Integración del neumático Inteligente para estimar la variación de la fricción en el contacto neumático-calzada

Abstract

La presente Tesis Doctoral se fundamenta en las medidas de deformación obtenidas con un neumático instrumentado ensayado en condiciones controladas. Para ello, ha sido necesario ensayar el prototipo de neumático, diseñado e instrumentado en la Universidad Carlos III de Madrid, con bandas extensométricas en su interior sobre un banco de pruebas triaxial en el laboratorio de la Universidad de Birmingham. Estos datos experimentales son utilizados para determinar las relaciones entre las medidas de deformación y las condiciones de trabajo del neumático. Para llevar a cabo este análisis, en este trabajo se ha desarrollado un algoritmo en MATLAB capaz de realizar una selección de los puntos claves sobre la curva de deformación. La implementación de este algoritmo permite una selección de datos más precisa y estandarizada, lo que reduce el margen de error en las relaciones entre el medidor de deformación y las condiciones de trabajo de los neumáticos. De los resultados arrojados de estos análisis se implementó la lógica difusa para desarrollar un grupo de estimadores de los parámetros del neumático en maniobras complejas. El software de simulación CarSim se ha utilizado para proporcionar los datos necesarios para alcanzar este objetivo. Esto a su vez, corrobora las relaciones obtenidas entre las deformaciones y las condiciones de operación. La metodología propuesta para alcanzar los objetivos de la Tesis Doctoral se estructura en fases. Cada fase compone un capítulo. Primeramente, en el capítulo 5 se muestra el diseño del prototipo del neumático instrumentado y las condiciones de trabajo bajo las cuales se realizan los ensayos del neumático. En el capítulo 6 se desarrolla un estimador de las fuerzas generadas en la interacción neumático-calzada. En el capítulo 7 se expone una metodología para estimar el radio efectivo, la longitud de la huella de contacto y la velocidad en el punto de contacto. Estos capítulos forman la base para alimentar un modelo de fricción en tiempo real. En el capítulo 8 se desarrolla el modelo de LuGre para estimar mediante observadores, el coeficiente de fricción en la superficie de rodadura. De aquí se establece una condición de deslizamiento para estimar el límite de adherencia del neumático en diferentes maniobras dinámicas. Dado que se quiere dotar al neumático de la capacidad de detectar si este desliza bajo las solicitaciones del vehículo, en el capítulo 9 se propone entrenar un algoritmo de clasificación para que éste, a través de las medidas de deformación en la huella de contacto (transformadas en fuerzas), sea capaz de determinar dicha condición. Esta Tesis Doctoral ilustra el potencial del neumático como sensor activo capaz de estimar los parámetros que intervienen en la interacción neumático-calzada. Asimismo, complementa las conclusiones obtenidas de estudios anteriores.

This Doctoral Thesis is based on strain measurements obtained with an instrumented tire tested at controlled conditions. The tire was designed and instrumented at the University Carlos III de Madrid. The instrumentation usage strain gauges in the inner surface of the tire band to measure the strain in the contact patch. The essays were carried out on a triaxial bench at the laboratory of the University of Birmingham. The experimental data used to obtain relationships between the strain measurements and the tire working conditions. The analysis was carried out by performing a MATLAB algorithm capable of picking the key points in the strain curve. The implementation of this algorithm allows a more accurate and standardized data selection, which reduces the margin of error in the relationships between strain gauge and tire working conditions. The fuzzy logic algorithm is implemented to the results of these analyses in order to develop a set of estimators of the tire parameters in complex maneuvers. The simulation software CarSim was used to provide the necessary data (inputs) to achieve this goal and also to corroborate the relationships between strain measurements and operating conditions. The methodology proposed to achieve the objectives of this doctoral thesis has been structured in phases. Each phase composes a chapter. The first phase shows the prototype of the instrumented tire, how it is the design, and the essays carried out. Chapter 6 shows the development of the estimator of the contact forces in the tire-road interaction. Chapter 7 present a methodology for estimating the effective radius, the length of the contact patch, and the velocity at the contact patch. These chapters form the basis for feeding a real-time friction model. Chapter 8, makes use of the LuGre model to estimate the coefficient of friction on the running surface employing observers. From this, a sliding condition is established to estimate the limit grip of the tire in different dynamic maneuvers. Since the aim is to provide the tire with the ability to detect whether it is slipping while it rotates on the road surface, chapter 9 proposes the training of a classification algorithm so that it can determine this condition by the strain measurements in the contact patch (transformed into forces). This doctoral thesis illustrates the potential of the tire as an active sensor capable of estimating the parameters involved in the tire-road interaction. It also complements the conclusions obtained from previous studies.