autònica

sf. [sec. XX; auto-+(elettr)onica]. Coniato sul calco di avionica, il termine designa contemporaneamente la componentistica elettronica degli autoveicoli, quindi i nuovi dispositivi di controllo del traffico e di navigazione e l'applicazione degli stessi alle vetture di serie, fino a costituire una specifica branca operativa nell'organizzazione dell'industria automobilistica moderna.

Descrizione generale

Dalla sua nascita e fino agli ultimi anni del sec. XX l'evoluzione dell'automobile si è basata unicamente sul propulsore e sui profili aerodinamici della carrozzeria. Sul finire del secolo l'avvento del microprocessore ha consentito di rivoluzionare completamente il sistema di funzionamento dell'automobile affidando a piccoli elaboratori elettronici le funzioni che prima erano prerogativa di complessi sistemi meccanici. È nata così l'autonica che indica sia l'industria relativa alla componentistica elettronica per auto sia gli stessi dispositivi installati a bordo dell'autovettura, ormai non più limitati ai semplici indicatori di velocità, consumo, luci e stato del motore, ma ampliati al condizionamento, al controllo di organi periferici come l'apertura e la chiusura dei finestrini e degli sportelli, o la velocità del tergicristallo, all'accensione (automatica quando si entra in una galleria) e al puntamento dei proiettori, alla posizione dei sedili e ai dispositivi di intrattenimento come radio, lettore di nastri, lettore di CD, televisione, lettore DVD e al GPS (Global Positioning System) che, in base ai segnali ricevuti da una serie di satelliti, è in grado di rilevare la posizione del veicolo con un errore inferiore ai 30 metri. Per gestire queste componenti le autovetture, soprattutto quelle di classe più elevata, dispongono di decine di centraline elettroniche di controllo ECU (Electronic Control Unit), ognuna delle quali possiede una propria intelligenza che rende automatiche molte operazioni. Numerose sono le centraline che presiedono alla sicurezza e permettono di avere un migliore controllo del veicolo in condizioni di bassa aderenza come l'ABS (Anti Blockier System), l'EBM (Electronic Brake Management), l'ESP (Electronic Stability Program) e l'ESC (Electronic Stability Control) o, in caso di urto inevitabile, ne riducono gli effetti azionando i pretensionatori delle cinture di sicurezza, gli airbag intorno agli occupanti il veicolo e interrompendo l'afflusso di benzina al motore. In alcuni casi possono anche mandare automaticamente, tramite la rete telefonica GSM o quella satellitare, un segnale di richiesta di soccorso che indica la gravità dei danni e la posizione del veicolo rilevata dal navigatore GPS. Se i dispositivi sono integrati tra loro in modo che l'intervento di uno di essi venga comunicato a tutti gli altri, si possono realizzare funzioni con diversi gradi di complessità che vanno dall'attivazione automatica del tergilunotto, quando viene inserita la retromarcia e i tergicristalli sono attivi, alla regolazione della dinamica del veicolo (ESC) ottenuta mediante il controllo indipendente della frenata sulle quattro ruote, dei giri del motore, della rigidità delle sospensioni e della risposta dello sterzo. Il collegamento di questi dispositivi, detti CAN (Controlled Area Network) e VAN (Vehicle Area Network), è quello detto a bus e tende progressivamente a sostituire le connessioni multiplexate monofilari e quelle plurifilari utilizzate per gli ECU.

Tecnica: le funzioni degli ECU

Oltre al controllo della meccanica del veicolo gli ECU possono fornire servizi che migliorano il comfort di viaggio, che facilitano la guida, che proteggono dai furti, ottimizzando il rapporto tra uso del veicolo e costi e aumentando anche la sicurezza. § Comfort di viaggio. Le innovazioni principali riguardano l'introduzione del climatizzatore anche sulle vetture di classe economica e di sistemi di comunicazione in grado di funzionare su un veicolo in movimento. Grazie alla localizzazione satellitare GPS, il percorso viene indicato su una dettagliata mappa stradale digitalizzata contenuta nel calcolatore di bordo e aggiornabile nel tempo. Tramite le informazioni presenti nella mappa e la posizione rilevata dal satellite, il navigatore è in grado di calcolare il percorso da seguire per raggiungere la destinazione desiderata e quindi suggerire per tempo le direzioni da prendere. Le indicazioni compaiono sul display della plancia del veicolo accompagnate da un messaggio vocale. Le mappe, caricate da CD o DVD, forniscono anche informazioni utili, come per esempio l'indicazione della farmacia o del distributore più vicini. Per ovviare ai problemi di aggiornamento delle informazioni si tende a integrare le mappe su CD e DVD con una memoria di dati dinamici scaricati attraverso la rete cellulare o radiofonica. Le informazioni variabili, fornite da un centro servizi, permettono di avere una mappa costantemente aggiornata al punto che si possono inserire tra i dati anche notizie in tempo reale sullo stato del traffico e sulle vie alternative da seguire. Per questo tipo di dati sono allo studio soluzioni alternative alla centrale operativa, che utilizzano gli stessi veicoli come fonte d'informazione: si ipotizza, cioè, che sia il veicolo, che funziona da sensore, a segnalare automaticamente i dati sul traffico in un determinato percorso. Nelle strade di gran traffico è sufficiente che il 2% dei veicoli sia dotato del dispositivo di segnalazione mentre per quelle poco frequentate la percentuale sale a circa il 15%. In Italia è già attivo un servizio di informazioni sul traffico basato sui dati ricavati da circa 25.000 veicoli con funzione di sensori, principalmente taxi e mezzi commerciali; i dati elaborati vengono diffusi in tempo reale a tutti i clienti del servizio attraverso un sottocanale delle normali trasmissioni radio FM. § Pagamenti sulla base dell’utilizzo. Conoscere sempre la posizione del veicolo durante il suo spostamento permette di contabilizzare alcuni servizi sulla base dell'effettivo utilizzo del mezzo. L'esempio più immediato riguarda i pedaggi autostradali che oggi richiedono la presenza di caselli d'entrata e di uscita che finiscono per creare forti rallentamenti e pregiudicare l'effettivo vantaggio del viaggio in autostrada, soprattutto sui percorsi brevi. La soluzione del telepass può essere integrata con i sistemi autonici di localizzazione e comunicazione che, dialogando con opportuni centri di contabilizzazione, possono riconoscere la presenza dell'autoveicolo in una tratta autostradale e addebitare il relativo importo su un conto corrente, una carta di credito o una carta a consumo. Lo stesso può accadere in ambito urbano per le strade particolarmente congestionate come tangenziali e centri storici dove sarebbe impossibile installare dei caselli per il pedaggio. Anche la tassa di circolazione potrebbe essere legata agli effettivi chilometri percorsi mentre per le assicurazioni già sono nate le prime formule pay per use, in cui il premio è costituito da una parte fissa, minima, e una parte variabile, calcolata in funzione del tempo di utilizzo del mezzo. La tecnologia GPS-GSM consente un preciso calcolo del tempo e dei chilometri percorsi e rende quasi impossibili le frodi. § Sicurezza. Lo studio dei sistemi di sicurezza mira sia a evitare preventivamente gli incidenti sia a ridurne al minimo le conseguenze. Se ormai la gran parte delle autovetture monta di serie cinture di sicurezza, airbag e sistemi ABS, vi è la possibilità di avere come optional sistemi di prevenzione più sofisticati come quelli per il controllo automatico della velocità. Grazie a radar a microonde o laser, il veicolo riesce a percepire la presenza di un automezzo più lento nella corsia di marcia e rallentare in modo da adeguarsi alla velocità del veicolo che precede. Questa funzione, detta cruise control adaptive, sviluppata dalla Bosch, è gia stata adottata da alcune case costruttrici quali la FIAT (Stilo) e la BMW (serie 5). I sistemi di lane keeping (controllo della corsia di marcia) utilizzano sensori laterali e telecamere per individuare il bordo della strada e la corsia di marcia. Nel momento in cui il sistema rileva un attraversamento della corsia o un'imminente uscita di strada emette una segnalazione acustica o genera una vibrazione del volante che avvisa il conducente che per distrazione o per un colpo di sonno sta perdendo il controllo del veicolo. Esistono anche prototipi di controllo automatico dello sterzo (steer by wire) che intervengono attivamente sulla sterzata in modo indipendente dal guidatore. Numerosi sono anche i dispositivi e i sistemi studiati per entrare in funzione dopo un incidente. Nel caso nessuno sia in grado di lanciare l'allarme o prestare aiuto, centraline a bordo del veicolo, protette dall'urto, impermeabili e dotate di alimentazione autonoma, possono chiamare i soccorsi tramite un telefono cellulare GSM. Una centrale di soccorso raccoglie la segnalazione e fa intervenire ambulanze, vigili del fuoco e polizia. § Ausilio alla guida. Sensori di prossimità laterali e posteriori, radar anteriore, sterzo comandato da un computer permettono di aggiungere al veicolo degli optional che hanno lo scopo di facilitare la guida e soprattutto le manovre in spazi limitati. Già alla fine del sec. XX la Honda ha presentato un'auto in grado di parcheggiare da sola mediante l'impiego di telecamere. Anche la Nissan ha proposto un dispositivo simile ma basato su quattro ruote sterzanti. Sensori di parcheggio, che avvisano acusticamente dell'approssimarsi di un ostacolo, sono già disponibili di serie o come optional su moltissimi veicoli. Le telecamere esterne, già molto diffuse in Giappone, consentono di eliminare gli specchietti retrovisori fornendo un'immagine più nitida e priva di zone cieche. Sono molti gli autobus che oggi dispongono di una telecamera montata sulla parte posteriore del mezzo che inquadra l'area non altrimenti visibile dalla cabina di guida. Nel campo della visione notturna si stanno sperimentando sistemi con telecamere all'infrarosso che potrebbero rilevare ostacoli anche in presenza di nebbia. § Sistemi antifurto. La chiusura centralizzata delle porte con telecomando, integrata con la centralina di accensione, ha reso necessaria l'adozione del sistema immobilizer in cui una chiave crittografata abbina la centralina elettronica al telecomando o alla chiave di accensione. Senza la chiave giusta è impossibile mettere in moto la vettura. Aggiungendo a questo un localizzatore GPS e un telefono cellulare, si può dotare una vettura di un sistema di antifurto che segnali costantemente la posizione del veicolo rubato a una centrale operativa. Il sistema è già in funzione in Europa e consente anche un risparmio sulle polizze assicurative.

Tecnica: il bus di comunicazione

L'impianto elettrico di un'automobile è costituito da oltre un chilometro e mezzo di fili elettrici con centinaia di contatti e morsettiere che collegano direttamente ciascun organo di controllo con l'oggetto controllato. La rottura di un filo o un falso contatto provoca in genere solo un piccolo disservizio che non pregiudica la sicurezza di marcia del veicolo. L'introduzione dell'elettronica ha modificato questa situazione perché il filo che si interrompe potrebbe essere quello che riceve i dati da un sensore o quello che comanda un organo essenziale, come per esempio la pinza di un freno. Servono quindi sistemi che non solo riducano il rischio del guasto, ma siano in grado di rilevare autonomamente il malfunzionamento e possibilmente intervenire con azioni correttive. Per fare ciò senza duplicare tutte le componenti, cosa che comporterebbe un costo eccessivo, si utilizza la tecnologia a bus in cui più dispositivi condividono un unico canale di comunicazione costituito da uno o più fili. Con le soluzioni a bus è più semplice condividere le informazioni tra diverse centraline, evitando di dover disporre uno stesso sensore in più esemplari in diverse parti del veicolo. La standardizzazione delle soluzioni ha consentito di utilizzare dei sistemi a bus in cui è anche possibile simulare il comportamento di dispositivi molto complessi, semplicemente riproducendone le segnalazioni sul bus. La vera difficoltà all'introduzione di un sistema a bus dipende dalla necessità di definire uno standard unico che sia condiviso dai costruttori di automobili e dai produttori di dispositivi e sensori. Dei due standard, CAN e VAN, il più diffuso è il primo. In una vettura con forte componente autonica coesistono più reti CAN, in funzione dei diversi sottosistemi e delle velocità di trasmissione richieste. Esistono tre diversi tipi di bus CAN: livello-A fino a 10 kbit/s, livello-B da 10 a 125 kbit/s, livello-C da 125 kbit/s a 1 Mbit/s. I livelli inferiori (A e B) sono utilizzati per sottosistemi non critici, per esempio per la diagnostica, la climatizzazione, il comando di dispositivi secondari come gli alzavetri, i tergicristalli ecc., mentre il CAN C viene tipicamente utilizzato dalla centralina di controllo del motore, dai sistemi ABS e ASP, dal cambio e da tutti gli organi che richiedono una pronta risposta.

Tecnica: i sistemi di controllo di frenata

Il primo modello di ABS, installato nel 1985 sulla Mercedes-Benz classe S, ha subito diverse evoluzioni basate dapprima su algoritmi e dispositivi più efficienti e successivamente su tecnologie integrate che, oltre ai freni, controllano e gestiscono altri organi del veicolo. Il CBC (Cornering Brake Control) è un'evoluzione dell'ABS che interviene sulle frenate effettuate in curva. In questo caso la modifica dei carichi del veicolo richiede che la pressione dei freni sia differente tra le due ruote interne alla curva e le due esterne, funzione appunto svolta dal CBC insieme con quelle antibloccaggio tipiche dell'ABS. Il DBC (Dynamic Brake Control) interviene quando il guidatore non esercita sul pedale del freno una pressione sufficiente a ottenere la massima efficienza di frenata. In questi casi l'ABS non può essere utilizzato perché la sua funzione è solo quella di ridurre una pressione eccessiva. Il DBC invece può attivare una pompa elettrica che fornisce l'energia supplementare necessaria alla frenata. Brake by wire (propr. frenata per mezzo di filo) indica una nuova tecnologia in cui un sistema elettrico sostituisce il classico circuito idraulico. Il pedale del freno agisce su un potenziometro per inviare il segnale a una centralina di controllo (tipicamente l'ESP) che si incarica di comandare un elettromagnete per l'attivazione delle pinze dei freni. Per motivi di sicurezza l'energia di questo sistema viene prelevata da una seconda batteria apposita. Esiste anche una versione semidraulica in cui l'indicazione ricevuta dal pedale del freno comanda una valvola che modula la pressione di un circuito idraulico o ad aria compressa.

Tecnica: sistemi antipattinamento

Derivati direttamente dalla Formula 1 i sistemi antiskid, modulando la spinta trasmessa dal motore alle ruote, ne evitano il pattinamento quando si viaggia su un fondo con scarsa aderenza come strade innevate, terreni fangosi, prati. Non appena la centralina rileva che la ruota inizia il pattinamento, un disaccoppiatore riduce l'energia trasmessa dal motore alla ruota. I sistemi più economici intervengono sui giri del motore o sulla frizione e quindi su tutte le ruote motrici, mentre quelli più evoluti possono governare indipendentemente ciascuna ruota motrice.

Tecnica: il sistema di controllo della stabilità

Il funzionamento del sistema di controllo della stabilità si basa su una serie di sensori collocati negli ammortizzatori e in un controllore di assetto che istante per istante verifica se le spinte laterali impresse al veicolo sono compatibili con il coefficiente di aderenza del sistema gomme/strada. Se l'accelerazione laterale supera i limiti prememorizzati dalla casa costruttrice, un motore ausiliario interviene sui giri e sui freni per ridurre il raggio di curvatura e riportare l'angolo di imbardata (angolo tra l'asse longitudinale del veicolo e un sistema di riferimento solidale alla strada) ai valori corretti. L'intervento del sistema agisce anche sui singoli freni delle quattro ruote, in modo indipendente, per migliorare la tenuta e modificare leggermente la risposta alla sterzata frenando le ruote interne alla curva o quelle esterne.

Tecnica: i sistemi di controllo della velocità di crociera

L'ACC (Active Cruise Control) è un'evoluzione del cruise control e consente una gestione attiva della velocità di marcia. Se il cruise control si limita a mantenere costante una velocità impostata dal guidatore tramite un tasto e una manopola, l'ACC è dotato di un radar e di un computer che fanno riconoscere all'automezzo la sede stradale, gli ostacoli e i veicoli che lo precedono, adattando la propria velocità a quella del traffico. La velocità impostata dal guidatore diventa quindi quella massima se la strada è sgombra, ma se si raggiunge un veicolo che procede più lentamente, il sistema adatta la velocità e la adegua in modo da mantenere la distanza di sicurezza prevista dal codice della strada. In un modello presentato dalla Honda una prima segnalazione acustica avverte chi guida che la distanza di sicurezza non è sufficiente, se il conducente non interviene l'ACC riduce dapprima il numero di giri del motore, quindi, se necessario, interviene anche sui freni e, in caso di impatto, attiva i pretensionatori, blocca le portiere e predispone gli airbag sulla risposta rapida. Un'evoluzione del sistema ACC (detto stop&go) permette al veicolo di arrestarsi completamente e poi ripartire in modo semiautomatico. Il sistema è stato sviluppato principalmente per il traffico cittadino in cui lunghe file, ingorghi e semafori richiedono continui arresti e ripartenze che possono ridurre l'attenzione di chi guida. Una serie di sensori, sia radar sia ultrasonici o laser, è installata nella parte anteriore del veicolo e riconosce il momento in cui il veicolo che precede si arresta o riparte. Lo stop&go ferma completamente il veicolo intervenendo anche sulla frizione e, a volte, spegnendo completamente il motore per ridurre inquinamento e consumi (Citroën C3). Al momento della ripartenza il guidatore deve solo dare un piccolo colpo di acceleratore e l'auto si rimette in marcia adeguando automaticamente la sua velocità a quella del veicolo che lo precede. Il sistema stop&go è quello che più degli altri si presta a essere integrato con eventuali sistemi di controllo del traffico come i semafori intelligenti e le strade intelligenti.

Tecnica: il controllo del traffico

Il controllo intelligente del traffico si fonda sul presupposto che si possa ampliare l'integrazione dei sistemi di autonica sino a farli interagire con altri sistemi simili, installati a bordo di altri autoveicoli, su appositi dispositivi urbani come semafori, o in determinati luoghi come incroci, ponti, gallerie, caselli autostradali, curve pericolose, strade dissestate o tratte con particolari limitazioni di velocità e dimensioni. Si vengono a definire quindi tre scenari differenti. Il primo riguarda la comunicazione diretta tra autoveicoli dotati di sistemi autonici che devono pertanto disporre di un dispositivo wi-fi e di uno stesso protocollo di comunicazione; il secondo riguarda la comunicazione tra veicoli effettuata mediante una postazione ripetitrice, terrestre o satellitare, simile al sistema GSM; il terzo, infine, prevede la comunicazione unicamente tra ciascun veicolo e una centrale messaggi, locale, gestita dalle pubbliche amministrazioni o da privati. Il primo scenario è quello scelto dal sistema della BMW in cui ciascun automezzo comunica con tutti gli altri adiacenti in un raggio di 5 km. I veicoli possono anche funzionare da ripetitori e quindi è sufficiente che ve ne sia uno equipaggiato con questo sistema ogni 15 km² per garantire la copertura di tutta l'area. Il vantaggio di questo sistema è che non necessita di infrastrutture sul territorio. Il secondo sistema è stato invece implementato dalla FIAT e dalla Honda su sistemi wi-fi, GSM o UMTS e prevede postazioni ripetitrici dislocate lungo le strade. È vantaggioso perché è integrabile con semafori e segnali stradali intelligenti e può essere utilizzato anche per mandare messaggi informativi sul traffico generati da una centrale di monitoraggio. Il terzo sistema, scelto da Mercedes, prevede l'esistenza di un'unica centrale di comunicazione che dispacci messaggi via radio (come già accade per esempio con le informazioni sul traffico) e ciascun veicolo selezionerà quelli di sua competenza basandosi sulla localizzazione del sistema di navigazione GPS. Il vantaggio di questo sistema sta nel basso costo di realizzazione e nel fatto che investitori privati possono avere interesse a parteciparvi in cambio di spazi commerciali.

Industria

L'industria automobilistica guarda con attenzione al mondo dell'autonica che permette di fornire prestazioni da alta gamma a costi contenuti. Alcune case costruttrici sono all'avanguardia e già i loro veicoli di lusso vantano dispositivi che sono a tutti gli effetti i precursori di questo nuovo sistema di progettare e realizzare un'automobile. La rivoluzione dell'autonica è iniziata con i sistemi di controllo della stabilità che per primi hanno considerato il veicolo nella sua interezza e non più come un insieme di organi indipendenti. La prima a sviluppare un sistema di controllo della stabilità, denominato ESC, è stata la BMW nel 1980 insieme con la Bosch e la Continental-Teves; nel 1992 il sistema venne installato su una vettura di serie; nel 1990 anche la Ford ha iniziato lo sviluppo del suo IDV (Interactive Vehicle Dynamics) e nel 1992 la Mercedes sviluppò l'ESP che fu realizzato solo nel 1995 contemporaneamente al sistema VSC (Vehicle Stability Control) sviluppato dalla Toyota con elettronica della Aisin e Denso; ultima a entrare nel settore la Volvo con l'RSC (Roll Stability Control) nel 2004. Ricade nel settore industriale dell'autonica anche la progettazione assistita dei veicoli eseguita tramite simulazioni al computer e presentazioni in realtà virtuale. Nei nuovi laboratori di sviluppo si utilizzano i computer per creare un modello tridimensionale e realistico che integra sia gli organi meccanici sia la carrozzeria. Tramite questi modelli è possibile analizzare una nuova auto senza che si sia realizzato nemmeno un modello in scala. Le prove in galleria del vento e i crash test vengono eseguiti sul modello virtuale e i risultati permettono di adeguare il progetto mentre ancora è in fase di studio. La BMW e la Mercedes hanno attivato anche un servizio sperimentale di telediagnosi basata sulla stessa tecnologia utilizzata durante le gare di Formula 1. Il sistema, installato sulle vetture di gamma più elevata, è in costante contatto con il centro diagnostico della casa madre e il conducente viene informato di qualsiasi problema prima ancora che questo venga segnalato attraverso le tradizionali spie. Le informazioni raccolte possono anche essere utilizzate per migliorare la progettazione dei veicoli e per monitorare la qualità della produzione. L'industria dell'automobile deve anche confrontarsi con i problemi del traffico e, a tal fine, sono nate collaborazioni con gli enti preposti alla circolazione stradale così come con i comuni e le regioni. Il risultato di questi studi sono sistemi integrati di automobile, semafori e strade che dialogando tra loro permettono di fluidificare il traffico. In questo campo sono molto avanzate le ricerche portate avanti dalla FIAT e dal Comune di Torino e, all'estero, da parte della BMW e della Bosch con un sistema che dovrebbe funzionare senza dotare strade e semafori di sistemi intelligenti. Il progetto della FIAT riguarda anche le autostrade con tentativi di autoguida; mentre il sistema BMW implica un colloquio continuo tra veicoli, anche di marche differenti, che si segnalerebbero a vicenda ostacoli, condizioni meteo e intensità del traffico. BMW, Honda e FIAT sono anche all'avanguardia per quanto riguarda l'integrazione uomo macchina con dispositivi a comando vocale capaci di interagire con il guidatore. Tali sistemi possono rispondere a domande generiche (informazioni su negozi, ristoranti, voli) collegandosi con Internet e con altre fonti di dati senza distrarre il conducente dell'auto.