Sviluppo di un algoritmo di Head Tracking completo per l’utilizzo in industria del visore Eye Tech Lab

Nuova sfida per il team Technology Transfer Engineering di CSMT: la realizzazione di un innovativo sistema di Head Tracking completo per l’utilizzo in industria di visori di sicurezza a realtà aumentata.

DATI DEL PROGETTO


DESCRIZIONE DEL PROGETTO

La richiesta è arrivata da Eye Tech Lab Srl, start-up del Gruppo Univet, che ha sviluppato l’occhiale VisionAR, certificato come DPI (dispositivo di protezione individuale) e dotato di display monocromatico su una lente in grado di proiettare dati e informazioni utili all’operatore, garantendo comunque il pieno campo visivo.

L’occhiale è dotato di piattaforma inerziale completa (IMU - Inertial Measurement Unit) composta da accelerometro, giroscopio e magnetometro, tutti triassiali, in grado di fornire rispettivamente accelerazioni, velocità angolari e intensità del campo magnetico sui tre assi di rotazione. I dati forniti dal sensore possono essere utilizzati per stimare l’orientamento e l’angolo d’inclinazione della testa dell’operatore rispetto al nord magnetico, fornendo quindi un’informazione fondamentale per applicazioni di realtà aumentata.

Gli algoritmi presenti in letteratura e i sensori in commercio, utili all’elaborazione dei segnali di accelerazione, velocità e intensità del campo magnetico, presentano alcune problematiche relative soprattutto all’elevata sensibilità ai disturbi magnetici e ai materiali ferrosi del magnetometro con conseguenti errori di calcolo e di stima dell’orientamento.

L'esigenza del cliente era quella di risolvere il problema degli effetti dei disturbi magnetici e ottenere un algoritmo che consentisse di stimare in maniera accurata gli angoli di rotazione e, allo stesso tempo, compensare gli effetti dei disturbi magnetici esterni o la presenza di materiale ferroso nelle vicinanze, essendo i visori VisionAR pensati per l’utilizzo in ambiente industriale.

LA SOLUZIONE

Il progetto ha previsto lo sviluppo di un nuovo e innovativo algoritmo di sensor fusion, robusto e adatto all’ambiente industriale di utilizzo del visore VisionAR in grado di stimare gli angoli di inclinazione e rotazione della testa (Roll, Pitch, Yaw) rispetto al nord magnetico e compensare i disturbi magnetici esterni che influenzano il magnetometro.

L’algoritmo di Head Tracking messo a punto dal team Technology Transfer Engineering di CSMT, a differenza degli algoritmi standard proposti in letteratura, sfrutta il paradigma degli eventi per un miglior funzionamento, ovvero, al verificarsi di determinate condizioni, rilevate attraverso delle relazioni matematiche, reagisce con opportune azioni correttive al fine di stimare nel modo più preciso possibile gli angoli di rotazione.

La soluzione proposta è innovativa anche dal punto di vista della compensazione dei disturbi magnetici a cui è soggetto il magnetometro. Sono state infatti messe a punto tre diverse soluzioni in grado di generare delle azioni correttive e compensare gli effetti dei disturbi. I test sperimentali hanno evidenziato come l’algoritmo migliori le performance in presenza di disturbo magnetico, passando da un’accuratezza di 11,4° a 1,7° e da una precisione di ± 43,1° a ± 4°, rispetto alla letteratura.

Pensando ad un utilizzo del visore sul campo, è stata inoltre messa a punto una procedura rapida di calibrazione iniziale per consentire il corretto condizionamento dei dati provenienti dal magnetometro. Solitamente, infatti, gli algoritmi che utilizzano il magnetometro necessitano di una calibrazione manuale iniziale, ogni volta che si verifica un cambio di ambiente. Una procedura onerosa e inadatta all’applicazione in analisi del VisionAR, in quanto l’ambiente industriale può essere estremamente variabile e l’operatore ha necessità di spostarsi spesso. Il team di CSMT ha dunque sviluppato un algoritmo di calibrazione automatica. Durante il funzionamento, un apposito evento segnala se la calibrazione effettuata non è più valida e una determinata funzione ricalibra automaticamente il magnetometro.


LE FASI DEL PROGETTO

1. RICERCA BIBLIOGRAFICA


Nella prima fase del progetto sono state effettuate diverse ricerche e test per individuare gli algoritmi più idonei all’head tracking con VisionAR. È quindi stato definito lo stato dell’arte degli algoritmi di “sensor fusion” in grado di ricavare i tre angoli di rotazione fondamentali di un corpo rispetto agli assi x, y e z. Nello studio sono stati individuati e implementati 13 algoritmi e, dopo test accurati in collaborazione con Eye Tech Lab, sono stati selezionati i due più adatti al progetto.

2. ACQUISIZIONE DATI DI TEST


In una seconda fase del progetto sono stati acquisiti dati dalla IMU, durante test in condizioni controllate. In dettaglio, l’occhiale VisionAR è stato fatto indossare e utilizzare a diverse persone in diverse condizioni di utilizzo, in diversi ambienti, con o senza disturbi esterni, al fine di acquisire dati di accelerometro, giroscopio e magnatometro, da utilizzare per sviluppare algoritmi di head tracking robusti. I dati sono stati acquisiti da un PC e storicizzati in un apposito database da utilizzare per lo sviluppo del progetto.

3. SVILUPPO ALGORITMO INNOVATIVO DI COMPENSAZIONE DEI DISTURBI E DI CALIBRAZIONE AUTOMATICA


Si è poi passati allo sviluppo di un algoritmo che consentisse in tempo reale di identificare i disturbi magnetici e attivare azioni correttive in maniera automatica (in anello chiuso) per avere una stima degli angoli sempre affidabile e quindi compensare i disturbi.
In particolare il team di CSMT ha realizzato un innovativo sistema event-based, ovvero un algoritmo in grado di reagire e funzionare nella maniera più opportuna in base allo stato di una serie di eventi, cioè dei segnali che indicano il verificarsi di una particolare condizione di utilizzo. Il verificarsi di un particolare evento innesca una reazione dell’algoritmo, in modo tale da garantire sempre la miglior stima degli angoli di rotazione della testa. Gli eventi vengono innescati da particolari condizioni rilevate con relazioni matematiche sui segnali in input di accelerometro, giroscopio e magnetometro.
Il team di CSMT ha inoltre sviluppato un algoritmo di calibrazione automatica del magnetometro, al posto della classica manuale, scomoda e onerosa in ambiente industriale.

4. SVILUPPO DI STRUMENTAZIONE DI TEST E VALIDAZIONE DEGLI ALGORITMI


Ai fini di test dell’algoritmo è stato progettato e sviluppato un device innovativo per la movimentazione dell’occhiale e la valutazione delle performance di algoritmi di Head Tracking. Questo device potrà essere utilizzato anche in sviluppi futuri per valutare la risposta del sistema a diverse condizioni di utilizzo o in presenza di particolari disturbi o movimentazioni.
L’algoritmo è stato compilato in C++ per un utilizzo su diverse piattaforme. Al fine di verificarne il coretto funzionamento, è stato sviluppato un software di demo in C# che consente l’utilizzo in real-time dell’occhiale con l’algoritmo compilato.

I BENEFICI

Il progetto di sviluppo dell’innovativo sistema di Head Tracking ha permesso all’azienda cliente di migliorare e perfezionare il prodotto VisionAR per l’utilizzo in campo industriale. L’algoritmo di “sensor fusion” è in grado di stimare in maniera accurata gli angoli di rotazione della testa, rilevando e compensando i disturbi magnetici esterni, e di funzionare con una calibrazione iniziale veloce e adattativa durante l’utilizzo in ambiente industriale.

REFERENTE DEL PROGETTO

Luca Merigo

Trasferimento Tecnologico

CSMT

MOBILE

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TELEFONO

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PARTNER DEL PROGETTO