Study of wheel force sensors to improve safety in intelligent transport systems

Smart, green and integrated transports are one of the societal challenge set by European Commission within the Horizon 2020 research program. A key factor to go beyond the current issues in term of safety, mobility and sustainability is the implementation of the Intelligent Transportation Systems technologies. In this field, the research activities are focused on linking the vehicle with the transport infrastructure, road safety and security applications and the optimal use of road, traffic and travel data. The National cluster ’Trasporti Italia 2020’ established the Italian development program for the Intelligent Transportation Systems with the partnership of research institutes, Universities and companies. One of the cluster priorities is the integrated smart sensing for freight transport support. This topic has been addressed by research projects for both the road infrastructures and the vehicle sensor technologies. Politecnico di Milano, as one of the main partners of the cluster, develops advanced measuring systems for automotive applications. One of the developed instruments is a wheel force sensor for Intelligent Transportation systems applications. This project, from the concept design to the prototyping and testing, is presented in this doctoral thesis. Different physical principles have been evaluated during the design concept phase of the wheel force sensor. Considering the available sensor technology and the particular application, the Analytic Hierarchical Process has been used to define the layout of the wheel force sensor. The selected sensor, that is a capacitive sensor build for this particular application, has been studied with numerical models and experimental tests in order to improve the sensitivity. A detailed description of the wheel structure, the sensor hardware, the software algorithm and other aspects of the integrated prototype are given. The developed wheel force sensor measures the vertical load with a linear transfer function between the applied load and the sensor signal. The transfer function can be adapted to different tyre pressure levels. The results of the sensor modelling have been confirmed by the experimental tests on a light duty vehicle. The wheel force sensor, developed at Technology Readiness Level 5, establishes an unreferenced tool for developing road pricing schemes, able to induce big changes in the logistics sector, worldwide.

I trasporti integrati, connessi in rete ed ecosostenibili sono uno degli obiettivi sociali definiti dalla Commissione Europea all’interno del programma di ricerca Horizon 2020. Lo sviluppo dei Sistemi di Trasporto Intelligenti è un fattore chiave per superare gli attuali problemi di sicurezza stradale, mobilità e sostenibilità. Le ricerche in questo ambito sono concentrate sulla connessione dei veicoli con le infrastrutture, applicazioni per la sicurezza delle merci trasportate, la sicurezza stradale e l’utilizzo ottimale dei dati riguardanti il traffico. Il Cluster Nazionale ‘Trasporti Italia 2020’ ha stabilito il piano di sviluppo italiano per i sistemi di trasporto intelligenti con la partecipazione di istituti di ricerca, università e aziende. Una delle priorità del cluster è lo sviluppo di sensori integrati per il supporto del trasporto merci. Progetti di ricerca in quest’ambito hanno riguardato sia lo sviluppo delle infrastrutture che dei sensori a bordo veicolo. Il Politecnico di Milano, come membro del cluster, si occupa dello sviluppo di sistemi di misura avanzati per applicazioni nel settore automobilistico. Uno degli strumenti che sono stati sviluppati tramite questa ricerca è la ruota strumentata per applicazioni ITS. Questo progetto è descritto nella presente tesi di dottorato a partire dal disegno iniziale alla prototipazione e le prove sperimentali. Nella fase iniziale, diversi principi fisici utilizzati dai sensori sono stati valutati per la possibilie implementazione della ruota strumentata. Considerando le tecnologie attuali, in riferimento all’applicazione in esame, un processo analitico di classificazione è stato utilizzato per scegliere la configurazione migliore per il sensore. Il sensore scelto è un sensore capacitivo realizzato per questa specifica applicazione ed stato analizzato tramite modelli numerici e prove sperimentali per aumentarne la sensibilità. Il prototipo realizzato , compresa la struttura della ruota, il sensore e gli algoritmi utilizzati per la lettura delle forze agenti sulla ruota sono descritti nel dettaglio. Una funzione di trasferimento lineare descrive il legame tra la forza verticale agente sulla ruota strumentata qui descritta. La funzione di trasferimento può essere adattata per diversi livelli di pressione dello pneumatico. I risultati delle prove sperimentali su un veicolo commerciale leggero confermano la validità dei risultati ottenuti tramite i modelli numerici. La ruota strumentata qui proposta, sviluppata fino a TRL 5, costituisce uno strumento senza precedenti per lo sviluppo di politiche di tassazione autostradale, capace di portare grandi cambiamenti nel settore della logistica a livello globale.