IT201600109633A1

IT201600109633A1 - Procedimento e sistema di controllo adattivo in un veicolo terrestre per l'inseguimento di un percorso, particolarmente in uno scenario di guida autonoma.

Info

Publication number: IT201600109633A1
Application number: IT102016000109633A
Authority: IT
Inventors: Michele Giorelli; Matteo Corno; Federico Roselli; Sergio Matteo Savaresi
Original assignee: Magneti Marelli Spa; Milano Politecnico
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2018-05-01
Also published as: MX2019005094A; BR112019008805A2; CN110036353B; CN110036353A; EP3377953B1; US20190276016A1; US11318936B2; WO2018078606A1; EP3377953A1

Description

“Procedimento e sistema di controllo adattivo in un veicolo terrestre per l'inseguimento di un percorso, particolarmente in uno scenario di guida autonoma”

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda in generale i sistemi di assistenza alla guida di un veicolo terrestre, e in particolare un sistema di bordo veicolo ed un procedimento per assistere un veicolo terrestre, in particolare in uno scenario di guida assistita o di guida autonoma nell'inseguimento di una traiettoria predefinita.

Più specificamente, l'invenzione riguarda un procedimento ed un sistema di controllo del movimento laterale di un veicolo terrestre rispettivamente secondo il preambolo della rivendicazione 1 e della rivendicazione 10.

Negli ultimi anni, i progressi ottenuti nell’equipaggiamento dei veicoli terrestri (di seguito, semplicemente, veicoli) con sistemi attivi di assistenza del conducente alla guida del veicolo hanno contribuito ad un notevole miglioramento della sicurezza stradale.

La sfida del futuro è quella di progettare veicoli a guida autonoma e rendere sicura la loro marcia in un contesto stradale affollato da altri veicoli, siano anch'essi veicoli a guida autonoma o veicoli guidati da un conducente.

La marcia di un veicolo autonomo è in generale governata congiuntamente da un sistema di navigazione e da un sistema di definizione di traiettoria. Il sistema di navigazione di bordo è predisposto per una programmazione di un percorso su larga scala, ossia su una scala di rete stradale (scala geografica), che avviene determinando una serie di segmenti stradali consecutivi atti a collegare una prestabilita posizione di origine con una prestabilita destinazione, eventualmente variabile dinamicamente in funzione di condizioni di traffico rilevate o di prestabiliti vincoli di percorrenza della rete stradale preimpostati (ad esempio, chiusura al transito di alcuni tratti stradali per lavori in corso). Il sistema di definizione di traiettoria è predisposto per una elaborazione automatica di traiettorie di movimento del veicolo su scala locale, dell'ordine di alcune decine o centinaia di metri, atte a realizzare il percorso programmato dal sistema di navigazione. Ciò avviene determinando posizione, direzionalità e velocità del veicolo nel tempo in funzione di predeterminati vincoli di movimento, ad esempio vincoli dinamici propri del veicolo - tra cui la velocità, l'accelerazione longitudinale, l'angolo di sterzatura massimi - e vincoli ambientali - tra cui ostacoli di percorso, ed in funzione di predeterminate ottimizzazioni, ad esempio la minimizzazione dell'accelerazione laterale del veicolo.

In un contesto di guida autonoma un veicolo è predisposto per seguire un predefinito percorso urbano o extraurbano percorrendo una serie di tratti stradali, ad esempio determinati da un sistema di navigazione di bordo, lungo rispettive traiettorie definite da coordinate cartesiane variabili nel tempo ((XT(t), YT(t)) e calcolate in tempo reale in funzione del tratto stradale attraverso il quale si compie il percorso predefinito e delle condizioni di traffico reale che interessano il suddetto tratto, rilevate attraverso sistemi sensori che equipaggiano il veicolo quali ad esempio mezzi di ripresa dell'ambiente circostante il veicolo ed associati sistemi per il riconoscimento della segnaletica stradale, mezzi sensori radar o laser ed associati sistemi per il riconoscimento di ostacoli.

In un veicolo, la posizione e la direzione correnti sono acquisite tramite fusione dei dati rilevati dai sistemi sensori che equipaggiano il veicolo (ad esempio, GPS, videocamere, rilevatori radar, rilevatori laser, ...). Il controllo longitudinale del veicolo - ossia il suo avanzamento lungo la traiettoria calcolata - è eseguito attuando il sistema propulsore o l'impianto frenante, mentre il controllo laterale del veicolo - ossia il controllo della direzionalità del veicolo - è eseguito attuando l'impianto sterzante.

Nella tecnica nota il problema di inseguimento di un percorso predefinito, ovvero di una traiettoria calcolata appartenente a tale percorso, è in prima analisi indipendente dal controllo longitudinale del veicolo (ossia dalla velocità con cui il veicolo compie il percorso), ma è sostanzialmente un problema di controllo laterale del veicolo. Esso è matematicamente equivalente ad un problema di minimizzazione della distanza tra la posizione nota corrente del veicolo (del baricentro o centro di massa del veicolo) - acquisita da sistemi sensori di bordo - ed una traiettoria di riferimento - definita da un modulo di elaborazione di traiettoria su una scala locale in funzione dei vincoli di moto del veicolo.

Un aspetto cruciale nel controllo dell'inseguimento di un percorso predefinito da parte di un veicolo a guida autonoma è, inoltre, la possibilità di utilizzare informazioni disponibili della traiettoria di riferimento in un’area avanti al veicolo (in un tempo futuro vicino) per migliorare le prestazioni del sistema di controllo laterale del veicolo mediante un approccio non limitato alle informazioni correnti, ma arricchito di una componente di proiezione futura.

In figura 1 è mostrato un grafico che rappresenta i parametri utilizzati dalle strategie più comuni di controllo laterale di un veicolo, che sono la distanza tra il baricentro B del veicolo (il veicolo è complessivamente indicato con V e rappresentato schematizzando le ruote sterzanti anteriori FW e le ruote posteriori RW) e la traiettoria T di riferimento - di seguito indicato come offset laterale e - e la differenza tra la direzione corrente del veicolo h e la direzione tangenziale alla traiettoria T nel punto della traiettoria ortogonalmente più vicino al veicolo - di seguito indicato come errore di direzione Δψ. Questi parametri sono impiegati per definire un errore di previsione virtuale ep= e xpΔψ, dove xpè la distanza tra la posizione corrente del veicolo (del baricentro del veicolo) e una posizione avanzata prevista del veicolo (del baricentro del veicolo), ossia una posizione in cui è stimata la posizione del baricentro del veicolo dopo un predeterminato lasso di tempo. L'obiettivo del sistema di controllo è quello di mantenere l'errore di previsione virtuale epuguale a zero, che equivale a mantenere nulli sia l'offset laterale che l'errore di direzione.

Una variante di questa tecnica è basata sulla minimizzazione di un offset laterale previsto in un predeterminato intervallo di tempo, utilizzando un modello dinamico del veicolo.

Un diverso approccio è basato sul controllo dell'errore di previsione reale, definito come distanza tra una posizione avanzata prevista del veicolo (del baricentro del veicolo), ossia una posizione in cui è stimata la posizione del baricentro del veicolo dopo un predeterminato lasso di tempo o a una predeterminata distanza di avanzamento lungo l'asse longitudinale del veicolo, e la traiettoria di riferimento. La posizione avanzata prevista del veicolo (del baricentro del veicolo) è definita come posizione avanzata virtuale sull'asse longitudinale del veicolo ad una distanza prefissata dladal baricentro corrente del veicolo, ad esempio dell'ordine di alcuni metri o decine di metri in condizioni di guida ad elevate velocità, quale in marcia lungo una autostrada, o dell'ordine del metro o inferiore (maggiore di 20 cm) in condizioni di guida a ridotta velocità, quale in marcia in un centro urbano o in una manovra di parcheggio. L'obiettivo del sistema di controllo è quello di minimizzare l'errore di previsione reale, il che non implica la minimizzazione della distanza tra la posizione del veicolo (del baricentro del veicolo) e la traiettoria predefinita.

Nella tecnica nota, altri approcci sono stati considerati basati, ad esempio, sul controllo della velocità di imbardata del veicolo, dove un errore di previsione virtuale è utilizzato per generare un segnale di riferimento della velocità di imbardata.

In nessun caso, gli algoritmi noti nella tecnica consentono di tenere in considerazione l'evoluzione della traiettoria di riferimento per ottimizzare nel tempo il controllo laterale del veicolo.

La presente invenzione si prefigge lo scopo di fornire una soluzione soddisfacente al problema esposto.

Secondo la presente invenzione tale scopo viene raggiunto grazie ad un sistema per il controllo adattivo di un veicolo terrestre per l'inseguimento di un percorso avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 1.

Forma ulteriore oggetto dell'invenzione un procedimento per il controllo adattivo di un veicolo terrestre per l'inseguimento di un percorso, come rivendicato.

Modi particolari di realizzazione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto è da intendersi come parte integrale della presente descrizione.

In sintesi, la presente invenzione si fonda sul principio di combinare il controllo dell'offset laterale del veicolo (del baricentro del veicolo) -indicato nel seguito con ecg- e dell'errore di previsione reale - indicato nel seguito con ela, complessivamente definiti errore laterale del veicolo, per sfruttare la conoscenza dell'evoluzione della traiettoria di riferimento nel tempo, in particolare nel tempo futuro. La considerazione di fondo della presenta invenzione è che, nel corso di una marcia a velocità v costante lungo una trattoria curva con raggio di curvatura ϱtcostante, l'errore di previsione ideale non dovrebbe essere necessariamente nullo, ma dovrebbe essere comunque costante.

Pertanto, il problema matematico di inseguimento di una traiettoria di riferimento è formulato secondo l'invenzione come problema di minimizzazione di due variabili, l'offset laterale ecge la derivata prima dell'errore di previsione e'la.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente di una sua forma di attuazione, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la figura 1 è un grafico rappresentativo di una strategia di controllo laterale di un veicolo nell'inseguimento di una traiettoria curva, secondo la tecnica nota;

la figura 2 è un grafico rappresentativo di una strategia di controllo laterale di un veicolo nell'inseguimento di una traiettoria curva, secondo l'invenzione;

la figura 3 è uno schema a blocchi di un sistema di controllo oggetto dell'invenzione;

la figura 4 è uno schema a blocchi che rappresenta i parametri della dinamica laterale del veicolo;

le figure 5a e 5b sono schemi di un sistema di controllo H∞;

la figura 6 è una esemplificazione del sistema di controllo oggetto dell'invenzione, in una prima forma di realizzazione semplificata;

la figura 7 è una esemplificazione del sistema di controllo oggetto dell'invenzione, in una forma di realizzazione perfezionata;

la figura 8 mostra una serie di grafici indicativi delle prestazioni a confronto di differenti sistemi di controllo; e

la figura 9 è un grafico che mostra la distanza di avanzamento prevista ottimale lungo la direzione di avanzamento del veicolo in funzione della velocità del veicolo.

In figura 2 è mostrato un grafico rappresenta tivo della strategia di controllo laterale di un veicolo V, ad esempio un veicolo a guida autonoma, che insegue una traiettoria curva T in un percorso predefinito, discosto da essa.

Il veicolo V è rappresentato dal proprio baricentro B compreso tra le ruote sterzanti anteriori, schematizzate con FW, e le ruote posteriori, schematizzate con RW.

Nel grafico, la direzione di avanzamento locale del veicolo è indicata a tratteggio con h, e con Δψ è indicato l'angolo tra la direzione di avanzamento locale del veicolo h e la direzione locale ψ della traiettoria T nel punto della traiettoria più vicino al baricentro del veicolo. Un angolo di sterzatura corrente del veicolo (delle ruote anteriori FW del veicolo) rispetto alla direzione di avanzamento locale del veicolo h è rappresentato con δw, ed il vettore velocità del veicolo è rappresentato applicato al baricentro B, con modulo v ed orientamento ad un angolo β rispetto alla direzione di avanzamento locale del veicolo.

Lungo la direzione di avanzamento locale h, ad una predeterminata distanza dal baricentro del veicolo, è identificato il punto P rappresentativo di una posizione avanzata prevista del veicolo (del baricentro del veicolo), ossia una posizione in cui è stimata la posizione del baricentro del veicolo dopo un predeterminato lasso di tempo in funzione della sua direzione di avanzamento locale nota. Con dlaè di seguito indicata una distanza di avanzamento prevista tra la posizione avanzata prevista del veicolo (del baricentro del veicolo) e la posizione corrente del veicolo (del baricentro del veicolo).

La traiettoria T, che è una traiettoria curva con raggio di curvatura (costante o variabile) ϱT, è rappresentata come successione di una pluralità discreta di punti di traiettoria che nella esecuzione del procedimento descritto, considerata a titolo esemplificativo, è compresa tra un primo punto di estremità iniziale Esed un secondo punto di estremità finale Ef.

La distanza tra il veicolo V, ossia il baricentro B del veicolo, e la traiettoria T rappresenta l'offset laterale ed è contrassegnata in figura con ecg, mentre con elaè indicato l'errore di previsione reale, ossia la distanza tra la posizione avanzata prevista del veicolo (del baricentro del veicolo) P lungo la direzione di avanzamento locale h e la traiettoria T.

In figura 3 è mostrato uno schema a blocchi di un sistema di controllo della dinamica laterale di un veicolo oggetto dell'invenzione.

Il sistema di controllo comprende un modulo 10 di raccolta e fusione di dati predisposto per elaborare la fusione di dati D rilevati da sensori di bordo, a puro titolo di esempio i dati di localizzazione satellitare del veicolo e i dati di riconoscimento dell'ambiente circostante il veicolo provenienti da sensori laser, telecamere, sensori radar e sensori ad ultrasuoni o da una combinazione anche parziale di questi. Il modulo 10 è atto ad emettere un segnale s10indicativo di una terna di dati, rispettivamente le coordinate X e Y della posizione reale corrente del veicolo e l'angolo ψ di direzione reale corrente del veicolo.

Con 12 è indicato un modulo di definizione di traiettoria, predisposto per calcolare una traiettoria locale di movimento del veicolo atta a realizzare il percorso programmato dal sistema di navigazione in funzione dei vincoli ambientali (ad esempio, le condizioni di traffico o gli ostacoli) rilevati in tempo reale. Il modulo di definizione di traiettoria 12 è atto ad emettere un segnale s12indicativo di una terna di dati, rispettivamente le coordinate attese del veicolo lungo una predeterminata traiettoria T, XT(t) e YT(t), variabili nel tempo, e la direzione di avanzamento locale attesa, anch'essa variabile nel tempo ψT(t).

I segnali s10ed s12, rispettivamente emessi dal modulo di raccolta e fusione dati 10 e dal modulo di definizione di traiettoria 12 sono forniti in ingresso ad un modulo di elaborazione per il calcolo dell'errore laterale del veicolo, indicato nel complesso con 14, che sarà descritto in maggior dettaglio nel seguito. Si precisa sin d'ora che la figura omette la rappresentazione di un modulo di calcolo dell'errore longitudinale, che è altresì necessario per attuare un controllo longitudinale del veicolo, e quindi un controllo completo della dinamica del veicolo ad esempio in applicazioni di guida autonoma, ma non forma oggetto della presente invenzione.

Il modulo di elaborazione per il calcolo dell'errore laterale del veicolo è predisposto per calcolare l'offset laterale ecge l'errore di previsione ela. Un modulo di calcolo differenziale, indicato con 16 è predisposto per eseguire una operazione di calcolo della derivata dell'errore di previsione ela, che viene di seguito contrassegnata con e'la.

Infine, l'offset laterale ecge la derivata dell'errore di previsione e'lasono forniti in ingresso ad un modulo di controllo laterale 18, che sarà meglio descritto nel seguito, atto a calcolare l'angolo di sterzatura δwnecessario per operare una correzione della direzione di avanzamento del veicolo tale da consentire l'inseguimento della traiettoria T predefinita.

Con riferimento alle figure 2 e 3 è ora descritta in maggior dettaglio la routine di calcolo dell'offset laterale ecge della derivata dell'errore di previsione e'la, che è eseguita dal modulo di elaborazione per il calcolo dell'errore laterale del veicolo 14.

Il modulo di elaborazione per il calcolo dell'errore laterale del veicolo 14 riceve in ingresso la posizione del baricentro del veicolo e la sua direzione di avanzamento locale, ossia la terna di dati (X, Y, ψ) e la rappresentazione della traiettoria T del percorso predefinito generata dal modulo di definizione di traiettoria 12, ossia la terna di dati (XT(t), YT(t), ψT(t)).

Al fine di disaccoppiare il problema di controllo del movimento longitudinale dal problema di controllo del movimento laterale del veicolo, l'offset laterale ecgnon è calcolato considerando le coordinate della traiettoria T pianificate al tempo corrente (XT(tc), YT(tc)), ma è definito come distanza minima tra la posizione del baricentro del veicolo e l'intera traiettoria T, mentre il problema del controllo longitudinale è tipicamente trattato definendo una velocità longitudinale di riferimento in corrispondenza delle posizioni lungo la traiettoria T dipendente dal tempo.

In generale, l'offset laterale è calcolato come distanza tra la posizione del (baricentro del) veicolo e la linea retta passante per il punto di traiettoria più vicino al (baricentro del) veicolo e diretto lungo la direzione locale (tangente alla traiettoria), il punto di traiettoria più vicino al (baricentro del) veicolo essendo identificato come il punto di traiettoria alla minima distanza euclidea dalla posizione del baricentro del veicolo.

In dettaglio, l'offset laterale è calcolato eseguendo in iterazioni successive le operazioni seguenti presso il modulo di calcolo dell'errore laterale 14.

Innanzitutto, per ciascuna iterazione è definito un segmento di traiettoria comprendente una pluralità di coordinate discrete della traiettoria T a partire da un primo punto di estremità iniziale Es, che è identificato dal punto di minima distanza dal veicolo determinato all'iterazione precedente, fino ad un secondo punto di estremità finale Ef, identificato imponendo una lunghezza predeterminata al segmento di traiettoria comprendente un numero prefissato di punti discreti (che possono essere tra loro equamente distanziati o maggiormente concentrati in prossimità di variazioni di direzione), in cui detto numero prefissato di punti è sufficientemente elevato da contenere un punto di minima distanza dal veicolo. In generale, il numero di punti discreti e la lunghezza del segmento di traiettoria dipendono dalla velocità di avanzamento corrente del veicolo e dalla direzionalità del segmento stesso. Infatti, se ci sono cambi di direzione repentini è preferibile avere segmenti più brevi rispetto al caso in cui il veicolo percorre una traiettoria rettilinea. In alternativa, è possibile prestabilire una lunghezza costante del segmento di traiettoria che sia maggiore della, o al limite uguale alla, massima distanza percorribile dal veicolo alla massima velocità teorica in un tempo di campionamento del sistema di controllo.

Quindi, viene identificato il punto del segmento di traiettoria più vicino al (baricentro del) veicolo mediante un algoritmo iterativo che comprende i seguenti passi:

1. È calcolata la distanza tra il punto di estremità iniziale Esdel segmento di traiettoria ed il (baricentro del) veicolo, tale distanza è memorizzata provvisoriamente come valore di distanza minima ed il punto di estremità iniziale del segmento di traiettoria è identificato provvisoriamente come punto più vicino al (baricentro del) veicolo;

2. È calcolata la distanza tra il punto successivo sul segmento di traiettoria ed il (baricentro del) veicolo e se questo valore è inferiore al valore di distanza minima memorizzata allora è memorizzato provvisoriamente come nuovo valore di distanza minima e detto punto è identificato provvisoriamente come nuovo punto più vicino al (baricentro del) veicolo, altrimenti sono mantenuti i dati ottenuti al passo precedente;

3. La procedura al passo precedente è ripetuta per tutti i punti successivi sul segmento di traiettoria;

4. L'algoritmo si arresta al raggiungimento del punto di estremità finale Efdel segmento di traiettoria, o prima se il valore di distanza calcolato è molto maggiore della distanza minima memorizzata, impostabile in sede di progetto.

Infine, successivamente all'identificazione del punto del segmento di traiettoria più vicino al (baricentro del) veicolo è calcolato l'offset laterale come distanza tra il (baricentro del) veicolo e la linea retta passante per il punto più vicino al (baricentro del) veicolo e diretta nella direzione localmente tangente alla traiettoria (indicata con ψT(t) in figura 2).

Analogamente è calcolato l'errore di previsione elaa partire dalla conoscenza della direzione del veicolo e dalla posizione avanzata prevista del (baricentro del) veicolo, rappresentata in figura 2 dal punto P, ossia dalla posizione in cui è stimata la posizione del (baricentro del) veicolo dopo un predeterminato lasso di tempo o a una predeterminata distanza di avanzamento. L'errore di previsione elaè calcolato come distanza della posizione avanzata prevista del (baricentro del) veicolo (punto P) rispetto alla traiettoria predefinita, secondo la medesima procedura iterativa descritta sopra. 1. È calcolata la distanza tra il punto di estremità iniziale Esdel segmento di traiettoria e la posizione avanzata prevista del (baricentro del) veicolo, tale distanza è memorizzata provvisoriamente come valore di distanza minima ed il primo punto del segmento di traiettoria è identificato provvisoriamente come punto più vicino alla posizione avanzata prevista del (baricentro del) veicolo;

2. È calcolata la distanza tra il punto successivo sul segmento di traiettoria e la posizione avanzata prevista del (baricentro del) veicolo e se questo valore è inferiore al valore di distanza minima memorizzata allora è memorizzato provvisoriamente come nuovo valore di distanza minima e detto punto è identificato provvisoriamente come nuovo punto più vicino alla posizione avanzata prevista del (baricentro del) veicolo, altrimenti sono mantenuti i dati ottenuti al passo precedente;

Infine, successivamente all'identificazione del punto del segmento di traiettoria più vicino alla posizione avanzata prevista del (baricentro del) veicolo è calcolato l'errore di previsione elacome distanza tra la posizione avanzata prevista del (baricentro del) veicolo e la linea retta passante per il punto più vicino alla posizione avanzata prevista del (baricentro del) veicolo e diretta nella direzione localmente tangente alla traiettoria.

La derivata e'ladell'errore di previsione è calcolata con un filtro passa alto realizzato come filtro discreto di ordine n fisso, la cui frequenza di taglio è un parametro accordabile in dipendenza dal livello di rumore e dalla quantizzazione dei segnali ricevuti dal sistema di localizzazione geografico di bordo.

In figura 4 è mostrato schematicamente un modello di dinamica laterale del veicolo. Il sistema è un sistema a singolo ingresso - l'angolo di sterzatura del veicolo δw- e multipla uscita - l'offset laterale ecge la derivata dell'errore di previsione e'la. In funzione dell'angolo di sterzatura δwimposto al veicolo, ad esempio determinato dal modulo di controllo laterale 18 del sistema di con trollo della dinamica laterale del veicolo, appartenente ad un più generale sistema di guida autonoma del veicolo, lo schema rappresenta la relazione dinamica tra la velocità di imbardata r e l'angolo di deriva β del veicolo (ossia l'angolo tra la velocità del veicolo riferita al centro di massa e la direzione dell'asse longitudinale), e i due errori ecge e'la, ove Gvehicle(s) rappresenta - in modo noto - la funzione di trasferimento tra l'angolo di sterzatura imposto e la velocità di imbardata r e l'angolo di deriva β del veicolo, ottenuta dalla linearizzazione delle equazioni che governano la dinamica del veicolo nel piano. In figura il calcolo dei due errori ecge e'laè condotto ricavando Δψ' che rappresenta la differenza tra la velocità di imbardata del veicolo e la velocità di curvatura della traiettoria nel punto più vicino al veicolo. Integrando Δψ' (blocco 1/s) si ottiene Δψ, cioè la differenza tra l'orientamento del veicolo e l'orientamento della traiettoria di riferimento nel punto più vicino al veicolo. Sommando Δψ e l'angolo di deriva β del veicolo e moltiplicando per la velocità longitudinale del veicolo v si calcola la velocità dell'offset laterale, integrando quest'ultima (blocco 1/s) si ottiene l'errore al baricentro o offset laterale ecg. Sommando la velocità dell'offset laterale con il prodotto tra Δψ' e la distanza di avanzamento prevista dlasi calcola la derivata dell'errore di previsione e'la.

La figura 4 rappresenta quindi uno dei possibili modi in cui si può calcolare la previsione della posizione del baricentro del veicolo ad una distanza prefissata, che si basa sull'ipotesi che il veicolo prosegua lungo la sua direzione longitudinale corrente.

Il modulo di controllo 18 è preferibilmente sintetizzato per applicare un metodo di controllo H∞e realizzato sulla base del modello di dinamica laterale del veicolo definito in figura 4. Il problema di controllo H∞è dunque espresso come problema di ottimizzazione matematica, per cui le prestazioni desiderate del modulo di controllo 18 sono definite attraverso funzioni di peso applicate ad una pluralità di variabili di interesse, che in questo caso sono l'angolo di sterzatura δw, il raggio di curvatura della traiettoria predefinita ϱt, l'offset laterale ecge l'errore di previsione ela.

Un modello di controllo H∞di un impianto P è mostrato in figura 5a. L'impianto P ha due ingressi, rispettivamente un ingresso esogeno w che include segnali di riferimento e disturbi e un ingresso di variabili controllate u, e presenta due uscite, rispettivamente una uscita di variabili di prestazione z, che include segnali di errore che si vuole minimizzare, ed una uscita di variabili misurate v, che include segnali che sono utilizzati per controllare l'impianto. Le variabili misurate v sono utilizzate in un blocco K per calcolare la variabile controllate di ingresso all'impianto u.

In figura 5b è mostrato il modello di controllo H∞dell'impianto di sterzatura del veicolo e del veicolo, che tiene conto sia della dinamica dello sterzo che della dinamica laterale del veicolo, dove con P(s) è indicato il veicolo e l'impianto di sterzatura del veicolo nel complesso e con C(s) il modulo di controllo laterale 18, in cui la variabile d'ingresso angolo di sterzatura (δw) e le variabili rappresentative degli errori calcolati secondo la presente invenzione (ecg, e'la) - che sono le variabili di prestazione del sistema - sono elaborate attraverso rispettivi moduli di pesatura indicati complessivamente con Wo(s), ed indicate rispettivamente δ<w>

w, e<w>

cge e'<w>

la. Le variabili δ<w>

w, e<w>

cge e'<w>lasono rappresentabili come l'uscita di rispettivi filtri dinamici (Wo<{1}>, Wo<{2}>, Wo<{3}>) e sono rappresentabili nel dominio di Laplace come segue:

δ<w>

w(s) = Wo<{1}>(s) * δw(s);

e<w>

cg(s) = Wo<{2}>(s) * ecg(s);

e'<w>

la(s) = Wo<{3}>(s) * e'la(s).

Preferibilmente, anche il segnale di riferimento di ingresso esogeno, il raggio di curvatura locale della traiettoria predefinita ϱt, è elaborato attraverso un rispettivo modulo di pesatura Wi(s).

La pesatura delle variabili consente di specificare l'importanza degli errori nel dominio della frequenza sulla base delle prestazioni desiderate e di regolare il comportamento del controllore, per una maggiore velocità di risposta o per una maggiore robustezza a disturbi esterni. Ad esempio, può essere privilegiato un errore di inseguimento della traiettoria piccolo a costo di un’energia di attuazione elevata oppure può essere impostato un diverso equilibrio tra i diversi aspetti del controllo (errore di inseguimento, costo di attuazione, robustezza a errori di misura e reiezione dei disturbi di carico).

Diversamente dagli algoritmi noti basati sulla minimizzazione dell'errore di previsione virtuale, il sistema ed il procedimento di controllo oggetto dell'invenzione consentono vantaggiosamente di tenere in conto l'evoluzione futura della curvatura della traiettoria predefinita in virtù del fatto che viene determinato un errore di previsione reale, ossia viene calcolata una distanza reale tra la posizione avanzata stimata del (baricentro del) veicolo e la traiettoria predefinita, per cui il controllo può anticipare una manovra di ingresso in curva del veicolo e superare l'inconveniente di un ritardo nell'inseguimento della traiettoria predefinita che è introdotto dalla dinamica del veicolo. Convenientemente, la posizione avanzata stimata del (baricentro del) veicolo, o meglio la distanza di avanzamento prevista, può essere considerata un parametro accordabile per regolare l'azione anticipatoria del controllo migliorando la prontezza predittiva del sistema oggetto dell'invenzione, in particolar modo nel caso di manovre ad alta dinamica.

Nelle figure 6 e 7 è schematizzato l'algoritmo alla base del modulo di controllo laterale o controllore 18, che - come riferito sopra - è un algoritmo di ottimizzazione del controllo del tipo H∞.

Specificamente, l'algoritmo di controllo è funzione del modello di dinamica laterale del veicolo definito in figura 4 e delle funzioni di peso attribuite alle variabili δ<w>

w, e<w>

cge e'<w>

la.

Il modulo di controllo laterale o controllore 18 è un sistema dinamico che può essere rappresentato con equazioni nello spazio degli stati, caratterizzate dalle matrici A, B, C, D:

L'uscita y è l'angolo di sterzatura e l'ingresso u è un vettore di due variabili, rispettivamente l'offset laterale ecge la derivata dell'errore di previsione e'la. A è una matrice n x n dove n è l'ordine del controllore che dipende dall'ordine dell'impianto e dall'ordine delle funzioni di peso, B è una matrice n x 2, C è una matrice 1 x n e D è una matrice 1 x 2. Le matrici A, B, C, D sono il risultato di una ottimizzazione matematica effettuata definendo il modello del veicolo e i pesi, e non hanno una rappresentazione in forma chiusa.

In una forma di realizzazione perfezionata l'algoritmo di controllo è realizzato in modo tale da tenere in conto la velocità v del veicolo ed è rappresentato in figura 7. È noto infatti che la velocità di marcia del veicolo ne influenza la dinamica. In questo caso, l'algoritmo di controllo riceve come ingresso anche la velocità longitudinale corrente del veicolo e calcola le matrici A(v), B(v), C(v) e D(v) che sono dunque dipendenti dalla velocità del veicolo. In questo caso, il modulo di controllo laterale o controllore 18 è un controllore LPV (linear parameter-varying, o controllo lineare a parametri variabili) e può essere rappresentato con equazioni nello spazio degli stati:

Ciò significa che vantaggiosamente il modo di controllo viene via via programmato nel tempo in funzione della velocità del veicolo, ad esempio con una frequenza di 50Hz per cui l'angolo di sterzatura è determinato sulla base dell'offset laterale ecg, della derivata dell'errore di previsione e'lae del valore delle matrici valorizzate alla velocità corrente del veicolo.

Il controllo oggetto dell'invenzione presenta prestazioni migliori rispetto ad un controllo classico che si basa esclusivamente sulla conoscenza dell'errore di previsione o rispetto ad un controllo classico che si basa esclusivamente sulla conoscenza dell'offset laterale.

Per un migliore apprezzamento della bontà del controllo oggetto dell'invenzione in figura 8 sono rappresentati i risultati di una manovra compiuta da un veicolo a guida autonoma per evitare un ostacolo, attuata per mezzo di tre differenti controllori, rispettivamente un controllore classico progettato per minimizzare l'offset laterale (curva A), un controllore H∞secondo l'invenzione (curva B) ed un controllore LPV, simile al controllore H∞che tiene conto anche della velocità del veicolo per regolare il guadagno del sistema di controllo e i pesi delle variabili (curva C).

Nel primo grafico dall'alto è mostrata la posizione laterale assoluta del (baricentro del) veicolo in un sistema di riferimento X, Y, dove X evolve lungo la direzione di marcia e Y è la direzione ortogonale a X sul piano di marcia. La curva T mostra a tratteggio la traiettoria predefinita di riferimento. E' evidente nel grafico che con un controllo classico il veicolo è in ritardo nell'inseguire la traiettoria predefinita.

Nel secondo grafico dall'alto è mostrata l'evoluzione dell'offset laterale nel tempo. Anche in questo caso, si nota che un controllo classico ammette un offset laterale per gran parte del tempo maggiore dell'offset laterale ammesso dal controllo secondo le due forme di realizzazione dell'invenzione, ed estremamente variabile in valore assoluto.

Nel terzo grafico dall'alto è tracciato l'andamento dell'accelerazione laterale nel tempo, conseguente alle manovre richieste per recuperare l'offset laterale che si viene a creare. Anche questo grafico mostra un evidente ritardo del controllo classico nell'inseguire la traiettoria predefinita.

Infine, nel quarto grafico (l'ultimo grafico in basso) è tracciato l'andamento dell'angolo di sterzatura nel tempo, che rappresenta il comando imposto al veicolo dal controllore. E' evidente la sommatoria degli svantaggi della tecnica nota (curva A), in termini di ritardo e maggiore ampiezza delle correzioni richieste.

In definitiva, i grafici di figura 8 mostrano chiaramente che l'introduzione di un approccio multi-obiettivo che è l'oggetto dell'invenzione, ossia un approccio avente l'obiettivo di minimizzare sia l'offset laterale che la variazione della errore di previsione, determina una miglioramento delle prestazioni del controllo laterale di un veicolo, in particolare un veicolo a guida autonoma, essenzialmente per effetto della migliorata capacità di anticipare una curva o variazione di direzione, allo stesso tempo dando rilevanza all'errore reale di inseguimento della traiettoria predefinita in corrispondenza del baricentro del veicolo.

In aggiunta a quanto precede, è possibile riconoscere che anche la distanza di avanzamento prevista del veicolo è un parametro del controllo che può essere regolato in funzione della velocità ed in figura 9 è mostrata l'influenza della velocità del veicolo nella determinazione della distanza di avanzamento prevista ottimale, ottenuta per confronto dell'errore quadratico medio dell'offset laterale per diverse distanze di avanzamento previste a diverse velocità. In sostanza, all'aumentare della velocità la distanza di avanzamento prevista ottimale da impostare nel calcolo dell'errore di previsione può aumentare secondo una funzione prestabilita in modo da conferire al veicolo comportamenti diversi in ottica di errore di inseguimento, costo di attuazione, robustezza a errori di misura e reiezione dei disturbi di carico, ad esempio in modo approssimativamente lineare .

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo allontanarsi dall'ambito di protezione dell'invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per il controllo del movimento laterale di un veicolo terrestre predisposto per inseguire una traiettoria predefinita, particolarmente in uno scenario di guida assistita o di guida autonoma, comprendente: determinare un offset laterale del baricentro del veicolo da detta traiettoria predefinita; e controllare un angolo di sterzatura del veicolo in modo tale da minimizzare detto offset laterale, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre: determinare un errore di previsione definito come distanza di una posizione avanzata prevista del baricentro del veicolo da detta traiettoria predefinita; e controllare l'angolo di sterzatura del veicolo in modo tale da minimizzare anche la derivata prima nel tempo di detto errore di previsione.
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui determinare un offset laterale del baricentro del veicolo da detta traiettoria predefinita comprende determinare la distanza tra la posizione del baricentro del veicolo e la linea retta passante per un punto di traiettoria più vicino al baricentro del veicolo e diretta lungo una direzione locale tangente a detta traiettoria, il punto di traiettoria più vicino al baricentro del veicolo essendo identificato come il punto di traiettoria alla minima distanza euclidea dalla posizione del baricentro del veicolo.
3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, in cui il punto di traiettoria alla minima distanza euclidea dalla posizione del baricentro del veicolo è determinato: (a) calcolando una prima distanza tra un punto di estremità iniziale Esdi un prestabilito segmento di traiettoria ed il baricentro del veicolo, e memorizzando detta prima distanza come valore di distanza minima e detto punto di estremità iniziale del segmento di traiettoria come punto più vicino al baricentro del veicolo; (b) calcolando una seconda distanza tra un punto successivo di una successione di punti discreti predeterminata su detto segmento di traiettoria ed il baricentro del veicolo e, se detta seconda distanza è inferiore a detta prima distanza memorizzata, memorizzando detta seconda distanza come valore di distanza minima e detto punto successivo del segmento di traiettoria come punto più vicino al baricentro del veicolo; e (c) iterando il passo (b) per tutti i punti di detta successione di punti discreti su detto segmento di traiettoria.
4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui determinare un errore di previsione comprende: - determinare una posizione avanzata prevista del baricentro del veicolo lungo una direzione corrente di avanzamento del veicolo dopo un predeterminato lasso di tempo o a una predeterminata distanza di avanzamento; e - determinare la distanza tra detta posizione avanzata prevista del baricentro del veicolo e la linea retta passante per un punto di traiettoria più vicino alla posizione avanzata prevista del baricentro del veicolo e diretta lungo una direzione locale tangente a detta traiettoria, il punto di traiettoria più vicino alla posizione avanzata prevista del baricentro del veicolo essendo identificato come il punto di traiettoria alla minima distanza euclidea dalla posizione avanzata prevista del baricentro del veicolo.
5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, in cui il punto di traiettoria alla minima distanza euclidea dalla posizione avanzata prevista del baricentro del veicolo è determinato: (a) calcolando una prima distanza tra un punto di estremità iniziale Esdi un prestabilito segmento di traiettoria e la posizione avanzata prevista del baricentro del veicolo, e memorizzando detta prima distanza come valore di distanza minima e detto punto di estremità iniziale del segmento di traiettoria come punto più vicino alla posizione avanzata prevista del baricentro del veicolo; (b) calcolando una seconda distanza tra un punto successivo di una successione di punti discreti predeterminata su detto segmento di traiettoria e la posizione avanzata prevista del baricentro del veicolo e, se detta seconda distanza è inferiore a detta prima distanza memorizzata, memorizzando detta seconda distanza come valore di distanza minima e detto punto successivo del segmento di traiettoria come punto più vicino alla posizione avanzata prevista del baricentro del veicolo; e (c) iterando il passo (b) per tutti i punti di detta successione di punti discreti su detto segmento di traiettoria.
6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui controllare l'angolo di sterzatura del veicolo comprende applicare un metodo di controllo H∞in cui un ingresso esogeno include un raggio di curvatura locale di detta traiettoria predefinita, un ingresso di variabili controllate include l'angolo di sterzatura del veicolo, una uscita di variabili di prestazione include l'angolo di sterzatura del veicolo, l'offset laterale e la derivata dell'errore di previsione, e una uscita di variabili misurate include l'offset laterale e la derivata dell'errore di previsione.
7. Procedimento secondo la rivendicazione 6, in cui l'angolo di sterzatura del veicolo, l'offset laterale, la derivata dell'errore di previsione, e preferibilmente il raggio di curvatura della traiettoria predefinita, sono elaborati attraverso rispettive funzioni di peso.
8. Procedimento secondo la rivendicazione 3 o 5, in cui la lunghezza del segmento di traiettoria è determinata anche in funzione della velocità corrente del veicolo.
9. Procedimento secondo la rivendicazione 4, in cui la distanza di avanzamento prevista del veicolo è determinata anche in funzione della velocità corrente del veicolo.
10. Sistema per il controllo del movimento laterale di un veicolo terrestre predisposto per inseguire una traiettoria predefinita, particolarmente in uno scenario di guida assistita o di guida autonoma, comprendente: - mezzi di acquisizione di dati di localizzazione del veicolo, atti ad emettere un primo segnale indicativo di coordinate di una posizione reale corrente del veicolo e di un angolo di direzione reale corrente del veicolo; - mezzi di definizione di una traiettoria del veicolo, predisposti per calcolare una traiettoria locale di movimento del veicolo ed atti ad emettere un secondo segnale indicativo di coordinate attese del veicolo lungo detta traiettoria predefinita e di una direzione di avanzamento locale attesa del veicolo; - mezzi di calcolo di un errore laterale del veicolo rispetto a detta traiettoria predefinita, atti a ricevere detti primo e secondo segnale e predisposti per determinare un offset laterale ed un errore di previsione sulla base di detti primo e secondo segnale; e - mezzi di controllo laterale del veicolo, atti a ricevere detto offset laterale e di una derivata nel tempo dell'errore di previsione, e predisposti per emettere un segnale indicativo di un angolo di sterzatura necessario per operare una correzione della direzione di avanzamento del veicolo tale da consentire l'inseguimento della traiettoria T predefinita, in cui i mezzi di controllo laterale del veicolo sono programmati per attuare un procedimento per il controllo del movimento laterale di un veicolo terrestre secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 9.