IT202100007961A1 - Procedimento e sistema di controllo per generare un profilo di guida ottimale per veicoli provvisti di propulsione elettrica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

?PROCEDIMENTO E SISTEMA DI CONTROLLO PER GENERARE UN PROFILO DI GUIDA OTTIMALE PER VEICOLI PROVVISTI DI PROPULSIONE ELETTRICA?

La presente invenzione ? relativa ad un procedimento per generare un profilo di guida ottimale per veicoli provvisti di propulsione elettrica.

In particolare, il procedimento della presente invenzione rientra nell?ambito di quelle funzioni di supporto alla guida che sono finalizzate ad un risparmio energetico. Pi? in particolare, l?intervento sullo stile di guida ? tra le soluzioni immediatamente applicabili per il risparmio energetico, senza richiedere interventi n? sulle infrastrutture a terra, n? sulle strutture e sui sistemi di trazione gi? previsti sui veicoli.

Il procedimento della presente invenzione si pu? applicare sia al settore ferroviario e tranviario, sia ad altre tipologie di veicoli con propulsione elettrica (alimentata a batterie o con altri sistemi, ad esempio fuel cell, che siano in grado di fornire energia elettrica per la trazione). Pi? in dettaglio, il presente procedimento si pu? applicare a quei veicoli che, in uso, operano in un servizio di trasporto pubblico o privato viaggiando lungo un percorso predefinito, chiamato generalmente ?linea?, suddiviso in una successione di tappe consecutive tra loro, ciascuna delle quali termina in corrispondenza di una fermata, una stazione o anche, semplicemente, un punto intermedio in cui si verifica il tempo di percorrenza.

In tali servizi, i punti di arrivo di ciascuna tappa sono da raggiungere entro un intervallo di tempo prestabilito, corrispondente ad esempio ad un orario di arrivo prestabilito nel corso della giornata, noto agli utenti. In altre parole, i tempi di percorrenza delle varie tappe di una linea sono prestabiliti, e sono indicati in una corrispondente tabella di marcia, che il conducente del veicolo deve cercare di rispettare.

In quest?ambito, ? sentita l?esigenza di elaborare le informazioni che sono relative alle condizioni operative della linea (ad esempio, i vincoli imposti lungo la linea, come i limiti di velocit? o le variazioni altimetriche, le caratteristiche tecniche del veicolo, gli orari di arrivo richiesti dalla tabella di marcia, ecc.), in modo da definire un profilo di guida ottimale che consenta di minimizzare il consumo di energia e, nel contempo, consenta di raggiungere nel tempo assegnato il punto di arrivo di ciascuna tappa.

Le metodologie note nello stato dell?arte per ottimizzare i profili di guida sono di due diverse tipologie: una comunemente detta ?off-line?, in cui il profilo di guida ottimale viene identificato prima che il veicolo inizi la sua missione, e l?altra comunemente detta ?on-line?, in cui il profilo di guida ottimale viene identificato durante la missione stessa e pu? essere aggiornato in tempo reale. I veicoli in servizio (siano essi autovetture, autobus, filobus, tram o metropolitane di superficie) in genere operano in un contesto urbano, che ? condiviso con la viabilit? ordinaria ed include incroci con eventuali semafori, per cui le condizioni operative tendono a variare istante per istante. In questi casi, pertanto, ? richiesta una metodologia di tipo on-line, con analisi in tempo reale delle condizioni operative, per ottenere un risultato efficace.

Una volta generato un profilo di guida ottimale, il sistema di controllo potr? fornire al conducente (in modo tempestivo, in relazione agli effettivi tempi di risposta del conducente e del veicolo) informazioni che suggeriscano l?entit? di un comando di accelerazione da impostare guidando il veicolo, o suggeriscano la velocit? da raggiungere, per poter ottenere il profilo di guida ottimale; oppure, su veicoli provvisti di un sistema di guida autonoma, il sistema di controllo potr? inviare un opportuno segnale di comando direttamente a tale sistema di guida autonoma.

La rapidit? di calcolo e la semplicit? dell?algoritmo rivestono quindi una particolare importanza per riuscire ad ottenere prontamente il profilo di guida ottimale, in modo tale da poter rielaborare le informazioni e quindi correggere il risultato qualora fosse necessario (ad esempio: qualora le condizioni operative cambino, e/o qualora il conducente non riesca a seguire i suggerimenti di guida forniti dal sistema di controllo a causa di eventi imprevisti).

Scopo della presente invenzione ? quindi quello di fornire un procedimento per generare un profilo di guida ottimale per veicoli provvisti di propulsione elettrica, il quale consenta di assolvere alle esigenze sopra esposte in maniera semplice ed economica e sia adatto ad una implementazione di tipo ?on-line?.

Secondo la presente invenzione, viene fornito un procedimento come definito nella rivendicazione 1.

La presente invenzione ?, inoltre, relativa ad un sistema di controllo come definito nella rivendicazione 15.

L'invenzione verr? ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio preferito di attuazione, di carattere non limitativo, in cui:

- la figura 1 mostra, schematicamente, un veicolo che ? provvisto di propulsione elettrica e viaggia lungo una linea costituita da una successione di tappe;

- la figura 2 ? un diagramma di flusso, o schema a blocchi, che mostra, in modo schematico e semplificato, una preferita forma di attuazione del procedimento per generare un profilo di guida ottimale per veicoli provvisti di propulsione elettrica secondo la presente invenzione;

- la figura 3 ? uno schema che mostra una suddivisione del tempo stabilito per completare una tappa in una serie di intervalli di tempo successivi; - le figure 4 e 5 sono grafici che mostrano diverse fasi del procedimento secondo la presente invenzione;

- la figura 6 ? analoga alla figura 4 e mostra, in modo semplificato, vari possibili profili di guida che sono generati secondo il procedimento della presente invenzione, e tra cui viene selezionato quello a minor consumo di energia;

- la figura 7 ? un grafico esemplificativo che mostra una caratteristica di trazione (forza/velocit?) di un veicolo a propulsione elettrica; e

- la figura 8 mostra schematicamente una preferita forma di attuazione del sistema o architettura di controllo per eseguire il procedimento della presente invenzione.

In figura 1, il numero di riferimento 1 indica un veicolo provvisto di propulsione elettrica, ossia di un sistema di trazione 2 (schematicamente illustrato) comprendente motori elettrici che azionano le ruote (non illustrate) e sono alimentati tramite energia elettrica, attraverso opportuna apparecchiatura elettronica di tipo noto (inverter di trazione, filtri, ecc.), non illustrata e non descritta in dettaglio. Il veicolo 1 pu? essere un veicolo ferroviario o tramviario o una metropolitana, ossia un veicolo che viaggia su rotaie 4, come illustrato a titolo di esempio, ma potrebbe essere anche un veicolo gommato che viaggia su strada, come un autobus, un filobus, un mezzo per il trasporto merci o un autoveicolo, pur sempre a trazione elettrica.

Nell?esempio che verr? descritto nel seguito, il veicolo 1 viene guidato da un conducente o controllato da una stazione remota. In alternativa o in combinazione a questa soluzione, il veicolo 1 pu? essere provvisto di un sistema di guida autonoma per essere guidato in modo automatico senza conducente.

In uso, il veicolo 1 esegue un servizio di trasporto, ad esempio per il trasporto di passeggeri, lungo una linea 10 di tipo prestabilito. La linea 10 ? costituita da una serie di tappe T1, ?, Tn, Tn+1 ?. disposte secondo una sequenza spaziale l?una dopo l?altra. Ciascuna tappa Tn inizia da un corrispondente punto di partenza PTn e termina in un corrispondente punto di arrivo ATn (dove: AT(n-1)=PTn e ATn=PT(n+1)). Ad esempio, i punti di partenza e di arrivo sono definiti da rispettive fermate o stazioni F, provviste di banchine dove il veicolo si ferma per la salita e/o la discesa dei passeggeri. Tuttavia, le tappe Tn possono essere definite da punti intermedi lungo un tratto di linea che non prevede fermate, ossia senza prevedere un arresto ed un eventuale stazionamento del veicolo, ad esempio al fine di verificare tempi intermedi di percorrenza lungo la linea 10 in corrispondenza di punti prestabiliti.

La linea 10 ? associata ad una tabella di marcia, ossia ad una tabella contenente, per ciascuna tappa Tn, un rispettivo orario o istante di tempo On richiesto dal servizio per completare tale tappa Tn, ossia per rispettare un orario di servizio prestabilito (che in genere ? conosciuto anche dall?utenza del servizio).

Il veicolo 1 comprende una architettura o sistema di controllo, descritto pi? in dettaglio nel seguito, e comprendente almeno un blocco o una centralina elettronica configurata in modo da processare un algoritmo, codificato in un opportuno programma per elaboratore (software), ed eseguire un procedimento mostrato schematicamente in modo semplificato in figura 2. Tale procedimento genera un profilo di guida ottimale Gott per ciascuna tappa Tn, in risposta ad una pluralit? di dati di ingresso.

I dati di ingresso possono essere suddivisi in due categorie: la prima categoria ? definita da dati di configurazione che sono impostati prima di viaggiare lungo la linea 10, e che sono di carattere stazionario, ossia non subiscono variazioni nel tempo durante l?esecuzione di ciascuna tappa Tn; e la seconda categoria ? definita da dati relativi a condizioni operative che possono variare nel tempo durante la missione, ossia mentre il veicolo 1 viaggia lungo ciascuna tappa Tn.

I dati di ingresso della prima categoria sono considerati come noti di per s?, e previsti in un passo preliminare (passo 101) del procedimento di figura 2. Questi dati di ingresso, in linea di principio, possono essere forniti all?algoritmo tramite diverse modalit?: ad esempio, possono essere gi? disponibili nel sistema di controllo sul veicolo 1, in quanto memorizzati in una memoria (non illustrata), e/o possono essere impostati manualmente da un operatore o dal conducente, e/o possono essere trasmessi al sistema di controllo dall?esterno, ad esempio da una stazione di controllo disposta in posizione remota o tramite applicativi disponibili via web. Preferibilmente, i dati di ingresso della prima categoria comprendono quattro tipologie di dati, ossia:

? dati o valori I1a, relativi a caratteristiche del veicolo;

? dati o valori I1b relativi a caratteristiche del percorso lungo ciascuna tappa Tn;

? dati o valori I1c, relativi al servizio pubblico da soddisfare;

? dati o valori I1d relativi ad impostazioni per regolare l?elaborazione eseguita dall?algoritmo. In particolare, i dati I1b comprendono almeno alcune delle seguenti informazioni: posizione, ossia coordinate spaziali, dei punti di partenza, di arrivo ed intermedi di ciascuna tappa Tn; localizzazione e curvatura di curve eventualmente presenti lungo il percorso; localizzazione di eventuali incroci; localizzazione di eventuali scambi lungo i binari 4 nel caso di sistemi di trasporto a guida vincolata; dati di altimetria lungo il percorso, definiti ad esempio da pendenze positive o negative in ciascun punto del percorso; limiti di velocit? noti, ad esempio dal codice della strada, per i vari punti del percorso; eventuali altri elementi del percorso di carattere stazionario (ad esempio livello dell?attrito tra ruote e binari o la strada) che possono determinare un rallentamento o una facilitazione al moto del veicolo e quindi una variazione della potenza richiesta per la trazione del veicolo.

Questi dati sono associati in modo biunivoco alla posizione di ciascun punto del percorso. In altre parole, ciascun punto del percorso ? identificato da una sua posizione (ossia da una o pi? coordinate che lo rappresentano in un sistema di riferimento spaziale) ed ? associato ad una serie di dati corrispondenti ai suddetti dati I1b.

Preferibilmente, i dati I1b sono contenuti in un file di configurazione memorizzato, che pu? essere sostituito o modificato in base alle esigenze. Infatti, se il veicolo 1 deve cambiare la missione, ossia deve cambiare la linea e/o le tempistiche del servizio, sar? sufficiente caricare nella memoria del sistema di controllo un nuovo file di configurazione con dati aggiornati. I nuovi dati possono essere anche inviati al veicolo 1 da remoto.

Invece di essere memorizzati, i dati I1b potrebbero essere ottenuti con altre modalit?, ad esempio prelevando le informazioni da un servizio o un applicativo web che si interfaccia con un applicativo di posizionamento GPS previsto sul veicolo.

I dati I1c comprendono gli orari On delle varie tappe Tn e sono associati, in modo biunivoco, alle posizioni dei punti di arrivo ATn; i dati I1c possono comunque comprendere anche altre informazioni del servizio da erogare (ad esempio, eventuali tempi di arresto previsti alle fermate per la salita e la discesa dei passeggeri). Preferibilmente, anche i dati I1c sono contenuti in un file di configurazione, che ? memorizzato nel sistema di controllo e pu? essere aggiornato. Infatti, se il veicolo 1 deve variare la propria missione, ? sufficiente caricare un nuovo file di configurazione (che eventualmente pu? essere trasmesso al veicolo 1 da remoto).

Per quanto riguarda i dati I1a relativi alle caratteristiche tecniche del veicolo, questi comprendono almeno alcune delle seguenti informazioni: massa del veicolo; velocit? massima consentita dal sistema di trazione; accelerazioni massime consentite dal sistema di trazione e/o dal sistema di frenatura; massimo jerk (variazione di accelerazione) accettato normalmente dai passeggeri; informazioni indicative della coppia e/o della potenza massima erogabile del sistema di trazione 2 (tali informazioni sono, ad esempio, rappresentate tramite una caratteristica di trazione forza/velocit? come nel grafico di figura 7); rendimenti previsti tra la sorgente di energia e le ruote, e comprendenti preferibilmente un rendimento associato alle fasi di trazione e un rendimento associato alle fasi di frenatura (con recupero di energia e/o con frenatura dissipativa, di tipo reostatico, meccanico, pneumatico, idraulico, ecc.). Anche i dati I1a relativi al veicolo, preferibilmente, sono contenuti in un file di configurazione (che in genere non necessita di essere aggiornato).

Per quanto riguarda i dati I1d, questi comprendono, preferibilmente, un valore di tolleranza spaziale, che viene utilizzato dall?algoritmo per approssimare la posizione del punto di arrivo ATn di ciascuna tappa Tn, e quindi per accettare tutte le soluzioni che riescono a coprire la lunghezza della tappa Tn con un errore non superiore a tale valore di tolleranza spaziale.

Preferibilmente, i dati I1d comprendono, inoltre, un valore di tolleranza temporale, che viene utilizzato dal procedimento per approssimare l?orario On richiesto dal servizio per terminare ciascuna tappa Tn e quindi per accettare tutte le soluzioni che coprono la tappa Tn con un errore non superiore a tale valore di tolleranza temporale.

L?algoritmo ? configurato in modo da determinare un profilo di guida ottimale per ciascuna tappa Tn, mentre il veicolo 1 inizia oppure sta percorrendo tale tappa Tn.

Innanzi tutto, nel ricercare il profilo di guida ottimale della tappa Tn, l?algoritmo (passo 102 in figura 2) calcola lo spazio S ancora da percorrere, in base alla posizione del punto di arrivo ATn e alla posizione corrente del veicolo 1, e calcola l?intervallo di tempo D ancora disponibile per arrivare in orario, in base all?orario On richiesto all?arrivo e in base all?istante di tempo corrente. L?intervallo di tempo D viene suddiviso in una serie di intervalli o passi temporali elementari, ossia viene ?discretizzato?. Preferibilmente, al fine di ottimizzare le risorse di calcolo senza pregiudicare la precisione del risultato, il procedimento utilizza un passo di discretizzazione temporale che ? fisso per la maggior parte della tappa Tn, e ha un valore diverso solo per la parte finale, ossia in prossimit? del punto di arrivo ATn, come mostrato in figura 3. In altre parole, la discretizzazione dell?intervallo di tempo D include un passo temporale ?t costante, di default, ed un passo temporale new(?t), che viene calcolato dall?algoritmo. Il passo temporale new(?t) ? tale per cui la sommatoria di tutti gli intervalli di tempo elementari (?t e new(?t)) sia uguale al valore di tempo D (per arrivare all?orario On, in particolare tenendo conto del valore di tolleranza temporale sopra menzionato). Preferibilmente, la discretizzazione ed i calcoli sono eseguiti in modo tale che il numero di intervalli di tempo elementari pari a new(?t) sia uguale esattamente a due.

L?estensione temporale degli intervalli ?t costituisce parte dei dati I1d (impostazioni dell?algoritmo). In particolare, ? impostata in modo da essere compatibile con i tempi di reazione del conducente, se l?algoritmo ? usato come strumento di supporto per suggerire uno stile di guida al conducente stesso.

Oltre all?intervallo ?t, i dati I1d relativi alle impostazioni dell?algoritmo comprendono una pluralit? di valori prestabiliti di accelerazione aj (sia positivi, che negativi) ipotizzati durante il viaggio in ciascuno degli intervalli di tempo futuri della tappa Tn. Questi valori prestabiliti di accelerazione aj sono definiti tramite impostazioni iniziali (configurabili), rappresentano le accelerazioni che ? possibile impostare guidando il veicolo, e sono in numero finito, preferibilmente almeno tre.

Analizzando ciascun intervallo di tempo futuro con le equazioni del moto, l?algoritmo calcoler? accelerazioni ajk, alle ruote, dove ciascuna accelerazione ajk ? definita dalla somma di un corrispondente valore di accelerazione prestabilito aj e di una componente dovuta alle resistenze del moto, quali ad esempio le pendenze lungo il percorso, i raggi di curvatura nelle curve del percorso (se previste e conosciute nei dati I1b) ed eventualmente le resistenze aerodinamiche.

In aggiunta, il procedimento considera altri due valori di accelerazioni ajk possibili, in particolare:

- un valore nullo, corrispondente ad una condizione di ?cruising? (ossia, con veicolo che viaggia a velocit? costante, grazie ad una forza di trazione che consuma energia soltanto per compensare le resistenze al moto), ed - un valore corrispondente ad una condizione di ?coasting? (ossia una condizione di viaggio per inerzia, senza trazione o frenature); questo valore di accelerazione viene calcolato dall?algoritmo per ogni intervallo di tempo (?t o new(?t)) determinando le resistenze al moto che si attendono in tale intervallo, e dividendo il valore di tali resistenze per la massa equivalente viaggiante (pari alla somma della massa del veicolo, e della massa del carico, che pu? essere rilevata oppure stimata tramite metodologie note, ad esempio tramite un conteggio del numero di passeggeri che salgono e scendono).

Pertanto, l?algoritmo prende in considerazione almeno cinque valori di accelerazione ajk possibili, per stimare o ipotizzare il funzionamento del veicolo in ciascun intervallo di tempo futuro della tappa Tn. In particolare, il numero di accelerazioni ajk utilizzate ? compreso tra 6 e 10, per avere un buon compromesso tra bassi tempi di calcolo e ottimizzazione del risultato.

Preferibilmente, i dati I1d (i valori della tolleranza spaziale e della tolleranza temporale, il valore di default del passo temporale ?t, il numero e i valori prestabiliti di accelerazione aj) vengono forniti all?algoritmo attraverso un altro file di configurazione, che pu? essere aggiornato.

In particolare, l?algoritmo riceve e legge i dati I1a e I1d in fase di accensione, ed i dati I1b e I1c in presenza di un segnale che indica l?avvio di una missione (fornito ad esempio dal conducente).

In via preliminare, l?algoritmo verifica se il tempo D ? sufficiente a coprire lo spazio S, ossia ? sufficiente ad arrivare al punto di arrivo ATn (passo 103 in figura 2). In particolare, questa verifica viene eseguita in modo semplificato, senza tenere conto delle informazioni sul percorso (dati I1b) e delle informazioni di carattere non stazionario rilevate durante la missione. Ad esempio, l?algoritmo calcola se il tempo D ? sufficiente nell?ipotesi in cui si percorra lo spazio S con un profilo di moto di tipo standard, ad esempio un profilo di moto a velocit? massima costante, o un profilo di moto di tipo ?triangolare? o ?trapezoidale?, ossia un viaggio che inizia con una accelerazione massima, fino a raggiungere una velocit? massima consentita, la quale eventualmente viene mantenuta fino in prossimit? dell?arrivo, per impostare infine una massima decelerazione consentita fino a tale punto di arrivo.

Se questa verifica preliminare fornisce esito negativo, l?algoritmo genera un profilo di guida tale da minimizzare il tempo di percorrenza e quindi limitare il ritardo (passo 104). Se la verifica al passo 103 fornisce, invece, un esito positivo, si elaborano i dati in ingresso per generare il profilo di guida ottimale (passo 105).

Questa elaborazione prevede, come spiegato sopra, la fase di suddividere il tempo D in una serie di intervalli o passi futuri, ?t1, ?t2 ?. ?t(k), ?t(k+1), definiti dagli intervalli ?t e new(?t) descritti sopra. Gli intervalli ?t(k) corrispondono a intervalli di analisi distinti e successivi tra loro; in altre parole, l?algoritmo analizza, l?uno dopo l?altro, gli intervalli ?t(k).

Per ciascun intervallo ?t(k), come accennato sopra, l?algoritmo utilizza le equazioni del moto: partendo dai valori di posizione x(k-1) e di velocit? v(k-1) del veicolo, all?inizio dell?intervallo ?t(k), l?algoritmo determina l?ipotetica posizione x(k) e l?ipotetica velocit? v(k) che il veicolo raggiunger? al termine di tale intervallo ?t(k), per ciascuna delle suddette accelerazioni ajk.

v(k) = v(k-1) ajk ? ?t(k)

x(k) = x(k-1) v(k-1) ? ?t(k) 1/2 ? ajk ? ?t(k)^2 La posizione x0 e la velocit? v0 all?inizio del primo intervallo ?t1 corrispondono alla posizione e alla velocit? correnti (rilevate tramite dispositivi di tipo noto, previsti a bordo del veicolo 1); a partire da tali valori, come mostrato schematicamente nella figura 4, con le suddette equazioni l?algoritmo determina una pluralit? di ipotetici punti finali P1 (uno per ciascuna delle accelerazioni aj1 ipotizzate) al termine del primo intervallo ?t1. ? evidente che ciascun punto P1 ? associato a rispettivi valori di posizione x1 e di velocit? v1, oltre che ad un valore di tempo. L?elaborazione procede allo stesso modo per ciascuno degli intervalli ?t(k): come mostrato schematicamente in figura 5, l?algoritmo prende in considerazione l?intervallo ?t2 e reitera il calcolo con le equazioni del moto, partendo da ciascuno dei punti P1 e per ciascuna delle accelerazioni aj2, in modo da determinare quali sono gli ipotetici punti finali P2, e cos? via per gli intervalli successivi ?t3, ?t4, ecc.

In altre parole, partendo da ciascun punto che ? stato determinato al passo k-1, l?algoritmo genera un numero di punti Pk pari al numero di accelerazioni ajk (alcune indicative dei valori prestabiliti in fase di inizializzazione, e due definite dalle accelerazioni che garantiscono il ?coasting? e il ?cruising?).

Questa generazione degli ipotetici punti futuri Pk per ogni intervallo ?t(k) ? indicata in figura 2, nel suo complesso, dal passo 106.

Vantaggiosamente, per ogni intervallo ?t(k) (prima di analizzare l?intervallo successivo ?t(k+1)), dopo aver utilizzato le equazioni del moto per prevedere i punti finali Pk, l?algoritmo verifica che ciascuna delle accelerazioni applicate nelle equazioni del moto non richieda una forza di trazione maggiore di quella massima che ? erogabile dal sistema di trazione 2. A tale scopo, preferibilmente, viene utilizzato un grafico che rappresenta la caratteristica forza-velocit? del sistema di trazione 2. Pi? in dettaglio, l?algoritmo esegue le seguenti operazioni:

- calcola le resistenze R che il veicolo incontra nell?intervallo ?t(k), per ciascuna delle accelerazioni ajk (passo 107); a questo scopo, metodologie di calcolo per ottenere le resistenze R sono gi? note in letteratura, come ad esempio la resistenza aerodinamica basata sulla formula di Davis o la resistenza legata all?attrito basata sulla formula di Von R?ckl; nel valore delle resistenze R sono inclusi anche gli effetti delle pendenze e delle curve del percorso;

- calcola la forza di trazione Fteor teoricamente necessaria per raggiungere l?accelerazione ajk, e vincere le resistenze che sono state calcolate

Fteor = (me ? ajk) R

dove me ? la massa equivalente viaggiante, che viene calcolata sommando la massa del veicolo (impostata in fase di configurazione) e la massa del carico (determinata in base a segnali emessi da sensori a bordo, ad esempio da sensori su cinture di sicurezza, sensori montati sulle sospensioni, sensori contapersone, ecc.);

- confronta (passo 108) la forza di trazione Fteor con la forza di trazione massima erogabile (Fc) fornita dalla caratteristica forza-velocit? (corrispondente, sull?asse delle ascisse del grafico, alla velocit? v(k) che ? stata calcolata con le equazioni del moto): se Fteor>Fc, i valori di posizione x(k) e velocit? v(k) del punto P(k) ottenuti con l?accelerazione ajk che si sta verificando vengono tralasciati; preferibilmente, posizione e velocit? di questo punto vengono ricalcolati utilizzando, nelle equazioni del moto, un valore di accelerazione corretto, definito dall?accelerazione massima attuabile dal sistema di trazione: ajk? = (Fc ? R)/me.

Secondo un aspetto della presente invenzione, per ogni intervallo ?t(k) (prima di elaborare l?intervallo ?t(k+1) successivo), al passo 110 di figura 2 l?algoritmo esegue almeno una operazione di verifica per stabilire se ciascuno dei punti P(k) che sono stati ottenuti tramite le equazioni del moto rispettano uno o pi? vincoli, definiti ad esempio dal percorso (dati I1b) e/o dalle caratteristiche del veicolo (dati I1a). Se la verifica fornisce esito negativo, il punto P(k) sotto verifica viene eliminato dalle ipotesi plausibili (ossia, non viene considerato quando si passa ad elaborare l?intervallo successivo ?t(k+1)), come nell?esempio mostrato schematicamente in figura 5.

Pi? in dettaglio, il passo 110 include una o pi? delle seguenti verifiche:

- verifica se la velocit? v(k) alla fine dell?intervallo ?t(k) ? non maggiore di una massima velocit? consentita vmax (definita, ad esempio, da un limite di velocit? stradale); - verifica se l?accelerazione ajk (che include la componente dovuta ad eventuali pendenze) ? non maggiore di una massima accelerazione e/o di una massima decelerazione consentita;

- verifica se il jerk (variazione di accelerazione) ? non maggiore di un valore massimo consentito;

- verifica se la posizione raggiunta x(k) ? maggiore della posizione precedente x(k-1) (e/o se v(k) ? maggiore di zero).

? sufficiente che anche una sola delle condizioni di vincolo dia esito negativo affinch? il punto P(k) preso in considerazione per la verifica venga scartato.

Preferibilmente, per ciascun punto superstite che ha superato le verifiche precedenti, l?algoritmo verifica, inoltre, se il punto di arrivo ATn sia ancora ragionevolmente raggiungibile nel tempo residuo. Questa verifica viene eseguita, ad esempio, impostando un profilo di moto standard, ad esempio di tipo ?triangolare? o ?trapezoidale? come descritto sopra. Se questa ulteriore verifica fornisce esito negativo, anche in questo caso il punto P(k) viene scartato, ossia eliminato dalla lista dei punti plausibili che verranno poi considerati nelle elaborazioni per l?intervallo successivo ?t(k+1).

Dopo aver scartato i punti che non sono plausibili, per ciascun punto superstite P(k) l?algoritmo calcola il salto di energia necessario a raggiungere tale punto P(k) a partire dallo specifico punto P(k-1) che lo ha originato.

In particolare, per ottenere il salto di energia ?E necessario dal punto P(k-1) al punto P(k), si prende in considerazione la forza di trazione o frenante necessaria al veicolo per lo spostamento. Tale forza ? il valore minimo tra: la forza di trazione massima Fc ottenuta dal grafico di figura 7, e la forza Ftr necessaria a raggiungere l?accelerazione considerata ajk ed a superare le resistenze R (incluse le pendenze e le curve) per l?intervallo ?t(k),

Ftr = MIN [ (me ? ajk) R ; Fc ]

Ad esempio, in caso di ?coasting?: Ftr = 0; e in caso di ?cruising?: Ftr = R.

?E viene poi calcolato moltiplicando la forza di trazione Ftr

- per lo spostamento ?S nell?intervallo considerato ?S = (x(k) ? x(k-1)), e

- per il rendimento dalla sorgente di energia alle ruote (incluso nei dati I1a).

Infine, l?algoritmo termina le operazioni per ciascun passo k calcolando il consumo energetico complessivo necessario per raggiungere ciascun punto P(k) superstite, a partire dalla posizione e dall?istante correnti, ossia sommando i vari contributi o salti di energia ?E associati a tutti gli intervalli ?t precedenti. Ad esempio, l?algoritmo concatena ogni punto superstite P(k), con il punto precedente P(k-1) che l?ha originato, fino ad arrivare alla posizione corrente del veicolo, e quindi calcola il consumo energetico necessario associato a ciascuna ?catena? o successione di punti, sommando i vari contributi ?E.

Il calcolo di ciascun salto di energia ?E, e del conseguente consumo energetico complessivo, viene eseguito durante l?analisi di ciascun intervallo ?t(k).

Le operazioni di ricerca dei punti futuri P(k) e di verifica/decimazione di tali punti, vengono ripetute per ciascun ?t, fino ad arrivare al punto di arrivo ATn della tappa Tn considerata. In particolare, nell?elaborazione eseguita con le leggi del moto per l?ultimo intervallo di tempo, l?algoritmo applica i suddetti valori di tolleranza spaziale e/o temporale, in modo da estendere il numero di soluzioni possibili rispetto alle quali trovare il percorso di guida ottimale, senza aumentare in modo significativo l?onere computazionale.

A questo punto, l?algoritmo ha a disposizione diverse possibili successioni di punti, in cui ciascun punto ? concatenato con quelli che lo hanno originato: ciascuna successione o ?catena? di punti che ? stata ottenuta definisce un possibile profilo di guida G1, G2, ecc., il quale ? associato ad un rispettivo consumo energetico complessivo E1, E2, ecc.

Il profilo di guida associato al consumo energetico complessivo minore viene selezionato dall?algoritmo come profilo di guida ottimale Gott. In altre parole, l?algoritmo fornisce, in uscita, un profilo di guida a minima energia, tra tutti quelli che collegano, nel tempo disponibile D, la posizione corrente con il punto di arrivo Atn della tappa Tn considerata. ? evidente che l?algoritmo seleziona, tra tutti i profili di guida possibili individuati (G1, G2, ecc.), quello a minima energia senza ricorrere n? ad algoritmi di ottimizzazione deterministici, n? ad algoritmi di ottimizzazione euristici, che richiedono risorse di calcolo e tempo di esecuzione che potrebbero risultare incompatibili con una esecuzione in real-time (ossia incompatibili con soluzioni di tipo ?on-line?). Per esempio, secondo la presente invenzione, il profilo ottimale Gott viene selezionato attraverso una ricerca del valore minimo all?interno di un vettore/matrice (costituito dai valori E1, E2, ecc.) tramite algoritmi di tipo noto.

Inoltre, le verifiche che portano ad un possibile scarto di punti ad ogni intervallo ?t(k), sono operazioni di decimazione che riducono in modo significativo il numero di profili di guida alternativi (G1, G2, ecc?) che vengono generati, e che saranno poi da confrontare l?uno con l?altro per stabilire quale ? il profilo di guida ottimale.

D?altra parte, elaborando i dati in uno qualsiasi dei passi k (ossia, per uno qualsiasi degli intervalli ?t(k)), qualora non sopravviva alcun punto dopo le verifiche di decimazione, menzionate sopra, l?elaborazione per trovare il profilo ottimale (passo 105) si ferma, e l?algoritmo passa direttamente al passo 104 (in modo non illustrato): l?algoritmo propone un profilo di guida a tempo minimo con un profilo di moto standard, ad esempio di tipo ?triangolare? o ?trapezoidale? come descritto sopra, in modo da cercare di limitare il ritardo rispetto all?orario stabilito.

Per quanto riguarda il limite di velocit? vmax da considerare nelle verifiche, l?algoritmo pu? determinare in tempo reale un valore di velocit? massimo, non solo sulla base dei valori contenuti nei file di configurazione, ma anche sulla base dei dati di ingresso che variano nel tempo, in particolare sulla base di rilevamenti e/o segnali forniti da un blocco di segnalamento semaforico (ove disponibile) e/o da un ADAS (Advanced Driver Assistance System) previsto a bordo (quando disponibile). In particolare, l?algoritmo applica un valore di velocit? massimo definito dal minimo tra i seguenti: il limite di velocit? di tipo stazionario relativo al percorso (incluso tra i dati I1a), il limite di velocit? individuato dall?ADAS tramite sistemi denominati ?Traffic sign recognition? o ?Speed limit signs recognition?; il limite di velocit? individuato dall?ADAS tramite sistemi denominati ?Autonomous Emergency Braking Systems? o ?Emergency Brake Assist?; e il limite di velocit? stabilito dal sistema di segnalamento/preferenziamento semaforico.

Preferibilmente, se l?ADAS prevede un arresto o un rallentamento futuro in presenza di un ostacolo, oppure qualora il sistema di preferenziamento semaforico preveda di incontrare un semaforo di colore rosso, l?algoritmo introduce una nuova fermata fittizia a velocit? nulla o un nuovo limite di velocit? lungo il tracciato: l?algoritmo, quindi, ricalcola il profilo di guida ottimale per il restante tratto da percorrere, tenendo conto delle indicazioni fornite in tempo reale dall?ADAS e/o dal sistema di preferenziamento semaforico.

Il profilo di guida ottimale Gott che ? stato elaborato e selezionato al passo 105 (oppure il profilo di guida a tempo minimo ottenuto al passo 104) definisce un risultato utilizzabile per determinare segnali indicativi di velocit?, accelerazione, potenza, ecc. da impostare e/o raggiungere sul veicolo 1, per poter rispettare proprio tale profilo di guida. Come accennato sopra, il risultato ottenuto dall?algoritmo pu? essere utilizzato per fornire al conducente informazioni che suggeriscono uno stile di guida che consenta di risparmiare energia (e di arrivare in orario al punto di arrivo ATn della tappa Tn). In altre parole, il risultato dell?algoritmo pu? essere utilizzato come sistema di supporto alla guida: i suggerimenti di guida vengono visualizzati su un dispositivo di interfaccia, denominato ?Human Interface Machine?. Ad esempio, tali suggerimenti comprendono una accelerazione o un livello di comando da impostare e/o una velocit? da raggiungere e mantenere, al fine di ottenere il profilo di guida selezionato dall?algoritmo.

Preferibilmente, l?algoritmo esegue anche una verifica (passo 112) se il veicolo stia seguendo effettivamente il profilo di guida ottimale Gott, ossia se il conducente stia seguendo i suggerimenti fornitigli. In particolare, questa verifica ? basata sul confronto tra la posizione effettiva del veicolo, rilevata ad esempio tramite un blocco GPS, un odometro e/o un tachimetro disposti a bordo (passo 111), e la posizione attesa in base al profilo di guida ottimale Gott che ? stato utilizzato per fornire i suggerimenti di guida al conducente. Se la verifica fornisce un esito negativo (ossia, se si registra uno scostamento, maggiore di una soglia definita nei file di configurazione al passo 101, tra il comportamento del veicolo rispetto a quanto l?algoritmo aveva previsto nel profilo di guida ottimale Gott), l?algoritmo ricalcola lo spazio ancora da percorrere S, il tempo di percorrenza residuo D e quindi il nuovo profilo di guida ottimale.

Come mostrato schematicamente in figura 8, per ottenere il profilo di guida ottimale Gott, l?algoritmo integra le informazioni che arrivano da un certo numero di sensori e/o sistemi installati sul veicolo 1. Le informazioni sono in genere mediate da una unit? di controllo indicata come ?Vehicle Control Unit? (VCU) per veicoli stradali o come ?Train Control & Management System? (TCMS) per veicoli su rotaia: tale unit? dialoga con i sensori di bordo e gestisce il veicolo. Nel caso il risultato dell?algoritmo sia utilizzato da un sistema di guida autonoma, la VCU/TCMS ? anche destinataria di tale risultato e si far? carico di attuarlo dopo aver determinato i comandi per il sistema di trazione.

Verranno descritti ora i singoli blocchi del sistema o architettura di controllo mostrato in figura 8, seguendo in parte il flusso dei dati per l?algoritmo esposto sopra.

A. Blocco ?pre-processing configuration data?

Si occupa di pre-elaborare i dati provenienti dai file di configurazione e di fornirli all?algoritmo per la generazione del profilo di guida ottimale Gott.

In particolare, questi file sono cos? organizzati:

- dati I1c relativi al servizio

o percorso

o successione delle fermate

o tempo necessario a percorrere lo spazio tra due fermate successive (tratta)

- dati I1b relativi al percorso:

o profilo altimetrico e raggi di curvatura

o limiti di velocit?

o scartamento (se previsto e/o conosciuto)

- dati I1a relativi a caratteristiche di progetto del veicolo:

o massa

o coefficienti di attrito meccanico

o caratteristica di trazione

o rendimento in frenatura ed in trazione

o diametro ruota

o diametro perno (se previsto e/o conosciuto)

o coefficiente di attrito perno ? cuscinetto

o coefficiente di attrito ruota ? rotaia (se previsto e/o conosciuto)

- dati I1d relativi alla configurazione dell?algoritmo: o accelerazione massima

o decelerazione massima

o dimensione di default dell?intervallo ?t

o soglia di errore massimo tra posizione prevista e posizione GPS per un ricalcolo del profilo di guida o numero e valori delle accelerazioni (aj)

La funzione di questo blocco di ?pre-processing? ? di prelevare i dati dei file di configurazione, pre-elaborarli e provvedere all?inizializzazione del blocco che ? poi preposto alla generazione del profilo Gott.

Come prima operazione, il tempo disponibile D per raggiungere la fine della tappa viene suddiviso in un numero intero di intervalli ?t, come spiegato sopra. La dimensione di tali intervalli ? scelta dall?utente (ad esempio, in modo da essere compatibile con i tempi di reazione del conducente).

Inoltre, i coefficienti di attrito fra le parti in movimento e le caratteristiche geometriche delle parti meccaniche, sono utilizzati per calcolare le resistenze interne al moto.

B. Blocco ?Generazione profilo Eco-Driving?

? il blocco di elaborazione dedicato al calcolo del profilo di guida ottimale Gott, a minima energia.

Questo blocco riceve i seguenti dati in ingresso:

- vettore degli intervalli di tempo

- vettore delle accelerazioni (ajk)

- massa equivalente (me)

- tempo di arrivo

- resistenze al moto

- caratteristica di trazione

Fornisce, in uscita, il profilo di guida selezionato dall?algoritmo sopra descritto. Riassumendo quanto sopra esposto, questo blocco applica le equazioni del moto uniformemente accelerato per calcolare tutti i possibili punti futuri plausibili, ciascuno contraddistinto, in particolare, da un valore di spazio, velocit?, potenza meccanica ed elettrica ed energia, determinati nell?intervallo di tempo analizzato e per ciascuna delle accelerazioni considerate; inoltre, prima di consolidare il punto e farlo divenire radice di un possibile percorso futuro, questo blocco verifica che tutti i vincoli siano rispettati (come spiegato sopra, questa operazione di decimazione consente di ridurre in modo significativo il tempo di calcolo, rendendo l?algoritmo ?real-time?, ossia eseguito in un tempo compatibile con i tempi di reazione del conducente). In merito ai vincoli che possono essere imposti, si rimanda a quanto indicato sopra: quando un punto non risulta conforme anche solo ad uno dei suddetti vincoli, viene eliminato.

Come detto, questa operazione ? ripetuta in corrispondenza dell?analisi di ciascun intervallo di tempo, per eliminare quanti pi? punti possibile.

Al termine dell?analisi di tutti gli intervalli di tempo, ogni profilo di guida possibile risulta caratterizzato da un valore di energia complessivo (E) ottenuto come somma di tutte le energie parziali (?E) dei rispettivi intervalli; fra tutti i profili di guida possibili, questo blocco seleziona il profilo di guida associato al valore energetico minore.

C. Blocco ?TCMS/VCU?

Identifica l?unit? di controllo del veicolo, VCU o TCMS, che gestisce e monitora i dispositivi e i sensori presenti sul veicolo (tramite un bus seriale CAN, ad esempio). In particolare, questo blocco riceve i seguenti dati in ingresso:

- dati da odometro

- dati da tachimetro

- dati relativi alla posizione della leva di comando manovrata dal conducente

- dati forniti dall?ADAS.

I dati sulla velocit? e sullo spazio forniti dall?odometro consentono di realizzare un doppio controllo sugli effettivi valori di posizione e velocit? rispetto a quelli forniti da un blocco GPS e risolvere eventuali condizioni di errore. La posizione della leva di comando, invece, consente di monitorare le azioni del conducente, cos? da prevedere il mancato raggiungimento del setpoint o obiettivo di velocit? (stabilito in base al profilo di guida ottenuto precedentemente) ed esortare il conducente a fornire il comando e, quindi, la forza di trazione richiesti.

I dati provenienti dall?ADAS, infine, sono utilizzati per prevedere la presenza di ostacoli e nel riconoscere la segnaletica stradale all?esterno del veicolo durante il viaggio, secondo modalit? note e non descritte in dettaglio.

D. Blocco ?GPS ? TCMS/VCU pre-processing?

Ha il compito di confrontare i valori di posizione e velocit? teorici, ottenuti dal profilo di guida ottimale, con quelli reali forniti dal blocco GPS e dal blocco TCMS/VCU, in modo da eseguire la verifica sull?effettivo rispetto di tale profilo di guida ottimale.

Comunica con il blocco TCMS/VCU e con il blocco GPS per ricevere posizione e velocit? rilevati da GPS, e spazio e velocit? rilevati da odometro.

Questo blocco confronta il profilo di guida ottimale Gott, ad ogni intervallo di tempo ?t, con i valori di spazio e velocit? corrente provenienti dal blocco GPS e dal blocco TCMS/VCU. Quando il valore corrente (definito ad esempio dalla media fra quello del GPS e quello fornito dal blocco TCMS/VCU) non corrisponde al valore teorico del profilo di guida, preferibilmente viene dapprima segnalata al conducente la mancata adesione all?obiettivo di velocit? suggerito. Se lo scostamento permane, il profilo di velocit? ottimale viene ricalcolato a partire dai valori di tempo e di spazio effettivamente rimanenti.

E. Blocco ?HMI? (Human Machine Interface)

Ha il compito di comunicare al conducente i suggerimenti utili a sostenere lo stile di guida che segua il profilo di guida ottimale, nel caso non si tratti di un veicolo con guida autonoma in modalit? ?driverless?. Riceve, in ingresso, tale profilo di guida insieme ai dati di posizione e velocit? correnti (combinazione filtrata fra i dati del blocco GPS e i dati forniti dal blocco TCMS/VCU). Le informazioni sono riportate in uscita su un?interfaccia grafica e sono definite, in particolare, da un setpoint o obiettivo di velocit? da raggiungere, e/o da una accelerazione da impostare, azionando una leva di comando o un pedale acceleratore del veicolo. Sul HMI, l?obiettivo ? aggiornato con continuit? in modo da fornire costantemente informazioni sulla correttezza con cui si sta seguendo il profilo di guida suggerito.

L?interfaccia grafica, in particolare, mostra anche le seguenti informazioni:

- spazio che deve ancora essere percorso prima di raggiungere la fermata successiva (ATn);

- tachimetro

- tracciamento grafico della posizione corrente rispetto all?intera linea.

Preferibilmente, il blocco HMI consente al conducente di selezionare la missione, ossia il servizio e la linea da percorrere. Dopo la selezione manuale, il blocco HMI provvede ad una nuova inizializzazione dell?algoritmo secondo i dati I1b e I1c presenti nei file di configurazione.

F. Blocco ?preferenziamento semaforico?

Grazie a questo blocco, ? possibile sincronizzare il passaggio del veicolo con lo stato della segnaletica semaforica. Informazioni relative a tale stato vengono trasmessi al veicolo da un servizio o sistema esterno di gestione semaforica; in particolare questo blocco riceve informazioni relative a:

- stato corrente (verde, rosso, ecc.) del segnale dei semafori

- tempo rimanente prima che lo stato corrente sia variato; - tempi di permanenza degli stati successivi del segnale dei semafori (a copertura di un tempo almeno pari alla durata della tappa).

Il blocco di preferenziamento semaforico invia queste informazioni al blocco di generazione profilo eco-drive, che ricalcola il profilo di guida ottimale da seguire.

In altre parole, queste informazioni sono utilizzate dall?algoritmo, in tempo reale, per prevedere la velocit? da impostare per fermarsi in tempo in caso di segnale rosso, o di continuare la marcia alla velocit? opportuna per giungere al segnale semaforico in tempo per trovare ancora lo stato verde.

Nel dettaglio, il blocco di generazione profilo ecodrive interagisce con il blocco di preferenziamento semaforico e verifica se, con il profilo di guida individuato in quell?istante, venga raggiunto il prossimo semaforo mentre quest?ultimo ? nello stato di via libera (verde). Se la verifica fornisce esito negativo (il semaforo sar? raggiunto quando quest?ultimo ? di via impedita, ossia rosso), l?algoritmo introduce una fermata fittizia in corrispondenza del semaforo (formando, in pratica, una nuova tappa) e ricalcola il profilo di guida ottimale considerando tale nuova fermata fittizia, che si aggiunge a quelle previste dal servizio di linea.

Preferibilmente, l?algoritmo verifica anche se con limitati aumenti di velocita si possa provare a raggiungere il semaforo con una adeguata riserva di tempo (indicata anch?essa nei file di configurazione), in modo da garantire il passaggio con semaforo verde, in sicurezza e senza costringere il veicolo ad una fermata.

In sintesi, combinando le informazioni fornite dal blocco di preferenziamento semaforico (stato corrente del semaforo, tempo che precede il cambio di stato, e programmazione temporale di ogni stato, che generalmente non varia) con quelle provenienti dal blocco di preprocessing (posizione del veicolo rispetto al semaforo), viene calcolato il tempo necessario a raggiungere il semaforo quando quest?ultimo si trova nello stato di verde. Il suddetto algoritmo riceve questo dato e lo utilizza per calcolare il profilo di guida ottimale che consente di raggiungere il semaforo verde.

In particolare, si possono distinguere due situazioni: informazioni semaforiche note alla partenza, e informazioni acquisite in prossimit? del semaforo.

1) Informazioni semaforiche note alla partenza L?infrastruttura semaforica fornisce, in uscita:

- lo stato attuale del semaforo (light_state) che pu? essere verde o rosso

- il tempo di permanenza nello stato attuale (Tleft)

- l?intervallo di tempo in cui il semaforo si trova in stato di rosso (Tred)

- l?intervallo di tempo in cui il semaforo si trova in stato di verde (Tgreen)

I primi due dati devono essere forniti in concomitanza con la partenza del veicolo, in modo da poter realizzare un calcolo in tempo reale. Gli ultimi due possono essere forniti anche off-line, cio? come costanti associate a ogni specifico incrocio e inserite all?interno dei file di configurazione.

Per calcolare il tempo disponibile a raggiungere il prossimo semaforo in condizione di verde, e se lo stato corrente ? quello di verde, si somma:

- il tempo di permanenza rimasto per lo stato attuale di verde (Tleft)

- l?intervallo di tempo in cui il semaforo si trova in stato rosso (Tred) e

- la met? dell?intervallo di tempo in cui il semaforo si trova in stato di verde (Tgreen / 2).

Ossia:

Tsemaforo = Tleft Tred Tgreen/2

Il termine Tgreen/2 assicura un margine temporale in anticipo e in ritardo rispetto all?intervallo di verde.

Fornendo il tempo Tsemaforo al blocco di generazione del profilo eco-driving, l?algoritmo valuta se il tempo Tsemaforo sia sufficiente a percorrere la distanza fra il punto in cui si trova correntemente il veicolo, e il prossimo semaforo.

Nel caso in cui ci? non risultasse possibile, viene ricalcolato un nuovo tempo Tsemaforo disponibile per raggiungere il prossimo semaforo verde, aggiungendo un ciclo di commutazione verde/rosso:

Tsemaforo = Tleft Tred Tgreen Tred Tgreen/2 Ancora una volta, il tempo Tsemaforo viene fornito al blocco di generazione del profilo eco-driving, che verifica nuovamente se il tempo Tsemaforo ? sufficiente al veicolo ad arrivare al prossimo semaforo. La procedura continua fino ad ottenere un esito positivo.

La procedura ? analoga se lo stato attuale del prossimo semaforo ? rosso, infatti ? possibile calcolare: Tsemaforo = Tleft Tgreen Tred Tgreen/2

Il tempo Tsemaforo ottenuto dalla precedente procedura ? utilizzato come tempo di arrivo di una possibile fermata intermedia fittizia. La velocit? verr? imposta a zero al semaforo, solo se il sistema di preferenziamento ha informazione che lo stato del semaforo sar? rosso, in quanto in occasione dell?arrivo al semaforo, il veicolo dovr? necessariamente fermarsi. Alla ripartenza, l?algoritmo ricalcoler? il tempo residuo disponibile D per raggiungere la fine della tappa e ricalcoler? il profilo di guida ottimale.

2) Informazioni acquisite in prossimit? dell?infrastruttura semaforica

In base ai dati trasmessi dall?infrastruttura semaforica, sono noti i seguenti dati:

- distanza relativa tra il prossimo semaforo e il veicolo - stato corrente del semaforo (rosso o verde)

- tempo di permanenza dello stato corrente

- durata degli stati del semaforo (questa informazione pu? anche essere gi? presente nei file di configurazione).

Si esegue una verifica sul profilo di guida ottimale corrente: se si prevede che il veicolo, seguendo il profilo di guida corrente, incrocer? il semaforo nello stato verde, il profilo di guida viene mantenuto senza correzioni e considerato ancora valido (in particolare, il veicolo ha un margine di sicurezza rappresentato dal tempo di permanenza dello stato giallo).

D?altra parte, se si prevede che il veicolo, seguendo il profilo di guida corrente, incrocer? il semaforo nello stato rosso, il profilo di guida viene ricalcolato.

Si possono distinguere tre casi per il ricalcolo:

1. se si prevede che il veicolo, seguendo il profilo di guida corrente, incrocer? il semaforo nello stato rosso, in corrispondenza di una prima porzione del tempo di permanenza dello stato di rosso (ad esempio, nel primo terzo del tempo di permanenza dello stato di rosso), allora il profilo di guida viene ricalcolato impostando una accelerazione aggiuntiva, adatta ad evitare di incontrare lo stato di rosso;

se si prevede che il veicolo, seguendo il profilo di guida corrente, incrocer? il semaforo nello stato rosso in corrispondenza di una ultima porzione del tempo di permanenza nello stato di rosso (ad esempio, nell?ultimo terzo del tempo di permanenza dello stato rosso), allora il profilo di guida viene ricalcolato impostando una decelerazione aggiuntiva che consentir? di incrociare il semaforo nel successivo stato di verde;

se si prevede che il veicolo, seguendo il profilo di guida corrente, incrocer? il semaforo in una porzione intermedia del tempo di permanenza nello stato rosso (ad esempio, nell?intervallo tra 1/3 e 2/3 del tempo di permanenza dello stato rosso), allora il profilo di guida viene ricalcolato secondo almeno una delle seguenti modalit?:

a. si impone una nuova fermata fittizia nel punto in cui si trova il semaforo, e viene ricalcolato il nuovo profilo di guida da seguire fino al raggiungimento del semaforo; lo spazio dalla nuova fermata fittizia fino alla successiva fermata stabilita dal servizio viene considerato come una nuova tappa, in cui il profilo di guida ottimale viene calcolato normalmente;

b. si impone una decelerazione che consenta di incrociare il semaforo nel successivo stato di verde;

c. si impone una accelerazione che consenta di incontrare il semaforo nel precedente stato di verde.

Preferibilmente, queste modalit? di ricalcolo vengono tutte eseguite, e i profili di guida ricalcolati secondo le tre modalit? vengono confrontati tra loro, al fine di selezionare quello migliore in termini di risparmio energetico. Il profilo di guida ottimale, quindi, sar? quello pi? performante tra i tre.

In alternativa all?architettura mostrata in figura 8, sono comunque possibili altre soluzioni, ad esempio un?architettura in cui i dati di ingresso vengono gestiti ed elaborati da un processore front-end prima di essere opportunamente smistati ai blocchi che ne richiedono l?utilizzo.

Da quanto precede appaiono evidenti i vantaggi del procedimento implementato per determinare il profilo di guida ottimale.

In particolare, l?algoritmo fornisce in tempo reale segnali indicativi della potenza da utilizzare istante per istante durante la guida, in modo da raggiungere in un tempo assegnato un luogo definito, con il minimo consumo di energia. L?algoritmo tiene in conto sia le caratteristiche del veicolo, sia quelle del percorso, sia quelle del servizio. Preferibilmente, si tengono in conto anche le informazioni che provengono dall?ADAS di bordo (ad esempio, informazioni provenienti da sistemi di rilevamento ostacoli), nonch? informazioni che provengono da un blocco di preferenziamento semaforico.

Come spiegato sopra in dettaglio, il procedimento presenta un ottimo compromesso tra rapidit? di calcolo e precisione di risultato, ad esempio grazie alla discretizzazione delle accelerazioni ipotizzate nell?elaborare le equazioni del moto e grazie alle verifiche per scartare, ad ogni intervallo ?t analizzato, i punti che non sono plausibili.

Inoltre, rispetto a soluzioni note in cui i profili di guida sono composti da una sequenza rigidamente ordinata composta da una fase di accelerazione, una fase di ?cruising? ed una fase di decelerazione in ?coasting?, il procedimento proposto non ha alcun vincolo nella composizione e nell?ordine delle accelerazioni ipotizzate (ajk): infatti, l?algoritmo permette di trovare profili di guida anche pi? articolati, se necessario. Infatti, in ogni intervallo ?t l?algoritmo pu? scegliere una qualsiasi delle accelerazioni ajk (che sono determinate in base ai valori aj impostati in fase di configurazione).

Da quanto precede appare, infine, evidente che al procedimento e al sistema di controllo descritti sopra con riferimento alle figure allegate, possono essere apportate modifiche e varianti che non esulano dal campo di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, alcune informazioni potrebbero essere trascurate per semplificare l?algoritmo; ad esempio, le pendenze del percorso potrebbero essere trascurate nell?impostare le accelerazioni nelle equazioni del moto e nel calcolare l?energia necessaria a ciascun intervallo ?t se le missioni che deve percorrere il veicolo sono sostanzialmente pianeggianti. Anche le resistenze legate alle curve del percorso potrebbero essere trascurate nel calcolare le accelerazioni (ajk) nelle equazioni del moto e nel calcolare l?energia a ciascun intervallo ?t, nei casi in cui il percorso presenta curve di raggio relativamente grande (ad esempio superiore a 200 m). Anche le resistenze aerodinamiche potrebbero essere trascurate nei casi in cui le velocit? sono inferiori a 50-55 km/h, come accade nella maggior parte dei percorsi urbani.

Claims (15)

R I V E N D I C A Z I O N I

1.- Procedimento per generare un profilo di guida ottimale per veicoli provvisti di propulsione elettrica; il procedimento comprendendo le fasi di:

- prevedere dati di ingresso comprendenti:

a) primi dati (I1b) relativi a caratteristiche di un percorso prestabilito e comprendenti almeno un punto di arrivo (ATn);

b) secondi dati (I1a) relativi a caratteristiche di un veicolo che deve viaggiare lungo detto percorso;

c) terzi dati (I1c) indicativi di almeno un orario (On) da rispettare lungo detto percorso;

- prevedere una successione consecutiva di intervalli di tempo (?t(k)) fino a detto orario (On);

- prevedere accelerazioni (ajk), in numero finito, che il veicolo pu? ipoteticamente assumere in ciascuno di detti intervalli di tempo (?t(k));

- applicare leggi di moto uniformemente accelerato per ciascuna di dette accelerazioni (ajk) e per il primo di detti intervalli di tempo, in modo da generare ipotetici punti futuri partendo da punto iniziale definito da posizione e velocit? correnti del veicolo;

- ripetere l?applicazione delle leggi di moto uniformemente accelerato per ciascuna di dette accelerazioni (ajk) e per ciascuno degli altri intervalli di tempo, l?uno dopo l?altro, per generare ipotetici punti futuri (P(k)) partendo da ciascun punto (P(k-1)) che ? stato determinato all?intervallo precedente, fino a raggiungere detto punto di arrivo;

- per ciascuno di detti intervalli di tempo (?t(k)), prevedere uno o pi? vincoli predefiniti e, prima di analizzare l?intervallo di tempo successivo (?t(k+1)), verificare se i punti futuri generati (P(k)) rispettano tutti i vincoli predefiniti; se la fase di verifica fornisce esito negativo, il punto (P(k)) sotto verifica viene eliminato dalle ipotesi plausibili;

- per ciascuno dei punti superstiti che hanno superato la fase di verifica, calcolare il consumo energetico (?E) necessario per arrivare al punto superstite a partire dal punto che lo ha generato;

- ottenere una pluralit? di profili di guida possibili, ciascuno definito da una rispettiva successione di punti superstiti, concatenati l?uno all?altro, fino al punto di arrivo;

- sommare i consumi energetici (?E), in modo tale da determinare, per ciascuno di detti profili di guida, una corrispondente energia complessiva richiesta per raggiungere il punto di arrivo;

- selezionare, tra detti profili di guida, quello avente energia complessiva minore.

2.- Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detta fase di verifica comprende l?operazione di verificare se la posizione (x(k)) prevista alla fine dell'intervallo di tempo considerato (t(k)) ? maggiore della posizione precedente (x(k-1)), oppure l?operazione di verificare se la velocit? (v(k)) prevista alla fine dell'intervallo di tempo considerato (t(k)) ? maggiore di zero.

3.- Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase di verifica comprende almeno una delle seguenti operazioni:

- verificare se la velocit? v(k) prevista alla fine dell'intervallo di tempo considerato (t(k)) ? minore di un valore massimo consentito (vmax);

- verificare se l?accelerazione (ajk) nell?intervallo di tempo considerato (t(k)) ? minore di un valore massimo consentito;

- verificare se il jerk nell?intervallo di tempo considerato (t(k)) ? minore di un valore massimo consentito.

4.- Procedimento secondo la rivendicazione 3, comprendente inoltre le fasi di:

- ricevere dati forniti da un ADAS,

- stabilire il valore massimo consentito per la velocit?, in funzione dei dati dell'ADAS.

5.- Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase di verifica comprende l?operazione di verificare se ? possibile raggiungere il punto di arrivo entro detto orario partendo da ciascuno dei punti generati (P(k)) nell?ipotesi in cui il veicolo percorra lo spazio rimanente con un profilo di moto predefinito.

6.- Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente l?ulteriore operazione di verificare se ciascuna delle dette accelerazioni richiederebbe una forza di trazione maggiore di quella massima che ? erogabile da un sistema di trazione elettrico del veicolo.

7.- Procedimento secondo la rivendicazione 6, in cui la forza di trazione massima ? identificata tramite un grafico che rappresenta una caratteristica forza-velocit?.

8.- Procedimento secondo la rivendicazione 6 o 7, in cui l?accelerazione che richiederebbe una forza di trazione maggiore di quella massima viene ridotta in modo da richiedere la forza di trazione massima e generare un nuovo ipotetico punto futuro.

9.- Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette accelerazioni sono almeno cinque.

10.- Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui gli intervalli di tempo hanno valore tutti uguale, tranne che in prossimit? del punto di arrivo, dove hanno valore minore.

11.- Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti primi dati (I1b) comprendono una pluralit? di tappe, ciascuna avente un rispettivo punto di arrivo ed un rispettivo orario; ed in cui il procedimento comprende le fasi di:

- ricevere dati forniti da un sistema di preferenziamento semaforico;

- introdurre una fermata fittizia definente una nuova tappa, se i dati forniti dal sistema di preferenziamento semaforico indicano una previsione di incontrare un semaforo di colore rosso.

12.- Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente le fasi di:

- ricevere dati forniti da un sistema di preferenziamento semaforico;

- variare il profilo di guida selezionato, introducendo un?accelerazione positiva o negativa, se i dati forniti dal sistema di preferenziamento semaforico indicano una previsione di incontrare un semaforo di colore rosso.

13.- Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti primi dati (I1b) comprendono una pluralit? di tappe, ciascuna avente un rispettivo punto di arrivo ed un rispettivo orario; ed in cui il procedimento comprende le fasi di:

- ricevere dati forniti da un ADAS,

- introdurre una fermata fittizia definente una nuova tappa, se i dati forniti dall'ADAS indicano una previsione di un ostacolo.

14.- Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente le fasi di

- verificare se posizione e/o velocit? del veicolo soddisfano il profilo di guida selezionato;

- ricalcolare il profilo di guida ottimale se posizione e/o velocit? del veicolo non soddisfano il profilo di guida ottimale entro una soglia prefissata.

15.- Sistema di controllo in un veicolo a propulsione elettrica, il sistema di controllo comprendendo un blocco di generazione di profili di guida configurato in modo da eseguire il procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.