ITTO960382A1 - Sistema di navigazione per un autoveicolo, con calibrazione automatica dei sensori di bordo. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Sistema di navigazione per un autoveicolo, con calibrazione automatica dei sensori di bordo"

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ai sistemi di navigazione per autoveicoli, del tipo comprendente:

- mezzi elaboratori a bordo dell'autoveicolo, - mezzi sensori di spostamento relativo e di direzione relativa, situati a bordo dell'autoveicolo, per fornire a detti mezzi elaboratori dati utili per la determinazione (dead reckoning) da parte di detti mezzi elaboratori della posizione e della direzionedell'autoveicolo,

- mezzi di sopporto di informazioni, associati a detti mezzi elaboratori, contenenti una base dati di mappe del territorio su cui naviga l'autoveicolo, in cui detti mezzi elaboratori sono predisposti per affinare la localizzazione della posizione dell'autoveicolo effettuata sulla base dei dati dei suddetti mezzi sensori effettuando un'operazione di confronto (map matching) tra la posizione così Stimata e la mappa del territorio contenuta in detta base dati,

un ricevitore GPS, pure a bordo dell’autoveicolo, per fornire a detti mezzi elaboratori dati indicativi della posizione assoluta e della velocità assoluta (in modulo e direzione) dell'autoveicolo, e

- mezzi di interfaccia con l'utilizzatore, per fornire a quest'ultimo segnali visivi e/o acustici di assistenza alla navigazione, che sono elaborati da detti mezzi elaboratori sulla base delle informazioni provenienti da detti mezzi sensori, da detto ricevitore GPS e sulla base delle informazioni contenute in detta base dati.

La Richiedente ha messo a punto un sistema di navigazione del tipo sopra specificato in cui i suddetti mezzi sensori comprendono un odometro ed un girometro (rate gyro) per misurare rispettivamente la distanza percorsa e la direzione di marcia, in modo da consentire ai mezzi elaboratori di aggiornare continuamente la posizione del veicolo.

L'odometro è un sensore di spostamento lineare e fornisce un numero di impulsi proporzionale allo spazio percorso, il segnale di uscita è quindi normalmente un'onda quadra (triangolare, sinusoidale , ecc.) la cui frequenza è direttamente proporzionale alla velocità dell'autoveicolo.

Il girometro è un dispositivo sensibile alla velocità angolare. Il segnale di uscita del girometro, se integrato, da una misura del cambiamento di direzione dell'autoveicolo. Il suddetto sistema di navigazione messo a punto dalla Richiedente comprende inoltre un ricevitore GPS, ossia un apparecchio in grado di determinare la posizione assoluta e la velocità assoluta dell'autoveicolo nello spazio mediante misure di tempo di volo dei segnali provenienti da una costellazione di satelliti collocati su orbite fisse intorno alla Terra.

Secondo la tecnica nota, la determinazione della posizione e della direzione dell'autoveicolo è fatta prima di tutto mediante lettura dei dati in uscita dal girometro e dall'odometro. Questa tecnica è detta "dead reckoning" e permette di stimare lo spostamento e il cambiamento di direzione del veicolo nel tempo con un'accuratezza tanto maggiore quanto più i sensori sono privi di difetti e correttamente tarati. Occorre sottolineare la natura "relativa" del dead reckoning. Esso è infatti in grado di determinare esclusivamente dei cambiamenti rispetto a delle condizioni iniziali. Ovviamente, errori anche piccoli nella conoscenza della direzione iniziale, integrati nel tempo, provocano un errore crescente dell'esatta posizione del veicolo. Per un buon funzionamento del dead reckoning occorre dunque un riferimento "assoluto", di direzione e posizione, indipendente dalle condizioni iniziali e dalla storia passata. Il riferimento assoluto, per quanto riguarda la posizione, può essere fornito da ricevitori GPS. Il sistema GPS è infatti in grado di stimare con una precisione di qualche centinaio di metri (nel caso peggiore) la posizione assoluta dell'autoveicolo fornendo le coordinate nord ed est del punto ed aggiornandole ad esempio ogni secondo. Dalle informazioni di velocità fornite dal sistema GPS è inoltre possibile ricavare la direzione assoluta di movimento del mobile.

Un'altra sorgente di informazione che, secondo la tecnica nota, viene usata dal sistema di navigazione per migliorare la localizzazione del veicolo è la mappa digitalizzata del territorio contenuta nella base dati delle mappe. Se si parte infatti dal presupposto che il veicolo si muova su una griglia di strade mappate si comprende come sia possibile utilizzare l'informazione assoluta di posizione della strada per determinare la posizione del veicolo, riconoscendo ed adattando il cammino del veicolo sul reticolato della mappa. Questa tecnica di localizzazione, basata sull'ipotesi che il veicolo si muova su strade mappate correttamente, è detta di "map matching".

Il dead reckoning permette una navigazione tanto più accurata quanto migliori sono i sensori utilizzati .

A causa della natura "integrativa" del dead reckoning, le imprecisioni introdotte dai sensori causano errori di localizzazione che tendono a crescere nel tempo in modo esponenziale, tanto da rendere indispensabile il ricorso alle informazioni assolute fornite dal GPS ed il ricorso al map matching. Tale ricorso diventa tanto più frequente quanto più imprecisi sono i sensori.

Il problema che è alla base della presente invenzione è quello della taratura, o calibrazione, dei mezzi sensori. L'uso delle informazioni provenienti da ciascun sensore è subordinato infatti alla sua taratura, ossia alla individuazione dei fattori di conversione dalle unità di misura di uscita dal sensore alle unità di misura usate dal sistema di navigazione (ad esempio da mV a gradi).

Questo problema è stato risolto in maniera diversa dai costruttori di sistemi di navigazione.

Normalmente vengono previste delle procedure di calibrazione ì dei sensori. Secondo la tecnica nota, le calibrazioni sono fatte una prima volta all'atto dell'installazione del sistema sull'autoveicolo, ma poi devono in generale essere ripetute in seguito periodicamente, poiché i sensori cambiano le loro caratteristiche con il passare del tempo ed anche perché le condizioni dell'autoveicolo non sono costanti nel tempo, ad esempio per effetto dell'usura dei pneumatici. Le procedure di calibrazione spesso richiedono diversi minuti e la conoscenza di informazioni specifiche, quali ad esempio la lunghezza esatta di un tratto di strada e il suo orientamento geografico. Le caratteristiche di stabilità dei sensori sono determinanti per effettuare una buona calibrazione. Idealmente, dovrebbe essere possibile calibrarli continuamente, perché le condizioni ambientali (temperatura) e operative (carico della vettura, velocità) sono mutevoli di minuto in minuto e nessun tipo di sensore è cosi stabile da non risentire minimamente di tali variazioni.

Lo scopo della presente invenzione è quello di risolvere in modo soddisfacente tutti i problemi sopra specificati. Secondo l'invenzione, tale scopo è raggiunto per il fatto che i suddetti mezzi elaboratori sono predisposti per confrontare, durante la navigazione dell'autoveicolo, i dati di detti mezzi sensori con i dati di detto ricevitore GPS e per calibrare automaticamente detti mezzi sensori sulla base del risultato di detto confronto. Pertanto, nel sistema secondo l'invenzione, il concetto di taratura dei sensori diventa strettamente connesso a quello di navigazione e viene ottenuta così un'autocalibrazione dei sensori contestualmente alla normale calibrazione, senza che l'utente debba effettuare alcuna manovra particolare, al di fuori di un normale impiego del sistema di navigazione.

L’invenzione è inoltre particolarmente vantaggiosa nel caso il sistema di navigazione venga posto in vendita per essere installato su autoveicoli che sono usciti dalla produzione sprovvisti di un sistema di questo tipo. In un caso del genere, infatti, è impossibile conoscere in anticipo le caratteristiche dell'autoveicolo su cui il sistema dovrà operare e vi è d'altra parte una convenienza economica a non affidarsi a personale specializzato per effettuare le operazioni di taratura.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno dalla descrizione che segue con riferimento al disegno annesso fornito a puro titolo di esempio non limitativo, che illustra schematicamente un autoveicolo dotato di un sistema secondo l'invenzione.

Nel disegno, il numero di riferimento 1 indica nel suo insieme un autoveicolo munito di un sistema di navigazione secondo l’invenzione, comprendente un elaboratore 2, incorporante un girometro (rate gyro) ed un lettore 3 per un CD ROM 4, che può essere convenientemente alloggiato nel porta bagagli posteriore dell'autoveicolo. I numeri di riferimento 5 e 6 indicano rispettivamente un ricevitore satellitare GPS ed un odometro, di tipo per se noto. Sulla plancia dell'autoveicolo è montato il visualizzatore video 7, incorporante un altoparlante, e il guidatore dispone di un telecomando 8 (o alternativamente di una tastiera) per l'attivazione delle varie funzioni del sistema. Il CD ROM 4 contiene un base dati di mappe digitalizzate delle rete stradale di interesse.

L'odometro 6 è un sensore di avanzamento. Esso genera degli impulsi con una frequenza direttamente proporzionale alla velocità di rotazione della parte rotante (albero di trasmissione, ruota, etc.) su cui è applicato il sensore. L'odometro utilizzato nel sistema secondo l'invenzione può essere di qualsiasi tipo noto. Attualmente esistono in commerci circa una decina di tipi diversi di edometro, con differenti sensibilità. Le caratteristiche fornite dai costruttori sono in genere espresse in impulsi al giro, ma, dal punto di vista dell'impiego, la stima deve essere effettuata direttamente sul rapporto tra numero di impulsi e lunghezza del tratto percorso dall'autoveicolo. In tal modo si introducono nel calcolo, e quindi si stimano, tutte le grandezze in gioco, comprese le incognite della circonferenza della ruota e del rapporto di trasmissione tra il punto in cui è applicato il sensore dell'odometro e la ruota stessa. Occorre osservare quindi come il problema sia la stima simultanea di molti fattori, che alla fine si traduce nel calcolo del fattore di conversione tra impulsi e metri (o nel suo inverso). Il problema della calibrazione dell'odometro consiste essenzialmente nel determinare il "peso" di ciascun impulso, cioè a quanti metri o centimetri esso corrisponda. Ogni odometro ha un fattore di scala abbastanza stabile nel tempo, diverso a secondo del tipo di strumento, ma il fattore di conversione tra impulsi e metri dipende dalla circonferenza delle ruote e quindi dal tipo dei pneumatici, dalla loro pressione, dalla loro usura, dal carico del veicolo e dalla sua velocità. Nel seguito, ci si riferirà pertanto al fattore di scala dell<1>odometro come al vero e proprio fattore di conversione tra impulsi generati dallo strumento e metri percorsi dall'autoveicolo .

Secondo l’invenzione, il sistema determina il fattore di scala dell'odometro affrontando la velocità lineare calcolata dal GPS con il numero di impulsi jprovenienti nello stesso secondo dall 'odometro. Se la velocità calcolata dal GPS fosse una misura perfetta della velocità dell'autoveicolo, sarebbe immediato determinare il fattore di scala dell'odometro con la seguente formula:

In realtà l'algoritmo utilizzato dal sistema per effettuare l'autocalibrazione dell'odometro non si riduce alla, semplice formula sopra specificata, a causa di numerosi errori nella determinazione delle grandezze al numeratore e al denominatore della formula.

Il ricevitore GPS determina la velocità dell’autoveicolo per effetto Doppler sulla frequenza del segnale ricevuto da ogni satellite in vista. La velocità relativa tra il veicolo ed il satellite non è mai nulla, perché i satelliti non sono geostazionari, e quindi c'è sempre uno spostamento di frequenza sul segnale dovuto all'effetto Doppler. La stima della velocità è quindi legata all'incremento o alla diminuzione di tale effetto, dovuti al moto del veicolo sulla superficie terreste. Purtroppo, l'accuratezza di tale stima è fortemente affetta dalla posizione dei satelliti rispetto al veicolo e dalla presenza di riflessioni del segnale contro ostacoli vicini all'autoveicolo.

La stima delle velocità GPS è scomponibile in due contributi: uno è quello legato all’effettivo moto del veicolo, mentre l'altro è l'errore di misura, che non può essere stimato esattamente e che dipende dalle condizioni di ricezione.

Al fine di ridurre il contributo percentuale dell'errore sulla stima, il sistema secondo l'invenzione impiega il dato di velocità GPS solo quando esso è superiore ad un valore di soglia K predeterminato (ad esempio 12.5 m/s), e tale dato di velocità GPS viene "pesato" in funzione del suo valore. Ipotizzando infatti che la componente di errore sia sempre inferiore ad un valore L (ad esempio 1 m/s), essa pesa tanto meno quanto più alta è la velocità della vettura. Vi sono poi altri errori di misura che influiscono sulla precisione dell’algoritmo e che consigliano di pesare di più campioni relativi a velocità elevate. Il numero di conteggi di impulsi di odometro nell'ultimo secondo ha infatti la precisione di uno, in più o in meno a secondo dell'istante di tempo in cui viene "chiuso" il conteggio. Poiché nel caso di edometri a bassa risoluzione un impulso può anche corrispondere ad alcuni metri, ne risulta una forte indeterminazione della stima della velocità, se essa è dell'ordine di pochi m/s. Per evitare che sulla misura della velocità GPS interferiscano riflessioni, in grado di degradarne pesantemente l'accuratezza, si è inserito un controllo di accelerazione tra due campioni di velocità GPS consecutivi. Il controllo di accelerazione viene fatto anche sulla velocità di odometro, naturalmente dopo una prima stima del fattore di scala.

Il sistema utilizza un registro accumulatore di campioni in formato reale floating point e un contatore di campioni. I valori di fattore di scala calcolati dividendo la velocità GPS per il numero di impulsi al secondo vengono sommati nell'accumulatore a condizione che l’accelerazione tra due punti GPS successivi non sia superiore a M (ad esempio 0.25 m/s<2>) e che il modulo del campione di velocità sia superiore a K (ad esempio 12.5 m/s). Preferibilmente, il sistema comprende inoltre un controllo di continuità temporale tra due valori GPS , al fine di non acquisire campioni in presenza di intermittenza di segnale (indice di non buona ricezione) e anche per non calcolare un’accelerazione media, bensì un valore basato su intervalli di tempo dell’ordine del secondo. Un valore di velocità GPS è quindi preso in considerazione solo se è preceduto a distanza di tempo pari o inferiore a x (ad esempio un secondo) da un altro valore.

Viene fatto un controllo di accelerazione anche sui valori di edometro, però solo dopo la prima stima del fattore di scala dell'odometro che, per quanto grossolana, permette di calcolare l'accelerazione in m/s<2>.

Infine, il sistema comprende preferibilmente una protezione sul numero di impulsi di odometro usati nel calcolare il fattore di scala. Poiché infatti tale numero va a denominatore nella formula sopra riportata, se per un errore di collegamento non vengono registrati impulsi, si rischia di effettuare una divisione per zero che provoca un errore matematico e la crescita improvvisa del fattore di scala stimato. La divisione viene pertanto effettuata solo se il numero di impulsi registrati nell'ultimo secondo è coerente con un campo di variazione possibile della velocità (ad esempio da 0 a 400 km/h) e con le risoluzioni minime e massime degli odometri in commercio.

Nella forma preferita di attuazione dell'invenzione, la determinazione del fattore di scala dell'odometro viene effettuata in una prima fase transitoria nel modo seguente.

Il campione di velocità GPS viene sommato Kl volte all'accumulatore e il contatore viene incrementato di Kl se la velocità è compresa tra A (esempio 12,5) e B (esempio 17,5) m/s.

Il campione di velocità viene sommato K2 volte all'accumulatore e il contatore incrementato di K2 (maggiore di Kl) se la velocità è compresa tra B (esempio 17,5) e C (esempio 25,0) m/s.

Il campione di velocità viene sommato K3 volte all'accumulatore è il contatore incrementato di K3 (maggiore di K2) se la velocità è superiore a C (esempio 25,0) m/s.

Il fattore di scala dell'odometro è determinato dividendo il valore numerico dell'accumulatore per il numero di campioni memorizzato nel cantatore. Ne risulta una media progressivamente più accurata, in quanto fatta su un numero di campioni crescente.

Al fine di non perdere i dati in seguito ad un arresto del veicolo, il contenuto dei due registri (accumulatore e contatore) e il fattore di scala vengono periodicamente salvati in una memoria non volatile (EEPROM). Il salvataggio dei dati viene effettuato alla prima stima, e poi a passi di K4 (esempio 20 l'una dall'altra). Durante la fase di convergenza, quindi, vengo effettuate K5 (ad esempio 51) memorizzazioni dei dati.

L'accumulo cessa al termine della suddetta fase transitoria, quando il contatore raggiunge o supera quota K6 (ad esempio 1000); può quindi essere o (K6 - 1 Kl) (ad esempio 1000) o (K6 - 1 K2) (ad esempio 1001) o (K6 - 1 K3) (ad esempio 1002) a secondo del peso dell'ultimo campione. Da quell'istante in poi, il contatore non viene più incrementato, mentre ad ogni nuovo campione disponibile si toglie 1/ (K6 - 1 Kl...K2...K3) (ad esempio 1/1000 ...1001...1002) del suo valore all'accumulatore e si somma il valore del nuovo campione. I pesi continuano ad essere validi, per cui si sottrae K1...K2...K3 / (K6 - 1 Kl...K2...K3) (ad esempio 1...2...3 / 1000...1001.. .1002) prima di sommare il campione Kl o K2 o K3 volte. Il sistema secondo l'invenzione è quindi in grado di aggiornare continuamente il fattore di scala dell 'odometro, anche una volta arrivato a regime. Tali cambiamenti possono essere causati ad esempio dal cambio (o dall’usura progressiva) dei pneumatici e dal cambiamento di carico della vettura. La memorizzazione a regime del nuovo fattore di scala avviene ogni volta che il fattore calcolato differisce per più di un valore K7 (ad esempio 0.3) per cento da quello salvato in EEPROM.

Il sistema secondo l'invenzione è inoltre in grado di reagire a cambi repentini del fattore di scala dell'odometro. Poiché, a regime, l'algoritmo fornisce un valore che è la media su un migliaio di valori dei fattori di scala calcolati, esso è anche molto lento a reagire a eventuali cambi di tipo di odometro, ad esempio se il navigatore viene spostato su un'altra vettura. Per tale motivo, il sistema prevede l'uso di un secondo accumulatore e di un secondo contatore, sui quali vengono replicate le stesse elaborazioni fatte sui registri primari, ma che a differenza di questi vengono cancellati ad ogni spegnimento del sistema e ogni volta che il secondo contatore raggiunge e supera una quota ΚΘ (ad esempio 100). L'algoritmo sui registri secondari e pertanto sempre in fase di convergenza, per cui è in grado di raggiungere molto più in fretta valori diversi da quelli dei registri primari. Ogni K8 campioni raccolti, viene controllata la differenza fra il valore del fattore di scala ricavata dai due registri e,, se la differenza supera il K9 (ad esempio 5) per cento, il contenuto dei registri primari viene cancellato e sostituito con quello dei registri secondari. Il valore stimato pertanto può cambiare anche improvvisamente, adattandosi celermente a variazioni percentuali anche significative del fattore di scala dello strumento.

Nel seguito, verrà ora descritta la procedura di calibrazione del girometro.

In generale, un giroscopio è un sensore di direzione di tipo relativo. A differenza della bussola, infatti, esso è solo in grado di rilevare cambiamenti di direzione, e non direzioni assolute. I giroscopi si dividono in giroscopi propriamente detti, che danno in uscita un segnale proporzionale all’angolo di rotazione, e girometri, che forniscono in uscita un segnale proporzionale alla velocità angolare. Nel seguito si farà riferimento ad un girometro (rate gyro), in quanto il sistema secondo l’invenzione prevede preferibilmente un giroscopio di questo tipo, principalmente per ragioni di costo.

I girometri usati nei navigatori automobilistici sono in generale dei sensori piezoelettrici, basati sul principio che una barretta ceramica, posta in oscillazione, tende a mantenere fisso l'orientamento del suo piano di vibrazione, e a resistere a cambiamenti di direzione, generando una forza normale al piano stesso. Sensori posti sulla barretta rilevano i movimenti indotti dalla rotazione e generano un segnale la cui ampiezza è direttamente proporzionale alla velocità di rotazione. Integrando nel tempo il segnale di velocità angolare si può ricavare l'informazione di posizione angolare. I girometri di questo tipo generalmente rispondono in maniera lineare a velocità di rotazione da 0 a poche decine di gradi al secondo (normalmente 70-80), con una risoluzione dettata essenzialmente dal numero di bit su cui viene quantizzato il segnale analogico in uscita e dal rumore elettrico ad esso sovrapposto.

Il problema della calibrazione di un girometro consiste essenzialmente nella determinazione di due parametri: offset e il fattore di scala.

Per offset si intende la differenza fra la tensione di uscita del girometro a riposo (velocità angolare pari a 0°/s) ed il valore di tensione di centro scala (normalmente di 2.5V, se il girometro è alimentato tra 0 e 5 volt).

Per fattore di scala si intende il rapporto tra il valore in mV della tensione di uscita del girometro (a meno dei 2,5V di centro scala e dell’offset) e la velocità angolare in gradi/secondo applicata al girometro stesso, anche se per gli scopi della navigazione risulta più interessante l'inverso (cioè a quanti °/s corrisponda la lettura in mV dello strumento).

La natura derivativa del segnale di uscita dal girometro rende critica la stima dell'offset. Un offset stimato solo approssimativamente, infatti, introduce un errore di velocità angolare che, integrato, determina un errore di direzione crescente nel tempo. L'offset del girometro deve quindi essere stimato con la massima precisione possibile. Nella maggioranza dei casi, infatti, i girometri hanno derive di offset anche molto significative, dovute in gran parte alle variazioni di temperatura, soprattutto nei primi minuti di funzionamento. Occorre ricordare che un errore di soli 0.1°/s, integrato per 10 minuti, provoca un errore di 60° nella direzione. Errori di l"/s o maggiori provocano derive di direzione tanto veloci da pregiudicare la qualità della navigazione stimata anche dopo un paio di secondi.

Il problema della determinazione dell’offset è duplice, in quanto occorre stimare l'offset sia con la massima precisione, sia con la massima frequenza possibili. La soluzione di tale problema può essere relativamente semplice qualora la stima venga effettuata a veicolo fermo, quando il girometro non viene sottoposto a rotazione. Tuttavia, il sistema secondo l'invenzione è in grado di effettuare la determinazione dell'offset anche durante la normale navigazione, ossia di effettuare una stima dinamica.

La stima statica dell'offset può essere determinata in modo abbastanza semplice, ad autoveicolo fermo. In questo caso, il segnale in uscita dal girometro può essere scomposto come segue:

separando cosi la componente che dipende dalla reale velocità di rotazione in ingresso ωin, dalla componente di offset puro, inutile ai fini della determinazione delle rotazioni. Il modo più semplice di stimare l’offset è di annullare la velocità angolare di ingresso, annullando di conseguenza la componente dinamica di risposta del girometro, per cui

La stima statica dell'offset è pertanto la pura e semplice lettura del dato in uscita dal girometro quando il navigatore è fermo, supponendo che, in assenza di impulsi di odometro, il veicolo no possa ruotare .

In realtà occorre una certa cautela nell 'assumere la lettura del girometro come offset, perché, in presenza di edometri a scarsa risoluzione, il veicolo potrebbe già essere in rotazione pur non segnalando 1'odometro ancora nessun spostamento. Per tale motivo, è preferibile prevedere letture consecutive del dato di girometro ogni XI (ad esempio 200) ms per X2 (esempio 4) secondi, e se per tutto questo tempo non si sono visti impulsi di odometro, si assume come offset il valore preso negli XI (esempio 200) ms centrali dell'intervallo. In tale maniera, si ha la possibilità di attendere eventuali impulsi di odometro prima di dare validità al campione di offset preso. Se si vedono impulsi prima della scadenza degli X2 (esempio 4), si scartano tutti i campioni presi e si ottengono altri X2 (esempio 4) secondi. Viceversa, se la sosta si prolunga per più di X2 (esempio 4) secondi, si tiene per valido l'offset preso X2/2 (ad esempio 2) secondi prima del movimento del veicolo.

Come già indicato, la stima statica ha il pregio della semplicità e della grande accuratezza, ma non è sufficiente a garantire un inseguimento delle variazioni dell'offset, a meno di costringere l'utilizzatore a soste periodiche di ricalibrazione, il che è improponibile.

Si pone quindi il problema della stima dell'offset durante la normale navigazione.

Come già indicato all’inizio della presente descrizione, l'idea fondamentale dell'invenzione è quella di sfruttare il ricevitore GPS come fonte di una direzione assoluta, parimenti ad una bussola, e sufficientemente accurata da permettere di determinare la componente di offset presente sul segnale in uscita dal girometro.

Non è strettamente necessario che il ricevitore GPS fornisca direttamente l'informazione di direzione in uscita. Il dato di direzione può essere infatti ricavato dalle componenti di velocità dell'autoveicolo semplicemente usando la funzione arcotangente:

facendo attenzione a risolvere opportunamente il problema della stima di angoli maggiori in modulo di 90°, emettendo opportune protezioni da overflow matematico nel caso in cui il denominatore vada a 0.

Il problema della determinazione della direzione del moto sulla base delle componenti di velocità GPS Nord Est ha soluzione peraltro solo oltre una certa velocità, che dipende dal rumore e dai disturbi sovrapposti ai dati GPS. Se infatti immaginiamo che il dato di velocità GPS sia scindibile in una componente di rumore ed in una di dato reale, risulta comprensibile come la determinazione della direzione sia tanto più attendibile quanto più bassa è la componente di rumore e più alta è quella reale.

Secondo l'invenzione, la stima dell'offset viene fatta sulla base dell'errore di direzione del veicolo rispetto alla sua reale direzione, divisa per il tempo in cui è stato accumulato. L'informazione in uscita dal girometro viene integrata nel tempo a partire da un istante in cui è stata determinata esattamente la direzione assoluta del veicolo tramite il GPS. L’integrazione del segnale del girometro porta alla determinazione di un angolo di rotazione del veicolo. Questo angolo di rotazione può essere scomposto in due parti:

dove oc rappresenta il valore di scala del girometro e t il tempo trascorso dall'inizio dell'accumulo dell'integrazione del segnale di uscita dal girometro. Poiché a e t sono noti, l'unica incognita da risolvere per stimare correttamente V0ffset è l'angolo di rotazione reale del veicolo.. Tale misura viene effettuata sulla base della differenza fra la direzione iniziale GPS che ha dato origine all'accumulo e la direzione GPS che si decide di prendere dopo un certo intervallo di tempo .

L'offset risulta pertanto:

L'intervallo di tempo t usato va da un minimo di X3 (ad esempio 30) secondi ad un massimo di X4 (esempio 180) secondi. Il valore minimo dell’intervallo è determinato dall'errore nella stima della direzione da parte del ricevitore GPS. Tanto maggiore è l'errore (ad esempio 1-2°) che il GPS può compiere, tanto più alto dovrà essere l'intervallo minimo di tempo per cui si dovrà osservare la deriva di direzione, cosi da limitarne l'effetto sulla stima dell'offset.

Sull'intervallo massimo occorre fare alcune considerazioni. Concettualmente, la stima dell'offset migliora quanto più lungo è l'intervallo di tempo su cui viene effettuata l'osservazione, ma conviene porre dei limiti dettati dalla prudenza e dall'esperienza. Prima di tutto la stima dell'offset è il frutto di una media sull'intervallo di tempo scelto, ragione per cui derive molto veloci richiedono intervalli brevi di tempo se la stima deve essere precisa (nel caso dei girometri piezoelettrici, in X4 secondi l'offset può variare anche di alcuni decimi di °/s).

Secondariamente, se la tensione di offset è significativa, essa può introdurre rotazioni fittizie anche di decine di gradi in pochi minuti, per cui esiste il pericolo che l'accumulo diventi cosi imponente da rischiare l’indeterminazione dovuta alla periodicità di 360" della direzione.

Il primo controllo è fatto sulla precisione della direzione del GPS che è fondamentale per fare una stima accurata dell'offset.

Una direzione GPS è considerata buona solo per velocità superiori in modulo a K1 (ad esempio 9) m/s e solo se gli scostamenti in modulo tra due direzioni successive sono inferiori a K2 (esempio 1) gradi per più di K3 (esempio 3) volte consecutive.

E' stato poi introdotto un limite anche sulla somma degli scostamenti che deve essere minore di K4 (esempio 2) gradi per evitare che il sistema possa essere attivato in curva, anche se molto lenta. Gli altri controlli introdotti derivano dall'osservazione che l’algoritmo è critico in presenta di offset dell'ordine di qualche grado al secondo. Con offset di tale entità si potrebbe presentare il caso che l'accumulo di angolo del girometro sia dell'ordine di un giro completo anche entro poche decine di secondi. In questo caso, la semplice differenza tra due direzioni GPS non è sufficiente per discriminare se l'accumulo sia dovuto interamente all'offset oppure se l'auto abbia fatto realmente un giro su se stessa. Per tale motivo, è sembrato opportuno porre un limite all'accumulo dell'angolo integrato dal girometro. Tale limite è fissato in X5 (esempio 135) gradi. Si è posto un limite anche sulla variazione angolare reale, misurata dal GPS. Tale limite è fissato in X6 (esempio 45) gradi. La combinazione dei dati provenienti dal GPS e dei dati accumulati integrando il girometro permette di determinare senza ambiguità il senso di deriva della direzione e quindi il segno dell'offset. Il limite sull'accumulo dell'angolo integrato, tuttavia, impedisce di stimare livelli alti di tensioni di offset. Poiché in tali situazioni è più che mai necessaria tale stima, il sistema secondo l'invenzione effettua una stima differenziale dell'offset. Per stima differenziale si intende la stima della variazione dell'offset rispetto all'ultimo valore calcolato. Nell'ipotesi di stimare l'offset con sufficiente frequenza, ciò dovrebbe garantire di lavorare con valori numerici relativamente bassi.

L'algoritmo di stima dinamica appena descritto è. in grado di lavorare tra due stime di direzioni GPS distanti un tempo compreso tra X3 (esempio 30) è X4 (esempio 180) secondi, purché in tale intervallo la vettura non abbia fatto di X6 (esempio 45) gradi di rotazione e l'accumulo non abbia superato la soglia di X7 (esempio 135) gradi. Queste restrizioni limitano troppo il numero di stima dell'offset, specialmente in ambiente collinare o montano, dove le strade sono tortuose e la ricezione GPS non frequente. Pertanto, per migliorare le prestazioni, il sistema secondo l’invenzione registra in una matrice alcuni dati di direzione GPS, i corrispondenti accumuli di angoli integrati ed il tempo di accumulo. Ne risulta una matrice di X8 (ad esempio 5) righe di dati. Ogni X9 (ad esempio 15) secondi si abilita la scrittura di una riga e si fanno tutti i controlli incrociati per vedere se esista nella matrice almeno un dato coerente con tutti i controlli dell'algoritmo che può servire a stimare dinamicamente l'offset. Tra tutti i dati viene scelto quello a distanza di tempo maggiore. In tale modo, si aumenta la probabilità di avere dei dati utili ad una stima e quindi la frequenza delle stime. A regime, infatti, si può avere una stima ogni X9 (esempio 15) secondi, passato il transitorio dei primi X.3 (esempi 30) secondi necessari ad avere almeno due dati in tabella. La matrice viene cancellata cjuando viene calcolato un offset statico, oppure quanto è scaduto il tempo massimo di X4 secondi .

Il secondo parametro caratteristico di un girometro è il fattore di scala. Il problema della sua stima è molto meno critico di quello dell'offset. Innanzitutto, il campo di variazione del fattore di scala rispetto al valore nominale dichiarato dalle case costruttrici è molto meno ampio rispetto a quello dell'offset, secondariamente l'effetto di una stima errata di tale parametro e meno disastroso di quello offset. Basti pensare che un errore del 3% nella stima nel fattore di scala provoca errori di direzioni di soli 2,7° dopo curve di 90°, molto frequenti in città. L 'innacuratezza della stima inizia a pesare in modo evidente dopo inversioni ad U e rampe autostradali (o di garage). E' comunque vero che le variazioni di temperatura e l'invecchiamento del sensore possono portare a variazioni abbastanza evidenti del fattore di scala. E' possibile fare stima del fattore di scala sulla base dei dati di direzione GPS. L'idea di base è la stessa usata per fare la stima dell'offset, solo che in questo caso si cerca di minimizzare il contributo dell'offset è massimizzare quello dovuto alle reali rotazioni del veicolo. Si tratta in pratica di dividere il dato di variazione angolare reale (calcolato a partire dai dati GPS) per l'accumulo di angolo integrato dal girometro.

Infatti:

Anche per questa stima valgono i controlli sulla precisione del dato di direzione GPS descritti per l'algoritmo di stima dinamica dell'offset. Al contrario della stima dell'offset, invece, la stima del fattore di scala risente negativamente della lunghezza del tempo di stima. Questo è il motivo principale per cui il sistema secondo l'invenzione pone un limite massimo di tempo di TI (ad esempio 20) secondi entro i quali fare la misura, se infatti il tempo è troppo lungo, l'influenza dell'offset non esattamente stimato si può fare sentire e degradare la precisione della stima del fattore di scala. Il disaccoppiamento dei due parametri è una delle condizioni principali per effettuare una buona stima con quest 'ultimo algoritmo. Il primo modo per disaccoppiare i parametri è appunto ridurre il più possibile il tempo di stima, ma è anche opportuno porre una soglia di rotazione minima di W1 (ad esempio 90) gradi per ridurre l'effetto degli errori di stima del GPS e dell’offset.

Dalla descrizione che precede, risulta evidente che il sistema secondo l'invenzione consente di effettuare una calibrazione automatica dei sensori (odometro e girometro) a bordo dell'autoveicolo durante la navigazione stessa sulla base dei dati forniti dal ricevitore GPS.

Naturalmente, fermo restando al principio del trovato, i particolari di costruzione e le forme di attuazione potranno ampiamente variare rispetto a guanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio, senza per questo uscire dall’ambito della presente invenzione.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di navigazione per un autoveicolo, comprendente : mezzi elaboratori (2) a bordo dell 'autoveicolo, - mezzi sensori di spostamento relativo (6) e di direzione relativa, situati a bordo dell'autoveicolo, per fornire a detti mezzi elaboratori (2) dati utili per la determinazione (dead reckoning) da parte di detti mezzi elaboratori (2) della posizione e della direzione dell 'autoveicolo, mezzi di sopporto di informazioni (4), associati a detti mezzi elaboratori, contenenti una base dati di mappe del territorio su cui naviga l 'autoveicolo, in cui detti mezzi elaboratori sono predisposti per affinare la localizzazione della posizione dell'autoveicolo effettuata sulla base dei dati di suddetti mezzi sensori con un'operazione di confronto (map matching) tra la posizione così stimata e la mappa del territorio contenuta in detta base dati, un ricevitore GPS (5), pure a bordo dell'autoveicolo, per fornire a detti mezzi elaboratori (2) dati indicativi della posizione assoluta e della velocità assoluta (in modulo e direzione) dell'autoveicolo, e - mezzi di interfaccia con l'utilizzatore (7), per fornire a quest'ultimo segnali visivi e/o acustici di assistenza alla navigazione, che sono elaborati da detti mezzi elaboratori (2) sulla base delle informazioni provenienti da detti mezzi sensori, da detto ricevitore GPS e sulla base delle informazioni contenute in detta base dati, caratterizzato dal fatto che detti mezzi elaboratori sono predisposti per confrontare, durante la navigazione dell'autoveicolo, i dati di detti mezzi sensori con i dati di detto ricevitore GPS e per calibrare automaticamente detti mezzi sensori sulla base dei risultati di tale confronto.
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi sensori di spostamento relativo comprendono un odometro, caratterizzato dal fatto che detti mezzi elaboratori sono atti a determinare il fattore di scala dell'odometro confrontando la velocità calcolata dal ricevitore GPS (5) con il numero di impulsi provenienti nello stesso intervallo di tempo dall'odometro (6).
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che nella stima del fattore di scala dell'odometro, il dato di velocità GPS viene utilizzato solo quando è, in modulo, superiore ad un valore di soglia (K) predeterminato.
4. 4. Sistema' secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che i valori del fattore di scala dell'odometro calcolati in diversi istanti di tempo dividendo la velocità fornita dal ricevitore GPS per il numero di impulsi al secondo dell 'odometro vengono sommati in un accumulatore, in vista di consentire il calcolo di un valore medio, a condizione che l'accelerazione tra due rilievi GPS successivi non sia superiore ad un valore di soglia predeterminato (M).
5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi sensori di direzione relativa sono costituiti da un girometro, avente un offset ed un fattore di scala, e dal fatto che detti mezzi elaboratori sono predisposti per effettuare una stima dinamica sia dell’offset, sia del fattore di scala del girometro, durante la navigazione: dell'autoveicolo, sulla base dei dati GPS.
6. 6. Sistema secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che la stima dinamica dell'offset del girometro viene effettuata solo per velocità superiori, in modulo, ad un valore di soglia (Kl) e solo se gli scostamenti in modulo tra due direzioni successive fornite dal rilevatore GPS (7) sono inferiori ad un valore predeterminato (K2) per almeno un numero predeterminato (K3) di volte consecutive .
7. 7. Sistema secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la stima dinamica dell'offset del girometro viene effettuata solo a patto che la somma dei suddetti scostamenti sia minore di un valore predeterminato (K4).
8. 8. Sistema secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la stima dinamica dell’offset del girometro viene effettuata soltanto se la variazione di direzione ottenuta per integrazione dei dati del girometro è inferiore ad un valore maissimo (X5) predeterminato.
9. 9. Sistema secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la stima dinamica dell'offset del girometro viene effettuata soltanto se la variazione angolare misurata dal GPS è inferiore ad un valore massimo (X) predeterminato. Il tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.