Più precisione nella navigazione automobilistica 3D

Gli ambienti urbani sempre più caotici, i parcheggi coperti e le superstrade su più livelli pongono significativi problemi ai sistemi di navigazione dei veicoli. Le tecniche in uso sono due, Dead Reckoning e Map Matching, laddove la seconda aumenta la complessità e richiede l'uso di dati di mappa accurati forniti da terzi. Inoltre, i dati di mappa cambiano costantemente, soprattutto nelle aree urbane densamente abitate. Un approccio alternativo consiste nell'uso di un ricevitore multi Gnss che consente un posizionamento accurato tridimensionale, riducendo al contempo la dipendenza dai software di map matching esterni per consentire una navigazione affidabile. Questo articolo descrive questa tecnica, collaudata con successo in aree particolarmente problematiche come Manhattan e Shanghai. Questo approccio semplifica i requisiti di sviluppo dei software per i sistemi di navigazione dei veicoli, riducendo i tempi di sviluppo e i costi. Nelle soluzioni standard Adr (Automotive Dead Reckoning) dei sistemi di navigazione di tipo first-fit viene adottato generalmente un approccio a cascata, utilizzando una posizione filtrata da un ricevitore Gnss standard che viene combinata con i dati del sensore esterno di un giroscopio, accelerometro e/o dei sensori wheel tick, ovverosia degli encoder che misurano l'esatta velocità o distanza percorsa da una ruota. A seconda del tipo di encoder, è anche possibile determinare la direzione di movimento. Entrambi i filtri sono Kalman, o Lqe (Linear Quadratic Estimation, stima quadratica lineare). Si basano su un algoritmo che utilizza delle misurazioni di serie temporali che includono variazioni casuali per valutare le variabili sconosciute. Il filtro in tempo reale stima innanzitutto le variabili di stato correnti con le relative incertezze, quindi utilizza la successiva misurazione per aggiornare queste stime utilizzando il calcolo della media ponderata. Un limite dei sistemi Adr standard è che l'uso di due filtri Kalman a cascata provoca un inevitabile accumulo di errori, i quali causano una riduzione della precisione posizionale. Ecco perché, per compensare questo accumulo di errori, i sistemi di navigazione fanno sempre più affidamento sugli algoritmi di map matching. Questo crea una dipendenza dai dati di mappa esterni, modificati dinamicamente, e soprattutto causa un aumento dei costi di sviluppo del software e delle risorse necessari per interfacciare il ricevitore Gnss con il servizio di mappatura esterno.

Un posizionamento accurato

Per risolvere questi problemi, u-blox ha sviluppato un algoritmo Adr altamente efficiente che riunisce i dati in un singolo filtro Kalman. La soluzione, messa a punto nel corso di oltre quattro generazioni di prodotti, combina i dati di navigazione satellitare con le singole informazioni relative alla velocità delle ruote, al giroscopio e all'accelerometro. Grazie a questa tecnologia integrata e semplificata, è possibile ridurre al minimo gli errori di stima e ottenere un posizionamento accurato, a prescindere dal luogo di utilizzo del veicolo, sia esso una galleria in Svizzera o una via tra i grattacieli di Manhattan. La dipendenza dal map matching è significativamente ridotta, dato che la tecnologia è in grado di determinare con esattezza la posizione senza utilizzare dati di mappa esterni. In questo modo, è possibile ridurre al minimo l'uso del map matching semplificando l'integrazione del dead reckoning nei sistemi di navigazione e riducendo di conseguenza i costi di sviluppo.

Una soluzione a filtro singolo

Per garantire un posizionamento ininterrotto in ogni condizione stradale, la soluzione Adr 3D di u-blox utilizza due componenti: la tecnologia Adr integrata in un chip – UBX-M8030 (disponibile in due versioni conformi allo standard Aec-Q100) – e il Neo-M8L, un modulo di posizionamento satellitare Gnss compatto. Progettati per i sistemi di navigazione dei nuovi veicoli, oltre che per il mercato dei ricambi, sia i chip Adr che Neo-8ML non richiedono alcuna configurazione preliminare, oppure solo un livello minimo: dopo la configurazione iniziale la calibrazione viene mantenuta in modo permanente. Un altro vantaggio è dato dal fatto che la posizione del prodotto nel veicolo non dipende dal suo orientamento, che può essere compensato durante la calibrazione in fabbrica o persino durante la guida. Questa soluzione Adr 3D a filtro singolo non consente solo un posizionamento più accurato, ma riduce anche al minimo i tempi e i costi di progettazione, oltre alle dimensioni e alla complessità del sistema. I chip Adr a calibrazione automatica, che misurano 5,5 x 5,5 x 0,59 mm, supportano varie combinazioni di sensori, come i sensori di wheel tick, del giroscopio ad asse singolo/3 assi e dell'accelerometro ad asse singolo/3 assi. Il supporto dell'accelerometro assicura una maggiore precisione durante i cambi di altitudine senza segnale Gnss. I chip sono basati su un motore M8 u-blox a 72 canali con Ttff (time-to-first fix) ovvero il tempo necessario al ricevitore per agganciare il segnale satellitare e determinare la posizione iniziale, di 26 secondi con avvio a freddo e di solo 1 secondo con avvio a caldo. I chip sono Galileo-ready e aggiornabili tramite firmware nella memoria Flash esterna. La sensibilità di navigazione di -167 dBm è la migliore del settore e consente di calcolare con esattezza la posizione geografica di un veicolo, sia esso in ambiente interno o esterno, utilizzando solo l'accelerometro e il giroscopio interni. L'integrazione riduce al minimo il numero di componenti esterni, le dimensioni del sistema e il costo dei materiali. I moduli Neo-M8 sono ricevitori Gnss i grado di ricevere e tracciare più sistemi Gnss (ad esempio i segnali Gps, Glonass, Galileo-ready, BeiDou e QZSS). L'architettura front-end Rf a doppia frequenza consente di ricevere ed elaborare simultaneamente due dei tre segnali. In base all'impostazione predefinita, i ricevitori M8 sono configurati per la ricezione simultanea di segnali Gps (compresi SBAS e QZSS) e Glonass. Se il consumo di energia è un fattore chiave, è possibile configurare i ricevitore come Gnss singolo, utilizzando Gps, Glonass o BeiDou. Il sistema satellitare russo Glonass è un'alternativa al sistema di posizionamento globale statunitense. La possibilità di ricevere e tracciare i segnali satellitari Glonass L1OF consente la progettazione di ricevitori Glonass, laddove richiesto dalle normative. I moduli possono anche ricevere e tracciare i segnali B1 forniti dal sistema satellitare di navigazione BeiDou. La capacità di ricevere e tracciare i segnali satellitari B1 BeiDou in combinazione con i segnali Gps garantisce una maggiore copertura nonché un aumento dell'affidabilità e della precisione. Il sistema BeiDou fornisce attualmente una copertura solo a livello regionale, che dovrebbe però diventare globale entro il 2020. Quando i segnali Galileo E1B/C diventano disponibili, il ricevitore Neo-M8L dotato di memoria Flash SQI potrà riceverli ed elaborarli tramite un aggiornamento del firmware.

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