Symbolic-Numeric Tools for the analysis of motorcycle dynamics. Development of a virtual rider for motorcycles based on model predictive control

Abstract

Over the years, the design of modern vehicles is becoming an extremely complex task. This trend is caused by the increasing functional requirements of new designs and by the vast amount of mechatronic systems within the vehicle. Motorcycle technology has reached a point where, to make further improvements, a global and multidisciplinary understanding of the vehicle is essential. In this respect, it has become indispensable to consider the interaction of such diverse elements as road, suspensions, chassis, engine, rider, sensors and electronics in the design process of new devices. It is in this challenging framework where simulation takes a crucial role in the evolution and development of new ideas. Virtual models offer a faster and cost-effective alternative to physical testing, they decrease the development time, limit the number of prototypes needed to validate a new design and, most importantly, they permit conducting experiments with no risk for the human operator. This last feature, for instance, results especially attractive for the development of new active safety systems. In order to achieve realistic results, it is essential to properly replicate the behavior of the human operator within the simulation environment. This is the main scope of the present thesis, which focuses on the application of control techniques to drive a virtual motorcycle model along a predefined path. This implies generating appropriate control actions to govern the throttle, the brakes and the steering system during the simulation. Two-wheeled vehicles are complex dynamic systems; they are highly nonlinear, non- minimum phase, unstable and underactuated. This makes motorcycle control a rather challenging task. Building upon Model Predictive Control theory, we have developed a novel control strategy capable of riding a nonlinear motorcycle model in a wide range of conditions, including extremely demanding manoeuvres such as those performed by racing riders. The lack of appropriate simulation packages for vehicle control motivated the in- house development of all necessary tools for the realization of this project. These include, in addition to the virtual rider, a detailed multibody model of the motorcycle and a new methodology for the quasi-steady state analysis of motorcycles. The research performed in this PhD project yields new insights into the simulation of motorcycle dynamics and extends the working range of existing controllers. Although a sports motorcycle has been used throughout this document, both the modeling approach and the results can be extended to other vehicle typologies. This research has also paved the way for improvements and further developments that are suggested as future research lines.

Con el paso de los años, el desarrollo de vehículos se está convirtiendo progresivamente en una tarea cada vez más compleja. Esto es debido, en parte, a los requisitos funcionales de los nuevos diseños y a la gran cantidad de sistemas mecatrónicos que incorporan los vehículos modernos. Se ha llegado a un punto en que, para mejorar el comportamiento de las motocicletas actuales, es esencial una comprensión global y multidiscip`linar del vehículo. En este sentido, es indispensable considerar la interacción entre elementos tan diversos como el terreno, las suspensiones, el chasis, el motror, el piloto y la electrónica en el proceso de diseño de nuevos dispositivos. En este dificil contexto donde la simulación juega un papel crucial en la evolución y el desarrollo de nuevas ideas. Los modelos virtuales ofrecen una alternativa más rápida y rentable que los ensayos físicos, disminuyen el tiempo de desarrollo, limitan el nímero de prototipos necesarios para validar un nuevo diseño y, lo que es más importante, permitaen llevar a cabo experimentos sin nigún riesgo para el ser humano. Esta última característica, por ejemplo, resulta especialmente atractiva para el desarrollo de nuevos sistemas de seguridad activa. Con el fin de lograr resultados realistas, es esencial replicar adecuadamente el comportamiento del piloto en el entorno de simulación. Este es el objetivo principal de la presente tesis, en la que se aplican técnicas de control al modelo del piloto. Los vehículos de dos ruedas son sistemas dinámicos complejos; son altamente no lineales, de fase no mínima, inestables y subactuados. Esto hace del control de la motocicleta un atarea particularmente difícil. Tomando la teoría de control predictivo como punto de partida, se ha desarrollado una estrategia de control capaz de estabilizar un modelo no lineal de motocicleta en un amplio rango de condiciones, incluyendo maniobras agresivas, como por ejemplo, las realizadas por los pilotos de carreras.Para ello el sistema de control actúa sobre el acelerador, los frenos y la dirección tal y como lo haría un piloto real. La carencia de herramientas de simulación adecuadas para el control de vehículos motivó el desarrollo interno de todos los elementos necesarios para la realización de este proyecto. Estos incluyen, además del piloto virtual, un modelo multicuerpo de la motocicleta y una nueva metodología para el análisis quasi-estático del vehículo. La investigación realizada en este proyecto de doctorado aporta nuevos conocimientos sobre la simulación de la dinámica de la motocicleta y amplía el rango de trabajo de los controladores existentes. Aunque se ha utilizado una motocicleta deportiva a lo largo de este documento, tanto la metodología como los resultados pueden ser extendidos fácilmente a otras tipologías de vehículos. Al final de la investigación se proponen futuroas líneas de trabajo para continuar el desarrollo del piloto virtual.