IT202100021680A1

IT202100021680A1 - Dispositivo e metodo di rilevamento automatico di condizioni stradali per applicazioni veicolistiche

Info

Publication number: IT202100021680A1
Application number: IT102021000021680A
Authority: IT
Inventors: Fabio Passaniti; Enrico Rosario Alessi
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2021-08-10
Filing date: 2021-08-10
Publication date: 2023-02-10
Also published as: US20230045861A1; EP4134284A1; CN115703469A

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

?DISPOSITIVO E METODO DI RILEVAMENTO AUTOMATICO DI CONDIZIONI STRADALI PER APPLICAZIONI VEICOLISTICHE?

La presente soluzione ? relativa ad un dispositivo e ad un metodo di rilevamento automatico di condizioni stradali per applicazioni veicolistiche, in particolare di guida autonoma o automatizzata.

? nota la tendenza di dotare i veicoli stradali di una pluralit? di sensori, ai fini di incrementarne la sicurezza ed inoltre ai fini dell?implementazione di una guida autonoma o automatizzata.

A questo riguardo, il monitoraggio ed il rilevamento delle condizioni stradali e delle conseguenti forze che si generano sugli pneumatici/ruote del veicolo sono, ad esempio, cruciali per garantire sicurezza ed affidabilit?.

In particolare, il rilevamento delle condizioni stradali (ad esempio, distinguendo tra una strada asciutta o bagnata) pu? consentire di migliorare sensibilmente le modalit? di intervento di importanti sistemi del veicolo, quali il sistema frenante, lo sterzo o le sospensioni attive. Inoltre, la possibilit? di fornire segnalazioni ed avvertire un conducente relativamente alle condizioni della strada pu? sensibilmente migliorare la sicurezza di guida.

In generale, sono stati proposti due approcci per il monitoraggio delle condizioni stradali:

un primo approccio, basato sugli effetti, prevede l?identificazione delle condizioni di attrito stradale, in maniera indiretta, attraverso la stima della risposta di parametri dinamici del veicolo;

un secondo approccio, basato sulle cause, prevede il rilevamento delle cause, ovvero in maniera diretta della effettiva variazione delle condizioni stradali, prima che influiscano significativamente sul comportamento del veicolo, utilizzando a tal fine svariati sensori.

Ad esempio, per quanto riguarda il secondo approccio,

"Road surface condition detection using 24 GHz automotive radar technology," 14th International Radar Symposium (IRS), 2013, pp. 702-707, descrive sistemi di misurazione utilizzanti una tecnologia radar a 24 GHz per studiare le propriet? di retrodiffusione di diverse superfici di asfalto, ad esempio superfici asciutte, bagnate o ghiacciate.

"Detecting road surface wetness from audio: A deep learning approach," 23rd International Conference on Pattern Recognition (ICPR), 2016, pp. 3458-3463, descrive un metodo per il rilevamento dell?umidit? della superficie del manto stradale, basato sull?elaborazione di segnali sonori generati dall?interazione tra la stessa superficie e lo pneumatico.

?Identification of Road-Surface Type Using Deep Neural Networks for Friction Coefficient Estimation?, Sensors 2020, 20, no. 3, 612, descrive una soluzione di rilevamento del tipo di superficie stradale basato sull?acquisizione di immagini e la loro elaborazione mediante l?utilizzo di reti neurali DNN (Deep Neural Network).

La presente Richiedente ha constatato che le soluzioni attualmente utilizzate presentano tuttavia alcune limitazioni e soffrono di alcuni inconvenienti, in generale per quanto riguarda l?applicabilit? a svariate condizioni operative, l?affidabilit? e la robustezza a fattori esterni e indesiderati, la durata ed affidabilit? dei sensori utilizzati.

Scopo della presente soluzione ? quello di superare gli inconvenienti della tecnica nota, fornendo una soluzione di rilevamento di condizioni stradali, avente caratteristiche migliorate.

Secondo la presente soluzione vengono forniti un dispositivo ed un metodo di rilevamento di condizioni stradali, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione dell?invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la Figura 1 illustra una rappresentazione schematica di un dispositivo di rilevamento di condizioni stradali, accoppiato alla ruota di un veicolo;

- le Figure 2A e 2B mostrano andamenti, rispettivamente nel tempo ed in frequenza, di un segnale di variazione di carica, in una prima condizione stradale, di strada asciutta;

- le Figure 3A e 3B mostrano andamenti, rispettivamente nel tempo ed in frequenza, del segnale di variazione di carica, in una seconda condizione stradale, di strada bagnata;

- la Figura 4 ? uno schema a blocchi di massima del dispositivo di rilevamento, secondo una forma di realizzazione della presente soluzione;

- la Figura 5 illustra una possibile forma di realizzazione circuitale di un sensore di variazione di carica elettrostatica del dispositivo di rilevamento di Figura 4;

- la Figura 6 illustra un diagramma di flusso di operazioni implementate dal dispositivo di rilevamento di Figura 4, secondo una forma di realizzazione della presente soluzione;

- la Figura 7 mostra grafici di un segnale di variazione di carica elettrostatica e di un segnale di velocit? di rotazione della ruota e l?associato rilevamento della prima e della seconda condizione stradale; e

- la Figura 8 ? uno schema a blocchi di massima di un sistema veicolistico in cui il dispositivo di rilevamento di Figura 4 pu? essere impiegato.

Come mostrato schematicamente in Figura 1, un aspetto della presente soluzione prevede, per il rilevamento di condizioni stradali per applicazioni veicolistiche, un dispositivo di rilevamento 1, atto ad essere accoppiato in modo solidale ad una ruota 2 di un veicolo 3 e basato sull?utilizzo di un sensore di variazione di carica elettrostatica.

Il dispositivo di rilevamento 1 pu? essere ad esempio accoppiato al cerchio della ruota 2, in prossimit? dello pneumatico, oppure essere accoppiato allo stesso pneumatico, oppure ancora essere integrato all?interno del cerchio o dello pneumatico.

Come sar? discusso in dettaglio in seguito, il dispositivo di rilevamento 1 ? configurato in modo che un segnale di variazione di carica fornito dal sensore di variazione di carica elettrostatica sia elaborato in maniera congiunta, o in combinazione, ad informazioni di velocit? di rotazione della ruota, al fine dell?identificazione di condizioni stradali, in particolare per distinguere tra una condizione di strada asciutta ed una condizione di strada bagnata.

In modo di per s? noto, la carica elettrica ? una componente fondamentale della natura. La carica di un corpo carico elettrostaticamente pu? essere facilmente trasferita ad un altro corpo, in condizioni di contatto diretto tra gli elementi o a distanza. Quando la carica viene trasferita tra due oggetti isolati elettricamente, si genera una carica statica per cui l?oggetto con un eccesso di elettroni viene caricato negativamente e l?oggetto con un deficit di elettroni viene caricato positivamente. Lo spostamento delle cariche ? di diversa natura, a seconda che l?oggetto sia un oggetto conduttore o un dielettrico. In un conduttore, gli elettroni sono distribuiti in tutto il materiale e sono liberi di muoversi, in base all?influenza di campi elettrici esterni. In un dielettrico, non vi sono elettroni liberi di muoversi ma dipoli elettrici, con direzioni casuali nello spazio (quindi con carica netta risultante nulla), che possono essere orientati o deformati mediante un campo elettrico esterno, generando cos? una distribuzione ordinata di cariche e quindi una polarizzazione. La carica pu? comunque essere mobile, a seconda delle propriet? del materiale e di altri fattori ambientali.

Nella presente soluzione, il sensore di variazione di carica elettrostatica del dispositivo di rilevamento 1 ? configurato per rilevare, mediante induzione elettrostatica, le variazioni di campo elettrico (e quindi di potenziale elettrostatico) che si verificano nel tempo per effetto della locale variazione di carica elettrostatica, dovuta alla rotazione della ruota 2 del veicolo 3, a cui lo stesso sensore ? accoppiato.

In particolare, quando, durante la sua rotazione, la porzione della ruota 2 in prossimit? della quale ? accoppiato il sensore di variazione di carica entra in contatto con la superficie della strada (in particolare, asfalto), si verifica tra le superfici a contatto una generazione di carica elettrostatica (per effetto triboelettrico) con una conseguente evidente variazione del segnale di variazione di carica fornito dal sensore di variazione di carica.

A questo riguardo, la Figura 2A mostra l?andamento nel tempo SQ(t) del segnale di variazione di carica SQ indicativo della variazione di carica elettrostatica avvertita dal sensore di variazione di carica, a differenti velocit? di rotazione (indicate in RPS, rotazioni o giri al secondo) della ruota 2 a cui il dispositivo di rilevamento 1 ? accoppiato.

In particolare, ? evidente come, in corrispondenza delle rotazioni della ruota 2 (che si susseguono a periodo minore, ovvero a frequenza angolare maggiore, quanto ? maggiore la velocit? di rotazione) si verificano picchi nel suddetto segnale di variazione di carica SQ (dovuti al suddetto effetto di generazione di carica elettrostatica per il contatto tra lo pneumatico e la strada).

La Figura 2B mostra il corrispondente andamento in frequenza SQ(f) dello stesso segnale di variazione di carica SQ, nuovamente considerando le differenti velocit? di rotazione della ruota 2.

Nello spettro di frequenza del segnale di variazione di carica SQ sono presenti svariate armoniche della frequenza di rotazione della ruota; in particolare, la frequenza dell?armonica principale o fondamentale ha valore corrispondente all?inverso del periodo di rotazione della ruota 2, ovvero alla sua velocit? di rotazione (indicata in RPS, giri al secondo) e presenta ampiezza significativamente maggiore (ulteriori armoniche sono presenti a multipli della frequenza dell?armonica principale).

La presente Richiedente ha constatato che l?ampiezza del suddetto segnale di variazione di carica SQ ? fortemente influenzata dalle (e dunque indicativa delle) condizioni stradali. In particolare, in presenza di acqua (cosiddetto ?film acquoso?) sul manto stradale, tale ampiezza risulta sensibilmente minore, a causa del fatto che l?effetto di generazione di cariche elettrostatiche per effetto triboelettrico (ovvero, per lo sfregamento dello pneumatico sulla strada) ? sensibilmente ridotto (la condizione di strada bagnata neutralizzando in parte significativa tale effetto).

A questo riguardo, le Figure 3A e 3B mostrano, in maniera analoga a quanto riportato per le Figure 2A e 2B (queste ultime essendo relative ad una condizione di strada asciutta, ?dry?), l?andamento nel tempo SQ(t) e, rispettivamente, l?andamento in frequenza SQ(f) del segnale di variazione di carica SQ, a differenti velocit? di rotazione della ruota 2 (due dei valori di rotazione corrispondendo a valori mostrati nelle suddette Figure 2A e 2B), in una condizione di strada bagnata, ?wet?.

Dall?esame comparato di tali Figure 3A e 3B e delle precedenti Figure 2A e 2B ? evidente la marcata riduzione della ampiezza del segnale di variazione di carica SQ, in particolare dell?ampiezza dell?armonica fondamentale del segnale in frequenza, ampiezza che ? dunque fortemente legata alle condizioni dell?asfalto: in particolare, ad una strada asciutta corrisponde una ampiezza massima e ad una strada bagnata (su cui ? presente un film o strato acquoso) corrisponde una ampiezza minima (ovvero, sensibilmente minore rispetto alla condizione di strada asciutta).

In dettaglio, la presente Richiedente ha rilevato una riduzione media di circa un fattore 100 nell?ampiezza del segnale di variazione di carica SQ, considerato nel dominio del tempo; ed una corrispondente riduzione media del segnale di variazione di carica SQ, considerato nel dominio della frequenza, di un fattore pari a circa 5000.

Un aspetto della presente soluzione prevede quindi l?elaborazione congiunta o combinata del segnale di variazione di carica SQ, in particolare considerato nel dominio della frequenza (dove si verifica una pi? marcata riduzione della suddetta ampiezza), e di un segnale indicativo della velocit? di rotazione della ruota 2, che viene utilizzato per individuare l?armonica fondamentale (e pi? significativa) dello stesso segnale di variazione di carica SQ.

Come sar? evidenziato, secondo un aspetto della presente soluzione, tale segnale di variazione di velocit? di rotazione viene inoltre utilizzato per inibire il rilevamento delle condizioni stradali a ridotte velocit? di rotazione della ruota 2, in quanto la presente Richiedente ha constatato che, per velocit? ridotte, il suddetto fenomeno di generazione di carica elettrostatica associato alla rotazione della ruota 2 pu? non essere significativo e non fornire dunque indicazioni affidabili.

La Figura 4 illustra, schematicamente, il dispositivo di rilevamento 1 secondo una forma di realizzazione della presente soluzione, che comprende quindi un sensore di velocit? di rotazione 12, configurato per fornire un?indicazione della velocit? di rotazione della ruota 2 a cui lo stesso dispositivo di rilevamento 1 ? destinato ad essere accoppiato.

In particolare, in una possibile forma di realizzazione, il suddetto sensore di velocit? di rotazione 12 ? un giroscopio a semiconduttore realizzato in tecnologia MEMS (Micro Electro Mechanical System), di tipo per s? noto e qui non descritto in dettaglio, atto a fornire un segnale di velocit? di rotazione SV, o di velocit? angolare, espresso in gradi/sec;

un sensore di variazione di carica elettrostatica 14, atto a fornire un segnale di variazione di carica SQ indicativo di una variazione di carica elettrostatica; ed un?unit? di elaborazione 16, accoppiata al sensore di velocit? di rotazione 12 ed al sensore di variazione di carica elettrostatica 14 al fine di ricevere il segnale di velocit? di rotazione SV ed il segnale di variazione di carica SQ e configurata per elaborare congiuntamente i suddetti segnale di velocit? di rotazione SV e segnale di variazione di carica SQ per rilevare le condizioni stradali e fornire in uscita un?informazione di condizione stradale rilevata.

In maniera qui non illustrata, tale informazione di condizione stradale pu? essere inviata, ad esempio mediante trasmissione wireless, ad una unit? di gestione e controllo del veicolo 3 in cui il dispositivo di rilevamento 1 ? incorporato, al fine di eseguire ed attivare determinate azioni in risposta al rilevamento della condizione stradale (ad esempio, attivare opportuni aggiustamenti di uno pi? sistemi del veicolo 3, quali un sistema frenante, le sospensioni o lo sterzo).

In maggiore dettaglio, la suddetta unit? di elaborazione 16 comprende ad esempio un microcontrollore, o un processore MLC (Machine Learning Core) residente in un circuito elettronico ASIC (Application Specific Integrated Circuit) accoppiato al sensore di velocit? di rotazione 12 ed al sensore di variazione di carica elettrostatica 14 per l?elaborazione dei relativi segnale di velocit? di rotazione SV e segnale di variazione di carica SQ; i suddetti sensore di velocit? di rotazione 12, sensore di variazione di carica elettrostatica 14 ed unit? di elaborazione 16 possono essere realizzati in maniera integrata all?interno di uno stesso package (o chip) dotato di opportuni elementi di connessione elettrica verso l?esterno.

In una possibile implementazione il suddetto chip pu? essere accoppiato ad una scheda a circuito stampato (qui non illustrata), ed alla stessa scheda a circuito stampato pu? essere accoppiato un modulo di comunicazione wireless (anch?esso non illustrato), per la trasmissione a distanza, ad esempio alla suddetta unit? di gestione e controllo del veicolo 3, delle informazioni di condizione stradale fornite dal dispositivo di rilevamento 1.

La Figura 5 illustra una forma di realizzazione esemplificativa e non limitativa del sensore di variazione di carica elettrostatica 14, che comprende almeno un elettrodo di ingresso IN, o elettrodo di rilevamento, realizzato in materiale metallico, eventualmente ricoperto da uno strato di materiale dielettrico, destinato ad essere disposto affacciato al, o in prossimit? dell?ambiente operativo associato alla ruota 2, per il rilevamento della variazione di carica locale (e della conseguente variazione di campo e di potenziale elettrico), dovuta alla rotazione della stessa ruota 2 ed al contatto con la strada.

Tale elettrodo di rilevamento IN, nella soluzione esemplificativa illustrata, forma parte di un ingresso differenziale 19 di un amplificatore da strumentazione (?instrumentation amplifier?) 22, essendo accoppiato ad un relativo primo terminale di ingresso 19a.

Tra il primo terminale di ingresso 19a ed un secondo terminale di ingresso 19b dell?ingresso differenziale 19 sono presenti un condensatore di ingresso CI ed un resistore di ingresso RI, collegati in parallelo tra loro.

In uso, una tensione di ingresso Vd ai capi del condensatore di ingresso CI varia a causa della redistribuzione di carica nell?ambiente esterno. Dopo un transitorio (la cui durata ? data dalla costante RI?CI definita dal parallelo tra il condensatore CI ed il resistore RI), la tensione di ingresso Vd torna al suo valore di stato stabile (cosiddetto ?steady state?).

L?amplificatore da strumentazione 22 ? essenzialmente costituito da due amplificatori operazionali OP1 e OP2, aventi terminali di ingresso non invertenti collegati rispettivamente al primo ed al secondo terminale di ingresso 19a, 19b e terminali invertenti collegati fra loro mediante un resistore di guadagno RG2.

Uno stadio di polarizzazione (buffer) OP3 polarizza l?amplificatore da strumentazione 22 ad una tensione di modo comune VCM, attraverso un resistore R1 accoppiato al secondo terminale di ingresso 19b.

I terminali di uscita degli amplificatori operazionali OP1 e OP2 sono collegati ai rispettivi terminali di ingresso invertenti mediante un rispettivo resistore di guadagno RG1; tra gli stessi terminali di uscita ? presente una tensione di uscita Vd'.

Come risulter? evidente dall?esame del circuito, il guadagno Ad dell?amplificatore da strumentazione 22 risulta pari a (1+2?R1/R2); pertanto, la suddetta tensione di uscita Vd' ? pari a: Vd?(1+2?R1/R2).

I componenti dell?amplificatore da strumentazione 22 sono scelti in modo tale per cui lo stesso amplificatore da strumentazione 22 abbia un ridotto rumore ed un?elevata impedenza (ad esempio dell?ordine di 10<9 >Ohm) nella sua banda passante (ad esempio compresa tra 0 e 500 Hz).

La suddetta tensione di uscita Vd' viene fornita in ingresso ad un convertitore analogico digitale (ADC) 24, che fornisce in uscita il suddetto segnale di variazione di carica SQ per l?unit? di elaborazione 16. Tale segnale di variazione di carica SQ pu? essere, ad esempio, un flusso digitale ad elevata risoluzione (a 16 o 24 bit).

Secondo una diversa forma di realizzazione, disponendo di un convertitore analogico digitale 24 con caratteristiche opportune (ad esempio ingresso differenziale, elevata impedenza di ingresso, elevata risoluzione, range dinamico ottimizzato per le grandezze da misurare, basso rumore) l?amplificatore da strumentazione 12 pu? essere omesso, in tal caso alimentando la tensione di ingresso Vd direttamente all?ingresso del convertitore analogico digitale 24.

In maniera non illustrata, il segnale di variazione di carica SQ pu? essere fornito ad un primo ingresso di un blocco multiplexer, che pu? inoltre ricevere in corrispondenza di almeno un ulteriore ingresso il suddetto segnale di velocit? di rotazione SV (ed eventualmente, in corrispondenza di ulteriori ingressi, ulteriori segnali di rilevamento). L?uscita del blocco multiplexer ? in questo caso accoppiata ad un ingresso dell?unit? di elaborazione 16, fornendo i suddetti segnale di variazione di carica e segnale di velocit? di rotazione SQ, SV (ed eventualmente ulteriori segnali di rilevamento) per l?elaborazione da parte della stessa unit? di elaborazione 16.

La Figura 6 illustra in maggiore dettaglio, mediante diagramma di flusso, le operazioni di elaborazione congiunta dei segnali di variazione di carica e di velocit? di rotazione SQ, SV implementate dall?unit? di elaborazione 16, in una possibile forma di realizzazione della presente soluzione.

Come verr? ora descritto, tale elaborazione congiunta prevede due canali di elaborazione eseguiti in parallelo ed in maniera continuativa nel tempo, un primo canale dedicato al segnale di variazione di carica SQ ed un secondo canale dedicato al segnale di velocit? di rotazione SV.

In dettaglio, l?unit? di elaborazione 16 ? configurata inizialmente in modo da acquisire, blocco 30, il segnale di variazione di carica SQ(t) nel dominio del tempo; in particolare ne vengono acquisiti relativi campioni ad istanti temporali successivi (ad esempio tali campioni vengono memorizzati in un buffer di acquisizione che viene progressivamente alimentato e aggiornato dai campioni stessi).

Il suddetto segnale di variazione di carica SQ(t) pu? essere sottoposto ad un?operazione di normalizzazione, ad esempio mediante rimozione di un relativo valore basale, cosiddetto ?baseline? (dovuto ad esempio ad una carica elettrostatica ambientale o ad un offset non compensato del sensore), come indicato al blocco 32.

Il risultante segnale viene quindi sottoposto ad una trasformata in frequenza, blocco 33, ad esempio mediante note operazioni di FFT (Fast Fourier Transform) precedute da un?operazione di finestratura (ad esempio mediante finestra di Hann), per ottenere, come indicato al blocco 34, un segnale di variazione di carica SQ(f) nel dominio della frequenza.

Viene quindi eseguita, blocco 35, un?operazione di individuazione dei picchi in frequenza nel segnale di variazione di carica SQ(f), per ottenere, come indicato al blocco 36 una serie di N picchi individuati, [Pk1, ? , PkN], ciascuno ad una associata frequenza.

Si noti che parallelamente all?elaborazione del suddetto segnale di variazione di carica SQ, che comunque prosegue in maniera continuativa, come indicato nella stessa Figura 6, viene elaborato, nel secondo canale di elaborazione, il segnale di velocit? di rotazione SV fornito dal sensore di velocit? di rotazione 14.

Nella forma di realizzazione illustrata, tale sensore di velocit? di rotazione 14 ? un giroscopio a tre assi di rilevamento, che fornisce tre componenti di velocit? angolare Gx, Gy, Gz lungo tre assi di rilevamento.

In dettaglio, blocco 38, vengono acquisite le suddette componenti di velocit? angolare Gx, Gy, Gz e ne viene quindi ricavato il modulo G, blocco 39 (espresso in gradi al secondo).

In funzione di tale modulo, come indicato al blocco 40, viene ricavato il valore di velocit? di rotazione della ruota 2, espresso in rotazioni al secondo, RPS (ad esempio, il suddetto modulo viene diviso per 360 per ottenere tale valore di velocit? di rotazione, RPS).

Secondo un aspetto della presente soluzione, blocco 41, il valore di velocit? di rotazione RPS viene quindi confrontato con una soglia minima di velocit? RPSTH, ad esempio corrispondente ad una velocit? del veicolo 3 pari a 4-5 Km/h, in modo tale da non proseguire con l?algoritmo di rilevamento nel caso in cui il suddetto valore di velocit? di rotazione RPS sia non superiore alla soglia minima di velocit? RPSTH.

Se invece la suddetta condizione di soglia ? verificata (ovvero, il valore di velocit? di rotazione RPS ? superiore alla soglia minima di velocit? RPSTH), l?algoritmo continua al blocco 42, in cui si determinano le distanze in frequenza (in valore assoluto) tra ciascuno dei picchi precedentemente rilevati ([Pk1, ? , PkN]) e la frequenza corrispondente alla suddetta velocit? di rotazione RPS (come indicato in precedenza, il valore di tale velocit? di rotazione RPS corrisponde infatti alla frequenza fondamentale del segnale di variazione di carica SQ(f)); le suddette distanze sono indicate con ([d1, ? , dN]).

Nel successivo blocco 43, tra tutti i picchi viene quindi selezionato quello con distanza minima dm rispetto al valore di velocit? di rotazione RPS, l?ampiezza di tale picco selezionato essendo indicata con Pkm, come mostrato al blocco 44.

La suddetta distanza minima dm viene confrontata quindi con una soglia minima di distanza dTH, blocco 45.

Nel caso in cui la distanza minima dm sia inferiore alla soglia minima di distanza dTH, viene eseguito, blocco 46, un ulteriore confronto tra l?ampiezza del suddetto picco selezionato Pkm e un?ampiezza di picco di soglia PkTH (il cui valore pu? ad esempio essere stabilito in fase di progettazione o essere regolabile, selezionabile, da parte di un operatore per adattarsi a vari scenari di utilizzo).

Nel caso in cui l?ampiezza del picco selezionato Pkm sia maggiore dell?ampiezza di picco di soglia PkTH, l?algoritmo determina la presenza di una condizione di strada asciutta, ?dry?, come indicato al blocco 47.

Altrimenti, come indicato al blocco 48, nel caso in cui la distanza minima dm risulti non inferiore alla soglia minima di distanza dTH (al suddetto blocco 45), o l?ampiezza del picco selezionato Pkm risulti non superiore all?ampiezza di picco di soglia PkTH (al suddetto blocco 46), l?algoritmo determina la presenza di una condizione di strada bagnata, ?wet?, come indicato al blocco 48.

Si noti che la suddetta condizione di strada bagnata ? contraddistinta dalla presenza di liquido, in particolare un film o strato acquoso, sulla superficie a contatto della ruota 2, che non ? invece presente nella condizione di strada asciutta.

Come mostrato nella stessa Figura 6, l?elaborazione prosegue in maniera continuativa nel tempo, sulla base dei nuovi campioni dei segnali di velocit? di rotazione e di variazione di carica SV, SQ che vengono acquisiti.

In una possibile implementazione, non illustrata, pu? inoltre essere previsto il conteggio del tempo per cui una determinata condizione persiste, in modo da validare la condizione rilevata solo se tale condizione persiste per pi? di un tempo minimo: ad esempio, perch? un asfalto venga identificato come asciutto, il sistema pu? prevedere di rilevare la condizione ?dry?, in maniera continuativa, per almeno cinque secondi (o altro intervallo temporale di valore opportuno).

In sostanza, l?algoritmo implementato dall?unit? di elaborazione 16 prevede dunque l?acquisizione parallela del segnale di velocit? di rotazione SV (vantaggiosamente fornito dal sensore di velocit? di rotazione 12, in questo caso un giroscopio triassiale, cos? da corrispondere direttamente al numero di rotazioni o giri al secondo della ruota 2, quindi alla frequenza fondamentale alla quale si trovano le pulsazioni del segnale di variazione di carica SQ) e dello stesso segnale di variazione di carica SQ fornito dal sensore di variazione di carica 14.

Sulla base di tale segnale di variazione di carica SQ viene eseguita una ricerca dei picchi nello spettro SQ(f) per identificare le posizioni e le ampiezze di tutti i picchi rilevati.

Se il suddetto valore di velocit? di rotazione RPS ? maggiore della soglia minima di velocit? RPSTH, cio? se il veicolo si muove con una velocit? maggiore della minima significativa, l?algoritmo cerca nello spettro SQ(f) il picco con distanza minima dalla frequenza fondamentale, che corrisponde allo stesso valore RPS.

Se viene identificato un picco con una distanza non superiore, in valore assoluto, alla soglia minima di distanza dTH e si verifica inoltre che questo picco ha un?ampiezza maggiore dell?ampiezza di picco di soglia PKTH, allora si determina la suddetta condizione di ?strada asciutta?; altrimenti, si determina la suddetta condizione di ?strada bagnata?.

La Figura 7 mostra, relativamente a quanto appena discusso, gli andamenti temporali del segnale di variazione di carica SQ e del segnale di velocit? di rotazione SV, al variare, nel tempo, della velocit? di rotazione della ruota 2 del veicolo 3, con riferimento a prove sperimentali eseguite dalla presente Richiedente.

L?ampiezza del segnale di variazione di carica SQ ? espressa in modo adimensionale come LSB (?Least Significant Bit?), ovvero il minimo valore digitale in uscita dal convertitore analogico/digitale, che ? proporzionale alla tensione rilevata al suddetto elettrodo di ingresso IN (si faccia nuovamente riferimento a quanto discusso con riferimento alla Figura 5). Ad esempio, 1 LSB pu? corrispondere ad un valore compreso tra alcuni nV ed alcune decine di ?V. La costante di proporzionalit? (o sensitivity) dipende dal guadagno dell?amplificatore, dalla risoluzione del convertitore analogico-digitale e da eventuali elaborazioni digitali (es., oversampling, decimation ecc.). La rappresentazione in LSB ? comune nella tecnica e prescinde da una quantificazione in unit? fisiche, in quanto lo scopo ? tipicamente quello di rilevare variazioni relative, rispetto ad uno stato stazionario o basale.

In particolare, in tale Figura 7 sono indicati gli intervalli temporali in cui il suddetto algoritmo eseguito dall?unit? di elaborazione 16 determina la presenza di una condizione di ?strada asciutta? (dry) o di ?strada bagnata? (wet).

La Figura 8 illustra schematicamente un sistema veicolistico, in cui il veicolo 3, ad esempio un autoveicolo, include almeno un dispositivo di rilevamento 1 precedentemente descritto, accoppiato in maniera opportuna ad almeno una relativa ruota 2.

Il veicolo 3 comprende inoltre un controllore principale 52 (un microcontrollore, un microprocessore o un?analoga unit? di elaborazione digitale), accoppiato all?unit? di elaborazione 16 del dispositivo di rilevamento 1, al fine di ricevere le informazioni relative alla rilevata condizione della strada.

Nella forma di realizzazione descritta in precedenza, il controllore principale 52 riceve ad esempio dall?unit? di elaborazione 16 del dispositivo di rilevamento 1 le informazioni di condizione di ?strada asciutta? o ?strada bagnata?, per attivare o disattivare determinate regolazioni dello stesso veicolo 3, come descritto in precedenza, ad esempio di un relativo sistema frenante, dello sterzo o delle sospensioni.

I vantaggi che la presente soluzione consente di conseguire emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.

In ogni caso, si evidenzia che il dispositivo di rilevamento 1:

funziona correttamente a tutte le velocit? del veicolo 3 (nel range di misura di velocit? da parte del sensore di velocit? di rotazione, ad esempio del giroscopio);

presenta una elevata robustezza a fattori esterni e indesiderati;

presenta una elevata durata e affidabilit? dei sensori utilizzati (il sensore di variazione di carica 14 ed il sensore di velocit? di rotazione 12);

garantisce una classificazione accurata e affidabile delle condizioni stradali (distinguendo tra le condizioni di strada asciutta o bagnata), consentendo di eliminare o comunque ridurre fortemente il numero di falsi rilevamenti (falsi positivi).

Il dispositivo di rilevamento 1 presenta inoltre un consumo di energia ottimizzato (il consumo associato ai suddetti sensore di velocit? di rotazione 12 e sensore di variazione di carica 14 ed alla relativa elettronica ? molto ridotto) ed una ridotta occupazione di spazio (in particolare, con la possibilit? di integrazione in un unico package di entrambe le tecnologie di rilevamento, di velocit? di rotazione e di variazione di carica).

A questo riguardo, e come indicato in precedenza, risulta particolarmente vantaggioso l?utilizzo di un giroscopio MEMS come il suddetto sensore di velocit? di rotazione 12 (in tal caso infatti la frequenza dell?armonica fondamentale del segnale di variazione di carica SQ ? uguale all?inverso del periodo di rotazione della ruota 2, ovvero al valore di RPS che ? calcolato direttamente dall?uscita dello stesso giroscopio), secondo l?espressione:

RPS = DPS / 360,

dove DPS (Degrees per second) corrisponde al modulo del vettore di velocit? angolare (considerando i tre assi di rilevamento).

Alla presente soluzione possono infine essere applicate variazioni e modifiche, senza per questo uscire dall?ambito di protezione identificato dalle rivendicazioni.

Ad esempio, in maniera non illustrata, potrebbero essere utilizzati una pluralit? dei suddetti sensori di variazione di carica 14, eventualmente accoppiati alle differenti ruote 2 del veicolo 3 e/o accoppiati, in un certo numero, a ciascuna di tali ruote 2, al fine di incrementare ulteriormente l?affidabilit? e l?accuratezza della determinazione delle condizioni stradali (ad esempio, mediando o elaborando in maniera opportuna, le indicazioni fornite dai vari sensori).

Analogamente, il sistema potrebbe prevedere l?utilizzo di una pluralit? di sensori di velocit? di rotazione 12, nuovamente ad esempio accoppiati a ciascuna delle ruote 2 del veicolo 3.

Il suddetto sensore di velocit? di rotazione 12 potrebbe essere costituito da un differente sensore, ad esempio un giroscopio monoassiale o biassiale, oppure un differente sensore configurato in ogni caso in modo da fornire l?informazione di velocit? di rotazione della ruota 2.

Inoltre, varianti della presente soluzione potrebbero permettere di distinguere, oltre alle due condizioni estreme ?asciutto? (assenza, in modo significativo, di liquido) e ?bagnato? (presenza, in modo significativo, di liquido), anche differenti e ulteriori condizioni, previa una opportuna calibrazione del dispositivo di rilevamento 1, tenendo ad esempio conto di fattori quali il tipo di battistrada della ruota 2 ed il relativo materiale, lo stato di usura, il tipo di superficie della strada, ecc.

Si evidenzia che la presente soluzione pu? trovare vantaggiosa applicazione per qualsiasi veicolo stradale, in particolare un autoveicolo, ma anche un motoveicolo o altro genere di veicolo (bici, monopattini, ecc.) dotati di ruote a contatto della strada (in materiale, ad esempio gomma, adatto alla descritta generazione di carica elettrostatica).

Si evidenzia inoltre nuovamente che il dispositivo di rilevamento 1 pu? essere realizzato in un singolo chip che incorpora il sensore di variazione di carica 14 (e la relativa circuiteria elettronica), il sensore di velocit? di rotazione 12 e l?unit? di elaborazione 16; in alternativa, il segnale di variazione di carica SQ ed il segnale di velocit? di rotazione SV potrebbero essere elaborati nel controllore principale 52 del veicolo 3 in cui il dispositivo di rilevamento 1 ? incorporato (implementante in questo caso la suddetta unit? di elaborazione 16).

Inoltre, si evidenzia che l?elettrodo di ingresso IN (o elettrodo di rilevamento) del sensore di variazione di carica elettrostatica 14 potrebbe anche essere una semplice sonda conduttiva; un piano o percorso metallico nella scheda a circuito stampato; oppure un qualunque elemento conduttivo che possa operare come elettrodo di rilevamento atto ad essere disposto affacciato all?ambiente operativo associato alla rotazione della ruota 2 del veicolo 3, al fine del rilevamento della variazione di carica.

Claims

RIVENDICAZIONI

1. Dispositivo di rilevamento (1) di condizioni stradali, destinato ad essere accoppiato alla ruota (2) di un veicolo (3) e comprendente:

un sensore di variazione di carica elettrostatica (14), configurato in modo da fornire un segnale di variazione di carica (SQ) indicativo di una variazione di carica elettrostatica associata alla rotazione di detta ruota (2); ed

un?unit? di elaborazione (16), accoppiata al sensore di variazione di carica elettrostatica (14) in modo da ricevere il segnale di variazione di carica (SQ) e configurata inoltre in modo da ricevere un segnale di velocit? di rotazione (SV) indicativo della velocit? di rotazione di detta ruota (2), in cui detta unit? di elaborazione (16) ? configurata in modo da elaborare congiuntamente detti segnale di velocit? di rotazione (SV) e segnale di variazione di carica (SQ) per rilevare una condizione stradale.

2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detta unit? di elaborazione (16) ? configurata in modo da determinare una tra una condizione di strada asciutta ed una condizione di strada bagnata.

3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente inoltre un sensore di velocit? di rotazione (12), configurato in modo da fornire detto segnale di velocit? di rotazione (SV).

4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui detto sensore di velocit? di rotazione (12) ? un giroscopio triassiale MEMS; ed in cui detta unit? di elaborazione (16) ? configurata in modo da determinare detta velocit? di rotazione della ruota (2) in funzione del modulo di un segnale di velocit? angolare fornito da detto giroscopio.

5. Dispositivo secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui detto sensore di variazione di carica (12) comprende almeno un elettrodo di rilevamento (IN) destinato a rilevare detta variazione di carica elettrostatica; un amplificatore da strumentazione (22) ad elevata impedenza avente un ingresso accoppiato a detto elettrodo di rilevamento (IN); ed un convertitore analogico-digitale (24) accoppiato in uscita a detto amplificatore da strumentazione (22) per fornire detto segnale di variazione di carica (SQ).

6. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 3-5, in cui detta unit? di elaborazione (16), detto sensore di velocit? di rotazione (12) e detto sensore di variazione di carica elettrostatica (14) sono realizzati in maniera integrata all?interno di uno stesso chip.

7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unit? di elaborazione (16) ? configurata in modo da: determinare, nell?andamento in frequenza di detto segnale di variazione di carica (SQ), un?ampiezza di picco di una frequenza fondamentale in corrispondenza di detta velocit? di rotazione della ruota (2); e confrontare detta ampiezza di picco con un?ampiezza di soglia (PkTH) per determinare una tra una condizione di strada asciutta ed una condizione di strada bagnata.

8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, in cui detta unit? di elaborazione (16) ? configurata in modo da: determinare una distanza in frequenza tra detta frequenza fondamentale ed una frequenza associata a detta velocit? di rotazione della ruota (2); e confrontare detta distanza con una distanza di soglia (dTH) per determinare detta una tra una condizione di strada asciutta ed una condizione di strada bagnata.

9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, in cui detta unit? di elaborazione (16) ? configurata in modo da determinare detta condizione di strada asciutta nel caso in cui detta distanza ? minore della distanza di soglia (dTH) e detta ampiezza di picco ? maggiore dell?ampiezza di soglia (PkTH); e determinare detta condizione di strada bagnata nel caso in cui detta distanza non ? minore della distanza di soglia (dTH) o detta ampiezza di picco non ? maggiore della ampiezza di soglia (PKTH).

10. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7-9, in cui detta unit? di elaborazione (16) ? configurata in modo da: eseguire una trasformata in frequenza per ottenere il segnale di variazione di carica nel dominio della frequenza; eseguire un?operazione di individuazione dei picchi in frequenza nel segnale di variazione di carica, per ottenere una serie di picchi individuati, ciascuno ad una associata frequenza; determinare le distanze in frequenza tra ciascuno dei picchi rilevati ed una frequenza corrispondente alla velocit? di rotazione della ruota (2); selezionare il picco con distanza minima (dm) rispetto a detta frequenza corrispondente alla velocit? di rotazione della ruota (2) e determinare l?ampiezza di detto picco selezionato come detta ampiezza di picco della frequenza fondamentale.

11. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7-10, in cui detta unit? di elaborazione (16) ? configurata in modo da: confrontare detta velocit? di rotazione con una soglia minima di velocit? (RPSTH); e proseguire il rilevamento di dette condizioni stradali solo nel caso in cui detto valore di velocit? di rotazione sia superiore a detta soglia minima di velocit? (RPSTH).

12. Sistema veicolistico, comprendente un dispositivo di rilevamento (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti ed un controllore principale (52) accoppiato all?unit? di elaborazione (16) del dispositivo di rilevamento (1), al fine di ricevere un?informazione di condizione stradale, per l?esecuzione e/o attivazione di determinate azioni in funzione di detta condizione stradale.

13. Metodo di rilevamento di condizioni stradali per un veicolo (3) dotato di almeno una ruota (2), comprendente: generare, da parte di un sensore di variazione di carica elettrostatica (14), un segnale di variazione di carica (SQ) indicativo di una variazione di carica elettrostatica associata alla rotazione di detta ruota (2); e

ricevere, da parte di un?unit? di elaborazione (16) accoppiata al sensore di variazione di carica elettrostatica (14), il segnale di variazione di carica (SQ) ed inoltre un segnale di velocit? di rotazione (SV) indicativo della velocit? di rotazione di detta ruota (2),

comprendente inoltre, da parte di detta unit? di elaborazione (16), elaborare congiuntamente detti segnale di velocit? di rotazione (SV) e segnale di variazione di carica (SQ) per rilevare una condizione stradale.

14. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui rilevare comprende determinare una tra una condizione di strada asciutta ed una condizione di strada bagnata.

15. Metodo secondo la rivendicazione 13 o 14, in cui elaborare comprende: determinare, nell?andamento in frequenza di detto segnale di variazione di carica (SQ), l?ampiezza di picco di una frequenza fondamentale in corrispondenza di detta velocit? di rotazione della ruota (2); e confrontare detta ampiezza di picco con un?ampiezza di soglia (PkTH) per determinare una tra una condizione di strada asciutta ed una condizione di strada bagnata.

16. Metodo secondo la rivendicazione 15, in cui elaborare comprende: determinare una distanza in frequenza tra detta frequenza fondamentale ed una frequenza associata a detta velocit? di rotazione della ruota (2); e confrontare detta distanza con una distanza di soglia (dTH) per determinare detta una tra una condizione di strada asciutta ed una condizione di strada bagnata.

17. Metodo secondo la rivendicazione 16, comprendente: determinare detta condizione di strada asciutta nel caso in cui detta distanza ? minore di detta distanza di soglia (dTH) e detta ampiezza di picco ? maggiore di detta ampiezza di soglia (PkTH); e determinare detta condizione di strada bagnata nel caso in cui detta distanza non ? minore di detta distanza di soglia (dTH) o detta ampiezza di picco non ? maggiore di detta ampiezza di soglia (PkTH).

18. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 15-17, in cui elaborare comprende: eseguire una trasformata in frequenza per ottenere il segnale di variazione di carica nel dominio della frequenza; eseguire un?operazione di individuazione dei picchi in frequenza nel segnale di variazione di carica, per ottenere una serie di picchi individuati, ciascuno ad una associata frequenza; determinare le distanze in frequenza tra ciascuno dei picchi rilevati e la frequenza corrispondente alla velocit? di rotazione della ruota (2); selezionare il picco con distanza minima (dm) rispetto a detto valore di velocit? di rotazione e determinare l?ampiezza di detto picco selezionato come detta ampiezza di picco della frequenza fondamentale.

19. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 15-18, comprendente: confrontare detto valore di velocit? di rotazione con una soglia minima di velocit? (RPSTH); e proseguire il rilevamento di dette condizioni stradali solo nel caso in cui detto valore di velocit? di rotazione sia superiore ad una soglia minima di velocit? (RPSTH).

20. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13-19, comprendente implementare l?esecuzione e/o attivazione di determinate azioni in detto veicolo (3) in funzione del rilevamento di dette condizioni stradali.