ITRM20090059A1 - Circuito per l' auto-allineamento del fascio irradiato da un radar anti-collisione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DELL’ INVENZIONE AVENTE PER TITOLO: “Circuito per l’ Auto-Allineamento del fascio irradiato da un Radar Anti-Collisione“, DESCRIZIONE

Lo scopo del Circuito per l’ Auto-Allineamento è la determinazione della posizione relativa degli assi dell’ antenna del Radar Anti-Collisione (RAC), rispetto alla direzione della velocità del veicolo, a bordo del quale è posizionato il RAC stesso. Ciò si traduce nel calcolo da parte del Circuito per l’ Auto-Allineamento di 2 angoli: Ȗ e δ (figura 3).

Per ottenere tale risultato, il Circuito per l’ Auto-Allineamento deve essere montato opportunamente sul RAC.

La figura 1 rappresenta una sezione nel piano orizzontale del Circuito per l’ Auto-Allineamento e dell’ antenna del RAC, mentre la figura 2 ne rappresenta una sezione nel piano verticale. Il blocco 2 è l’ accelerometro, con i 3 assi, ortogonali fra loro, A2t,A2n,A2z che formano una terna destra; il blocco 4 è l’antenna del RAC con i 3 assi, ortogonali fra loro, A4,A5,A6 che formano una terna destra. Gli assi A4, A5, A6 dell’ antenna del RAC possono essere scelti con una certa arbitrarietà, è importante però che, una volta fissato tale sistema di riferimento sull’ antenna, si conosca la direzione di massimo del diagramma di radiazione rispetto a tale sistema di riferimento. Come si vede, l’ asse A2t dell’ accelerometro è parallelo e concorde all’ asse A4 dell’ antenna, l’asse A2n è parallelo e concorde all’ asse A5, e l’ asse A2z è parallelo e concorde all’ asse A6.

In figura 1, è inoltre rappresentato il blocco 3, costituito da un sensore per la rilevazione della direzione del campo magnetico terrestre (bussola elettronica), che fornisce l’ angolo ȕ formato dal suo asse di riferimento A3 con il Nord Magnetico (vedere figura 5). Tale asse A3 è parallelo all’ asse A2t dell’ accelerometro.

Avendo stabilito come deve essere montato il Circuito sul RAC, veniamo al principio di funzionamento. Il RAC, dotato di Circuito per l’ Auto-Allineamento, senza alcun uso di strumentazione, viene fissato al veicolo, in maniera anche non definitiva (mediante ventose, adesivi..), in modo tale comunque che non si abbia moto relativo fra veicolo e RAC. Poiché non si è utilizzata alcuna strumentazione, gli assi dell’ accelerometro saranno orientati più o meno casualmente rispetto a quelli del veicolo, ed in particolare rispetto all’ asse longitudinale del veicolo, che, in assenza di curve della traiettoria, coincide con la direzione della velocità del veicolo. Ora, in generale, durante il moto, il veicolo è sottoposto all’ accelerazione di gravità bilanciata in parte o in tutto dalle reazioni vincolari, ad un’ accelerazione tangenziale aTdovuta al motore e che ne fa aumentare la velocità o alla frenata che la fa diminuire, e ad un’ accelerazione normale aNquando il veicolo affronta una curva.

Innanzitutto, se l’ angolo ȕ, formato dall’ asse A3 con il Nord Magnetico, è costante ciò implica che il veicolo si sta muovendo su una traiettoria rettilinea e quindi l’ accelerazione normale è nulla. Quindi:

β =costante⇒aN= 0 (1).

Supponiamo ora che, con ȕ costante, sia presente un’ accelerazione tangenziale aT, che per definizione è parallela al vettore velocità, e trascuriamo inizialmente l’ accelerazione di gravità. Con riferimento alla figura 3, indicando le misure di accelerazione con lo stesso nome dell’ asse cui si riferiscono, valgono le seguenti relazioni:

Da cui si ricava: .

Pertanto, nell’ ipotesi finora fatta di assenza di accelerazione di gravità, siamo in grado, mediante le misure dell’ accelerometro, della bussola elettronica e delle relazioni di sopra, di calcolare gli angoli Ȗ e δ che individuano la direzione della velocità del veicolo nel sistema di riferimento dell’ accelerometro. Tale sistema di riferimento (vedere figura 1 e 2) ha gli assi paralleli ad uno ad uno al sistema di riferimento dell’ antenna, come descritto sopra, quindi tali misurazioni degli angoli Ȗ e δ valgono anche nel sistema di riferimento dell’ antenna. A questo punto, conoscendo la direzione di massimo del diagramma di radiazione nel sistema di riferimento dell’ antenna, se questa può essere modificata elettronicamente, come ad esempio in un phased array, si può far coincidere tale direzione di massimo con la direzione della velocità. Pertanto, il fascio dell’ antenna, ovvero la direzione di massimo, può essere irradiato nella direzione della velocità del veicolo a bordo del quale il Radar Anti-Collisione è posizionato, condizione essenziale per il corretto funzionamento del RAC.

Consideriamo ora l’ accelerazione di gravità: data la casualità dell’ orientamento degli assi dell’ accelerometro e, dato che negli istanti di misura delle accelerazioni non si conosce la pendenza della strada che il veicolo sta percorrendo, dobbiamo supporre che il vettore g accelerazione di gravità sia orientato casualmente nel sistema di riferimento dell’ accelerometro. Tuttavia, sappiamo che il vettore g ha modulo costante (e pari a 9.81 m/s2). Allora, sempre con ȕ costante, se il veicolo è fermo o si muove con velocità costante, l’ unica accelerazione presente è quella gravitazionale, quindi valgono le seguenti relazioni:

Mentre, se il veicolo accelera o frena su un tratto a pendenza costante, saranno valide:

Dalle quali possiamo calcolare gli angoli di nostro interesse Ȗ e δ come:

Pel le relazioni (6) e (7), l’ ipotesi che la pendenza sia costante è fondamentale: se la pendenza non è costante, le componenti di g sui tre assi A2t, A2n, A2z non sono più delle costanti, ma variano nel tempo. Pertanto, rimane il problema di stabilire quando il veicolo sta percorrendo un tratto a pendenza costante.

Bene, se in un certo istante valgono la (1), le (4), e la (5) contemporaneamente, il veicolo ha accelerazione normale nulla e accelerazione tangenziale nulla; successivamente valgono la (1) e le (6), e poi nuovamente la (1), le (4), e la (5) con gli stessi valori per le componenti di g, allora si può affermare che il veicolo ha accelerato o frenato su un tratto a pendenza costante, ed è pertanto lecito applicare le formule (7) per il calcolo di Ȗ e δ.

In realtà, anche così facendo rimane una certa probabilità di errore: l’accelerazione tangenziale, che è necessaria al calcolo dei due angoli, maschera in maniera incognita le eventuali variazioni delle componenti dell’ accelerazione di gravità. Ad esempio, il veicolo può passare da un tratto con una certa pendenza e soggetto alla sola accelerazione g, cambiare pendenza con accelerazione tangenziale non nulla, e poi tornare alla pendenza iniziale soggetto alla sola accelerazione g: in tal caso, il Circuito non si accorgerebbe del cambio di pendenza. D’ altronde, in generale per il veicolo vale il sistema di equazioni (6), che è un sistema di 3 equazioni in 6 incognite con le informazioni in nostro possesso, ed è quindi impossibile determinare istante per istante tutte le 6 incognite.

Il Circuito per l’ Auto-Allineamento realizza comunque esattamente il principio appena esposto, provvedendo a minimizzare la probabilità di errore. Esso è quindi costituito da 3 parti principali (vedere figura 1 e 2): un accelerometro a 3 assi (blocco 2 di figura 1e 2), un sensore in grado di rilevare il campo magnetico terrestre (blocco 3 di figura 1), ovvero una bussola elettronica, e un microcontrollore (blocco 1 di figura 1) . Naturalmente, ci saranno inoltre i necessari circuiti di alimentazione e eventuali circuiti di interfaccia fra i vari componenti principali (non mostrati nelle figure) .

L’ accelerometro a 3 assi, indipendentemente dal fenomeno fisico su cui si basa, è in grado di misurare l’accelerazione lungo questi 3 assi: fornirà quindi 3 segnali, le cui caratteristiche dipendono dal tipo di accelerometro scelto, indicanti le 3 accelerazioni misurate, lungo gli assi A2t, A2n e A2z, e che saranno inviate in ingresso al microcontrollore.

La bussola elettronica, indipendentemente dal fenomeno fisico su cui si basa, misura l’angolo formato da un suo asse di riferimento (asse A3 di figura 1) e la direzione del Nord Magnetico. Poiché, ai fini del funzionamento del Circuito per l’ Auto-Allineamento, interessa che si annulli la variazione della direzione della velocità del veicolo, non è necessaria né la correzione dell’ angolo di declinazione magnetica, né la correzione dell’ angolo di inclinazione magnetica, né quella dell’angolo di deviazione magnetica. Tuttavia, poiché i circuiti del RAC, ed in particolare la sua antenna, possono costituire fonte di interferenza per il sensore, è preferibile montare la bussola elettronica il più lontano possibile da questi. Avremo pertanto un segnale, le cui caratteristiche dipendono dal tipo di sensore, indicante l’ angolo ȕ (vedi figura 5), che viene inviato al microcontrollore (come in figura 1).

Il microcontrollore è in grado di ottenere i valori campionati di ȕ, A2t, A2n, A2z, mediante convertitori analogico-digitale interni ad esso, o eventualmente esterni, associandovi il relativo istante di misura. Esegue quindi in un ciclo infinito, il seguente algoritmo:

Parametri: N, len_Beta, Ris1_acc, Soglia_acc, Ris2_acc, ERR_ang, len_Gamma, len_Delta

1. Memorizza N valori di ȕ, A2t, e A2n e A2z;

2. Inizializza due variabili: Inizio=1, Fine=1;

3. Partendo da k=1, fino a k=N, trova la Sequenza più lunga per cui ȕ=costante;

4. Se tale Sequenza ha una lunghezza inferiore a len_Beta, cancella tutti i valori memorizzati, e ritorna al punto 1;

5. (Esiste:) Memorizza gli indici di inizio sequenza (Inizio) e fine sequenza (Fine);

6. Partendo da k=Inizio, fino a k=Fine, trova k1 tale che:

|(A2t[k1])2+ (A2n[k1])2 (A2z[k1])2 - g2| < Ris1_acc

7. Se NON esiste k1, ritorna al punto 1;

8. Partendo da k=k1, fino a k=Fine, trova k2 tale che:

|(A2t[k2])2+ (A2n[k2])2 (A2z[k2])2 - g2| > Soglia_acc

9. Se NON esiste k2, ritorna al punto 1;

10. Partendo da k=k2, fino a k=Fine, trova k3 tale che:

|(A2t[k3])2+ (A2n[k3])2 (A2z[k3])2 - g2| < Ris1_acc

11. Se NON esiste k3, ritorna al punto 1;

12. (Esistono k1,k2,k3:) Verifica se è valida la relazione:

|A2t[k3]-A2t[k1]|< Ris2_acc

AND |A2n[k3]-A2n[k1]|< Ris2_acc

AND |A2z[k3]-A2z[k1]|< Ris2_acc;

13. Se NON è valida, ritorna al punto 1;

14. Pone gt0= A2t[k1], gn0= A2n[k1], gz0=A2z[k1];

15. Partendo da k=k2, fino a k=k3-1, applica su A2t[k],A2n[k],A2z[k] la formula (7), ottenendo (k3-k2) valori per Ȗ e δ, che chiamiamo gamma_mis e delta_mis;

16. Partendo da k=k2, fino a k=k3-1, trova la Sequenza più lunga per cui gamma_mis si mantiene entro un intervallo di ampiezza ERR_ang, centrato su uno qualsiasi dei valori gamma_mis;

17. Se tale Sequenza ha una lunghezza inferiore a len_Gamma, cancella tutti i valori memorizzati, e ritorna al punto 1;

18. Effettua una media aritmetica sui valori gamma_mis appartenenti a questa sequenza, ottenendo il valori medio Ȗm;

19. Partendo da k=k2, fino a k=k3-1, trova la Sequenza più lunga per cui delta_mis si mantiene

entro un intervallo di ampiezza ERR_ang, centrato su uno qualsiasi dei valori delta_mis;

20. Se tale Sequenza ha una lunghezza inferiore a len_Delta, cancella tutti i valori memorizzati, e ritorna al punto 1;

21. Effettua una media aritmetica sui valori delta_mis appartenenti a questa sequenza ottenendo, il valori medio δm;

22. Ritorna al punto 1.

I valori Ȗm, δmcalcolati in ogni ciclo, che eventualmente può non fornirne affatto, vengono memorizzati. Gli angoli Ȗoe δo, forniti in uscita dal microcontrollore, saranno una media pesata dei valori Ȗm, δma partire dal primo disponibile:

Data la complessità dell’ algoritmo, facciamo alcune osservazioni utili alla comprensione del suo funzionamento.

Il passo 3 è la ricerca di un intervallo con accelerazione normale nulla (ȕ=costante): tutta l’ elaborazione successiva avverrà solo all’ interno di intervalli di questo tipo. Il passo 4 assicura che l’ elaborazione avvenga su una sequenza sufficientemente lunga. Il passo 6 è la ricerca del primo istante in cui è presente solo l’accelerazione di gravità: tale istante serve come riferimento iniziale della pendenza del tratto di strada. Il passo 8 è la ricerca del primo istante, successivo a quello del passo 6, in cui è presente un’ accelerazione tangenziale non nulla e maggiore di una certa soglia, tale da garantire una misurazione più accurata (quella normale è sicuramente nulla poiché siamo in un intervallo come definito nel passo 3). Il passo 10 è la ricerca del primo istante, successivo a quello del passo 8, in cui è presente solo l’accelerazione di gravità, mentre nel passo 12 si verifica l’ uguaglianza delle componenti dell’ accelerazione di questo istante con quelle del passo 6. Questo passaggio è delicato: sembrerebbe sufficiente effettuare solo il punto 12 e non anche il 10. Tuttavia, senza il passo 10, se il veicolo passa, sempre con la sola accelerazione di gravità, da una pendenza poi ad una diversa e poi ritorna sulla prima pendenza, l’ algoritmo non si accorgerebbe del cambio di pendenza. Nel passo 15, si applica la formula (7) per il calcolo degli angoli Ȗme δm: in particolare la formula prevede due modalità di calcolo per δm, che quindi può essere la media di questi valori. Nel passo 16 (risp.19), all’ interno dei valori di gamma (risp. delta) calcolati, si cerca la sequenza più lunga per cui gamma (risp. delta) si mantiene entro un intervallo di ampiezza ERR_ang, centrato su uno qualsiasi dei valori gamma_mis: questo per evitare che eventuali improvvise variazioni delle misure di accelerazioni, dovute a buche sulla strada, degradino la misura.

L’ algoritmo contiene diversi parametri, quali N, len_Beta, Ris1_acc, Soglia_acc, Ris2_acc, ERR_ang, len_Gamma, len_Delta, che influenzano l’ accuratezza della misura degli angoli. Inoltre, come anticipato, esiste una probabilità di errore insita nel funzionamento del Circuito, strettamente legata alla durata del ciclo di elaborazione, e quindi al numero N di valori da elaborare per ogni ciclo. Come è stato detto in precedenza, il veicolo può passare da un tratto con una certa pendenza e soggetto alla sola accelerazione g, accelerare, cambiare pendenza mentre ha un’ accelerazione tangenziale non nulla, e poi tornare alla pendenza iniziale mentre ha un’ accelerazione tangenziale non nulla, e poi tornare ad essere soggetto alla sola accelerazione g: in tal caso, il Circuito non si accorgerebbe del cambio di pendenza. Ora, se il singolo ciclo di elaborazione dura 0,25 secondi, e il veicolo procede a 90 Km/h, cioè a 25 m/s, il veicolo percorre 6,25m durante l’elaborazione del ciclo. Ora, in soli 6,25m, è difficile che il veicolo possa passare da una pendenza ad un’ altra e tornare sulla prima. Pertanto, diminuire N implica diminuire la probabilità di errore, ma diminuisce anche la probabilità di avere una sequenza di valori utile al calcolo, o, quantomeno ne degrada l’ accuratezza.

Per ovviare a ciò si può pensare a due modalità di funzionamento del Circuito.

Nella prima, Automatica, utile in tratti urbani o su strade extraurbane secondarie, il valore di N è tale che il ciclo duri all’ incirca 1 o 2 secondi, e la misurazione continua indefinitamente. L’ errore di misura in generale tenderà a diminuire, tuttavia, ciò non può essere garantito.

Nella seconda, Manuale, il valore di N è maggiore, ed è l’Utente a stabilire l’ inizio e la fine della misurazione attraverso 2 ingressi del microcontrollore. Tale modalità è utile, oltre che in autostrada o su strade extraurbane principali, quando l’ Utente sa di poter percorrere un tratto rettilineo a pendenza costante. In tal caso, è l’ Utente stesso a garantire che la misura è priva di errore (errore nel senso sopra esposto).

In entrambe le modalità, un LED indicherà che il Circuito ha ottenuto un certo numero di valori di Ȗm, e δmvalidi.

Il microcontrollore sarà inoltre dotato di un ingresso particolare sotto il controllo dell’ utente, la cui abilitazione causa la cancellazione di tutti i valori (ȕ, A2t, A2n, A2z, Ȗm, δm…) memorizzati fino a quel momento. Tale ingresso risulterà utile quando la posizione relativa fra Circuito, ovvero il RAC, e il veicolo viene modificato (spostamento del RAC all’ interno del veicolo, spostamento del RAC in un altro veicolo…).

Per quanto riguarda il numero di campioni al secondo forniti dai sensori per i valori di ȕ, A2t, A2n, A2z, si può ritenere che un valore compreso 1000 e 2000 campioni al secondo sia sufficiente al corretto funzionamento del Circuito.

Comunque, tutti i parametri sopra elencati e l’ accuratezza di misura ottenibile dal Circuito per l’ Auto-Allineamento dipendono principalmente dai componenti scelti e dalla precisione di misura dei sensori, e pertanto dei valori di riferimento per tali parametri possono essere forniti solo dopo una realizzazione del Circuito.

Si riserva quindi la facoltà di presentare ulteriore documentazione atta a definire con maggiore dettaglio il Circuito e i suoi parametri.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI Con tale domanda, si rivendica: 1. l’ utilizzo combinato di un accelerometro, di un sensore per la rilevazione del campo magnetico terrestre e dell’ algoritmo sopra esposto, ai fini della determinazione, in un sistema di riferimento solidale ad un dispositivo qualsiasi, della direzione della velocità con la quale il dispositivo stesso si muove; 2. l’ utilizzo combinato di un accelerometro, di un sensore per la rilevazione del campo magnetico terrestre e dell’ algoritmo sopra esposto, con particolare riferimento all’ allineamento elettronico del fascio irradiato dall’ antenna di un Radar Anti-Collisione, per veicoli a 2 o più ruote, alla direzione della velocità con cui il veicolo si muove; 3. l’ utilizzo dei 3 elementi di cui al punto 1, per calcolare due angoli che individuano la direzione della velocità, con la quale il Radar Anti-Collisione si muove, in un sistema di riferimento solidale ad esso; 4. l’ utilizzo del sensore per la rilevazione del campo magnetico terrestre e l’ algoritmo di cui sopra per stabilire quando il veicolo si muove su un tratto a pendenza costante ed è soggetto, oltre che all’ accelerazione di gravità, ad un’accelerazione che ha componente normale alla traiettoria nulla.