Smat tyre data: identification of relevant parameters for vehicle handling improvement

The introduction of modern digital electronics in the automotive industry has increased the integration of intelligent systems in the vehicle design. The availability of new technologies is pushing the automotive sector to constantly invest in developing new innovative solutions aimed to improve the vehicle efficiency in terms of safety and performances. Tyres play fundamental role when characterizing the vehicle dynamics since they constitute the only parts of the vehicle which maintain contact with the road. One of the most challenging and innovative aspect of the automotive sector is to use the tyre as a sensor able to identify useful information as it is located in a very privileged position. The emerging concept of smart tyre basically describes a tyre equipped with sensors and digital-computing systems for monitoring thermal and mechanical parameters which are eventually extended to the vehicle electronic control unit while driving. Pirelli Tyre S.p.A is pushing technology for sensors embedded in the tyre inner liner able to focus on vehicle dynamics and security devices. The Cyber™Tyre project developed by Pirelli Tyre S.p.A has the main purpose to make the tyre an active part of the vehicle by installing a suitable number of sensors capable to collect useful information from the interaction between tyre and road. The innovative measurement system is based on a single three-axial accelerometer installed inside a rubber support and then glued onto the inner liner of the tyre. The device is able to transmits the acquired signals via wireless to a suitable receiving system. This type of solution does not add significant inertial effects on the unsprung mass and it can be embedded in existing vehicle layouts without any particular revolution. An overall description of the Cyber™Tyre project is provided. The accelerometer signals, collected during the tyre rolling motion, include information about the tyre-road contact as they are strongly correlated to the macro-deformation of the tyre inner liner which is directly generated by the contact forces and slips quantities. Since tyre forces estimation is a decisive and challenging feature in the automotive sector, a strategic Cyber™Tyre objective is the fulfillment of this aspect by directly measure the tyre-road contact forces. To assess the benefits induced by the smart tyre, tyre-road contact forces measurement are included into an extended kalman filter which are added to the ones usually present on-board vehicle as the steering angle, lateral and longitudinal acceleration and yaw rate. In particular, more precise and prompt tyre-road friction coefficient and consequently vehicle side-slip angle estimations are appreciable if results are compared with a standard case where information from the smart tyre are not available. Moreover, robustness analysis performed by introducing the road bank angle and by changing some tyre and vehicle parameters show how accuracy of the estimated quantities is maintained. Manoeuvre simulations of a validated vehicle model have been run in Matlab®/Simulink® environment. In addition, another important developed argument is the introduction of new relevant parameters in order to maximize the tyre cornering performances by studying the tyre contact patch dynamics behavior by means of Cyber™Tyre. Particular attention is given to the tyre inclination angle which has significant influence on tyre lateral forces especially in limit conditions. Indoor testing had a strategic role for the development of the topic since it allowed to approach the problem in controlled dynamics conditions as well as finite element analysis gave very helpful support for the phenomena comprehension. The introduction of a different signal filtering method is a crucial aspect of the treated argument: both time and frequency domain are considered for the data elaboration and features extraction. Eventually, a new index of tyre contact patch exploitation is defined based on numerical model of the tyre portion in contact with the road able to describe the normal stresses distribution in the contact patch domain. The Cyber™Tyre capabilities to characterized the normal stresses distribution are compared with an optical measurement system for tyre footprint stress field: results are in very good agreement between the two measuring methods. The proposed index is a synthetic parameter which defines how far the tyre is from the maximum tyre cornering condition. Results are presented in a series of sweep of inclination angle and vehicle manoeuvre simulations both performed with the Flat-Trac® machine from MTS®. A first step towards the correlation of the tyre contact patch exploitation and the cornering performances from the Cyber™Tyre point of view is presented in this research activity. Next steps are aimed to make the achieved results more robust and reliable: in many studied cases the index identifies the best tyre configuration for the cornering performances. Once the index is trustworthy, it might be used as reference for control logics for active suspensions: the inclination angle is real-time actuated so that tyre cornering performances are improved. Nevertheless, an intermediate development step could be considered: realization of an hardware in the loop with the Flat-Trac® machine and Cyber™Tyre in order to experiment, in a controlled environment, possible active control logics based on the developed index. The possibility of testing indoor the index potentials is certainly a strategic phase for developing both the Cyber™Tyre and control logic capabilities.

L'introduzione di sempre più avanzati componenti elettronici nel settore automotive ha permesso l'aumento ed il miglioramento dell'integrazione di sistemi intelligenti nel progetto del veicolo. La disponibilità di nuove tecnologie contribuisce al continuo investimento in soluzioni innovative con lo scopo di migliorare l'efficienza del veicolo in termini di sicurezza e prestazioni. Uno degli aspetti più cruciali ed innovativi del settore automotive è quello di utilizzare lo pneumatico come un sensore e quindi capace di fornire informazioni utili in quanto possiede una posizione vantaggiosa essendo l'unica parte del veicolo che mantiene il contatto con la strada. Infatti, lo pneumatico gioca sempre un ruolo fondamentale nello studio della dinamica del veicolo. L'emergente concetto di pneumatico intelligente si basa essenzialmente sulla strumentazione di uno pneumatico con opportuni sensori e relativa elettronica per il monitoraggio dei fenomeni termici e meccanici derivanti dalla interazione ruota-strada. Queste informazioni vengono successivamente messe a disposizione delle unità di controllo del veicolo ai fini di migliorare la guida. Pirelli Tyre S.p.A. è fortemente attiva in questo tipo di tecnologia mettendo a punto un sensore integrato sulla superficie interna dello pneumatico e capace di fornire supporto alla dinamica del veicolo e relativi sistemi di sicurezza. Il progetto sviluppato da Pirelli Tyre S.p.A prende il nome di Cyber™Tyre ed ha il principale obbiettivo di rendere lo pneumatico una parte attiva del veicolo attraverso l'installazione di un numero opportuno di sensori capaci di collezionare utili ed affidabili informazioni provenienti dal contatto ruota-strada. L'innovativo sistema di misura si basa su un accelerometro tri-assiale inglobato in un opportuno supporto di gomma che viene infine applicato sulla superficie interna dello pneumatico. Questo tipo di soluzione non va ad aggiungere significanti effetti inerziali alle masse sospese del veicolo e può essere installato facilmente senza stravolgere il layout del veicolo. Il sistema è in grado di trasmettere i dati acquisiti durante il moto del veicolo via wireless ad un opportuna unità di calcolo per la gestione dei segnali. I segnali accelerometrici contengono informazioni riguardanti la interazione ruota-strada essendo fortemente correlati alle macro deformazioni che a loro volta sono generate da forze al contatto e scorrimenti. Essendo la misura delle forze al contatto un importante aspetto nel settore automotive, uno degli obbiettivi del Cyber™Tyre è il raggiungimento di questo obbiettivo andando a stimare direttamente le forze al contatto. Per valutare possibili benefici introdotti dallo pneumatico intelligente, le stime delle forze al contatto vengono messe a disposizione ad uno osservatore di stato : il filtro di kalman esteso. Queste misure vengono aggiunte a quelle comunemente disponibili a bordo veicolo come l'angolo di sterzo, la velocità di imbardata e le accelerazioni longitudinale e laterale. In particolare, è possibile apprezzare come la stima del coefficiente di attrito migliora la valutazione dell'angolo di assetto del veicolo specialmente in condizioni di bassa aderenza se i risultati vengono confrontati con un caso standard in cui non sono disponibili informazioni provenienti dallo pneumatico. Una successiva analisi di robustezza dell'osservatore di stato viene effettuata introducendo alcuni possibili disturbi esterni come l'angolo di inclinazione della strada, la variazione delle caratteristiche dello pneumatico e dei parametri del veicolo. Lo studio è effettuato grazie alla preliminare validazione di un modello di veicolo successivamente utilizzato in ambiente Matlab®/Simulink®. Inoltre, lo sviluppo di nuovi parametri tramite Cyber™Tyre legati allo sfruttamento della area di impronta con l'obbiettivo di massimizzare la forza laterale dello pneumatico viene presentato nel lavoro di ricerca. Nello specifico, viene analizzata l'importanza dell'angolo di inclinazione sulle prestazioni in dinamica laterale dello pneumatico in quanto ha una significativa influenza specialmente nelle condizioni limite. Una serie di test indoor hanno permesso di comprende e sviluppare l'argomento trattato grazie al fatto di lavorare in condizioni dinamiche controllate. Questo ultimo aspetto risulta strategico per lo sviluppo di nuovi parametri identificati dal Cyber™Tyre. In aggiunta, il supporto di simulazioni di modelli di pneumatici ad elementi finiti hanno contribuito ad accrescere la conoscenza del tema analizzato. Importante in questa fase è il tipo di filtraggio del segnale messo a disposizione dal sensore: tecniche che sfruttano il dominio del tempo e delle frequenze vengono adottate in modo da evidenziare meglio l'informazione presente nel dato accelerometrico. Un indice di sintesi che descrive lo sfruttamento dell'area di impronta a terra viene proposto. L'indice si basa su un modello semplificato della porzione di pneumatico a contatto con la strada capace di descrivere l'andamento della distribuzione delle pressioni di contatto. In questo senso, le capacità del Cyber™Tyre di caratterizzare la distribuzione degli sforzi normali nell'area di impronta sono confrontate con un sistema di misura ottico progettato per misurare gli sforzi locali: i risultati sono alquanto soddisfacenti. L'indice proposto rappresenta quindi un parametro di sintesi capace di definire la distanza dalla condizione di massima forza laterale scaricata a terra. I risultati vengono presentati in una serie di sweep di angoli di inclinazione e simulazioni di manovre entrambi eseguite tramite la MTS® Flat-Trac®. Un primo passo verso lo studio dello sfruttamento dell'area di impronta tramite il Cyber™Tyre è presente in questo lavoro di ricerca. Gli sviluppi futuri mirano a consolidare e rendere più affidabili i promettenti risultati fin qui ottenuti: infatti in diversi casi studiati, l'indice presentato identifica la condizione di ottimo ricercata. Una volta reso robusto, l'indice stesso può essere utilizzato come parametro di controllo per le sospensione attive: l'angolo di inclinazione viene opportunamente azionato in real-time con l'obbiettivo di massimizzare la forza laterale dello pneumatico. E' comunque possibile considerare una fase intermedia di sviluppo prima di apportare il controllo direttamente su veicolo. La realizzazione di un banco hardware in the loop costituito dalla MTS® Flat-Trac® ed il Cyber™Tyre con lo scopo di sperimentare, in ambiente controllato, possibili logiche di controllo attive basate sull'indice di sfruttamento proposto. La possibilità di testare indoor le potenzialità dell'indice è certamente una fase strategica per sviluppare sia il Cyber™Tyre che le logiche di controllo.