Implementazione in ambiente multibody di un sistema di controllo della stabilità per veicoli multimotore

La sempre crescente richiesta di sicurezza a bordo delle vetture, sia a livello legislativo, che da parte degli utenti, ha portato negli anni allo sviluppo di sistemi di sicurezza sempre piu evoluti. Tali sistemi si possono dividere in sistemi passivi, che riducono le conseguenze sui passeggeri in seguito ad un urto, e sistemi attivi che hanno lo scopo di prevenire la perdita di controllo del veicolo da parte del guidatore.

Fra questi ultimi in particolare sono diventati obbligatori per l’omologazione delle vetture in Europa i sistemi di antibloccaggio dei freni ABS e di controllo di stabilità ESC (regolamento CE N.661/2009 del 13 Luglio 2009). Nell’ambito del progetto del Dipartimento di Meccanica e Tecnologie Industriali dell’Università di Firenze, che sta realizzando un veicolo laboratorio con lo scopo di valutare sistemi di gestione della dinamica di marcia e di gestione dell’energia disponibile a bordo di veicoli stradali, si inserisce lo sviluppo di un algoritmo denominato AVS (Active Vehicle system) che realizza il controllo della stabilità sfruttando solo grandezze facilmente misurabili a bordo della vettura; inoltre, a differenza dei sistemi ESC tradizionali, può intervenire non solo in situazioni di emergenza ma anche in situazioni di marcia normale, approssimando un comportamento neutro del veicolo. L’obiettivo del presente lavoro è quello di presentare, tramite simulazioni multibody, il miglioramento del comportamento dinamico della vettura in presenza del sistema di controllo AVS. In particolare sono state effettuate le prove Steering pad, Steer reversal e Sine sweep, tramite le quali si evidenzia un incremento nelle prestazioni sia in situazioni stazionarie che transitorie. Tramite la prova Split-μ si mostrano i miglioramenti nella stabilità del veicolo in frenata su fondo ad aderenza differenziata. Infine si mostra come grazie al sistema AVS, la vettura superi il test di omologazione dei sistemi di controllo della stabilità denominato “Sine with dwell”. La vettura scelta come base è una FIAT Panda VAN 1.1 trasformata in un veicolo ibrido (termico-elettrico) con l’installazione di due motori elettrici sull’asse posteriore. Al fine di valutare il comportamento del sistema di controllo AVS ed affinarne il funzionamento prima dell’installazione sullavettura, si è scelto di utilizzare il software MSC Adams/Car®, un ambiente di simulazione multibody specifico per la modellazione di autovetture.

La realizzazione del modello complessivo (assembly) si basa sulla definizione dei vari sottosistemi (subsystem) in cui viene idealmente suddiviso il veicolo, tipicamente:

· sospensione anteriore
· barra antirollio
· sospensione posteriore
· telaio
· motore e cambio
· sterzo
· ruote
· impianto frenante
· sistemi di controllo (ABS, ESC, …)

Ogni subsystem si basa a sua volta su un template, che contiene la struttura generica del componente in esame (ad esempio sospensione McPherson,sospensione a quadrilatero, etc…).

Per la realizzazione della sospensione posteriore e della barra antirolliosi sono introdotti anche  corpi flessibili.

Le grandezze in ingresso scelte per valutare il comportamento del veicolo nel sistema AVS sono:

· accelerazione laterale dell’asse anteriore
· accelerazione laterale dell’asse posteriore
· velocita d’imbardata

Mentre le grandezze scelte per valutare la volontà del guidatore sono:

· angolo di sterzo
· coppia motrice (frenante)

La logica di controllo prevede, da un lato, la costruzione di un modello diriferimento lineare della vettura i cui parametri dinamici vengono confrontati in tempo reale con i parametri letti a bordo della vettura, e dall’altro la realizzazione di un sistema di controllo che forza il veicolo a comportarsi per quanto possibile in maniera simile al riferimento.

Il sistema, sviluppato con Matlab Simulink, si basa principalmente su due blocchi:
· il primo è il modello di riferimento monotraccia lineare della vettura che riceve in ingresso angolo di sterzo e coppia motrice e restituisce i valori ideali (ovvero che avrebbe il veicolo se avesse un comportamento neutro) di velocita di imbarda, accelerazione laterale anteriore e accelerazione laterale posteriore;
· il secondo è il blocco che decide, in base alla differenza tra questi valori ideali e i valori reali letti dai sensori a bordo della vettura, la coppia di imbardata necessaria da applicare per avvicinarsi al comportamento ideale. Il funzionamento di questo blocco si basa su tre controllori PID che ricevono in ingresso lo scostamento dei valori rispettivamente di accelerazione laterale anteriore, accelerazione laterale posteriore e velocità d’imbardata, e restituiscono, scegliendo opportune costanti moltiplicative, la coppia d’imbardata correttiva necessaria.

Viene quindi realizzato un elemento di libreria (file .dll)  ed importato  in Adams che genera un file .ESL una serie di parametri che è possibile modificare direttamente senza doverricompilare la libreria.

Una volta realizzato il modello multibody del veicolo, e integrato il sistema di controllo, sono state eseguite una serie di prove per verificarne il funzionamento evalutare l’effetto del sistema di controllo sulla dinamica di marcia:

· Steering pad
· Steer reversal
· Split-μ
· Sine sweep
· Sine with dwell

Tesi di Laurea di: Daniele Vitaliti

Relatore: Prof. Ing. Renzo Capitani, Ph.D. Ing. Claudio Annicchiarico