Truck Platooning - Analisi del Cooperative Adaptive Cruise Control

Dipartimento di ingegneria dell’informazione

Corso di laurea in ingegneria elettronica

Truck Platooning: Analisi del Cooperative Adaptive Cruise Control

Relatore Laureando

Giorgi Giada Bergo Thomas

Anno accademico 2024-2025

Data di laurea 17/03/2025

A chi non si arrende mai

Abstract

La tesi esposta tratta una tecnica collocata nell’ambiente automotive enfatizzando il concetto di Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC). La dissertazione seguente adotta un modello concentrico affrontando dapprima il tema della guida autonoma per poi, seguentemente, accentrarsi sul truck platooning considerando i suoi elementi cardinali, quali la comunicazione, la raccolta dati mediante sensori e gli apparati di controllo implementati.

Segue un approfondimento dello stato dell’arte del truck platooning, ripercorrendo la sua evoluzione, dagli albori sino alle indagini contemporanee, valorizzando ciascuna tappa significativa lungo il percorso.

Infine, la porzione sostanziale dell’elaborato, nella quale si propone illustrazioni relative alla realizzazione del Cooperative Adaptive Cruise Control, accompagnate da un’accurata analisi dei modelli di maggior rilievo. vvi

Indice

1 Introduzione 1

1.1 Guida autonoma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1 I livelli SAE di automazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Platooning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.1 Comunicazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.2 Raccolta dati mediante sensori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2.3 Controllori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3 Vantaggi del Platooning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2 Stato d’arte del truck platooning 15

3 Cruise control cooperativo adattivo (CCCA) 19

3.1 Analisi del Adaptive Cruise Control ACC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.2 Estensione del Adaptive Cruise Control (ACC) nel Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.3 Realizzazione del Cooperative Adaptive Cruise Control mediante modelli predittivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4 Conclusioni 35

Bibliografia 37

viiviii

Elenco delle figure

1.1 Esempio di configurazione del platooning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2 Rappresentazione grafica della comunicazione V2X in ambienti reali. Le immagini mostrano le interazioni tra veicoli (V2V), infrastrutture stradali (V2I), reti cloud (V2N) e pedoni (V2P). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3 Mappatura tridimensionale mediante LiDAR in ambiente stradale. . . . . . . . 8

1.4 Applicazioni di Computer Vision in ambito automotive. A sinistra, riconoscimento stradale. A destra, monitoraggio dell’attenzione del conducente mediante telecamera interna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.5 Illustrazione dell’Intelligent Speed Assistance (ISA), applicazione del GNSS. . 9

1.6 Sistema IMU applicato a veicolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.7 Illustrazione del funzionamento del Cruise Control Adattivo . . . . . . . . . . 11

1.8 Illustrazione del funzionamento del Lane Keep Assist. . . . . . . . . . . . . . 12

1.9 Immagine riassuntiva dei vantaggi del Platooning . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1 Debutto su strada pubblica di un convoglio del progetto SARTRE composto da una Volvo XC60, una Volvo V60, una Volvo S60 e un camion guidati da un veicolo capofila in testa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2 Arrivo a Rotterdam di vari convogli di truck monomarca coinvolti nel progetto ETPC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3 Convoglio multi-brand utilizzato in occasione dell’evento finale del progetto ENSEMBLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1 Stabilità delle stringhe di Peppard: Risposta dell’errore di posizione dei primi quattro veicoli in una colonna (platoon) a una perturbazione a gradino applicata al veicolo leader, utilizzando misurazioni della distanza relativa. . . . . . . . . 20

3.2 Sperimentazione pratica del controllore CACC come estensione del ACC effettuata nel 2010 da Gerrit, René, Ploeg, Marinus, Molengraft e Maarten Steinbuc. 21

3.3 Rappresentazione grafica del sistema ACC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.4 Rappresentazione mediante schema a blocchi del ACC. . . . . . . . . . . . . . 23

ix

3.5 Rappresentazione mediante schema a blocchi del ACC considerando la spazziatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.6 Rappresentazione mediante schema a blocchi del CACC. . . . . . . . . . . . . 26

3.7 Test di prova con plotone di sei veicoli dotati di CACC. . . . . . . . . . . . . . 27

x

Capitolo 1

Introduzione

1.1 Guida autonoma

Il truck platooning rappresenta uno dei principali sviluppi della guida autonoma. Trattare l’argomento risulta imprescindibile senza una chiara consapevolezza delle regole che permettono di determinare o, meglio ancora, quantificare, l’autonomia del veicolo.

Fortunatamente, possiamo fare affidamento sulla Society of Automotive Engineers, nota con l’acronimo SAE. Quest’associazione globale, “Composta da oltre 128.000 ingegneri ed esperti tecnici nei settori aerospaziale, automobilistico e dei veicoli commerciali, che offre dal 1905 pubblicazioni di riconosciuto prestigio a livello mondiale” [1]. riveste il ruolo di ente più autorevole nel campo della standardizzazione automobilistica a livello globale.

L’apparato ha acquisito tale notorietà a seguito della pubblicazione del comunicato “SAE J3016™ Recommended Practice: Taxonomy and Definitions for Terms Related to Driving Automation Systems for On-Road Motor Vehicles” [2]. comunemente noto come SAE Levels of Driving Automation. Tale documento rappresenta un pilastro per ciò che concerne la definizione dei sei livelli di automazione della guida. Pur essendo stato successivamente integrato nel 2021 con “Chiarimenti su alcuni concetti spesso fraintesi nella versione precedente e con una ristrutturazione delle definizioni in raggruppamenti più logici” [3]. l’articolo rimane una pietra miliare su cui si fonda l’attuale concetto di guida autonoma. 1

1.1.1 I livelli SAE di automazione

• Livello 0 - Assenza di automazione: Denota veicoli privi di qualsivoglia automatizzazione nella conduzione. Il conducente assume integralmente la responsabilità delle operazioni di guida, senza il supporto di alcuna tecnologia.
• Livello 1 - Assistenza alla guida: I veicoli sono dotati di sofisticati sistemi di assistenza per lo sterzo, la frenata e l’accelerazione. Tuttavia, il pieno controllo del veicolo resta saldamente nelle mani del conducente.
• Livello 2 - Automazione parziale della guida: Oltre alle funzioni del Livello 1, il veicolo è in grado di avviarsi autonomamente, regolare la velocità e persino effettuare manovre di sorpasso. Tuttavia, la supervisione attiva del conducente resta imprescrittibile.
• Livello 3 - Automazione controllata: L’intelligenza artificiale può assumere il controllo della guida in specifiche circostanze. Il sistema è capace di prendere decisioni autonome senza richiedere un input diretto da parte del conducente. Tuttavia, la presenza umana rimane indispensabile per intervenire in situazioni di emergenza.
• Livello 4 - Alta automazione: Il veicolo assume la piena responsabilità della guida senza richiedere un intervento umano costante. Tuttavia, il conducente conserva la facoltà di assumere il controllo del veicolo a sua discrezione.
• Livello 5 - Automazione totale: Il veicolo non richiede alcuna interazione umana. La figura del conducente scompare completamente, trasformando tutti i passeggeri in semplici osservatori del percorso.

Giunti alla conclusione di questo excursus introduttivo, ci troviamo dinanzi ad una domanda: in quale posizione ci collochiamo all’interno di questo panorama?

Per rispondere a tale interrogativo, è necessario esaminare le questioni legali, approfondendo le leggi in vigore nell’ambito europeo. Esaminando la Convenzione sulla circolazione stradale di Vienna del 1969, opportunamente ri-emendata il 14 luglio 2022 con l’introduzione dell’articolo 34 bis, denominato per l’appunto “guida autonoma”, emerge un contesto normativo cruciale [4]: Nell’articolo in questione si attesta che si considera soddisfatto il requisito della presenza di un conducente se tale veicolo utilizza un sistema di guida autonoma. 2

Tuttavia, proseguendo nella lettura, emerge una limitazione inerente il campo di applicazione in quanto rimanda alla legislazione nazionale che regola il funzionamento del veicolo in ciascun Paese.

Focalizzandoci sulla nostra Nazione, notiamo che l’Italia ha impiegato diversi anni per procedere all’adattamento del proprio Codice della Strada in seguito all’approvazione dell’articolo 34-bis della Convenzione di Vienna. Tant’è che tale aggiornamento risulta finora in sospeso. Con un ottimismo prudente, consideriamo che, date le modifiche legislative in programma per quest’anno, riusciremo ad allinearci con le normative internazionali.

Tale tesi viene avvalorata consultando il “Regolamento UE 2019/2144 del Parlamento Europeo e del Consiglio Europeo del 27 novembre 2019”[5] Una sintesi significativa ci è resa disponibile dal comunicato stampa del 6 luglio 2022, mezzo attraverso il quale è avvenuta l’approvazione di quest’ultimo. Citandola: “Il nuovo regolamento sulla sicurezza generale dei veicoli inizia ad applicarsi oggi. Introduce una serie di sistemi avanzati obbligatori di assistenza alla guida per migliorare la sicurezza stradale”. [6]

Trascurando i ritardi nell’implementazione, ciò che vorrei puntualizzare è: nello scenario attuale, le autorità europee si adoperano per ridurre drasticamente il numero di vittime e feriti sulle strade mediante l’adozione di ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) come l’adattamento intelligente della velocità, l’integrazione di dispositivi come l’alcolock, l’avviso di stanchezza e disattenzione del conducente, l’avviso precoce di distrazione, la segnalazione di arresto di emergenza, il rilevamento in retromarcia e il registratore di dati di incidente. Procedendo, d’altro canto, con cautela verso l’automazione assoluta.

Esaminando il caso di aziende come Tesla e Waymo risulta evidente come esse orientino i propri sforzi verso livelli avanzati di guida, operando ai margini delle normative con l’obiettivo di realizzare un’automazione totale. Proprio a tal proposito la tecnica del platooning si distingue come ruolo chiave nel panorama della guida autonoma, in quanto risponde pienamente agli standard normativi europei relativi alla sicurezza stradale.

1 Tuttavia è opportuno notare che sono trascorsi due anni e tale normativa, pur dovendo essere attuale, appare ancora futuristica agli occhi di molti. Questo poiché, sebbene il luglio 2022 abbia segnato una tappa importante per la sicurezza automobilistica in Europa, i modelli automobilistici già presenti nei listini ufficiali al momento dell’approvazione del Regolamento sono stati temporaneamente esentati. Dal 7 luglio 2024, invece, dovranno adempiere a tale obbligo. Sarà pertanto necessario che tutti i modelli attualmente in commercio si adeguino ai nuovi requisiti di sicurezza, indipendentemente dalla data di omologazione. 3

1.2 Platooning

Il Platooning Automation è definito come la cooperazione di due o più veicoli pesanti, posti in sequenza, resa possibile mediante ADAS e tecnologie avanzate di connettività. Tale metodo garantisce il mantenimento di una distanza costante e ravvicinata tra i mezzi, per intere tratte del percorso. Il veicolo capofila, posto alla testa del convoglio, assume il ruolo chiave di “guida principale”, concedendo ai veicoli retrostanti la libertà di adattarsi armoniosamente, rispondendo alle sue variazioni di movimento senza richiedere interventi significativi da parte dei conducenti. Durante il tragitto quest’ultimi mantengono comunque la facoltà di distaccarsi dal convoglio proseguendo autonomamente qualora lo desiderassero.

La roadmap evolutiva di questa tecnologia ci restituisce la percezione che, dalla sua fase attuale, si possa comunque sfociare nell’autonomia totale. Inizialmente, il sistema si fondava su convogli omogenei, veicoli della stessa marca costituenti un’entità coesa. Lo sviluppo naturale porta all’integrazione di veicoli multi-brand, mantenendo un livello SAE 2 (dove il conducente resta in una posizione di supervisione e pronto a intervenire). Tuttavia, con occhio avanguardistico, ci si prospetta l’opportunità di attenuare il coinvolgimento diretto del conducente del veicolo in coda, permettendogli di concedersi del riposo. Le massime potenzialità del platooning si manifestano nell’ultimo scenario evolutivo dove soltanto il veicolo capofila richiede l’intervento del guidatore, mentre i mezzi successivi agiscono in totale indipendenza.

Questa strategia di espansione rivela dunque il carattere ambivalente platooning: da un lato una tecnologia contemporanea e tangibile, dall’altro un sistema in continua evoluzione, malleabile e in grado di adattarsi a sviluppi futuri [7]

Tale tecnologia, essendo un progetto di ampia portata, è un esempio di iniziativa multidisciplinare, risultato dell’integrazione sinergica di molteplici discipline. Tra le aree ingegneristiche aventi mansioni preminenti figurano le telecomunicazioni, la raccolta dati mediante sensori e i sistemi di controllo. Con la finalità di delineare un quadro esaustivo, avanzeremo con una sintesi dei contributi che tali ambiti apportano al contesto in esame.

Figura 1.1: Esempio di configurazione del platooning. 4

1.2.1 Comunicazione

Garantire lo scambio di dati real time tra veicoli delinea un aspetto cardinale per l’ottimale andamento del sistema. Tale comunicazione avviene per mezzo dell’implementazione di tecnologie veicolo-to-veicolo (V2V). Quest’ultime consistono nel ricevere, e al tempo stesso trasmettere, informazioni quali velocità, direzione e altri parametri utili, consentendo una coordinazione armoniosa delle manovre, favorendo non solo l’ incremento della sicurezza ma migliorando anche l’esperienza di guida.

Questa concezione di comunicazione trova concretezza attraverso tecniche Dedicated Short-Range Communication (DSRC). Parliamo di una vecchia ma odierna tecnologia di accesso radio (RAT²) sviluppata opportunamente per le applicazioni automobilistiche. Questo standard, basato sulle specifiche IEEE 802.11p, opera nella banda di frequenza dei 5,9 GHz, designata dalla Federal Communications Commission (FCC) degli Stati Uniti per le infrastrutture di trasporto intelligente (ITS), e sfrutta uno spettro di 75 MHz suddiviso in 7 canali da 10 MHz ciascuno, con ulteriori 5 MHz riservati a scopi di sicurezza.

Analizzando le sue caratteristiche individuiamo una bassa latenza, inferiore a 100 ms, e una copertura tra i 300 e i 100 metri. In virtù di tali peculiarità la DSRC è in particolar modo adatta a scenari in cui la sicurezza riveste un ruolo critico, come nella prevenzione delle collisioni e nelle frenate d’emergenza. Un ulteriore pregio risiede nella maturità di questo standard, che beneficia di protocolli consolidati da decenni che ne garantiscono affidabilità e stabilità. Infine questa tecnologia è dotata di meccanismi di sicurezza e protezione della privacy ideati deliberatamente per impieghi automobilistici.

Malgrado i numerosi vantaggi, la DSRC manifesta ostacoli inerenti portata e stabilità in condizioni di non linea di vista (NLOS³); qualora il veicolo si trovasse dinnanzi a barriere architettoniche, rilievi o altri ostacoli il segnale radio, non solo verrebbe attenuato, ma potrebbe anche essere soggetto al fenomeno del multipath fading. Nel fenomeno appena citato un segnale radio raggiunge l’antenna ricevente attraverso percorsi multipli; i segnali, provenienti da percorsi diversi e aventi sempre fase e attenuazione differenti, sovrapponendosi durante la ricombinazione al ricevitore, si distorcono. Il tutto sottrae affidabilità all’intero sistema.

2 Acronimo di Radio Access Technology e si riferisce alla tecnologia di accesso radio utilizzata nelle reti di telecomunicazione per consentire la comunicazione tra dispositivi mobili e l’infrastruttura di rete. Ne sono un esempio il 2G, 3G, 4G, 5G

3 Acronimo di Non-Line-Of-Sight e si riferisce a una condizione in cui il segnale di comunicazione tra un trasmettitore e un ricevitore non ha una linea di vista diretta a causa di ostacoli fisici 5

Per far fronte a tale problema è stata sviluppata la C-V2X, una tecnologia più recente e innovativa che sfrutta le reti cellulari, inclusa la tecnologia 5G, per instaurare un ecosistema comunicativo ad ampio raggio. C-V2X, come suggerito dall’acronimo, estende le capacità di comunicazione oltre il semplice veicolo-veicolo consentendo interazioni più complesse come veicolo-infrastruttura (V2I) con elementi quali semafori, segnali e sensori stradali; veicolo-pedone (V2P) che facilita la comunicazione tra veicoli e umani; veicolo-rete (V2N) per connessioni con sistemi cloud e veicolo-dispositivo (V2D) comprendendo interazioni con smartphone o sistemi di automazione domestica.

Figura 1.2: Rappresentazione grafica della comunicazione V2X in ambienti reali. Le immagini mostrano le interazioni tra veicoli (V2V), infrastrutture stradali (V2I), reti cloud (V2N) e pedoni (V2P).

Uno dei vantaggi del C-V2X risiede nella predisposizione a interfacce differenti: tramite l&rs