ITRM20110401A1 - Dispositivo e metodo per la misurazione ottica dell'aderenza di uno pneumatico e pneumatico idoneo per detta misurazione - Google Patents

Description

DISPOSITIVO E METODO PER LA MISURAZIONE OTTICA DELL’ADERENZA DI UNO PNEUMATICO E PNEUMATICO IDONEO PER DETTA MISURAZIONE

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di misurazione dell’aderenza di pneumatico con applicazioni nel settore dei trasporti in generale, in particolare in ambito automobilistico e motociclistico. L’invenzione si riferisce anche ad un metodo di misurazione dell’aderenza tra pneumatico e piano stradale e ad uno pneumatico idoneo per tale misurazione.

Stato della tecnica

Sono noti sistemi integrati di sensori per il monitoraggio di variabili chiave nella dinamica del veicolo con uso di tecnologie complesse sia nel campo della sensoristica che della trasmissione dati.

Una delle maggiori difficoltà nell’equipaggiamento del pneumatico con sensori utilizzati allo stato della tecnica, risiede nel sistema di trasmissione dei dati e di alimentazione. I dispositivi convenzionali, come i contatti striscianti e le batterie, hanno una limitata durata, scarsa affidabilità, notevoli ingombri e introducono rumore nel sistema di misura, e quindi non possono essere impiegati in condizioni operative. Molti studi sono stati quindi focalizzati sulla trasmissione dei dati mediante sistemi di tipo wireless, sull’impiego di sensori passivi e di dispositivi per la raccolta di energia in situ (energy harvesting) con notevoli difficoltà per applicazioni di carattere industriale. Inoltre, i sensori installati devono essere piccoli ed economici poiché gli pneumatici sono componenti dell’industria automobilistica di costo relativamente basso. Relativamente al monitoraggio indiretto, la variabile di interesse à ̈ estrapolata dalle grandezze acquisite dai sensori, generalmente la velocità del veicolo e la velocità angolare della ruota. Yi et al [IEEE T. Contr. Sys. T. 2002, 10, 381-392] hanno utilizzato lo slittamento della ruota, la velocità del veicolo ed il carico ruota per determinare il coefficiente d’attrito. Poiché i fenomeni che governano la dinamica dello pneumatico sono non lineari à ̈ difficile stabilire delle relazioni analitiche generali ed affidabili tra grandezze misurate e grandezze da identificare. Ci si può avvalere in alcuni casi di tecniche basate sulla logica fuzzy (Zhang, X. et al, In Proc. of IEEE Intelligent Vehicles Symposium, 2005; pp.875-881) o sui filtri di Kalman (Gustafsson, F. et al, SAE Tech. Papers 2001, 2001-01-0796). Sebbene il monitoraggio indiretto delle variabili à ̈ di facile realizzazione, poiché sfrutta sensori esistenti, questo processo ha una modesta precisione e richiede una nuova calibrazione ogni qual volta lo pneumatico à ̈ gonfiato o sostituito.

Le tecniche basate sul rilevamento diretto delle variabili hanno migliore accuratezza. Poiché la sensibilità à ̈ legata alla dimensione del sensore, dispositivi MEMS/NEMS si prestano molto bene alla realizzazione di accurate misure di pressione anche con una buona capacità di risoluzione spaziale (Nabipoor, M. et al, J. Phys.: Conf. Ser. 2006, 34, 770-775). Tjiu et al (Tjiu, W. et al, In Proc. of IEEE International Conference on semiconductor Electronics, 2004; pp.350-353) hanno usato un dispositivo MEMS per il monitoraggio delle condizioni di funzionamento dello pneumatico. Yi (Yi, J., IEEE-ASME T. Mech. 2008, 13, 95-103) ha usato un sensore a base di polivinildenfluoruro per la misura della deformazione del battistrada. Dispositivi che usano le onde acustiche di superficie (SAW) sono anche stati impiegati nel monitoraggio della deformazione dello pneumatico (Pohl, A. et al, IEEE T. Instrum. Meas.1999, 48, 1041-1046).

Poiché tutti questi sensori sono principalmente costruiti in materiali di elevata rigidezza, un aumento della sensibilità à ̈ possibile solo inducendo stati di deformazione flessionale e realizzando spessori molto sottili (Shin, K. et al, Sens. Actuat. A 2005, 123-124, 30-35). Questo provoca in generale un’elevata usura dei dispositivi e ne limita l’utilizzo.

I sensori accelerometrici sono lo strumento maggiormente adottato per il monitoraggio dell’aderenza istantanea nel contatto pneumatico-strada.

L’elaborazione dei segnali di accelerazione rilevati sulla superficie interna del battistrada permette di risalire ad alcune informazioni sul campo di velocità nella zona di contatto tra pneumatico e piano stradale e consente, mediante opportuni algoritmi, l’identificazione del grip dello pneumatico. Alcuni inconvenienti caratterizzano questa soluzione tecnica. In primis le attuali tecnologie prevedono, per le stesse dimensioni del sensore, l’installazione di pochi accelerometri che, durante la rotazione dello pneumatico, scansiona un solo segmento dell’area di contatto. Inoltre vi sono problemi tecnologici impegnativi legati alla difficoltà di alimentazione elettrica del sensore e alla trasmissione radio dell’informazione all’esterno dello pneumatico. L’energia necessaria a tale alimentazione può essere prodotta all’interno stesso dello pneumatico mediante sistemi elettromeccanici che sfruttano il moto relativo di piccole masse flottanti ed effetti induttivi, o mediante altri sistemi che comunque richiedono l’installazione all’interno della carcassa dello pneumatico di un dispositivo generatore di energia elettrica. Inoltre l’informazione associata al segnale elettrico generato da tali sensori necessita di essere inviata all’esterno dello pneumatico, richiedendo un sistema di trasmissione di tipo radio dell’informazione, anch’esso necessariamente alloggiato all’interno dello pneumatico.

Svantaggiosamente entrambi i metodi di misurazione, diretta o indiretta, permettono l’acquisizione con bassa risoluzione spaziale - temporale delle variabili, e non sono quindi in grado di monitorare e trasmettere le variabili dinamiche al crescere della velocità. Ulteriori studi e sviluppi tecnologici sono necessari, pertanto, al fine di aumentare tale risoluzione.

Riguardo ai sistemi di trasmissione senza fili, i dati possono essere trasferiti dallo pneumatico al ricevitore attraverso dispositivi attivi o passivi. Alcuni semplici sistemi usano la risonanza di un’unità capacitivo-induttiva e richiedono di essere alimentati per inviare il segnale radio (Yi, J., IEEE-ASME T. Mech. 2008, 13, 95-103). Le principali limitazioni sono la limitata durata e la dipendenza dalla temperatura delle batterie di alimentazione. Questo restringe il loro uso a test di laboratorio. Per l’impiego in condizioni operative à ̈ quindi necessaria l’adozione di dispositivi passivi o ad alimentazione in situ attraverso tecniche di energy harvesting.

L’energy harvesting consiste nella conversione di energia meccanica in elettrica attraverso generatori capacitivi (Meninger, S. et al, IEEE T. Vlsi. Syst.2001, 9, 64-76), elettromagnetici o piezoelettrici (Jeong, S. et al, Sens. Actuat. A 2008, 148, 158-167). Ad oggi, però, l’energia elettrica fornita à ̈ bassa, minore di 1 mW/cm<2>, e non à ̈ sufficiente per acquisire e trasmettere adeguatamente il segnale.

Un tipico dispositivo passivo si basa sull’accoppiamento elettromagnetico tra due induttori (Jachowicz, R. et al, Sens. Actuat. A 2000, 85, 402-408). Matsuzaki et al (Matsuzaki, R. et al, Adv. Compos. Mater. 2005, 14, 147-164) hanno realizzato un tale dispositivo attraverso un circuito risonante, formato da un induttore ed un capacitore. Rinunciando all’accoppiamento magnetico, Schimetta et al (Schimetta, G. et al, IEEE T. Microw. Theory 2000, 48, 2730-2735) hanno realizzato un transponder SAW per alimentare un sensore di pressione capacitivo. Tuttavia, per applicazioni in condizioni operative à ̈ ancora necessario migliorare la compatibilità tra il sensore passivo e la gomma.

Svantaggiosamente tutte le realizzazioni sensoristiche dello stato della tecnica, applicate per la misurazione dell’aderenza tra pneumatico e piano stradale, presentano rilevanti fenomeni di usura e bassa affidabilità, a fronte di un elevato costo e complessità dell’intero sistema comprendente il sensore, il relativo sistema di alimentazione e di trasmissione dei dati.

E’ quindi sentita l’esigenza di realizzare un sistema per la misurazione dell’aderenza tra pneumatico e piano stradale che consenta di superare i suddetti inconvenienti.

Sommario dell’invenzione

Scopo primario della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un sistema per la misurazione dell’aderenza tra pneumatico e piano stradale, per applicazioni nel settore dei trasporti, che permette la rilevazione istantanea del grado di aderenza dello pneumatico al piano stradale, e precisamente del grado di aderenza residua, mediante misurazioni con sensori ottici delle deformazioni dello pneumatico dalla parte interna della carcassa, a contatto con l’aria in pressione e non in contatto diretto con il piano stradale.

Il dispositivo oggetto del presente brevetto ha lo scopo di misurare il rapporto tra l’area della superficie dello pneumatico dove si ha strisciamento e l’area totale della superficie dello pneumatico in contatto con il suolo. Tale rapporto varia tra i valori estremi 0 ed 1: il valore 1 corrisponde alla condizione di strisciamento globale della ruota, ossia alla completa perdita di aderenza di questa. Il monitoraggio istantaneo di tale grandezza, che definiamo aderenza residua Gres, à ̈ l’obiettivo principale del dispositivo della presente invenzione.

Un altro scopo dell’invenzione à ̈ quello di prevedere un relativo metodo per la misurazione dell’aderenza tra pneumatico e piano stradale che permette di risalire allo stato di aderenza partendo dalla misurazione delle deformazioni dello pneumatico.

Un ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ quello di realizzare uno pneumatico idoneo per la suddetta misurazione.

La presente invenzione, pertanto, si propone di raggiungere gli scopi sopra discussi realizzando un sistema di misurazione dell’aderenza tra pneumatico di una ruota di veicolo e piano stradale che, conformemente alla rivendicazione 1, comprende una o più fibre ottiche provviste di sensori FBG fissati alla superficie interna dello pneumatico, e atti a rilevare dati sullo stato dello pneumatico, e associati a diversa lunghezza d’onda λ riflessa da detti sensori FBG integrati in una o più fibre ottiche aventi una parte terminale che fuoriesce dallo pneumatico, un giunto ottico per trasmettere i dati ad una strumentazione disposta all’interno del veicolo, un analizzatore di spettro per ricevere i dati, che sono inviati ad un sistema di elaborazione dati, atto ad implementare un algoritmo di identificazione di un’aderenza residua e ad inviare informazioni sull’aderenza residua ad un dispositivo indicatore dello stato dello pneumatico disponibile per un utente del veicolo e/o a sistemi di controllo attivo della guida del veicolo stesso.

Un secondo aspetto della presente invenzione prevede un metodo per la misurazione dell’aderenza tra pneumatico e piano stradale mediante il sistema di cui sopra che, conformemente alla rivendicazione 5, comprende i seguenti stadi: a - definizione di tre tempi caratteristici tin,tpeak, toutnel corso del rotolamento dello pneumatico da parte del sistema di elaborazione dati,

b - invio di un segnale di interrogazione dal sistema di elaborazione dati ad ogni sensore FBG,

c - generazione di segnali di risposta λ(t) dai sensori FBG correlati ad una deformazione del sensore FBG,

d - digitalizzazione di tali segnali di risposta λ(t) per mezzo di un analizzatore di spettro,

e - invio dei segnali di risposta λ(t) verso il sistema di elaborazione dati,

f - decodificazione di tali segnali di risposta λ(t) con tecniche di tipo spettroscopico, g - conversione di tali segnali di risposta λ(t) in segnali di deformazione ε(<t>)per ogni sensore FBG interrogato,

h - calcolo dei tempi caratteristici

tinmediante le formule

 D ε FBG ( t )

ï£ ́<=>0 per t<<>t inï£ ́Dt



<ï£ ́>D ε FBG ( t )

ï£ ́≠ 0 per t > t inDt

<t>outmediante le formule

 D ε FBG ( t )

ï£ ́<≠>0 per t<<>t outï£ ́Dt



ï£ ́ D ε FBG ( t )

ï£ ́<=>0 per t<>>t outDt

tpeakmediante le formule

Dεt)ï£1⁄4 ( t peak )

maxï£ ́ FBG(ï£ ́D<ε>FBG

t  ï£1⁄2<=>

ï£ ́Dt ï£ ́ï£3⁄4Dt

i - calcolo dell’aderenza residua Gresmediante la formula:

t − t

G = peak in

<res>tout − t in

Un terzo aspetto della presente invenzione prevede uno pneumatico conforme alla rivendicazione 7.

Il sistema dell’invenzione à ̈ vantaggiosamente provvisto di una pluralità di sensori di deformazione locale dello pneumatico di tipo ottico. In particolare, la superficie interna dello pneumatico à ̈ equipaggiata con uno o più sensori FBG montati lungo una o più fibre ottiche aderenti a detta superficie interna. Tali sensori FBG, in sé noti, sono utilizzati nella presente invenzione per il rilevamento della deformazione interna locale della carcassa dello pneumatico, mediante la misurazione della frequenza della luce riflessa dalle varie sezioni di fibra dove à ̈ presente un sensore FBG. Dalla frequenza dei segnali luminosi riflessi rilevati à ̈ possibile determinare la deformazione della carcassa dello pneumatico.

Vantaggiosamente nella presente invenzione l’energia necessaria per il funzionamento del sistema à ̈ solo l’energia della luce o segnale luminoso di interrogazione inviato lungo la fibra ottica o dorsale. Il segnale luminoso di interrogazione si propaga lungo la dorsale e quando interagisce con un sensore FBG genera un rispettivo segnale di risposta che si propaga all’indietro lungo la stessa dorsale. La trasmissione dei segnali di risposta associati a detto segnale luminoso di interrogazione avviene, quindi, attraverso la stessa fibra ottica.

Un ulteriore vantaggio à ̈ rappresentato dal fatto che la sorgente a banda larga che genera il segnale di interrogazione à ̈ prevista sul telaio del veicolo, quindi all’esterno dello pneumatico. Una prima estremità della fibra ottica o dorsale, prevista nello pneumatico ed aderente alla sua carcassa, à ̈ connessa all’asse rotante su cui à ̈ innestato il cerchione della ruota, mentre una seconda estremità à ̈ semplicemente fissata sulla carcassa dello pneumatico.

Vantaggiosamente il collegamento tra la fibra ottica prevista nello pneumatico ed una corrispondente fibra ottica prevista nel telaio del veicolo avviene mediante una giunzione ottica rotante (ROC - rotary optical coupler). Questa giunzione ottica rotante permette sia la trasmissione del segnale luminoso di interrogazione, dalla parte di fibra ottica associata alla sorgente a banda larga alla parte di fibra ottica associata all’asse rotante ed allo pneumatico, che la trasmissione dei segnali di risposta, ossia l’informazione acquisita trasportata dalla luce riflessa dai sensori FBG, dalle parti rotanti alla parte non rotante solidale al telaio del veicolo.

La presente invenzione permette di superare le difficoltà principali delle tecnologie allo stato della tecnica sia relative al sistema di alimentazione che di trasmissione dei dati perché:

(i) il generatore d’energia per l’alimentazione dei sensori FBG à ̈ solidale alle parti fisse del veicolo ed esterno allo pneumatico; tale generatore à ̈ costituito da una sorgente luminosa che invia luce alla fibra ottica solidale alla carcassa dello pneumatico mediante la giunzione ottica rotante senza contatto;

(ii) il segnale ottico inviato a bordo dello pneumatico à ̈ modulato passando attraverso i sensori FBG e riflesso all’esterno dello pneumatico mediante la stessa giunzione ottica rotante;

(iii) il segnale ottico à ̈ inviato dallo pneumatico al veicolo mediante la sola presenza del giunto ottico che sostituisce in tal modo ogni dispositivo di trasmissione dei dati.

Il metodo di misura, che à ̈ oggetto di un altro aspetto della presente invenzione, à ̈ basato su un appropriato algoritmo di analisi che permette di risalire alla misura dell’aderenza residua dello pneumatico.

Vantaggiosamente il sistema ed il metodo dell’invenzione permettono di aumentare la sicurezza di marcia del veicolo fornendo l’informazione sul grado di aderenza sia al pilota che ai sistemi di controllo attivo del veicolo e di investigare in modo più approfondito i fenomeni di rotolamento e contatto negli pneumatici mediante opportuno impiego della presente invenzione in dispositivi di laboratorio. Ulteriori vantaggi dell’invenzione sono:

- l’utilizzo di sensori in materiale poco rigido ed in grado di funzionare a lungo in condizioni operative anche avverse incontrate dagli pneumatici;

- una migliorata compatibilità tra il sensore passivo e la gomma dello pneumatico. Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione preferite dell’invenzione.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, di un sistema di misurazione ottica dell’aderenza di uno pneumatico, illustrato a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

la Fig. 1 rappresenta uno schema del sistema per la misurazione ottica dell’aderenza di uno pneumatico secondo l’invenzione;

la Fig. 2 rappresenta una vista laterale schematica di uno pneumatico appartenente al sistema dell’invenzione;

la Fig. 3 rappresenta un esempio di grafico che mostra un tipico andamento della derivata della deformazione rilevata dal sistema dell’invenzione;

la Fig. 4 rappresenta uno schema a blocchi che mostra schematicamente il flusso dei dati e la relativa elaborazione effettuata dal sistema della fig.1.

Descrizione in dettaglio di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione Con riferimento alla Figura 1 à ̈ rappresentata in modo schematico una prima forma di realizzazione di un sistema S di misurazione ottica dell’aderenza di uno pneumatico, in una sua applicazione preferita su un automobile, di cui à ̈ mostrata solo una ruota. Chiaramente il sistema si applica nello stesso modo che sarà descritto qui di seguito anche a tutte o ad alcune altre ruote dell’automobile. E’ inoltre possibile applicare il sistema dell’invenzione su qualsiasi altro tipo di veicolo dove si presenta una problematica collegata all’aderenza di una o più ruote. Il sistema si applica anche a veicoli che abbiano una quantità di ruote diversa da quella di una comune automobile, siano esse due, tre oppure più di quattro.

Per aderenza residua si intende in questa descrizione il rapporto tra due aree. L’area di contatto tra pneumatico e piano stradale può infatti notoriamente essere suddivisa in due parti: una in cui lo pneumatico à ̈ in contatto senza strisciamento con il piano stradale, l’altra area in cui si ha strisciamento. Quando tutta l’area di contatto à ̈ in condizioni di strisciamento, lo pneumatico à ̈ in una condizione di perdita di aderenza globale.

Il sistema di misurazione comprende la ruota R del veicolo, costituita almeno dal cerchio 2 e dallo pneumatico 1, à ̈ equipaggiata mediante una fibra ottica 19 con sensori FBG 21 alloggiati nella carcassa dello pneumatico. La fibra ottica 19 ha una parte terminale 20 che fuoriesce dalla carcassa, percorre l’asse 3 opportunamente forato, solidale al cerchio 2 e sorretto dal cuscinetto 4 la cui pista esterna à ̈ solidale alla struttura del veicolo, e giunge alla lente 5. Questa lente fa parte di un giunto ottico per la trasmissione dati, che comprende la lente 6 dalla parte della struttura del veicolo, e si tratta di un dispositivo di tipo noto che consente di trasmettere segnali ottici tra un primo elemento fisso e un secondo elemento rotante di moto rotativo relativo rispetto al primo elemento. La linea di trasmissione dei segnali luminosi, con l’ausilio di questo giunto ottico, à ̈ collegata ad un circuito comprendente inoltre una linea ottica 7 collegata al circolatore ottico 9. Questo a sua volta invia i segnali luminosi, attraverso la linea ottica 10, all'analizzatore di spettro 12 appartenente al sistema di acquisizione.

Il segnale ottico inviato alla fibra alloggiata o inglobata nel corpo dello pneumatico à ̈ generato dalla sorgente di luce a banda larga 11 che lo invia a mezzo del canale ottico 8 al circolatore 9, e di seguito mediante la linea 7 e il giunto ottico. Dalla lente 6 del giunto ottico il segnale segue la linea ottica 20 che lo fa circolare nella fibra 19 munita dei sensori FBG 21.

La fibra ottica 19 con i suoi sensori 21 può essere sia incorporata nella gomma stessa dello pneumatico al momento della produzione industriale dello pneumatico, sia essere fissata sulla superficie interna dello pneumatico con mezzi adeguati, per es. con adesivi speciali, in quei casi in cui il sistema di misurazione à ̈ realizzato come accessorio di un veicolo da installare in un secondo tempo dopo la fabbricazione dello pneumatico stesso.

L'analizzatore di spettro 12 determina le variazioni di lunghezza d’onda λ(t) della luce riflessa dai vari sensori FBG, queste variazioni sono proporzionali alle deformazioni subite dagli stessi sensori FBG. Tali valori opportunamente generati, vengono inviati attraverso la linea 13 al sistema di elaborazione dati 14, per es. una centralina di elaborazione dei dati, che implementa l’algoritmo di identificazione dell’aderenza residua ed invia tale informazione sia sul display in plancia visibile al guidatore o ad altro utente del veicolo che ai sistemi di controllo attivo della guida del veicolo, quando questi sono previsti nel veicolo.

Il giunto ottico 5, 6 à ̈ un dispositivo disponibile commercialmente come accoppiatore assiale (fiber optic rotary joint), ossia il fascio che viaggia dal trasmettitore al ricevitore à ̈ diretto parallelamente all’asse di rotazione della ruota. In una realizzazione preferita per un’applicazione del sistema di misurazione a bordo di un veicolo può essere previsto anche un giunto ottico radiale, ossia un dispositivo che effettua la trasmissione del fascio luminoso in direzione ortogonale a quella dell’asse della ruota del veicolo. Tale soluzione à ̈ costruttivamente più conveniente nel caso di autoveicoli per i quali il sistema di sospensione, di comando dello sterzo, e il sistema frenante rendono poco pratico l’impiego di un accoppiatore assiale.

I sensori in fibra ottica sono particolarmente vantaggiosi rispetto ai sensori tradizionali. Infatti essendo a base silicea sono elettricamente e chimicamente passivi e sono immuni da interferenze elettromagnetiche, inoltre sono di piccola dimensione. Ulteriore vantaggio à ̈ rappresentato dal fatto che su di una singola fibra possono essere inseriti più sensori di tipo FBG in modalità “multiplex†. Questa struttura consente di avere a disposizione un maggior numero di sensori cablati sulla stessa unica fibra, con minor ingombro e semplicità costruttiva ed utilizzando un solo strumento di interrogazione.

In questa maniera à ̈ possibile ottenere un monitoraggio in situ in tempo reale dello stato di deformazione di uno pneumatico.

Il sensore FBG à ̈ praticamente uno strain gage ottico ottenuto fotoincidendo nel nucleo dalla fibra ottica un reticolo di materiale con un indice di rifrazione differente. Tale fotoincisione viene realizzata illuminando la fibra ottica di traverso, attraverso una opportuna maschera di fase, con un fascio coerente di luce UV. Il risultato di questo processo à ̈ quello di ottenere una periodica variazione dell’indice di rifrazione del nucleo della fibra nella direzione longitudinale. La conseguenza finale à ̈ che al passaggio di un fascio luminoso a banda larga lungo la fibra, il reticolo così fotoinciso riflette una specifica lunghezza d’onda. Ogni deformazione della fibra causa uno shift di detta lunghezza d’onda λ correlabile alla deformazione. Si possono misurare accuratamente deformazioni inferiori a 1 µstrain (1 µm ogni metro).

Il principio sfruttato dall’invenzione à ̈ ora spiegato. Quando la struttura in cui à ̈ immerso o su cui à ̈ incollato il sensore FBG, in questo caso lo pneumatico, subisce una deformazione, anche il sensore FBG si deforma e varia le sue caratteristiche geometriche. Di conseguenza avviene una variazione della lunghezza d’onda λ riflessa dal sensore che, opportunamente elaborata dal sistema di elaborazione mediante l’algoritmo descritto sotto, fornisce le informazioni sull’aderenza residua dello pneumatico.

Il numero di sensori FBG inseriti lungo la fibra ottica solidale allo pneumatico, migliora la risoluzione del rilevamento relativo allo stato di aderenza della superficie dello pneumatico in contatto con la superficie stradale. Quanto più numerosi sono i sensori lungo la fibra ottica sulla superficie interna dello pneumatico tanto più accurata sarà l’informazione relativa all’aderenza residua. Il segnale di interrogazione inviato dalla sorgente di luce 11, attraverso il circolatore ottico 9, si propaga lungo la fibra ottica e quando incontra un sensore FBG, una parte del segnale viene riflesso ed indirizzato all’analizzatore di spettro 12, mentre l’altra parte del segnale viene trasmessa al sensore successivo. L’analizzatore di spettro 12 riceve in ingresso un segnale analogico luminoso e restituisce in uscita un segnale digitale contenete l’informazione sull’associata lunghezza d’onda. Tale segnale à ̈ poi successivamente elaborato dalla centralina 14 che calcola la deformazione associata ad ogni sensore FBG interrogato, e che elabora ulteriormente questa informazione per produrre la misura dell’aderenza residua secondo l’algoritmo di seguito descritto. Questa operazione à ̈ ripetuta iterativamente nel tempo per ciascun sensore FBG, e la totalità dei rilevamenti viene elaborata dalla centralina 14 che quindi la trasforma in una informazione sullo stato di aderenza dello pneumatico con la superficie stradale, rendendola disponibile in tempo reale al guidatore del veicolo o la sistema di controllo del veicolo stesso. Tutti i componenti del sistema descritto, ad eccezione della centralina 14 di elaborazione dati, sono commercialmente disponibili e perfettamente noti allo stato della tecnica. La centralina 14, utilizza tecnologie di fabbricazione micro-elettroniche totalmente note allo stato della tecnica, essendo invece parte della presente invenzione gli algoritmi da essa implementati e di seguito descritti.

Il sistema dell’invenzione per l’identificazione dello stato di aderenza implementa sempre nella centralina di elaborazione 14 un algoritmo che si basa sulla misura indiretta del rapporto tra la superficie in aderenza, cioà ̈ quella sulla quale non ci sono scorrimenti di contatto tra lo pneumatico e la strada, e la superficie di contatto totale tra pneumatico e piano stradale. Tale misura fornisce un’indicazione di quanto lo pneumatico à ̈ lontano dalla condizione di slittamento globale, questa condizione essendo caratterizzata dallo slittamento dei punti dello pneumatico su tutta l’area di contatto (à ̈ il caso dello slittamento in trazione o del bloccaggio della rotazione della ruota in frenata). La misura analizza i dati di deformazione dello pneumatico estratti dai sensori ottici per pervenire al rapporto tra le predette aree.

Consideriamo lo pneumatico nella marcia rettilinea, in assenza di scorrimenti trasversali e con angolo di camber e velocità di imbardata della ruota nulli. Dal punto di vista elastico lo pneumatico qui considerato consta di una fascia elastica circonferenziale associata alla superficie interna dello pneumatico a contatto con l’aria in pressione, alla quale sono connessi elementi elastici radiali noti in letteratura con il nome di brush o tasselli.

Il campo di velocità nella zona di contatto à ̈ caratterizzato dall’espressione:

dove

V x ( Î3⁄4, t ) velocità del punto della ruotain contattocon il piano stradale

V Cx ( t ) velocità del centro della ruota

ω ( t ) velocità angolare della ruota

R raggio dirotolament o dello pneumatico

u e ( Î3⁄4, t ) spostament ocirconfere nziale della superficie dello pneumaticoin contattocon il piano stradale Î3⁄4 coordinata locale lungo la zona di contatto

D/Dt derivata materiale

∂/ ∂t derivata euleriana rispettoal tempo

∂/ ∂x derivata euleriana rispetto allo spazio

In condizioni stazionarie abbiamo:

∂

Vx(Î3⁄4 )=V<u e (>Î3⁄4

Cx− ωR V<)>Cx

∂Î3⁄4

Nella zona di aderenza, ossia nella zona dove à ̈ verificato il requisito necessario per le condizioni di attrito statico vale

∂<u>e ( Î3⁄4 ) ∂u

<Cx>− ωR V<Cx>0 , → e (Î3⁄4 ) V

= Cx −<ω>R

V =

∂ Î3⁄4 ∂Î3⁄4V Cx

Tale condizione à ̈ verificata se l’azione di contatto tangenziale Ï„ (Î3⁄4 ) soddisfa al

requisito statico Ï„ (Î3⁄4 )≤µsp (Î3⁄4 ) con Î3⁄4∈ [0,Lader] essendo rispettivamente µs, p (Î3⁄4 ) il

coefficiente di attrito statico e la distribuzione delle azioni di contatto normali al piano stradale. Lo spostamento elastico ue(Î3⁄4 ) dello pneumatico nella zona di contatto con il piano stradale può esprimersi quale somma dello spostamento elastico ub(Î3⁄4 ) della superficie interna dello pneumatico e dello spostamento

elastico ut(Î3⁄4 ) dovuto alla deformazione dei tasselli:

ue(Î3⁄4 )=ut(Î3⁄4 ) ub(Î3⁄4 )

Il campo di spostamenti accessibile alla misurazione à ̈ solo ub(Î3⁄4 ) . Inoltre, gli spostamenti elastici in questione sono direttamente correlati all’azione di contatto tangenziale mediante le relazioni:

Ï„ =ktut

∂ 2 ukb

bÎ3⁄42 = Ï„

∂

la prima relativa al comportamento elastico del singolo tassello, la seconda al comportamento elastico della fascia continua cui i tasselli sono fissati, e con kt, kbopportune costanti costruttive dello pneumatico.

Combinando le relazioni precedenti otteniamo il legame tra l’azione di contatto tangenziale e lo spostamento ub(Î3⁄4 )

Î3⁄4

1 ∂ τ 1

⌠ Ï„ Î3⁄4 Î3⁄4′=V Cx −<ω>R

kt∂Î3⁄4 ( ′ )d

kb⌡ 0 V Cx

La soluzione dell’equazione integro-differenziale, che esprime la distribuzione degli sforzi tangenziali di contatto a terra, si può ottenere nella forma di serie di potenze:

n

ωR − V ∞ n

Ï„<(>Î3⁄4<)>= Cx 1 k

∑<(>− 1 n

<)>t Î3⁄42 1

V Cx n = 0

ï£k 

b ï£ ̧(2 n+1)!

Nella serie, il termine n=0 à ̈ quello prevalente cui segue una correzione di ordine superiore. L’andamento dello sforzo à ̈ quindi lineare con una abbassamento dovuto al termine del terzo ordine. Tale andamento à ̈ mantenuto lungo tutta la regione in cui à ̈ soddisfatta la

Ï„ (Î3⁄4 )≤µsp (Î3⁄4 )

In cui non si ha slittamento.

All’esterno di tale intervallo lo sforzo tangenziale à ̈ invece costante ed in generale molto più basso. Quindi l’andamento dello sforzo tangenziale presenta un andamento che parte da zero sul bordo di ingresso dell’impronta a terra e cresce fino ad un picco di massimo lungo la linea di incipiente slittamento. Nella zona di slittamento il suo valore decade poi ad un livello molto più basso. Lo sforzo tangenziale à ̈ dunque un ottimo indicatore, mediante la localizzazione del suo valore di picco, della zona di transizione tra regione di aderenza e regione di slittamento.

La grandezza misurata con il sensore FBG à ̈ la deformazione εFBG(t ) della fascia elastica circonferenziale interna, ed essendo il sensore solidale allo pneumatico, tale grandezza à ̈ variabile con il tempo. Nel punto identificato da Î3⁄4 nella zona di ∂u

contatto, la deformazione à ̈ ε (Î3⁄4 ) =b, correlabile alla misura εFBG(t ) registrata nel∂ Î3⁄4

tempo dal singolo sensore FBG della serie montato sulla fibra ottica e solidale alla carcassa dello pneumatico. Infatti

DεFBG( t ) ∂ ε ∂ε ( Î3⁄4 ) 1 Dε

= VFBG( Î3⁄4 / VCx)

Cx → =

Dt ∂ Î3⁄4 ∂ Î3⁄4 V Cx Dt

∂ 2

<u>b ∂ ε

Dall’equazione k b = Ï„ segue kb= Ï„ , da cui lo sforzo tangenziale identificato∂Î3⁄42 ∂Î3⁄4

τidsulla base della misura εFBG(t ) del sensore FBG:

k

Ï„( ) G(<Î3⁄4>/ VCx)

id Î3⁄4 = b D<ε>FB

V Cx Dt

Dε t

Da ciò segue che à ̈ sufficiente analizzare il datoFBG<( )>, qualitativamente Dt

rappresentato dal grafico in figura 3 secondo le precedenti considerazioni, identificando tre istanti di tempo caratteristici tin,tpeak, toutlungo il suo andamento. L’aderenza residua Gresà ̈ allora fornita dall’espressione:

t

G peak − t in

<res>=

tout − t in

rapporto che à ̈ teoricamente prossimo a quello tra l’area di contatto in aderenza e l’area di contatto complessiva con la superficie stradale. Il modello sopra suggerisce che all’esterno dell’impronta di contatto, le azioni tangenziali si annullano, e le associate deformazioni circonferenziali misurate dai sensori FBG sono costanti lungo tutto il restante arco di rotazione.

Descriviamo di seguito il procedimento messo in atto per implementare la procedura descritta precedentemente nel sistema dell’invenzione. Durante un giro dello pneumatico, il tempo caratteristico tinà ̈ definito dalle seguenti due equazioni:  D ε FBG ( t )

ï£ ́<=>0 per t<<>t inï£ ́Dt



<ï£ ́>D ε FBG ( t )

ï£ ́≠ 0 per t > t inDt

analogamente il tempo caratteristico toutà ̈ definito dalle seguenti due equazioni:  D ε FBG ( t )

ï£ ́<≠>0 per t<<>t outï£ ́Dt



ï£ ́ D ε FBG ( t )

ï£ ́<=>0 per t<>>t outDt

mentre il tempo caratteristico tpeakà ̈ definito dalla seguente equazione:

 D<ε>FBG ( t peak )

ma t xï£ ́DεFBG(t)ï£1⁄4ï£ ́

 ï£1⁄2<=>

ï£ ́Dt ï£ ́ï£3⁄4Dt

essendo valida la seguente condizione:

tin< tpeak< tout

La catena di misura à ̈ schematicamente illustrata in figura 4: il segnale raccolto dal sensore FBG viene inviato, tramite la fibra ottica, ad un analizzatore di spettro solidale al telaio del veicolo. L’analizzatore di spettro trasforma il segnale luminoso analogico ricevuto in un segnale elettrico digitale contenete informazione sulla lunghezza d’onda λ(t); il segnale binario λ(t) viene quindi inviato alla apposita centralina 14 per il controllo dell’aderenza residua Gres. λ(t) viene convertita in un segnale di deformazione ε(<t>), i tempi caratteristici tin,tpeak, toute l’aderenza residua Gresvengo quindi calcolati mediante le formule precedenti. Il dato Gresà ̈ inviato su un indicatore analogico o digitale posto sul cruscotto in modo che tale informazione sia visibile al guidatore.

Il dato Gresviene eventualmente inviato alle centraline che controllano la dinamica del veicolo, quali ABS, ESP, ecc.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di misurazione dell’aderenza tra pneumatico di una ruota di veicolo e piano stradale comprendente una o più fibre ottiche (19) provviste di sensori FBG (21) fissati alla superficie interna dello pneumatico, e atti a rilevare dati sullo stato dello pneumatico, e associati a diversa lunghezza d’onda λ riflessa, dette una o più fibre ottiche (19) aventi una parte terminale (20) che fuoriesce dallo pneumatico, un giunto ottico (5, 6) per trasmettere i dati ad una strumentazione disposta all’interno del veicolo, un analizzatore di spettro (12) per ricevere i dati, che sono inviati ad un dispositivo di elaborazione dati (14), atto ad implementare un algoritmo di identificazione di un’aderenza residua e ad inviare informazioni sull’aderenza residua ad un dispositivo indicatore dello stato dello pneumatico disponibile per un utente del veicolo e/o a sistemi di controllo attivo della guida del veicolo stesso.
2. 2. Sistema conforme alla rivendicazione 1, in cui il giunto ottico à ̈ un accoppiatore assiale, atto ad effettuare la trasmissione di un fascio luminoso di trasmissione dei dati in direzione parallela a quella dell’asse della ruota del veicolo.
3. 3. Sistema conforme alla rivendicazione 1, in cui il giunto ottico à ̈ un accoppiatore radiale, atto ad effettuare la trasmissione di un fascio luminoso di trasmissione dei dati in direzione ortogonale a quella dell’asse della ruota del veicolo.
4. 4. Sistema conforme alla rivendicazione 1, in cui su dette fibre ottiche sono disposti più sensori FBG in modalità “multiplex†.
5. 5. Metodo per la misurazione dell’aderenza tra pneumatico e piano stradale mediante il sistema della rivendicazione 1, comprendente i seguenti stadi: a – definizione di un algoritmo basato sulla determinazione di tre tempi caratteristici tin,tpeak, toutnecessari per il monitoraggio dello stato di aderenza residua dello pneumatico, b - invio di un segnale di interrogazione dalla sorgente di luce (11) ad ogni sensore FBG, c - generazione di segnali riflessi dai sensori FBG correlati ad una deformazione del sensore FBG, d – generazione per mezzo di un analizzatore di spettro (12) di un segnale contenente informazione su λ(t) e sua digitalizzazione, e - invio del segnale di risposta λ(t) al sistema di elaborazione dati (14), f - conversione di tali segnali di risposta λ(t) in segnali di deformazione ε(<t>)per ogni sensore FBG interrogato, g - calcolo dei tre tempi caratteristici da parte del sistema di elaborazione dati (14): tinmediante le formule  D ε FBG ( t ) ï£ ́= 0 per t < t ï£ ́ in Dt  <ï£ ́>D ε FBG ( t ) ï£ ́≠ 0 per t > t inDt <t>outmediante le formule  D ε FBG ( t ) ï£ ́≠ 0 per t < t ï£ ́ out Dt  ï£ ́ D ε FBG ( t ) ï£ ́<=>0 per t<>>t outDt tpeakmediante le formule ï£±ï£ ́Dε (t)ï£1⁄4 ) maxFBG ï£ ́D<ε>FBG ( t peak t  ï£1⁄2<=> ï£ ́Dt ï£ ́ï£3⁄4Dt h - calcolo dell’aderenza residua Gresmediante la formula: t G = peak − t in <res>tout − t in
6. 6. Metodo conforme alla rivendicazione 5 in cui vengono ripetuti gli stadi da b) ad h) ad intervalli di tempo molto brevi, dipendenti dalla velocità angolare di rotolamento dello pneumatico.
7. 7. Pneumatico comprendente una o più fibre ottiche (19) provviste di sensori FBG (21) fissati alla superficie interna dello pneumatico, e atti a rilevare dati sullo stato dello pneumatico, e associati a diversa lunghezza d’onda λ riflessa, una o più fibre ottiche (19) aventi una parte terminale (20) che fuoriesce dallo pneumatico,.