Cos'è un IMU e perché è importante nella scansione 3D

Negli ultimi anni, la scansione 3D ha guadagnato una notevole popolarità in diversi settori, dall'architettura e dall'edilizia al gaming e alla realtà virtuale. Con la continua evoluzione della tecnologia, un componente cruciale che migliora la precisione e l'efficienza dei sistemi di scansione 3D è l'unità di misura inerziale (IMU). Ma cos'è un'IMU? Questo blog esplorerà cos'è un IMU, come funziona e perché è importante nella scansione 3D, in particolare nel contesto dell'avanzato Scanner LiDAR Eagle.

 

Che cos'è un'IMU?

Un'unità di misura inerziale (IMU) è un dispositivo sofisticato che misura la forza specifica di un oggetto, la sua velocità angolare e, in alcuni casi, il campo magnetico circostante. I componenti principali includono un accelerometro e un giroscopio, con alcuni modelli dotati di un magnetometro integrato (nota: 3DMakerproLo scanner Eagle LiDAR non include un magnetometro).

 

Accelerometri:

• Principio: Basandosi sulla seconda legge di Newton (F=ma), questo sensore rileva il movimento lineare misurando l'accelerazione in tre direzioni ortogonali (X, Y e Z).
  
• Funzione: Fornisce dati di accelerazione su tre assi per rilevare cambiamenti nel movimento e nella postura.
  
• Produzione: Dati di accelerazione su tre assi (a, a, a), in genere in m/s² o g (accelerazione dovuta alla gravità).

Giroscopi: 

• Principio: Utilizzando la conservazione del momento angolare, questo sensore rileva il moto rotatorio misurando la velocità angolare attorno a tre assi (X, Y e Z).
  
• Funzione: Fornisce informazioni sulla velocità angolare a tre assi per tracciare la rotazione del dispositivo e i cambiamenti di assetto (come imbardata e beccheggio).
  
• Produzione: Dati di velocità angolare a tre assi (c) in rad/s.

 

Fusione e integrazione dei dati

• Calcolo della situazione: Le variazioni angolari ottenute integrando il giroscopio vengono combinate con il riferimento gravitazionale fornito dall'accelerometro (per correggere la deriva) per stimare l'assetto in tempo reale del dispositivo (ad esempio, angoli di Eulero o quaternioni).
• Calcolo della situazione: La stima della posizione può essere calcolata integrando quadraticamente i dati dell'accelerometro. Tuttavia, gli errori si accumulano nel tempo e richiedono una correzione utilizzando altri sensori (come GPS e LiDAR).
• Algoritmi di filtraggio: Il filtraggio di Kalman o filtraggio complementare viene comunemente utilizzato per fondere i dati dell'accelerometro e del giroscopio, eliminando gli errori accumulati da un singolo sensore e migliorando la stabilità e l'accuratezza della stima dell'assetto.

 

Le funzioni principali di un'IMU

1. Stima dell'atteggiamento

L'IMU misura l'accelerazione e la velocità angolare del dispositivo per dedurne inclinazione, rotazione e orientamento (come beccheggio, rollio e imbardata). Queste informazioni sull'assetto sono cruciali per l'elaborazione dei dati lidar, ad esempio:

Correzione delle deviazioni di assetto nei dati della nuvola di punti per garantire un allineamento accurato della nuvola di punti nello spazio tridimensionale.

Durante la scansione lidar, il movimento del dispositivo (ad esempio il volo di un drone o il movimento di un robot) può causare distorsioni nella nuvola di punti. Le informazioni sull'assetto fornite dall'IMU possono essere utilizzate per la correzione in tempo reale, migliorando la qualità della nuvola di punti.

 

 

2. Compensazione del movimento

Il LiDAR misura le distanze ambientali emettendo raggi laser, ma il movimento del dispositivo (come vibrazioni e accelerazione) può introdurre errori. L'IMU compensa il movimento del LiDAR misurando il movimento del dispositivo ad alta frequenza, riducendo gli errori di misurazione in ambienti dinamici.

In scenari quali la guida autonoma e la navigazione con droni, la fusione dei dati IMU e lidar consente la localizzazione e la mappatura in tempo reale (SLAM) ad alta precisione.

 

 

3. Fusione assistita dei sensori

Le IMU vengono spesso utilizzate insieme ad altri sensori (come GPS, tachimetri delle ruote e telecamere) per migliorare la robustezza del sistema attraverso la fusione di dati multisensore. Ad esempio:

Quando il segnale GPS viene perso (ad esempio, nei tunnel o in ambienti chiusi), le IMU possono fornire una navigazione inerziale ad alta precisione e a breve termine per mantenere la continuità del posizionamento.

La fusione con i dati del tachimetro delle ruote può ottimizzare ulteriormente la stima della posa e ridurre l'errore cumulativo.

 

Perché l'IMU è importante nella scansione 3D?

1. Precisione migliorata

Uno dei principali vantaggi dell'integrazione di un'IMU in un sistema di scansione 3D, come lo scanner Eagle LiDAR, è il significativo miglioramento della precisione. Lo scanner Eagle supporta livelli di precisione eccezionali: 2 cm a 10 m, 3 cm a 20 m e 5 cm a 40 m. Tale precisione è fondamentale per applicazioni di progettazione, topografia e ingegneria, dove anche piccole discrepanze possono portare a costosi errori.

 

2. Monitoraggio del movimento in tempo reale

Negli ambienti in cui lo scanner è in movimento, come la scansione 3D portatile o mobile, l'IMU a sei assi di Eagle, composta da un accelerometro a tre assi e un giroscopio a tre assi, svolge un ruolo fondamentale nel tracciare la posizione e l'orientamento dello scanner in tempo reale. Questa capacità è fondamentale per generare modelli 3D accurati, soprattutto in contesti dinamici come ambienti esterni o cantieri edili trafficati, dove le condizioni possono cambiare rapidamente.

 

 

3. Scansione di scene di grandi dimensioni

Lo scanner Eagle eccelle nell'acquisizione di scene di grandi dimensioni con un raggio di scansione singolo fino a 70 m e velocità di motion capture fino a 20 km/h. La capacità di scansionare aree estese (150 m x 150 m) in meno di 5 minuti migliora significativamente l'efficienza lavorativa, consentendo ai professionisti di coprire vaste aree con tempi di inattività minimi. Questa capacità è particolarmente vantaggiosa in settori come il monitoraggio ambientale e la pianificazione urbana, dove sono spesso richiesti grandi set di dati.

 

 

4. Scansione di scene complesse

Utilizzando la tecnologia SLAM (Simultaneous Localization and Mapping), Eagle costruisce modelli ambientali dettagliati ed esegue posizionamento e scansione in tempo reale. Questa tecnologia garantisce una modellazione accurata di spazi interni complessi con percorsi, livelli e ostacoli multipli. L'IMU contribuisce a mantenere l'accuratezza della posizione, garantendo così risultati di alta qualità in ambienti difficili.

 

 

5. Maggiore efficienza

Il feedback in tempo reale fornito dall'IMU riduce significativamente i tempi di raccolta ed elaborazione dei dati. Questa efficienza è particolarmente importante nei settori in cui il tempo è un fattore critico, come l'edilizia, la produzione e la risposta alle emergenze. Un'acquisizione dati più rapida consente ai team di prendere decisioni più rapidamente, migliorando in definitiva i risultati dei progetti.

 

 

6. Versatilità nelle applicazioni

Le IMU sono estremamente versatili e possono essere adattate a un'ampia gamma di applicazioni di scansione 3D, tra cui realtà virtuale, robotica e veicoli autonomi. La loro capacità di fornire un tracciamento accurato del movimento le rende adatte alla scansione sia in ambienti interni che esterni, ampliandone l'utilizzo in diversi settori.

 

In sintesi, un'unità di misura inerziale (IMU) è un componente essenziale nella moderna tecnologia di scansione 3D, in particolare in sistemi avanzati come lo scanner Eagle LiDAR. La sua capacità di migliorare la precisione, fornire immagini di alta qualità e tracciare il movimento in tempo reale la rende indispensabile in diverse applicazioni. Con la continua crescita della domanda di modelli 3D precisi ed efficienti, il ruolo delle IMU diventerà sempre più cruciale. Questa evoluzione aprirà la strada a progressi in settori che spaziano dall'architettura e dall'ingegneria all'intrattenimento e alle scienze ambientali. cos'è un'IMU e la sua importanza nella scansione 3D non solo aiuta i professionisti a sfruttarne appieno il potenziale, ma porta anche a risultati migliori e innovazioni nei rispettivi settori.