Development of a coordinated traction and suspension control system for sports vehicles

Technological advances in electronics and sensors in the automotive industry have allowed the introduction of several active control systems on the vehicle over the years: these have assumed a key role for sport cars being fundamental to make them highly performing. In this regard, the objective of this Thesis is the development of a coordinated traction and suspension control system for sports vehicles: aimed to control the vehicle vertical and longitudinal dynamics, it is designed considering the effects of the first on the second, in order to assess whether this can maximize the car acceleration. The work is carried out through tests in simulation on the model of a Lamborghini Huracán EVO. First a new traction control architecture is proposed: it consists in a PID whose classical structure is modified to manage the control activation/deactivation, tuned using model based techniques on a control-oriented model of the vehicle obtained through a black-box system identification procedure. Then the introduction of a suspension control is considered, developed to improve the car acceleration working together with the traction control, acting on the magneto-rheological dampers of the vehicle. Different semi-active control algorithms are considered: the Skyhook control and the Groundhook control, already present in literature, and the Vertical Force Based control, a new algorithm developed to improve the performance of the Groundhook in terms of road holding. Specifically, it works through the identification of the main frequency of the tire-ground surface vertical forces, on which it bases the choice of the damping coefficient to adopt for maximizing the road contact. Simulation results prove that the advantage in terms of road holding introduced by the Vertical Force Based control algorithm depends on the harmonic characteristics of the road and on the vehicle driving speed. Regarding car acceleration, on test roads considered the traction control improves it and no semi-active damping control algorithm introduces further substantial enhancements in these terms, achieving at most the same performance obtained keeping the damping coefficients at their minimum value.

I progressi tecnologici dell'elettronica e della sensoristica nell'industria automobilistica hanno permesso nel corso degli anni l'introduzione di diversi sistemi di controllo attivo sul veicolo, che hanno assunto un ruolo chiave per le auto sportive essendo fondamentali per renderle altamente prestazionali. In quest’ottica, l'obiettivo della presente tesi è lo sviluppo di un sistema coordinato di controllo trazione e sospensioni per veicoli sportivi: volto a controllare la dinamica verticale e longitudinale del veicolo, è progettato considerando gli effetti della prima sulla seconda, per valutare se ciò possa massimizzare l'accelerazione dell'auto. Il lavoro si svolge mediante test in simulazione sul modello di una Lamborghini Huracán EVO. In primo luogo si propone una nuova architettura di controllo trazione: un PID la cui struttura usuale è modificata per gestire l'attivazione/disattivazione del controllo, tarato utilizzando tecniche Model Based su un modello Control-Oriented del veicolo ottenuto tramite una procedura di identificazione Black-Box. Viene poi trattata l'introduzione di un controllo delle sospensioni inteso a migliorare l'accelerazione dell'auto in sinergia con il controllo trazione agendo sugli smorzatori magnetoreologici del veicolo. Si considerano vari algoritmi di controllo semi-attivo: Skyhook e Groundhook, già presenti in letteratura, e Vertical Force Based, un nuovo algoritmo sviluppato per migliorare le prestazioni di Groundhook in termini di tenuta di strada, che identifica la frequenza principale delle forze di contatto verticali in base alla quale sceglie il coefficiente di smorzamento da adottare per massimizzare il contatto con la strada. I risultati dimostrano che il vantaggio introdotto dall'algoritmo Vertical Force Based in termini di tenuta di strada dipende dalle caratteristiche armoniche della stessa. Riguardo all'accelerazione dell'auto, sulle strade considerate nei test viene migliorata dal controllo trazione e nessun algoritmo semi-attivo introduce ulteriori miglioramenti sostanziali in questi termini, raggiungendo al massimo gli stessi risultati ottenuti con i coefficienti di smorzamento costanti al loro valore minimo.