Analysis and development of algorithms for high-performance vehicles

The automotive industry is experiencing a significant shift, fostered by two major trends: electric or hybrid vehicles and autonomous vehicles. On one side, electric and hybrid vehicles are gaining increasing importance due to their potential environmental benefits. Indeed, transportation is the leading source of CO2 emissions in Europe, responsible for a quarter of total greenhouse gas emissions. On the other side, substantial investments are being made in the development of autonomous vehicles, which could provide various benefits, such as enhanced safety and decreased road congestion. Besides, the architecture of this new generation of cars comes with major technological innovations. The powertrain of electric vehicles enables a faster and more precise modulation of the driving torque at the wheels compared to traditional internal combustion engine-driven cars. As for autonomous vehicles, the driver has to be replaced by electronic control units communicating with x-by-wire actuators and a network of advanced sensors perceiving the surrounding environment. All these technological advancements offer a remarkable opportunity for enhancing vehicle control systems, such as active safety systems and advanced driver-assistance systems (ADAS). The goal of this dissertation is to advance the development of vehicle-related control and estimation algorithms that leverage the capabilities of the aforementioned architectures. The research is structured to tackle the problem sequentially: it begins with an analysis of longitudinal and lateral dynamics-related applications, treating them as separate issues. Subsequently, the insights gained from both topics are integrated to approach the vehicle dynamics problem as a unified challenge. As for the longitudinal dynamics, a tyre-adaptive Anti-lock Braking System (ABS) for a Brake-By-Wire (BBW) architecture has been developed to show the advantages that could be attained when exploiting tyre-road contact information provided by a smart tyre. The same technological novelty has been employed for the lateral dynamics-related application, developing two tyre-adaptive friction predictors for pure lateral manoeuvres that provide an estimate of the available tyre-road grip before the vehicle has reached the limits of handling. Concerning the combined dynamics, this work presents the analysis and development of an advanced tyre-adaptive localization-based Electronic Stability Control system (ESC), that exploits the precise positioning of the vehicle supplied by a Global Navigation Satellite System with Real-Time-Kinematic corrections (GNSS-RTK) to enhance a commercial ESC by providing it with lane keeping assistance capabilities.

L'industria automobilistica sta attraversando una profonda trasformazione, trainata da due tendenze principali: la diffusione dei veicoli elettrici o ibridi e lo sviluppo dei veicoli autonomi. I primi stanno acquisendo sempre più rilevanza grazie al loro potenziale in termini ecologici. Il settore dei trasporti, infatti, rappresenta la principale fonte di emissioni di CO₂ in Europa, contribuendo per circa un quarto al totale dei gas serra. Parallelamente, si stanno investendo ingenti risorse nello sviluppo dei veicoli a guida autonoma in quanto promettono numerosi vantaggi, tra cui una maggiore sicurezza e una riduzione della congestione stradale. L’architettura di questa nuova generazione di veicoli è caratterizzata da importanti innovazioni tecnologiche. Nei veicoli elettrici, ad esempio, il gruppo propulsore consente una modulazione della coppia motrice alle ruote più rapida e precisa rispetto ai tradizionali motori a combustione interna. Nei veicoli autonomi, invece, il conducente viene sostituito da unità di controllo elettroniche che dialogano con attuatori “x-by-wire” e con una rete di sensori avanzati in grado di percepire l’ambiente circostante. Tutte queste innovazioni tecnologiche rappresentano una grande opportunità per migliorare i sistemi di controllo del veicolo, in particolare i sistemi di sicurezza attiva e i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS). L’obiettivo di questa tesi è contribuire allo sviluppo di algoritmi di controllo e stima per veicoli che sfruttino appieno le potenzialità delle architetture precedentemente descritte. Il lavoro di ricerca è strutturato per affrontare il problema in modo sequenziale: si parte dall’analisi di applicazioni legate alla dinamica longitudinale e laterale del veicolo, trattate inizialmente come problematiche distinte. Successivamente, le conoscenze acquisite in ciascun ambito vengono integrate per affrontare la dinamica veicolo combinata. Per quanto riguarda la dinamica longitudinale, è stato sviluppato un sistema antibloccaggio (ABS) adattivo al tipo di pneumatico, progettato per un’architettura Brake-By-Wire (BBW), con l’obiettivo di evidenziare i vantaggi ottenibili sfruttando le informazioni sul contatto pneumatico-strada fornite da smart tyres. La stessa innovazione tecnologica è stata applicata anche alla dinamica laterale, attraverso lo sviluppo di due predittori di attrito adattivi al pneumatico per manovre laterali pure, capaci di stimare l’aderenza disponibile prima che il veicolo raggiunga i limiti di tenuta. Per quanto riguarda infine la dinamica combinata, il lavoro presenta l’analisi e lo sviluppo di un sistema avanzato di controllo elettronico della stabilità (ESC), adattivo al pneumatico e basato sulla localizzazione. Tale sistema sfrutta la precisa posizione del veicolo, fornita da un sistema di navigazione satellitare globale con correzioni cinematiche in tempo reale (GNSS-RTK), per potenziare un ESC commerciale integrandolo con funzionalità di assistenza al mantenimento della corsia.