Smartfony zmieniają pomiarowy świat

Odtwarzacz muzyki i filmów, dyktafon, radio, aparat fotograficzny, kamera, latarka – skoro już tyle urządzeń udało się pomieścić w telefonie, to może da się jeszcze wpakować precyzyjne instrumenty pomiarowe?

Centymetry z satelity

Można przypuszczać, że jako pierwszy do smartfonów trafi precyzyjny odbiornik satelitarny. Skoro już teraz GPS stanowi standardowe wyposażenie urządzeń mobilnych, to wystarczy podrasować hardware oraz (co już jest w zasadzie możliwie) podłączyć strumień korekt oraz zainstalować odpowiednią aplikację pomiarową. Wówczas zamiast dokładności kilkumetrowej będziemy mieli centymetrową.

Okazuje się jednak, że to wcale nie takie łatwe. Wciąż nierozwiązanym problemem pozostaje bowiem antena, która – by zapewnić wysoką dokładność – po prostu musi być duża. Wszystko przez tzw. efekt wielodrożności, czyli zjawisko, gdy niektóre sygnały dochodzą do odbiornika nie bezpośrednio z satelity, ale odbite np. od okolicznej zabudowy. Dobra antena odrzuca takie błędne sygnały, ale te malutkie, montowane w smartfonach, tego nie potrafią, co w skrajnych przypadkach obniża dokładność wyznaczania pozycji nawet do kilkudziesięciu metrów.

Powstawanie efektu wielodrożności (fot. Wikipedia)

geo_mobil_Rys1

Na szczęście i tu jest szansa na miniaturyzację. Na rynku pojawia się coraz więcej niewielkich urządzeń satelitarnych, które można podłączać do smartfonów, tak aby w oka mgnieniu zamienić je w odbiorniki o kilkucentymetrowej dokładności. Jednym z przykładów jest niemiecki instrument ppm 10xx, który przy wymiarach 5 x 3 x 11 cm waży raptem 130 g i można go sparować z praktycznie dowolnym sprzętem mobilnym – czy to z systemem Android, czy iOS. Koszt takiego wynalazku to około 7 tys. euro.

Niemiecki odbiornik ppm 10xx (fot. materiały prasowe producenta)

geo_mobil_Rys2

Podobne rozwiązanie – R1 – ma w swojej ofercie amerykański Trimble. Przy wymiarach 11,2 x 6,8 x 2,7 cm odbiornik waży 187 g. Jego cena zaczyna się od około 2,5 tys. dolarów. To wprawdzie znacznie taniej niż wspomniany przed chwilą niemiecki odbiornik, ale wynalazek Trimble’a nie obsługuje korekt RTK, co oznacza, że oferuje gorszą dokładność pomiaru, tj. na poziomie kilku decymetrów.

Trimble R1 – niewielkie pudełko zwiększające dokładność smartfona z kilku metrów do decymetrów (fot. materiały prasowe producenta)

geo_mobil_Rys3

Ale czy jest szansa, że centymetrowa dokładność będzie osiągalna bez żadnych nasadek? Nadzieję dają badania prowadzone przez specjalistów z Uniwersytetu w Tokio. Ich zdaniem rozwiązaniem problemu wielodrożności są… modele 3D zabudowy, na podstawie których wskazuje się satelity, które w danej lokalizacji nie powinny być widoczne dla odbiornika. Jeśli zaś instrument je wykrywa, oznacza to, że mamy do czynienia z efektem wielodrożności. Zaletą tej technologii jest to, że teoretycznie można z niej korzystać w niemal dowolnym smartfonie. Wystarczy zainstalować specjalną aplikację. Choć pierwsze testy wpadają obiecująco, to pomysł nie jest pozbawiony wad. Jedną z nich jest chociażby konieczność zapewnianie aktualnego modelu 3D, a wciąż wiele miast takowego nie posiada.

Na razie cieszmy się więc mniej spektakularnymi innowacjami, na przykład wykorzystaniem wielu systemów nawigacji satelitarnej, a więc nie tylko amerykańskiego GPS, ale także rosyjskiego GLONASS-a, europejskiego Galileo czy chińskiego BeiDou. W lepszych smartfonach i tabletach to już standard. Wprawdzie użycie większej liczby sygnałów zwiększa zużycie baterii, to z drugiej strony pozwala szybciej inicjalizować pomiary (w kilka zamiast kilkadziesiąt sekund) oraz utrzymywać kilkumetrową dokładność w miejskiej dżungli, górskich dolinach czy w lesie. Kolejnym krokiem w ewolucji amatorskich odbiorników satelitarnych będzie zapewne korzystanie z sygnałów nawigacyjnych nadawanych nie na jednej, ale na dwóch częstotliwościach, co pozwoli wyeliminować błąd związany z tzw. opóźnieniem jonosferycznym, które obniża dokładność odbiornika nawet o kilka metrów. Dodajmy jednak, że na razie żadnej satelitarny system nawigacji nie oferuje globalnego pokrycia dwiema częstotliwościami cywilnymi.

Laserem w punkt

Kolejnym kandydatem do wciśnięcia w smartfona jest dalmierz laserowy. Skoro urządzenia te są coraz mniejsze i do tego niedrogie, to czemu nie? Pierwszym krokiem w tym kierunku było opracowanie mobilnej aplikacji do przetwarzania pomiarów z dalmierza. W 2013 r. zaprezentowała ją Leica Geosystems. Zasada działania Disto Sketch (pisaliśmy szczegółowo o tej aplikacji w jednym z wcześniejszych publikacji na blogu) jest prosta. Pomiary wykonane dalmierzem transmitowane są przez Bluetooth do aplikacji, gdzie następnie użytkownik może je opisać, nałożyć na fotografię czy przetworzyć do postaci szkicu i wysłać dalej pocztą elektroniczną. Wprawdzie narzędzie jest bardzo przydatne, ale dalmierz jest wciąż odrębnym urządzeniem, a my żądamy większej wygody!

Drugą aplikacją szwajcarskiego producenta, która „łączy” dalmierze Bluetooth z zewnętrznymi smartfonami/tabletami/komputerami jest Disto Transfer (pisaliśmy szczegółowo o tej aplikacji w jednym z wcześniejszych publikacji na blogu). To narzędzie z kolei pozwala transmitować dane z dalmierza np. bezpośrednio do oprogramowania CAD.

Za pomocą aplikacji Leica Disto Transfer i dalmierza laserowego Leica Disto D510 można „rysować” w czasie rzeczywistym w oprogramowaniu CAD kształty mierzonych obiektów

geo_mobil_a

Jeszcze w tym samym roku z odsieczą przyszła szwajcarska firma Prexiso, która zaprezentowała iC4 – niewielką nasadkę, która zamienia iPhone’a w precyzyjny dalmierz laserowy. Przy wymiarach 107 x 57 x 34 mm i wadze 90 g urządzenie mierzy z dokładnością około 3 mm na dystansie do 20 metrów. Oczywiście oprócz samej nasadki producent oferuje również dedykowaną aplikację mobilną zawierającą wiele funkcji pomiarowych, w tym możliwość nanoszenia pomiarów na zdjęcia wykonane smartfonem. Cena takiego zestawu to nieco ponad 600 zł. Jego najpoważniejszą wadą było przystosowanie do konkretnego modelu iPhone 4.

Prexiso iC4 zamienia iPhone’a w dokładny dalmierz laserowy (fot. materiały prasowe producenta)

geo_mobil_Rys4b

W 2015 roku firma ikeGPS zaprezentowała urządzenie Spike (kosztujące około 300 dolarów). To już coś więcej niż tylko dalmierz laserowy. Dzięki integracji z wbudowaną w smartfon kamerą oraz odbiornikiem GPS instrument umożliwia nie tylko wyznaczenie odległości do punktu, ale także mierzenie punktów na zdjęciu, i to nawet po powrocie z terenu do biura lub domu. Nim jednak zachwycimy się tymi możliwościami, zaznaczmy, że są tu dwa duże „ale”. Po pierwsze, pomiary na zdjęciu możliwe są tylko w przypadku punktów położonych na jednej płaskiej powierzchni, np. ścianie. Co więcej, fotografia powinna być wykonywana możliwie prostopadle do tejże płaszczyzny. Drugie „ale” to dokładność pomiaru, która wynosi 3%. Oznacza to, że przy pomiarze obiektu odległego od nas o 10 metrów błąd może wynieść 30 cm. Z kolei przy 200 metrach (taki jest maksymalny zasięg Spike’a) dokładność spadnie do 6 metrów! Grubo!

Na pierwszy rzut oka możliwości dalmierza Spike robią wrażenie. Mankamentem urządzenia jest jednak jego dokładność (fot. materiały prasowe producenta)

geo_mobil_Rys5a

geo_mobil_Rys5b

Czy doczekamy się wreszcie przyzwoitego dalmierza, który nie będzie nasadką, ale integralnym elementem smartfona czy tabletu? Nadzieję daje Apple, który pod koniec 2014 roku złożył ciekawy wniosek patentowy. Korporacja chce zintegrować dalmierz z iPhone’em oraz wbudowanymi weń sensorami (Wi-Gi, GPS, orientacji), co pozwalałoby nie tylko mierzyć odległość, ale także nadawać pomierzonym punktom współrzędne geograficzne. Jakie będą możliwości takiego urządzenia, nie wiadomo. Zresztą, nie jest nawet pewne, czy w ogóle kiedykolwiek powstanie, bo przecież samo złożenie wniosku patentowego nie oznacza, że ów patent doczeka się realizacji.

 Ilustracja z wniosku patentowego Apple’a – schemat pomiaru za pomocą dalmierza wbudowanego w smartfon

geo_mobil_Rys6

Skanery laserowe

Puśćmy jeszcze bardziej wodze fantazji. Po co mierzyć pojedyncze punkty skoro można zbierać ich tysiące, a nawet miliony, i to w ciągu sekundy! Dokładnie tak jak skanery laserowe. Tylko czy urządzenie o wymiarach piłki nożnej i cenie grubo przekraczającej 100 tys. zł można zmieścić w smartofnie i do tego oferować za rozsądne pieniądze? Prototypy kolejnych wynalazków pokazują, że wszystko zmierza w tym kierunku.

Jednym z najbardziej obiecujących tego typu urządzeń jest tablet Google Tango, którego testową wersję zaprezentowano na początku 2014 roku. Możliwości urządzenia robią spore wrażenie. Mimo niewielkich rozmiarów instrument może mierzyć nawet 250 tys. punktów na sekundę. To więcej niż niektóre profesjonalne skanery laserowe! Jak to jest możliwe? Tango nie wykorzystuje lasera, ale tzw. sensor głębi obrazu, podobny jak np. w popularnych urządzeniach Kinect. Przekłada się to jednak na znacznie gorszą dokładność pomiaru niż w lidarze, która wynosi około 1%. Kiepski jest również zasięg – około 4 metrów. Z drugiej strony niewątpliwą zaletą urządzenia jest integracja sensora głębi z GPS-em, akcelerometrem, Wi-Fi, kompasem, barometrem i żyroskopem, co umożliwia wykorzystanie go jako mobilnego systemu kartowania – wystarczy przejść się np. po budynku, by pozyskać jego trójwymiarowy, szczegółowy model.

Tablet Google Tango może być wykorzystany np. do skanowania wnętrz budynków (fot. materiały prasowe producenta)

geo_mobil_Rys7a

geo_mobil_Rys7b

Wiele wskazuje na to, że tablet Tango jest pomysłem trafionym w dziesiątkę. Inaczej niż kontrowersyjne okulary Google’a, wynalazek spotkał się z pozytywnym przyjęciem ekspertów od technologii oraz zwykłych użytkowników. Sprawiło to, że od tego roku urządzenie jest już w regularnej sprzedaży i można je kupić za nieco ponad 500 dolarów. Co więcej, deweloperzy przygotowują pod jego kątem specjalne aplikacje. Przykładem jest choćby amerykański Trimble – znany producent rozwiązań geodezyjnych i GIS-owych, który krótko po premierze Tango zaprezentował dwie aplikacje na to urządzenie. SketchUp Scan umożliwia zeskanowanie za pomocą sensorów Tagno pomieszczenia oraz wygenerowanie jego trójwymiarowego modelu, który następnie można edytować w popularnej aplikacji SketchUp.

Z kolei Trimble Through The Wall umożliwia wirtualne przenikanie przez ścianę. Aplikacja łączy bowiem możliwość lokalizowania użytkownika tabletu z załadowanymi do jego pamięci modelami budynku. Dzięki temu użytkownik programu będzie w stanie w trybie rzeczywistości rozszerzonej zobaczyć np. przebieg instalacji ukrywających się za ścianą.

A co na to główny rywal Google’a, czyli Apple? Korporacja nie zasypia gruszek w popiele, bo już zgłosiła do amerykańskiego urzędu patentowego wniosek dotyczący podobnego wynalazku. Kiedy (i czy w ogóle) przerodzi się on w konkretne urządzenie, nie wiadomo.

Nie czekając na Apple’a, własne propozycje niewielkich skanerów 3D proponują inni wynalazcy. Na przykład naukowcy z California Institute of Technology (Caltech) zaprezentowali nanophotonic coherent imager (NCI). Ten czip o wielkości raptem 1 mm kwadratowego składa się z matrycy o wymiarach 4 px na 4 px. Każdy taki piksel działa na zasadzie dalmierza laserowego, a więc efektem pracy urządzenia jest „obraz” 16 px, gdzie każdemu pikselowy przyporządkowano informację o odległości oraz intensywności odbitego światła.

Nim jednak powiemy, że możliwości te są marne, warto zastrzec, że to na razie tylko demonstracja technologii. Naukowcy z Caltechu zwracają bowiem uwagę, że nic nie stoi na przeszkodzie, by matryca ta była znacznie większa i liczyła nawet tysiące pikseli. Poza tym urządzenie może mierzyć z większą szczegółowością, wykonując sekwencje pomiarów, które są następnie łączone w jeden „obraz”. Jako przykład zaprezentowano skan monety. Amerykańscy naukowcy zapewniają, że NCI jest bardzo obiecującym wynalazkiem i w niedalekiej przyszłości będzie mógł być integrowany z elektroniką użytkową, co ważne, po rozsądnych cenach.

Moneta zeskanowana w technologii NCI. Szczegółowość robi wrażenie! (fot. Caltech)

geo_mobil_Rys8

Znacznie bliżej komercyjnego wdrożenia jest pomysł trójki australijskich wynalazców. Ich niewielkie urządzenie Eora 3D można zintegrować przez Bluetooth z niemal dowolnym smartfonem, co pozwala zamienić go w skaner laserowy mierzący na odległość 1 metra z dokładnością sięgającą nawet 100 mikronów (0,1 mm). Pomiar może być wykonany na dwa sposoby – albo poprzez umieszczenie przedmiotu na obrotowej platformie, albo poprzez sklejenie kilku skanów wykonanych z różnych pozycji, co umożliwia specjalnie przygotowana mobilna aplikacja. Przy takich parametrach, inaczej niż Google Tango, Eora 3D zdecydowanie nie przyda się do skanowania wnętrz. Sprawdzi się jednak do generowanie modeli 3D niewielkich obiektów i np. ich późniejszego wydruku w trzech wymiarach.

Urządzenie Eora 3D jest już w zasadzie gotowe, choć na uruchomienie seryjnej produkcji trzeba jeszcze poczekać do połowy przyszłego roku. Koszt instrumentu ma wynosić raptem około 200 dolarów. Warto dodać, że już teraz urządzenie spotkało się z ogromnym zainteresowaniem. Fundusze na rozwój wynalazku zbierano bowiem na crowdfundingowym portalu Kickstarter. Australijczycy zamierzali uzyskać w ten sposób 80 tys. dolarów, a na ich konto trafiła suma pięć razy większa!

 Skaner Eora 3D zaprojektowano z myślą o pomiarach małych przedmiotów i ich wydruku 3D (fot. materiały prasowe producenta)

geo_mobil_Rys9

Podziel się z innymi!

Komentuj

Your email address will not be published. Required fields are marked *

seven − five =