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UNITA' DI RICERCA

italiano - english
Bibliografia
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Programma di ricerca

CONTROLLO DI SISTEMI EVOLUTI DI TRASMISSIONE, SOSPENSIONE, STERZATA E FRENATA PER LA GESTIONE DELLA DINAMICA VEICOLO
Università di riferimento
Politecnico di TORINO - AUTOMATICA E INFORMATICA - TORINO(TO)
Responsabile dell'Unità di ricerca
Vito CERONE
Descrizione
L'unità del Politecnico di Torino sarà impegnata lungo le seguenti linee di ricerca: (1) modellistica, identificazione e controllo della dinamica verticale del veicolo e (2) controllo della dinamica laterale del veicolo.

L'attività di ricerca sarà coordinata in particolare con quella delle unità che si occupano di problematiche connesse agli argomenti sopra elencati. Sul versante metodologico, l'unità del Politecnico di Torino renderà disponibili le proprie peculiari competenze nel campo dell'identificazione Set Membership.

(1) Modellistica, identificazione e controllo delle dinamiche verticali del veicolo.

Questa attività di ricerca sarà focalizzata sui seguenti temi: (1.a) progetto di sistemi di controllo per sospensioni semi-attive basato su tecniche MPC, usando modelli semplificati lineari per il progetto e modelli accurati SM strutturati per la valutazione delle prestazioni; (1.b) sviluppo di un modello full-car usando il metodo di identificazione SM strutturato; (1.c) progetto di sistemi di controllo per sospensioni semi-attive basato su tecniche MPC, usando modelli SM strutturati.

Il progetto di sistemi di controllo per sospensioni semi-attive basato su tecniche MPC può essere formulato come un problema di ottimizzazione di un opportuno indice quadratico che tiene conto delle specifiche di prestazione. Il vincolo di passività definisce una regione non convessa nella quale la forza della sospensione deve giacere. L'utilizzo di tecniche di programmazione intera mista permette di ricondurre la procedura di progetto ad un problema di ottimizzazione convesso con vincoli logici. In questo contesto, risulta che l'uso di tecniche predittive permette di ridurre significativamente i picchi delle accelerazioni verticali sulla cassa del veicolo rispetto alle ben collaudate tecniche Skyhook e "clipped", permettendo di ottenere un livello di comfort più elevato. Da un punto di vista pratico, l'applicazione diretta del controllo MPC è problematica, in quanto richiede la soluzione di un problema di ottimizzazione in un tempo inferiore ad un periodo di campionamento, che è dell'ordine di 1 – 2 millisecondi. Al fine di superare questo problema, l'unità del Politecnico di Torino svilupperà un' implementazione in tempo reale "veloce" del controllo MPC. L'idea alla base di tale implementazione è che una legge di controllo predittivo è una funzione statica dello stato del sistema che soddisfa proprietà di regolarità quali la continuità di Lipschitz. Questa funzione nonlineare può essere allora efficacemente approssimata con l'accuratezza desiderata usando il metodo Nonlinear Set Membership (NSM) recentemente sviluppato dall'unità di Torino. Poiché il progetto dell'algoritmo di controllo è basato su modelli semplificati delle sospensioni (ad esempio quarter/half car lineari), al fine di compiere dei test più attendibili sulle prestazioni che possono essere ottenute mediante le leggi di controllo messe a punto, è necessario un modello delle sospensioni più accurato. I modelli SM strutturati sviluppati dall'unità di Torino possono essere convenientemente utilizzati per questo scopo. Il metodo di identificazione SM strutturato è basato sulle seguenti idee. Nel caso di sistemi complessi come i veicoli con sospensioni semi-attive, l'accuratezza di modelli ottenuti dalle equazioni fisiche non è soddisfacente, principalmente a causa della complessità delle leggi che governano le sospensioni, le ruote ed i pneumatici. Un approccio alternativo, utile quando la modellazione fisica non fornisce buoni risultati, consiste nell'identificare modelli ingresso-uscita (black-box), nella forma di regressione nonlineare di valori passati degli ingressi e delle uscite. Tuttavia, anche usando tecniche black-box, non si riesce ad ottenere una modellazione accurata, a causa della elevata dimensione dello spazio dei regressori. Si può adottare allora un approccio strutturato, che utilizza l'informazione fisica riguardante la struttura di interconnessione del sistema, decomponendolo così in sottosistemi. Grazie a questa decomposizione, il problema di identificazione ad elevata dimensione viene ridotto all'identificazione di sottosistemi a bassa dimensione e alla stima delle loro interazioni. Il metodo di identificazione Set Membership Nonlineare (NSM) sviluppato dall'unità può essere utilizzato per l'identificazione dei sottosistemi nonlineari che rappresentano le sospensioni controllate, le ruote e i pneumatici. Il metodo NSM non richiede la scelta della forma funzionale delle nonlinearità, ma utilizza solo assunzioni sulla loro regolarità, la cui attendibilità può essere verificata mediante un'analisi di validazione. In questo modo, vengono evitati i problemi di complessità/accuratezza che derivano dalla scelta della parametrizzazione delle nonlinearità coinvolte.
Al fine di progettare una legge di controllo MPC basata su un modello più realistico e di eseguire un'analisi più approfondita e accurata del comportamento delle sospensioni controllate, l'unità del Politecnico di Torino applicherà il metodo SM strutturato all'identificazione di un modello full-car.


(2) Controllo della dinamica laterale del veicolo.

L'attività di ricerca in questo campo sarà focalizzata sugli argomenti specifici del controllo cooperativo della dinamica laterale del veicolo (2.a) e della stabilizzazione del moto di imbardata (2.b).

(2.a) Controllo cooperativo della dinamica laterale

L'obbiettivo dell'attività di ricerca è il progetto di una struttura di controllo che permetta la cooperazione tra il pilota umano e un controllore automatico dello sterzo al fine di aumentare la guidabilità del veicolo e la sicurezza del pilota. Il ruolo del controllore automatico è quello di sfruttare le informazioni sulla posizione dell'autovettura, fornite dal sistema di visione, per stabilizzare il veicolo e per sollevare il pilota dal compito del mantenimento della corsia.
Il progetto di tale sistema farà uso esteso delle metodologie per l'identificazione di modelli di incertezza e per il progetto di controllori robusti recentemente sviluppate dall'unità di ricerca del Politecnico di Torino. Più specificatamente, l'identificazione Set-membership H_infinito sarà utilizzata per determinare modelli incerti sia del veicolo sia del comportamento dinamico del pilota umano. Quindi, sulla base di tali modelli identificati, sarà progettato il sistema di controllo cooperativo, sfruttando (i) una nuova tecnica di progetto di controllori robusti a due gradi di libertà e (ii) le proprietà peculiari dei sistemi ad un ingresso e due uscite (SITO). Sia la fase di identificazione sia quella di progetto del controllore saranno effettuate utilizzando i tool Matlab denominati SMID (Set Membership IDentification) e GPC (Guaranteed Performance Computation) sviluppati dall'unita di ricerca del Politecnico di Torino.

(2.b) Stabilizzazione del moto di imbardata

Uno dei principali problemi nel controllo della dinamica del veicolo è la perdita di stabilità nel moto di imbardata dovuta, ad esempio, al vento laterale, alla perdità di pressione dei pneumatici, alla presenza di diverse condizioni del manto stradale, ecc. I sistemi commerciali di recupero della stabilità del moto di imbardata, chiamati Vehicle Dynamics Controller (VDC) o Electronic Stability Program (ESP), sono attuati o mediante azioni sterzanti o attivando la frenatura di una singola ruota. Ciò mette in evidenza l'esistenza di una stretta correlazione tra le manovra di frenatura e quella di sterzatura. La maggior parte dei sistemi VDC commerciali usa solo l'azione frenante essendo questa strategia più facilmente attuabile sfruttando il dispositivo ABS già esistente. Tuttavia, recenti ricerche condotte in ambito accademico riguardanti la stabilizzazione del moto di imbardata hanno messo in evidenza il potenziale miglioramento delle prestazioni ottenibile mediante l'uso combinato del sistema di frenatura e di quello di sterzatura.

L'obbiettivo dell'attività di ricerca è quello di sviluppare una nuova strategia per la stabilizzazione del moto di imbardata dell'autoveicolo. Innanzitutto sarà ricavato un opportuno modello della dinamica di imbardata del veicolo soggetto ad azione frenante. A causa della complessità del comportamento dinamico del sistema in studio, la modellazione mediante principi fisici non appare adeguata al fine di ricavare modelli matematici affidabili. D'altra parte le tecniche di identificazione Set-Membership per sistemi nonlineari sia generali sia di tipo strutturato a blocchi si sono dimostrate in grado di fornire modelli accurati di sistemi nonlineari a partire da un insieme di misure sperimentali di tipo ingresso-uscita. Quindi, tali tecniche, saranno utilizzate per derivare un modello della dinamica di imbardata del veicolo in una forma adeguata sia alla simulazione sia al progetto del controllore. La seconda fase riguarderà l'esame di nuove strategie di controllo per sistemi VDC basati sull'uso del dispositivo di frenatura. Più specificatamente sarà esaminata la possibilità di migliorare le prestazioni dei sistemi VDC/ESP usuali mediante stima in linea dell'angolo di assetto. La stima dell'angolo di assetto sarà effettuata mediante un opportuno osservatore per sistemi nonlineari il cui progetto sarà basato sulla teoria della stima Set-Membership. Una nuova struttura di controllo basata su tale osservatore sarà quindi progettata sulla base del modello precedentemente identificato e sfruttando le metodologie di controllo robusto sviluppate dall'unità di ricerca. La fase finale del progetto riguarderà l'implementazione e la verifica sperimentale delle soluzioni proposte, utilizzando un veicolo commerciale FIAT equipaggiato con un dispositivo di frenatura ABS.