Características de dirigibilidade de um veículo automotivo foram estudadas com o auxílio de uma ferramenta computacional para simulação de sistemas multicorpos integrado a um controle de estabilidade direcional virtual. O modelo do veículo simplificado utilizado, de três graus de liberdade, proporciona o cálculo em tempo real das grandezas utilizadas para o controle de atitude de veículos, como velocidade em guinada e ângulo de deriva. Por isso, sua utilização como modelo de referência. O controle desenvolvido se mostrou bastante confiável e suficientemente simples. Os resultados mostraram boa aproximação através de uma avaliação subjetiva do comportamento do veículo. Finalmente, pode ser observado que o uso de ferramentas com uma interface amigável com o usuário proporcionam tempos de desenvolvimento mais curtos e estudos paramétricos mais fáceis, possibilitando ao projetista alcançar as características desejadas do veículo com custos muito menores / Handling characteristics of an automotive vehicle were studied with the aid of a computational tool for mutibody system simulation integrated to a virtual directional stability control. The simplified vehicle model used, a three degrees of freedom model, makes possible the real time calculus of the parameters used in the yaw active control systems, like yaw rate and vehicle sideslip angle. Due to that, the use of it as a reference model. The developed control strategy is enough credible and sufficiently simple. Results showed good agreement through the subjective vehicle evaluation. Finally, it can be observed that the use of a tool with a user friendly interface makes development times shorter and parametric studies easier, enabling the designer to achieve the desired vehicle characteristics control much less costly

Orientador: Franco Giuseppe Dedini / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-09T20:19:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_LudmilaCorreaAlkmine_M.pdf: 11763178 bytes, checksum: 949344e47dc2505f86cd5805376922d8 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Neste trabalho foi desenvolvido um laboratório virtual para dinâmica veicular e modelagem do contato roda-piso que foi usado para a visualização do comportamento dinâmico de uma cadeira de rodas em diversas situações. Utilizando o ambiente Working Model 2Dâ para a integração das equações de movimento e visualização dos deslocamentos e movimentos associados, implementou-se modelos do contato roda-piso a partir da literatura de referência. Foram propostos sucessivamente quatro diferentes modelos do contato roda-piso, um modelo próprio para o controle da velocidade e aceleração, o modelo de Huston, a fórmula mágica e por último o modelo de Raheman. Todos esses modelos foram implementados, simulados e comparados entre si, por meio de imagens e gráficos obtidos. Todos os modelos se mostraram bastante confiáveis e suficientemente simples. No entanto, não existem dados confiáveis para os coeficientes destes modelos quando usados para a modelagem de rodas e ambientes inteiros como acontece em uma cadeira de rodas. Assim levou-se ao desenvolvimento de uma bancada experimental para a obtenção desses parâmetros / Abstract: In this work it was developed a virtual laboratory to vehicular dynamics and the modeling of the contact between ground and wheel that was used to visualize the dynamic behavior of the wheelchair in diverse situations. Using the Working Model 2D for the integration of the equations of motion and visualization of the displacements, the model of the contact between the ground and wheel had been implemented from the reference literature. Four different models of the contact between ground and wheel had been considered successively, a proper model for control of the speed and acceleration, the Huston model, the Magic Formula and then the Raheman model. All these models had been implemented simulated and compared each other by figures and graphs. All the models developed was sufficiently trustworthy and enough simple. However, trustworthy parameters do not exist for the coefficient of these models when used for the modeling of the wheelchair. So was developed an experiment to raise these parameters / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

[pt] Apresenta-se a aplicação dos algoritmos genéticos para o tratamento do problema inverso em reconstituição de acidentes e análise de colisões com veículos terrestres de estrutura deformável. Define-se como, a partir de restrições impostas, das posições finais, e das deformações encontradas nos veículos após uma colisão, o algoritmo de otimização pode fornecer o conjunto de variáveis e parâmetros que mais provavelmente levam os veículos àquela condição. Todos os procedimentos desenvolvidos foram implementados em imulink/Matlab. Para resolver o problema, foi escolhida a técnica de otimização denominada algoritmo genético, que é indicado para solução de problemas complexos, que envolvem um grande número e variáveis e, conseqüentemente, espaços de soluções de dimensões elevadas. / [en] This work show an applicattion of the genetic algorithm to resolve the inverse problem of accident reconstitution and to analise colisions between vehicles of deformable structure. It is determined how, with imposing of restrictions, final positions and deformations found at vehicles after collision, the optimization algorithmcan give the set of variables and parameters that probably conduct the vehicles to true initial condition. All the developed procedures were implemented at Simulink/Matlab.The optimization technique chose to resolve the inverse problem was the genetic algorithm because it is the most popular to solve complex problems that have a very large number of variables and a elevate dimension space solutions.

[pt] Apresenta-se uma visão gerencial para o procedimento de projeto de suspensões de veículos terrestres. São descritos, em linhas gerais, os principais aspectos técnicos relativos ao projeto deste sub-sistema veicular, e tratados, com detalhes, os tópicos fundamentais para a sua administração. Discute-se, entre outras, as etapas de especificação do projeto, quesitos necessários, normas a serem aplicadas, e as etapas a cumprir, segundo a visão do gerente administrativo do projeto, responsável pela organização do grupo de técnicos que irá desenvolvê-lo. / [en] It is shown a managerial vision of the ground vehicles suspension design procedure. Are described, in general lines, the main technical aspects related to the design of this vehicular sub-system, and treats, with details, the fundamental topics for its administration. It is discussed, beside others, the design specification stages, necessary requirements, norms to be applied, and the stages to accomplish, according to the vision of the administrative design manager, responsible for the organization of the technicians' group that will develop it.

[pt] A determinação de uma trajetória ótima não é uma tarefa simples, uma vez que ela é diretamente dependente dos limites de aceleração suportada por cada veículo. Essa pesquisa aborda um método de otimização baseado em algoritmos genéticos que identifica a trajetória que um carro deve percorrer para completar uma pista pré-definida no menor tempo. Considerando um modelo veicular de Partícula Orientada, o método otimiza os perfis de aceleração que levam o veículo a percorrer a trajetória de menor tempo. Adicionalmente, projeta-se um controlador fuzzy para emular o comportamento de um ser humano na direção do veículo ao longo da trajetória ótima. Para alimentar o controlador, foram testados dois métodos de geração de erro: o Erro Presente da Trajetória e o Erro Futuro da Trajetória (FBTE), que é a medida de posição do carro quanto a sua tendência de movimento. Resultados obtidos com controladores clássicos, como o PDD, são confrontados com os fornecidos pelo controlador fuzzy alimentado pelo procedimento de geração de Erro Futuro de Trajetória (FBTE). / [en] The definition of the minimum time trajectory in a track is not obvious, since it is directly dependent on the acceleration limits that the vehicle can withstand. This paper presents an optimization method based on Genetic Algorithms that identifies the path that a car must follow in order to complete a given circuit in minimum time. By considering an Oriented Particle model, the method optimizes the acceleration profiles that drive the vehicle along the trajectory in minimum time. In addition, a fuzzy controller is designed to emulate the behavior of a human driver controlling a high speed car along the optimized trajectory. Two different error generation procedures were tested as controller inputs: the Present Trajectory Error and the Future-based Trajectory Error (FBTE), which gives information on the car’s tendency of movement. Results obtained with other controllers in the same application, such as the PDD, are compared to those provided by the fuzzy controller fed by the FBTE procedure.

[pt] Apresenta-se o uso das ferramentas lineares de Controle Clássico (Lugar Geométrico das Raízes) e Moderno (Realimentação de Estado e de Saída e Alocação de Pólos) para estabelecer os ajustes dos controladores adotados no problema de acompanhamento de trajetórias em traçados fechados por veículos terrestres, procurando reproduzir o comportamento do ser humano no comando deste tipo de sistema. Os modelos adotados para o veículo são lineares (funções de transferência e matrizes de estado e de entrada), porém a caracterização da trajetória fechada é geometricamente não-linear. Verifica-se deste modo como o projeto de um controle linear satisfaz as condições não lineares associadas. Os conceitos e ferramentas conhecidos são aplicados em diversos tipo de traçados, para diferentes condições do veículo - velocidade, limites de esterçamento, etc - e, a partir das simulações realizadas, são analisadas as características de comportamento do veículo - acelerações, estabilidade, etc - e comparadas as previsões dos projetos lineares com os resultados encontrados. É feita ainda uma breve introdução ao emprego do Controle Ótimo no problema de acompanhamento de traçados, utilizando um modelo bastante simplificado do veículo, e verificando as condições necessárias para se estabelecer a trajetória ótima em um traçado aberto, dado como critério o tempo mínimo para percorrê-lo. / [en] The use of classic and modern linear control tools (root locus and output regulation) is presented to determine the parameters of controllers used to follow a pre-defined closed path, in a way to approach the vehicle behavior and human actions when driving a car. The car is represented by linear models (transfer functions, state-space matrix), but the relation between the car and the closed path is non linear. It is verified how the project of a linear controller deals with the non linear characteristics of the closed loop. The concepts and tools of linear control are applied to some kinds of paths in different vehicle conditions (speed, steering angle limits, etc), and the results of simulations show the characteristics of the car, like accelerations, stability and position on the track. It`s also presented a little introduction to the problem of determine an optimal trajectory to run a corner, given the initial and final velocities and initial and final positions. In this case a very simple model is considered and the solution is based on open paths analysis.

[pt] Esta dissertação aborda conceitos interdisciplinares de Engenharia Mecânica e Engenharia de Software, com foco principal no estudo de sistemas mecânicos. Atualmente, operações de monitoração por meio de veículos autônomos se tornam cada vez mais comuns, enquanto os ambientes a que esses veículos robóticos são submetidos passam a ser cada vez mais hostis, principalmente em relação aos obstáculos e características dos terrenos. O presente trabalho introduz o desenvolvimento de um simulador dinâmico em 3D em tempo real para veículos robóticos em terrenos acidentados. Um algoritmo de interseção é desenvolvido entre um terreno 3D genérico e cada roda de um veículo. Um modelo de força de contato pneu-terreno é implementado, levando em consideração as combinações das derivas longitudinal e lateral. O modelo também inclui os efeitos de corrente contínua de motores, levando-se em consideração a interação entre a parte mecânica e a elétrica, inclusive uma aproximação contínua do modelo de atrito de LuGre, considerando as limitações de potência das baterias do sistema. O simulador também inclui equações para um controle de estabilidade 2D, levando em consideração apenas a estabilização do ângulo de arfagem (pitch) do veículo. Este trabalho propõe, além disso, um controle de estabilidade 3D utilizando um indicador de estabilidade que pode ser calculado em tempo real, baseado em uma estimativa de distribuição de forças de contato entre roda e terreno. O simulador é validado mediante comparações com soluções analíticas do comportamento longitudinal do veículo robótico. / [en] This dissertation approaches interdisciplinary concepts of Mechanical Engineering and Software Engineering, with a main focus on the study of mechanical systems. Nowadays, the task of monitoring with autonomous vehicles has become more and more common, while the environment to which those robot vehicles are exposed becomes more and more hostile, mainly in relation to the obstacles and characteristics of the terrain. The present work introduces the development of a 3D real-time dynamic simulator of robot vehicles on rough terrain. An intersection algorithm is developed between a 3D generic terrain and each wheel of a vehicle. A tire-soil contact force model is implemented, taking into consideration the combined longitudinal and lateral drifts. The model includes the effects of direct current motors, taking into consideration the interaction between mechanical and electric parts, including a continuous approximation of LuGre’s friction model, considering the power limitations of the system batteries. The simulator also includes an equation for a 2D stability control, taking into consideration only the stabilization of the pitch angle of the vehicle. This work also proposes a 3D stability control using an indicator of stability that can be calculated in real time, based on an estimated distribution of wheel-terrain contact forces. The simulator is validated through comparisons with analytic solutions of the longitudinal behavior of the robot vehicle.

[pt] O estudo da dinâmica lateral é de grande importância para análise do comportamento de um veículo durante manobras e fundamental para a implementação de sistemas de controle de estabilidade e de trajetória em veículos autônomos. Nesse contexto, baseado em medições experimentais de um veículo militar de três eixos durante manobras de mudança dupla de faixa a diferentes velocidades, o presente trabalho apresenta métodos de identificação de sistemas para obtenção de modelos lineares por meio da ferramenta CONTSID (CONTinuous-Time System IDentification), disponível no MATLAB; de modelos não lineares baseados em Redes Neurais; e, por fim, a proposta de emprego de modelos híbridos com o intuito de minimizar o erro associado à primeira abordagem, somando-se ao modelo linear, o valor estimado do resíduo com a aplicação de redes neurais. Por se tratarem de modelos obtidos a partir de dados observados, como parâmetros de entrada e de saída do sistema, foram selecionados o ângulo do volante e a taxa de guinada do veículo, respectivamente. Com a utilização do dados observados, foi realizada a identificação das funções de transferência para cada velocidade, o que possibilitou a análise da influência dessa variável no comportamento dinâmico do sistema. Em seguida, empregou-se uma abordagem via redes neurais ao mesmo conjunto de dados, com a construção de arquiteturas distintas por meio da modificação do número de neurônios, número de camadas e função de ativação. Por fim, um modelo híbrido foi combinado utilizando-se a modelagem linear e não linear para obtenção de melhorias na resposta do modelo final estimado. De acordo com os resultados, as técnicas empregadas apresentaram viabilidade de aplicação e resultados satisfatórios, destacando-se o aprimoramento do modelo linear por meio de sua substituição pelo modelo híbrido baseado em redes neurais. Do exposto, objetiva-se destacar o potencial dos métodos apresentados de forma que, posteriormente, esses estudos possam ser aprofundados para implementação de malhas de controle veicular, com o intuito de contribuir com o aumento da segurança, melhoria do conforto e no desenvolvimento de veículos autônomos. / [en] The study of lateral dynamics is of great importance for the vehicle behavior analysis during turning maneuvers, and it is fundamental to stability or path control systems used in autonomous vehicles. In this context, based on experimental measurements of a three-axle military wheeled vehicle during double lane changes maneuvers at different speed, this work presents methods for the identification of linear models using the CONTSID (CONTinuous-Time System IDentification) toolbox, available in MATLAB; nonlinear models based on artificial neural networks; and, the application of hybrid models to reduce the error associated with the first approach, combining the linear model to the estimated error using neural networks. Since those are data-driven methods, as input and output parameters of the system, the wheel steering angle and the yaw rate of the vehicle were respectively selected. Using the CONTSID toolbox, the identification of the transfer functions for each speed was performed, making it possible to evaluate the influence of this variable in the system s dynamics behavior. Thereafter, a neural network approach was applied to the same data set, changing architecture s parameters, such as number of neurons, layers and the activation function. At last, a hybrid model approach was presented through the combination of previous linear and nonlinear approaches to improve the estimated model response. The proposed methods showed satisfatory results, highlighting the improvement in the linear model through its replacement by the hybrid model based on neural networks. Therefore, this work aims to show the potential of the methods presented, and posteriorly contribute to studies on the implementation of vehicle control systems to increase safety, improve comfort and in the development of autonomous vehicles.

[pt] Apresentam-se nesta dissertação os principais modelos para análise e simulação de colisões e reconstituição de acidentes, desenvolvidos especialmente para reproduzir a dinâmica de uma colisão de forma adequada. Esse tipo de tratamento está se tornando uma indispensável ferramenta de auxílio nas perícias judiciais e para uma melhor interpretação de problemas de colisão em geral. Os programas desenvolvidos em MATLAB são baseados na implementação das equações relacionadas à interação entre os veículos, supostos rígidos, que ocorre durante uma colisão e são aplicáveis aos casos de colisões centrais e oblíquas, gerando resultados válidos e compatíveis aqueles obtidos através da teoria de conservação da quantidade de movimento, e com as medições realizadas após os acidentes. / [en] It is shown in this dissertation the main models for collisions analysis and simulation and accidents reconstruction, developed specially to reproduce the collision dynamics by an appropriated approach. This approach are becoming an indispensable tool of help for a better interpretation of collision and forensic problems. The MATLAB programs developed are based on implementation of equations related to rigid vehicles interaction in a collision, and are applicable for the central and oblique collisions, supplying valid and compatible results to those obtained by momentum conservation theory, and accidents experimental data.

[pt] É apresentado um procedimento para simulação de colisões de veículos terrestres deformáveis, cuja entrada são as condições imediatamente anteriores ao choque, produzindo como saída a evolução das variáveis ao longo do tempo de duração do impacto. Foram feitas simulações de casos semelhantes aos apresentados na literatura, e os resultados obtidos validaram os modelos criados. O procedimento foi implementado em Simulink/MatLab, seguindo a mesma estrutura dos demais programas em desenvolvimento nesta linha de pesquisa, de modo a futuramente integrá-lo aos pré- processadores e pós-processadores gráficos do programa SVDV - Simulação e Visualização da Dinâmica de Veículos. / [en] A procedure for the simulation of flexible ground vehicles collisions is presented, which uses the conditions at the instant just before the impact as input variables and the evolution of the dynamic variables during the collision as output. Various simulations are presented and compared to similar cases found in the literature, what validates the proposed models. The algorithm was implemented using Simulink/Matlab software and used the same structure of the other programs under development in this area, in order to integrate it to graphic pre-processors and post-processors available in SVDV program - Simulation and Visualization of Vehicle Dynamics.