Analisi e implementazione di procedure di calibrazione di sensori inerziali per applicazioni nell'ambito dell'analisi del movimento umano.

Il seguente lavoro di tesi presenta cosa sono e come sono impiegati, ad oggi, i sensori di misura inerziali (IMU). Sono presentate le componenti di un sensore inerziale: accelerometri, giroscopi e magnetometri, i quali permettono di rilevare dati di accelerazione, velocità angolare e orientamento. Questi ultimi rendono possibile il monitoraggio del movimento nello spazio della IMU stessa, che, se resa solidale ad un segmento corporeo, restituisce i dati relativi al segmento in questione. Grazie alle dimensioni molto ridotte dei sensori inerziali, infatti, si possono realizzare dei device che li contengono e che sono indossabili, in modo tale da analizzare il movimento dei segmenti del corpo umano. Questa tipologia di dispositivi rientra nella sensoristica indossabile, che include smartwatch, bracciali elettronici, fasce elastiche e molti altri dispositivi, tutti accomunati dall’avere un accelerometro, un giroscopio e un magnetometro triassiali incorporati. Le applicazioni della sensoristica indossabile sono numerose e spaziano dall’ambito clinico e di diagnosi, fino a quello sportivo; di fatti, l’analisi del movimento con i sensori inerziali gode del vantaggio di poter essere effettuata sia dentro che fuori da laboratori specializzati e anche in modo continuativo per tempi prolungati. Dunque, rende possibile il monitoraggio da remoto, rivolto a soggetti come anziani o patologici che ne necessitano; inoltre, permette di effettuare test sportivi direttamente sul campo, durante lo svolgimento delle prestazioni. Esistono anche sistemi per l’analisi del movimento molto precisi e accurati, che costituiscono il gold standard nel campo: i sistemi optoelettronici. I dati catturati dalle fotocamere di questi sistemi sono molto precisi e garantiscono un’analisi accurata, da cui si traggono conclusioni e diagnosi di una netta rilevanza. D’altro canto, richiedono l’impiego di grandi spazi, oltre che di personale tecnico competente; a questo proposito, la sensoristica indossabile e le analisi effettuate tramite i sensori inerziali costituiscono una valida alternativa, maggiormente portabile e pratica, garantendo la possibilità di analizzare molti parametri in modo più pratico e in qualsiasi spazio e momento. I sensori inerziali sono, però, caratterizzati da errori di diversa natura, legati al rumore bianco, al disallineamento degli assi, agli effetti della temperatura e ad altri parametri; sono queste le cause per cui i dati restituiti non vantano della stessa precisione degli stessi dati monitorati con sistemi optoelettronici. A questo proposito, al fine di correggere parzialmente gli errori e pulire il più possibile il segnale dal rumore, sono effettuate procedure di calibrazione delle IMU, periodicamente prima del loro utilizzo. Nella tesi sperimentale presentata si illustra la procedura di calibrazione per sensori inerziali implementata su tre tipologie di IMU differenti: Ngimu, Xsens e Pivot, per un totale di ventisette unità. Il lavoro è stato svolto con l’obiettivo di valutare le prestazioni delle unità di misura inerziali, dopo aver calcolato una serie di parametri ed errori, i quali possono essere utilizzati per correggere i dati ottenuti in output dalle IMU stesse.