+ All Categories
Home > Documents > Estimarea coeficientului de aderenta

Estimarea coeficientului de aderenta

Date post: 29-Jun-2015
Category:
Upload: ionut-popa
View: 576 times
Download: 1 times
Share this document with a friend
21
Estimarea aderenţei cu drumul Programul IVSS Programul IVSS a fost înfiinţat pentru a stimula cercetarea ş i d e z v o l t a r e a p e n t r u s i g u r a n ţ Rezultatul final va fi, noi tehnologii intelig sisteme IT, care vor contribui la reducerea decese şi accidente grave. 1. Introducere Multe din investigaţiile de trafic, legate de siguranţă au dovedit o corelaţie între starea drumurilor şi
Transcript
Page 1: Estimarea coeficientului de aderenta

Estimarea aderenţei cu drumul

Programul IVSS

Programul IVSS a fost înfiinţat pentru a stimula cercetarea şi dezvoltarea pentru siguranţa rutieră a viitorului. Rezultatul final va fi, noi tehnologii inteligente şi noi sisteme IT, care vor contribui la reducerea numărului de decese şi accidente grave.

1. IntroducereMulte din investigaţiile de trafic, legate de siguranţă au dovedit o corelaţie între starea

drumurilor şi numărul de accidente. S-a demonstrat că riscul de accidente creste dramatic pe suprafeţe alunecoase. Pentru creşterea siguranţei rutiere se pot folosi următoarele:

Mărirea performanţelor sistemelor de siguranţă activă ale vehiculului, cum ar fi sistemul de antiblocare la frânare (ABS) şi sistemul electronic de control al stabilităţii (ESC).

Sisteme de avertizare a şoferului. Îmbunătăţirea întreţinerii drumurilor. Posibilitatea de a permite pe drumurile inteligente viteze de deplasare variabile în

funcţie de condiţiile de aderenţă.

2. Obiectivele şi scopul proiectului

Page 2: Estimarea coeficientului de aderenta

Obiectivele proiectului au fost de a dezvolta sisteme şi algoritmi pentru estimarea aderenţei dintre anvelopa si suprafata drumului.

Obiectivele generale proiectului pot fi rezumate astfel: Dezvoltarea diferitelor tehnologii pentru estimarea aderenţei dintre anvelopa si

drum. Selectarea metodelor şi tehnologiilor favorabile şi dezvoltarea algoritmilor

corespunzători. Evaluarea conceptelor selectate cu privire la exactitatea, sensibilitatea, timpul

de răspuns, realizarea demonstraţiilor. Propunerea tehnologiilor pentru dezvoltarea în viitor a industriei auto.

Proiectul a implicat o gamă largă de parteneri atît din industria auto, precum şi din alte instituţii si universitati:

Saab Automobile AB (SAAB), coordonator de proiect Volvo Technology AB (Volvo) Volvo Car Corporation (VCC) Haldex – producerea sistemelor de franare (Haldex) Universitatea Tehnică Luleå (LTU) Institutul de cercetare in domeniul drumurilor si transportului din Suedia (VTI).

Lucrarea a fost organizata în trei subproiecte, care se ocupă cu diferite tehnologii.1. Senzori de forţă bazaţi pe estimarea aderenţei utilizând comanda de

virare (SAAB)2. Model bazat pe estimarea aderenţei utilizând comanda de accelerare

(VCC and Haldex)3. Previzualizare, detecţie optică (Volvo and LTU).

Subproiectul 1 şi 2 se bazează pe metode directe care utilizează forţele generate la contactul dintre pneu şi drum pentru a estima aderenţa disponibila. Subproiectul 1 este concentrat pe forţele laterale generate la viraje, în timp ce subproiectul 2 este concentrat pe forţele longitudinale generate la accelerarea vehiculului. Subproiectul 3 se bazează pe o metodă indirectă, care utilizează senzori optici pentru a clasifica suprafaţa drumului. În figura 1 este prezentă zona de acţiune a celor 3 subproiecte.

2

Fig.1. Zona de acţiune a celor 3 subproiecte

Page 3: Estimarea coeficientului de aderenta

3. Senzorul de forţă bazat pe estimarea aderenţei

Subproiectul 1 se referă la problema de estimare a adrenţei drumului atunci când există o comandă în direcţie laterală. Estimarea se bazează parţial pe măsurarea cuplului de auto-aliniere al anvelopei faţă. Atunci când o anvelopă este supusă unor forţe laterale, un cuplu suplimentar în jurul axei verticale a anvelopei este generat; cuplu aşa-numit de auto-aliniere.Acest cuplu de auto-aliniere ajunge la valoarea maximă mult mai repede decât forţa laterală, fapt prezentat în figura 2.

Obiectivul acestui sub-proiect a fost de a evalua care concepte fortă-detecţie ar putea fi folosite pentru a măsura cuplul de auto-aliniere şi cât de bine acesta se va corela cu pneul si valoarea frecării drumului. Al doilea obiectiv a fost de a dezvolta şi evalua o forţă laterală bazată pe un algoritm pentru estimarea aderenţei drumului, folosind conceptul de forţă detecţie.

3

Fig.2. Cuplul de auto-aliniere şi forţa laterală în funcţie de unghiulde alunecare al pneului.

Page 4: Estimarea coeficientului de aderenta

3.1. AbordareaVehiculul de încercare în Proiectul 1 este un Saab 9-3 2.0T echipat cu un

MicroAutoBox DSpace pentru prototipuri rapide aşa cum se arată în figura 3. În afară de senzori standard ESC, figura 4 prezinta trei concepte diferite de senzori de forţă, utilizati pentru a estima cuplu de auto-aliniere:

1. Senzorul de cuplul la volan + servodirecţie hidraulică cu senzori de presiune2. Tensiometre (bieleta stanga dreapta)3. Traductoare de forţă la roţi.

Soluţia cea mai puţin complexă şi costisitoare este utilizarea unui senzor la caseta de direcţiei. În principal un senzor apropiat de centrul roţii ar trebui să fie ideal din punct de vedere al performantei, deoarece este aproape de contactul dintre roată şi drum. Pentru celelalte două concepte forţele trebuie să fie transmise prin articulaţii şi alte componente care conţin frecare şi inerţie, ceea ce duce la abateri.

Algoritmul forţei laterale studiat în acest proiect se bazează pe măsurarea cuplului de auto-aliniere.

Aşa cum s-a arătat, vehiculul de încercare a fost, de asemenea, echipat cu un accelerometru longitudinal, dar nu este folosit pentru algoritmi care sunt în sfera de aplicare a acestui proiect.

3.2. Rezultate

Evaluarea senzorului a fost realizată atât pe suprafeţe uscate cât şi pe suprafeţe alunecoase. Senzorul de la caseta de direcţiei a arătat bună corelatie cu traductoarele de forţă de la roţi, care au fost utilizate ca referinţă. Senzorul la bielete este sensibil la forţe scăzute, a fost mai puţin robust la prototipul testat.

Senzorul de la caseta de direcţie a fost ales pentru a evalua in continuare algoritmul.În figura 5 sunt prezentate rezultatele de la unul din testele pe suprafeţe bine definite.

Testul constă dintr-o manevră de slalom la viteză constantă de 40 km/h pe trei tipuri diferite de suprafeţe: zăpadă, asfalt şi gheaţă.

4

Fig.4. Senzorii utilizaţi pentru masurarea cuplului de auto-aliniere

Fig.3. Configurarea experimentală pentru estimarea cuplului de auto-aliniere

Page 5: Estimarea coeficientului de aderenta

Curba neagră

indică faptul ca vehiculul se află pe astfalt, în stânga curbei există zăpadă, iar în dreapta gheaţă.

Asfaltul este

detectat la o utilizare de aproximativ 30%, zăpada între 60-80%, iar pentru gheaţă este necesară o utilizare 100%.

3.3. Concluzii

Prin utilizarea unor senzori suplimentari, caseta de direcţie a dovedit bună utilizare ca dispozitiv de detecţie a forţei pentru estimarea cuplului de auto-aliniere. La vehiculele echipate cu direcţie asistată electric forţele de direcţie pot fi evaluate fără utilizarea unor senzori suplimentari. Algoritmul utilizat poate să estimeze cu usurinţă aderenţa cu drumul atunci când vehiculul virează.

La virare este necesară îmbunătăţirea performanţelor sistemelor de siguranţă activă, cum ar fi ESC, dacă se cunoaşte aderenţa cu drumul în situaţia în care acest algoritm este activ.

4.Modelul de bază pentru estimarea aderenţei

Scopul acestui proiect este de a estima aderenţa dintre pneu si drum pentru diferite tipuri de pneuri, în funcţie de suprafaţa drumului, folosind doar semnale existente pe autovehicul, utilizând metode bazate pe modele fizice.

4.1. AbordareaPrin utilizarea acestui model, rezultatele obţinute pot fi folosite pentru a identifica

rigiditatea pneului si coeficientul de aderenţă.Pe baza modelelor fizice au fost proiectati doi algoritmi alternativi:

5

Fig.5. Rezultatele testului pe asfalt, zăpadă şi gheaţă.

Page 6: Estimarea coeficientului de aderenta

1. Un algoritm bazat pe stocarea punctelor din planul fortei de alunecare. Aceste puncte sunt utilizate pentru a calcula rigiditatea pneului şi pentru a optimiza aderenţa dintre pneu şi drum.

2. Un algoritm bazat pe micşorarea erorii.Aceşti algoritmi au fost pusi in practica in timp real pe un vehicul de testare.

Configuraţia de încercare este prezentată în figura 6.

4.2. RezultateAlgoritmii au fost evaluaţi cu datele obţinute din testele realizate pentru diferite tipuri

de suprafeţe. Rezultatul este că ambele estimări sunt capabile să detecteze aderenţa dintre roată şi drum cu o precizie bună.

Cu algoritmii propuşi, rezultatele sunt atinse instantaneu la accelerare atunci când se utilizează 20-50% din aderenţă, in funcţie de tipul de suprafaţă. Ambii algoritmi se adapteaza automat la tipurile de pneuri, nefiind necesară calibrarea.

4.3. Concluzii

Algoritmi sunt model de bază şi necesită puţină punere la punct. În prezent, algoritmi sunt limitati la conducerea în linie dreaptă, dar este posibilă extinderea la frânare si la virări uşoare.

5. Previzualizarea pentru estimarea aderenţei

Scopul subproiectului 3 a fost de a analiza tehnologia pentru caracterizarea suprafeţei drumului în faţa vehiculului, cu scopul de a determina coeficientul de aderenţă dintre pneu şi drum.

5.1. Abordarea

6

Fig.6. Echipamentele montate pe vehicul

Page 7: Estimarea coeficientului de aderenta

Pentru realizarea studiului au fost selectaţi 2 senzori bazaţi pe tehnici optice de măsurare şi analiză cu lumină infraroşie, care este reflectată în suprafaţa drumului în faţa vehiculului.

Scopul este de a utiliza senzori care să masoare lumina infraroşie, de diferite lungimi de undă, reflectată de drum pentru a deosebi suprafeţele de drum: uscate, umede, zapadă, gheaţă. Aderenţa este obţinută pe baza valorilor coeficientului de aderenţă dintr-un tabel prestabilit.

Senzorii selectaţi au fost experimentaţi in laboratorul LTU precum şi in testele pe teren montaţi intr-un camion Volvo.

5.2. Rezultate

Doi senzori prototip au fost selectaţi pentru cercetare şi testare. Primul senzor poartă denumirea de Road Eye (figura 7), iar cel de-al doilea Sensice.

În plus, un senzor de

temperatura, de suprafaţă a fost integrat în configuraţia vehiculului de încercat.

Testele de laborator

efectuate de LTU au arătat că senzorul Road Eye este capabil să facă diferenţa între o suprafaţă de drum uscat, sau acoperită cu gheaţă sau zăpadă.

O suprafaţă de drum acoperită cu apa este mult mai greu de identificat. Pentru a compensa această limitare s-a propus dotarea senzorului cu o diodă laser suplimentară pentru a lumina suprafaţa drumului.

Figura 8 arată rezultatul unui test pe teren, unde camionul a străbătut un drum pregătit, cu secţiuni bine definite cu zăpadă, asfalt uscat şi gheaţă. Senzorul a fost capabil să identifice în mod constant suprafeţele.

În fig.8 galben reprezintă

zapada, roşu indică gheaţă, negru indică asfalt uscat, iar albastru indica suprafeţe ude.

Figura 9 arată rezultatele

unui test realizat pe un drum obişnuit, cu un vehicul

7

Fig.7. Principiul de bază al senzorul Eye Road

Fig.8. Clasificarea suprafeţelor drumului

Page 8: Estimarea coeficientului de aderenta

echipat cu dispozitiv de măsurare a aderenţei, urmat de un camion echipat cu senzorul Road Eye.

Drumul a fost în cea mai mare parte acoperit cu zăpadă, în unele zone cu gheaţă, având şi pete de asfalt uscat sau umed.

Eroarea medie obţinută la estimarea coeficientului de aderenţă atât pe piste pregătite pentru testare(fig.8), cât şi pe drumuri obişnuite(fig.9) a fost de 0.08 în comparaţie cu măsurarea de referinţă.

5.3. Concluzii

În concluzie senzorul poate fi dezvoltat pe viitor prin combinarea cu alte tehnici şi anume:

Îmbunătăţirea senzorului pentru o mai bună diferenţiere între apă şi gheaţă. Combinarea senzorului cu alte tehnici de estimare a aderenţei.

6. Validarea experimentală

Expediţiile de testare au fost organizate de 4 ori în cursul proiectului: Hällered 2005, Arjeplog 2006, Hällered 2006, Arjeplog 2007. Primele două expediţii au avut scopul de colectare a datelor de la diferite suprafete de drum şi anvelope pentru a fi utilizate în dezvoltarea algoritmului. Datele au fost colectate cu ajutorul vehiculelor de testare folosite (fig.10).

8

Fig.9. Precizia metodei Road Eye(dedesubt) în comparatie cu coeficientul de aderenţă măsurat de VTI (deasupra)

Fig.10. VTI BV12 pentru testarea pneului (stânga) şi BV14 pentru testarea suprafeţei drumului (dreapta).

Page 9: Estimarea coeficientului de aderenta

Ultimele două expediţii au avut scopul principal de validare a algoritmilor dezvoltaţi.Aderenţa a fost măsurată în timpul testelor pe zăpadă, gheaţă, asfalt uscat/umed

(tabelul 1). În plus, vehiculele au fost testate şi pe drumurile publice în jurul Arjeplog. Vehiculul pentru măsurarea aderenţei VTI BV14 a fost folosit pentru a obţine măsurători de referinţă.

6.1. Testele specifice

Testele specifice au fost realizate pentru evaluarea performanţei sistemului pe suprafeţe bine definite şi în timpul tranziţiei între două suprafeţe bine definite. Tabelul 1 rezumă măsurătorile aderenţei pe diferite suprafeţe de testare. Toate cele trei metode sunt capabile să distingă suprafetele cu o precizie acceptabilă. O excepţie este că metoda optică nu diferenţiază asfaltul umed.

6.2. Testele pe drumurile publice

Performanţa generală a sistemului a fost evaluată pe 7 sectoare de drum. Testarea pe sectoarele de drum a fost importantă , nu numai pentru că a oferit condiţii realiste, ci şi pentru a obţine o distribuţie a curbelor, dealurilor şi secţiunilor drepte. Un exemplu este arătat în figura 11. Prima parte a drumului testat (95) a constat în asfalt uscat, iar cea de-a doua parte, începând cu virajul la stânga, a fost acoperită cu o combinaţie de zăpada, gheaţă şi asfalt spre sfârsit.

9

Fig.11. Secţiunea de drum folosită pentru testare

Page 10: Estimarea coeficientului de aderenta

7. Concluzii şi recomandări

Scopul acestui proiect a fost să analizeze posibilităţile de estimare a aderenţei dintre pneu şi drum. Au fost studiate atât metodele indirecte (previzualizare cu ajutorul senzorilor) cât şi metodele directe (bazate pe forţa de alunecare). Ideile iniţiale, în toate cele trei subproiecte au fost dezvoltate în prototipuri functionale care au fost validate în condiţii reale.

Abordările directe ale subproiectelor 1 şi 2 indică faptul ca aderenţa dintre pneu şi drum poate fi estimată. Estimarea este suficientă pentru a oferi informaţii utile sistemelor de siguranţă activă.

Abordarea indirectă, bazată pe previzualizare, a subproiectului 3 prezintă un rezultat promiţător în ceea ce priveşte clasificarea suprafeţei drumului.

Rezultatul subproiectelor va fi utilizat de către partenerii industriali ca funcţie de sprijin pentru îmbunătăţirea performanţelor sistemelor de siguranţă activă.

Odată cu dezvoltarea rapidă a sistemelor de siguranţă activă a vehiculelor, precum şi a sistemelor de comunicaţii şi software, sistemele de estimare a aderenţei vor avea un impact major asupra siguranţei traficului în viitor. Prin urmare aceste sisteme se află intr-o continuă dezvoltare.

10


Recommended