Semi-active and active suspension control with road preview

Abstract

Çalışma Groupe Renault'nun Vehicle Motion Control projesi kapsamında düşey eksende, taşıtın kontrol edilerek seyir ve sürüş dinamiklerinin iyileştirilmesi amacı ile 2019 haziran ve 2023 yılları arasındaki dört yıllık çalışmanın sonucunda ortaya çıkmıştır. Günümüz taşıtlarında konfor beklentisi giderek artmakta, artan sayıda araç üreticisinin de pazara girmesi ile rekabet de giderek artmaktadır. Pasif süspansiyon sistemlerinin performansı, araç gövdesi ve lastiğin titreşimlerinin sönümlenmesi için tek bir eyleyici kullanılması ve bu nedenle ikisi arasında bir denge sağlanarak, sabit bir sönüme kalibre edilmesi sebebi ile sınırlıdır. Damperin performansının artırılması amacı ile değişken sönüm oranlı elektronik kontrollü süspansiyon sistemleri geliştirilmiştir, iki kademeli ve ardından daha gelişmiş sürekli değişken yarı-aktif süspansiyon sistemleri taşıtları, hem spor hem konfor odaklı karakterize etmeye olanak sağlamıştır. Aktif süspansiyon sistemleri ise üreticiler tarafından genellikle üst sınıf araçlar için geliştirilmektedir. Yarı-aktif süspansiyon sistemlerin, marketin talebine bağlı olarak daha alt sınıf araçlara da entegre edilmesi beklenmekte ve bu sistemlerin rekabet açısından önemi daha da artmaktadır. Yarı-aktif süspansiyon sistemleri üzerine yapılan çalışmalar, sadece otomotiv endüstrisinin değil aynı zamanda akademinin de uzun süredir ilgisini çekmekte, bu alanda pek çok çalışma ortaya konmaktadır. Günümüzde taşıtlarda giderek artan elektronik donanımların etkisi ile birlikte artan sensör miktarı, direksiyon, fren, dört çeker kontrol, içten yanmalı veya elektrikli tahrik sistemlerinin yarı-aktif ve aktif süspansiyon sistemlerinin etkileşimi ayrıca bu alanın önemini artırmaktadır. İleri sürüş destek sistemleri, aracın çevresinin algılanması sağlaması ile birlikte aracın önündeki yol profilinin algılanmasına ve bu sayede süspansiyon sisteminin yol profiline bağlı olarak öngörülü kontrol edilmesine olanak sağlamıştır. Çalışmanın ilk bölümünde, geri beslemeli yarı-aktif süspansiyon kontrol yöntemleri incelenmiş ve araca uygulanması için yöntemler birbirleri ile kıyaslanmıştır. Ardından, sürüş destek sistemi elemanı olan ön kameradan, testler vasıtası veri toplanmıştır. Kamera tarafından üretilen ham yol profili ölçümlerinin, verimli şekilde işlenmesi için DBSCAN yöntemi ortaya konmuş ve diğer yöntemlerle kıyaslanmıştır. Ön görülü yarı-aktif süspansiyonu kontrol amacı ile MPC yöntemi ile tam taşıt modeline uygulanmıştır ve geri beslemeli SH kontrol yöntemleri ile kıyaslanmıştır. Sonrasında sanal taşıt modeli, yedi serbestlik dereceli dinamik taşıt kullanılarak, kamera tarafından taranmış veya bilinen bir yol profili üzerinde taşıtın önünde aynı hızla giden bir dinamik modelin çıktılarını kullanarak zıplama, kafa vurma ve yalpa hareketleri birbirlerine göre önceliklendirilmesi araştırılmıştır. Yarı-aktif süspansiyon sistemleri ile ilgili son kısımda ise MPC içerisine dahil edilen 7 serbestlik dereceli modelin, sanal sönüm oranları SH yöntemine benzetilerek optimize edilmiş, bu sayede sistemde manipüle edilen değişken sayısı 3'e indirilmiştir. Ağırlık merkezi civarında hesaplanan kontrol kuvvet ve momentleri IDT yöntemi ile yarı-aktif damperlere aktarılmıştır. Yarı-aktif ve aktif kontrol yöntemleri, yüksek serbestlik dereceli taşıt modeli ve test pistinin nümerik hali kullanılarak IPG Carmaker ve Matlab ile ortak simüle edilmişledir. Yapılan simülasyonlar sonucunda, öngörülü kontrol yöntemleri ile geri beslemeli kontrol yöntemlerinin birbirilerine yakın performans gösterdiği tespit edilmiştir. MPC kontrol yönteminden elde edilen sonuçların umut verici olduğu, performansının artırılması için daha hassas taşıt, lastik modelleri ve yol profiline ihtiyaç olduğu çıkarımı yapılmıştır.This thesis presents the four-year work on improving vehicle ride and handling with vertical vehicle control between 2019 and 2023 as part of Groupe Renault's Vehicle Motion Control Project. The comfort expectation and competition in today's vehicles are increasing with the involvement of many automobile manufacturers in the market. Passive suspension systems have limited performance, since there is only one actuator that dampen the body and wheels, thus, the damper has to be calibrated with a constant damping coefficient considering the balance between the body and the wheels. Electronically controlled dampers with variable damping ratio have been developed to improve damper performance. First, two–stage, then an improved continuously variable dampers were developed, and this system made possible to change the vehicle characteristics between comfort and sport. Active suspension systems are generally developed by manufacturers for high-end vehicles. On the other hand, semi-active suspension systems are expected to be integrated into lower class vehicles because of its lower cost compared to active systems and depending on market demand. Thus, the importance of these systems in terms of competition is increasing. Studies on semi-active dampers have long been of interest not only to the automobile industry but also to researchers in academia, and plenty of studies have been presented in the field. Ever-increasing electronic components in vehicles nowadays increase the number of sensors in vehicles, and the interaction of steering, braking, four-wheel control, conventional or electric engines' traction systems with semi-active dampers increases the importance of this field. Advanced driving assistance systems made it possible to detect the environment of the vehicle as well as the road profile in front of the vehicle and to control the suspension systems with this preview information. At the beginning of this study, feedback control methods were examined and compared with each other in terms of their performance and applicability to the vehicle. Later in the tests, road data was acquired with a front camera. For efficient evaluation of raw data that produced by the camera, the DBSCAN method were proposed and compared with the existing method. Model Predictive Control (MPC) method with semi-active dampers were applied to the full vehicle model and compared with Skyhook control methods. Then, a 7-DoF virtual vehicle model was moved at the same speed as the vehicle on the camera-detected road profile. Thus, the outputs of virtual vehicle were examined to be used in prioritizing the vehicle motions such as bounce, pitch and roll. In the last section, SH-like derivative MPC controller was introduced to control the vehicle body by controlling global forces and moments instead of forces on the actuators. Calculated forces and moments around the CoG were distributed to the dampers by the IDT method. Semi-active and active control methods were co-simulated using high fidelity IPG® Carmaker® models and Matlab®. The simulation results showed that the preview and feedback model performances were similar. The results of the MPC were promising, and it was deduced that a more accurate vehicle model, tyre model and road profile information may be needed to improve its performance.