Software sensing and damper aging analysis for semi-active suspension systems in vehicles

The suspension system, along with tires, plays a pivotal role in ensuring vehicle stability and ride comfort, which are the two primary indicators of vehicle performance. In this context, Semi-Active Suspension Systems and their control algorithms have been the subject of extensive research. Among the SA-suspensions, those based on a Magnetorheological damper have gained increasing popularity in the automotive scenario. The key aspect of MRDs is the capability of varying the damping coefficient changing the viscosity of the Magnetorheological fluid contained in the suspension itself. This is made possible by a current that, flowing into a coil positioned in the piston head, generates a magnetic field. While the vast majority of literature is focused on modeling a system actuators and controlling the chassis, the sensor setup plays a significant role during the design phase. Typically, the automotive industry employs an Inertial Measurement Unit (IMU) for vehicle setup configurations. However, for diverse reasons, a car maker may prefer a setup without this sensor. It is therefore essential to estimate the quantities that this sensor measures. Accordingly, the first objective of this dissertation is to develop a software sensing strategy for IMU signals. These measurements, whether directly sourced from sensors or estimated, are then used in control software aimed at optimizing comfort and road-holding. The control software provides a current value for each tire that each damper uses as its reference signal. The control strategy depends on a damper’s nominal behavior in the situation at hand. It is crucial to recognize that a variety of circumstances, including wear and prolonged use, cause the damper’s behavior to change with time. This phenomenon, known as "damper aging", describes how a damper gradually changes as it becomes older. Consequently, the control software must account for damper aging. Moreover, in order to maintain optimal performance in light of the changing damper characteristics, adaptive control algorithms should be integrated into the software to change the damper’s opera tion based on real-time feedback and aging-related data. Therefore, the second objective of this thesis is to investigate the effect of damper aging and develop an adaptation technique to take care of aging inside the SkyHook control structure.

Le sospensioni, insieme agli pneumatici, svolgono un ruolo cruciale nel mantenere la stabilità e il comfort di guida del veicolo, fattori questi considerati tra i principali indicatori delle prestazioni automobilistiche. In tale ambito, particolare interesse scientifico è stato rivolto alle Sospensioni Semi-Attive e ai relativi algoritmi di controllo. Tra i vari sistemi di sospensioni semiattive, quelli che utilizzano ammortizzatori magnetoreologici (MRD) stanno emergendo per la loro abilità di modulare il coefficiente di smorzamento attraverso la variazione della viscosità del fluido magnetoreologico al loro interno. Ciò è possibile grazie all’applicazione di una corrente elettrica che, fluendo attraverso una bobina situata nel capo del pistone, è in grado di generare un campo magnetico. Sebbene la maggior parte degli studi nel campo delle sospensioni si concentri sullo sviluppo degli attuatori e sulla gestione del controllo dinamico, non si può sottovalutare l’importanza della configurazione dei sensori nel processo di progettazione. Nell’industria automobilistica, l’impiego di un sensore inerziale (IMU) per monitorare lo stato del veicolo è pratica comune. Tuttavia, vari fattori possono indurre i costruttori a optare per configurazioni prive di tale sensore. Diventa pertanto fondamentale poter stimare le informazioni che sarebbero state raccolte dall’IMU. In questo contesto, il primo obiettivo della presente tesi è la creazione di algoritmi di stima per far fronte all’assenza dell’IMU. Le informazioni ottenute, sia attraverso misurazioni dirette che mediante stime, vengono successivamente integrate nel software di controllo, con il fine di massimizzare il comfort di guida e l’aderenza al suolo. Il controllore svolge un ruolo chiave nell’ottimizzazione delle prestazioni di ciascun ammortizzatore, fornendo specifici valori di corrente per ogni pneumatico da utilizzare come segnali di riferimento. La strategia di controllo adottata si basa sul comportamento previsto dell’ammortizzatore in fase di design. È essenziale prendere atto che il normale invecchiamento, dovuto a usura e utilizzo costante, può alterare significativamente le prestazioni dell’ammortizzatore nel tempo. Questo fenomeno indica come la funzionalità dell’ammortizzatore cambia con il passare del tempo. Di conseguenza, è importante che il software di controllo tenga conto degli effetti dell’invecchiamento sull’ammortizzatore, integrando algoritmi di controllo adattivo al fine di preservare l’efficacia dell’ammortizzatore di fronte a cambiamenti delle sue caratteristiche fisiche. Questi algoritmi permettono di aggiustare dinamicamente le operazioni dell’ammortizzatore, basandosi su feedback real-time e su dati relativi all’invecchiamento. In questo contesto, il secondo obiettivo della tesi è di esplorare l’impatto dell’invecchiamento degli ammortizzatori sulla dinamica del veicolo e di elaborare un metodo di adattamento che consenta di gestire efficacemente questo fenomeno all’interno del framework di controllo SkyHook.