Appunti Sperimentazione sui veicoli stradali

Visualizzazione dei segnali

Permette di visualizzare i segnali, di solito in tensione, ed è fondamentale avere in laboratorio uno strumento di questo tipo perché dobbiamo sempre essere in grado di vedere l'andamento delle tensioni nel tempo per capire se quello che sta succedendo è il risultato atteso o meno.

I segnali possono essere di due tipi:

• Segnale digitale: o discretizzato, ci dice se l'informazione booleana è a livello alto o basso, ovvero se è un falso o un vero, 0 o 1 (può essere il caso di interruttore).
• Segnale analogico: o continuo, non ho livelli discretizzati. In realtà anche i segnali digitali sono "continui", non sono 0/1 perfetti, ma hanno delle oscillazioni (come nel caso in figura sotto, segnale di un interruttore). Allora sarà necessario stabilire una soglia per la quale al di sopra ho valore alto e al di sotto ho valore basso.

Abbiamo parlato di discretizzazione in ampiezza, parliamo anche di discretizzazione nel tempo.

ovvero il campionamento, per cui osserviamo il valore del nostro segnale a intervalli distinti nel tempo. Osserviamo la figura; quello che si sta facendo è campionare, ovvero prendere un valore di segnale dopo un certo valore di tempo (in questo caso sono stati presi cinque punti), per poi ricostruire l'andamento della curva. Come possiamo vedere, si ha un andamento sinusoidale, ma con una frequenza del tutto diversa da quella della curva originale. Il problema è stato quello di campionare ad una frequenza troppo bassa; ed è qui che ci viene in aiuto il teorema Nyquist Shannon, che dice di campionare ad una frequenza almeno doppia rispetto al contenuto in frequenza del segnale che stiamo osservando. In realtà la frequenza migliore è almeno 5/10 volte la frequenza del segnale originale. Sensore di pressione Un manometro meccanico all'interno ha una membrana a cui si affaccia un condotto con un fluido incomprimibile (ad esempio olio) con un certo valore di pressione.come nel caso del freno). Tale membrana è elastica e ha una sua rigidezza che tende a farle mantenere la posizione iniziale. Tanto maggiore sarà la pressione su questo lato della membrana e tanto maggiore sarà la flessione della membrana stessa e nello spostarsi verso l'alto la membrana spinge un cursore che all'interno dello strumento mette in rotazione l'indice. Quindi viene trasformata un'informazione di deformazione della membrana in una tensione. L'equivalente elettrico di questo sensore meccanico è quello che si trova in un impianto frenante di tipo idraulico, che sfrutta l'effetto capacitivo o resistivo (è importante registrare la pressione nell'impianto frenante per cui sarà necessario installare dei sensori di pressione). Adesso ci chiediamo che tipo di informazione ci aspettiamo dalla leva del freno e dalla manopola del gas: abbiamo visto che l'informazione della pressione può derivare.

dalla pressione idraulica in un punto del circuito, ma se volessimo sapere cosa starebbe facendo il guidatore, che tipo di informazioni possiamo recuperare? Possiamo sfruttare l'interazione della mano del guidatore con la leva del freno e la manopola dell'acceleratore. Per quanto riguarda per la leva del freno è presente uno switch che da un'informazione digitale di tipo booleano sul movimento della leva (per esempio può essere l'informazione che fa accendere le luci di stop). Se vogliamo controllare l'effettivo movimento della leva, invece, dovremmo montare dei potenziometri. Per quanto riguarda la manopola del gas, invece, in un collegamento ordinario si ha un corpo farfallato collegato con tubi alla manopola del gas e la rotazione della manopola fa ruotare la farfalla. Misuro la rotazione e ottengo l'informazione grazie ad un sensore che svolge questo compito. Un'altra possibilità è avere un segnale digitalizzato con un

Un sensore di rotazione è un dispositivo che fornisce un segnale della posizione della manopola del gas (come nel Monster). Le informazioni che viaggiano sul CAN possono essere reperite decodificando i pacchetti dei messaggi del CANBus. Tuttavia, non sempre è possibile reperire tutti i messaggi, poiché dipende dal costruttore. Nell'immagine a fianco è mostrato il sistema montato sul Multistrada, con un datalogger (senza monitor) che consente di visualizzare i dati collegandosi al PC tramite LAN.

I potenziometri sono trasduttori che trasformano una rotazione o un movimento lineare in un segnale di tensione che varia durante questo movimento. Il potenziometro ad albero (foto in basso) ha 3 conduttori: 2 per l'alimentazione (a, b) e il terzo è il segnale. Tra a e b è presente una pista di materiale resistivo, sulla quale si trova il wiper (cursore) che si muove seguendo il movimento dell'albero e intercetta un punto sulla resistenza. Quindi la resistenza viene divisa in due parti.

tratti di lunghezza diversa dal wiper cosicché ciascun tratto abbia una resistenza diversa (anche il potenziometro lineare ha un funzionamento analogo).

Il diagramma sotto rappresenta un segnale dato da un potenziometro montato sullo sterzo di un motoveicolo, in cui il potenziometro ci permette di misurare la posizione del manubrio. È un segnale già convertito, va da -40 a +40 gradi.

Si ha un tratto iniziale in cui la moto potrebbe essere sul cavalletto, e quindi con lo sterzo ruotato, e un tratto centrale quasi costante ma non nullo, da cui si capisce che non è stato fatto correttamente l'offset perché ci aspettavamo valore nullo quando il manubrio è dritto (tutt'altro che scontato che sia zero).

IMU (Inertial Measurement Unit)

La piattaforma inerziale (si chiama così perché cerca di capire cosa sta facendo la piattaforma rispetto ad un sistema di riferimento inerziale) ci permette di si muove il veicolo nello spazio.

attraverso 9 gradi di libertà, 3 accelerazioni, 3 velocità angolari e 3 orientazioni secondo i polimagnetici terrestri, ovvero accelerometri, girometri e magnetometri. Il problema di lavorare con le piattaforme inerziali è che da alcune grandezze come segnali grezzi (raw) in uscita dal sensore, ma anche segnali elaborati di grandezze non facilmente misurabili, come ad esempio l'inclinazione durante il movimento. Qui sotto possiamo vedere le formule per ricavare le velocità angolari e le accelerazioni di un sistema solidale alla terna posizionata nel contatto ruota strada, a partire dalle informazioni provenienti dai sensori (perché i sensori sono soggetti a rollio, beccheggio e imbardata e diventa molto difficile ricavare l'informazione rispetto al telaio). Gli accelerometri presenti all'interno delle IMU sono di tipo MEMS, ovvero sistemi micro-elettromeccanici, che fanno da trasduttori tra un'accelerazione e un segnale in.tensione ottenuto da una variazione di capacità interna dell'elemento stesso. Immaginiamo due supporti, una massa collegata in modo elastico e un capacitore (sistema con capacità variabile dovuta allaposizione della massa). L'elemento centrale con i suoi spostamenti fa variare la capacità fra cursore e un'armatura e il segnale viene misurato all'interno del sistema stesso. Quindi questo sistema è sensibile alle accelerazioni, perciò anche alla gravità che non è possibile separare dalle altre accelerazioni. Immaginiamo di poter realizzare tutto ciò in modo miniaturizzato, avremo un sensore di dimensioni paragonabili con quelle di una testa di un fiammifero all'interno del quale abbiamo questa microstruttura costituita da un elemento centrale che fa da massa, degli elementi che fanno da molle e altri elementi che fanno da armatura e cursore. Il sistema interno si muove in base all'accelerazione e sempre

All'interno del sensore viene effettuata la misura stessa. Anche i girometri sono di tipo MEMS (sensore Gyro), che effettuano una misura di velocità angolare attorno a particolari direzioni.

Nella foto vediamo un vero sistema giroscopico che misura effettivamente una velocità angolare, si tratta di un sensore giroscopico utilizzato sugli aerei per misurare una velocità angolare (ad esempio la velocità di imbardata) sfruttando il principio di funzionamento dei giroscopi (ovvero applicando una velocità angolare ad un asse ortogonale a quello di rotazione o non allineato con esso, il giroscopio è sottoposto a un momento ortogonale sia all'asse di rotazione che all'asse del giroscopio, quindi l'indice ruota tanto di più quanto più ruota velocemente l'intero corpo).

Prendono il nome di sensori giroscopici per il fatto che misurano velocità angolari come i veri giroscopi, utilizzando il principio legato alla forza di Coriolis.

sottosella secondo gli assi che vediamo nell'immagine in basso, i quali risultano inclinati di circa 45°, questo perché i sensori inerziali sono soggetti a un problema conosciuto con il nome di gimbal lock. Esiste, infatti, un problema di posizionamento sul motoveicolo che non consente di ricavare gli angoli in modo univoco. Quando uno degli assi è rivolto verticalmente si ha difficoltà tramite il calcolo della posizione del sensore nello spazio e per evitare ciò il sensore è montato con una inclinazione rispetto alla verticale. Molto spesso l'elaborazione dei dati viene fatta attraverso un approccio detto filtraggio ricorsivo alla Kalman o filtro di Kalman che è un'elaborazione effettuata sui segnali che permette di ripulire il segnale ottenendo, in ogni istante, una stima del valore.