Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas

Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas J. J. Castillo Aguilar, J. A. Cabrera Carrillo, A. J. Guerra Fernández, Enrique Carabias Área de Ingeniería Mecánica. Departamento de Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Universidad de Málaga. Noviembre, 2016 Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas Índice 1. Introducción 2. Algoritmos de control 3. Estimación mediante Filtro de Kalman 4. Simulaciones 5. Conclusiones Introducción •El sistema de frenado es probablemente el equipamiento de seguridad activa más importante de los vehículos automóviles. El ABS es el sistema de control más importante en lo relativo a frenado. •El esfuerzo científico y la implantación de sistemas avanzados de control para la mejora de la seguridad (ABS, TCS, …) se ha centrando mayoritariamente en los vehículos de cuatro ruedas. •Hasta épocas recientes ha sido escasa la implantación de estos tipos de sistemas en motocicletas, debido a: La complejidad de modelar su comportamiento dinámico, siendo difícil establecer la lógica que controle una inestabilidad en el vehículo. Reticencias de los motociclistas a la incorporación de estos sistemas. Introducción Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones Conclusiones Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas Introducción •El sistema de frenado es probablemente el equipamiento de seguridad activa más importante de los vehículos automóviles. El ABS es el sistema de control más importante en lo relativo a frenado. •El esfuerzo científico y la implantación de sistemas avanzados de control para la mejora de la seguridad (ABS, TCS, …) se ha centrando mayoritariamente en los vehículos de cuatro ruedas. •Hasta épocas recientes ha sido escasa la implantación de estos tipos de sistemas en motocicletas, debido a: La complejidad de modelar su comportamiento dinámico, siendo difícil establecer la lógica que controle una inestabilidad en el vehículo. Reticencias de los motociclistas a la incorporación de estos sistemas. Introducción Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones Conclusiones Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas Introducción •El sistema de frenado es probablemente el equipamiento de seguridad activa más importante de los vehículos automóviles. El ABS es el sistema de control más importante en lo relativo a frenado. •El esfuerzo científico y la implantación de sistemas avanzados de control para la mejora de la seguridad (ABS, TCS, …) se ha centrando mayoritariamente en los vehículos de cuatro ruedas. •Hasta épocas recientes ha sido escasa la implantación de estos tipos de sistemas en motocicletas, debido a: La complejidad de modelar su comportamiento dinámico, siendo difícil establecer la lógica que controle una inestabilidad en el vehículo. Reticencias de los motociclistas a la incorporación de estos sistemas. Introducción Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones Conclusiones Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas Introducción Consecuencia: mayor número de accidentes en los que la motocicleta está involucrada, especialmente cuando el conductor no tiene la suficiente experiencia en su conducción. Este hecho queda reflejado en los informes de siniestralidad que publica todos los años la DGT. Introducción Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones Conclusiones Evolución de la distribución de los accidentes con víctimas por tipo de vehículo (% de accidentes con implicación de al menos un vehículo del tipo considerado). Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas Introducción Consecuencia: mayor número de accidentes en los que la motocicleta está involucrada, especialmente cuando el conductor no tiene la suficiente experiencia en su conducción. Este hecho queda reflejado en los informes de siniestralidad que publica todos los años la DGT. Introducción Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones Conclusiones Víctimas mortales por tipo de usuario 2014-2015 Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas Introducción Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas Frenada en vehículos de 4 ruedas vs 2 ruedas 4 ruedas 2 ruedas Bloqueo rueda delantera Pérdida capacidad para direccionar al vehículo, aumento de distancia de frenado Pérdida de control direccional, aumento de distancia de frenado, inestabilidad, alto riesgo de caída Bloqueo rueda trasera Inestabilidad direccional Inestabilidad direccional Frenada en superficie muy adherente Gran deceleración Gran deceleración, posibilidad de stoppie Uso de freno trasero (Frenada de emergencia) Aporta aprox. 2530 % de la fuerza de frenado Aportación marginal. Frenada en curva Riesgo moderado Disminución de adherencia lateral, alto riesgo de deslizamiento de rueda delantera Introducción Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones Conclusiones Introducción Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas Introducción Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones Conclusiones Bloqueo rueda delantera Stoppie Algoritmos de control: Control deslizante Introducción Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones Conclusiones Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas •Utilizando el modelo dinámico de la motocicleta, se llega a que el par de frenado que puede hacer que el error sea 0 es: •Dónde: •El ^ indica que los parámetros no son exactos y que dependen de un error variable (pero limitado). •El factor k1fpermite optimizar el controlador. El factor K2fse impone para garantizar la estabilidad del controlador. 𝑔𝑟=𝜔𝑟𝑅𝑎𝑥 𝑣𝑥 2+ 𝑓2+𝑚𝑔𝑅𝜎𝑣𝐿𝑓 𝑣𝑥 𝐿+ 𝜎𝜔𝜔𝑓)𝑅 𝐽 𝑣𝑥 , 𝑏𝑓=𝑅 𝐽 𝑣𝑥 , Algoritmos de control: Control difuso* Introducción Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones Conclusiones Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas •El bloque borroso utilizado tiene como variables de entrada el error de deslizamiento en función del tiempo y la diferencia de dicho error: •En función de los valores calculados, se obtendrá como salida una variable que hemos denominado multipres, la cual es un factor multiplicador de la presión de frenado aplicado en el instante anterior. * J.J. Castillo, J.A. Cabrera, A.J. Guerra, A. Simon, A Novel Electro-Hydraulic Brake System with Tire-Road Friction Estimation and Continuous Brake Pressure Control. IEEE Trans. on Ind. Electr. 63:3, (2016), 1863-1875.     opt e t s s t       1 diferror t e t e t       1P t multipres P t   Introducción Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones Conclusiones Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas •Una vez definidas las funciones de pertenencia se obtiene la siguiente superficie de control del bloque borroso. Algoritmos de control: Control difuso -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 00.2 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0 0.5 1 1.5 2 error derror multipres 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Deslizamiento longitudinal (sL) Coeficiente de adherencia  sref error(+) error(-) diferror(-) diferror(+) diferror(-) diferror(+) Introducción Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones Conclusiones Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas •Además es preciso introducir para la moto de categoría deportiva un control adicional para la rueda delantera. •Debido a la alta tendencia de este tipo de motos a bloquear la rueda delantera y a girar sobre sí misma (hacer un invertido) se ha creado un control para que limitar el ángulo de cabeceo durante toda la frenada. •Así, al igual que en el caso anterior, la salida del bloque fuzzy será un multiplicador sobre la presión de frenado. •El objetivo es reducir la presión una vez se detecte un alto ángulo o velocidad de cabeceo. Algoritmos de control: Control difuso / cabeceo     1P t multipres multicab P t    Introducción Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones Conclusiones Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas •Además es preciso introducir para la moto de categoría deportiva un control adicional para la rueda delantera. •Debido a la alta tendencia de este tipo de motos a bloquear la rueda delantera y a girar sobre sí misma (hacer un invertido) se ha creado un control para que limitar el ángulo de cabeceo durante toda la frenada. •Así, al igual que en el caso anterior, la salida del bloque fuzzy será un multiplicador sobre la presión de frenado. •El objetivo es reducir la presión una vez se detecte un alto ángulo o velocidad de cabeceo. Algoritmos de control: Control difuso / cabeceo     1P t multipres multicab P t    Introducción Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones Conclusiones Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas •El rango establecido para la variable ángulo de cabeceo es de [0, +6] siendo 6 el máximo admisible sin que gire. La variable de salida multicab está acotada entre [0, 1] ya que trata de reducir la presión de salida del bloque anterior en caso necesario. Algoritmos de control: Control difuso / cabeceo 0 1 2 3 4 5 6 0 20 40 60 0.7 0.8 0.9 1 Cabeceo Vel. cabeceo multipres2 Algoritmos de control: Control convencional* Introducción Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones Conclusiones Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas •Hace uso del del deslizamiento y de la deceleración periférica de la rueda como criterios para la determinación del bloqueo de la rueda. * Bosch. Sistemas de freno convencionales y electrónicos. 3ª ed. Alemania: Robert Bosch GmbH, 2003. ISBN: 3-934584-61-6. Aumentar presión 1 Mantener presión 2 Disminuir presión 3 Mantener presión 4 ωr ≤ -a | s ≥ slim ωr > -a & s < slim s ≥ slim ωr > +a ωr ≥ A | dωr/dt ≤ 0 Estimación mediante EKF Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones ConclusionesIntroducción Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas •Se ha utilizado un filtro de Kalman Extendido de Kalman (EKF) para obtener la velocidad longitudinal de la moto, los esfuerzos verticales, el esfuerzo longitudinal en el neumático delantero. •Se hace uso del siguiente modelo simplificado de motocicleta: h Chasis motocicleta Kf Kr Cf Cr az ax X Y NfNr lflr  Fx,r Fx,f Estimación mediante EKF Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones ConclusionesIntroducción Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas •En este caso los valores del vector de variables de estado son: •El vector de medidas es:                         , , 11 2 , 1 1 1 11 1 xr xr r rf kk fx r x x x Fk Fk Nk Nk Nk x k f x Nk F k Cv k v k t vk M                                                            2 , , x r x xfr z k k r r f f x r y F k Cv k M ak N k N k Mg j k a k h x M kN k l N k l F k z k I                     Estimación mediante EKF Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones ConclusionesIntroducción Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas •En este caso los valores del vector de variables de estado son: •Con estos valores estimados es posible estimar el deslizamiento y el coeficiente de fricción a partir de:                         , , 11 2 , 1 1 1 11 1 xr xr r rf kk fx r x x x Fk Fk Nk Nk Nk x k f x Nk F k Cv k v k t vk M                                    ,1. k k est rr vk sw k R      , , xr k est r Fk Nk   Simulaciones: Borroso / Cruiser –asfalto seco Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones ConclusionesIntroducción Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones ConclusionesIntroducción Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas Control cabeceo Simulaciones: Borroso / Sport con control cabeceo –asfalto seco Simulaciones: Borroso / Sport con control cabeceo Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones ConclusionesIntroducción Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0.86 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 Tiempo (s) Multicab Simulaciones: Deslizante / Sport –asfalto seco Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones ConclusionesIntroducción Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas Algoritmos de control Estimación mediante EKFIntroducción Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas •En asfalto seco los algoritmos que mejores resultados dan son el control borroso y el modo deslizante. 0 5 10 15 20 25 30 35 Sin ABS ABS convencional ABS PID ABS fuzzy ABS deslizante Distancia de frenado (m) Asfalto seco a 80 km/h Sport Cruiser Simulaciones: Comparativa Simulaciones Conclusiones Algoritmos de control Estimación mediante EKFIntroducción Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas •En el caso de asfalto mojado, el comportamiento del control en modo deslizante, borroso y PID es muy parecido, observándose que la tendencia al cabeceo de la motocicleta sport disminuye según se hace menor el coeficiente de adherencia. 0 5 10 15 20 25 30 Sin ABS ABS convencional ABS PID ABS fuzzy ABS deslizante Distancia de frenado (m) Asfalto mojado a 60 km/h Sport Cruiser Simulaciones: Comparativa Simulaciones Conclusiones Algoritmos de control Estimación mediante EKFIntroducción Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas •El ABS de control borroso y en modo deslizante mejora al resto en la frenada en una situación de multi–superficie. 010 20 30 40 50 60 70 80 Sin ABS ABS convencional ABS PID ABS fuzzy ABS deslizante Distancia de frenado (m) Multi-superficie a 80 km/h Sport Cruiser Simulaciones: Comparativa Simulaciones Conclusiones Conclusiones Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones Conclusiones Introducción Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas •Se ha verificado que el uso de los sistemas ABS minimiza sustancialmente la distancia de frenado y que, por tanto, mejora la seguridad en la conducción en vehículos de dos ruedas. •Dentro de las tipologías estudiadas se aprecia que los sistemas ABS convencionales reducen la distancia de frenado, sin embargo, no son suficientemente óptimos. •Los controles borrosos y deslizantes ofrecen buenas prestaciones en casi todas las superficies. •Los ABS para motocicletas son mejorables por la simple modificación de los parámetros del mismo. Lo ideal sería una sintonización de dichos parámetros para cada vehículo e incluso una modificación dinámica en el que se contemplen las distintas superficies donde el vehículo puede circular. •En ciertos casos es necesario añadir un control del cabeceo para mejorar la seguridad. Conclusiones Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones Conclusiones Introducción Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas •Se ha verificado que el uso de los sistemas ABS minimiza sustancialmente la distancia de frenado y que, por tanto, mejora la seguridad en la conducción en vehículos de dos ruedas. •Dentro de las tipologías estudiadas se aprecia que los sistemas ABS convencionales reducen la distancia de frenado, sin embargo, no son suficientemente óptimos. •Los controles borrosos y deslizantes ofrecen buenas prestaciones en casi todas las superficies. •Los ABS para motocicletas son mejorables por la simple modificación de los parámetros del mismo. Lo ideal sería una sintonización de dichos parámetros para cada vehículo e incluso una modificación dinámica en el que se contemplen las distintas superficies donde el vehículo puede circular. •En ciertos casos es necesario añadir un control del cabeceo para mejorar la seguridad. Conclusiones Algoritmos de control Estimación mediante EKF Simulaciones Conclusiones Introducción Evaluación de algoritmos de control para sistemas ABS en motocicletas •Se ha verificado que el uso de los sistemas ABS minimiza sustancialmente la distancia de frenado y que, por tanto, mejora la seguridad en la conducción en vehículos de dos ruedas. •Dentro de las tipologías estudiadas se aprecia que los sistemas ABS convencionales reducen la distancia de frenado, sin embargo, no son suficientemente óptimos. •Los controles borrosos y deslizantes ofrecen buenas prestaciones en casi todas las superficies. •Los ABS para motocicletas son mejorables por la simple modificación de los parámetros del mismo. Lo ideal sería una sintonización de dichos parámetros para cada vehículo e incluso una modificación dinámica en el que se contemplen las distintas superficies donde el vehículo puede circular. •En ciertos casos es necesario añadir un control del cabeceo para mejorar la seguridad.