Test oggettivi di dinamica del veicolo

Introduzione

I test oggettivi di dinamica del veicolo hanno un ruolo chiave nello sviluppo e nella valutazione di un nuovo veicolo. L'attività di test viene eseguita:

• Benchmarking ed impostazione degli target

• Sviluppo

• Verifica e validazione

I test oggettivi vengono sempre più utilizzati per correlare il modello di simulazione agli oggetti fisici, cosa questa, che si rivela essere un fattore chiave per migliorare l'accuratezza della modellazione matematica.

E' molto importante avere risultati affidabili e precisi, al fine di evitare errori nella progettazione, nello sviluppo o (ancora peggio) nel processo di pianificazione degli obiettivi. L'applicazione degli standard ISO e le solide procedure di test proprietarie, sono buone pratiche per l'implementazione di un processo di test affidabile. Ogni produttore, di automobili o di sistemi, ha le proprie procedure che sono il risultato di esperienza tecnica e know-how specifico. Tuttavia, gli standard ISO sono una base comune di conoscenze e raccomandazioni ampiamente accettata, e sono essenziali per ottenere buoni risultati nei test. Forniscono anche un set "minimo" di procedure di test per coprire gli aspetti principali del comportamento del veicolo su dinamiche laterali, longitudinali e combinate, come mostrato dalla figura sopra.

Da ciascun tipo di test, i tecnici della dinamica, ottengono un'ampia serie di parametri sulle prestazioni che consente di ottenere un'immagine obiettiva del comportamento del veicolo nelle diverse condizioni di prova. Un altro fattore chiave per l'efficienza e l'affidabilità dei test è l'implementazione di un sistema di automazione e convalida dei risultati.

Requisiti generali (ISO 15037):

SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI. Tipica configurazione per test di dinamica del veicolo

• SIRIUS o

• DEWE-43A o

• qualsiasi dispositivo di acquisizione dati compatibile con l'unità di misura inerziale DS-IMU2

SENSORI

• DS-IMU2

• IMU da marchio concorrente (con interfaccia Analogica o CAN)

• Sensore ottico di velocità e angolo di slittamento (con interfaccia Analogica o CAN)

• Misura del volante (con interfaccia Analogica o CAN)

SOFTWARE

• DewesoftX

• DS-IMU2 plugin

• Canali matematici

• Sequencer – Test Cases

• Display e configurazione matematica

Analisi

Requisiti tecnici

Ottenere misure oggettive e affidabili è una questione legata alla corretta applicazione delle procedure di test, all'uso di sensori e sistemi di misura di alta qualità, all'avvalersi di un buon driver capace di attuare manovre quasi come un robot, nonché al correggere in maniera adeguata l'elaborazione dei segnali e l'analisi dei dati. La tabella riassume i principali problemi legati alle misure, per la maggior parte relativi all'accuratezza del sistema di misura e dei sensori, e gli elementi principali per un'elaborazione corretta del segnale. Il tutto tenendo conto dei filtri, degli effetti di posizione del sensore e degli effetti dell'inclinazione dei sensori-veicolo-strada.

Tipici problemi di misura

• Accuratezza su misura slip-angle (rumore, deriva, posizione del sensore)

• Accuratezza su misura roll e pitch

• Alta dinamica

• Sincronizzazione

• Accuratezza su range stretti

• Accuratezza su range ampi

• Risoluzione e accuratezza su misura GPS + IMU

Requisiti Generali  (ISO 15037)

• Accuratezza di sensori e registratori, acquisizione dati, filtraggio dati, post-elaborazione.

• Compensazione della posizione dei sensori per lo slip angle e la velocità:
  Traslazione dal punto di misura al punto di riferimento (COG)

• Compensazione della posizione del sensore per l'accelerazione:
  Traslazione dal punto di misura al puunto di riferimento (COG)

• Compensazione dell'effetto gravitazionale (inclinazione):
  Componente-G dovuto al rollio e al beccheggio del corpo
  Componente-G dovuto all'inclinazione del terreno (rollio e beccheggio)

Questi aspetti sono analizzati analizzando il caso del test di riferimento di una piattaforma DS-IMU2 rispetto ad una IMU concorrente, eseguito dalla società LEANE International Srl presso una pista di prova in Italia.

Filtraggio e sincronizzazione

Il primo punto è gestire diverse sorgenti dati: ad esempio i canali analogici passano attraverso i filtri anti-aliasing, quindi non è possibile confrontare direttamente i segnali IMU della concorrenza con quelli del DS-IMU2 che provengono da un bus digitale. Per confrontarli è necessario trattare i segnali della DS-IMU2 con filtri simili, così da avere lo stesso guadagno e lo stesso sfasamento degli analogici. Il risultato è mostrato nella figura sotto per il canale "imbardata", che non richiede ulteriori compensazioni. Quindi i canali dal sensore ottico sono compensati nel tempo compensare il ritardo del filtro interno (64ms in questo caso)

• Ref_YawRate: imbardata della piattaforma concorrente su ingressi analogici con filtri anti-aliasing

• Angular_velocity_Z: imbardata dalla piattaforma DS-IMU2 senza elaborazioni

• Angular_velocity_Z/IIRFilter: imbardata della piattaforma DS-IMU2, dopo filtraggio matematico

Traslazione di velocità ed angolo di slip

• Il secondo step è traslare lo slip angle misurato dalla DS-IMU2 e dal sensore ottico allo stesso punto di valutazione. Dopo essere stati rifasati, i canali dal sensore ottico sono sincroni con gli altri analogici, in particolare con l'uscita della IMU. Quindi l'angolo di slip e la velocità vengono traslati dalla posizione del sensore al punto di valutazione, utilizzando le velocità angolari dalla IMU. I dati dalla DS-IMU2 sono stati traslati nello stesso punto di valutazione utilizzando le velocità angolari dalla DS-IMU2 stessa, senza la necessità di sincronizzarli l'uno con l'altro. Il risultato è mostrato nella figura sotto.

• Beta: sideslip angle dal sensore ottico

• Slip_angle: sideslip angle dalla DS-IMU2

• Beta_C: sideslip angle dal sensore ottico, rifasato nel tempo e traslato (sensor position effect), nel punto di valutazione

• Slip_Angle_C/IIRFilter: sideslip angle dalla DS-IMU2 compensato e filtrato

Compensazione dell'effetto di inclinazione (gravitazionale)

Infine, viene presa in considerazione la compensazione necessaria per l'effetto gravitazionale dovuto all'inclinazione complessiva di rollio e beccheggio. In generale, il problema deve essere gestito con una matrice di rototraslazione, che definisce l'orientamento della IMU rispetto alla terna di coordinate veicolo o terreno. Tuttavia, possiamo mantenere le cose semplici se supponiamo di guidare su una superficie piana orizzontale e con piccoli angoli di rollio e beccheggio (dovuti solo al movimento del corpo del veicolo). Nel caso della dinamica laterale, consideriamo la compensazione su Ay su un piano orizzontale correlato all'angolo di rollio:

Qui stiamo assumendo un sistema di riferimento ISO, con l'asse X allineato all'asse centrale del veicolo diretto in avanti, l'asse Y diretto verso sinistra e l'asse Z verso l'alto. Gli assi IMU ruotano insieme al veicolo. L'asse X ' (non mostrato) Y' e Z ' seguono solo la rotazione del veicolo sul piano (orizzontale), con Z' che punta sempre verso l'alto mentre  X ' e Y' rimangono sul piano orizzontale. L'angolo di rollio si trova tra l'asse Y_IMU e Y ', uguale all'angolo tra gli assi Z_IMU e Z'.

Il DS-IMU2 fornisce sia l'Ay grezzo che il "vero" Ay, cioè l'accelerazione laterale osservata sull'asse Y dell'IMU e sul piano orizzontale. In caso contrario, la compensazione può essere calcolata:

In pratica, dato un veicolo con una rigidità di 4 deg/g, la compensazione in funzione dell'accelerazione laterale è di circa il 7%. Si noti che per il telaio passivo (cioè angolo di rollio sul lato opposto del raggio della curva) è sempre negativo, cioè l'accelerazione laterale sul piano orizzontale è minore dell'accelerazione rilevata sull'asse Y dell'IMU. Ciò è dovuto al fatto che l'accelerometro rileva un componente dell'accelerazione laterale più un componente dell'accelerazione g. Si noti inoltre che le unità non sono le stesse: l'accelerazione di uscita DS-IMU2 in [m/s2], mentre l'uscita dall'altra IMU è in [g].

Verifica automazione e convalida

Ci si aspetta che uno strumento di automazione e validazione dei test fornisca diversi vantaggi sia nella fase di preparazione dei test sia nella fase di esecuzione effettiva di test in pista. L'obiettivo finale per un reparto di test è quello di implementare un processo di test più efficiente e più affidabile il che, sicuramente, può portare a risultati di test migliori e con meno sforzo. Ecco alcune caratteristiche di base di uno strumento per test dinamici del veicolo:

• Fornire informazioni al driver su cosa fare, ad es. parametri di prova nominali (velocità, frequenza, ecc.)

• Fornire informazioni al driver su ciò che sta facendo, ad es. velocità effettiva vs. velocità nominale.

• Implementare i calcoli per eseguire il controllo di validità del test

• Fornire feedback al driver su ciò che è giusto o sbagliato nell'esecuzione del test 

• Fornire feedback al driver su cosa fare dopo, ad es. ripetere un giro di prova o passare a un diverso tipo di test

• Implementare i calcoli per ottenere un'anteprima delle metriche delle prestazioni a bordo, ad es. distanza di arresto, risposta graduale, ecc.

I due passaggi, vale a dire la preparazione e l'esecuzione dei test, sono descritti nelle immagini seguenti.

La fase di preparazione in Dewesoft si basa principalmente sull'ambiente di progetto, in cui sono definite alcune variabili globali adatte per memorizzare alcuni parametri chiave relativi alle proprietà del veicolo e alla configurazione del sensore.

Un elevato numero di casi test predefiniti può essere abilitato o disabilitato dal driver, in base al protocollo di test richiesto. Inoltre, è possibile aggiungere nuovi casi di test se necessario. Ogni caso di test esegue una sequenza, che gestisce i parametri di test, i contatori e fornisce istruzioni al driver su cosa fare, passo dopo passo.

Sul veicolo, durante l'esecuzione dei test, il driver vedrà i messaggi provenienti dal sequencer e dai contatori o altri controlli visivi definiti in una configurazione di test. Ogni sequenza riguarda una determinata configurazione di test, che contiene specifici canali matematici per calcolare i parametri o le metriche necessarie per la convalida dell'esecuzione del test rispetto alle condizioni nominali, ad es. velocità, frequenza di sterzo, ampiezza di sterzo, ecc. La sequenza fornirà informazioni al guidatore su quanti test validi ha eseguito e quando potrà passare a un altro tipo di test.

Conclusioni

Nella prima parte sono state evidenziate alcune funzionalità di base che possono aiutare nell'attività day-by-day di test di dinamica dei veicoli. Questo articolo fornisce una risposta ai principali requisiti tecnici richiesti dagli standard di prova ISO per la dinamica del veicolo:

• L'uso dei filtri Dewesoft e la matematica ritardo per confrontare i dati provenienti da diversi sensori e fonti (AI vs. CAN / plugin)

• L'uso di formule matematiche di base per compensare l'effetto di offset (cioè l'effetto di posizione) dei sensori di velocità e dei sensori di accelerazione

• Come affrontare le questioni relative all'inclinazione del corpo e/o della strada nelle misure di accelerazione con i canali provenienti da DS-IMU2 e analogici

Infine, è stata introdotta una soluzione di automazione del test, concepita per supportare attivamente il driver durante l'esecuzione di una sessione di test predefinita, compreso un controllo di convalida di ogni prova. Questa soluzione si basa su casi di test, sequenze e configurazioni matematiche specifiche e si prevede che migliorerà di molto l'efficacia dei test dinamici del veicolo.