IT201800011029A1

IT201800011029A1 - Procedimento e sistema di pianificazione di un percorso per un veicolo terrestre per elusione di ostacoli con rapida reazione, particolarmente in uno scenario di guida autonoma.

Info

Publication number: IT201800011029A1
Application number: IT102018000011029A
Authority: IT
Inventors: Michele Giorelli; Matteo Corno; Sergio Matteo Savaresi; Federico Roselli
Original assignee: Milano Politecnico; Marelli Europe Spa
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2020-06-12
Also published as: WO2020121215A1; EP3894293A1

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: “Procedimento e sistema di pianificazione di un percorso per un veicolo terrestre per elusione di ostacoli con rapida reazione, 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 procedimento ed un sistema di bordo per assistere un veicolo terrestre, in particolare in uno scenario di guida autonoma, nella pianificazione di un percorso per l'elusione di ostacoli nell'inseguimento di una traiettoria predefinita.

Più specificamente, l'invenzione riguarda un procedimento ed un sistema per la generazione di una traiettoria di elusione di ostacoli per un veicolo terrestre in marcia lungo un percorso pianificato, rispettivamente secondo il preambolo della rivendicazione 1 e della rivendicazione 9.

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, laser, ad ultrasuoni o telecamere ed associati sistemi per il riconoscimento di ostacoli, nonché la determinazione della loro posizione e velocità.

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.

Il problema della pianificazione del percorso per un veicolo a guida autonoma è stato ampiamente studiato nella letteratura e sono stati sviluppati molti approcci, differenti tra loro, per tenere in considerazione gli ambienti di guida più complessi e incerti.

Tradizionalmente, un sistema di controllo per un veicolo a guida autonoma comprende tre moduli con funzioni specifiche, rispettivamente un modulo di mappatura dell'ambiente e rilevamento di ostacoli, un modulo di generazione di una traiettoria sulla base dell'ambiente di guida mappato e degli ostacoli rilevati, ed un modulo di inseguimento della traiettoria generata.

La presente trattazione riguarda specificamente la generazione della traiettoria del veicolo.

Le tecniche comuni per trattare la generazione di traiettorie in condizioni di marcia normali fanno affidamento su algoritmi basati sulla ricerca di grafi. Tecniche di ottimizzazione sono applicate per tenere in considerazione vincoli cinematici o dinamici, ad esempio per affrontare scenari ed ambienti di marcia complessi. Tecniche di programmazione dinamica sono spesso impiegate per la loro capacità di rintracciare un ottimo globale anche in caso di problemi non convessi. Tuttavia, il modello di calcolo per la generazione della traiettoria deve essere molto semplice per garantirne la realizzazione in tempo reale.

Altri approcci noti si basano sul collegamento di punti di transito (waypoint) esenti da rischi di collisione attraverso curve di raccordo che appartengono a specifiche classi di funzioni, come le funzioni polinomiali e le clotoidi. La restrizione della scelta della curva di raccordo a queste classi è preferita per garantire fluidità e attuabilità dal punto di vista cinematico, ossia per garantire la possibilità di attuare una manovra del veicolo per l'inseguimento della traiettoria e per garantire che tale manovra sia la più fluida possibile, ovvero esente da bruschi cambiamenti di direzione ed accelerazioni laterali.

Per affrontare questo problema diversi procedimenti definiscono la traiettoria del veicolo in termini di curvatura, per via della sua correlazione diretta con l'angolo di sterzatura e l'accelerazione laterale del veicolo.

Gli algoritmi noti normalmente limitano l'azionamento del veicolo affinché esso rimanga lontano dai propri limiti di manovrabilità, poiché sono focalizzati sulla ottimizzazione del comfort, conseguentemente non considerano le limitazioni introdotte dalle dinamiche del veicolo e dei suoi pneumatici.

Inoltre, non sono desiderabili lunghi tempi di calcolo perché essi comporterebbero reazioni ritardate del veicolo inefficaci in caso di situazioni di collisione imminente quando si presenta un ostacolo inatteso o si rileva un ostacolo in ritardo, ma così vicino al veicolo controllato che per eluderlo si renderebbe necessaria una reazione rapida.

Tuttavia, in caso di situazioni di collisione imminente, quando lungo la traiettoria di marcia pianificata del veicolo si presenta un ostacolo inatteso vicino al veicolo o si rileva in ritardo un ostacolo vicino al veicolo, l'elusione dell'ostacolo rende necessaria una reazione rapida che spesso richiede un cambiamento della corsia di marcia del veicolo, ossia la manovra del veicolo dalla corsia di marcia corrente, valutata come non sicura, verso un'altra corsia di marcia, ad esempio la corsia adiacente, libera da ostacoli.

Siffatte manovre di emergenza sono particolarmente critiche per due motivi: esse comportano un azionamento del veicolo vicino ai suoi limiti di manovrabilità e richiedono un movimento laterale rapido del veicolo.

Generalmente, i limiti di manovrabilità di un veicolo sono determinati dalla aderenza disponibile tra gli pneumatici del veicolo e la strada. Diversi studi hanno affrontato il problema di stima di questa caratteristica. Conoscere e sfruttare l'aderenza disponibile tra pneumatici e strada è di fondamentale importanza per diversi motivi. Infatti, la pianificazione di traiettorie che non sfruttano l'aderenza del veicolo su strada fino ai suoi limiti potrebbe impedire il successo di una manovra di elusione di un ostacolo. Allo stesso tempo, generare manovre che eccedono i limiti di aderenza può portare ad una pericolosa instabilità del veicolo.

Procedimenti per la generazione di traiettorie di azionamento di un veicolo fino ai suoi limiti di manovrabilità sono stati principalmente sviluppati per il settore delle competizioni sportive. In questo caso, tuttavia, l'obiettivo è quello di minimizzare il tempo necessario per percorrere una distanza invece di garantire la sicurezza di marcia. Questi procedimenti normalmente non comportano cambiamenti di corsia.

Un altro problema nell'attuazione di manovre di emergenza per veicoli a guida autonoma è la necessità di includere i requisiti di dinamica del veicolo nella fase di generazione della traiettoria. Infatti, una traiettoria attuabile dal punto di vista cinematico può non essere attuabile dal punto di vista dinamico. I requisiti dinamici sono di solito trascurati per ottenere in modo più facile calcoli in tempo reale. Una delle assunzioni più comuni è quella di trascurare il fatto che la traiettoria pianificata debba essere inseguita da un modulo elettronico di controllo o controllore di inseguimento della traiettoria ad anello chiuso che ha una propria risposta dinamica. In caso di marcia "normale", questa assunzione è perfettamente accettabile. Tuttavia, quando si tratta di attuare manovre di emergenza, ove il comfort dei passeggeri non è una priorità, è possibile che la manovra si avvicini ai limiti di inseguimento dinamico, sebbene ciò sia non confortevole per i passeggeri. La traiettoria di elusione di un ostacolo più rapida necessariamente raggiungerà i limiti della dinamica del dispositivo di controllo di inseguimento della traiettoria. Generare un percorso che il dispositivo di controllo non può inseguire dinamicamente potrebbe tuttavia portare al fallimento dell'intero processo di elusione dell'ostacolo.

Alla luce di quanto è attualmente noto nella tecnica, la presente invenzione si prefigge lo scopo di fornire una soluzione soddisfacente al problema di generare traiettorie libere da collisioni in caso di manovre di emergenza, ed in particolare si prefigge lo scopo di soddisfare i seguenti requisiti desiderabili per la generazione efficace di una traiettoria di elusione di ostacoli per un veicolo terrestre in marcia lungo un percorso pianificato, ovvero in altri termini per la realizzazione di un procedimento e di un sistema per la pianificazione di un percorso di emergenza:

- sfruttare per quanto possibile i limiti di aderenza tra veicolo e strada;

- calcolare una traiettoria di elusione di ostacoli rapidamente; e

- garantire l'attuabilità dell'inseguimento della traiettoria calcolata sia sotto il profilo cinematico che sotto il profilo dinamico.

Secondo la presente invenzione tali scopi vengono raggiunti grazie ad un procedimento per la generazione di una traiettoria di elusione di ostacoli per un veicolo terrestre in marcia lungo un percorso pianificato avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 1.

Formano ulteriore oggetto dell'invenzione un sistema per la generazione di una traiettoria di elusione di ostacoli per un veicolo terrestre in marcia lungo un percorso pianificato ed un procedimento di controllo per un veicolo a guida autonoma, come rivendicato.

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

La presente invenzione descrive un procedimento di generazione di una traiettoria per una manovra elusiva di un ostacolo in una situazione di emergenza nel contesto di un percorso pianificato. La traiettoria di elusione dell'ostacolo è generata con l'obiettivo di garantire, quando necessario, il più rapido cambio di corsia (o, più in generale, di direzione di marcia, ad esempio direzioni parallele) che è fisicamente realizzabile da un modulo di controllo degli attuatori di marcia del veicolo per l'inseguimento della traiettoria di elusione medesima.

L'algoritmo di calcolo della traiettoria è basato sulla conoscenza della posizione dell'ostacolo e della sua velocità, che sono utilizzate per definire un'area di collisione che deve essere evitata da parte del veicolo controllato.

In sintesi, la presente invenzione si fonda su una successione di fasi operative che includono: - la verifica se una traiettoria corrente del veicolo interseca l'area di collisione correlata ad un ostacolo rilevato, per cui deve essere attuata una manovra di elusione;

- la verifica della possibilità di elusione dell'ostacolo attraverso il calcolo di due traiettorie, rispettivamente una prima traiettoria di massimo scostamento a sinistra ed una seconda traiettoria di massimo scostamento a destra, nel rispetto dei limiti della sede stradale e delle dinamiche laterali del veicolo; e

- la selezione della traiettoria migliore tra quelle calcolate al passo precedente, ossia tra tutte le possibili traiettorie anche con scostamento inferiore comprese tra la prima traiettoria di massimo scostamento a sinistra e la seconda traiettoria di massimo scostamento a destra.

La selezione della traiettoria migliore è eseguita da un modulo di inseguimento della traiettoria di un sistema di controllo ed elaborazione del veicolo, che seleziona la manovra a minore eccitazione dinamica tra il cambio di corsia verso sinistra, il cambio di corsia verso destra o la frenatura.

Le prestazioni del sistema di controllo della dinamica del veicolo sono tenute in considerazione introducendo una limitazione sulla massima larghezza di banda della manovra, imponendo che l'andamento della (ampiezza della) curvatura della traiettoria del veicolo nel tempo sia sinusoidale o a tratti sinusoidale e a tratti costante, ovvero corrisponda ad un'onda formata da componenti armoniche sinusoidali di frequenze inferiori ad una frequenza massima ammissibile predeterminata, selezionata per essere inferiore alla massima larghezza di banda (risposta dinamica) del sistema di controllo della dinamica del veicolo predisposto per l'inseguimento della traiettoria mediante attuazione degli attuatori di marcia del veicolo, cioè sistema di propulsione, impianto sterzante, impianto frenante.

Possibili variazioni della posizione dell'ostacolo o della sua velocità sono tenute in considerazione attuando l'algoritmo di generazione della traiettoria ogni qual volta è verificato che la traiettoria corrente interseca l'area di collisione precedentemente determinata.

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 una rappresentazione schematica di una condizione di marcia di un veicolo e di frapposizione di un ostacolo lungo la traiettoria di marcia di detto veicolo;

la figura 2 è uno schema a blocchi di un sistema per la generazione di una traiettoria di elusione di ostacoli oggetto dell'invenzione;

la figura 3 mostra una coppia di diagrammi rappresentativi di una manovra ottimale di cambio di corsia del veicolo, in termini di scostamento laterale e curvatura nel tempo;

la figura 4 mostra due coppie di diagrammi rappresentativi di due rispettive manovre attuabili di cambio di corsia del veicolo, in termini di scostamento laterale e curvatura nel tempo;

la figura 5 mostra una coppia di diagrammi rappresentativi di una manovra di cambio di corsia del veicolo esemplificativa di una generica traiettoria di elusione di un ostacolo, in termini di scostamento laterale e curvatura nel tempo.

la figura 6 mostra una serie di traiettorie di elusione di un ostacolo esemplificative;

la figura 7 mostra una serie di diagrammi rappresentativi di differenti eccitazioni di una manovra di cambio di corsia del veicolo, in termini di scostamento laterale e accelerazione laterale;

la figura 8 mostra una serie di diagrammi rappresentativi di una ri-pianificazione di una manovra di cambio di corsia del veicolo, in termini di scostamento laterale, direzione di marcia e curvatura nella direzione longitudinale; e

le figure 9 e 10 mostrano due esempi di traiettoria di elusione di un ostacolo generata secondo il procedimento oggetto della presente invenzione.

In figura 1 è mostrata una sede stradale R di marcia di un veicolo V lungo una corsia di marcia centrale L1. Il veicolo V può essere un veicolo a guida assistita o un veicolo a guida autonoma. Un secondo veicolo W transita tra le corsie di marcia di fronte al veicolo V secondo una direzione indicata dalla freccia TW, rappresentando un ostacolo che si frappone lungo la traiettoria di percorso pianificata del veicolo V, nel caso di esempio una traiettoria rettilinea indicata dalla freccia TV.

Come mostrato schematicamente in figura 2, il veicolo V è equipaggiato con un dispositivo di localizzazione satellitare ed una pluralità di sensori di bordo P, a puro titolo di esempio sensori predisposti per rilevare la posizione del veicolo quali sensori odometrici per il rilevamento delle velocità delle ruote e sensori inerziali per il rilevamento di accelerazioni e velocità angolari, nonché sensori laser, telecamere, sensori radar e sensori ad ultrasuoni o una combinazione anche parziale di questi (indicata complessivamente con E) predisposti per il riconoscimento dell'ambiente circostante il veicolo attraverso tecniche di fusione di dati. Un sistema di controllo ed elaborazione di bordo comprende un modulo di raccolta e fusione di dati 10 predisposto per elaborare la fusione dei dati di localizzazione del veicolo e dei dati rilevati dai sensori di bordo P, E, in modo tale da riconoscere la posizione del veicolo in tempo reale rispetto alla sede stradale e ad oggetti che impegnano la medesima sede stradale in prossimità del veicolo e lungo la sua traiettoria di marcia, di seguito nel complesso definiti "ostacoli". Il modulo di raccolta e fusione di dati 10 è atto ad emettere un segnale indicativo 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 rispetto alla sede stradale - di seguito dati relativi al veicolo, nonché uno o più segnali indicativi di vettori di dati recanti le coordinate spaziali, riferite alla posizione del veicolo V, rappresentative della sagoma di un rispettivo ostacolo rilevato, ad esempio le coordinate spaziali di punti notevoli quali i punti estremi della sagoma dell'ostacolo -di seguito dati relativi all'ostacolo.

Il sistema di controllo ed elaborazione di bordo comprende inoltre un modulo di definizione di traiettoria 20, predisposto per calcolare una traiettoria locale di movimento del veicolo atta a realizzare un percorso programmato da un sistema di navigazione di bordo (o traiettoria di alto livello, identificata dalla terna di coordinate X0 e Y0 della posizione programmata del veicolo e l'angolo ψ0 di direzione programmata del veicolo) in funzione dei vincoli ambientali (ad esempio, le condizioni di traffico o gli ostacoli) rilevati in tempo reale. Il modulo di definizione di traiettoria 20 è atto ad emettere un segnale indicativo di una terna di dati, rispettivamente le coordinate attese del veicolo lungo una predeterminata traiettoria, XT(t) e YT(t), variabili nel tempo, e la direzione di avanzamento locale attesa, anch'essa variabile nel tempo ψT(t), rispetto alla sede stradale.

Infine, per gli scopi dell'invenzione, il sistema di controllo ed elaborazione di bordo include un modulo di inseguimento della traiettoria 30, atto a emettere segnali di comando degli attuatori di marcia a bordo del veicolo, quali il sistema propulsore 40 e l'impianto frenante 42 per il controllo longitudinale del veicolo, e l'impianto sterzante 44 per il controllo laterale del veicolo - ossia il controllo della direzionalità del veicolo, sulla base della traiettoria generata dal modulo di definizione di traiettoria 20.

Ad esempio, il modulo di definizione di traiettoria 20 può lavorare sotto l'ipotesi che il modulo di inseguimento 30 garantisca che la posizione desiderata ed effettiva del veicolo coincidano. In questo modo il modulo di definizione di traiettoria 20 necessita soltanto la traiettoria desiderata corrente per definire la traiettoria desiderata futura, ed i dati rilevati dai sensori di bordo E che indicano la posizione di un ostacolo in coordinate relative rispetto al veicolo. Opzionalmente, il modulo di definizione traiettoria può ricevere in ingresso anche i dati di localizzazione del veicolo rilevati dai sensori di bordo P, che veicolano informazioni sulla posizione assoluta del veicolo.

In un procedimento di controllo della marcia di un veicolo a guida assistita o a guida autonoma, che comprende la mappatura di un ambiente di marcia del veicolo ed il rilevamento di ostacoli nel suddetto ambiente, la generazione di una traiettoria di marcia del veicolo e l'inseguimento della traiettoria di marcia generata, la generazione della traiettoria di marcia del veicolo include un procedimento per la generazione di una traiettoria di elusione di ostacoli secondo l'invenzione, eseguito dal sistema di controllo ed elaborazione di bordo del veicolo V.

Il procedimento per la generazione di una traiettoria di elusione di ostacoli secondo l'invenzione comprende:

- una fase di verifica di collisione: la verifica se una traiettoria corrente del veicolo interseca una area di collisione correlata ad un ostacolo rilevato, per cui deve essere attuata una manovra di elusione.

- una fase di verifica della attuabilità della elusione dell'ostacolo: la verifica della possibilità di elusione dell'ostacolo attraverso il calcolo di due traiettorie, rispettivamente una prima traiettoria di massimo scostamento a sinistra ed una seconda traiettoria di massimo scostamento a destra, nel rispetto dei limiti della sede stradale e delle dinamiche laterali del veicolo. E' bene notare che sebbene lo scostamento laterale al limite del possibile non sia di solito necessario, in questa fase il sistema deve verificare l'attuabilità della manovra e pertanto è utile che esso calcoli traiettorie di massimo scostamento laterale.

- una fase di selezione di manovra: la selezione della traiettoria migliore, e quindi il miglior tipo di manovra, tra quelle calcolate al passo precedente, ossia tra tutte le possibili traiettorie anche con scostamento inferiore comprese tra la prima traiettoria di massimo scostamento a sinistra e la seconda traiettoria di massimo scostamento a destra.

Nel suo complesso il procedimento per la generazione di una traiettoria di elusione di ostacoli secondo l'invenzione è attuato da una pluralità di moduli di elaborazione, che eseguono un programma o un gruppo di programmi per elaboratore, i quali sono predisposti per svolgere le funzioni ed i calcoli che saranno descritti in dettaglio nel seguito.

Verifica di collisione

Il procedimento di generazione della traiettoria di elusione di ostacoli è innescato dal rilevamento di un ostacolo, per mezzo di un qualsiasi algoritmo di rilevamento e localizzazione di ostacoli noto nella tecnica. Quando viene rilevato un ostacolo sono determinate la sua posizione e velocità, e ne sono stimate lunghezza e larghezza a partire dalla sua classificazione o categoria di appartenenza, che costituiscono i dati relativi all'ostacolo. Inizialmente, la velocità dell'ostacolo è assunta costante, tuttavia può essere attuato un procedimento di ri-pianificazione della traiettoria in caso di significative variazioni dello stato dell'ostacolo, come verrà descritto più avanti.

I dati relativi all'ostacolo e i dati relativi al veicolo e le grandezze da loro derivate, ossia lungo la direzione longitudinale di avanzamento la distanza dell'ostacolo dal veicolo e lungo la direzione trasversale le distanze del veicolo e dell'ostacolo dai bordi della carreggiata stradale R, nonché la direzione e velocità di avanzamento del veicolo sono utilizzati per calcolare una regione A, chiamata "area di collisione", in cui uno scontro tra il veicolo V e l'ostacolo W è possibile. La figura 1 mostra l'area di collisione A nel caso in cui il veicolo W si immetta sulla sede stradale R percorsa dal veicolo V da destra (rispetto alla direzione di marcia del veicolo V).

L'area di collisione ha inizio in corrispondenza di una sezione della sede stradale R in cui il lato anteriore del veicolo V controllato ed il lato posteriore dell'ostacolo W presenterebbero la stessa posizione, in funzione delle posizioni iniziali (all'istante di rilevamento dell'ostacolo) di veicolo ed ostacolo e della loro velocità relativa. Questo valore, indicato sc,start, è calcolato semplicemente dalle equazioni di moto lineare, secondo l'espressione:

dove sobs è la distanza tra il lato anteriore dell'ostacolo W ed il lato anteriore del veicolo controllato V e Lobs è la lunghezza dell'ostacolo, mentre Vx,ego e Vx,obs sono le velocità longitudinali del veicolo controllato e dell'ostacolo, rispettivamente.

La fine dell'area di collisione A, indicata sc,end, è calcolata in corrispondenza di una sezione della sede stradale R in cui il lato posteriore del veicolo V ed il lato anteriore dell'ostacolo W presenterebbero la stessa posizione, sempre in funzione della loro velocità relativa, secondo l'espressione:

L'area di collisione A è definita come lo spazio occupato dall'ostacolo tra questi estremi.

Se la velocità laterale dell'ostacolo è orientata verso il lato sinistro della sede stradale, riferito alla sua direzione di percorrenza, il poligono che descrive l'area di collisione A è caratterizzato dai seguenti vertici:

Altrimenti, se la velocità laterale dell'ostacolo è orientata verso il lato destro della sede stradale, riferito alla sua direzione di percorrenza, le espressioni di vertici sono le seguenti:

Nelle espressioni precedenti Wobs denota la larghezza dell'ostacolo, mentre yobs,start e yobs,end indicano la posizione laterale dell'ostacolo all'inizio dell'area di collisione ed alla fine dell'area di collisione, calcolate conoscendo la velocità laterale dell'ostacolo Vy,obs e considerando la posizione laterale del veicolo controllato come punto di riferimento.

L'area di collisione è calcolata ogni qual volta è rilevato un ostacolo da parte del sistema di controllo ed elaborazione di bordo del veicolo V ed è aggiornata con continuità fintanto che l'ostacolo W si trova nella portata della traiettoria del veicolo V. L'area di collisione A rappresenta pertanto la regione della sede stradale lungo la traiettoria di marcia che deve essere evitata dal veicolo V.

Calcolo delle traiettorie estreme e verifica della attuabilità dell'elusione di un ostacolo

Successivamente alla verifica di collisione, si determina se l'ostacolo rilevato può essere evitato.

In questa fase sono calcolate le traiettorie di elusione dell'ostacolo che sono compatibili con i vincoli che garantiscono il movimento laterale più rapido del veicolo ed è verificato se esse intersecano ancora l'area di collisione.

E' noto che se l'unico vincolo considerato è la massima accelerazione laterale (che dipende essenzialmente dai limiti di aderenza degli pneumatici), il percorso a velocità costante (traiettoria di elusione) che minimizza la distanza longitudinale necessaria per spostare lateralmente il veicolo di una data distanza è composta da due archi di circonferenza di minimo raggio di curvatura, cioè alla massima accelerazione laterale corrisponde la massima curvatura della traiettoria, come è mostrato in figura 3.

La figura 3 mostra una coppia di diagrammi rappresentativi di una manovra ottimale di cambio di corsia del veicolo, in termini di scostamento laterale e curvatura della traiettoria nel tempo. Il diagramma superiore illustra l'andamento nel tempo della posizione trasversale del veicolo (o scostamento trasversale del veicolo) sulla sede stradale, rappresentata dalla curva a tratto continuo Sopt indicativa dell'ottimale cambio di corsia, che si stacca dalla curva a tratteggio Ssl indicativa della corsia di marcia da cui ha inizio la manovra. Il diagramma inferiore illustra l'andamento nel tempo della curvatura della traiettoria di elusione rappresentata nel diagramma superiore percorribile dal veicolo, che è una onda quadra Copt contenuta tra un estremo superiore ρmax di curvatura massima positiva ed un estremo inferiore -ρmax di curvatura massima negativa.

La manovra ottimale mostrata in figura 3 non è attuabile da un algoritmo di controllo reale del veicolo V, poiché sarebbe impossibile inseguire perfettamente una curvatura ad onda quadra. Pertanto, la traiettoria deve essere modificata per tenere in conto i limiti dinamici del veicolo, degli attuatori di manovra del veicolo (ad esempio dell'impianto sterzante) e del un modulo elettronico di controllo o controllore di inseguimento della traiettoria.

Il modo più semplice ed efficiente per quantificare i vincoli dinamici sopra citati (cioè i vincoli dinamici del veicolo, degli attuatori di manovra del veicolo e del controllore di inseguimento della traiettoria) è quello di specificare una larghezza di banda di anello chiuso, ossia la massima frequenza alla quale il veicolo può inseguire un segnale di riferimento, ossia alla quale il sistema di controllo garantisce un inseguimento senza distorsione del segnale di riferimento, che è la traiettoria calcolata.

La presente invenzione sfrutta questo concetto per generare una traiettoria di elusione dell'ostacolo che presenta una curvatura il cui spettro ha una frequenza massima inferiore alla larghezza di banda del modulo elettronico di controllo di inseguimento della traiettoria.

La generazione di traiettorie che soddisfano questo requisito è estremamente semplice qualora l'andamento della curvatura sia sinusoidale. La figura 4 mostra due esempi di generazione di una traiettoria di elusione di un ostacolo basati su una (funzione di) curvatura sinusoidale, che può definirsi come segnale di curvatura che il modulo di inseguimento di traiettoria usa come riferimento per comandare l'impianto sterzante. Specificamente, la figura 4 mostra due coppie di diagrammi rappresentativi di due rispettive manovre attuabili di cambio di corsia del veicolo, in termini di scostamento laterale e curvatura nel tempo. I grafici a sinistra (grafici a) rappresentano l'andamento nel tempo di scostamento laterale Ssin e curvatura Csin di una traiettoria di elusione dell'ostacolo, dove l'andamento nel tempo della curvatura Csin è puramente sinusoidale, segnatamente un periodo di sinusoide con ampiezza di curvatura massima, contenuto tra un estremo superiore ρmax di curvatura massima positiva ed un estremo inferiore -ρmax di curvatura massima negativa. A tratteggio sono indicati a titolo di riferimento lo scostamento laterale Sopt e la curvatura Copt rappresentati in figura 3. A titolo di esempio, il periodo della sinusoide è impostato a 2 secondi, il che significa che viene accettata dal modulo elettronico di controllo di inseguimento della traiettoria (che governa l'attuazione dell'impianto di sterzatura del veicolo, ossia il controllo laterale del veicolo, ad esempio per mezzo di 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) una eccitazione massima alla frequenza di 0,5 Hz. Con questa configurazione lo scostamento laterale ottenibile è di circa 3,7 m e rappresenta il cambiamento di corsia più rapido attuabile dal controllore con banda passante di 0,5 Hz.

Se è richiesto uno scostamento laterale inferiore l'ampiezza della sinusoide può essere diminuita. In principio può essere ridotto anche il periodo della sinusoide, ma ciò renderebbe la traiettoria generata non adatta all'attuazione del controllo. Infatti, se si riduce il periodo si aumenta la frequenza e si esce dalla banda ammessa per il controllo, ovvero da ciò che il controllore riesce ad inseguire.

Al contrario, se è richiesto uno scostamento laterale maggiore la massima curvatura dovrebbe essere mantenuta costante per un periodo di tempo, ossia dovrebbe essere aggiunta una sezione di curvatura costante alla massima curvatura, come mostrato nei grafici a sinistra (grafici b). Tali grafici rappresentano l'andamento nel tempo di scostamento laterale Ssin+cost e curvatura Csin+cost di una traiettoria di elusione dell'ostacolo, dove l'andamento nel tempo della curvatura Csin+cost è sinusoidale e costante in tratti intermedi all'estremo superiore ρmax di curvatura massima positiva ed all'estremo inferiore -ρmax di curvatura massima negativa della sinusoide. A tratteggio sono indicati a titolo di riferimento lo scostamento laterale Sopt e la curvatura Copt rappresentati in figura 3.

L'approccio sopra descritto può essere applicato anche in manovre di svolta. In questo caso la curvatura iniziale non è nulla, e pertanto un limite estremo della curvatura è più vicino dell'altro.

Più in generale, la traiettoria di elusione dell'ostacolo può essere generata considerando differenti ampiezze della semionda sinusoidale positiva e della semionda sinusoidale negativa della curvatura (rispettivamente corrispondenti alla sterzature verso sinistra e verso destra), sommando lo scostamento laterale determinato per la generazione di una traiettoria di elusione dell'ostacolo a quello originale di una manovra di sterzatura prevista per l'inseguimento di un percorso pianificato.

Una manovra di cambio di corsia del veicolo avente una struttura esemplificativa di una generica traiettoria di elusione di un ostacolo è illustrata in figura 5. Il diagramma superiore illustra l'andamento nel tempo della curvatura della traiettoria di elusione rappresentata nel diagramma inferiore percorribile dal veicolo, che è un'onda composita Cgen contenuta tra un estremo superiore ρ1 di curvatura massima positiva ed un estremo inferiore -ρ2 di curvatura massima negativa (|ρ1| ≠ |ρ2|), includente sezioni sinusoidali e sezioni costanti. Il diagramma inferiore illustra l'andamento nel tempo dello scostamento del veicolo sulla sede stradale, rappresentato dalla curva a tratto continuo Sgen.

A partire dal tempo t = 0 di inizio della manovra di elusione dell'ostacolo si susseguono intervalli di manovra I1-I6, la cui durata è rispettivamente pari a Tc/4, T12, Tc/4, Tc/4, T22 e Tc/4, dove Tc è il periodo - costante - della sinusoide caratterizzante la curvatura secondo l'invenzione (sebbene sia possibile considerare anche tratti di sinusoide caratterizzante la curvatura di diverso periodo). Poiché |ρ1| ≠ |ρ2| e l'ampiezza della si-<nusoide è per definizione dipendente da ρ>1 <e ρ>2 (poiché i valori massimi di ρ1 e ρ2 dipendono dalla accelerazione laterale massima sostenibile dal veicolo, tenendo anche conto che il veicolo potrebbe star già curvando), le sezioni sinusoidali I1, I3 presentano un andamento (pendenza locale) differente dalle sezioni sinusoidali I4, I6. Ciascuna delle semionde sinusoidali è interrotta, in un intervallo simmetrico nell'intorno del proprio estremo (massimo, minimo) da sezioni I2 e I5 a curvatura costante, pari al valore massimo (ρ1, ρ2) della curvatura ammessa. La definizione di massimi di curvatura differenti nasce dal fatto che i limiti di curvatura verso sinistra e destra possano essere differenti. Il caso più frequente (e realistico) si verifica quando la traiettoria di elusione è generata a partire da una traiettoria già curva. In questo caso, se si lavora in modo additivo rispetto alla traiettoria di marcia il limite di curvatura massimo a destra e a sinistra è necessariamente diverso.

Matematicamente, la traiettoria di elusione dell'ostacolo avente le caratteristiche rappresentate in figura 5 può essere descritta risolvendo le seguenti equazioni:

dove Tc e il periodo della sinusoide, T12 e T22 sono la durata dei tratti a curvatura costante, ρ1 è l'ampiezza della curvatura della prima onda e ρ2 è l'ampiezza della curvatura della seconda onda.

La direzione istantanea del veicolo e lo scostamento laterale rispetto alla traiettoria originaria sono ottenuti integrando l'espressione precedente:

dove V è il modulo della velocità del veicolo e tend è il tempo totale di manovra, che è la somma di un periodo di sinusoide e dei due tratti a curvatura costante.

L'equazione che precede può essere risolta nelle sue quattro incognite (ρ1, ρ2, T12, T22) imponendo le seguenti condizioni finali alla direzione ed allo scostamento laterale:

Si danno i seguenti casi:

1. Entrambi i tratti a curvatura costante sono necessari per ottenere lo scostamento laterale desiderato, ossia T12 > 0 e T22 > 0, per cui entrambe le semionde della curvatura raggiungono le curvature massime. In questo caso le ampiezze della curvatura assumono i loro valori massimi, ossia ρ1 = ρ1,max e ρ2 = ρ2,max. Pertanto, solo T12 e T22 sono incognite.

2. Solo una semionda della curvatura raggiunge il valore massimo di curvatura, l'altra semionda è puramente sinusoidale. Questo caso è possibile solo quando i limiti di curvatura verso sinistra e verso destra sono differenti, ossia in condizioni di marcia in svolta. Se ρ1,max > ρ2,max, allora T12 = 0 e ρ2 = ρ2,max. Pertanto, solo ρ1,max e T22 sono incognite. Al contrario, se ρ2,max > ρ1,max, allora T22 = 0 e ρ1 = ρ1,max. Pertanto, solo ρ2,max e T12 sono incognite.

3. Entrambe le semionde della curvatura non raggiungono le curvature massime. Questo il caso di scostamenti laterali inferiori. Poiché i limiti non sono raggiunti, i tratti a curvatura costante non sono necessari. L'equazione della direzione implica che le due semionde della curvatura abbiano la stessa ampiezza ρ1 = ρ2 = ρ mentre l'equazione dello scostamento laterale è utilizzata per determinarne il valore.

La figura 6 mostra una pluralità di traiettorie di elusione di un ostacolo esemplificative, ottenute con differenti scostamenti laterali finali, considerando una accelerazione laterale massima di 0,5g e Tc = 0,5s. In dettaglio, la figura 6 mostra una coppia di diagrammi rappresentativi di detta pluralità di traiettorie di elusione di un ostacolo esemplificative, in termini di scostamento laterale e curvatura delle traiettorie nel tempo. Il diagramma superiore illustra l'andamento nel tempo della posizione trasversale del veicolo sulla sede stradale in sei condizioni di manovra differenti, rappresentate dalle curve S1-S6 indicative rispettivamente di uno scostamento trasversale dell'entità di 1m, 2m, 3m, 4m, 5m e 6m, che - a seconda dell'entità - può portare ad un cambio di corsia o di più corsie. Il diagramma inferiore illustra l'andamento nel tempo della curvatura delle traiettorie di elusione rappresentate nel diagramma superiore percorribili dal veicolo, che sono onde puramente sinusoidali C1-C3 o onde composite C4-C6, contenute tra un estremo superiore di curvatura massima positiva ed un estremo inferiore di curvatura massima negativa, qui a titolo puramente esemplificativo uguali in valore assoluto (pari a 0,04m<-1>).

Quanto sopra descritto con riferimento ad una manovra di cambio di corsia verso sinistra secondo la direzione di marcia del veicolo può essere applicato in modo del tutto analogo per una manovra di cambio di corsia verso destra. In tal caso la curvatura sinusoidale presenterà inizialmente la semionda negativa, seguita dalla semionda positiva.

In sintesi, il modulo di definizione di traiettoria è predisposto per generare in questa fase due possibili manovre estreme, rispettivamente una manovra di massimo scostamento a sinistra ed una manovra di massimo scostamento a destra.

La verifica della attuabilità dell'elusione di un ostacolo, ossia la verifica se le traiettorie estreme calcolate intersecano ancora l'area di collisione è attuata riapplicando la prima fase di calcolo dell'area di collisione e determinazione di traiettorie in collisione, a partire dalla fase successiva.

Selezione della manovra, verifica della attuabilità dell'elusione dell'ostacolo ed aggiornamento della traiettoria

Successivamente alla fase di calcolo delle traiettorie estreme, il modulo di definizione di traiettoria seleziona il miglior tipo di manovra compreso tra le manovre estreme calcolate al passo precedente verificando l'attuabilità dell'elusione dell'ostacolo da parte di tale tipo di manovra.

Questa operazione può essere attuata sulla base di molteplici fattori differenti, che costituiscono pertanto un parametro variabile di programmazione del sistema di controllo ed elaborazione di bordo, ad esempio dipendente dalla destinazione d'uso del veicolo equipaggiato con tale sistema: l'ambiente circostante, il comfort dei passeggeri, eccetera. Risulterà chiaro ad un tecnico del settore che la programmazione del sistema di controllo può essere attuata una volta sola in sede di impostazione del sistema prima della sua installazione sul veicolo o può essere selezionabile da un utilizzatore del veicolo, in base alle esigenze.

In generale, in questa fase si verifica se i massimi scostamenti a sinistra e a destra calcolati alla fase precedente sono sufficienti per evitare l'ostacolo e rimanere nella carreggiata o sede stradale (i cui limiti o dimensione trasversale vengono dunque introdotti in questa fase). Quindi, possono essere dati diversi casi:

1) Una manovra di massimo scostamento a sinistra non permette di evitare l'ostacolo. L'ostacolo è considerato inevitabile e si verifica se possa essere eluso mediante una manovra di massimo scostamento a destra. Se anche in questo caso l'ostacolo è inevitabile, il sistema nella forma di realizzazione attualmente preferita è programmato per frenare al fine di minimizzare la velocità di impatto.

2) Se la manovra di massimo scostamento a sinistra permette di evitare l'ostacolo, ma la traiettoria così calcolata porta fuori dalla carreggiata stradale, il sistema riduce la manovra fino a rimanere in carreggiata. Se anche questa manovra con il massimo scostamento compatibile con i limiti della carreggiata stradale porta a urtare l'ostacolo, l'ostacolo viene considerato inevitabile, e si verifica se possa essere eluso mediante una analoga manovra di scostamento a destra.

Dopo aver condotto una analisi di fattibilità di almeno una manovra di elusione dell'ostacolo, come descritto nel capoverso precedente (fondamentalmente tenendo conto delle dimensioni e posizioni dell'ostacolo e della dimensione della carreggiata stradale) si procede con la scelta di una manovra tra le manovre possibili sulla base di un criterio predefinito. I criteri per la scelta potrebbero essere:

1) il comfort dei passeggeri;

2) eventuali considerazioni di robustezza (se una manovra di curvatura verso sinistra e verso destra sono entrambi fattibili, e la manovra di curvatura verso sinistra comporta l'invasione della corsia di marcia opposta ed il sistema verifica l'esistenza di una segnaletica orizzontale di precetto contrario (ad esempio, una linea di mezzeria continua), allora è preferibile curvare verso destra, per rispettare il codice della strada.

In questa forma di realizzazione ci si focalizza sulla trattazione delle considerazioni relative ai limiti o vincoli di manovra. Un criterio di selezione attualmente preferito è legato all'ampiezza dello scostamento laterale, e specificamente è scelta la manovra con lo scostamento laterale minore.

La verifica di attuabilità dell'elusione dell'ostacolo è eseguita al passo precedente per i due scenari in cui è simulato lo scostamento del veicolo il più possibile a sinistra e a destra. In generale, nella maggior parte delle condizioni di marcia reali, questo non è necessario e pertanto l'eccitazione della manovra prescelta può essere ridotta. Ciò è realizzato in due passaggi: dapprima, lo scostamento laterale viene impostato al minimo per evitare che il veicolo V intersechi nella sua marcia l'area di collisione A, a meno di una tolleranza di distanza di sicurezza, quindi il periodo della sinusoide è aumentato (a passi discreti, preferibilmente con un passo di spostamento laterale pari a mezza larghezza del veicolo) in funzione della sezione della sede stradale di inizio dell'area di collisione.

Per questi passaggi è necessario conoscere le coordinate dei vertici dell'area di collisione A, rappresentati in figura 1. Si consideri dapprima un ostacolo W che attraversa la sede stradale da destra verso sinistra, come mostrato in figura 1. Il veicolo V può evitare l'area di collisione sterzando verso destra o verso sinistra. Nel caso di manovra di sterzatura verso destra lo scostamento laterale necessario ysh,right dipende dalla coordinata Y comune dell'estremo P1, ed è determinato dalla seguente espressione:

dove Wego è la larghezza del veicolo V, mentre ysafe è un parametro positivo predeterminato che rappresenta la distanza di sicurezza che si vuole tenere rispetto all'ostacolo.

Allo stesso modo, se è eseguita una manovra di sterzatura verso sinistra, lo scostamento laterale necessario ysh,left dipende dalla coordinata Y comune dell'estremo P5, ed è determinato dalla seguente espressione:

Analogamente, se l'ostacolo W si muove da sinistra verso destra lo scostamento laterale può essere calcolato in modo simile considerando i vertici P2 e P6.

L'impostazione del periodo della sinusoide di curvatura è utilizzata per ridurre ulteriormente l'eccitazione della manovra, poiché un periodo maggiore determinerà una accelerazione laterale inferiore. Il periodo della sinusoide di curvatura è scelto come il periodo più lungo che garantisce ancora una traiettoria di elusione dell'ostacolo esente da collisione. Questo è mostrato nella figura 7. Nel diagramma superiore è mostrata una traiettoria di elusione limite (ossia di massimo scostamento, in questo caso a sinistra) Smax, calcolata alla fase precedente, ed una traiettoria finale Sfin che permette l'elusione dell'ostacolo sebbene con una eccitazione di accelerazione laterale inferiore. Nel secondo diagramma dall'alto è mostrato un esempio di come può avvenire la riduzione dell'eccitazione della manovra di elusione dell'ostacolo ossia dell'accelerazione laterale, dapprima generando - a partire dalla traiettoria limite Smax - una traiettoria Smin che presenta il minimo scostamento laterale per evitare l'area di collisione A, quindi aumentando il periodo della sinusoide della curvatura per raggiungere una manovra di scostamento Sfin con traiettoria più lunga e meno eccitata, ossia con accelerazione laterale minima. Infine, negli ultimi due diagrammi è mostrato un confronto tra un digramma (superiore) degli scostamenti laterali ed un diagramma (inferiore) delle accelerazioni laterali corrispondenti. Specificamente, il terzo diagramma illustra l'andamento nel tempo della posizione trasversale del veicolo sulla sede stradale in sei condizioni di manovra differenti, rappresentate dalle curve S1-S6 indicative rispettivamente di uno scostamento trasversale ideale e di scostamenti trasversali corrispondenti ad una manovra con curvatura sinusoidale di periodo Tc uguale rispettivamente a 0,5s, 1s, 2s, 3s, 4s. Il quarto diagramma illustra l'andamento dell'accelerazione laterale per le traiettorie di elusione rappresentate nel diagramma superiore percorribili dal veicolo, che sono rispettivamente un'onda quadra A1, onde composite con ripidi fronti di salita e discesa sinusoidali e plateau ad accelerazione costante A2 e A3, onde puramente sinusoidali A4-A6.

Nel caso in cui entrambi gli scostamenti laterali non siano attuabili, perché le traiettorie di scostamento estreme non consentono di evitare di intersecare l'area di collisione, viene considerata la semplice frenatura del veicolo V. Per garantire di evitare la collisione con l'ostacolo W il veicolo controllato V dovrebbe frenare almeno fintantoché non raggiunge la velocità longitudinale dell'ostacolo.

Le seguenti espressioni sono utilizzate per calcolare il tempo di frenatura tbrake richiesto:

dove abrake è la decelerazione imposta al veicolo V dalla manovra di frenatura, Vx,ego0 è la velocità longitudinale del veicolo controllato V al tempo di inizio della manovra di frenatura, sego(tbrake) la posizione longitudinale sulla sede stradale raggiunta dal veicolo controllato V nella manovra di frenatura dopo il tempo di frenatura tbrake e sobs(tbrake) la posizione longitudinale sulla sede stradale raggiunta dall'ostacolo W dopo il tempo di frenatura tbrake.

Se sego(tbrake) < sobs(tbrake) allora la frenatura è una manovra adeguata per evitare la collisione. Ri-pianificazione della traiettoria di elusione dell'ostacolo

L'algoritmo descritto nella trattazione che precede è predisposto per calcolare una manovra di elusione di un ostacolo assumendo che gli stati dell'ostacolo siano perfettamente noti, ossia l'ostacolo sia fermo o la sua velocità sia costante.

Può verificarsi tuttavia che l'ostacolo vari il proprio movimento (vari la propria posizione, inizialmente fissa, o vari la propria velocità) mentre il veicolo controllato sta eseguendo una manovra di elusione. In questo caso l'area di collisione varia nel tempo, sarà differente da quella iniziale e potrebbe verificarsi che la traiettoria generata e la relativa manovra di scostamento, inizialmente adeguate, attraversino un nuova area di collisione.

Il modulo di raccolta e fusione di dati periodicamente attua la mappatura dell'ambiente ed il rilevamento di ostacoli, ad esempio con una frequenza di 100 Hz. Ogni qual volta i sensori riconoscono un nuovo ostacolo, o un ostacolo precedentemente individuato cambia direzione e/o velocità è attuata una verifica di collisione. Quando viene rilevata una possibile collisione lungo una traiettoria di elusione dell'ostacolo precedentemente impostata, il modulo di definizione della traiettoria è nuovamente azionato per la generazione di una traiettoria di elusione dell'ostacolo aggiornata.

Diversamente dalla prima generazione di una traiettoria di elusione dell'ostacolo, che potrebbe originare da una traiettoria di marcia rettilinea del veicolo, una ri-generazione di una traiettoria di elusione dell'ostacolo aggiornata (ripianificazione) deve necessariamente considerare condizioni iniziali non nulle della curvatura, della direzione di marcia del veicolo (che presenta certamente una componente trasversale) e dello scostamento laterale del veicolo sulla carreggiata stradale, come mostrato in figura 8.

Il diagramma superiore illustra l'andamento nella direzione longitudinale X dello scostamento del veicolo sulla sede stradale, rappresentato dalla curva a tratto continuo Snew indicativa dello scostamento ri-pianificato, che si stacca dalla curva Sinit indicativa dello scostamento pianificato alla precedente generazione della traiettoria di elusione dell'ostacolo. Nel medesimo diagramma sono rappresentate, per una immediata comprensione visiva della manovra, un'area di collisione A1 determinata inizialmente ed un'area di collisione A2 aggiornata dovuta alle variazioni dello stato dell'ostacolo. Il diagramma intermedio illustra l'andamento nella direzione longitudinale della direzione locale di marcia del veicolo rispetto alla direzione longitudinale iniziale assunta come riferimento. Sono rappresentate due curve, rispettivamente una prima curva della direzione di marcia H1 prevista secondo la prima traiettoria di elusione dell'ostacolo generata, ed una seconda curva della direzione di marcia H2 prevista secondo la traiettoria di elusione dell'ostacolo aggiornata. Il diagramma inferiore illustra l'andamento nella direzione longitudinale della curvatura della traiettoria di elusione rappresentata nel diagramma superiore percorribile dal veicolo. L'andamento della curvatura iniziale Cinit, puramente sinusoidale, è trasformato in un andamento composito Cnew includente sezioni sinusoidali e sezioni costanti.

Le equazioni utilizzate per determinare la traiettoria di elusione dell'ostacolo aggiornata, citate in precedenza, sono modificate come segue:

e le condizioni finali imposte sono:

dove

Esempi

In figura 9 è mostrato il comportamento di un veicolo V per l'elusione di un ostacolo W rappresentato da un oggetto fermo di fronte al veicolo, rilevato tardivamente ad una distanza di 25m dal veicolo V che sopraggiunge. In questo caso il veicolo controllato V è comandato a spostarsi verso il limite sinistro della carreggiata stradale R ed il periodo di sinusoide è minimo. Uno scostamento minore non sarebbe stato adeguato per eludere l'ostacolo, ed anche la completa frenatura non avrebbe evitato la collisione. La curvatura della traiettoria di elusione generata non è puramente sinusoidale, ma composita, con tratti a curvatura costante.

Con riferimento alla figura 10, invece, è rappresentata la condizione in cui un veicolo W si immette da destra rispetto al veicolo controllato V alla velocità costante di 50 km/h. Il veicolo in immissione rappresenta un ostacolo per il veicolo V e varia la sua velocità quando la manovra elusiva è già stata impostata. Il grafico superiore mostra una prima traiettoria T1 di modifica della corsia di marcia pianificata per eludere l'ostacolo, riferita all'area di collisione A1 calcolata al momento di primo rilevamento dell'ostacolo, quindi sulla base dello stato dell'ostacolo (posizione e velocità) rilevato in tale occasione. Il secondo grafico rappresenta lo stato del veicolo V e dell'ostacolo W quando quest'ultimo varia la propria velocità. L'area di collisione cambia (la nuova area di collisione è indicata con A2 in figura) ed ora la prima traiettoria pianificata T1 la interseca, pertanto il modulo di generazione della traiettoria è nuovamente azionato e viene generata una traiettoria aggiornata T2.

E' interessante notare come la conoscenza della velocità laterale dell'ostacolo sia fondamentale per la pianificazione della traiettoria di elusione: anche se l'ostacolo si trova alla destra del veicolo V quando è attuata la ri-pianificazione, la sua velocità e direzione di spostamento sono tali che l'unica manovra valida per l'elusione dell'ostacolo consiste nello scostamento del veicolo verso destra. Le curve tracciate nel terzo e quarto diagramma rappresentano chiaramente questa inversione di manovra, in particolare l'andamento della curvatura raffigurato nel quarto diagramma presenta un punto angoloso in corrispondenza della generazione della traiettoria aggiornata per il raccordo tra una prima semionda positiva di un primo andamento sinusoidale ed una prima semionda negativa di un secondo andamento sinusoidale.

Vantaggiosamente, è stato dimostrato che una composizione di una traiettoria di elusione di un ostacolo secondo l'invenzione rende possibile formulare in forma chiusa il problema di ricerca della traiettoria di elusione, ciò che riduce in modo significativo gli oneri computazionali e rende l'algoritmo di calcolo eseguito da un sistema di controllo ed elaborazione di un veicolo realizzabile in tempo reale.

Si noti che la realizzazione proposta per la presente invenzione nella discussione che precede ha carattere puramente esemplificativo e non limitativo della presente invenzione. Un tecnico esperto del settore potrà facilmente attuare la presente invenzione in realizzazioni diverse che non si discostano però dai principi qui esposti. Ciò vale in particolare per quanto riguarda la possibilità di scambiare tra loro le direzioni "destra" e "sinistra" dipendentemente dal lato di guida del paese in cui sono destinati a circolare i veicoli equipaggiati con il sistema oggetto dell'invenzione, ragion per cui è possibile identificare tali direzioni genericamente come riferite ad un primo lato del veicolo e ad un secondo lato del veicolo.

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 la generazione di una traiettoria di elusione (Sgen; T1, T2) di un ostacolo (W) rilevato per un veicolo terrestre (V) in marcia lungo un percorso pianificato, particolarmente in uno scenario di guida assistita o di guida autonoma, in cui detta traiettoria di elusione (Sgen; T1, T2) include almeno una curvatura (Cgen) rispetto ad una direzione corrente di riferimento del veicolo (V), caratterizzato dal fatto che detta curvatura (Cgen) presenta una ampiezza che evolve nel tempo con un andamento sinusoidale o con un andamento composito includente tratti con andamento sinusoidale e tratti a valore costante, detto andamento sinusoidale avendo una frequenza inferiore ad una frequenza massima ammissibile predeterminata, detta frequenza massima ammissibile predeterminata essendo inferiore alla massima larghezza di banda di un sistema di controllo della dinamica del veicolo predisposto per l'inseguimento di detta traiettoria di elusione (Sgen; T1, T2) mediante mezzi attuatori di marcia del veicolo comprendenti almeno un impianto sterzante (44).
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detto andamento sinusoidale presenta un periodo costante.
3. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente: - una verifica di collisione, includente verificare se una traiettoria corrente del veicolo lungo una sede stradale (R) di detto percorso pianificato interseca una area di collisione (A; A1; A2) definita in funzione di una posizione e di una velocità rilevate di detto ostacolo (W), per cui deve essere attuata una manovra di elusione; - una verifica della attuabilità di una manovra di elusione dell'ostacolo, includente il calcolo di una prima traiettoria di elusione di massimo scostamento laterale da un primo lato dell'ostacolo (W) e di una seconda traiettoria di elusione di massimo scostamento da un secondo lato dell'ostacolo (W) opposto a detto primo lato, rispetto alla direzione di marcia corrente del veicolo (V); e - una selezione di una manovra di elusione dell'ostacolo, includente la selezione di una traiettoria di elusione (T1, T2) compresa tra la traiettoria corrente del veicolo (V) e detta prima o detta seconda traiettoria di elusione di massimo scostamento laterale, secondo un criterio predeterminato.
4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, in cui detto criterio predeterminato include minimizzare l'accelerazione laterale del veicolo (V).
5. Procedimento secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui la selezione di una traiettoria di elusione secondo detto criterio predeterminato include la selezione di una ampiezza massima (ρ1; -ρ2) della curvatura (Cgen) e di un periodo di andamento sinusoidale della curvatura (Cgen).
6. Procedimento secondo la rivendicazione 5, in cui la selezione di una manovra di elusione dell'ostacolo include l'attuazione di una manovra di frenatura del veicolo (V).
7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta traiettoria di elusione (T1, T2) include una prima curvatura da un primo lato del veicolo (V) ed una seconda curvatura da un secondo lato del veicolo (V), l'ampiezza di dette curvature essendo compresa tra una predeterminata ampiezza massima di curvatura positiva (ρ1) ed una predeterminata ampiezza massima di curvatura negativa (-ρ2), in cui dette predeterminate ampiezze massime di curvatura dipendono dalla accelerazione laterale massima sostenibile dal veicolo (V).
8. Procedimento secondo la rivendicazione 3, in cui detta verifica di collisione è attuata periodicamente per aggiornare detta area di collisione (A1) e detta verifica della attuabilità di una manovra di elusione dell'ostacolo è condotta ogni qual volta è verificato che la traiettoria corrente del veicolo (V) interseca l'area di collisione aggiornata (A2).
9. Sistema per la generazione di una traiettoria di elusione di ostacoli (W) per un veicolo terrestre (V) in marcia lungo un percorso pianificato, particolarmente in uno scenario di guida assistita o di guida autonoma, comprendente: - mezzi (P) di acquisizione di dati di localizzazione del veicolo (V), atti ad emettere un segnale indicativo di coordinate di una posizione reale corrente del veicolo (V) e di un angolo di direzione reale corrente del veicolo (V) rispetto ad una sede stradale (R) percorsa dal veicolo (V); - mezzi (E) di acquisizione di dati di localizzazione di almeno un oggetto (W) che impegna detta sede stradale (R) in prossimità del veicolo (V) e lungo detta direzione reale corrente del veicolo (V), atti ad emettere un segnale indicativo di coordinate rappresentative della sagoma di detto almeno un oggetto (W) rispetto alla posizione reale corrente del veicolo (V); - mezzi (20) di definizione di una traiettoria del veicolo, predisposti per calcolare una traiettoria locale (T1, T2) di movimento del veicolo (V) in funzione delle coordinate di una posizione reale corrente del veicolo (V) e di un angolo di direzione reale corrente del veicolo (V) nonché delle coordinate rappresentative della sagoma di detto almeno un oggetto (W), ed atti ad emettere un segnale indicativo di coordinate attese del veicolo (V) lungo detta traiettoria (T1, T2) e di una direzione di avanzamento locale attesa del veicolo (V); e - mezzi (30) di inseguimento della traiettoria, atti a ricevere detto segnale indicativo di coordinate attese del veicolo (V) lungo detta traiettoria (T1, T2) e di una direzione di avanzamento locale attesa del veicolo (V) e predisposti per emettere segnali di comando di mezzi attuatori (40, 42, 44) di marcia del veicolo (V) comprendenti almeno uno tra l'impianto sterzante (44), l'impianto frenante (42) e il sistema propulsore (40) del veicolo (V), per l'inseguimento di detta traiettoria (T1, T2), in cui i mezzi (20) di definizione della traiettoria del veicolo (V) sono programmati per attuare un procedimento per la generazione di una traiettoria di elusione di ostacoli per un veicolo terrestre (V) in marcia lungo un percorso pianificato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 8.
10. Procedimento di controllo per un veicolo a guida autonoma, comprendente: la mappatura di un ambiente di marcia del veicolo (V) ed il rilevamento di ostacoli (W) in detto ambiente; la generazione di una traiettoria di marcia (T1, T2) del veicolo (V) in detto ambiente atta ad eludere detti ostacoli (W); e il comando di mezzi attuatori di marcia (40, 42, 44) del veicolo, comprendenti almeno uno tra l'impianto sterzante (44), l'impianto frenante (42) e il sistema propulsore (40) del veicolo (V) per l'inseguimento di detta traiettoria di marcia generata (T1, T2), caratterizzato dal fatto che la generazione di una traiettoria di marcia (T1, T2) del veicolo (V) è realizzata attuando un procedimento per la generazione di una traiettoria di elusione di ostacoli secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 8.