Diseño de un sistema ADAS para la prevención de vuelco en vehículos comerciales

Abstract

Debido al elevado número de víctimas en accidentes de tráfico, la Comisión Europea ha establecido como una prioridad la reducción de los fallecimientos a través del objetivo "Visión Cero” el cual pretende reducir a cero el número de muertes en carretera para el año 2050. Por esta razón, hoy en día se están incorporando en los vehículos sistemas de ayuda a la conducción, también conocidos como sistemas ADAS (Advance Driver Assitance System), que mejoran su estabilidad, confort y maniobrabilidad. Dentro del parque automovilístico actual, uno de los vehículos involucrados en los accidentes de tráfico son los vehículos comerciales, los cuales, debido a la altura de su centro de gravedad, son más propensos a volcar. Debido a esto, varios trabajos de investigación en el ámbito de la automoción se centran en el desarrollo de sistemas de control para mejorar la estabilidad en vehículos comerciales. Para el correcto funcionamiento de estos sistemas, es necesario conocer en todo momento la dinámica del vehículo a través de variables tales como aceleraciones, velocidades y ángulos. Para que estos dispositivos funcionen de la manera más correcta y segura posible, se deben cumplir dos requisitos fundamentales, precisión en las medidas realizadas y rapidez en la adquisición y procesamiento de los datos, así como en el envío de las ordenes posteriores. Una de las variables de la dinámica lateral de los vehículos comerciales más importantes para poder controlar su estabilidad, es el ángulo de balanceo. Este ángulo se puede medir de manera precisa a través de sistemas GPS de doble antena, pero se trata de un método muy caro por lo que actualmente no se monta en los vehículos en producción en serie ya que incrementaría el precio de estos notablemente. Por otro lado, la obtención de este valor a través de sensores de bajo coste es complicada, por esa razón, muchas investigaciones se centran en el desarrollo de observadores que sean capaces de estimar este ángulo a través de sensores de bajo coste. Para el correcto funcionamiento de los sistemas de control montados en los vehículos, es necesario que los distintos componentes, sensores, controladores y actuadores, se comuniquen entre sí. Para que la comunicación sea lo más eficiente posible se han desarrollado los sistemas de control en red (NCS, Network Control Systems) que permiten que todos los componentes estén conectados a una misma red de manera individual. El problema que existe es que pueden aparecer retardos inducidos por la red, lo que provoca una reducción del rendimiento de estos sistemas y puede comprometer la seguridad del vehículo. Por esta razón, es necesario que los controladores que se incorporen en los vehículos actuales tengan en consideración el posible retardo en el envío de información entre los distintos componentes. Por todo lo indicado anteriormente, en la presente Tesis Doctoral se va a diseñar un controlador de vuelco robusto que sea capaz de compensar retardos en la red de comunicación, es decir, tanto en la señal de entrada al controlador (enviada por el sensor) como la de salida (enviada al actuador). Para evaluar el rendimiento del mismo, se comparará este con un controlador similar pero que no tenga en cuenta el retardo en su diseño. Previo al desaroollo del controlador, se estudiará la precisión de los sensores de bajo coste utilizados en comparación con sus homólogos de altas prestaciones y precio para ver si es viable la utilización de este tipo de sensores para el diseño del controlador propuesto. Asimismo, se va a analizar la velocidad y precisión de procesamiento de las computadoras de bajo coste, para ello se van a utilizar distintos metodos para la estimación del ángulo de balanceo. Para la evaluación de estos sistemas se van a realizar ensayos experimentales en un vehículo y un entorno real sometido a distintas maniobras típicas de una circulación cotidiana. Por último, para afrontar el problema del retardo indicado en párrafos anteriores,

Due to the high number of victims in traffic accidents, the European Commission has established as a priority the reduction of deaths through the vision zero objective, which aims to reduce the number of road deaths to zero by 2050. For this purpose, to improve their stability, comfort and manoeuvrability several systems are being incorporated into vehicles. Within the current automobile fleet, one of the vehicles most involved in traffic accidents are heavy duty vehicles which, due to the height of their centre of gravity, are more likely to roll over. Due to this, much of the research work in the automotive field focuses on the development of control systems to improve stability in commercial vehicles. For the correct functionating of these systems, it is necessary to always know the dynamics of the vehicle through variables such as accelerations, speeds and angles. For these devices to work in the most correct and safe way possible, it is necessary that they fulfil two main characteristics. precision in the measurements made and speed in the acquisition and processing of data. One of the most important variables of the lateral dynamics of a vehicle to control its stability is the roll angle. This angle can be precisely measured through dual antenna GPS systems, but it is a very expensive method, and it would significantly increase the price of vehicles. On the other hand, the measurement of this value through low-cost sensors is complicated and not very accurate, for this reason many investigations are focused on the development of observers that can estimate this angle through low-cost sensors. For the correct operation of current vehicle control systems, it is necessary for the different components, sensors, controllers, and actuators to communicate with each other. To make communication as fast as possible, Network Control Systems (NCS) have been developed that allow all components to be connected to the same network individually. The problem that exists is that network-induced delays can appear, which causes a reduction in the performance of these systems and can compromise the safety of the vehicle. For this reason, it is necessary that the controllers that are incorporated in current vehicles consider the possible delay in the communication between the different components. In this Doctoral Thesis a vehicle with low-cost sensors and processors will be instrumented. The precision of the sensors will be evaluated with a high performance and price device, and the speed and processing precision of low-cost computers will be analysed, using them to estimate the roll angle using different methods. For the evaluation of these systems, experimental tests will be carried out on a vehicle and a real environment subjected to different typical manoeuvres of a daily traffic. Finally, to face the delay problem indicated in previous paragraphs, a roll stability controller will be designed that is capable of compensating delays in the communication network, that is, both in the input signal to the controller (sent by the sensor) and output (sent to actuator).