(Lezione 04.01 · 15 minuti · Sensori di movimento · Per tutti)

Il telefono sente il movimento.

Dentro il telefono una massa più piccola di un granello di sabbia sente ogni spinta. Qui scopri come accelerometro e giroscopio trasformano il movimento in sei tracce, e guardi le tue mentre muovi il telefono.

Cosa impari

Cosa misurano accelerometro e giroscopio, e perché la gravità si vede sempre
Cosa sono una finestra e le caratteristiche di una finestra
Perché i sensori di movimento sono perfetti per i modelli piccoli

Ti serve sapere

Se non ti ricordi una di queste cose, il link ti porta al capitolo che la spiega.

Come vuoi seguirla

Preparo la scena…

01 L'accelerometro
Il telefono sente le spinte in tre direzioni.

Dentro il telefono c'è una massa minuscola appesa a molle di silicio. Quando il telefono accelera, la massa resta un attimo indietro e le molle si piegano. Il chip misura quanto, in tre direzioni, x, y e z. È l'accelerometro. Anche fermo sul tavolo segna qualcosa, la gravità, circa 9,8 metri al secondo al quadrato verso il basso.

In pratica. Appoggia il telefono sul tavolo e guarda le tracce nella prova. L'asse che segna circa 9,8, in più o in meno, è quello perpendicolare al tavolo.
02 Il giroscopio
Il giroscopio sente le rotazioni.

Il giroscopio misura quanto in fretta il telefono gira intorno ai suoi tre assi, in gradi al secondo. Accelerometro e giroscopio insieme danno sei numeri, i sei assi del movimento. Con tutti e sei si distingue una scossa da una rotazione, e un passo da un giro del polso.

In pratica. Il giroscopio consuma più dell'accelerometro. Se il tuo modello funziona con i tre assi dell'accelerometro, la batteria ringrazia.
03 Le tracce
Decine di misure al secondo, per ogni asse.

I sensori di movimento non misurano di continuo. Prendono una misura a intervalli regolari, da 50 a qualche centinaio di volte al secondo. Nel browser ne arrivano di solito una sessantina. Messe in fila formano sei tracce, una per asse, che salgono e scendono mentre muovi il telefono. Camminare disegna un'onda che si ripete a ogni passo.

In pratica. Per i gesti della mano bastano 50 misure al secondo. Più misure vogliono dire più numeri da leggere, e di rado un modello migliore.
04 Le finestre
Si guarda un pezzo di due secondi alla volta.

Un gesto non sta in una misura sola, dura un attimo. Quindi il modello guarda una finestra, cioè un pezzo delle tracce lungo per esempio due secondi. Con 50 misure al secondo e sei assi, la finestra è un tensore^01.03 di 100 righe per 6 colonne. Poi la finestra scorre avanti di mezzo secondo e il modello risponde di nuovo.

In pratica. La finestra deve contenere il gesto intero. Misura quanto dura il tuo gesto più lento e scegli una finestra un po' più lunga.
05 Le caratteristiche
Pochi numeri che riassumono la finestra.

Invece di dare al modello tutte le 600 misure, si possono calcolare pochi numeri che le riassumono. La media di ogni asse, quanto oscilla, il valore più alto e il più basso, quanti picchi ci sono. Si chiamano caratteristiche, in inglese features. Con una trentina di caratteristiche basta un modello piccolissimo.

In pratica. Prima di addestrare metti una accanto all'altra le caratteristiche delle tue classi. Se una sola le separa già, come la media di un asse, non serve un modello complicato.
06 La gravità
La gravità si separa dal movimento.

La gravità sta sempre dentro le misure e cambia asse quando giri il telefono. Lo stesso gesto fatto con il telefono in verticale o in orizzontale dà tracce diverse. Per questo la si toglie, con un filtro che tiene solo le variazioni veloci. Il telefono lo fa già da solo, e nel browser dà le due versioni, con e senza gravità.

In pratica. Registra gli esempi tenendo il telefono in tutti i modi in cui lo terrà chi lo userà. In mano, in tasca, nello zaino.
07 In tasca
Il sensore resta acceso tutto il giorno.

A differenza della fotocamera, i sensori di movimento consumano pochissimo e possono restare accesi sempre. Il contapassi del telefono funziona così, con un piccolo processore a parte che conta anche a schermo spento. Un orologio fa lo stesso per accorgersi di una caduta. Per i modelli piccoli è il terreno ideale.

In pratica. Nel browser i sensori funzionano solo con la pagina aperta e in primo piano. Per lavorare a schermo spento serve un'app installata, non una pagina.

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(Approfondisci)

Qualche numero in più.

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Com'è fatto un accelerometro

L'accelerometro del telefono è un MEMS, un micro sistema elettro meccanico. Su un pezzo di silicio più piccolo di un millimetro c'è una massa mobile con tanti dentini, affacciati ad altri dentini fissi. Quando la massa si sposta, cambia la distanza tra i dentini e il chip misura la differenza come variazione di carica elettrica.

Di solito misura fino a 8 o 16 volte la gravità, abbastanza per una caduta o un salto. Costa pochi centesimi e consuma una frazione di milliwatt. Per questo lo trovi in ogni telefono, orologio, auricolare e controller.

9,81metri al secondo al quadrato, cioè 1 g
16 gil massimo che misurano molti accelerometri

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Le caratteristiche più usate

Nel 2012 un gruppo dell'Università di Genova ha pubblicato UCI HAR, uno dei dataset più usati per le attività. Trenta persone con un telefono alla cintura, sei attività tra camminare, salire le scale e stare seduti, 50 misure al secondo, finestre di 2,56 secondi. Per ogni finestra calcolarono 561 caratteristiche.

Nella pratica ne bastano molte meno. La tabella mostra quelle che si usano quasi sempre. L'errore tipico dei modelli su questo dataset è confondere stare seduti e stare in piedi, perché il telefono alla cintura è fermo in tutti e due i casi.

Caratteristica	Cosa dice	Buona per
Media di ogni asse	Come è orientato il telefono	Distinguere sdraiato, seduto, in piedi
Oscillazione	Quanto si muove	Fermo o in movimento
Minimo e massimo	I colpi più forti	Cadute, scosse, colpi
Numero di picchi	Quante volte si ripete il movimento	Passi, ripetizioni
Ritmo dominante	Quanto è veloce il ritmo	Camminare o correre

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I sensori nel browser, in codice

Nel browser i sensori arrivano con l'evento devicemotion. Su iPhone bisogna prima chiedere il permesso dentro un tocco dell'utente, su Android arrivano subito sulle pagine https. Ogni evento porta l'accelerazione con e senza gravità e la velocità di rotazione, più l'intervallo tra una misura e l'altra.

La prova di questa lezione fa proprio così. Ascolta l'evento, tiene gli ultimi due secondi di misure e ricalcola alcune caratteristiche cinque volte al secondo.

if (DeviceMotionEvent.requestPermission) await DeviceMotionEvent.requestPermission();
addEventListener("devicemotion", e => {
  const a = e.accelerationIncludingGravity;   // x, y, z in m/s²
  const g = e.rotationRate;                    // alpha, beta, gamma in gradi al secondo
  finestra.push([a.x, a.y, a.z, g.alpha, g.beta, g.gamma]);
});

(Prova sul telefono)

Le tracce dal vivo

Prendi il telefono in mano e premi il pulsante. Vedi le sei tracce che scorrono, l'accelerometro in alto e il giroscopio in basso. Sotto, alcune caratteristiche calcolate sugli ultimi due secondi. Prova a scuoterlo, a girarlo, a camminare.

Lo strumento ha bisogno di JavaScript acceso.

Su iPhone il telefono chiede il permesso per i sensori di movimento, tocca Consenti. Su computer non ci sono sensori, quindi la prova funziona solo sul telefono. Le misure non escono dalla pagina.

(Verifica)

4 domande per chiudere la lezione.

Quando rispondi a tutte, la lezione risulta fatta e sulla mappa la sua pietra diventa gialla. Conta rispondere, non il punteggio.

(01)

Il telefono è fermo sul tavolo. Cosa segna l'accelerometro?
(02)

Con 50 misure al secondo e sei assi, quanti numeri ci sono in una finestra di due secondi?
(03)

Perché si calcolano le caratteristiche invece di usare tutte le misure?
(04)

Il tuo modello riconosce un gesto solo con il telefono in verticale. Cosa conviene fare?

Parole nuove, e dove sono spiegate

Accelerometrocapitolo 1
Giroscopiocapitolo 2
Finestracapitolo 4
Caratteristichecapitolo 5

Fonti e letture

Per chiudere la lezione rispondi alla verifica

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