Dynamic optimization of a skeleton sled for winter sport competitions

The use of specially developed technologies to completely manage and monitor training sessions is the main cause of the improvement in sports performance in recent years. Even in winter sports, the use of these technologies has become increasingly frequent, particularly in sled sports such as skeleton, where, given the high speeds reached in the race and the considerable accelerations to which the athlete is subjected, optimizing and monitoring parameters such as aerodynamics, steering responsiveness and vibration sensitivity is essential. The following thesis work aims, therefore, to optimize the dynamic behaviour of a skeleton sled, used in competitions of the same sport. First, a contact model is developed between the runner and the track surface, going to estimate the friction coefficients, also useful for the following dynamic modelling of the sled. Subsequently, two different control strategies (i.e. steering angle) are implemented and compared: the first is based on an optimal controller, difficult to implement in practice, but above all useful for evaluating the influence of certain parameters on the travel time of a part of the track; the second based on the creation of a driver model, more easily adoptable and closer to reality, as it takes into account performance indicators directly attributable to a professional athlete. The data obtained from the simulations can thus be supplied to the teams participating in high-level competitions and used during training, athletic preparation (e.g. data on steering force) and also, in the more technical one, by developing complete driving simulators. Furthermore, the acceleration values obtained are useful for the design of new tracks, making it possible to optimize the profiles of the most critical and technical sections, guaranteeing greater safety and preventing possible accidents.

L’utilizzo di tecnologie appositamente sviluppate per gestire e monitorare completamente le sessioni di allenamento è la principale causa, negli ultimi anni, del miglioramento delle prestazioni in ambito sportivo. Anche negli sport invernali, l’utilizzo di tali tecnologie è diventato via via sempre più frequente, in particolare in quelli della slitta come lo skeleton, dove, viste le elevate velocità raggiunte in gara e le notevoli accelerazioni a cui l’atleta è sottoposto, l’ottimizzazione e il monitoraggio di parametri come l’aerodinamica, la reattività dello sterzo e la sensibilità alle vibrazioni risulta fondamentale. Il seguente lavoro di tesi si prefigge, per questo, di ottimizzare il comportamento dinamico di una slitta da skeleton, utilizzata nelle competizioni del medesimo sport. Si sviluppa dapprima un modello di contatto tra il runner e la superficie della pista, andando a stimare i coefficienti di attrito, utili anche per la seguente modellazione dinamica della slitta. Vengono implementate e confrontate, successivamente, due diverse strategie di controllo (i.e. angolo di sterzo): la prima basata su di un controllore ottimo, di difficile realizzazione pratica, ma utile soprattutto per valutare l’influenza di determinati parametri sul tempo di percorrenza di una parte del tracciato; la seconda basata sulla creazione di un modello del pilota, più facilmente adottabile e vicina alla realtà, in quanto tenente conto di indicatori di prestazione direttamente riconducibili ad un atleta professionista. I dati ottenuti dalle simulazioni possono essere così forniti alle squadre partecipanti a competizioni di livello ed essere utilizzati durante gli allenamenti, la preparazione atletica (e.g. dati sulla forza sterzante) e anche, in quella più tecnica, sviluppando completi simulatori di guida. Inoltre, i valori di accelerazione ricavati sono utili per il design di nuovi tracciati, permettendo di ottimizzare i profili delle sezioni più critiche e tecniche, garantendo maggior sicurezza e prevenendo possibili incidenti.