Dai sistemi meccanici ai veicoli definiti via software: la storia dell'evoluzione dei sistemi ADAS. Ecco il primo di tre appuntamenti relativi a un tema di grande importanza, che si è evoluto profondamente nel corso del tempo
Profondamente diversi da quelli progettati solo una decina di anni fa, i moderni veicoli si distinguono per la ricchezza di caratteristiche e funzionalità. Alcune permettono di aumentare la sicurezza, altre di migliorare il comfort mentre altre ancora consentono di differenziare le offerte delle varie case automobilistiche al fine di incrementare le vendite.
Per quanto riguarda il comfort, negli attuali veicoli sono presenti sistemi di entertainment di fascia alta, illuminazione soffusa, possibilità di selezionare differenti modalità di guida, nonché di impostare e richiamare la posizione preferita del sedile (memory seat) e di altri dispositivi regolabili come gli specchietti retrovisori. In termini invece di sicurezza, vi sono invece numerosi sistemi di assistenza alla guida (ADAS – Advanced Driver Assistance System): tra i principali si possono menzionare il controllo adattivo della velocità di crociera (ACC - Adaptive Cruise Control), la frenata automatica di emergenza (AEB – Automatic Emergency Braking), le telecamere per la retromarcia, i sistemi di rilevamento frontale, le telecamere a 360° (surround-view) e molti altri ancora. L'obiettivo di tutti questi sistemi è aiutare il guidatore a evitare errori e, di conseguenza, possibili incidenti.
Un secolo fa questi sistemi di assistenza alla guida erano semplici dispositivi utilizzati, a esempio, per il controllo meccanico della velocità di crociera mentre ora permettono di realizzare veicoli sempre più “software defined” basati sulla realtà aumentata e virtuale (che ora prende il nome di metaverso) che saranno in grado di guidare da soli.
L'americana SAE (Society of Automotive Engineers) ha definito una classificazione a sei livelli relativa alla guida autonoma: il livello 0 non prevede alcun tipo di autonomia (il conducente ha il pieno controllo del mezzo) mentre il livello 5 prevede la completa autonomia del veicolo (ovvero la guida senza conducente) in tutte le condizioni. Attualmente la maggior parte dei veicoli ha raggiunto il livello di autonomia 2+, che prevede un’automazione parziale, ma il conducente deve sempre prestare attenzione ed essere pronto a prendere il controllo in qualsiasi momento se la situazione dovesse richiedere manovre che vadano al di là delle capacità del veicolo. L'industria automobilistica rimane focalizzata sull'obiettivo di raggiungere il livello 5, nonostante le numerose e significative problematiche ancora da risolvere.
In attesa dell'ADAS: i primi sistemi
Molti concordano sul fatto che il primo sistema di assistenza alla guida è stato lo “Speedostat”, un sistema di controllo della velocità (Steinken, 2020) progettato da Ralph Teetor. Questo ingegnere, rimasto cieco in tenera età, ha fatto leva su questa grave menomazione per sviluppare una percezione tattile decisamente superiore alla media e un'eccezionale capacità di focalizzazione. Secondo lo stesso Teetor, queste doti gli hanno permesso di eccellere come ingegnere e come inventore. La storia della sua vita è riportata in un articolo dello “Smithsonian Magazine” (Sears, 2018).
Lo Speedostat, conosciuto anche come “Stat”, fu brevettato nel 1950. Esso prevedeva un selettore di velocità sul cruscotto collegato a un meccanismo di regolazione meccanica comandato dall'albero di trasmissione. Questo meccanismo di regolazione, a sua volta, azionava una pompa a vuoto che spingeva verso l'alto il pedale dell'acceleratore, indicando in tal modo al guidatore di rallentare.
Il sistema ‘Stat’ fu recensito sull'autorevole rivista “Popular Mechanics” nel 1950 (Sears, 2018), che lo descriveva come “una sorta di acceleratore azionato meccanicamente o di una regolazione con optional che in un futuro più o meno lontano permetterà di tradurre in pratica il concetto di pilota automatico per le autovetture”.
Chrysler fu la prima Casa automobilistica ad adottare lo Speedostat, che fu denominato “Auto-Pilot”, nel 1958. Esso fu utilizzato anche da Cadillac, che lo chiamò “Cruise Control”, una denominazione che è entrata nell'uso comune e viene ancora oggi impiegata per indicare questo tipo di tecnologia (Teetor, 2020). (Figura 1)
Più o meno nello stesso periodo, l'invenzione dei transistor in silicio ha dato origine a una nuova tecnologia, quella dei circuiti integrati (IC). Dai singoli transistor discreti, l'industria è passata rapidamente alla realizzazione di interi circuiti su un singolo IC. Sfruttando i circuiti integrati, Daniel Wiser inventò e successivamente brevettò (nel 1971) il primo controllo della velocità di crociera elettronico che fu definito come “controllo della velocità per veicoli a motore” (Niemeier, 2016).
Per quei tempi si trattò di un'evoluzione di notevole portata in quanto l'invenzione di Wisner permetteva di controllare la velocità di un veicolo utilizzando un anello di retroazione chiuso anche in salita e in discesa. Questa invenzione, una novità assoluta per il settore, venne in seguito denominata controllo della velocità di crociera e ha contribuito a modificare in modo radicale i veicoli.
Esso fu adottato su larga scala e, grazie alla sua ampia diffusione, verso la fine degli anni '80, Motorola investì nella realizzazione e produzione di un chip su silicio basato su questo algoritmo. Identificato dalla sigla MC14460, fu utilizzato per molto tempo su un gran numero di veicoli. Anche se il chip in questione sia stato ritirato dal mercato da molto tempo, l’algoritmo di Wisner è ancora oggi comunemente utilizzato. (Figure 2 e 3)
Anche se il primo sistema per il controllo della velocità di crociera era in grado di regolare la velocità del veicolo, la sua utilità era limitata a strade poco trafficate. La successiva innovazione di rilievo è stata, all'inizio degli anni '90, il controllo di tipo adattativo (ACC), inventato da William Chundrlik e Pamela Labuhn (Steinken, 2020). Basato sul tradizionale controllo della velocità di crociera, con cui condivideva il medesimo principio di funzionamento, il sistema ACC prevedeva un telemetro (un sensore per il rilevamento della distanza) per consentire al veicolo di rallentare quando si trovava dietro ad auto più lente, pur mantenendo il controllo della velocità. Nei primi sistemi il rilevatore utilizzava laser, ma sono state sviluppate altre soluzioni che prevedevano differenti tipi di sensori come radar, LiDAR e telecamere.
Prima dell'ADAS: sistemi di frenatura “intelligenti”
I sistemi ABS (Anti-lock Braking System) sono stati inizialmente sviluppati per il settore aeronautico (Sconosciuto, Wikipedia, 2021). Nel 1920 Gabriel Voisin, un pioniere nel campo delle automobili e degli aeroplani, progettò un sistema ABS meccanico per aeromobili basato su un volano che girava con la ruota dell'aereo e controllava la valvola idraulica del sistema frenante. Nel momento in cui ruota e volano ruotavano alla medesima velocità, il sistema azionava la valvola per rilasciare il freno. Una differenza di velocità era indice di uno slittamento della ruota, per cui il sistema apriva la valvola del freno idraulico, consentendo allo pneumatico di ruotare ancora.
Pur nella loro semplicità, questi primi sistemi ABS permettevo di ridurre la distanza di frenatura fino al 30% e, oltre a rendere possibile il volo in condizioni in precedenza precluse agli aerei, contribuiva a ridurre in modo significativo l’usura degli pneumatici
Al di fuori del settore aeronautico, il modello Royal Enfield Super Meteor di Royal Enfield è stata la prima moto a sperimentare nel 1958 un sistema ABS completamente meccanico. Anche se il sistema aveva dimostrato di poter ridurre sensibilmente gli slittamenti della moto, una delle cause di incidenti più comune, fu abbandonato perché la direzione tecnica dell'azienda aveva reputato questa idea priva di qualsiasi valore.
Un altro sistema fu sperimentato negli anni ’60 sui modelli Ferguson P99, Jensen FF e Ford Zodiac a trazione integrale. Inaffidabile ed eccessivamente costoso, questo sistema non riscosse alcun successo commerciale.
Il primo sistema ABS completamente elettronico fu installato sull'aereo supersonico Concorde, frutto di una cooperazione franco/britannica. A causa della sua particolare conformazione, il Concorde aveva bisogno di una pista molto lunga per decollare e atterrare. L'ABS era necessario il funzionamento in condizioni normali, al fine di evitare lo scivolamento fuori pista. La velocità di decollo del Concorde era di 250 nodi, molto superiore rispetto alla velocità degli aerei commerciali sia di quei tempi sia odierni (Sconosciuto, Heritage Concorde, 2021). Per questo motivo l'ABS era essenziale nel caso di mancato decollo su una pista bagnata o comunque scivolosa.
La società Bendix Corp brevettò l'utilizzo del sistema ABS elettronico sui veicoli nel 1970 e Chrystel lo implementò sul modello Chrysler Imperial un anno più tardi. Denominato da Chrystel “Sure Brake” (freno sicuro), tale sistema divenne comunemente noto come “anti-slittamento” (Schafer, 1971). Poiché il sistema si era dimostrato affidabile, altri costruttori iniziarono a adottarlo, ciascuno introducendo le proprie versioni.
Nonostante il brevetto di Bendix, l'invenzione dell'ABS fu attribuita a Mario Palazzetti del Centro Ricerche FIAT, principalmente in virtù del lavoro svolto per migliorare tale sistema. Per tale motivo a Palazzetti fu assegnato il soprannome di “Mr. ABS”. Bosch Mobility Solutions acquistò il sistema di Palazzetti, rinominandolo ABS, e continuò a migliorarlo finché non diventò una caratteristica standard (Sconosciuto, Did You Know Cars). Ora è una funzionalità di serie adottata dalla quasi totalità dei veicoli. (Figura 4)
Il controllo della trazione
Poiché le ruote possono slittare nel caso venga applicata una potenza eccessiva (in relazione alle condizioni stradali), sono stati sviluppati i sistemi di controllo della trazione (TCS - Traction Control Systems) per controllare la potenza trasmessa alle ruote motrici. Prima della disponibilità dei sistemi elettronici, un differenziale a slittamento limitato riduceva in modo meccanico la potenza trasmessa alla ruota che slittava nei veicoli sui quali era montato. Agli inizi degli anni '70 ai veicoli è stato aggiunto il sistema TCS elettronico. Un sistema di questo tipo esegue il monitoraggio della velocità delle ruote – in particolare della differenza tra le velocità delle ruote - per controllare quanta potenza viene ripartita su ciascuna ruota. A tal fine, alcuni sistemi utilizzavano l’acceleratore del veicolo, ma alla fine l’attenzione si è focalizzata sull’uso del sistema frenante del veicolo. Per tale motivo, la maggior parte dei sistemi di controllo della trazione sono abbinati con l’ABS descritto in precedenza. Il controllo della trazione, come l'ABS, è una caratteristica standard della maggior parte dei veicoli circolanti.
Il controllo della stabilità
Un'ulteriore evoluzione, il controllo della stabilità, ha iniziato ad affacciarsi alla ribalta agli inizi degli anni ’90 e nel 1995 il coupé S600 di Mercedes-Benz è stato il primo veicolo equipaggiato con un sistema di questo tipo sviluppato da Bosch (Markus, 2020). Generalmente, il controllo della stabilità è integrato con i sistemi ABS e TCS e prevede l'aggiunta di ulteriori sensori utili per comprendere come il veicolo risponda alle azioni eseguite dal guidatore (mediante acceleratore e sterzo). I dati provenienti dai sensori aggiunti - sensore del volante, sensore di imbardata (yaw) e accelerometri - vengono combinati e permettono di valutare le attuali modalità di guida di un veicolo. Sulla base di queste analisi il sistema di controllo di stabilità può regolare il freno, l’acceleratore o le sospensioni per migliorare la maneggevolezza.
Note bibliografiche
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