A motorcycle multibody model for the analysis of combined longitudinal and lateral dynamics

This work presents in details the modelling aspects of a motorcycle multibody model created in Matlab/Simulink environment. The model comprehends all the main bodies needed to describe the advanced dynamics of the whole motorcycle and driver (the two wheels, front and rear sprung and unsprung masses and the driver), has 18 degrees of freedoms including the suspension systems (with all the non linearities related such as a different non linear damping coefficient from compression to extension and the presence of hard stops), the frame and and swingarm compliance and the driver mobility. Some important features are the presence of the chain kinematics, an advanced deformable tyre model, the presence of the real engine torque curve with a gear shift logic and the variation of the aerodynamic forces as the driver moves. Concerning the rider model, several controllers are used to make the model able to perform close loop simulations focusing the attention on obtaining a response close to the one of a real rider. These acts on the throttle, front brake and handlebar (as steering torque) in order to follow a certain speed, keep the motorcycle stable and tracking a specific path. The model is also suitable for linearisation inside the environment, useful both for stability analysis and controllers tuning.\\ The first topics described are all the aspects regarding the mechanical modelling, then all the controllers and their features are introduced. Finally the results are presented: first of all is proposed a comparison between the stability analysis in straight running and constant speed condition of an analytical simplified model and the linearised numerical one in order to verify the consistency of the second and consequently using it for tuning of the roll angle controller; then the cornering manoeuvre at constant and variable speed are introduced showing an optimisation process for the tuning of the tracking controller; finally an optimisation of such a manoeuvre is presented, aimed at reducing the travel time given a certain bounded trajectory.

Il lavoro di tesi propone nel dettaglio gli aspetti della modellazione di un modello multibody di motocicletta creato in ambiente Matlab/Simulink. Il modello comprende tutti i corpi necessari a descrivere a livello avanzato la dinamica della motocicletta e del pilota (le due ruote, la masse sospese e non sospese anteriori e posteriori e il pilota), presenta 18 gradi di libertà che comprendono i sistemi di sospensione (con tutte le non linearità ad essi legate come la distinzione tra smorzamento non lineare in compressione ed estensione e la presenza di fine corsa), la deformabilità del telaio e del forcellone e la mobilità del pilota. Alcune importanti caratteristiche sono la presenza della cinematica della catena, un avanzato modello di ruota deformabile, la presenza di una reale curva di coppia motrice con logica di cambio marcia e la variazione delle forze aerodinamiche a seguito dello spostamento del pilota. Per quanto riguarda il pilota, sono stati usati diversi controllori per rende il modello capace di eseguire manovre in loop chiuso, focalizzando l'attenzione sull'ottenere una riposta simile a quella di un pilota reale. Questi agiscono sul comando del gas, sul freno anteriore e sul manubrio (come coppia di sterzo) allo scopo di seguire una certa velocità, mantenere il veicolo stabile e seguire una certa traiettoria. Il modello è predisposto per la linearizzazione all'interno dell'ambiente, il che è utile sia per lo studio di stabilità che per la taratura dei controllori. I primi argomenti trattati sono tutti gli aspetti riguardanti la modellazione meccanica, in seguito vengono introdotti i controllori e le loro caratteristiche. Infine vengono presentati i risultati: prima di tutto viene proposto un paragone tra l'analisi di stabilità in condizioni di marcia rettilinea a velocità costante di un modello analitico semplificato e di quello numerico linearizzato al fine di verificare la consistenza del secondo e in seguito usarlo per la taratura del controllo sul rollio; in seguito vengono introdotte le manovre di curva a velocità costante e variabile mostrando un processo di ottimizzazione per la taratura del controllo della traiettoria; infine viene presentato un processo di ottimizzazione di tale manovra, atto a ridurre il tempo di percorrenza data una traiettoria delimitata.