Sistemi Controllo Veicolo Universit di Modena Giugno 2003

Sistemi Controllo Veicolo Università di Modena Giugno 2003 Nicola Porciani

Sistemi Controllo Veicolo Sommario Introduzione Influenza dei controlli sulla Dinamica Veicolo CDC: Continuos Damping Control Ediff: Differenziale elettronico ESP / ABS /ASR Definizione e sintesi del target del controllo Compromesso meccatronico Work flow sviluppo di un sistema di controllo Integrazione dei sistemi di controllo Conclusioni

Sistemi Controllo Veicolo ESP Controllo di stabilità direzionale: ü Agisce su coppie motrici o frenanti sulla singola ruota Z ASR - MSR Controllo di trazione: ü Regola la coppia erogata dal motore Y EDIFF X CDC (Sky Hook) Continuous damping control ü Varia lo smorzamento dell’ammortizzatore ABS - EBD Controllo d’imbardata: ü Ripartisce la coppia motrice Controllo antibloccaggio in frenata: ü Ripartisce la pressione frenante sulle quattro ruote

Sistemi Controllo Veicolo Controlli Dinamica Veicolo ABS ESP CDC Anti Blocking System Electronic Stability Program Continuos Damping Control E-Diff Electronic Differentilal Active Roll Stabilizer Sb. W Load Levelling ASR Powertrain ESP Steer by Wire Air springs Active Suspension Longitudinal Dynamics Lateral/Yaw Dynamics Vertical/Roll/Pitch Dynamics

Sistemi Controllo Veicolo Il ruolo dei pneumatici Tutti i sistemi di controllo dinamica veicolo sono ovviamente progettati tenendo conto delle caratteristiche dei pneumatici (INTERFACCIA FRA VEICOLO e AMBIENTE) Alcuni richiami 1. La forza massima risultante sul piano Fxy è funzione del carico verticale Fz agente sul pneumatico 2. La dipendenza di Fxy da Fz non è lineare ma raddoppiando Fz la Fxy aumenta molto meno 3. 4. Fxy è la composizione di Fx (longitudinale: motrice, frenante) e Fy (laterale: sterzo) secondo un legame ellittico Fxy = (a*Fx 2+b*Fy 2)1/2 4. A parità di carico Fz sull’asse (ant o post) un trasferimento di carico laterale dovuto a una Ay, la risultante di forza laterale dell’asse si riduce per la proprietà (2) (quello che guadagna la ruota che si carica è meno di quello che perde la ruota che si scarica)

Sistemi Controllo Veicolo Il ruolo dei pneumatici Alcuni sistemi agiscono direttamente sulle forze scambiate sul piano Fx e Fy: (dinamica Longitudinale e laterale) ESP, ABS, ASR, EDIFF, Sb. W Altri sistemi agiscono indirettamente sulla dinamica nel piano, agendo sulla variazione nel tempo e sulla distribuzione sui 4 corner di carico verticale Fz (dinamica verticale) CDC, Active. Anti. Roll. Bar, Active Suspension, Air Springs

Sistemi Controllo Veicolo CDC Skyhook

Sistemi Controllo Veicolo CDC Skyhook

Sistemi Controllo Veicolo CDC Skyhook

Sistemi Controllo Veicolo CDC Skyhook: Controllo In Smorzamento Skyhook: Controllo In Forza

Sistemi Controllo Veicolo CDC Skyhook

Sistemi Controllo Veicolo CDC Skyhook

Sistemi Controllo Veicolo CDC Skyhook Accelerazione laterale Accelerazione verticale cassa 1 CALCOLO SEGNALI Corrente 1 Accelerazione verticale cassa 2 Corrente 2 Accelerazione verticale cassa 3 Accelerazione verticale ruota 1 CALCOLO FORZE Corrente 3 Accelerazione verticale ruota 2 Velocità avanzamento vettura Segnale pedale freno CALCOLO CORRENTI Corrente 4

Sistemi Controllo Veicolo CDC: sistema non lineare Forte non linearità del sistema Non si possono usare le tecniche classiche LQR – LQG – Root Locus Tecniche di controllo non lineari: esempio Reti Neurali

Sistemi Controllo Veicolo CDC: Ritardi di attuazione Asimmetria di comportamento!!!! 0 m. A 1800 m. A

Sistemi Controllo Veicolo CDC: Tolleranze di Produzione Forte influenza della Tolleranza di produzione dell’Hw (shockabsorbers) Su Performance del veicolo (Delta QP driver: -/-1) Identificazione Caratteristiche Ammorizzatori con prove semplici ma metodologia robusta e tuning parametri differente per compensare Hw Feedback in Forza con cella di carico MA Problematico il reperimento sul mercato di sensori automotive e basso costo Messa a punto di un Observer Estimatore (deve essere sufficientemente preciso

Sistemi Controllo Veicolo CDC: limiti HW e SW Una strategia di controllo migliore incrementa Le performance ma sempre all’interno di un inviluppo determinato dall’achitettura sospensione Comfort P 1 SW 1 P 2 P 1 2 1 SWP 2 2 3 MAX SW 3 Config Sospensione 1 Config Sospensione 2 Config Sospensione 3 Handling

Sistemi Controllo Veicolo Sviluppo sistemi sospensione Incremento di performance vs Costi !!!!

Sistemi Controllo Veicolo Differenziale elettronico

Sistemi Controllo Veicolo EDIFF wext > wint 0. 5*Cdiff Differenziale libero 0. 5*Cdiff Differenziale autobloccante passivo wext > wint (0. 5 -a)*Cdiff a = percentuale di bloccaggio Cdiff (0. 5+a)*Cdiff wint wext > wint Cext Cdiff Differenziale attivo 20

Sistemi Controllo Veicolo EDIFF Comportamenti indesiderati causati dal differenziale passivo ZF SOTTOSTERZO • Ruota interna più lenta dell’esterna • Trasferimento di coppia verso la ruota interna SOVRASTERZO • Controllabile da piloti esperti (in pista) • Da evitare in normali condizioni di utilizzo • Influenza il tuning delle sospensioni 21

Sistemi Controllo Veicolo Differenziale elettronico Comportamenti indesiderati causati dal differenziale passivo ZF Bassa accelerazione laterale (curve ad ampio raggio o velocità basse) SOTTOSTERZO Alta accelerazione laterale (curve a piccolo raggio o velocità elevate) SOVRASTERZO Libero ZF 22

Sistemi Controllo Veicolo EDIFF: logica di controllo Veicolo Logica Feed-Forward Soglia - PI COPPIA DI BLOCCAGGIO • Loop aperto per determinare la soglia in funzione dello stato del veicolo Si anticipa la dinamica del veicolo (il sovrasterzo evolve velocemente) • Loop chiuso per attuare la soglia La coppia di bloccaggio richiesta è determinata in base all’errore tra Soglia e DVx 23

Sistemi Controllo Veicolo EDIFF: riflessioni -Il differenziale elettronico produce delle performances veicolo migliori a patto di adattare l’assetto elastico della vettura: NESSUN SISTEMA DI CONTROLLO FUNZIONA SE “APPESO” AD UN SISTEMA PASSIVO PROGETTATO SENZA TENERNE DI CONTO (COMPROMESSO MECCATRONICO) -Il differenziale elettronico se ben progettato (sw e hw) aiuta a rendere stabile la vettura e allontana la soglia di intervento dell’ESP ma: CI SONO FORTI INTERAZIONI SOPRATTUTTO CON ASR (TRACTION CONTROL) CHE NON POSSONO ESSERE TRASCURATE, IN CASO CONTRARIO I BENEFICI SONO MINIMI E C’E’ IL RISCHIO DI AVERE UNA DINAMICA VEICOLO COMPLESSIVAMENTE DETERIORATA (INTEGRAZIONE DEI SISTEMI DI CONTROLLO)

Sistemi Controllo Veicolo ESP

Sistemi Controllo Veicolo ESP: force and moments on the car

Sistemi Controllo Veicolo ESP: Componenti Sistema

Sistemi Controllo Veicolo ESP: layout componenti in vettura

Sistemi Controllo Veicolo ESP: vehicle variables and definitions b lf v vx vy . y lr Fx Fy b

Sistemi Controllo Veicolo ESP: equazioni

Sistemi Controllo Veicolo ESP From the linear bicycle model (l is the wheel base) The lateral acceleration can not exceed the road friction coefficient

Sistemi Controllo Veicolo ESP: yaw rate for linear model

Sistemi Controllo Veicolo ESP: ASR

Sistemi Controllo Veicolo ESP: step steer

Sistemi Controllo Veicolo ESP: Beta e Yaw Rate – step steer

Sistemi Controllo Veicolo ESP: double lane change

Sistemi Controllo Veicolo ESP: double lane change

Sistemi Controllo Veicolo ESP: futuro L’ESP attuale si basa su un modello di veicolo semplificato lineare che ha la funzione di monitorare il comportamento reale vettura e confrontarlo con quello desiderato Il modello observer si basa su caratteristiche nominali dei parametri veicolo. Un esempio per tutti le rigidezze dei pneumatici. Non tiene conto delle tolleranze nella produzione dei componenti MA soprattutto Non tiene conto del degrado dei componenti durante l’utilizzo. Sono allo studio e in futuro saranno introdotti modelli di veicolo adattativi, che identificano il comportamento reale di QUEL veicolo e aggiornano i parametri dell’observer (identificazione tramite reti neurali)

Sistemi Controllo Veicolo Definizione Target settings Non esistono Norme std FAR - JAR MIL

Sistemi Controllo Veicolo Definizione Target settings

Sistemi Controllo Veicolo Definizione Target settings

Sistemi Controllo Veicolo Definizione Target settings: CRF

Sistemi Controllo Veicolo Definizione Target settings: CRF

Sistemi Controllo Veicolo Compromesso Meccatronico

Sistemi Controllo Veicolo Control Design Work flow

Sistemi Controllo Veicolo Integrazione dei sistemi di controllo

Sistemi Controllo Veicolo Integrazione per manovre CDC ABS /ASR Frenata / Trazione EDIFF ESP Handling / Stabilità

Sistemi Controllo Veicolo Integrazione dei sistemi di controllo Architectura Funzionale: Quali sono i rapporti e gli ordini tra le varie funzioni del veicolo? Architectura Software: Come possono venire realizzate in software le funzioni del veicolo? Hardware Distribuito: Come possono venire realizzate in hardware le funzioni del veicolo? Architectura di Rete: Come riescono a comunicare gli elementi del sistema? PAPST PAST FUTURO

Sistemi Controllo Veicolo Integrazione: Scambio di Informazioni L’integrazione dei sistemi di controllo implica un forte scambio di informazioni fra le varie ECU (Electronic Control Units) che gestiscono I singoli sistemi Attualmente la condivisione di informazioni fra le ECU avviene tramite un BUS Automotive denominato CAN Tramite questo BUS digitale vengono trasferite informazioni relative ai sensori utiliizzati (sensori di pressione, velocità, accelerometri, angolo sterzo. . ) e allo stato del sistema stimata (es: coppia motore, beccheggio, …. ) Ogni ECU è al tempo stesso sender e receiver di alcuni messaggi (NODO) Le informazioni sono inviate in pacchetti chiamati MESSAGGI. Dentro ogni pacchetto sono ordinate le singole informazioni. I NODI intrepretano I pacchetti secondo un protocollo relativo alla CAN e condiviso da ogni Ecu, chiamato MAPPA MESSAGGI CAN

Sistemi Controllo Veicolo Integrazione: Scambio di Informazioni La necessità di scambio di informazioni è alta ma: -il bus CAN ha dei limiti fisici di baudrate di trasmissione che limita il massimo numero di informazioni trasmissibili -la velocità di trasmissione dei dati talvolta è inferiore a quella necessaria per un sistema di controllo. Esempio: l’ESP pubblica l’Ay, le Vruote, la Vimbardata ogni 20 ms!!!! Troppo lento per il controllo di alcune dinamiche!!! In futuro si passerà da una architettura distribuita ad una ECU Coordinatrice che gestirà l’algoritmo di veicolo e le altre saranno asservite ad essa con la funzione di attuazione del comando.

Sistemi Controllo Veicolo Integrazione: nuova architettura Supervisor Dinamica Veicolo Coordinatore Autotelaio Veicolo EDIFF Sterzo sospensionii Air springs ESP Coordinatore Powertrain Veicolo Engine Gearbox 4 WD ESP

Sistemi Controllo Veicolo Integrazione: Futuro Alcuni componenti elettronici nel Veicolo 1980 Sistemi Controllo Veicolo 1990 Integrazione dei Sistemi Collegamenti di Rete tra Veicolo & Ambiente Esterno 2000 2010 Sicurezza, Basso Inquinamento, Guida Divertente & Comfort

Sistemi Controllo Veicolo Grazie per l’attenzione. Nicola Porciani Vehicle Dynamics Dept. Ferrari S. p. A

Sistemi Controllo Veicolo CDC Skyhook: calcolo segnali back

Sistemi Controllo Veicolo CDC Skyhook: calcolo forze FHeave=k. Heave(Vvettura). VHeave. FPitch=k. Pitch(Vvettura). VPitch, FAyp=k. Ayp(Vvettura). d. Ay/dt FWh=k. Wh (Vvettura). Vwheel FAy=k. Ay(Vvettura). Ay FRoll=k. Roll(Vvettura). VRoll, back

Sistemi Controllo Veicolo CDC Skyhook: corrente attuazione 0 m. A Forza Damper I_damper (tn) F_richiesta (tn) 1800 m. A V damper V_damper (tn) back