Simulatore moto SafeBike

Tomasello Daniele – 1013169 – Degree in Automation Engineering – tomasello.daniele@gmail.com
Mefo Tefo Christiane Diane – 1013175 – Degree in Automation Engineering – tefodiane@yahoo.fr

INTRODUZIONE:

Il problema della sicurezza stradale risulta essere un argomento di primaria importanza in questi ultimi anni, a causa dell’ elevato numero di incidenti stradali in tutta Europa. Uno degli strumenti più efficaci nel migliorare la sicurezza risulta sicuramente essere il simulatore di guida, nel quale è possibile studiare il comportamento del guidatore quando viene coinvolto in prima persona nell’effettuare manovre estreme o di emergenza.

Per questo motivo il SafeBike è in grado di generare il movimento di rollio, di beccheggio, di imbardata, di traslazione laterale ed il movimento dello sterzo. La movimentazione della struttura è inoltre inserita in un contesto grafico in grado di suscitare sensazioni visive adeguate e lo stesso vale per le sensazioni uditive.

Fig 1 a) SafeBike Simulatore moto

Fig 1 a) SafeBike Simulatore moto

Sempre con lo stesso simulatore è inoltre possibile effettuare studi rivolti alle competizioni; ricavando le caratteristiche geometriche ed inerziali di un motociclo è possibile studiarne il comportamento in pista (grazie al software dedicato) riuscendo così a trovare il setting migliore dei parametri in modo veloce ed efficace.

Fig 1 b) SafeBike Simulatore moto

Fig 1 b) SafeBike Simulatore moto

Scopo di questo progetto è riprodurre, tramite il programma LMS Virtual Lab, la struttura e il funzionamento del Motorcycle Riding Simulator “SafeBike” presente nel laboratorio di meccanica DIM.

Fig 2 a) Simulatore realizzato con LMS

Fig 2 a) Simulatore realizzato con LMS

Fig 2 b) Simulatore realizzato con LMS

Fig 2 b) Simulatore realizzato con LMS

Il simulatore così creato dovrà essere in grado di generare gli stessi movimenti del sistema d’ origine, cioè rollio, beccheggio, imbardata e traslazione laterale. Questi movimenti sono necessari non per l’ effetto visivo dello spostamento, ma poichè permettono di trasmettere al guidatore le sensazioni realmente percepite alla guida di una moto vera.

Con l’ implementazione di tale simulatore si potranno quindi analizzare i comportamenti in una serie di movimenti voluti, osservandone gli effetti sul guidatore durante le varie manovre.

COMPOSIZIONE:

Questo simulatore è composto di :
o Telaio di IMBARDATA (inferiore)
o Telaio di ROLLIO (centrale)
o Telaio di BECCHEGGIO (superiore)
o Sistema di movimentazione beccheggio
o Guidatore
o Sensore per monitorare le azioni del guidatore
o Diversi filtri (passo-alto e passo-basso) per gestire la traiettoria di ingresso ricreando le accelerazione volute

I tre telai sono vincolati in una struttura a cascata, dove il telaio di beccheggio è vincolato al telaio di rollio, e l’ insieme dei due è a sua volta vincolato al telaio di imbardata. L’ insieme dei tre è infine limitato a muoversi (e ruotare) su una guida lineare fissata al pavimento. Ne risulta quindi una catena cinematica aperta.
Questo verrà meglio illustrato nella singola descrizione di ogni componente.

1) DESCRIZIONE DEI COMPONENTI DEL SIMULATORE:

i) Telaio di imbardata
L’imbardata è l’oscillazione della moto intorno all’asse verticale passante per il suo baricentro.

Fig 3) Telaio IMBARDATA

Fig 3) Telaio IMBARDATA

Per essere precisi questo telaio inferiore provvede sia all’ imbardata che alla traslazione laterale della moto (e prende il nome dalla prima in quanto movimento principale). Questi due movimenti simulano la derapata e le accelerazioni laterali del motoveicolo e vengono gestiti attraverso i tre punti evidenziati in bianco nella figura sovrastante:
– movimento imbardata anteriore
– movimento imbardata posteriore
– fulcro di rotazione su guida rettilinea

Il fulcro centrale è l’ elemento di sostegno di tutto il simulatore. Questo è montato su un cuscinetto (giunto rotoidale), che a sua volta è montato su una guida lineare (giunto prismatico). Su questo fulcro quindi il simulatore è libero di ruotare e di traslare lateralmente.
La movimentazione dei bracci anteriore e posteriore avviene attraverso due lunghe viti a chiocciola per mezzo di due motori di posizione fissa.

L’ imbardata avviene quando i bracci anteriore e posteriore vengono mossi della stessa distanza in direzioni opposte, mentre la traslazione laterale avviene quando questi sono mossi nella stessa direzione. Una combinazione di imbardata e traslazione laterale avviene se i bracci anteriore e posteriore vengono mossi di quantità diverse. Ovviamente la distanza del fulcro dai due bracci è la stessa.

Nella figura sottostante è schematicamente rappresentato quanto descritto, dove il reale alloggiamento dei motori (delle viti a chiocciola) è indicato con gli assi di riferimento.

Fig 4) Movimenti imbardata e traslazione laterale

Fig 4) Movimenti imbardata e traslazione laterale

Nel telaio di imbardata sono presenti inoltre i fulcri per la rotazione (giunto rotoidale) del telaio centrale, come anticipato in Fig.3) . E sempre nel telaio di imbardata, dietro al fulcro posteriore, è alloggiato il motore che provvede al rollio.

ii) Telaio di rollio
Il rollio è l’oscillazione del motociclo intorno al proprio asse longitudinale.

Fig 5) Telaio ROLLIO

Fig 5) Telaio ROLLIO

La rotazione di questo telaio centrale, rispetto al telaio inferiore, provvede al movimento di rollio. Come precedentemente accennato questa rotazione è realizzata dal motore alloggiato posteriormente nel telaio inferiore. Il rollio così creato simula la piega del motoveicolo nell’ affrontare una curva e le conseguenti accelerazioni laterali.

video ROLLIO

In questo telaio sono inoltre presenti le strutture di sostegno per il telaio superiore (di beccheggio) come evidenziato in giallo in Fig. 5). Il sostegno posteriore è semplicemente il punto dove avrà sede il fulcro di rotazione del telaio di beccheggio, realizzando un giunto rotoidale. Nel sostegno anteriore, invece, ha sede il motore con vite a chiocciola che realizza la movimentazione di beccheggio del telaio superiore.

iii) Telaio di beccheggio
Il beccheggio è l’oscillazione del motociclo intorno al proprio asse longitudinale.

Fig 6) Telaio BECCHEGGIO

Fig 6) Telaio BECCHEGGIO

Questo movimento è costituito dall’inclinazione in avanti o indietro dell’ avantreno (e della coda) durante le fasi di accelerazione o frenata, specie se brusche. In particolare se si accelera improvvisamente, specialmente da fermo, l’ avantreno tende ad alzarsi mentre la coda tende ad abbassarsi; al contrario, in caso di frenata brusca l’ avantreno tende ad abbassarsi e la coda ad alzarsi.

Questo telaio superiore, Fig. 6), simula le azioni appena descritte. Per far ciò esso è connesso con il telaio centrale in due punti: posteriormente attraverso il fulcro di rotazione (giunto rotoidale), mentre anteriormente è connesso al sistema che ne movimenta il beccheggio, cioè alla chiocciola (fissata su una piastra libera di ruotare) mossa dalla vite motorizzata, evidenziato in Fig. 7).

Fig 7)  Beccheggio

Fig 7) Beccheggio

Questo telaio è quello che effettivamente corrisponde alla moto vera, e quindi su di esso sono alloggiati sella e manubrio (le carene vengono omesse per semplicità di visualizzazione).

2) ASSEMBLAGGIO DEL SIMULATORE:
I tre telai appena descritti vengono presentati con le loro misure:

Fig 8)  Telaio IMBARDATA

Fig 8 ) Telaio IMBARDATA

Fig 9)  Telaio ROLLIO

Fig 9) Telaio ROLLIO

Fig 10)  Telaio BECCHEGGIO

Fig 10) Telaio BECCHEGGIO

Riassumendo quando puntualmente descritto finora possiamo vedere nella vista globale dell’ assemblato:

Fig 11)  Assemblaggio

Fig 11) Assemblaggio

A. Movimento di IMBARDATA e TRASLAZIONE LATERALE (tramite due motori con vite a chiocciola, connessi ai bracci anteriore e posteriore)
B. Movimento di ROLLIO (motore alloggiato posteriormente)
C. Movimento di BECCHEGGIO (motore con vite a chiocciola)

Questa realizzazione riproduce fedelmente il simulatore presente nei laboratori DIM (MDRG) ad esclusione del movimento dello sterzo.

L’ indipendenza dei tre telai e l’ elevato numero di giunti interconnessi permette quindi di simulare qualsiasi traiettoria della moto come combinazione dei movimenti elementari appena descritti.

3) SIMULAZIONI:
Per testare il simulatore creato, si è partiti dai dati di una traiettoria motociclistica vera, filtrando questi con il WASHOUT configurato nel simulatore.

Per esercitare sul pilota le sensazioni vere di guida infatti, il simulatore dispone solo di una serie di movimenti limitati, e perciò la traiettoria reale viene gestita attraverso un complesso sistema di filtraggio. Infatti l’effetto congiunto dei dati reali di:
• Rollio
• Velocità di rollio
• Beccheggio
• Angolo di imbardata
• Angolo di drift
• Angolo di sterzo

viene adeguatamente filtrato e combinato (attraverso una matrice) per creare i movimenti di Beccheggio, Rollio, Imbardata e Traslazione Laterale che generano le sensazioni richieste, con le seguenti caratteristiche:

tabella

tabella

Analizzando nello specifico il BECCHEGGIO esso può venire ricreato dal seguente schema semplificato:

Fig 12)  Filtraggio per beccheggio

Fig 12) Filtraggio per beccheggio

Qui le componenti in bassa e alta frequenza vengono divise rispettivamente dai filtri Passa-Basso e Passa-Alto, con frequenza di taglio a 6Hz, per poi venire moltiplicate per le corrispettive costanti:
• K1=0.7
• K2=0.1

Il seguente video è esemplificativo di cosa accade durante una frenata, quando il simulatore riproduce la compressione delle sospensioni, seguito dal rilascio del freno.

video BECCHEGGIO

i) Simulazione BECCHEGGIO
Continuando con l’ analisi del beccheggio, presentiamo ora uno spezzone di questo movimento:

Fig 13)  Simulazione beccheggio

Fig 13) Simulazione beccheggio

Qui viene evidenziato il particolare comportamento attorno ai 225[s], dove nella figura seguente viene presentata l’ accelerazione frontale (asse x) percepita dal pilota. Vediamo che a seguito di un’ accelerazione (o decelerazione) il simulatore è costretto a una dolce accelerazione di segno opposto per rimanere nei limiti di funzionamento consentiti.

Fig 14)  Accelerazione x

Fig 14) Accelerazione x

ii) Simulazione ROLLIO
Dati invece la combinazione di rollio e spostamento laterale si può osservare, per una traiettoria pressoché completa, l’ accelerazione laterale (asse y)

Fig 15)  Simulazione rollio e traslazione laterale

Fig 15) Simulazione rollio e traslazione laterale

Il grafico dell’ accelerazione viene questa volta presentato nella stessa scala temporale del grafico di rollio. Vediamo quindi l’ effetto congiunto di rollio e traslazione laterale sul pilota:

Fig 16)  Accelerazione y

Fig 16) Accelerazione y

4) SPOSTAMENTO DEL FULCRO DI BECCHEGGIO:
E’ stato infine valutato lo spostamento del fulcro del telaio di beccheggio (punto C Fig. 11), analizzandone le conseguenze nel simulatore. Si è però subito visto che questo spostamento non determina importanti modifiche di funzionamento e di accelerazioni percepite. La modifica di posizione del fulcro, infatti, modifica solo l’ angolo di beccheggio a parità di attuazione della vite a chiocciola, ma nel ridotto campo d’ azione del simulatore questa è ricreabile semplicemente aggiustando la costante moltiplicativa post-filtraggio.
Su questo aspetto non si è quindi proseguiti nell’ approfondimento.

CONCLUSIONE:
In questo progetto è stato replicato il Motorcycle Riding Simulator “SafeBike” presente nei laboratori DIM. Per far ciò sono stati riprodotti fedelmente i telai di inferiore ,centrale e superiore, fissandoli tra di loro con giunti e posizioni fedeli al modello vero.
Ciò ha permesso di ricreare i movimenti di Imbardata, Traslazione laterale, Rollio e Beccheggio. Questi, nonostante i limiti fisici di movimento di un simulatore, permettono di creare nel guidatore accelerazioni che suscitano le sensazioni reali di guida; ovviamente nel simulatore reale queste sono integrate da input grafici (scena dinamica nello schermo) e uditivi (altoparlanti).
Per finire sono presentate delle simulazioni significative sul movimento di beccheggio e di rollio, dove vengono evidenziati i movimenti del simulatore e le accelerazioni percepite dal pilota.

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