Progettazione e sviluppo di un'applicazione in realtà aumentata a supporto dell'apprendimento della Fisica = Design and development of an augmented reality application to support Physics learning

Realtà aumentata e realtà virtuale trovano negli ultimi anni sempre più applicazioni in ambiti differenti. Un utilizzo interessante che se ne può fare è quello nel campo della didattica e della formazione, si può infatti in questo modo procedere ad esempio all'addestramento in attività che sarebbero altrimenti pericolose, oppure si rende possibile visualizzare qualcosa che nella realtà è invisibile. Proprio da questa seconda esigenza è partito lo sviluppo dell'applicazione oggetto di questa tesi. Infatti nell'apprendimento della Fisica è spesso complicato comprendere concetti non visualizzabili nell'immediato, come ad esempio quelli di vettori velocità e forza nell'insegnamento di cinematica e dinamica. Il secondo problema che ci si è posti e in cui può venire in aiuto l'uso di realtà aumentata e virtuale è quello del discostamento tra la teoria e la pratica, ovvero tra quelli che sono i modelli e le formule ideali che si imparano nella teoria e i riscontri che si hanno invece nella realtà. Per lo sviluppo si è scelto di utilizzare Unity, un motore grafico che consente di creare contenuti interattivi, in quanto questo consente di sviluppare applicazioni multipiattaforma. Come dispositivo target principale dell'applicazione è stato scelto l'Oculus Quest 2, un visore prodotto da Meta che si presta molto bene alle necessità dello sviluppo dell'applicazione. L'esperimento scelto per essere visualizzato in realtà aumentata è quello della rotaia a cuscino d'aria, che permette di realizzare esperienze di moto rettilineo uniforme e di moto rettilineo uniformemente accelerato, quest'ultimo con la rotaia che può essere in piano ma anche inclinata. Per ottenere i dati di posizione e velocità del carrello sono stati posti su di esso due sensori, l'accelerometro equipaggiato dalla scheda Arduino Nano 33 Ble Sense e un lidar VL53L1X, che misura la distanza da un ostacolo posto di fronte e che è stato collegato alla scheda Arduino. Una volta inviati i dati dalla scheda al visore tramite Bluetooth Low Energy, si è implementato un filtro di Kalman, ovvero un algoritmo di sensor fusion, per unire questi dati con quelli teorici del modello della rotaia in modo da ottenere valori di posizione e velocità meno affetti da rumore. In questo modo l'utente è in grado di vedere in tempo reale e anche di rivedere più volte l'esperimento in realtà aumentata, visualizzando nell'ambiente un modello della rotaia e del carrello con i vettori forza e velocità e i rispettivi valori. Inoltre, in conformità con il secondo obiettivo prefissato, vi è la possibilità di vedere sovrapposti il movimento reale del cuscino e quello teorico calcolato secondo le formule, in modo da poterne apprezzare le differenze. Il lavoro svolto fino a questo punto apre ad altri scenari futuri, come lo sviluppo su dispositivi differenti, ad esempio i tablet, e la realizzazione di esperienze differenti.