ITRM990038A1 - Sistema radar per oggetti cooperanti. - Google Patents

Sistema radar per oggetti cooperanti.

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ITRM990038A1
ITRM990038A1 IT1999RM000038A ITRM990038A ITRM990038A1 IT RM990038 A1 ITRM990038 A1 IT RM990038A1 IT 1999RM000038 A IT1999RM000038 A IT 1999RM000038A IT RM990038 A ITRM990038 A IT RM990038A IT RM990038 A1 ITRM990038 A1 IT RM990038A1
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Gaspare Galati
Mauro Ferri
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Description

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE INDUSTRIALE dal titolo: "SISTEMA RADAR PER OGGETTI COOPERANTI"
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un sistema di sorveglianza radar per applicazioni su veicoli stradali o su installazioni fisse capace di rivelare automezzi e ostacoli presenti nel settore di spazio anteriore al veicolo stesso o all'installazione fissa fino alla distanza necessaria per la sicurezza del traffico e per la sua gestione efficiente, in qualsiasi condizione di visibilità .
Detta invenzione si colloca nel campo dei sistemi di rilevamento e di classificazione dei veicoli , il quale campo comprende i sistemi per evitare le collisioni di veicoli e ostacoli presenti sulla carreggiata di marcia e i sistemi per la guida automatica del mezzo stesso. La presente invenzione ha per scopo quello di rimuovere la limitazione dello stato dell'arte per la sorveglianza veicolare, limitazioni dovute sostanzialmente alla utilizzazione di un unico sensore radar per oggetti non cooperanti che presenta due grandi ordini di problemi. Il primo di essi è la discriminazione degli oggetti utili (automezzi, ostacoli) dallo sfondo (resto dello scenario stradale), ben noto agli esperti del settore e da essi chiamato problema di rivelazione e localizzazione di bersagli nel "clutter" . Il secondo ordine di problemi è dovuto all'interferenza tra il forte segnale irradiato dai radar, in numero di molte unità o decine in un prossimo futuro, presenti in un tratto di strada o autostrada dell'ordine delle centinaia di metri, e il debole eco radar alla stessa lunghezza d'onda (o a lunghezza d'onda molto prossima) . Come illustrato tra gli altri nei seguenti documenti:
[3] K. Winter, Β. Lucas, Η., et al.: "A Compact Radar Sensor and Control Unit for Adaptive Cruise Control", International Radar Symposium IRS '98, 15-17 Settembre 1998, Monaco, Germania, pagine 355-362.
Gli attuali sistemi di sorveglianza radar da installare a bordo di automobili sono fortemente penalizzati dalla scarsa risoluzione e precisione del sensore, dai fenomeni di multipath, ovvero di interferenza con i segnali riflessi dal terreno, di mascheramento dovuti alla inevitabile presenza di autoveicoli interposti ed infine dalle difficoltà di una pronta identificazione dei bersagli ai fini della sicurezza, in particolare per quanto riguarda la presenza di curve pericolose che sono invece immediatamente visualizzabili con il sistema oggetto della presente invenzione. Nel prossimo futuro, l'uso degli sistemi di sorveglianza radar da installare a bordo di automobili sarà limitato dalla loro mutua interferenza, dovuta all'unica gamma di frequenze da essi utilizzata sia in trasmissione che in ricezione.
Oggetto della presente invenzione è quindi un sistema di sorveglianza radar di oggetti cooperanti per il miglioramento della sicurezza e dell'efficienza del traffico stradale costituito da sensori radar installati su veicoli o su infrastrutture fisse, il cui funzionamento è basato sulla ricezione delle armoniche del segnale trasmesso; nella realizzazione preferita si usano la seconda e la terza armonica.
Il sensore radar oggetto della presente invenzione è pertanto costituito da:
A)Un piccolo radar alla frequenza fondamentale F, d'ora in poi denominato radar "master" da installare a bordo del veicolo in modo preferibilmente non visibile (per esempio all'interno di un gruppo faro) oppure, per installazioni fisse, su un traliccio, palo e simili, che comprende oltre all'usuale ricevitore alla frequenza fondamentale, due semplici ricevitori radar addizionali, il primo sintonizzato alla frequenza doppia della fondamentale, precisamente 2F, il secondo sintonizzato alla frequenza tripla della fondamentale e precisamente 3F, entrambi connessi, (insieme al ricevitore sintonizzato sulla frequenza fondamentale F presente anche nei sistemi precedenti la presente invenzione e ben noto agli esperti del settore), ad un unico sottosistema di elaborazione dei segnali ricevuti in grado di processare i segnali grezzi, cioè le repliche sulla seconda e/o terza armonica, provenienti dai relativi ricevitori e fornire la localizzazione degli automezzi mobili e dei punti fissi, dotati di opportuni dispositivi detti replicatori, preferibilmente sui bordi delle carreggiate stradali. Tale sottosistema di elaborazione utilizza le normali tecniche di misura radar ben note agli esperti del settore sfruttando l'elevata precisione del sistema derivante dall'uso dei replicatori, anche detti "catarifrangenti radar", installati a bordo dei veicoli e sugli ostacoli fissi (come i guardrail) e l'assenza di interferenze tra il segnale irradiato dai radar e i segnali provenienti dai bersagli (autoveicoli, ostacoli) di interesse, essendo questi ultimi a lunghezza d'onda diversa. B)Dispositivi, che nella realizzazione preferita sono passivi e denominati replicatori o "catarifrangenti radar" da installare sul veicolo (preferibilmente in numero da uno a quattro e nelle posizioni posteriore, anteriore, lato sinistro, lato destro) oppure in punti fissi della strada o autostrada. Detti dispositivi, tutti funzionalmente equivalenti sono composti ciascuno da un ricevitore sulla frequenza fondamentale , da un trasmettitore sulla seconda armonica della forma d'onda radar ricevuta alla frequenza fondamentale F, e infine dalla relativa coppia di antenne, il tutto da montare a bordo dei veicoli in modo preferibilmente non visibile come per esempio all'interno di un gruppo faro. I replicatori sono realizzabili con tecniche note agli esperti del settore, quali ad esempio l'uso di un elemento circuitale non lineare per generare le armoniche.
C)Dispositivi denominati replicatori o "catarifrangenti radar" operanti con lo stesso principio di quelli del punto B precedente, composti ciascuno da un ricevitore sulla frequenza fondamentale , da un trasmettitore sulla terza armonica della forma d'onda radar ricevuta alla frequenza fondamentale F, e infine dalla relativa coppia di antenne , da montare su ostacoli fissi come per esempio sui guardrail ad intervalli fissi, oppure sul veicolo, come descritto nel punto B precedente.
Nelle applicazioni per 1 ' anticollisione automobilistica, i segnali provenienti dai replicatori a bordo degli autoveicoli, (veicoli che si definiscono cooperanti in quanto dotati di replicatori), o dagli ostacoli fissi , pure dotati di replicatori, sono captati dal radar, denominato "master", del veicolo equipaggiato e permettono il controllo del traffico antistante il veicolo equipaggiato, anche in nebbia o comunque con insufficiente visibilità, appunto per evitare le collisioni con altri veicoli o con ostacoli fissi. Nelle applicazioni di conteggio e classificazione veicoli , e misura della loro velocità, ai fini della gestione del traffico, specie anche in condizioni di nebbia o comunque con insufficiente visibilità, i segnali provenienti dai replicatori a bordo degli autoveicoli (cooperanti in quanto dotati di replicatori) sono captati dal radar, denominato "master", installato su appositi punti fissi ( tralicci, pali e simili) e permettono la rivelazione, il conteggio, la misura della posizione e da essa della velocità e la classificazione del veicolo, la classe di appartenenza del veicolo essendo desumibile dal numero e dalla distanza relativa dei replicatori installati sul veicolo.
Le figure dei disegni allegati alla presente descrizione a scopo illustrativo e non limitativo sono le seguenti:
Fig. 1: schema generale del sistema veicolare anticollisione per il miglioramento della sicurezza, sorveglianza e controllo, oggetto della presente invenzione.
Fig. 2: schema del radar "master" che costituisce una parte della presente invenzione
Fig. 3: schema del "replicatore" o "catarifrangente radar" che costituisce una parte della presente invenzione, nella realizzazione con due antenne per scopi di anticollisione.
Fig. 4: schema del "replicatore" o "catarifrangente radar" che costituisce una parte della presente invenzione, dotato di un codice di identificazione del veicolo a scopo al mantenimento dell'ordine del traffico stradale.
La presente invenzione verrà ora descritta in riferimento a sue forme di realizzazione attualmente preferite riportate a titolo illustrativo e non limitativo ed in base alle figure dei disegni allegati. La descrizione che segue fa riferimento all'applicazione dell'anticollisione automobilistica, con radar "master" a bordo del veicolo.
In particolare la figura 1 è lo schema generale dell'invenzione. In detta figura il blocco A indica il sensore utilizzato, che è un radar (descritto al precedente punto A) caratterizzato da dimensioni modeste rispetto allo stato dell'arte e da pesi e costi contenuti, capace di ricevere oltre la frequenza del segnale trasmesso anche la seconda e la terza armonica della frequenza trasmessa (oppure armoniche di ordine piu' elevato in funzione della realizzazione scelta). Tale sensore è collocato in modo fisso e preferibilmente non visibile sull'automezzo, preferibilmente sulla parte frontale di esso. Il blocco B indica un replicatore operante sulla seconda armonica del segnale radar trasmesso dal blocco A; detto replicatore viene preferibilmente installato su veicoli cooperanti a scopo di sorveglianza del traffico, anticollisione e guida. Il blocco C indica un replicatore operante sulla terza armonica del segnale trasmesso dal blocco A; detto replicatore viene preferibilmente installato su ostacoli fissi a scopo di anticollisione e guida.
Nella figura 2 è illustrato lo schema del sensore radar "master", blocco A della figura 1, che costituisce un elemento essenziale della presente invenzione il quale verrà ora descritto in riferimento a sue forme di realizzazione attualmente preferite riportate a titolo illustrativo e non limitativo.
Il radar "master" è costituito da trasmettitore a stato solido (blocco 3), che genera la forma d'onda alla frequenza fondamentale, e attraverso il ben noto duplexer, (blocco 2), la invia all'antenna principale (blocco 1) la quale realizza con tecniche ben note il diagramma di radiazione ottimale per l'applicazione in esame. L'eco radar alla frequenza fondamentale F viene captato dall'antenna principale (blocco 1) e inviato, tramite il duplexer (blocco 2) secondo tecniche ben note agli esperti del settore (e descritte tra l'altro nel volume
[4] M.I. Skolnik "Introduction to thè radar systems", Me. Graw Hill, Seconda Edizione, cap. 9 pagg . 359-366 ),
alla relativa catena ricevente sintonizzata sulla frequenza fondamentale (blocco 4) per la Bua conversione in banda base tramite un oscillatore locale (blocco 5) con tecniche ben note. L'eco radar in banda base, presente all'uscita del blocco 4, dopo essere stato digitalizzato (blocco 18) con tecniche ben note agli esperti del settore, viene inviato al rivelatore di bersaglio (blocco 19); tale rivelatore comprende al suo interno una soglia di rivelazione che nella realizzazione preferita è del tipo adattativo all'ambiente, secondo una nota tecnica radar, la quale fornisce per ogni cella di risoluzione del radar, una stima del livello medio del disturbo; tale stima moltiplicata per un idoneo parametro fornisce la soglia di rivelazione che viene utilizzata per la particolare cella di risoluzione; nella presente invenzione la rivelazione dei bersagli utili, rispetto allo stato dell'arte precedente la presente invenzione, è molto semplificata dall ’utilizzo innovativo del canale di ricezione sulla seconda armonica dedicata alla ricezione dei soli segnali prodotti dagli autoveicoli e di quello sulla terza armonica dedicato alla ricezione dei soli segnali prodotti dagli ostacoli fissi. Le indicazioni di rivelazione vengono trasferite all'estrattore dei dati radar (blocco 20) il quale correla tali indicazioni con quelle di distanza e di azimuth correnti utilizzando tecniche ben note agli esperti del settore e fornendo in uscita dei dati direttamente in coordinate rettangolari secondo un sistema di riferimento cartesiano solidale all'area di sorveglianza. La catena appena descritta costituita dai blocchi 18, 19 e 20 ha lo scopo di elaborare il solo eco radar, cioè il segnale ricevuto alla frequenza fondamentale, rappresentante tutto l'ambiente presente dinanzi l'automezzo, in particolare gli ostacoli accidentali.
Il segnale radar ritrasmesso dai replicatori sulla seconda armonica, dopo essere stato captato dalla relativa antenna (blocco 6), viene inviato alla relativa catena ricevente (blocco 7) sintonizzata sulla seconda armonica della frequenza fondamentale trasmessa dal radar "master" per la sua conversione in banda base tramite un oscillatore locale (blocco 5) con tecniche ben note. Il segnale in banda base presente all'uscita del blocco 7, viene digitalizzato (blocco 14) con tecniche ben note agli esperti del settore, e inviato, attraverso un circuito per l'estrazione dell'eventuale codice aggiunto (blocco 15), al rivelatore di bersaglio (blocco 16) che pur svolgendo le stesse funzioni del blocco 19, risulta essere semplificato dal fatto che non è presente il disturbo costituito dal clutter. Le indicazioni di rivelazione vengono trasferite all'estrattore dei dati radar (blocco 17) funzionalmente equivalente al blocco 20. La catena costituita dai blocchi 14, 15, 16 e 17 ha pertanto lo scopo di elaborare i segnali prodotti dai ripetitori installati a bordo del veicolo che precede o affianca.
Il segnale radar ritrasmesso dai replicatori sulla terza armonica, dopo essere stato captato dalla relativa antenna (blocco 8), viene inviato alla catena ricevente (blocco 9) sintonizzata sulla terza armonica della frequenza fondamentale trasmessa dal radar "master" per la sua conversione in banda base tramite un oscillatore locale (blocco 5) con tecniche ben note. Il segnale in banda base presente all'uscita del blocco 9, viene digitalizzato (blocco 10) con tecniche ben note agli esperti del settore, e inviato, attraverso un circuito per l'estrazione dell'eventuale codice aggiunto (blocco 11), al rivelatore di bersaglio (blocco 12) che pur svolgendo le stesse funzioni del blocco 19, risulta essere semplificato (come il blocco 17) dal fatto che non è presente il clutter. Le indicazioni di rivelazione vengono trasferite all'estrattore dei dati radar (blocco 13) funzionalmente equivalente al blocco 20.
La catena costituita dai blocchi 10, 11, 12 e 13, ha pertanto lo scopo di elaborare i segnali trasmessi dal radar master e riflessi sulla terza armonica da dispositivi installati su ostacoli fissi come, ad esempio, gli elementi di protezione "guardrail" presenti ai bordi delle strade.
Le uscite dei diversi estrattori dei dati radar (blocchi 13, 17, 20), vengono inviate al combinatore dei dati radar (blocco 21) il quale nel sistema di riferimento comune sopra detto fonde le informazioni provenienti dai diversi ricevitori, elimina gli effetti del disturbo dovuto agli echi indesiderati e al rumore grazie all'uso della seconda e terza armonica e fornisce in uscita le indicazioni univoche di presenza di echi provenienti da bersagli di interesse (automobili, altri veicoli, ostacoli) attraverso operazioni elementari di tipo logico ben note agli esperti del settore. I rilevamenti univoci così ottenuti vengono trasferiti all'estrattore globale dei dati radar (blocco 22) il quale mediante tecniche ben note agli esperti, genera dei messaggi numerici, da ora in poi denominati plot, indicativi della posizione degli oggetti di interesse (automobili, autoveicoli, ostacoli stradali e bordi stradali). Questi dati verranno poi visualizzati da un opportuno display (blocco 23) realizzabile con tecniche note.
In Figura 3 è illustrato lo schema generale dei replicatori radar di seconda armonica (blocco B della figura 1) o terza armonica (blocco C della figura I) che costituiscono entrambi elementi essenziali della presente invenzione.
Lo schema dei replicatori verrà ora descritto in riferimento a sue forme di realizzazione attualmente preferite riportate a titolo illustrativo e non limitativo.
Il replicatore radar è costituito da una antenna (blocco 24) che, con tecniche ben note, può essere realizzata ad esempio secondo il tipo a horn o a microstriscia. Detta antenna riceve la frequenza fondamentale trasmessa dal radar "master" realizzando il diagramma di radiazione ottimale per le applicazioni in esame; il segnale ricevuto da detta antenna è inviato ad un circuito moltiplicatore (blocco 25), realizzabile con tecniche note mediante diodi o altri elementi non lineari; detto circuito moltiplica la frequenza fondamentale F per due nel caso della seconda armonica (blocco B) o per tre nel caso della terza armonica (blocco C); detto segnale moltiplicato in frequenza è inviato ad un'una antenna (blocco 26) che, con tecniche ben note, può essere realizzata ad esempio secondo il tipo a horn o a microstriscia; detta antenna trasmette la seconda armonica (blocco B) o la terza armonica (blocco C) che verrà captata dal radar "master", come descritto nella Figura 2 e nel precedente punto A. Il blocco 27 riceve (con tecniche ben note agli esperti) da un centro di comando e controllo un segnale di abilitazione, che consente di attivare o disattivare il "replicatore" quando necessario per la gestione del traffico, e conseguentemente agisce sul blocco 25.
In Figura 4 è illustrata un'altra realizzazione del replicatore di seconda armonica la quale consente di svolgere oltre alle funzioni descritte in precedenza, la funzione di identificazione dei veicoli, ai fini del rispetto delle regole della circolazione stradale, e di monitoraggio. In tale realizzazione il segnale ritrasmesso dal replicatore è codificato, utilizzando tecniche ben note agli esperti , secondo un codice associato al veicolo, ad esempio quello della sua targa. Nella figura 4 sono pertanto presenti, oltre ai blocchi 28, 29, 31 e 32, che hanno rispettivamente le stesse funzioni dei blocchi 24, 25, 26 e 27 illustrate nella figura 3, il blocco 30 che codifica e modula, secondo tecniche ben note, la forma d'onda da trasmettere e il blocco 33 che registra il codice del veicolo e lo fornisce al blocco 30. Il replicatore illustrato nella figura 4 viene anche realizzato con funzionamento sulla terza armonica del segnale trasmesso per installazione su postazione fissa; in tale realizzazione il codice, registrato sul blocco 33, identifica particolarità di interesse (ad esempio una situazione di curva pericolosa, manto stradale in cattive condizioni e simili), e/o indicazioni di instradamento preferenziale, che vengono rilevate dal radar installato a bordo dell'autoveicolo allo scopo di preavvertire il conducente, migliorando la sicurezza della guida.
Le forme di realizzazione potranno essere inviate rispetto a quanto sopra descritto e illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione, così come definita dalle rivendicazioni che seguono.

Claims (18)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema radar per la rivelazione, localizzazione, classificazione e identificazione di veicoli cooperanti e di ostacoli fissi, atto a migliorare la sicurezza e l'efficienza/efficacia della sorveglianza e del controllo del traffico stradale, caratterizzato dal fatto di utilizzare la combinazione innovativa di radar attivi e di replicatori di segnale.
  2. 2. Sistema radar per la rivelazione, localizzazione e classificazione di veicoli cooperanti e di ostacoli fissi atto a migliorare la sicurezza e l'efficienza/efficacia della sorveglianza e del controllo del traffico stradale come dalla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto <'>'che i replicatori di segnale ricevono, tramite una prima antenna, il segnale trasmesso da un radar attivo (detto anche "master") su una frequenza fondamentale e lo ritrasmettono sulla, seconda armonica o sulla terza armonica tramite una seconda antenna.
  3. 3. Sistema radar per la rivelazione, localizzazione e classificazione di veicoli cooperanti e di ostacoli fissi atto a migliorare la sicurezza e l'efficienza/efficacia della sorveglianza e del controllo del traffico stradale come dalle rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che ciascun replicatore per ritrasmettere il segnale sulla seconda armonica o sulla terza armonica, può usare in luogo delle due antenne una sola antenna a larga banda.
  4. 4. Sistema radar come dalle precedenti rivendicazioni 1, 2 e 3, caratterizzato dal fatto che ciascun replicatore trasmette la seconda armonica quando installato a bordo di un veicolo e la terza armonica quando installato su una infrastruttura fissa.
  5. 5. Sistema radar come dalle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di utilizzare replicatori che ritrasmettono su armoniche della frequenza di lavoro del radar "master", anche di ordine superiore al terzo.
  6. 6. Sistema radar come dalle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascun replicatore, quando installato a bordo di un veicolo, trasmette un armonica diversa da quando installato su postazioni fisse.
  7. 7. Sistema radar come dalle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascun radar "master" è dotato di un sottosistema elaborativo per la rivelazione, localizzazione e classificazione degli ostacoli fissi o mobili, che si basa sui segnali ritrasmessi dai replicatori e sull'eco radar.
  8. 8. Sistema radar come dalle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di usare in ricezione i segnali ritrasmessi di seconda e terza armonica allo scopo di non avere problemi di interferenze radar o disturbi come quello del "clutter" noto agli esperti del settore radar.
  9. 9. Sistema radar come dalle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascun replicatore del segnale radar usa un elemento non lineare per generare la seconda o la terza armonica del segnale radar ricevuto, oppure armoniche di ordine superiore.
  10. 10. Sistema radar come dalle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che può essere usato per il monitoraggio del traffico presente su una o più carreggiate stradali usando un radar master installato su una postazione esterna fissa, per la localizzazione, la misura della velocità e la classificazione dei veicoli anche in condizioni di insufficiente visibilità.
  11. 11. Sistema radar come dalle rivendicazioni precedenti 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 e 8, caratterizzato dal fatto che consente di rivelare i bersagli fissi (bordo stradale) utilizzando un replicatore installato su tali bersagli che opera su una frequenza multipla di quella del radar; il replicatore opera sulla terza armonica in una realizzazione preferita.
  12. 12. Sistema radar come dalle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di poter rivelare i bersagli mobili (veicoli e automezzi di tutti i tipi) utilizzando un replicatore che opera su una frequenza multipla di quella trasmessa dal radar e diversa da quella utilizzata per la rivelazione dei bersagli fissi.
  13. 13. Sistema radar come dalle rivendicazioni precedenti, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, e 8, caratterizzato dal fatto di poter rivelare ostacoli anche in assenza di replicatori utilizzando l'eco radar, e discriminando così tali ostacoli dagli altri oggetti dotati di replicatore.
  14. 14. Sistema radar come dalle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che alla forma d'onda ritrasmessa dai replicatori sono aggiunti opportuni codici di riconoscimento associati ai dati del veicolo, consentendo agli Organi preposti alla vigilanza del traffico e all'ordine pubblico di poter effettuare la misura dei parametri cinematici del veicolo in marcia ed il conseguente controllo di eventuali infrazioni al codice stradale.
  15. 15. Sistema radar come dalle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di essere utilizzato per la guida di mezzi mobili anche diversi dagli autoveicoli recanti a bordo il radar "master", il quale localizza punti fissi lungo il percorso assegnato tramite i quali, essendo detti punti dotati di replicatori, viene individuato il percorso da seguire anche in condizioni di scarsa visibilità .
  16. 16. Sistema radar come dalla rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che in presenza di biforcazioni - o più generalmente suddivisioni -del cammino i replicatori vengono attivati su comando da postazione centralizzata per consentire al veicolo di individuare il particolare percorso, tra quelli possibili, da seguire.
  17. 17. Sistema radar come dalle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i replicatori installati su postazioni fisse sono dotati di un codice che , letto dal veicolo dotato di radar , individua situazioni di pericolo per detto veicolo.
  18. 18. Sistema radar, sostanzialmente quale descritto e illustrato in precedenza con riferimento alle figure dei disegni annessi.
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