ITTO20101062A1 - Procedimento di calibrazione di un sensore inerziale montato in posizione arbitraria a bordo di un veicolo, e sistema sensore della dinamica di un veicolo montabile a bordo in posizione arbitraria - Google Patents
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Description
“Procedimento di calibrazione di un sensore inerziale montato in posizione arbitraria a bordo di un veicolo, e sistema sensore della dinamica di un veicolo montabile a bordo in posizione arbitrariaâ€
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda in generale l'installazione e l'operatività di sensori inerziali, quali ad esempio sensori di assetto (giroscopi) o di movimento (accelerometri), a bordo di un veicolo.
Più specificamente, l'invenzione riguarda un procedimento di calibrazione di un sensore inerziale di assetto o di movimento montato in posizione arbitraria a bordo di un veicolo, secondo il preambolo della rivendicazione 1.
L'invenzione ha inoltre per oggetto un sistema sensore della dinamica di un veicolo, secondo il preambolo della rivendicazione 15.
Sono sempre più numerosi i veicoli che ricorrono all'installazione a bordo di sensori inerziali, quali sensori di assetto o di accelerazione, allo scopo di fornire indicazioni accurate sull'orientamento del veicolo nello spazio e sulla sua dinamica di spostamento. Siffatti dispositivi non solo concorrono all'operatività dei sistemi di bordo per l'assistenza alla guida, ma sono indispensabili per la funzionalità di altri sistemi ausiliari, tra cui, per citare un esempio, sistemi di sorveglianza e registrazione dei movimenti del veicolo impiegati nei dispositivi antifurto o nei dispositivi, noti con il nome di scatola nera, per la rilevazione di infrazioni o delle dinamiche di incidenti stradali.
A questo scopo, i veicoli possono integrare fin dalla loro produzione dispositivi sensori di orientamento, quale ad esempio un giroscopio a tre assi, e dispositivi sensori di spostamento, quali ad esempio un accelerometro a tre assi, atti a rivelare e misurare con precisione l'assetto ed il movimento del veicolo nelle tre dimensioni. Se questi dispositivi non sono previsti al momento della produzione del veicolo, essi possono vantaggiosamente essere montati in un momento successivo, in qualità di installazioni aftermarket. Sia nel primo che, soprattutto, nel secondo caso tuttavia non à ̈ facile stabilire per ogni modello di veicolo vincoli di posizionamento del dispositivo sensore, in modo tale che i propri assi di misurazione locali siano allineati con gli assi principali del veicolo. Vincolare l'installazione di un siffatto dispositivo sensore al suo corretto orientamento rispetto agli assi principali del veicolo richiederebbe un tempo di installazione eccessivo, per il montaggio accurato e la verifica del rispetto dei vincoli e della rispondenza delle misurazioni, e comunque non precluderebbe possibili errori di configurazione e misurazione tali comunque da pregiudicare il corretto funzionamento del sistema che fa uso dei dati di misurazione di tale sensore.
Per questo motivo à ̈ noto prevedere la disposizione arbitraria di un dispositivo sensore a bordo di un veicolo, nella ubicazione più conveniente nel vano motore o nella plancia, ad esempio nella sede libera di più facile accesso, ed eseguirne successivamente la calibrazione rispetto agli assi del veicolo calcolando una matrice di conversione (o matrice di trasformazione delle coordinate, o ancora matrice di rotazione) atta a mettere in relazione le grandezze misurate nel sistema di riferimento locale con quelle desiderate nel sistema di riferimento principale del veicolo.
WO 02/18873 descrive una tecnica di calibrazione per un sensore accelerometrico installato in posizione arbitraria a bordo di un veicolo, basata sulla determinazione diretta di sei coefficienti della matrice, ed il calcolo dei restanti tre. La determinazione diretta di sei coefficienti della matrice avviene per confronto tra rispettivi valori di accelerazione rivelati dal sensore nel sistema di riferimento locale e corrispondenti misure di accelerazione reali riferite al sistema di coordinate del veicolo, ottenute attraverso un sistema di localizzazione satellitare integrato nel veicolo. Il calcolo dei restanti tre coefficienti della matrice à ̈ ottenuto imponendo matematicamente vincoli di ortogonalità tra le direzioni degli assi dei sistemi di riferimento.
Svantaggiosamente, questo approccio misto, che riduce al minimo le misurazioni fisiche e colma i dati della matrice di trasformazione delle coordinate sulla base delle pure relazioni matematiche di ortogonalità esistenti tra gli assi dei sistemi di riferimento, determina la propagazione degli errori di misura di cui sono affette le sei misurazioni anche sui tre dati calcolati, e provoca il rischio di concentrare un errore eccessivo su uno degli assi di misura, il che comprometterebbe significativamente la funzionalità della applicazione che si baserà sui dati accelerometrici del veicolo.
La presente invenzione si prefigge lo scopo di agevolare l'installazione di un sensore inerziale, quale un sensore di assetto o di movimento, e preferibilmente di un sensore triassiale, a bordo di un veicolo secondo una orientazione arbitraria, ma consentendo di rivelare dati di assetto o movimento del veicolo che possano essere riferiti agli assi principali del veicolo medesimo, in modo tale da essere utilizzati per applicazioni significative unicamente nel contesto di un sistema di riferimento centrato sul veicolo.
In particolare, la presente invenzione si prefigge lo scopo di fornire una soluzione soddisfacente al problema in precedenza esposto, evitando gli inconvenienti della tecnica nota.
Più specificamente, la presente invenzione si prefigge lo scopo di realizzare una tecnica di calibrazione di un dispositivo sensore inerziale di assetto o di movimento montato a bordo di un veicolo in posizione arbitraria, che risulti quanto più possibile accurata, con ridotti errori di determinazione dei coefficienti della matrice di trasformazione delle coordinate tra il sistema di riferimento locale del dispositivo sensore ed il sistema di riferimento del veicolo.
Ulteriore scopo dell'invenzione à ̈ quello di realizzare una tecnica di calibrazione automatica che richieda semplicita’ di implementazione, minimi oneri computazionali e consumi di potenza ridotti, privilegiando la rapidità ed accuratezza di esecuzione.
Secondo la presente invenzione tale scopo viene raggiunto grazie ad un procedimento per la calibrazione di un sensore inerziale montato in posizione arbitraria a bordo di un veicolo avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 1.
Forma ulteriore oggetto dell'invenzione un sistema di sensore inerziale montabile in posizione arbitraria a bordo di un veicolo, come rivendicato.
Modi particolari di realizzazione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto à ̈ da intendersi come parte integrale e integrante della presente descrizione.
In sintesi, la presente invenzione si fonda sul principio di determinare l'assetto o il movimento di un veicolo riferiti ad un sistema di coordinate del veicolo a partire dai dati di assetto o movimento misurati da un dispositivo sensore inerziale installato a bordo del veicolo in posizione arbitraria, e perciò riferiti ad un sistema di coordinate proprio del dispositivo sensore (sistema di riferimento locale), per mezzo di una matrice di trasformazione delle coordinate.
La matrice di trasformazione à ̈ calcolata a partire dai dati di misurazione reali delle grandezze indicative dell'assetto o del movimento del veicolo, ottenuti dal dispositivo sensore di bordo, e da corrispondenti dati di misurazione di riferimento reali della dinamica del veicolo, riferiti al sistema di coordinate del veicolo, ottenuti da mezzi rivelatori di calibrazione differenti, ad esempio attraverso un sistema di localizzazione satellitare integrato nel veicolo.
Tutti i coefficienti della matrice di trasformazione sono calcolati per confronto dei suddetti dati di misurazione reali, attraverso un numero di misurazioni indipendenti delle grandezze indicative dell'assetto o del movimento del veicolo pari al numero delle colonne della matrice.
L'errore sui coefficienti della matrice di trasformazione calcolata a partire dai dati di misurazione reali viene distribuito su tutti i coefficenti imponendo il vincolo di ortogononalità alla matrice stessa, ottenendo la matrice di rotazione più vicina alla matrice calcolata.
Preferibilmente, la procedura di calibrazione secondo l'invenzione utilizza dati di misurazione di riferimento reali della dinamica del veicolo ottenuti mediante un ricevitore GPS, convenientemente filtrati per assicurare le condizioni dinamiche di misurazione ottimali e la accuratezza del segnale ricevuto.
Altre sorgenti dei dati di misurazione della dinamica del veicolo possono essere contemplate come riferimento in alternativa ai dati di un ricevitore GPS o di un differente sistema di localizzazione, ad esempio sensori di velocità angolare o sensori odometrici differenziali integrati a bordo del veicolo per la misurazione autonoma delle distanze percorse attraverso le misure di rotazione delle ruote del veicolo.
Le caratteristiche essenziali della procedura di calibrazione oggetto dell'invenzione, descritta esemplificativamente con riferimento ad un sensore accelerometrico, possono essere vantaggiosamente applicate per calibrare altri tipi di sensori inerziali di assetto o di movimento i cui dati di misurazione devono essere riferiti ad uno, due o più assi del veicolo, tra cui ad esempio un giroscopio triassiale.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente di una sua forma di attuazione, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
la figura 1 Ã ̈ una rappresentazione schematica di un veicolo equipaggiato di un dispositivo accelerometro montato in posizione arbitraria, in cui sono identificati gli assi principali di un sistema di riferimento centrato sul veicolo e gli assi di un sistema di riferimento locale al dispositivo accelerometro;
la figura 2 à ̈ uno schema a blocchi di una unità telematica di bordo integrante il dispositivo accelerometro mostrato in figura 1, predisposta per attuare un procedimento di calibrazione oggetto dell'invenzione;
la figura 3 Ã ̈ un diagramma di flusso di un procedimento di calibrazione del dispositivo accelerometro mostrato in figura 1, secondo l'invenzione;
la figura 4 mostra due diagrammi rappresentativi rispettivamente dell'andamento della velocità e dell'accelerazione lineare del veicolo nel tempo, derivati da dati di localizzazione satellitare del veicolo, e sottoposti a filtraggio; e
le figure 5a e 5b mostrano un confronto su scala temporale tra l'evoluzione dei dati di accelerazione di riferimento e i dati di accelerazione misurati dal dispositivo di bordo, rispettivamente prima e dopo una operazione di sincronizzazione.
In figura 1 con V à ̈ indicato nel complesso un veicolo, equipaggiato con una unità telematica T predisposta per rivelare le condizioni dinamiche del veicolo, in particolare atta a misurare le accelerazioni a cui à ̈ sottoposto il veicolo nel corso della marcia, in funzione delle diverse condizioni di guida.
L'unità telematica T comprende un dispositivo sensore di assetto o movimento S, quale ad esempio, ma non esclusivamente un dispositivo accelerometro a tre assi, montato in posizione arbitraria ed atto a misurare le accelerazioni lineari e centripete a cui à ̈ sottoposto il sensore nelle componenti dirette secondo gli assi locali del dispositivo, identificati in figura come x, y, z.
Sempre in figura 1, con X, Y, Z sono indicati gli assi principali del veicolo, comunemente identificati come asse longitudinale, trasversale e verticale, e rispetto ai quali sono definiti i movimenti del veicolo, ad esempio le velocità , le accelerazioni, e gli angoli di inclinazione del medesimo in ogni condizione di marcia.
L'unità telematica T può essere installata a bordo del veicolo al momento della sua produzione ed interfacciata ad una linea di comunicazione integrata di bordo, ad esempio il bus CAN, per il trasferimento dei dati misurati ad altre unità di elaborazione del veicolo. In alternativa, l'unità à ̈ montata a bordo del veicolo successivamente alla sua produzione e collegata alle altre unità di elaborazione attraverso una linea di comunicazione dedicata, non essendo possibile l'accesso alla rete CAN.
Come indicato in dettaglio nella schema a blocchi di figura 2, oltre al dispositivo sensore S l'unità telematica comprende una unità elettronica di elaborazione E, a sua volta accoppiata ad un ricevitore GPS, nel complesso indicato con G, o in modo equivalente ad altro sensore di bordo atto ad acquisire dati di riferimento della dinamica del veicolo, per l'attuazione di un procedimento di calibrazione che sarà descritto in seguito. All'unità di elaborazione E sono inoltre associati moduli di memoria M1 e M2, tipicamente un modulo di memoria ad accesso casuale M1 per la memorizzazione dei dati temporanei e il processo di computazione ed un modulo di memoria flash M2 per la memorizzazione permanente dei dati.
L'unità di elaborazione E à ̈ una unità di calcolo predisposta per l'acquisizione dei dati di accelerazione rivelati dal dispositivo sensore S nel proprio sistema di riferimento (x,y,z) e per la loro conversione nel sistema di riferimento del veicolo (X,Y,Z) attraverso una matrice di conversione R predeterminata. L'unità E à ̈ vantaggiosamente predisposta per l'elaborazione dei dati inerziali riferiti al veicolo, ovvero identificativi dell'orientamento del veicolo nello spazio e sulla sua dinamica di spostamento, ai fini della realizzazione di un sistema di assistenza alla guida.
L'unità di elaborazione E à ̈ inoltre predisposta, secondo l'invenzione, per effettuare la calibrazione del dispositivo sensore S, ovvero per determinare i coefficienti della matrice di conversione R, in almeno un'occasione dopo l'installazione del dispositivo o, secondo una forma di realizzazione preferita, per aggiornare tali coefficienti ripetutamente a cadenza periodica, ad esempio secondo una cadenza regolare prestabilita o in dipendenza dall'attivazione del sistema di assistenza alla guida che fa uso dei dati misurati.
Ad esempio, ma non esclusivamente, l'unità telematica T può essere montata a bordo del veicolo e destinata alla realizzazione di un sistema di sorveglianza e registrazione degli spostamenti del veicolo, ad esempio un sistema accessorio ad un dispositivo antifurto o un sistema per la rilevazione degli spostamenti di un veicolo appartenente ad una flotta, o ancora un sistema per la rilevazione di infrazioni o delle dinamiche di incidenti stradali.
Il procedimento di calibrazione à ̈ descritto in dettaglio nel seguito con riferimento al diagramma di flusso di figura 3.
Dopo una fase preliminare di inizializzazione 100, l'unità di elaborazione E acquisisce al passo 110 dati indicativi della dinamica del veicolo dal ricevitore GPS G. Tali dati, tipicamente l'evoluzione dei dati di posizione del veicolo nel tempo, permettono di determinare corrispondenti dati di riferimento delle accelerazioni del veicolo lungo gli assi principali X, Y, Z.
Utilizzando i dati GPS possono essere identificate le seguenti condizioni dinamiche del veicolo:
(1) veicolo fermo (velocità nulla, v ~= 0);
(2) veicolo in frenata o accelerazione, senza cambiamento di direzione (accelerazione lineare diversa da zero, componente di accelerazione centripeta nulla);
(3) cambiamento di direzione del veicolo in marcia a velocità costante (componente di accelerazione centripeta diversa da zero);
(4) altro comportamento dinamico, differente dai precedenti.
Le condizioni (1), (2), (3) consentono l'esecuzione del procedimento di calibrazione e la determinazione della matrice di conversione per combinazione dei dati misurati dal dispositivo accelerometro e dei dati di riferimento derivati dai dati di localizzazione, come sarà riferito in dettaglio nel seguito della descrizione. La condizione (4) non consente la calibrazione e, in tal caso, il procedimento à ̈ automaticamente sospeso, in attesa di nuovi dati utilizzabili.
La condizione (1) di veicolo fermo può essere determinata facilmente anche sulla base dei soli dati del dispositivo accelerometro di bordo, calcolando la varianza dei dati di accelerazione misurati e confrontandola con una soglia predeterminata, in modo tale da rendere più rapido il procedimento di calibrazione. In alternativa, quando i dati del dispositivo accelerometro sono noti in combinazione con i dati di localizzazione i primi cooperano a migliorare la determinazione della condizione di veicolo fermo rilevata tramite i secondi.
Di fatto, in termini di dinamica del veicolo, la condizione di veicolo fermo può essere considerata analoga alla condizione in cui il veicolo à ̈ in moto costante ed uniforme. Pertanto, anche la condizione di veicolo in moto a velocità e direzione costanti può essere impiegata nella procedura di calibrazione come equivalente della condizione (1), così da aumentare il numero di misurazioni disponibili.
Poiché i dati di localizzazione, ad esempio i dati di localizzazione satellitare GPS, non includono dati di accelerazione à ̈ necessaria una elaborazione preliminare per ottenere informazioni relative alla dinamica del veicolo.
Innanzitutto, i dati di localizzazione sono filtrati per eliminare i dati non validi, ossia i dati acquisiti dal ricevitore G in condizioni di localizzazione incerta o di scarsa qualità . Per questo motivo, il parametri di affidabilità dei dati di localizzazione sono confrontati con soglie prestabilite e i dati sono scartati se almeno uno dei parametri non rispetta la relativa soglia. Un esempio indicativo delle soglie dei parametri di affidabilità à ̈ riportato di seguito:
- Localizzazione 3D
- HDOP < 5
- Numero satelliti in vista > 5
- Minimo CN0 dei 3 satelliti con segnale più forte > 35dBHz
Quando la localizzazione à ̈ ritenuta valida, dai dati di localizzazione sono desumibili la velocità e la direzione di marcia del veicolo.
L'accelerazione lineare AccLpuò essere determinata applicando la nota espressione:
AccL= (V(t) – V(t- τ)) / τ
dove Ï„ Ã ̈ il periodo di campionamento GPS.
L'accelerazione centripeta Acccà ̈ determinata a partire dalla velocità angolare (derivata dalla direzione di marcia) e dalla velocità di marcia, secondo l'espressione:
Accc= V * ω [m/s<2>] dove V à ̈ la velocità lineare, espressa in [m/s] e ω la velocità angolare, espressa in [rad/s], quest'ultima derivata dalla direzione di marcia (Î ̧) fornita dal ricevitore G secondo la relazione:
ω = (Î ̧(t) – Î ̧(t - Ï„)) / Ï„ dove Ï„ à ̈ il periodo di campionamento GPS.
I dati di localizzazione sono preferibilmente filtrati al passo 120 per eliminare il rumore in considerazione dei limiti dinamici del veicolo. Sperimentalmente, si à ̈ trovato che un filtro che fornisce un giusto equilibrio tra prestazioni e complessità (costo computazionale) à ̈ un filtro di Butterworth del second'ordine, che realizza la relazione:
OutData(i)=Input(i)*a(1)+Input(i-1)*a(2)+
Input(i-2)*a(3)-OutData(i-1)*b(2)+
-OutData(i-2)*b(3)
dove Input e Outdata sono genericamente le grandezze di ingresso e di uscita (nello specifico Input rappresenta le misure di V e ω, Outdata rappresenta i valori di V e ω filtrati), e
a(1)=0,0134, a(2)=0,0267, a(3)=0,0134
b(2)=-1.6475, b(3)=0,7009
e nel caso di dati di localizzazione non validi il filtro à ̈ reinizializzato con i primi dati validi disponibili, secondo le relazioni:
OutData(i) = Input(i);
OutData(i-1) = Input(i);
OutData(i-2) = Input(i);
In figura 4 sono mostrati due diagrammi rappresentativi rispettivamente dell'andamento della velocità e dell'accelerazione lineare del veicolo nel tempo, in cui la curva indicata con A rappresenta l'andamento della grandezza rilevata e la curva indicata con B rappresenta l'andamento della grandezza filtrata. E' evidente il beneficio del filtraggio nella determinazione dell'accelerazione lineare.
Contemporaneamente all'acquisizione dei dati di localizzazione, l'unità di elaborazione E acquisisce al passo 110 dati indicativi della dinamica del veicolo dal dispositivo accelerometro S, riferiti agli assi locali x, y, z.
L'acquisizione dei dati di accelerazione reali dal dispositivo accelerometro di bordo à ̈ sensibilmente più rapida dell'acquisizione dei dati di accelerazione di riferimento, di circa due ordini di grandezza (ad esempio l'acquisizione dei dati dal dispositivo accelerometro avviene ogni 2,5ms mentre i dati di localizzazione sono disponibili ogni 200ms). Per questo motivo, e poiché conseguentemente il processo di calibrazione non può avvenire ad una frequenza superiore alla frequenza di aggiornamento dei dati di localizzazione, i dati del dispositivo accelerometro sono processati preventivamente. Vantaggiosamente, sfruttando la velocità di campionamento di 2,5ms à ̈ possibile raccogliere quattro campioni ogni 10ms e quindi mediarne il valore e sottoporre il risultato ad un filtraggio del rumore, al passo 120, secondo una tecnica analoga a quella descritta in precedenza nella elaborazione dei dati di localizzazione. I coefficienti del filtro di Butterworth del second'ordine, che realizza la relazione:
OutData(i)=Input(i)*a(1)+Input(i-1)*a(2)+
Input(i-2)*a(3)-OutData(i-1)*b(2)+ -OutData(i-2)*b(3) sperimentalmente ricavati per i dati accelerometrici sono:
a(1)=0,0009, a(2)=0,0019, a(3)=0,0009 b(2)=-1.9112, b(3)=0,9150
dove Input e Outdata rappresentano genericamente le grandezze di ingresso e di uscita del filtro (nello specifico Input rappresenta le misure di accelerazione sui tre assi (x,y,z) provenienti dal sensore e Outdata rappresenta le accelerazioni filtrate).
Infine, i dati del dispositivo accelerometro sono ricampionati su un intervallo di 200ms per ottenere la medesima temporizzazione dei dati derivati dai dati di localizzazione.
E' da notare, tuttavia, che ogni operazione di filtraggio aggiunge ritardo alla propagazione dei dati in elaborazione. Ad esempio, l'applicazione ripetuta del filtro sopra descritto ai dati di accelerazione introduce un ritardo di propagazione del dato di circa 1 secondo. Una volta acquisiti i dati di misura delle accelerazioni dal dispositivo accelerometro di bordo e calcolati i dati di accelerazione di riferimento a partire dai dati di localizzazione, i due dati devono quindi essere sincronizzati. Poiché i dati derivati dalle informazioni GPS sono il risultato di due operazioni di filtraggio (filtro dei dati GPS e filtraggio addizionale), mentre i dati del dispositivo accelerometro sono ottenuti per campionamento in tempo reale, la sincronizzazione à ̈ necessaria per tener conto del ritardo di disponibilità dei dati di riferimento e dei ritardi introdotti dai filtri. Poiché i dati di riferimento occorrono per determinare le condizioni di calibrazione, come verrà chiarito nel seguito, i dati di accelerazione reali sono temporaneamente memorizzati in moduli di memoria tampone del banco di memoria M1. La profondità del buffer utilizzato per la memorizzazione dei dati, determinerà il ritardo di sincronizzazione applicato.
Il diagramma di figura 5a mostra un confronto in tempo reale su scala temporale tra l'evoluzione ritardata dei dati di riferimento derivati dai dati di localizzazione GPS (curva indicata con A in figura) e l'evoluzione anticipata dei dati di accelerazione reali (curva indicata con B in figura).
In figura 5b à ̈ mostrato un diagramma di confronto tra l'evoluzione dei dati di riferimento derivati dai dati di localizzazione GPS (curva A) e l'evoluzione dei dati di accelerazione reali (curva B) successivamente alla sincronizzazione attraverso la memoria tampone con ritardo di 1000ms (corrispondente a 5 campioni di dati GPS).
Ritornando a riferirsi al diagramma di figura 3, eseguita l'acquisizione dei dati di accelerazione reali e dei dati di accelerazione di riferimento, convenientemente filtrati e sincronizzati, l'unità di elaborazione E esegue le operazioni per il calcolo dei coefficienti della matrice di conversione.
Al livello 200 à ̈ verificata la condizione dinamica corrente del veicolo, per confronto dei dati di localizzazione e dei dati di accelerazione di riferimento da essi derivati con valori di soglia prestabiliti. Specificamente, la condizione (1) di veicolo fermo à ̈ determinata se sono soddisfatte le relazioni:
GPS Speed < TH.STATIC_SPD
abs (GPS AccL) < TH.STATIC_ACC
ovvero se la velocità rilevata à ̈ inferiore ad una prima soglia di velocità e l'accelerazione lineare à ̈, in valore assoluto, inferiore ad una prima soglia di accelerazione lineare.
Preferibilmente, i valori di soglia sono impostati come segue:
TH.STATIC_SPD = 0,5 m/s
TH.STATIC_ACC = 0,7 m/s<2>
La condizione (2) di accelerazione lineare à ̈ determinata se sono soddisfatte le relazioni:
GPS Speed > TH.LINEAR_SPD
abs(GPS AccL) > TH.LINEAR_ACC
abs(GPS AccC/ GPS AccL) < TH.LIN_RATIO ovvero se la velocità rilevata à ̈ superiore ad una seconda soglia di velocità , l'accelerazione lineare à ̈, in valore assoluto, superiore ad una seconda soglia di accelerazione lineare e il rapporto in valore assoluto tra l'accelerazione centripeta e l'accelerazione lineare à ̈ inferiore ad un valore di soglia di confronto.
Preferibilmente, i valori di soglia sono impostati come segue:
TH.LINEAR_SPD = 3 m/s
TH.LINEAR_ACC = 1,2 m/s<2>
TH.LIN_RATIO = 0,25
La condizione (3) di accelerazione centripeta à ̈ determinata se sono soddisfatte le relazioni:
GPS Speed > TH.CENTR_SPD
abs(GPS AccC) > TH.CENTR_ACC_C
abs(GPS AccL/ GPS AccC) < TH.CENTR_RATIO ovvero se la velocità rilevata à ̈ superiore ad una terza soglia di velocità , l'accelerazione centripeta à ̈, in valore assoluto, superiore ad una prima soglia di accelerazione centripeta e il rapporto in valore assoluto tra l'accelerazione lineare e l'accelerazione centripeta à ̈ inferiore a detto valore di soglia di confronto.
Preferibilmente, i valori di soglia sono impostati come segue:
TH.CENTR_SPD = 5 m/s
TH.CENTR_RATIO = 0,25
TH.CENTR_ACC_C = 1,3 m/s<2>
Si noti che per la determinazione delle condizioni dinamiche di accelerazione lineare e centripeta del veicolo, à ̈ necessario che quest'ultimo marci ad una velocità superiore ad una rispettiva soglia, poiché altrimenti le misurazioni di velocità e direzione effettuate con l'ausilio del ricevitore GPS non risulterebbero affidabili.
Il contributo maggiore di accelerazione lineare o centripeta à ̈ riconosciuto attraverso il calcolo del rapporto tra le due grandezze. Il valore di soglia di 0,25 definisce un errore massimo tollerato del 25% per ciascuna misura.
Se à ̈ riconosciuta la condizione (1) di veicolo fermo al passo di confronto di soglia 210, il procedimento passa alla fase 310 in cui à ̈ determinato il contributo dell'accelerazione di gravità sul dispositivo accelerometro. Questa fase à ̈ molto importante, poiché il contributo della accelerazione di gravità deve essere noto per il calcolo di calibrazione nelle condizioni di accelerazione lineare e centripeta. E' dunque necessario acquisire un numero minimo predeterminato di campioni di dati di misurazione reali a veicolo fermo, ad esempio 50, per poter eseguire anche le calibrazioni nelle condizioni di veicolo in accelerazione.
Se l'esito della verifica delle condizioni dinamiche del veicolo al passo 200 à ̈ il riconoscimento di una condizione di accelerazione (o decelerazione) lineare al passo di confronto di soglia 220, il procedimento passa alla fase 320 in cui à ̈ verificato se à ̈ stato completato il calcolo del contributo dell'accelerazione di gravità sul dispositivo accelerometro.
Analogamente, se l'esito della verifica delle condizioni dinamiche del veicolo al passo 200 à ̈ il riconoscimento di una condizione di accelerazione (o decelerazione) centripeta al passo di confronto di soglia 230, il procedimento passa alla fase 330 in cui à ̈ verificato se à ̈ stato completato il calcolo del contributo dell'accelerazione di gravità sul dispositivo accelerometro.
Una volta calcolato il contributo dell'accelerazione di gravità , in funzione della condizione dinamica corrente l'unità di elaborazione E aggiorna al livello 400 gli elementi della matrice di conversione ad essi correlati.
La struttura della matrice di conversione reale R Ã ̈ rappresentata di seguito:
con una notazione degli elementi che permette di identificare ciascuno di essi in funzione della condizione dinamica di calibrazione durante la quale à ̈ determinato (L = accelerazione lineare, C = accelerazione centripeta, S = condizione statica o di veicolo fermo) e dell'asse del sistema di riferimento locale (x, y, z) a cui si riferisce.
Ad esempio, Lx à ̈ l'elemento della matrice determinato nella condizione dinamica di accelerazione lineare del veicolo, e relativo alla misura del dispositivo accelerometro lungo l'asse x.
L'espressione di conversione tra il vettore accelerazioni misurato nel sistema di riferimento locale dell'accelerometro (axs, ays, azs) e il vettore accelerazioni nel sistema di riferimento del veicolo (aXV, aYV, aZV) Ã ̈ la seguente:
Preferibilmente, ad ogni iterazione del procedimento di calibrazione i valori degli elementi della matrice sono attribuiti applicando una operazione di filtro che tiene in conto il numero di eventi di misurazione precedenti, ad esempio secondo l'espressione:
Output = (Output * nstep+ New_Value)/(nstep+1)
dove Output à ̈ il generico parametro considerato, ed in cui dopo ogni iterazione il contatore di iterazioni nstep(inizializzato al valore 0 al passo 100) à ̈ incrementato: nstep= nstep+1
Questa operazione di filtro à ̈ - a parere degli inventori - il miglior compromesso tra prestazione, semplice realizzazione e ridotto fabbisogno di memoria e calcolo. Per evitare il rallentamento dei calcoli al crescere del numero di misurazioni, e contemporaneamente per evitare l'attribuzione di pesi eccessivamente ridotti a nuove misurazioni, il filtro à ̈ preferibilmente limitato a un peso minimo di 1/400.
Nella condizione dinamica di veicolo fermo, al passo 410 l'unità di elaborazione aggiorna gli elementi della terza colonna della matrice di conversione Sx, Sy, Sz in funzione dei valori medi dei dati reali di misurazione Acc_x, Acc_y, Acc_z del dispositivo accelerometro, e dei valori degli elementi della matrice calcolati all'iterazione precedente, secondo le relazioni:
Sx = (Sx * nstep+ Acc_xS)/ (nstep+1)
Sy = (Sy * nstep+ Acc_yS)/ (nstep+1)
Sz = (Sz * nstep+ Acc_zS)/ (nstep+1)
dove
Acc_xS = Acc_x / sqrt(Acc_x<2>+Acc_y<2>+Acc_z<2>) Acc_yS = Acc_y / sqrt(Acc_x<2>+Acc_y<2>+Acc_z<2>) Acc_zS = Acc_z / sqrt(Acc_x<2>+Acc_y<2>+Acc_z<2>) ed i valori dei contributi dell'accelerazione di gravità come:
GX= (GX* nstep+ Acc_x)/ (nstep+1)
GY= (GY* nstep+ Acc_y)/ (nstep+1)
GZ= (GZ* nstep+ Acc_z)/ (nstep+1)
Nella condizione dinamica di veicolo soggetto ad accelerazioni lineari, al passo 420 l'unità di elaborazione aggiorna gli elementi della prima colonna della matrice di conversione Lx, Ly, Lz in funzione dei valori medi dei dati reali di misura zione Acc_x, Acc_y, Acc_z del dispositivo accelerometro, e dei contributi di gravità calcolati, secondo le relazioni:
Lx = (Lx * nstep+ Acc_xL)/ (nstep+1)
Ly = (Ly * nstep+ Acc_yL)/ (nstep+1)
Lz = (Lz * nstep+ Acc_zL)/ (nstep+1)
dove Acc_xL=(Acc_xl/sqrt(Acc_xl<2>+Acc_yl<2>+Acc_zl<2>)) * sign (GPS_Acc) Acc_yL=(Acc_yl/sqrt(Acc_xl<2>+Acc_yl<2>+Acc_zl<2>)) * sign (GPS_Acc) Acc_zL=(Acc_zl/sqrt(Acc_xl<2>+Acc_yl<2>+Acc_zl<2>)) * sign (GPS_Acc) e
Acc_xl = Acc_x - GX
Acc_yl = Acc_y - GY
Acc_zl = Acc_z - GZ
in cui GPS_Acc à ̈ il valore di accelerazione lineare derivato dai dati di localizzazione GPS.
Nella condizione dinamica di veicolo soggetto ad accelerazione centripeta, al passo 430 l'unità di elaborazione aggiorna gli elementi della seconda colonna della matrice di conversione Cx, Cy, Cz in funzione dei valori medi dei dati reali di misurazione Acc_x, Acc_y, Acc_z del dispositivo accelerometro, e dei contributi di gravità calcolati, secondo le relazioni:
Cx = (Cx * nstep+ Acc_xC)/ (nstep+1)
Cy = (Cy * nstep+ Acc_yC)/ (nstep+1)
Cz = (Cz * nstep+ Acc_zC)/ (nstep+1)
dove Acc_xC=(Acc_xc/sqrt(Acc_xc<2>+Acc_yc<2>+Acc_zc<2>)) * sign (GPS_Acc_C) Acc_yC=(Acc_yc/sqrt(Acc_xc<2>+Acc_yc<2>+Acc_zc<2>)) * sign (GPS_Acc_C) Acc_zC=(Acc_ZC/sqrt(Acc_xc<2>+Acc_yc<2>+Acc_zc<2>)) * sign (GPS_Acc_C) e
Acc_xc = Acc_x - GX
Acc_yc = Acc_y - GY
Acc_zc = Acc_z - GZ
in cui GPS_Acc_C Ã ̈ il valore di accelerazione centripeta derivato dai dati di localizzazione GPS.
Se il procedimento di calibrazione non à ̈ completo, ossia non sono stati calcolati tutti gli elementi della matrice di conversione, oppure se il calcolo dei contributi dell'accelerazione di gravità non à ̈ completo, per cui l'unità di elaborazione non può procedere al calcolo degli elementi della matrice corrispondenti alle condizioni operative in cui il veicolo à ̈ sottoposto ad accelerazione lineare o centripeta, à ̈ iterato un nuovo ciclo di acquisizione dei dati di localizzazione, misurazione dei dati dell'accelerometro, sincronizzazione e calcolo degli elementi matriciali, a partire dai passi 110 e 120.
Il procedimento di calibrazione à ̈ considerato adeguatamente completato al passo 500 quando il numero di campioni considerato per ciascuna condizione dinamica à ̈ superiore ad un valore di soglia predeterminato, ad esempio 300. Naturalmente, una differente soglia di completezza può essere definita, laddove maggiore à ̈ il valore di soglia, maggiore à ̈ il tempo necessario per eseguire la calibrazione, ma più accurato à ̈ il risultato.
A calibrazione completata à ̈ possibile attuare un affinamento della matrice di conversione eseguendo nuovamente la procedura di calibrazione ed aggiornando periodicamente i valori degli elementi della matrice.
La matrice di conversione R ottenuta al termine del procedimento di calibrazione sulla base dei dati acquisiti à ̈ una matrice di conversione reale, i cui elementi sono affetti da errori di misurazione, per cui non rispetta il requisito di ortogonalità dei vettori riga e dei vettori colonna. La matrice di conversione à ̈ allora sottoposta ad ortogonalizzazione al passo 600, ossia à ̈ calcolata la matrice di rotazione ortogonale più vicina alla matrice di conversione calcolata attraverso le misure.
Brevemente, si definisce matrice ortogonale una matrice la cui trasposta à ̈ pari all'inversa (Q<T>Q = QQ<T>= I oppure in notazione alternativa Q<T>= Q<-1>). Vincolo addizionale per la matrice di rotazione à ̈ che il determinante sia pari all'unità : Det(Q)=1.
Per determinare la matrice di rotazione ortogonale Ro più vicina alla matrice di conversione reale R calcolata, à ̈ applicata la seguente formula:
Ro = R (R<T>R)<(-1/2)>
La matrice di conversione ortogonale più vicina alla matrice di conversione reale calcolata come sopra consente vantaggiosamente di ridistribuire gli errori di misurazione di cui à ̈ affetta la matrice di conversione reale sull'intera matrice ortogonale, ossia su tutti gli elementi della matrice di rotazione, e ottenere una matrice di rotazione Convenientemente, poiché il calcolo della matrice ortogonale à ̈ un compito assai pesante in termini computazionali per l'unità di elaborazione E, esso può non essere eseguito ad ogni occasione di aggiornamento periodico della matrice di conversione, ma solo periodicamente, ad esempio ogni 150 aggiornamenti.
Con il calcolo della matrice di rotazione ortogonale ha termine il procedimento di calibrazione e la matrice à ̈ salvata all'interno della memoria non volatile M2.
Il procedimento di calibrazione descritto può essere eseguito una sola volta all'avviamento del veicolo o all'attivazione del sistema di assistenza alla guida che integra le misure accelerometriche, oppure può essere eseguito ciclicamente dopo l'avviamento del veicolo o dopo l'attivazione del sistema di assistenza alla guida. In questo caso, à ̈ previsto un primo ciclo di calibrazione rapida, grossolana e successivi cicli di calibrazione fine.
Vantaggiosamente, come si comprenderà dalla lettura della descrizione che precede, il procedimento di calibrazione oggetto dell'invenzione conduce alla generazione di una matrice di trasformazione delle coordinate tra il sistema di riferimento locale del dispositivo sensore ed il sistema di riferimento del veicolo in cui ogni coefficiente à ̈ determinato con maggiore accuratezza rispetto alla tecnica nota.
Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto à ̈ stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo allontanarsi dall'ambito di protezione dell'invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Procedimento di calibrazione di un dispositivo sensore inerziale (S) montato in posizione arbitraria a bordo di un veicolo (V), atto a rivelare almeno una grandezza indicativa della dinamica del veicolo lungo almeno una direzione di un sistema di coordinate di riferimento locale (x,y,z), comprendente le operazioni di: - acquisire (110), tramite detto dispositivo sensore di bordo (S), ad istanti di misurazione determinati, dati di misurazione reali indicativi della dinamica del veicolo (V) in un sistema di coordinate locale (x,y,z); - acquisire (110), tramite mezzi rivelatori (G) di calibrazione differenti da detto dispositivo sensore di bordo (S), ad istanti di campionamento coincidenti con detti istanti di misurazione, dati di misurazione di riferimento indicativi della dinamica del veicolo (V) in un sistema di coordinate del veicolo (X,Y,Z); - generare (200-500) una matrice di trasformazione (R) delle coordinate, atta a mettere in relazione le grandezze misurate nel sistema di coordinate locale (x,y,z) con corrispondenti grandezze nel sistema di coordinate del veicolo (X,Y,Z), caratterizzato dal fatto che tutti gli elementi della matrice di trasformazione (R) sono calcolati per confronto (410, 420, 430) tra una pluralità di dati di misurazione acquisiti dal dispositivo sensore di bordo (S) e una corrispondente pluralità di dati di misurazione di riferimento ottenuti in una pluralità di differenti condizioni di guida, in cui la pluralità di dati di misurazione comprende un numero di dati pari al numero degli elementi della matrice (R) di trasformazione; e dal fatto che il valore di ciascun elemento della matrice di trasformazione (R) à ̈ modificato attraverso l'imposizione di un vincolo di ortogonalità (600), ottenendo la matrice di trasformazione ortogonale (Ro) più vicina alla matrice di trasformazione (R) ottenuta sulla base dei dati di misurazione.
- 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi rivelatori di calibrazione comprendono un sistema di localizzazione satellitare (G).
- 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi rivelatori di calibrazione comprendono sensori odometrici integrati a bordo del veicolo (V).
- 4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che à ̈ eseguito se la velocità di marcia del veicolo (V) à ̈ superiore ad una velocità minima di soglia.
- 5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente l'aggiornamento del valore di ciascun elemento della matrice di trasformazione (R) a cadenza periodica ed il calcolo della matrice ortogonale (Ro) dopo un numero predeterminato di aggiornamenti del valore degli elementi della matrice di trasformazione (R).
- 6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il calcolo dei valori degli elementi della matrice di trasformazione (R) ad ogni iterazione del procedimento di calibrazione comprende l'applicazione di una operazione di filtraggio che tiene in conto il numero di eventi di misurazione precedenti, secondo l'espressione: Output = (Output * nstep+ New_Value)/(nstep+1) dove Output à ̈ il valore corrente della grandezza dinamica considerata, New_Value à ̈ il valore misurato della grandezza dinamica considerata ed nstepà ̈ il contatore di misurazioni.
- 7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui per determinare la matrice di trasformazione ortogonale (Ro) più vicina alla matrice di trasformazione (R) ottenuta sulla base dei dati di misurazione à ̈ applicata la seguente formula: Ro = R (R<T>R)<(-1/2)>
- 8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che à ̈ applicato per la calibrazione di un sensore accelerometrico triassiale.
- 9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, in cui i dati di misurazione indicativi della dinamica del veicolo sono dati di accelerazione lineare e centripeta rivelati nelle condizioni dinamiche di: veicolo fermo o in moto costante ed uniforme; veicolo in accelerazione o decelerazione lineare; veicolo cambiante direzione di marcia a velocità costante.
- 10. Procedimento secondo la rivendicazione 9, in cui la condizione dinamica di veicolo fermo à ̈ determinata (210) quando la velocità di marcia del veicolo rilevata à ̈ inferiore ad una prima soglia di velocità e l'accelerazione lineare rilevata à ̈, in valore assoluto, inferiore ad una prima soglia di accelerazione lineare.
- 11. Procedimento secondo la rivendicazione 9, in cui la condizione dinamica di accelerazione lineare à ̈ determinata (220) quando la velocità di marcia del veicolo rilevata à ̈ superiore ad una seconda soglia di velocità , l'accelerazione lineare rilevata à ̈, in valore assoluto, superiore ad una seconda soglia di accelerazione lineare e il rapporto in valore assoluto tra l'accelerazione centripeta rilevata e l'accelerazione lineare rilevata à ̈ inferiore ad un valore di soglia di confronto.
- 12. Procedimento secondo la rivendicazione 9, in cui la condizione dinamica di accelerazione centripeta à ̈ determinata (230) quando la velocità di marcia del veicolo rilevata à ̈ superiore ad una terza soglia di velocità , l'accelerazione centripeta rilevata à ̈, in valore assoluto, superiore ad una prima soglia di accelerazione centripeta e il rapporto in valore assoluto tra l'accelerazione lineare rilevata e l'accelerazione centripeta rilevata à ̈ inferiore a detto valore di soglia di confronto.
- 13. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i dati di accelerazione di calibrazione rilevati ad una pluralità di istanti di campionamento successivi ed i dati di accelerazione misurati ad una pluralità di istanti di misurazione successivi sono elaborati per applicazione di un filtro di Butterworth del second'ordine, che realizza la relazione: OutData(i)=Input(i)*a(1)+Input(i-1)*a(2)+ Input(i-2)*a(3)-OutData(i-1)*b(2)+ -OutData(i-2)*b(3) dove Input e Outdata sono rispettivamente le grandezze dinamiche di ingresso e di uscita.
- 14. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, includente la determinazione (310) del contributo dell'accelerazione di gravità nella condizione di veicolo fermo a partire da un numero minimo predeterminato di campioni di dati di misurazione reali, il calcolo degli elementi della matrice di trasformazione in funzione dei dati di misurazione ottenuti nelle condizioni di guida di accelerazione lineare e centripeta essendo eseguito tenendo in conto (320, 330) il contributo dell'accelerazione di gravità determinato.
- 15. Sistema sensore della dinamica di un veicolo montabile in posizione arbitraria a bordo del veicolo (V) e comprendente un dispositivo sensore inerziale (S) atto a rivelare almeno una grandezza indicativa della dinamica del veicolo (V) lungo almeno una direzione di un sistema di coordinate di riferimento locale (x,y,z), caratterizzato dal fatto che include mezzi di elaborazione (E) predisposti per l'acquisizione dei dati rivelati dal dispositivo sensore (S) nel proprio sistema di riferimento (x,y,z) e per la loro conversione in un sistema di riferimento del veicolo (X,Y,Z) tramite una matrice di trasformazione delle coordinate (R) calcolata attraverso un procedimento di calibrazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 14.
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