Riassunto analitico
Negli ultimi dieci anni le automobili e i veicoli industriali hanno subito una significativa trasformazione dovuta all'adozione di nuovi sistemi di sicurezza, assistenza per il conducente, infotainment e gestione energetica. Tutto questo è stato reso possibile grazie allo sviluppo di dispositivi integrati a basso costo per il rilevamento, l'elaborazione e la comunicazione dei dati. Infatti, da un lato, i potenti dispositivi di calcolo consentono di implementare tecniche avanzate per l'elaborazione delle misurazioni acquisite dai sensori veicolari; d'altra parte, la disponibilità di sistemi per comunicazione dati affidabili e veloci consente di soddisfare l’esigenza di traffico dati eterogeneo caratterizzante i veicoli moderni.
Questa tesi si concentra sui diversi metodi di elaborazione dei segnali e comunicazione dati che possono essere impiegati nei veicoli moderni. In particolare, la prima parte di questa dissertazione riguarda alcuni strumenti di elaborazione dei segnali che possono essere utilizzati per la stima delle dinamiche veicolari, vale a dire i metodi di filtraggio e di smoothing per modelli spaziali misti lineari/non lineari. Prima di tutto, un metodo di filtraggio noto, il metodo particellare Rao-Blackwellized o marginalizzato, viene analizzato in prospettiva di grafo di fattori; quindi, nuove tecniche di filtraggio semplificate per sistemi Gaussiani condizionatamente lineari (CLG) vengono derivate applicando la regola del prodotto di somma e l’utilizzo di diverse procedure di schedulazione riguardanti il passaggio di messaggi nel grafo MPF. Viene poi esaminato il problema del fixed-lag smoothing per modelli CLG. Infine, il grafo di fattori sviluppato per il problema del filtraggio viene utilizzato per elaborare nuovi algoritmi di Rao-Blackwellized particle smoothing. La seconda parte della tesi si concentra su due rilevanti problemi tecnici nelle applicazioni veicolari: a) lo sviluppo di modem powerline a banda stretta per comunicazioni dati all’interno del veicolo; b) l’utilizzo di radar a basso costo di tipo MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) SFCW (Stepped Frequency Continuous Wave) per la stima di range e angolo di bersagli in sistemi per applicazioni generiche. Innanzitutto, è dimostrato che modem compatti ed a basso costo possono essere implementati sfruttando la migliore tecnologia commercialmente disponibile per comunicazioni dati su smart grid. Infine, viene valutata per un radar MIMO SFCW commerciale l'accuratezza ottenuta utilizzando diversi algoritmi di stima.
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Abstract
In the last decade cars and industrial vehicles have undergone a significant transformation, thanks to the adoption of new systems for safety, driver-assistance, infotainment, and energy management. All this has been made possible by the development of low cost integrated devices for sensing, processing and communications. In fact, on the one hand, powerful computing devices allow to implement advanced techniques for processing the measurements acquired by vehicular sensors; on the other hand, the availability of systems for reliable and fast data communications allows to satisfy the needs of heterogeneous traffic characterizing modern vehicles.
This thesis focuses on different signal processing and data communication methods that can be employed in modern vehicles. In particular, the first part of this dissertation concerns some signal processing tools that can be employed for the estimation of vehicular dynamics, namely filtering and smoothing methods for mixed linear/nonlinear state space models. First of all, a famous filtering method, known as Rao-Blackwellized or marginalized particle filtering (MPF) is analyzed from a factor graph (FG) perspective; then, novel simplified filtering techniques for conditionally linear Gaussian (CLG) systems are derived applying the sum-product rule and different message passing scheduling procedures to the MPF graph. Then, the fixed-lag smoothing problem for conditionally linear Gaussian state-space models is investigated. Finally, the novel factor graph developed for the filtering problem is employed to devise new algorithms for Rao-Blackwellized particle smoothing. The second half of the thesis focuses on two relevant technical problems in vehicular applications, namely: a) the development of narrowband powerline modems for in vehicle data communications; b) the exploitation of low cost colocated MIMO frequency modulated radar for estimating range and angular information of targets in generic applications. First, it is shown that low cost and compact powerline modems can be really implemented exploiting state-of-the-art technology commercially available for data communications over the smart grid. Then, the accuracy achieved by different estimation algorithms devised for MIMO frequency modulated radars is assessed for a commercial device.
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