Sviluppare sistemi di controllo autonome sicuri, affidabili ed efficienti è una delle sfide ingegneristiche più complesse dell'epoca moderna. Questi sistemi devono integrare la percezione, il processo decisionale, la pianificazione, l'attuazione e le operazioni di sicurezza in un'architettura coesa e ridondante. Gli ingegneri hanno bisogno di una chiara, astratta visione di come tutti i sottosistemi interagiscono prima di impegnarsi per l'implementazione dettagliata.

Cosa sono i diagrammi di blocco?

Un diagramma di blocco è uno schema in cui ogni blocco rappresenta un componente funzionale o un sottosistema, e linee dirette (o frecce) indicano il flusso di informazioni, segnali di controllo o quantità fisiche tra di loro. Questo formalismo non è limitato al software o all'elettronica, è utilizzato anche attraverso i domini meccanici, termici e idraulici.

I diagrammi di blocco sono disponibili in diverse notazioni standard.

  • Data diagrammi di flusso[[] – enfatizzare il movimento dei dati piuttosto che il controllo.
  • Perché-and-effect diagrams[] – utilizzato per l'analisi dei guasti nell'ingegneria della sicurezza.
  • Schemi di transizione[] – spesso combinati con blocchi per modellare il comportamento dei moduli.
  • Grafici di flusso segni[] – una forma più matematica utilizzata nella teoria del controllo.

Un singolo blocco nel diagramma di livello superiore può rappresentare un intero stack di percezione, mentre un diagramma di blocco inferiore si esercita nel processo di fusione del sensore, mostrando singoli algoritmi di filtraggio e calcoli di guadagno Kalman. Questa decomposizione gerarchica si allinea direttamente con l'architettura a strati comune nelle moderne pile di veicoli autonomi.

Bloccare diagrammi in Architettura del sistema di veicoli autonome

La Società degli Ingegneri Automobilistici (SAE) definisce sei livelli di automazione di guida (SAE J3016), dal Livello 0 (senza automazione) al Livello 5 (autonomia totale).

] l'architettura dei veicoli autonomi può essere suddivisa in diversi blocchi principali: la percezione[FLT: 1:]] la localizzazione e la mappatura, la definizione delle decisioni (compresa la pianificazione dei comportamenti), la pianificazione dei percorsi, [FLT]

Poiché i veicoli autonomi sono sistemi critici per la sicurezza, i diagrammi dei blocchi sono utilizzati anche per modellare la redundancy e [diversity[]. Ad esempio, un sistema di percezione ridondante potrebbe includere due suite di sensori indipendenti e due algoritmi di fusione.

Sistema di percezione

I sensori includono telecamere, LiDAR, radar, ultrasuoni e dispositivi termici. Un diagramma di blocco per la percezione spesso inizia con interfacce dei sensori, quindi procede all'elaborazione dei segnali a basso livello (ad esempio, denoising, calibrazione), l'estrazione delle caratteristiche, e infine il rilevamento e la classificazione degli oggetti.

Ogni sotto-blocco rappresenta un algoritmo o un componente distinta: una rete neurale convoluzionale per il rilevamento delle immagini, una rete point-pillar per LiDAR, un filtro Kalman per il tracciamento, e un gestore di fusione che allinea i frame e i timestamp di coordinate. Il diagramma del blocco rende facile vedere dove esistono le dipendenze dei dati e quali i blocchi funzionano in parallelo vs. sequenzialità.

Decision-Making e pianificazione

Il blocco decisionale consuma l’output della percezione (il “modello mondiale”) e crea un piano per come il veicolo dovrebbe comportarsi.

  1. La pianificazione del percorso[] – determina un percorso di alto livello dall'origine alla destinazione, spesso utilizzando una mappa stradale pre-computata (ad esempio, OpenStreetMap o mappe HD).
  2. La pianificazione del comportamento[[]] – decide la manovra di guida: cambiamento della corsia, fusione, resa, stop o follow.
  3. Motion Planning[] – genera una traiettoria fattibile e senza collisioni (profilo percorso + velocità) su un breve orizzonte (ad esempio, 5-10 secondi).

I diagrammi di blocco in questa zona spesso raffigurano i loop di feedback tra pianificazione e controllo. Ad esempio, una traiettoria dal pianificatore di movimento viene passata al blocco di controllo, che lo traccia utilizzando un controller di tipo predictive (MPC) o un controller di alimentazione PID +. Il blocco di controllo può quindi alimentare indietro gli errori di tracciamento al blocco di pianificazione per il ripianto.

Sistema di attuazione

Il blocco di attuazione traduce i segnali di controllo (angolo di guida, pedale di accelerazione, pressione del freno) in azioni fisiche. In un veicolo convenzionale, ciò comporta unità di controllo elettroniche (ECU) che interfacciano con attuatori idraulici o elettrici. Sistemi di trasmissione-by-wire, essenziali per il funzionamento autonomo, sono essi stessi complessi sottosistemi con ridondanza incorporata (ad esempio, due o tre canali indipendenti per lo sterzo).

Un diagramma di blocco per l'attivazione potrebbe mostrare il percorso di richiesta dalla pila di decisione/controllo all'interfaccia del veicolo, quindi diviso in canali paralleli, ciascuno con un microcontroller, un driver motore e un attuatore. Il diagramma include anche feedback da encoder e sensori di forza per verificare che l'azione comandata sia stata raggiunta.

Sicurezza funzionale e tolleranza di guasto

I veicoli autonome devono rispettare gli standard di sicurezza funzionali come ISO 26262 (per i sistemi elettrici/elettronici) e l'emergente ISO 21448 (sicurezza della funzionalità intensa).

Per esempio, una tipica architettura a due computer (primaria e secondaria) può essere modellata come due blocchi paralleli che elaborano in modo indipendente i dati dei sensori e producono i comandi di controllo. Un blocco di controllo monitora la salute e seleziona l'output. Il diagramma del blocco rende esplicita la strategia di ridondanza e consente agli ingegneri di calcolare l'affidabilità e la probabilità di eventi pericolosi.

Design basato sul modello utilizzando i diagrammi del blocco

Lo sviluppo del veicolo autonomo moderno si basa fortemente sul design basato sul modello (MBD). In MBD, il diagramma del blocco non è solo un disegno, è una specifica eseguibile. Strumenti come MATLAB/Simulink], SCADE e dSPACE TargetLink consentono agli ingegneri di simulare il comportamento dell'accelerazione del sistema completo dalle prime fasi.

Simulink, ad esempio, navi con librerie specializzate per applicazioni automobilistiche, tra cui dinamiche di veicolo, modelli di sensori e modelli di attuatore. Gli ingegneri possono riunire la percezione, la pianificazione e i blocchi di controllo in un unico ambiente di simulazione e la prova contro un mondo virtuale (ad esempio, utilizzando il motore Unreal o CarSim).

Un importante vantaggio dei diagrammi di blocco basati sui modelli è la tracciabilità. Ogni blocco può essere collegato a requisiti, casi di test e rapporti di ispezione. Questa tracciabilità è richiesta dalla certificazione di sicurezza (ISO 26262, ASIL‐D). I revisori possono ispezionare la gerarchia dei diagrammi di blocco per confermare che ogni esigenza di sicurezza viene implementata e testata.

Vantaggi per lo sviluppo del veicolo autonomo

Utilizzando diagrammi di blocco fornisce vantaggi concreti e misurabili durante tutto il ciclo di vita di sviluppo:

  • La chiarezza dell'architettura[[] – i team possono visualizzare come il sistema di controllo è decomposto, quali blocchi sono statici vs. stateful, e quali dipendenze esistono.
  • Alla fine della convalida[] – prima che qualsiasi hardware sia costruito, i diagrammi di blocco possono essere simulati per scoprire le errori di tempistica, l'incongruenza dei dati o errori di logica.
  • Comunicazione di chat[[[]] – ingegneri di percezione, ingegneri di pianificazione e ingegneri di controllo hanno ciascuno i propri diagrammi specifici di dominio, ma il diagramma di blocco di alto livello serve come linguaggio comune.
  • Supporto per l'analisi della sicurezza[[ – FMEA, FTA, e analisi dei rischi e valutazione dei rischi (HARA) tutti i diagrammi di blocco delle leva. I meccanismi di sicurezza (ad esempio, controlli di plausibilità, timer dei cani da guardia) possono essere disegnati come blocchi espliciti, rendendo l'architettura di sicurezza verificabile.
  • Configurabile per diverse piattaforme[[[]] – lo stesso diagramma di blocco può essere adattato per diverse piattaforme di veicoli sostituendo blocchi specifici (ad esempio, diversi modelli di attuatore o configurazioni dei sensori), che favorisce il riutilizzo e riduce i costi di sviluppo su più modelli.
  • generazione e test di codice automatico[[[] – i diagrammi di blocco che sono eseguibili possono generare codice e imbracature di prova a vuoto, riducendo l'opportunità di errore umano nella traduzione.

Esempi reali e adozione di un'industria

Waymo[]] ha pubblicato documenti che descrivono un'architettura modulare con chiare interfacce tra percezione, previsione e pianificazione. I loro schemi di sistema sottolineano la ridondanza e la progettazione fallita.

Un altro esempio notevole è il Apollo[] progetto open-source (da Baidu). La documentazione di Apollo include diagrammi di blocco dettagliati della sua percezione, controllo e moduli di pianificazione. Il diagramma del blocco di controllo, per esempio, mostra un controller PID in cascata con termini di feedforward per lo sterzo e il treppio, modellato esattamente come si svilupperebbe su una lavagna bianca.

Sul lato aerospaziale e robotico, il Robot Operating System (ROS 2) e la sua visualizzazione node-graph offrono una visione runtime block-diagram. Sebbene non esattamente la stessa dei diagrammi di blocco di controllo, il principio è identico—nodi sono blocchi, gli argomenti sono segnali. Il ROS 2 grafico può essere ispezionato dal vivo per debug il comportamento di un veicolo autonomo.

In termini di sicurezza, ISO 26262 manda l’uso di “decomposizione funzionale” e “sistema di progettazione architettonica” con diagrammi. Molti fornitori di OEM e tier‐1, come Bosch e ZF, producono diagrammi di blocco come parte della loro documentazione di sicurezza.

Conclusioni

I diagrammi di blocco non sono solo uno strumento di presentazione, ma sono la colonna portante dello sviluppo moderno del sistema di controllo autonomo del veicolo. Dall'esplorazione del concetto iniziale alla certificazione finale, questi diagrammi permettono agli ingegneri di progettare, simulare, verificare e comunicare l'immensa complessità di un sistema di guida autonomo.