ELECTRONIC STABILITY PROGRAM

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1 Università degli studi di Bologna Facoltà di Ingegneria CdL in Ingegneria Informatica Progetto di Calcolatori Elettronici M Anno Accademico 2010/2011 Croce Luca Di Mele Nicola Esposito Giovanni ELECTRONIC STABILITY PROGRAM CENTRALINA DI CONTROLLO PER LA SICUREZZA ATTIVA Il progetto consiste nel realizzare una centralina per la gestione dei dispositivi di sicurezza attivi di un automobile o veicolo qualsiasi a quattro ruote e a trazione posteriore. La centralina, inoltre, realizza un 1

2 differenziale autobloccante simulato elettronicamente per migliorare la guida sportiva. 2

3 COMPONENTI 1. ESP ECU: Unità di controllo elettronico per la gestione e la realizzazione delle quattro funzionalità ESP, ABS, ASR, EDL. 2. SENSORI DI VELOCITA : Montati sul mozzo di ogni ruota, ne misurano la velocità di ciascuna. 3. SENSORE ANGOLO DI STERZATA: Rileva l angolo e la direzione di sterzata. 4. ACCELEROMETRI: Tre accelerometri, uno per asse spaziale, per misurare le forze agenti sul veicolo. 3

4 5. INTERFACCIA PER ALTRE CENTRALINE: Interfacciamento con la centralina motore del veicolo, per inibire il comando dell acceleratore, e con la centralina dei freni, per modulare la frenata. 4

5 TEORIA SOVRASTERZO Con sovrasterzo si indica il comportamento di una autovettura che durante la percorrenza di una curva tende a percorrere una traiettoria più stretta di quella voluta dal guidatore. Se si verifica una repentina perdita di aderenza dell'asse posteriore, si ha il fenomeno del testacoda o sbandata. SOTTOSTERZO Con sottosterzo si indica il comportamento di una autovettura che durante la percorrenza di una curva tende ad allargare la traiettoria di percorrenza, obbligando il pilota a manovre di correzione (lasciare il gas e riallineare per un istante lo sterzo) per rimanere nella traiettoria desiderata. CONTROLLO DELLA STABILITA (ESP) Si tratta di un sistema per il controllo della stabilità dell'automobile che agisce in fase di sbandata, regolando la potenza del motore, tramite l inibizione del comando di accelerazione, e frenando le singole ruote con differente intensità in modo tale da stabilizzare l'assetto della vettura. Tale dispositivo è efficace nel correggere sia eventuali situazioni di sovrasterzo o sottosterzo, che si possono verificare in caso di errata impostazione di una curva, sia in caso di improvvisa deviazione di traiettoria o perdita di aderenza, evitando lo sbandamento del veicolo. La centralina interviene sia sull'alimentazione del motore (tagliando brutalmente l acceleratore, il segnale emesso dalla centralina è quindi prioritario rispetto a quello uscente dal pedale) sia sulle singole pinze freno, correggendo la dinamica della vettura. In particolar modo in caso di sottosterzo i freni intervengono frenando la ruota posteriore interna alla curva, creando un 5

6 movimento opposto alla sbandata, mentre in caso di sovrasterzo viene frenata la ruota anteriore esterna alla curva, generando sempre un movimento opposto. L'ESP si avvale di alcune informazioni che arrivano dalla vettura stessa in movimento: la velocità istantanea di ogni singola ruota, comunicata alla centralina dai sensori montati su ogni ruota; l angolo di sterzata comunica alla centralina la posizione del volante e, quindi, le intenzioni del guidatore; le forze agenti sull'automobile, rilevate dai tre accelerometri normalmente posizionati a centro vettura; l attivazione del comando di accelerazione (si presuppone un acceleratore elettronico, non a filo per intederci); i segnali per comandare singolarmente ogni pinza freno. 6

7 NB: Considero i tre accelerometri come un componente black box. Non ci curiamo in alcun modo delle formule fisiche che stabiliscono il vettore forza risultante come combinazione dei valori rilevati da ciascun accelerometro. CONTROLLO DELLA TRAZIONE (ASR) Il controllo della trazione (dall'inglese traction control system, TCS), chiamato anche antislittamento o antipattinamento (dall'inglese Anti Slip o Anti Spin ASR), è un sistema a gestione elettronica che impedisce il pattinamento delle ruote motrici di un veicolo in fase di accelerazione. Questo sistema individua il pattinamento delle ruote comparando la velocità delle ruote motrici, ottenuta da due dei quattro sensori previsti nel progetto, con le forze agenti sul veicolo, rilevate dagli accelerometri. Esistono diverse soluzioni per agire sul taglio della coppia sulle ruote motrici, ed è previsto il loro uso combinato. In questo progetto si è scelto di implementare un sistema di controllo della trazione che agisca esclusivamente sull alimentazione del motore. Appena le ruote motrici slittano, la centralina del controllo di trazione interviene sull'alimentazione del motore tagliando bruscamente l acceleratore per tutto il periodo dello slittamento. Una volta che lo slittamento è terminato il segnale di attivazione dell ASR smette di inibire il segnale di accelerazione, che torna ad arrivare in ingresso alla centralina motore. In caso di transito su terreni non compatti, quali terra battuta o neve, ovvero terreni cedevoli, le ruote motrici slittano fin dai primi istanti della partenza, a causa della scarsa aderenza. L attivazione dell ASR bloccherebbe il loro slittamento impedendo o ostacolando pesantemente il movimento stesso del mezzo. Su terreni di questo tipo, lo slittamento della ruota durante le prime fasi di accelerazione permette di compattare il terreno prossimo al pneumatico, il che garantisce una maggiore aderenza. Per questo motivo è stata prevista la possibilità di disabilitare questa componente della centralina. La disattivazione del controllo di trazione è consigliata anche in situazioni di guida sportiva, se il mezzo è condotto da un pilota esperto. La sua esclusione, infatti, permette di utilizzare la tecnica del sovrasterzo controllato per impostare traiettorie personalizzate e veloci. 7

8 SISTEMA ANTI BLOCCAGGIO (ABS) Il sistema anti bloccaggio, dall'acronimo inglese ABS (Antilock Braking System) è un sistema di sicurezza che evita il bloccaggio delle ruote dei veicoli garantendone la guidabilità durante le frenate. La centralina elettronica, analizzando tramite gli appositi sensori i valori della velocità di ciascuna ruota e le forze agenti sul veicolo, ha modo di rilevare il caso in cui una o più ruote sono bloccate in fase di frenata. In tal caso comanda la pompa idraulica dei freni in modo da rendere intermittente e da diminuire la forza di frenata. In pratica esegue la stessa azione che compierebbe il guidatore rilasciando e premendo il pedale del freno in modo alternato. Da notare che l'abs è un sistema unidirezionale, esso infatti esegue solo un'azione di rilascio dei freni mentre la forza di chiusura di essi deve essere fornita dal guidatore tramite il pedale del freno. In una frenata di emergenza il guidatore deve premere il pedale il più forte possibile senza preoccuparsi di bloccare le ruote, visto che è la centralina a diminuire tale forza fino al limite di tenuta del veicolo, inoltre è consigliabile che il conducente prema la frizione per ottimizzare la ripartizione della frenata ed evitare che il freno del motore sulle ruote motrici influenzi l'intervento della centralina dell'abs o degli altri sistemi di controllo. Quando entra in funzione il sistema ABS, oltre all'avvertimento visivo dato da specifiche spie luminose, il conducente avverte dei colpi provenire dal pedale del freno, dovuti all'abbassamento della pressione dell'olio nel circuito frenante. Molti incidenti sono causati da persone che sentendo il pedale vibrare si spaventano e rilasciano il freno, non completando la frenata. Per ovviare al problema alcune auto hanno l assistente di frenata emergenza, che in caso di brusca inchiodata si occupa di frenare alla massima potenza anche se il conducente non affonda il pedale. Tale funzionalità è implementata anche in questo progetto. In piena frenata, poi, gran parte del carico si trasferisce sull'asse anteriore, il muso si abbassa e la forza verticale sulle ruote aumenta notevolmente: lo sterzo trema o tira di lato ed è necessario tenerlo saldamente con due mani. DIFFERENZIALE AUTOBLOCCANTE ELETTRONICO (EDL) Percorrendo una curva i pneumatici interni seguono una traiettoria più stretta, girando più lentamente di quelli dal lato opposto. Se il collegamento tra le due ruote fosse rigido, come l'assale posteriore dei kart, le ruote sarebbero inesorabilmente costrette a pattinare sempre di più al diminuire del raggio di svolta. Il classico differenziale non risolve questa problematica, poiché quello che "toglie" ad una ruota motrice, lo indirizza sull'altra. Se un pneumatico si blocca, infatti, l'altro continua a girare al doppio della velocità. Allo stesso modo, quando una gomma si solleva da terra e si mette a girare più velocemente, l'altra che potrebbe garantire aderenza sull'asfalto, diventa incapace di imprimere trazione al veicolo. In sostanza la semplicità meccanica del 8

9 differenziale classico permette esclusivamente di tollerare una diversa velocità delle ruote ma, in caso di perdita d'aderenza, non riesce a garantire l'indispensabile coppia motrice. II differenziale autobloccante, invece, è un dispositivo in grado di trasmettere una porzione della coppia motrice anche quando uno dei due pneumatici slitta, garantendo sempre e comunque la trazione. Il vantaggio più evidente si nota in curva, perché queste ultime possono essere percorse con un'accelerazione più vigorosa. Esistono vari tipi di differenziali meccanici autobloccanti: a lamelle, Torsen ed a giunto viscoso. Recentemente ha fatto la sua comparsa nella produzione di serie anche quello interamente elettronico, che questo progetto si propone di realizzare, che sfrutta le potenzialità del sistema ESP di controllo della stabilità. La strategia è quella di frenare la ruota che slitta, rallentandola e impedendo all'altra di bloccarsi, senza impiegare alcun congegno meccanico. CENTRALINA DI CONTROLLO La figura sottostante riporta lo schema della centralina realizzata: 9

10 La centralina è realizzata come composizione di quattro moduli tra loro interagenti, ciascuno atto ad implementare una delle funzionalità previste nel progetto. Sulla sinistra sono riportati i segnali d ingresso, sulla destra sono invece indicati i segnali in uscita dalla centralina. Da notare che i segnali ABSAttivo, ASRAttivo, DifferenzialeAttivo e ESPAttivo sono segnali di input/output, ovvero segnali emessi dalle rispettive sotto componenti della centralina e riutilizzati in ingresso in altre porzioni della stessa centralina. Di seguito la spiegazione dettagliati di tutti i segnali. 10

11 INPUT CK: segnale di clock della centralina (25 Hz). Direzione: segnale a parallelismo 2 indicante la direzione dello sterzo nell istante di campionamento. (00: dritto; 01: destra; 10: sinistra; 11: non valido). GradiDirezione : segnale a parallelismo 6 indicante i gradi di direzione della sterzata (range di valori compresi tra 0 e 64 ). G: segnale a parallelismo 12 indicante l intensità di accelerazione, espresso con precisione millesimale (range di valori ammessi tra 0 e 4,096 G). GradiAccelerometro: segnale a parallelismo 6 indicante i gradi di direzione della forza G (range di valori compresi tra 0 e 64 ). TipoIntervento: segnale a parallelismo 2 che indica la modalità di funzionamento dell ESP (00: disattivato; 01: attivo in modalità normale; 10: attivo in modalità sport; 11 non valido). Il modo di funzionamento dell ESP è selezionabile dal pilota (si presuppone una manopola). EnableASR: bit di enable per il modulo dell ASR. L ASR, quindi, è disattivabile dal pilota (si presuppone un interruttore). EnableDifferenziale: bit di enable per il modulo dell EDL. L EDL, quindi, è disattivabile dal pilota (si presuppone un interruttore). VelocitàAntDx: segnale a parallelismo 12 che esprime la velocità, con precisione decimale, della ruota anteriore destra (range di valori ammessi tra 0 e 409,6 km/h). VelocitàAntSx: segnale a parallelismo 12 che esprime la velocità, con precisione decimale, della ruota anteriore sinistra (range di valori ammessi tra 0 e 409,6 km/h). VelocitàPosDx: segnale a parallelismo 12 che esprime la velocità, con precisione decimale, della ruota posteriore destra (range di valori ammessi tra 0 e 409,6 km/h). VelocitàPosSx: segnale a parallelismo 12 che esprime la velocità, con precisione decimale, della ruota posteriore sinistra (range di valori ammessi tra 0 e 409,6 km/h). PedaleFreno: bit che indica se nell istante di campionamento il pilota sta pigiando sul pedale del freno. 11

12 OUTPUT FrenoAntDx: bit che attiva la pinza freno anteriore destra. FrenoAntSx: bit che attiva la pinza freno anteriore sinistra. FrenoPosDx: bit che attiva la pinza freno posteriore destra. FrenoPosSx: bit che attiva la pinza freno posteriore sinistra. ValFrenoAntDx: segnale a parallelismo 2 che indica l intensità della frenata effettuata dalla centralina sulla ruota anteriore destra. Tale valore è significativo solo se il segnale FrenoAntDx è attivo. ValFrenoAntSx: segnale a parallelismo 2 che indica l intensità della frenata effettuata dalla centralina sulla ruota anteriore sinistra. Tale valore è significativo solo se il segnale FrenoAntSx è attivo. ValFrenoPosDx: segnale a parallelismo 2 che indica l intensità della frenata effettuata dalla centralina sulla ruota posteriore destra. Tale valore è significativo solo se il segnale FrenoPosDx è attivo. ValFrenoPosSx: segnale a parallelismo 2 che indica l intensità della frenata effettuata dalla centralina sulla ruota posteriore sinistra. Tale valore è significativo solo se il segnale FrenoPosSx è attivo. TaglioAcceleratore: bit che indica l inibizione del comando dell acceleratore (si presuppone che il veicolo sia dotato di acceleratore elettronico, cioè non a filo). Codifica utilizzata per i segnali ValFrenoXXXYY: (00: frenata modesta; 01: frenata media; 10: frenata forte; 11: frenata massima) INPUT/OUTPUT ABSAttivo: bit che indica se nell istante di campionamento il modulo ABS è attivo. ASRAttivo: bit che indica se nell istante di campionamento il modulo ASR è attivo. ESPAttivo : bit che indica se nell istante di campionamento il modulo ESP è attivo. DifferenzialeAttivo : bit che indica se nell istante di campionamento il modulo Differenziale auto bloccante è attivo. 12

13 SOTTOMODULI GESTIONE DELLE PRIORITA Per garantire il corretto funzionamento di tutte le sottocomponenti della centralina abbiamo realizzato una gestione delle priorità. Tale gestione è affidata al controllo sincronizzato dei segnali di attivazione dei vari sotto moduli. Riportiamo ora la descrizione dei vari sotto moduli in ordine di priorità decrescente. ABS Tale modulo ha il compito di rilevare un eventuale bloccaggio, dovuto a slittamento in frenata, di una qualsiasi delle quattro ruote. Per far ciò il processo valuta ad ogni fronte di salita del clock se è già in atto una frenata (PedaleFreno= 1 ) e se la forza G rilevata dall accelerometro è diversa da 0, ovvero se la macchina è ancora in movimento nonostante i sensori di una o più ruote indicano velocità nulla. Nel momento in cui questa situazione si manifesta il modulo ABS si attiva e il segnale ABSAttivo si porta a 1. A questo punto si provvede ad attivare e disattivare la frenata di tutte le ruote, realizzando una frenata intermittente di massima intensità. Tale intermittenza è stata implementata mediante un contatore modulo 5 che allunga il periodo di clock a 200 millisecondi 13

14 (5 Hz). Questa scelta è stata fatta per tenere conto dei tempi di attivazione elevati delle pinze freno, che sono componenti meccanici. Nel caso in cui una delle suddette condizioni non sia più verificata, tale modulo imposta il segnale ABSAttivo a 0 e i segnali di frenata tornano a seguire l andamento del segnale in ingresso al modulomodulo PedaleFreno. L'immagine della testbench mette in evidenza l'istante di attivazione di questo sottomodulo. Si noti come i segnali di freno vengano disattivati e successivamente attivati per creare l'intermittenza. Si è scelto di cominciare l intermittenza con una fase di nessuna frenata per uscire dalla situazione di slittamento dovuto a perdita di aderenza in frenata. Se, infatti, avessimo cominciato con una fase di frenata, lo slittamento sarebbe perdurato per un periodo di clock. ESP 14

15 Se l ABS non sta effettuando una manovra di emergenza, cioè se il segnale ABSAttivo è basso, e se la modalità di funzionamento dell ESP non è spento, cioè TipoIntervento vale 01 o 10, questo modulo ha il compito di rilevare e gestire eventuali situazioni di pericolo circa la stabilità del veicolo in movimento. Il processo, infatti, confronta i gradi di sterzata con i gradi della forza G agente sul veicolo, rilevati dall accelerometro. Se il valore della differenza è strettamente maggiore della soglia di tolleranza ci troviamo nel caso di sovrasterzo: il modulo ESP si attiva e provvede a imprimere una frenata di intensità variabile a seconda del valore della suddetta differenza e della velocità delle ruote. Viene valutata anche la direzione dello sterzo, che indica se siamo nel caso di sovrasterzo a destra e quindi va frenata la ruota anteriore sinistra, o se siamo nel caso di sovrasterzo a sinistra e quindi va frenata la ruota anteriore destra. Se invece il valore della differenza è negativo la situazione anomala rilevata è dovuta al sottosterzo, e se il suo valore assoluto supera la soglia di tolleranza l ESP si attiva. Analogamente al caso del sovrasterzo provvede ad imprimere una frenata di intensità variabile a seconda del valore assoluto della differenza e della velocità delle ruote. Anche qui si considera la direzione della sterzata per discriminare tra sottosterzo a destra e a sinistra, al fine di frenare la ruota interna alla curva. Si noti che il valore della soglia di tolleranza dipende esclusivamente dalla modalità di funzionamento selezionata dal pilota. La modalità Sport, ovviamente, è caratterizzata da una maggiore soglia di tolleranza. I valori di tolleranza scelti in questo progetto sono 5 e 25, rispettivamente per Normale e Sport. 15

16 Quanto detto in precedenza è messo in evidenza nella figura. Si noti come tale modulo non si attivi se è già presente l'abs o se il confronto tra i due valori gradi di sterzata e gradi di G siano al di sotto della tolleranza precedentemente stabilita. 16

17 ASR Tale modulo, se abilitato (EnableASR alto), si occupa di eliminare situazioni di pattinamento delle ruote dovute ad un eccessiva coppia motrice impressa sulle ruote. Se il pilota non sta frenando (PedaleFreno basso) e nel caso in cui la somma delle velocità delle ruote posteriori sia maggiore della somma di quelle anteriori e se i più prioritari ABS e ESP non stanno apportando una manovra correttiva (ABSAttivo e ESPAttivo entrambi bassi), viene tagliato il comando di accelerazione del veicolo (TaglioAcceleratore=1). Nota: la condizione PedaleFreno basso è giustificata dal fatto che consideriamo la frenata a pedale come agente su tutte le quattro ruote. 17

18 EDL L EDL ha il compito di agevolare la manovra di chiusura di una curva e si attiva solo se il suo enable è alto, se non è in corso una frenata (PedaleFreno basso) e se, essendo il modulo meno prioritario, nessuno dei precedenti moduli è attivo (ABSAttivo, ESPAttivo, ASR attivo tutti a 0). La logica di funzionamento consiste nell imprimere una frenata sulla ruota posteriore interna alla curva, la cui intensità è in funzione sia della velocità di rotazione delle ruote che dell angolo di sterzata. 18

19 Com'è possibile notare dalla figura, il differenziale, se attivo, si occupa non solo di attivare il relativo segnale di freno ma decide l'entità della frenata in base ai valori degli input inerenti la velocità delle ruote e i gradi di sterzata. SIMULAZIONE L'ultimo passo è stato quello di simulare, mediante un'unica testbench, tutti i componenti caratterizzanti la centralina oggetto del nostro progetto. La simulazione, della durata di poco più di un minuto, ha mostrato come le varie componenti riescano a interagire tra di loro rispettando a pieno le specifiche di priorità. Così facendo i segnali relativi ai freni, all'intensità di frenata e al taglio dell'acceleratore (segnali che potrebbero venir erroneamente pilotati da più entità contemporaneamente), vengono presi dall'unità che al momento ha la precedenza assoluta sulle altre sottocomponenti e gestiti interpretando correttamente gli ingressi da noi generati mediante una testbench ad hoc. E' possibile evidenziare tre fasi nella simulazione finale, ognuna delle quali è illustrata nelle sottostanti immagini. 19

20 La prima fase riguarda la porzione di benchmark relativa ai sottomoduli ASR e ABS (rispettivamente cerchio rosso e giallo). La figura mette in evidenza, oltre al corretto funzionamento di entrambe le unità, come queste entrino in competizione per il controllo sui segnali d'uscita ma senza interferire tra di loro, nel completo rispetto delle priorità. Segue la seconda fase in cui il differenziale entra in possesso dei segnali d'uscita e li pilota decidendo anche l'entità della frenata in base ai dati ricevuti in input. 20

21 L'ultima fase riguarda la testbench inerente il comportamento dell'esp. Nonostante i segnali che questa entità pilota siano molteplici è possibile notare come, a seconda delle necessità, il controllo di stabilità rispetti le specifiche frenando opportunamente la ruota coinvolta nell'intervento da effettuare. Non solo, si fa anche carico di impostare una determinata intensità di frenata. 21