Pruebas objetivas de dinámica de vehículos

Introducción

Las pruebas objetivas de dinámica de vehículos tienen un papel clave en el desarrollo y evaluación de un nuevo vehículo. La actividad de prueba se realiza para obtener:

• Benchmarking y fijación de objetivos.

• Desarrollo

• Verificación y validación

Las pruebas objetivas se utilizan cada vez más para correlacionar el modelo de simulación con los objetos físicos, lo cual es un factor clave para mejorar la precisión de la creación virtual de prototipos.

Para todas estas tareas, es muy importante tener resultados de prueba confiables y precisos, para evitar errores en el proceso de diseño, desarrollo o (aún peor) de establecimiento de objetivos. La aplicación de las normas ISO y los sólidos procedimientos de prueba heredados son buenas prácticas para la implementación de un proceso de prueba confiable. Cada fabricante de automóviles o proveedor de sistemas tiene sus propios procedimientos, que son el resultado de la memoria técnica y los conocimientos específicos. Sin embargo, las normas ISO son una base común de conocimiento y recomendaciones ampliamente aceptadas, que son esenciales para obtener buenos resultados de las pruebas. También proporcionan un conjunto "mínimo" de maniobras de prueba para cubrir los aspectos principales del comportamiento del vehículo en dinámica lateral, longitudinal y de acoplamiento cruzado (combinado), como se muestra en la imagen de arriba.

De cada tipo de prueba, los ingenieros de dinámica de vehículos obtienen una serie de métricas de rendimiento, que permiten hacer una imagen objetiva del comportamiento del vehículo en diferentes condiciones de prueba. Otro factor clave para la eficiencia y confiabilidad de las pruebas es la implementación de un sistema de automatización y validación de pruebas, que está en el objeto de esta nota de aplicación.

Requerimientos en general (ISO 15037):

Configuración de medición

SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS Configuración de prueba típica para la dinámica del vehículo

• SIRIUS o

• DEWE-43A o

• cualquier dispositivo de adquisición de datos compatible con unidad inercial de medición DS-IMU2

SENSORES

• DS-IMU2 (en el puerto CAN)

• IMU de una marca competidora (en entrada analógica)

• Sensor óptico de velocidad y ángulo de deslizamiento lateral (en entrada analógica)

• Medición de volante (en entrada analógica)

SOFTWARE

• DewesoftX

• Plugin DS-IMU2

• Canales Matemáticos

• Secuenciador – Casos de pruebas

• Pantalla y configuración matemática

Análisis

Requerimientos técnicos

Obtener métricas objetivas confiables es una cuestión de la aplicación adecuada de los procedimientos de prueba, sensores de alta calidad y sistema de medición, un buen controlador, capaz de accionar comandos casi como un robot en maniobras de prueba de bucle abierto, así como el procesamiento correcto de la señal y el análisis de datos. La tabla a continuación resume los principales problemas de medición, principalmente relacionados con la precisión del sensor y del sistema de medición, y los elementos principales para un procesamiento adecuado de la señal, teniendo en cuenta los filtros, los efectos de posición del sensor y los efectos de inclinación de la carretera del vehículo con sensores.

Problemas típicos de medición

• Precisión del ángulo de deslizamiento (ruido, deriva, posición del sensor)

• Precisión de balanceo y cabeceo (deriva)

• Alta dinámica

• Sincronización

• Precisión de rango estrecho

• Amplio rango de precisión

• Resolución y precisión de GPS + IMU

Requiremientos generales (ISO 15037)

• Precisión de sensores y registradores, adquisición de datos, filtrado, postprocesamiento

• Compensación de la posición del sensor para el ángulo de deslizamiento y la velocidad:

• Traducción del punto de medición al punto de referencia (COG)

• Compensación de la posición del sensor por aceleración:

• Traducción del punto de medición al punto de referencia (COG)

• Compensación del efecto gravitacional (inclinación):

• Componente G debido al balanceo y cabeceo del cuerpo

• Componente G debido a la inclinación del suelo (roll y pitch)

 Estos elementos se mostrarán tomando algunos archivos de datos como el estudio de caso, relacionado con una prueba de referencia de DS-IMU2 frente a la IMU de un competidor realizada por una compañía internacional en Italia en el campo de pruebas de uno de sus clientes italianos.

Filtrado y sincronización

El primer punto es administrar diferentes fuentes de datos: los canales de AI pasan a través de filtros anti-aliasing, por lo que no es posible comparar directamente las señales IMU de la competencia con el DSIMU2. Es posible aplicar filtros similares a los canales digitales de DS-IMU2, para tener la misma ganancia y cambio de fase que la AI. El resultado se muestra a continuación para la "tasa raw" del canal, que no requiere ninguna compensación adicional. Luego, los canales del sensor óptico se traducen hacia adelante en el tiempo para compensar el retraso del filtro interno (64 ms en este caso).

• Ref_YawRate: tasa yaw del competidor (referencia) IMU en Al con el filtro anti-alias

• Angular_velocity_Z:  tasa yaw del DS-IMU2 "as it is"!

• Angular_velocity_Z/IIRFilter: tasa yaw del DS-IMU2, filtrado con el filtro matemático de Dewesoft

Traducción de velocidad y ángulo de deslizamiento lateral

• El segundo paso es traducir el ángulo de deslizamiento de DS-IMU2 y del sensor óptico al mismo punto de evaluación. Después de ser traducidos hacia adelante, los canales del sensor óptico son sincrónicos con los otros AI, en particular con la salida de la IMU. Luego, el ángulo de deslizamiento y la velocidad se trasladan de la ubicación del sensor al punto de evaluación, utilizando las velocidades angulares de la IMU. Los datos de DS-IMU2 se tradujeron al mismo punto de evaluación utilizando velocidades angulares del propio DS-IMU2, sin la necesidad de sincronizarlos entre sí. El resultado se muestra en la imagen de la derecha.

• Beta: ángulo de deslizamiento lateral desde el sensor óptico

• Slip_angle: ángulo de deslizamiento lateral desde el DS-IMU2

• Beta_C: ángulo de deslizamiento lateral desde el sensor óptico desplazado en el tiempo y compensado

• (efecto de posición del sensor), es decir, traducido al punto de evaluación

• Slip_Angle_C/IIRFilter: ángulo de deslizamiento lateral de DS-IMU2 compensado y filtrado

Compensación del efecto de inclinación (gravitacional)

• Finalmente, se considera la compensación del efecto gravitacional debido a la inclinación general de balanceo y cabeceo. En general, el problema tiene que ser manejado por la matriz de rotación, que define la orientación de la IMU con respecto al marco de coordenadas de la tierra o al suelo. Sin embargo, podemos simplificar las cosas si asumimos que conducimos en una superficie horizontal plana y con pequeños ángulos de balanceo y inclinación (debido solo al movimiento del cuerpo del vehículo). En el caso de la dinámica lateral, consideramos la compensación en Ay en un plano horizontal relacionado con el ángulo de balanceo:

Aquí estamos asumiendo un sistema de referencia basado en ISO, con el eje X alineado con el eje medio del vehículo apuntando hacia adelante, el eje Y apuntando hacia la izquierda y el eje Z apuntando hacia arriba. El eje IMU gira con el eje del vehículo. Los ejes X '' (no se muestran) Y '' y Z '' solo siguen la rotación del vehículo en el plano del suelo (horizontal), pero Z 'siempre apunta hacia arriba y X' e Y 'se mantienen en el plano horizontal. El ángulo de balanceo se encuentra entre el eje Y_IMU y Y ', igual al ángulo entre el eje Z_IMU y Z'.

El DS-IMU2 proporciona tanto el Ay bruto como el Ay "verdadero", es decir, la aceleración lateral observada en el eje Y de la IMU y en el plano horizontal. De lo contrario, la compensación se puede calcular:

En la práctica, dado un vehículo con una rigidez de balanceo de 4 grados/g, la cantidad de esta compensación sobre la aceleración lateral en estado estable es de aproximadamente el 7%. Tenga en cuenta que para el chasis pasivo (es decir, el ángulo de balanceo en el lado opuesto del radio de la curva) siempre es negativo, es decir, la aceleración lateral en el plano horizontal es menor que la aceleración detectada en el eje Y de la IMU. Esto se debe al hecho de que el acelerómetro detecta un componente de aceleración lateral más un componente de aceleración g. Observe que las unidades no son las mismas: la aceleración de salida de DS-IMU2 en [m/s2], mientras que la salida de la otra IMU está en [g].

Prueba de automatización y validación

Se espera que una herramienta de automatización y validación de pruebas brinde varios beneficios clave tanto en la fase de preparación de las pruebas como en la fase de ejecución real de las maniobras de prueba en la pista. El objetivo final de un departamento de pruebas es implementar un proceso de prueba más eficiente y confiable, que definitivamente puede conducir a mejores resultados de prueba con menos esfuerzo. Estas son algunas características básicas de una herramienta de prueba de dinámica del vehículo:

• Proporcionar información al conductor sobre qué hacer, p. parámetros de prueba nominales (velocidad, frecuencia, etc.)

• Proporcionar información al conductor sobre lo que está haciendo, p. velocidad real vs. velocidad nominal.

• Implemente cálculos para realizar la verificación de validez de la prueba.

• Proporcionar retroalimentación al conductor sobre lo que estuvo bien o mal en la ejecución de la prueba

• Proporcione comentarios al conductor sobre qué hacer a continuación, p. repetir una ejecución de prueba o cambiar a un tipo diferente de prueba

• Implemente cálculos para obtener una vista previa de las métricas de rendimiento a bordo, p. distancia de frenado, respuesta escalonada, etc.

Los dos pasos, es decir, preparación y ejecución de las pruebas, se describen en las imágenes a continuación.

La fase de preparación en Dewesoft se basa principalmente en el entorno del proyecto, donde se definen algunas variables globales adecuadas para almacenar algunos parámetros clave relacionados con las propiedades del vehículo y la configuración del sensor.

El ingeniero de pruebas puede habilitar o deshabilitar varios casos de prueba predefinidos, de acuerdo con el protocolo de prueba requerido. Además, es posible agregar nuevos casos de prueba para cubrir nuevos tipos de pruebas. Cada caso de prueba hace referencia a una secuencia, que gestiona los parámetros y contadores de prueba y proporciona instrucciones al conductor sobre qué hacer, paso a paso.

En el automóvil, durante la ejecución de las pruebas, el conductor verá los mensajes provenientes del secuenciador y los medidores u otros controles visuales definidos en una configuración de prueba. Cada secuencia trata con una configuración de prueba dada, que contiene canales matemáticos específicos para calcular los parámetros o las métricas necesarias para la validación de la ejecución de la prueba frente a las condiciones nominales, p. velocidad, frecuencia de dirección, amplitud de dirección, etc. La secuencia proporcionará información al conductor sobre cuántas pruebas válidas realizó y cuándo puede cambiar a otro tipo de prueba.

Conclusión

En la primera parte de esta nota, se destacaron algunas características básicas que pueden ayudar en la actividad de prueba de dinámica del vehículo día a día. Estos elementos proporcionan una respuesta a los principales requisitos técnicos solicitados por las normas de prueba ISO para la dinámica del vehículo:

• El uso de filtros Dewesoft y matemática de canales de retraso para comparar datos de diferentes sensores y fuentes (AI vs. CAN / plugin)

• El uso de fórmulas matemáticas básicas para compensar el efecto de compensación (es decir, el efecto de ubicación) de los sensores de velocidad y sensores de aceleración

• Cómo lidiar con problemas relacionados con la inclinación del cuerpo y/o la carretera en mediciones de aceleración con DSIMU2 y canales matemáticos

Finalmente, se introdujo una solución de automatización de prueba, concebida para soportar activamente el controlador durante la ejecución de una sesión de prueba predefinida, incluida una verificación de validación de cada ejecución de prueba. Esta solución se basa en casos de prueba, secuencias y configuraciones matemáticas específicas, y se espera que mejore la efectividad de las pruebas de dinámica del vehículo en un grado notable.