Progettazione e utilizzo di un sistema di calibrazione per una smart wheel di un veicolo fuoristrada

This thesis focuses on the calibration of a smart-wheel for an off-road vehicle, after design and modelling a calibration system, suitable not only for the previous rim, but also for a smart-wheel of a commercial vehicle. Aim of this sensor is the real-time measurement of forces and torques between the centre of the wheel and the ground in the three direction. The rim, made of steel, is based on a three spokes structure, whose deformations are sensed by strain gauges, connected to obtain six Wheatstone half-bridges: with the static calibration step is possible to find the calibration matrix, which links the voltage output and the generalize force applied at the centre wheel, in the local reference system. The rotation angle, that is required in order to project the sensed forces according to an absolute coordinate system, is measured by an encoder. The signal of the twelve strain gauge is filtered, amplified and digitally converted in a conditioning module, which is into the hub with the battery and the encoder too. Then this system is connected wireless to the electronic unit on board. First a calibration system has been designed, that must be suitable for both wheel, relatively light, not much expensive and with similar stiffness with respect to the original wheel. With this assembly, the computation of the calibration matrix has been performed through the minimization of the square errors between the smart wheel measurements and the applied forces/moments: testing the rim in different angular position and measuring the input forces with load cells is possible to identify the thirty six components of the matrix. The calibration step enables the assessment of the measurement characteristics of the smart-wheel, like uncertainty, linearity and cross-talk; at the end the device shows good performance.

La presente tesi descrive la progettazione e la realizzazione di un sistema di calibrazione per ruote strumentate di veicoli di grandi dimensioni e l’utilizzo dello stesso per la taratura di una ruota strumentata per un veicolo fuoristrada. Tale strumento consente la lettura in tempo reale delle forze e delle coppie scambiate nelle tre direzioni tra la ruota ed il terreno. Il cerchio, in acciaio, consiste in tre razze, ognuna della quella dotata di due mezzi ponti di Wheatstone: mediante la fase di taratura statica è possibile ricavare la matrice di calibrazione, che lega le uscite in tensione alle forze applicate al centro della ruota, nel riferimento locale. L’angolo di rotazione, necessario per proiettare le forze misurate in un riferimento assoluto fisso a terra, è fornito da un encoder. L’elettronica di condizionamento e acquisizione dei segnali è completamente integrata nel mozzo; la scatola dell’elettronica contiene anche le batterie per l’alimentazione e lo stesso encoder, e trasmette wireless alla centralina posta a bordo veicolo. Per tarare opportunamente il sensore è stato necessario dapprima progettare un sistema di calibrazione adatto, compatibile con entrambi i mozzi in studio, relativamente leggera, dal costo non eccessivo e poco deformabile nonostante i carichi elevati. Mediante tale apparecchio e noti i carichi forniti in ingresso al sensore, misurate con celle di carico idonee, è possibile ricavare attraverso più prove effettuate in differenti posizioni angolari, la matrice richiesta, mediante il metodo dei minimi quadrati. Durante la fase di calibrazione è stato possibile valutare anche le caratteristiche metrologiche del sensore in termini di incertezza, linearità e cross-talk, ottenendo prestazione più che soddisfacenti.