elemento remoto.
  8. 8. Elemento remoto come ai punti precedenti, dotato di tastierino a membrana per accensione, spegnimento e per selezionare la modalità di funzionamento e il tipo di suono da emettere in funzione dello stato in cui si trova
  9. 9. Elemento remoto come ai punti precedenti, tale da funzionare autonomamente o abbinato ad un telecomando con il quale comunica tramite un collegamento a radiofrequenza.
  10. 10. Sistema come ai punti precedenti, tale che il telecomando integra una antenna omnidirezionale ed una antenna direttiva al fine di rilevare dal raffronto deH’ampiezza dei segnali captati dalle due antenne se l’elemento remoto si trova nella direzione puntata dall’antenna direttiva o in altra direzione.
  11. 11. Sistema come ai punti precedenti, tale che il telecomando dispone di un accelerometro sensibile nel piano orizzontale al fine di rilevare lo spostamento angolare sul piano orizzontale impresso daH'utilizzatore ed indicare sul display la direzione in cui andrebbe puntata l’antenna direttiva per ricevere con la massima intensità il segnale trasmesso dall'elemento remoto, ovvero la direzione in cui si trova l’elemento remoto.
  12. 12. Sistema come ai punti precedenti, tale da attivare suoneria e vibrazione (singolarmente disinseribili dall'utilizzatore) quando il telecomando è puntato in direzione dell'elemento remoto.
  13. 13. Sistema come ai punti precedenti, tale da stimare la distanza dell'elemento remoto dal telecomando in base alla potenza del segnale a radiofrequenza ricevuto sia dal telecomando sia dall’elemento remoto, misurata in istanti successivi e a frequenze differenti, al fine di eliminare gli effetti dell’attenuazione accidentale del segnale dovuta all'attraversamento di ostacoli o alla riflessione su essi.
  14. 14. Sistema come ai punti precedenti, impiegante più elementi remoti simultaneamente gestiti da un unico telecomando.
  15. 15.Sistema come ai punti precedenti, tale da stimare la distanza di un elemento remoto dal telecomando in base alla posizione relativa dell'elemento remoto da questo stesso calcolata in base all'andamento nel tempo dell’accelerazione a cui è soggetto.
  16. 16.Sistema come ai punti precedenti, impiegante un telecomando e più elementi remoti, tale che ciascuno periodicamente emette un segnale e ogni altro stima la distanza da esso in base alla potenza del segnale a radiofrequenza ricevuto ed al tasso di errore della comunicazione, misurata in istanti successivi e a frequenze differenti, al fine di eliminare gli effetti dell’attenuazione accidentale del segnale dovuta all'attraversamento di ostacoli o alla riflessione su essi.
  17. 17. Sistema come ai punti precedenti, tale che ogni elemento remoto trasmette nel segnale emesso periodicamente: a) l'eventuale informazione sulla propria posizione relativa calcolata in base all'andamento nel tempo dell’accelerazione a cui è soggetto, b) l'eventuale informazione sulla propria distanza da ogni altro elemento remoto e dal telecomando calcolata in base a potenza e tasso di errore dei segnali a radiofrequenza, c) un marcatore temporale indicante l'istante in cui tali misure sono state effettuate.
  18. 18.Sistema come ai punti precedenti, tale che ogni elemento remoto trasmette nel segnale emesso periodicamente anche una replica di tutte le informazioni che riceve periodicamente da ciascuno degli altri elementi remoti, al fine di incrementare la portata del sistema.
  19. 19.Sistema come ai punti precedenti, tale che il telecomando e gli elementi remoti calcolano tramite triangolazione la posizione relativa di ciascuno rispetto agli altri e tale che il telecomando calcola, grazie al puntamento con l’antenna direttiva, la posizione di tutti gli elementi remoti.
  20. 20.Sistema come ai punti precedenti, tale che il telecomando visualizza su un display una freccia che per orientamento, forma e dimensione indica la direzione e la distanza in cui si trova ciascuno degli elementi remoti.
  21. 21. Sistema come ai punti precedenti, tale che il telecomando visualizza su un display un insieme di punti che rappresentano la posizione degli elementi remoti rispetto al telecomando stesso.
  22. 22. Elemento remoto come ai punti precedenti, tale che il telecomando segnala all’ utilizzatore tramite suoneria o vibrazione un cambiamento dello stato di ogni soggetto remoto.
  23. 23.Elemento remoto come ai punti precedenti, tale che il telecomando ìndica su un apposito display, tramite una icona grafica o messaggi di testo, lo stato di ogni soggetto controllato che indossa un elemento remoto: fermo, in lento movimento, in corsa, perdita dell’elemento remoto, eccessivo allontanamento, allontanamento in area indesiderata, comportamenti relativi al singolo soggetto controllato quali tosse, abbaio, caduta, ecc.
  24. 24. Telecomando come ai punti precedenti, tale che l’antenna direttiva sia del tipo “a pannello” di dimensioni circa 10x10 cm e sia ripiegabile sul display quando questo non è utilizzato al fine di proteggere il display e per ridurre l’ingombro del telecomando.
  25. 25.Telecomando come ai punti precedenti, tale che il display integra un sensore touch-screen che l’utilizzatore impiega per imprimere comandi o attivare selettivamente le funzionalità disponibili.
  26. 26.Sistema come ai punti precedenti, impiegato per l’addestramento, per il monitoraggio ed il controllo di animali, turisti, escursionisti, sportivi, bambini, persone anziane, flotte di veicoli, imbarcazioni, ecc
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