Metodo e sistema per la localizzazione di oggetti in un ambiente da monitorare
* ;;La presente invenzione riguarda un metodo per la localizzazione di oggetti in un ambiente da monitorare. La presente invenzione inoltre riguarda un sistema che implementa il metodo. ;Più dettagliatamente, l’invenzione concerne un metodo ed un sistema del tipo suddetto, studiato e realizzato in particolare per la localizzazione a corto raggio, ossia entro alcune decine di metri, di oggetti collaborativi (attivi) e non collaborativi (passivi) ossia sprovvisti di mezzi di comunicazione, sia in contesti di localizzazione interna che esterna come logistica, navigazione a corto raggio, sicurezza e sorveglianza, intrattenimento, tracciamento merci, tracciamento personale in aree a rischio, monitoraggio di aree sensibili, sicurezza sul lavoro, e che può essere usato per qualsiasi altro tipo di localizzazione a corto raggio. ;Nel seguito la descrizione sarà rivolta alla localizzazione a corto raggio attiva e passiva in ambienti chiusi ma è ben evidente come la stessa non debba essere considerata limitata a questo impiego specifico. ;Com’è ben noto, le attuali reti di localizzazione a corto raggio sono progettate e configurate per localizzare separatamente dispositivi radio trasmittenti, detti anche dispositivi collaborativi o attivi o “tag”, ed unità non collaborative come persone o cose non dotate quindi di unità trasmittenti, dette anche passive o “target”, all’interno di un’area da monitorare, dando luogo quindi alla localizzazione attiva nel primo caso e alla localizzazione passiva nel secondo caso. ;Attualmente, esistono diversi sistemi di localizzazione ad elevata precisione, per applicazioni a corto raggio, in tempo reale, detti “real-time locating systems” (RTLS), con funzionalità di sola localizzazione attiva. ;Questi sistemi possono essere cablati o non cablati. ;I sistemi cablati comprendono una rete di nodi “ancora”, ossia una rete di unità riceventi e trasmittenti, connessi tra loro mediante una serie di collegamenti cablati necessari per la sincronizzazione degli stessi nodi ancora, ed un nodo centrale di elaborazione e fusione delle informazioni che scambia informazioni con i nodi ancora. Questi sistemi consentono stime di posizione, di oggetti presenti nell’ambiente da monitorare, ad elevata precisione in quanto si basano sulla differenza degli istanti di arrivo dei segnali ossia sul “time difference of arrival” (TDoA). ;I sistemi non cablati invece presentano la stessa infrastruttura ma sono in grado di operare senza necessità di sincronizzazione tra i nodi ancora (ad esempio le tecniche utilizzate possono essere basate sulla stima del Time of Flight (ToF) o dell’Angle of Arrival (AoA) dei segnali scambiati). Tuttavia permettono di raggiungere una precisione di localizzazione, di oggetti presenti nell’ambiente da monitorare, di media qualità, dell’ordine di alcuni metri. ;Esistono inoltre alcuni sistemi RTLS ad ultrasuoni, ad esempio “Active Bat” o “Cricket” che sfruttano simili meccanismi di sincronizzazione radio per la localizzazione attiva, ossia i dispositivi attivi mobili, sincronizzati via radio, emettono impulsi ad ultrasuoni per essere localizzati da una rete di nodi fissi che riceve i segnali ad ultrasuoni emessi dai dispositivi attivi. I segnali radio non sono utilizzati invece per la localizzazione attiva (dei nodi o dei dispositivi attivi mobili) e i segnali ad ultrasuoni non sono utilizzati per la localizzazione passiva. ;Appare evidente come i sistemi noti presentino diversi svantaggi. ;Un primo svantaggio è rappresentato dalla separazione delle localizzazioni attive e passive, i sistemi attuali non permettono infatti di gestire entrambe le localizzazioni contemporaneamente. ;Un ulteriore svantaggio, per alcuni sistemi, è rappresentato dalla necessità di collegare i nodi ancora con cavi di collegamento e sincronizzazione che richiedono la vicinanza dei nodi ancora stessi. E’ evidente come sia oneroso collegare nodi ancora consecutivi in presenza di ostacoli fisici presenti nell’ambiente da monitorare. ;Alla luce di quanto sopra, è, pertanto, scopo della presente invenzione quello di realizzare un metodo ed un sistema in grado di gestire in modo unificato la localizzazione attiva e quella passiva di oggetti presenti nella stessa area, mediante l’integrazione di tecnologie eterogenee. ;Un altro scopo dell’invenzione è quello di realizzare un sistema privo di collegamenti via cavo tra i nodi ancora della rete di localizzazione. ;Un ulteriore scopo dell’invenzione è quello di velocizzare e ridurre lo scambio di dati tra i nodi ancora ed il nodo centrale di elaborazione. ;Questi e altri risultati vengono ottenuti secondo l’invenzione con un metodo ed un sistema di localizzazione di oggetti attivi e passivi all’interno di un’area da monitorare mediante l’integrazione di diverse tecnologie. ;Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un metodo per il monitoraggio di un ambiente, utilizzante una rete comprendente una pluralità di nodi ancora sincronizzati tra loro, ciascuno comprendente un dispositivo ricetrasmettitore radio ed un dispositivo ricetrasmettitore ad ultrasuoni, caratterizzato dal fatto di comprendere l’esecuzione delle seguenti fasi: ;A. determinazione della topologia di detta rete tramite misura delle distanze reciproche tra nodi, ottenuta tramite tecniche di ranging radio e scambio di segnali ad ultrasuoni, determinando ulteriormente la visibilità acustica di ciascun nodo rispetto a tutti gli altri nodi ancora, ovvero l’assenza di ostacoli che impediscono il cammino diretto tra nodi del segnale ad ultrasuoni; ;B. inviare segnali ad ultrasuoni da ciascun nodo ancora di detta pluralità di nodi ancora e rilevare le risposte acustiche di detto ambiente; C. sulla base delle risposte dell’ambiente nella fase B e di detta topologia della fase A: ;C1. ottenere almeno una mappa di visibilità acustica, contenente informazioni circa l’area raggiungibile dalle onde ultrasoniche emesse da ciascun nodo di detta pluralità di nodi ancora; C2. ottenere almeno una mappa di oggetti che comprende la posizione di oggetti statici e/o dinamici in detto ambiente; ;D. inviare onde radio da almeno un sottoinsieme di nodi ancora di detta pluralità di nodi ancora e rilevare le risposte di eventuali dispositivi radio ricetrasmittenti in detto ambiente; ;E. sulla base delle risposte radio ottenute nella fase D: ;E1. identificare le posizioni di detti dispositivi radio ricetrasmittenti; ;E2. combinare le posizioni della fase E1 con le posizioni degli oggetti in detta almeno una mappa di oggetti, associando ciascuno di detti dispositivi radio ricetrasmittenti ad un oggetto rilevato tramite ultrasuoni ed includendo tale associazione in detta almeno una mappa di oggetti; F. aggiornare continuamente detta almeno una mappa di oggetti e detta mappa di visibilità acustica eseguendo le seguenti fasi: ;F1. selezionare almeno un oggetto contenuto in detta almeno una mappa di oggetti; ;F2. inviare di ultrasuoni e/o onde radio da un sottoinsieme di detta pluralità di nodi ancora che risultano in visibilità acustica con detto almeno un oggetto selezionato nella fase F1, secondo detta almeno una mappa di visibilità acustica; ;F3. rilevare i segnali di ritorno da detto almeno un oggetto selezionato e aggiornare corrispondentemente detta almeno una mappa di oggetti e detta almeno una mappa di visibilità acustica. ;Secondo un aspetto dell’invenzione, in detta fase E2 detti dispositivi radio ricetrasmittenti sono associate a persone autorizzate all’accesso in detto ambiente. ;Secondo un aspetto dell’invenzione, nella fase A le distanze tra detti nodi ancora sono stimate utilizzano segnali radio a banda ultra-larga, o Ultra-Wideband. ;Secondo un aspetto dell’invenzione, detta pluralità di nodi ancora comprende un nodo ancora master e una pluralità di nodi ancora slave, le operazioni di sincronizzazione precedenti la fase A, essendo condotte da detto nodo ancora master, le distanze reciproche della fase A essendo le distanze tra detto nodo master e detti nodi slave. ;Secondo un aspetto dell’invenzione, tutte le fasi sono eseguite con la suddivisione dei nodi ancora tra nodo ancora master e nodi ancora slave, in modo che il nodo master organizzi le azioni dei e raccolga le informazioni dai nodi ancora slave. ;Secondo un aspetto dell’invenzione, nella fase A ciascuno di detti nodi ancora invia a rotazione, ad ogni altro nodo ancora segnali ultrasonici di tipo impulsivo, secondo il principio di funzionamento dei sistemi sonar multi-statici. ;Secondo un aspetto dell’invenzione, per la sincronizzazione detto nodo ancora master invia opportuni segnali radio di sincronizzazione detti “beacon” periodici, detti segnali beacon contenendo la modalità di comportamento di ciascun nodo della rete, ossia le informazioni temporali delle fasi di sincronizzazione che il nodo deve effettuare. ;Secondo un aspetto dell’invenzione, nella fase B, ogni nodo ancora è configurato per ricevere e campionare sia la risposta ad impulsi inviati da se stesso, in qualità di sonar mono-statico, sia la risposta ad impulsi inviati da altri nodi, in qualità di sonar multi-statico, utilizzando informazioni di sincronizzazione pre-definite. ;Secondo un aspetto dell’invenzione, detta ricostruzione effettuata nella fase C è tridimensionale. ;Secondo un aspetto dell’invenzione, nella fase A la misura di dette distanze tramite ranging radio è confrontata con la misura delle stesse tramite ultrasuoni secondo le seguenti fasi: ;− se una distanza misurata da ranging radio è all’incirca uguale alla stessa distanza misurata con ultrasuoni, si assume come misura valida della distanza il valore misurato tramite ultrasuoni; − se una distanza misurata da ranging radio è inferiore alla stessa distanza misurata con ultrasuoni di una certa quantità prestabilita ∆, allora si assume come misura valida della distanza il valore misurato da ranging radio e si deduce una visibilità acustica tra nodi; ;− se una distanza misurata da ranging radio è superiore alla stessa distanza misurata con ultrasuoni di una certa quantità prestabilita ∆, si deduce una visibilità acustica tra nodi e si assume come valido il valore misurato tramite ultrasuoni. ;Secondo un aspetto dell’invenzione, a ciascun nodo ancora è associato un trasduttore ultrasonico, orientato rispetto ad una direzione di riferimento, e dal fatto cheper il calcolo di dette distanze reciproche tra nodi ancora nella fase A si utilizza l’informazione di orientamento di ciascun nodo, in particolare fornita da sensori di orientamento associati a detti nodi ancora che rilevano la direzione di emissione acustica rispetto a detta direzione di riferimento, nonché l’informazione di temperatura fornita da sensori di temperatura associati a detti nodi. ;E’ ulteriore oggetto della presente invenzione un sistema per il monitoraggio di un ambiente, comprendente una rete che include una pluralità di nodi ancora sincronizzati tra loro, una unità di controllo di detti nodi ancora ed una unità di elaborazione centrale configurata per elaborare i dati provenienti da detta unità di controllo e fornire informazioni di controllo a detta unità di controllo, caratterizzato dal fatto che detta unità di elaborazione centrale comprende una serie di moduli di elaborazione installati su di essa, configurati per ottenere almeno una mappa di oggetti statici e/o dinamici in detto ambiente monitorato ed almeno una mappa di visibilità acustica che rappresenta il campo di visibilità acustica dei nodi di detta pluralità di nodi ancora, secondo le fasi A-F del metodo oggetto dell’invenzione. ;Secondo un aspetto dell’invenzione, detto che a ciascun nodo ancora è associato un trasduttore ultrasonico, orientato rispetto ad una direzione di riferimento, nonché un sensore di temperatura, e dal fatto che detta serie di moduli di elaborazione comprende un modulo di elaborazione configurato per utilizzare l’informazione di orientamento di ciascun nodo fornita da detti sensori di orientamento e l’informazione di temperatura fornita da sensori di temperatura per eseguire detta fase A. ;La presente invenzione verrà ora descritta a titolo illustrativo ma non limitativo, secondo le sue preferite forme di realizzazione, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui: la figura 1 mostra l’architettura del sistema oggetto dell’invenzione in una fase di autoconfigurazione e sincronizzazione iniziale delle unità che lo compongono; ;la figura 2 mostra l’architettura del sistema di figura 1 in una fase di ricostruzione virtuale dell’ambiente in cui è inserito; ;la figura 3 mostra l’architettura del sistema precedente in una fase di identificazione di oggetti passivi, o target, di dimensioni inferiori ed in movimento, presenti nell’ambiente in cui è inserito; la figura 4 mostra l’architettura del sistema precedente in una fase di identificazione di oggetti attivi, o tag, presenti nell’ambiente in cui è inserito; ;la figura 5 mostra uno schema a blocchi funzionali di una unità di elaborazione del sistema oggetto dell’invenzione. ;Nelle varie figure le parti simili verranno indicate con gli stessi riferimenti numerici. ;Il sistema S viene inserito in un ambiente, da monitorare ed eventualmente da raffigurare graficamente, e comprende una rete di localizzazione wireless fissa o mobile. Tale rete può avere diverse topologie, ad esempio a forma di stella, oppure a grappolo o cluster per gestire sistemi di localizzazione multi-cella. ;La rete è composta da una pluralità di nodi ancora master e slave, in particolare un nodo ancora master 1, o master anchor node, ed una pluralità di nodi ancora slave 2a, 2b, …, 2n, o slave anchor node. ;Il sistema S ulteriormente comprende una unità di elaborazione centrale U la quale elabora le informazioni ricevute dal nodo ancora master 1 utilizzando un insieme di moduli di elaborazione contenuti al suo interno, come verrà ampiamente descritto in seguito. ;Un nodo ancora alla volta trasmette un impulso acustico, mentre tutti quanti ne “ascoltano” la risposta dell’ambiente. Una volta che i nodi ancora hanno campionato tale risposta, i dati devono essere processati congiuntamente dall’elaboratore centrale per eseguire imaging e localizzazione. Tali dati vengono quindi trasmessi da ogni nodo ancora slave al nodo ancora master, e da questi all’unità di elaborazione centrale (tramite il canale C). Tali trasmissioni di dati avvengono via radio, e sono state riportate in figura con frecce unidirezionali, dai nodi ancora slave al nodo ancora master. ;Come mostrato nelle figure 3 e 4, all’interno dell’ambiente da monitorare sono presenti una pluralità di target passivi N, come oggetti fissi o mobili o persone sprovvisti di unità di comunicazione, e tag attivi A, solitamente dispositivi elettronici, che devono essere localizzati ed eventualmente rappresentati graficamente. ;Il nodo ancora master 1 elabora e riorganizza le informazioni acquisite dai nodi ancora slave 2a, 2b, …, 2n e dai tag A presenti nell’ambiente tramite algoritmi noti di imaging, trilaterazione e triangolazione, filtraggio, tracking, identificazione e simili, come sarà descritto in dettaglio in seguito. ;I nodi ancora slave 2a, 2b, …, 2n si occupano di acquisire informazioni sull’ambiente circostante mediante tecnologie eterogenee operanti in stretta sinergia, come verrà descritto di seguito. ;I dispositivi elettronici A, solitamente alimentati a batteria, scambiano informazioni con i nodi ancora slave 2a, 2b, …, 2n per permettere di essere rilevati, identificati e localizzati nell’ambiente. Detti dispositivi elettronici A sono dotati di un’interfaccia radio in grado di comunicare e di effettuare operazioni di stima della distanza, o ranging, con i nodi ancora slave 2a, 2b, …, 2n della rete. ;Ciascun nodo ancora master 1 e slave 2a, 2b, …, 2n comprende a sua volta una unità di elaborazione interna, ad esempio un microcontrollore, non mostrata in figura, una interfaccia di comunicazione radio R comprensiva di una antenna, che viene utilizzata per la localizzazione attiva, l’identificazione e lo scambio di dati tra i nodi ed è dotata anche di una funzionalità di stima della distanza, o ranging, tra il nodo trasmittente ed il nodo ricevente, ed un trasduttore acustico T che trasmette e riceve segnali ultrasonici di tipo impulsivo che viene utilizzato per la localizzazione passiva, la raffigurazione dell’ambiente ed il raffinamento della localizzazione attiva. ;L’interfaccia radio R consente di effettuare lo scambio di informazioni senza la necessità di usare collegamenti via cavo tra i nodi della rete. ;Il nodo ancora master 1 è inoltre equipaggiato con un’interfaccia di comunicazione C, ad esempio USB, Ethernet o simili, per scambiare informazioni con l’unità di elaborazione centrale U. ;Il flusso delle informazioni tra i nodi è basato su standard di comunicazione per reti di sensori wireless, o wireless sensor network (WSN), ad esempio del tipo IEEE 802.15.4 o IEEE 802.15.4a. ;I nodi ancora master 1 e slave 2a, 2b, …, 2n permettono la ricostruzione dell’immagine virtuale dell’ambiente circostante, individuando eventuali oggetti/persone presenti nell’ambiente, come verrà descritto in dettaglio in seguito. ;Come risultato del processo di localizzazione, il sistema permette di mappare oggetti e persone del mondo reale con precisi riferimenti alla loro corrente posizione geografica e, quindi, di collocarli in uno spazio virtuale rappresentativo dell'area da monitorare. ;Come descritto in precedenza, il sistema S secondo una forma realizzativa dell’invenzione impiega tecnologie eterogenee integrate. ;In particolare, l’interfaccia di comunicazione radio R consente di sincronizzare i moduli ultrasonici T dei nodi ancora master 1 e slave 2a, 2b, …, 2n, abilitando funzionalità di sonar monostatico/multistatico anche in assenza di visibilità acustica diretta tra i nodi ancora. ;In particolare, per combinare correttamente le risposte acustiche dei nodi ancora master 1 e slave 2a, 2b, …, 2n è necessario che queste risposte siano sincronizzate tra loro, ossia, se un qualsiasi nodo ancora della rete trasmette un impulso acustico, tutti gli altri nodi ancora della rete devono iniziare a campionare il segnale ricevuto contemporaneamente, partendo nello stesso istante di tempo. ;Se i nodi ancora sono in visibilità acustica diretta tra loro (ovvero se gli ultrasuoni possono correre senza ostacoli tra i nodi), essi possono sincronizzarsi anche a posteriori, ossia essendo note le posizioni reciproche tra i nodi ancora e l’istante di ricezione dell’impulso emesso da parte di uno dei nodi ancora, è possibile calcolare l’istante in cui l’impulso è stato emesso da quel nodo ancora. ;Se invece i nodi ancora non sono in visibilità diretta tra loro, non riescono a ricevere direttamente l’impulso emesso da un certo nodo ancora ma ricevono solo echi riflessi. In questo caso, l’interfaccia di comunicazione radio R può emettere un segnale radio per sincronizzare i nodi ancora della rete anche in assenza di visibilità diretta tra loro. ;Oltre ai dati acquisiti tramite i sensori ultrasonici e le interfacce di ranging radio, altre informazioni possono essere comunicate dai nodi ancora master 1 e slave 2a, 2b, …, 2n, della rete all’unità di elaborazione centrale U, quali l’orientamento dei nodi o la temperatura ambientale. ;Queste informazioni collaterali sono disponibili se i nodi sono equipaggiati con opportuni sensori, come inclinometro, bussola elettronica e sensore di temperatura, e possono essere utilizzate dall’unità di elaborazione centrale U per migliorare la rilevazione della configurazione di rete e la stima dei parametri ambientali che influenzano il processo di localizzazione, come per esempio la velocità di propagazione del suono. ;Facendo ora riferimento alla figura 5, come descritto in precedenza, l’unità di elaborazione centrale U comprende un insieme di moduli di elaborazione. ;Un primo modulo 2 di processamento delle risposte ultrasoniche e dei dati di ranging radio o “raw data processing” elabora e condiziona in tempo reale i dati in ingresso; un secondo modulo 3 di stima della geometria della rete o “inter-AN ranging” stima le distanze relative tra tutti i nodi ancora della rete, in base ai dati ultrasonici e ranging radio ricevuti; un terzo modulo 4 di elaborazione della geometria della rete o “AN network geometry estimation” calcola esattamente la geometria della rete in base ai dati ricevuti dal secondo modulo 3; un quarto modulo 5 di gestione dei segnali di controllo alla rete o “sensor network manager” gestisce il funzionamento della rete in modo dinamico ed adattativo; un quinto modulo 6 di costruzione di una mappa o “quasi-static image formation” costruisce una mappa tridimensionale dell’ambiente mediante operazioni di imaging di tipo note; un sesto modulo 7 di rilevazione dei target N o “dynamic target localization” rileva la posizione e lo spostamento dei target N all’interno dell’ambiente da monitorare, come verrà spiegato in dettaglio di seguito; un settimo modulo 8 di rilevazione dei tag A o “radio identification and localization” elabora le informazioni di ranging radio ricevute dai tag A; un ottavo modulo 9 di integrazione dei dati o “object shape processing and data fusion” combina ed integra i dati ultrasonici con i dati radio per fornire indicazioni circa la presenza di target N e di tag A nell’ambiente da monitorare; un nono modulo 10 di ottimizzazione della localizzazione o “multi-target tracking” migliora l’accuratezza di localizzazione dei target N e dei tag A a seguito della ricezione delle informazioni trasmesse dall’ottavo modulo 9; infine, un decimo modulo 11 di visualizzazione o “viewer” permette rendere visibili e fruibili le informazioni circa posizione e identità dei tag A e target N presenti nell’ambiente da monitorare e consente inoltre di visualizzare la mappa tridimensionale dell’ambiente circostante, detta iMap. ;;Funzionamento del sistema ;Il funzionamento del sistema S sopra descritto si svolge nel modo seguente secondo determinate fasi. ;Quando si rende necessario monitorare un ambiente, i nodi master 1 e slave 2a, 2b, …, 2n del sistema S vengono posizionati secondo una opportuna topografia, all’interno dell’ambiente stesso. ;Inizialmente il sistema S deve auto-configurarsi, durante una fase di autoconfigurazione. Facendo riferimento alla figura 1, il nodo ancora master 1 funge da coordinatore della rete in quanto invia segnali, quali parametri di funzionamento e sincronizzazione, ai nodi ancora slave 2a, 2b, …, 2n. ;La fase di autoconfigurazione consta di procedure automatiche di misura delle distanze reciproche tra i nodi master 1 e slave 2a, 2b, …, 2n della rete. ;In una prima parte della prima fase, detta di ranging radio, la misura delle distanze avviene tramite operazioni di ranging radio note, secondo le quali due nodi stimano la distanza reciproca trasmettendosi pacchetti di dati e stimandone il tempo di viaggio (ToF) ossia il tempo necessario ai pacchetti di dati per viaggiare da un nodo della rete all’altro. ;A partire dal ToF e conoscendo il valore della velocità di propagazione della luce, è possibile stimare la distanza tra nodi. Conoscendo tutte le distanze relative tra i nodi, si può quindi stimare la posizione relativa dei nodi della rete, disegnandone la topologia con precisi riferimenti metrici. ;La fase di ranging radio restituisce una misura Dr espressa in metri o centimetri. ;Al fine di stimare con buona precisione le distanze tra i nodi si utilizzano segnali radio a banda ultra-larga, o Ultra-Wideband (UWB), perché consentono di identificare con elevata precisione l’istante di ricezione del segnale. ;Terminata la fase di ranging radio, il sistema S esegue una seconda stima ultrasonica, o ranging ultrasonico, in cui si esegue una ulteriore stima delle distanze tra i nodi mediante misure acustiche, per rendere più accurata la stima delle distanze reciproche ottenute nel precedente ranging radio. ;In particolare, coordinati dal nodo ancora master 1, ogni nodo ancora slave 2a, 2b, …, 2n della rete a rotazione invia segnali ultrasonici di tipo impulsivo che vengono ricevuti dagli altri nodi ancora slave 2a, 2b, …, 2n della rete, secondo il principio di funzionamento dei sistemi noti sonar multi-statici. ;Essendo tutti i nodi ancora slave 2a, 2b, …, 2n tra loro sincronizzati, ogni nodo può stimare un ToF ossia il tempo intercorso tra l’emissione del segnale e la sua ricezione. ;A partire da questo ToF acustico e dalla conoscenza della velocità di propagazione del suono, è possibile stimare la distanza tra il nodo trasmittente ed ogni nodo ricevente con precisione dell’ordine dei centimetri. ;La fase di ranging ultrasonico restituisce una misura Ds espressa in metri o centimetri. ;Una volta ottenuti i valori Dr e Ds, si effettua un confronto tra essi. ;Se Dr è all’incirca uguale a Ds, si assume come misura valida della distanza tra nodi il valore Ds in quanto rappresenta una misura più accurata. ;Se Dr è inferiore a Ds di una certa quantità prestabilita ∆, allora si assume come misura valida della distanza tra nodi il valore Dr in quanto in questo caso si reputa che non c’è visibilità acustica tra nodi. ;Il caso in cui Dr è superiore a Ds di una certa quantità prestabilita ∆, è poco significativo in quanto capita quando c’è già visibilità acustica tra i nodi, pertanto si presume che ci sia anche visibilità radio. ;In questo modo, confrontando le stime di distanza relativa ottenute con le due tipologie di segnali, radio ed ultrasonici, è possibile riconoscere automaticamente se due nodi ancora slave 2a, 2b, …, 2n sono in visibilità acustica tra loro oppure se ci sono ostacoli che impediscono il cammino diretto del segnale. ;E’ possibile installare sensori di temperatura sui nodi ancora slave 2a, 2b, …, 2n per correggere la velocità di propagazione del suono utilizzata nel calcolo delle distanze, con la nota formula spazio = velocità x tempo, per migliorare ulteriormente l’accuratezza della stima. ;Tutti i dati ottenuti nella fase di ranging radio e ranging ultrasonico vengono trasmessi al nodo ancora master 1 e, tramite questo, al server centrale di elaborazione dati U ed in particolare al primo modulo 2, al secondo modulo 3 ed al terzo modulo 4. ;Il primo modulo 2 elabora in tempo reale le risposte ultrasoniche ed i dati relativi ai ranging radio ricevuti dal nodo ancora master 1. ;In particolare, questi dati ricevuti vengono opportunamente filtrati e mediati per ridurre gli effetti dei disturbi aleatori. Le risposte impulsive multistatiche e monostatiche provenienti dai trasduttori ultrasonici T vengono elaborate eliminando eventuali disturbi di auto-accoppiamento presenti nel segnale. Inoltre, vengono anche eliminati scostamenti temporali residui tra i segnali applicando tecniche note di stima del tempo di arrivo ToA. ;Il secondo modulo 3, a partire dai dati del primo modulo 2, stima le distanze relative tra tutti i nodi ancora master 1 e slave 2a, 2b, …, 2n. ;Infine, il terzo modulo 4, sulla base delle informazioni di distanza relative fornite dal secondo modulo 3, elabora la geometria complessiva della rete. ;Questo terzo modulo 4, inoltre, durante la costruzione della geometria della rete, tiene conto delle informazioni aggiuntive relative all’inclinazione o orientamento dei nodi. Tali informazioni possono essere fornite automaticamente dalla rete di sensori o immesse manualmente dall’installatore o utente del sistema S. ;In questa prima fase di autoconfigurazione, così come nelle altre fasi, è importante il coordinamento effettuato dal nodo ancora master 1 mediante la trasmissione radio di opportuni segnali di sincronizzazione o beacon periodici. ;In particolare, ogni nodo ancora slave 2a, 2b, …, 2n, a seguito della ricezione di un beacon periodico, sincronizza il proprio riferimento temporale o clock con quello di tutti gli altri. Inoltre, all’interno dei pacchetti beacon è contenuta la modalità di comportamento di ciascun nodo della rete, ossia quando ciascun nodo deve trasmettere un segnale ultrasonico e quando invece deve ricevere segnali da altri nodi, quando deve ri-calibrarsi e quando deve trasmettere via radio le informazioni ed i campioni raccolti, consentendo il funzionamento multi-statico della rete mediante scambi interamente senza cavo. ;Facendo riferimento ora alla figura 2, successivamente alla prima fase, il sistema S esegue una fase B di ricostruzione tridimensionale dell’ambiente in cui è posizionato il sistema S, ossia di imaging 3D, per rilevare la posizione di oggetti stazionari O presenti nell’ambiente. ;Note le posizioni di tutti nodi della rete, a seguito della prima fase, è possibile stimare la presenza e la posizione di muri, scaffali, mobili, ostacoli ed altri oggetti O statici all’interno dell’area monitorata e rappresentare graficamente questi oggetti. ;La seconda fase consta di una procedura di ispezione dell’ambiente o sounding e di una procedura di ricostruzione dell’immagine dell’ambiente. ;In particolare, durante il sounding, coordinati dal nodo ancora master 1, a rotazione ogni nodo ancora slave 2a, 2b, …, 2n invia segnali acustici di tipo impulsivo. Ogni nodo della rete campiona la risposta ricevuta e la trasmette via radio al nodo ancora master 1 che, a sua volta, la inoltra all’unità di elaborazione centrale U ed in particolare al modulo 6. ;In questa fase, ogni nodo ancora slave 2a, 2b, …, 2n è in grado di ricevere e campionare sia la risposta ad impulsi inviati da se stesso, in qualità di sonar mono-statico, sia la risposta ad impulsi inviati da altri nodi, in qualità di sonar multi-statico (ciascun nodo ascolta i segnali emessi da ogni nodo). ;Le risposte agli impulsi inviate da nodi diversi non si sovrappongono grazie alle funzioni di sincronizzazione e coordinamento svolte dal nodo ancora master 1. ;Nella procedura di ricostruzione, mediante opportuni algoritmi noti di signal processing, è possibile costruire mappe tridimensionali, o 3D image, attraverso il quinto modulo 6. ;In particolare, viene costruita una mappa, detta iMap, dell’area monitorata che rappresenta la geografia dell’ambiente in cui viene rappresentata la posizione di ostacoli o oggetti statici O o in movimento N, ed una mappa, detta VMap, che tiene traccia della visibilità dei punti nello spazio in relazione ai nodi ancora e rappresenta il campo di visibilità acustica dei nodi ancora 1, 2a, 2b, …, 2n, in cui viene utilizzata la risposta acustica dell’ambiente a ultrasuoni emessi da ciascun nodo ancora 1, 2a, 2b, …, 2n. ;Queste mappe vengono aggiornate in continuo in base ai cambiamenti registrati all’interno dell’area da monitorare da parte dei nodi ancora, durante ulteriori fasi descritte in dettaglio di seguito. ;Per costruire queste mappe, il quinto modulo 6 combina i segnali ultrasonici ricevuti dai vari nodi ancora mediante tecniche note derivate dalla Teoria della Decisione e della Stima, dalla Teoria dell’Informazione e da algoritmi di Machine Learning. L’ambiente da monitorare viene discretizzato in un insieme di punti, uniformemente distribuiti o no, per ognuno dei quali viene valutata la probabilità che sia presente un oggetto che riflette il segnale incidente e la probabilità che sia verificata la condizione di visibilità con i diversi nodi ancora della rete. Per calcolare la probabilità che in un dato punto dello spazio sia presente un oggetto occorrono informazioni circa la visibilità di cui gode il punto in esame con i diversi nodi ancora della rete. Viceversa, per stimare la probabilità che un punto sia in visibilità con un dato nodo ancora occorre conoscere quali oggetti sono presenti nell’area e ostacolano la propagazione del segnale. Le tecniche utilizzate sono quelle iterative di stima e inferenza statistica per la determinazione di tali mappe 3D, come algoritmi noti di message passing tra punti dello spazio o di Expectation-Maximization. ;Facendo riferimento ora alla figura 3, terminata la seconda fase B di imaging 3D, il sistema S procede nella rilevazione e localizzazione dei target non collaborativi N, durante la fase C di identificazione non collaborativa. ;In riferimento alla figura 3, durante la fase B avviene anche l’identificazione e la localizzazione degli oggetti target N in movimento, pertanto l’acquisizione e la trasmissione delle informazioni dai nodi ancora slave 2a, 2b, …, 2n al nodo master 1 ed all’unità di elaborazione centrale U avviene in maniera analoga a quanto descritto sopra, è poi compito dell’unità di elaborazione centrale U elaborare informazioni con modalità diverse, a seconda che intenda localizzare oggetti statici o dinamici. ;In particolare, il sesto modulo 7 di rilevazione dei target N opera sulla base delle risposte ultrasoniche ricevute dai nodi ancora. Le tecniche utilizzate sono note ed appartenenti al campo della Teoria della Decisione e della Stima che permettono di combinare in maniera ottima i segnali ultrasonici ricevuti, costruendo per i vari punti dello spazio discretizzato metriche di detection ottime o subottime. In alternativa, si possono utilizzare algoritmi tradizionali nel campo della rilevazione sonar/radar, basati sulla stima del ToA dei segnali riflessi e su tecniche di trilaterazione. In entrambi i casi risulta di fondamentale importanza la conoscenza della mappa di visibilità, VMap, fornita dal quinto modulo 6, che permette di identificare le informazioni provenienti dai nodi ancora effettivamente utili per la localizzazione e di scartare i segnali inutili. ;Per evidenziare i segnali riflessi dai target N in movimento e scartare gli echi dovuti agli altri oggetti statici O, si possono utilizzare tecniche note di rimozione del clutter, come filtraggi passa-alto. Quando vengono rilevati cambiamenti considerevoli nella geometria dell’ambiente circostante, per esempio a causa di grossi target N in movimento, una richiesta di aggiornamento o di update request viene inviata al quinto modulo 6, forzando l’aggiornamento dell’immagine statica dell’ambiente circostante e quindi delle mappe VMap e iMap, come verrà spiegato in dettaglio in seguito. ;Terminata la fase di creazione delle mappe, inizia la fase di aggiornamento continuo delle mappe iMap e VMap. ;In particolare, la fase di aggiornamento prevede le seguenti sottofasi: ;una prima sottofase in cui viene selezionato il primo oggetto statico O oppure un target N in movimento contenuti nella mappa iMap di oggetti; ;una seconda sottofase in cui si ha l’invio di ultrasuoni da un sottoinsieme dei nodi ancora 1, 2a, 2b, …, 2n che risultano in visibilità, secondo la mappa di visibilità VMap con l’oggetto selezionato nella prima sottofase; ;ed una terza sottofase di rilevamento degli ultrasuoni di ritorno e calcolo della posizione degli oggetti statici O oppure dei target N in movimento nell’ambiente da monitorare. ;Terminata la fase di aggiornamento, si procede con la fase in cui si aggiorna continuamente la mappa di oggetti iMap eseguendo le seguenti sottofasi: ;una prima sottofase di identificazione di almeno un oggetto tag A collaborativo, ovvero un dispositivo provvisto di mezzi di comunicazione con i nodi ancora 1, 2a, 2b, …, 2n, contenuto nella mappa iMap di oggetti; ;una seconda sottofase di invio di segnali radio da un sottoinsieme di nodi ancora 1, 2a, 2b, …, 2n che risultano prossimi al tag A collaborativo; ;ed una terza sottofase di calcolo della posizione del tag A collaborativo per la localizzazione esatta all’interno dell’ambiente da monitorare. ;In particolare, nella prima sottofase ogni tag A che entra in visibilità radio della rete si sincronizza con il segnale beacon emesso dal nodo ancora master 1 ed invia una richiesta di condivisione o join alla rete, che il nodo ancora master 1 riceve ed elabora. Se il tag A viene riconosciuto ed accettato, il nodo ancora master 1 e l’unità di elaborazione centrale U sono a conoscenza della presenza e dell’identità tag A nell’ambiente monitorato. ;Una volta riconosciuto il tag A, inizia la seconda sottofase per localizzare il tag A all’interno dell’ambiente. ;A tal fine, in riferimento alla figura 4, il nodo ancora master 1 avvia periodicamente la procedura di ranging radio tra il tag A ed i nodi ancora slave 2a, 2b, …, 2n della rete. ;Quando autorizzato dal nodo ancora master 1, il tag A scambia informazioni di ranging radio con il sottoinsieme dei nodi ancora slave 2a, 2b, …, 2n indicati dal nodo ancora master 1. ;Le distanze reciproche tra il tag A ed i nodi ancora slave 2a, 2b, …, 2n vengono calcolate sulla base della stima del ToF dei pacchetti scambiati e vengono poi comunicate dal tag A al nodo ancora master 1, che le inoltra poi all’unità di elaborazione centrale U, in particolare all’ottavo modulo 8 che elabora le informazioni di ranging radio. ;Conoscendo le posizioni dei nodi ancora slave 2a, 2b, …, 2n della rete, l’ottavo modulo 8 è in grado di localizzare il tag A mediante operazioni note di triangolazione/trilaterazione. ;Sia durante lo svolgimento della fase B che della fase D, il sistema S si avvale del supporto del quarto modulo 5 per gestire la rete di nodi ancora in modo dinamico e adattativo. ;In particolare, il quarto modulo 5 coordina le frequenze con cui vanno interrogati i tag A e specifica l’elenco dei nodi ancora che devono essere coinvolti nell’identificazione e localizzazione dei diversi tag A presenti. In questo modo si può selezionare in maniera dinamica il sotto–insieme ottimo di nodi ancora che il tag A deve interrogare per farsi localizzare dal sistema S. ;Analogamente, il quarto modulo 5 può richiedere che solo alcuni nodi ancora della rete trasmettano segnali ultrasonici per la localizzazione di target N e tag A. Tramite una gestione adattativa di questo tipo si possono intensificare le trasmissioni dei segnali radio e ultrasonici in prossimità dei target N e/o tag A rilevati, evitando di sprecare risorse nelle zone in cui non è stata rilevata alcuna attività. ;In particolare, si può disabilitare la trasmissione di impulsi ultrasonici, o se ne può ridurre il numero, per quei nodi ancora che non risultano in visibilità diretta con l’oggetto rilevato. L’identificazione di un sotto-insieme ottimo di nodi ancora della rete consente anche di realizzare una mappa di visibilità VMap ottimizzata in base alle informazioni salienti. ;Terminata la fase di aggiornamento dei tag, per applicazioni del sistema S di sorveglianza o video sorveglianza di ambienti, il sistema S esegue una fase di integrazione dei dati radio ed ultrasonici, mediante l’ottavo modulo 9, in cui i tag A collaborativi sono associati a persone in movimento rilevate tramite ultrasuoni, identificando così le persone autorizzate a transitare nella zona monitorata. ;In particolare, i dati in ingresso dal settimo modulo 8, relativi ai tag A, vengono associati ai dati in ingresso dal sesto modulo 7, relativi a persone in movimento o target N, rilevate tramite ultrasuoni, identificando così le persone autorizzate a stare nella zona monitorata. ;Le informazioni sulla posizione dei vari target N rilevati mediante segnali ultrasonici viene combinata con le posizioni stimate per i tag A mediante tecniche note di data association principalmente basate sulla prossimità. ;Le informazioni circa gli oggetti in movimento nell’ambiente monitorato vengono fuse mediante algoritmi noti di clustering in grado di distinguere e separare i singoli target N. ;Questa integrazione consente di discriminare tra target N autorizzati e non autorizzati. ;A questo punto il modulo 9 è in grado di fornire informazioni circa la presenza e la posizione di target N collaborativi e non collaborativi all’interno dell’area. ;Tramite l’identificazione radio dei tag A collaborativi è possibile inoltre distinguere tra soggetti autorizzati e soggetti non autorizzati. ;L’ultima fase descritta comprende una fase di ottimizzazione della localizzazione realizzata dal nono modulo 10. ;Allo scopo di migliorare l’accuratezza di localizzazione, le informazioni fornite dall’ottavo modulo 9 vengono processate tramite algoritmi di tracking che sfruttano la conoscenza delle traiettorie seguite dai vari target N. ;A questo scopo esistono varie soluzioni note caratterizzate da diverse prestazioni e complessità computazionale, come Kalman filters, Bayesian tracking, particle filters, PHD filters e simili. ;L’output di questo nono modulo 10 è costituito dalle informazioni circa l’identità e la posizione dei vari tag A o target N all’interno dell’ambiente. ;Tali informazioni vengono fornite al quarto modulo 5 al fine di coordinare le rilevazioni future ed al decimo modulo 11 di visualizzazione. ;Detto decimo modulo 11 consente la visualizzazione della posizione e identità dei tag A e dei target N presenti nell’ambiente. Consente inoltre di visualizzare la mappa tridimensionale dell’ambiente circostante, la iMap. Questo modulo può anche essere interrogato da remoto, ad esempio tramite un server web per consentire l’accesso da internet. ;Come è evidente, il sistema S in oggetto consente di realizzare con un’unica rete integrata funzionalità di localizzazione attiva e passiva ed imaging dell’ambiente da monitorare. ;Il ricorso a tecnologie diverse, come radio ed ultrasuoni, consente di trarre vantaggio delle diverse caratteristiche fisiche dei segnali, come velocità di propagazione, larghezza di banda, per realizzare un sistema localizzazione a bassa complessità e dai costi di sviluppo ed implementazione estremamente contenuti. ;Un ulteriore vantaggio è rappresentato dalla possibilità di sincronizzare i nodi della rete senza l’impiego di cavi. ;Un ulteriore vantaggio è rappresentato dalla semplicità di installazione della rete mediante procedure di autoconfigurazione. ;Infine, i costi dei componenti hardware e software ed i costi per l’installazione della rete sono decisamente contenuti. ;La presente invenzione è stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo le sue forme preferite di realizzazione, ma è da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti del ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate. *