Dynamics and control of a car trailer combination system

The stability of articulated vehicle combinations is an ongoing concern in the automo-tive community. When larger trailers are towed by ordinary passenger cars, they tend to exhibit lightly damped oscillations in the yaw plane, or “snaking,” at higher speeds. Above a critical speed, the entire vehicle-trailer combination becomes unstable and uncontrollable. This critical speed can correspond to ordinary highway speeds, and is heavily influenced by factors in control of the vehicle owner, such as the center of gravity location of the trailer and tire inflation. The underlying mechanisms behind car-trailer instability have been investigated in the past, and control systems have been proposed to mitigate these instabilities. Cur-rently, some Dynamic Stability Control (DSC) systems on passenger cars include a “trailer stability control” function, which selectively applies the brakes on the tow vehicle when snaking is detected in order to bring the speed of the vehicle combina-tion down to a safe level. Although reliable and effective, these stability control func-tions do not raise the critical speed of the vehicle combination itself. However, pre-mium automobiles on the road today feature a range of mature controllers and actua-tors in addition to DSC, which can be used to modify their vehicle dynamics. The potential of one or several of these systems to improve the inherent stability of com-bination vehicles over their passive stability has not been fully explored. The goal of this research is to investigate the use of the dynamic control systems currently found on production vehicles in order to improve the stability of car-trailer combinations without reducing the vehicle’s speed. As a first step, a bicycle model of a car-trailer combination in the yaw-plane was made for system analysis and controller design. The model features four degrees-of-freedom (DoF). Validation was per-formed against a detailed and proprietary, nonlinear two-track model of the vehicle that has itself been extensively validated against full-scale test results. The stability boundaries of a typical medium-sized sedan towing a large caravan were explored using the bicycle model. The results of the analysis showed the critical speed for this particular system to be approximately 110 km/h. The first actuator em-ployed to stabilize the car-trailer combination at this speed was the rear active steering (IAS). It was assumed that no information would be available to the controller from the trailer about its size or dynamics, resulting in a purely car-based system. This allows any trailer to be coupled to the towing vehicle. A PID logic was derived for the controller using only signals that are readily available on current production vehicles. The logic was tuned using both Root-Locus and Bode methods. The control-ler was found to effectively stabilize the car-trailer combination and mitigate oscilla-tions at speeds above 150 km/h in simulations with both the bicycle model and the nonlinear two-track model. The possibility to employ the active anti-roll bars control system (ARS) to the trailer stabilization at the high speeds has been considered. In order to describe the roll be-havior of the towing vehicle, the bicycle model was extended with additional degrees of freedom. A validation process was conducted against the same proprietary model from BMW. Two different control logics have been derived for the ARS system with different purposes. An optimal control and a PID logic have been derived in order to study respectively the potential in trailer stabilization of a full-state feedback control and the advantages of the use of the classical subset of signal available in commercial cars. The performance of the control systems was illustrated through a parametric analysis of the stability of the car-trailer combination for a range of trailer loads and locations of the center of mass. The analysis showed that the controllers robustly improve the trailer’s critical speed under varying conditions.

La stabilità dei veicoli articolati è un argomento attuale e di grande interesse nella comunità automobilistica. Quando rimorchi di grandi dimensioni vengono trainati da autovetture commerciali nel range delle alte velocità, essi tendono a mostrare oscilla-zioni crescenti e incontrollate nel piano orizzontale, caratterizzate da un basso valore di smorzamento: tale comportamento è definito "snaking instability”. La velocità cri-tica oltre la quale il sistema diventa instabile può coincidere con le comuni velocità autostradali; inoltre, è fortemente influenzata da alcuni fattori sui quali l’utente può agire direttamente, quali la posizione del baricentro del rimorchio e la pressione degli pneumatici di entrambi i veicoli. I meccanismi che regolano questo tipo di instabilità dinamica sono stati ampiamente indagati in passato ed hanno permesso lo sviluppo di sistemi di controllo finalizzati ad attenuare le oscillazioni del rimorchio. Attualmente alcune automobili commerciali prevedono dei sistemi di controllo dinamico della stabilità (DSC) con una funzione di "controllo della stabilità del rimorchio" che, quando viene rilevato il serpeggio, frena selettivamente le ruote della macchina al fine di ridurre la velocità al di sotto della soglia di instabilità. Sebbene affidabili ed efficaci questi sistemi di controllo non in-crementano la velocità critica del sistema composto da auto e trailer. Fortunatamente, le automobili commerciali oggi presenti sul mercato dispongono di una ampia gamma di controllori ed attuatori, oltre al DSC, che potrebbero essere sfruttati per modificare la dinamica di auto e trailer. Il potenziale di questi sistemi nel migliorare la stabilità intrinseca di veicoli articolati non è ancora stato completamente esplorato. L'obiettivo di questo lavoro è analizzare la possibilità di utilizzare sistemi di controllo già presenti su veicoli attualmente in produzione al fine di migliorare la stabilità di-namica del veicolo senza necessariamente ridurne la velocità. Si è così derivato un modello bicicletta a quattro gradi di libertà del veicolo articolato utile a descriverne la dinamica sul piano orizzontale e alla successiva progettazione di una logica di con-trollo. E’ stata inoltre condotta una fase di validazione con un modello a due tracce e non lineare già ampiamente validato da BMW con test su vasta scala. Attraverso il modello a bicicletta è stato possibile esplorare i limiti di stabilità di un caravan di grande taglia trainato da una berlina di medie dimensioni. L’analisi ha evi-denziato che per questo particolare sistema la velocità critica si attesta circa sui 110 km/h. Il primo attuatore impiegato per stabilizzare il sistema macchina-trailer oltre la velocità critica è stato il sistema di sterzatura attivo posteriore (IAS). Si è supposto che nessuna informazione sulla dimensione o sulla dinamica del rimorchio fosse disponibile al controllore, ottenendo così una logica di controllo puramente basata sul comportamento dell’auto ed estendendo la validità del controllore a qualsiasi tipo di rimorchio. Si è scelta una logica PID che utilizza solo i segnali attualmente reperibili su veicoli commerciali. Il controllo è stato calibrato utilizzando i metodi di Bode e il Luogo delle Radici. La logica così ottenuta ha dimostrato, attraverso simulazioni con il modello a bicicletta e il modello non lineare a due tracce, di stabilizzare in maniera efficace la combinazione di auto e rimorchio attenuando le oscillazioni di quest’ultimo fino a velocità superiori a 150 km/h. Data la crescente diffusione del sistema di controllo delle barre anti-rollio attive (ARS) su auto commerciali, si è inoltre investigato l’utilizzo di tali attuatori per la stabilizzazione del trailer alle alte velocità. Per descrivere il comportamento a rollio dell’auto, il modello a bicicletta è stato ampliato con ulteriori gradi di libertà: una fase di validazione con un modello a due tracce non lineare è stata necessaria per verifi-carne la applicabilità. Si sono valutate due diverse logiche di controllo per l’ARS: un controllo ottimo derivato per analizzare i benefici del full-state feedback control e una logica PID per analizzare le potenzialità del tipico subset di segnali attualmente di-sponibile sui veicoli in produzione. Le prestazioni delle diverse logiche di controllo sono state infine presentate attraverso un’analisi parametrica della stabilità del sistema macchina-trailer variando la distribuzione dei carichi e la posizione del baricentro del trailer. L’analisi mostra come il controllo migliora sensibilmente la velocità critica del trailer al variare dei diversi parametri.