Digital twin of Microlino

This thesis is a part of a substantial work to develop and validate a digital twin of the Microlino electric quadricycle in the VI-CarRealTime platform. Conducted in a close collaboration between Federico Mistri, Andrea Musazzi, and Lorenzo Florio, the entire project was divided into two independent theses: one for the mechanical characterization of the Microlino, and the other, presented here, targeted at the development and validation of its digital twin. The first focused on acquiring the experimental measurements and analyzing the Microlino physical components, while the second, presented here, concerns the build and validation of its virtual counterpart. The process began by an extensive measurement to document the geometric size and hardpoints of the Microlino, as well as its stiffness, damping, steering, and braking characteristics. The measurements formed the foundation of a series of outdoor tests: bump, brake, and constant-radius steering pad maneuvers, intended to capture vertical, longitudinal, and lateral dynamics data. The data set was later used as a reference to validate the digital model. This thesis focuses on the development of the Microlino digital twin. It initially presents the theoretical models that serve as the basis of vehicle simulation, such as single-track dynamics, multibody descriptions, and tire models. The individual Microlino subsystems were modeled in VI-CarRealTime, with the experimentally measured and postprocessed data being utilized as input for the individual parts. Once the digital model was built, simulations were conducted to reproduce the same maneuvers that had already been performed outdoors. The accuracy of the digital twin was validated by comparing the results of the simulations with the test data taken in the real world. The validation process verified to what level the virtual model reproduced the real behavior of the Microlino in various dynamic conditions. Finally, an initial study of a potential suspension upgrade concerning the installation of front and rear anti-roll bars, illustrates the potential of optimizing the design of a vehicle in a virtual environment, reducing both time and costs by eliminating the need for physical prototypes.

Questa tesi è parte di un progetto finalizzato allo sviluppo e alla validazione del gemello digitale del quadriciclo elettrico Microlino all’interno della piattaforma VI- CarRealTime. Condotto in stretta collaborazione tra Federico Mistri, Andrea Musazzi e Lorenzo Florio, l’intero progetto è stato suddiviso in due tesi indipendenti: una per la caratterizzazione meccanica del Microlino (“Mechanical characterization of Microlino”) e l’altra, presentata qui, dedicata allo sviluppo e alla validazione del suo gemello digitale (“Digital twin of Microlino”). La prima è focalizzata sull’acquisizione delle misurazioni sperimentali e sull’analisi dei componenti fisici del Microlino, mentre la seconda, riguarda la costruzione e la validazione della sua controparte virtuale. Il processo è iniziato con una serie di misurazioni per definire le dimensioni geometriche e gli hardpoints del Microlino, nonché le sue caratteristiche di rigidità, smorzamento, sterzo e frenata. Queste misurazioni hanno costituito la base per una serie di test su strada: passaggio sul dosso a velocità costante, frenata in linea retta e sterzata a raggio costante, finalizzate a raccogliere dati sulla dinamica verticale, longitudinale e laterale. Tali dati sono stati successivamente utilizzati come riferimento per la validazione del modello digitale. Questa tesi si concentra sullo sviluppo del gemello digitale del Microlino. Inizialmente vengono presentati i modelli teorici che costituiscono la base della simulazione del veicolo, come la dinamica del modello single track, la descrizione del multibody e il modello per gli pneumatici. I singoli sottosistemi del Microlino sono stati modellati in VI-CarRealTime, utilizzando i dati sperimentali misurati e successivamente rielaborati come input per le singole parti. Una volta realizzato il modello digitale, sono state eseguite simulazioni per riprodurre le stesse manovre già svolte all’aperto. L’accuratezza del gemello digitale è stata verificata confrontando i risultati delle simulazioni con i dati dei test raccolti nel mondo reale. Il processo di validazione ha consentito di stabilire in che misura il modello virtuale riproducesse il comportamento reale del Microlino in diverse condizioni dinamiche. Infine; uno studio preliminare su un possibile aggiornamento delle sospensioni, relativo all’installazione di barre anti- rollio anteriori e posteriori, illustra il potenziale di ottimizzare il design di un veicolo in un ambiente virtuale, riducendo sia i tempi sia i costi, grazie all’eliminazione della necessità di prototipi fisici.