Smart tyres : estimation of normal contact force and inclination angle under cornering conditions

The development of new technologies in automotive industry is leading towards the design of more refined Advanced Driver-Assistance Systems (ADAS), capable of helping the driver control the vehicle; the final improvement of such systems is expected to lead to autonomous vehicles, in which the action of a driver will not be necessary any more. In order to accomplish these tasks, the contribution of tyres on vehicle dynamics is a key point, since they are the only part of the vehicle which can exchange forces with the road. For this reason, smart tyres were introduced, which, being equipped with sensors, interact with the vehicle for control and safety purposes. In this field, Pirelli Tyre S.p.A. aims at making the pneumatic tyre a powerful device with many tasks, through the Cyber Tyre™ project. This thesis work is focused on the estimation of contact forces exchanged between tyre and ground, with reference to the estimation of the vertical force under different working conditions. This task is accomplished with the processing of signals, acquired by an accelerometer on the inner liner of the tyre, through a kinematic model and a modal model. The work is oriented towards the use of a model with distributed forces which exploits a correction coefficient to account for the effect of lateral forces on vertical dynamics of the tyre, allowing to bridge the gap highlighted in previous works on the Cyber Tyre™, both with a statistical approach and with a physical model of the tyre. The tight relationship between lateral dynamics of the vehicle and characteristic angles of the tyre has also allowed to exploit a similar model to obtain an estimate of the Inclination Angle.

Lo sviluppo di nuove tecnologie nel settore automobilistico sta portando verso la progettazione di sistemi di aiuto alla guida avanzati (ADAS) sempre più raffinati, capaci di assistere il conducente nel controllo del veicolo; il passo finale nell'implementazione di questi sistemi porterà a veicoli autonomi, nei quali l'azione del guidatore non sarà più necessaria. Per soddisfare questi compiti, il contributo degli pneumatici sulla dinamica del veicolo è un punto cruciale, dal momento che essi sono l'unico componente dell'autoveicolo che può scambiare forze con la strada. Per questo motivo, sono stati introdotti gli pneumatici intelligenti (smart tyre), che, essendo dotati di sensori, interagiscono con il veicolo ai fini di controllo e sicurezza. In questo settore, Pirelli Tyre S.p.A. ambisce a rendere lo pneumatico un potente strumento con molteplici compiti, attraverso il progetto Cyber Tyre™. Questo lavoro di tesi è focalizzato sulle forze di contatto scambiate tra lo pneumatico e il suolo, con particolare riferimento alla stima della forza verticale in diverse condizioni di funzionamento. Tale compito è realizzato tramite l'analisi di segnali acquisiti da un accelerometro posto sulla superficie interna della carcassa dello pneumatico, attraverso un modello cinematico ed uno modale. L'elaborato è indirizzato verso l'impiego di un modello con forze distribuite, che fa uso di un coefficiente correttivo per considerare l'effetto di forze laterali sulla dinamica verticale dello pneumatico; ciò ha permesso di colmare una lacuna emersa nei precedenti lavori su Cyber Tyre™, sia con un approccio statistico, sia con un modello fisico dello pneumatico. Lo stretto legame tra la dinamica laterale del veicolo e gli angoli caratteristici dello pneumatico ha anche consentito di sfruttare un modello simile per ottenere una stima dell'Inclination Angle.