Software di simulazione utilizzati

I principali software utilizzati sono: CarMaker, Simpack, Adams e SimMe- chanics.

CarMaker

CarMaker `e un software molto avanzato per la simulazione del sistema automobile. I modelli utilizzati per mappare le inte- razioni dinamiche tra auto, guidatore, strada, traffico e percorso sono molto realistici. Inoltre, i modelli dell’auto sono comple- tamente non lineari: questo garantisce precisione e risultati di simulazione di alta qualit`a.

CarMaker consente una molteplicit`a di funzioni:

• definire tracciati: per successione di segmenti (inserendo caratteristiche come lunghezza, larghezza, pendenza longi- tudinale e laterale) oppure importandoli dall’esterno, per esempio con Google Earth. La definizione del tracciato va oltre la semplice definizione della strada. In CarMaker `e possibile definire una strada molto dettagliata, compre- sa di segnaletica orizzontale e verticale, bumper, semafori,

2.3. SOFTWARE DI SIMULAZIONE UTILIZZATI 25

Figura 2.3: Scenario realizzabile con IPG Road.

marciapiedi e oggetti user-defined. In altre parole, `e possi- bile creare uno scenario estremamente realistico, requisito fondamentale per svolgere il lavoro di tesi. Tutte queste funzionalit`a possono essere prodotte attraverso IPG Road. • impostare il traffico (altre automobili, autobus, pedoni, bi- ciclette, motoveicoli) ed edifici (case, uffici, stazioni di ri- fornimento carburante, ecc). Questo `e reso possibile grazie alla piattaforma IPG Traffic.

• impostare un pilota automatico sul tracciato appena defini- to inserendo alcuni parametri sulla guida, tra cui le interes- santissime funzioni “guida prudente” e “guida aggressiva”. In altre parole CarMaker `e in grado di impostare uno sti- le di guida eco, per consumare poco e uno stile di guida molto spericolato. Questo serve per capire teoricamente il consumo minimo e il consumo massimo, assegnato un trac- ciato. Tutte queste funzionalit`a possono essere prodotte attraverso IPG Driver.

• impostare le caratteristiche di carichi e rimorchi. Questo `e permesso dalla piattaforma IPG Trailer.

Con questo software `e poi possibile parametrizzare le parti del veicolo (motore, sospensioni, sterzo, pneumatici, freni, po- wertrain, aerodinamica, ecc) al fine di creare un modello di au- tomobile molto preciso. Sono inoltre gi`a presenti numerosi veicoli preimpostati.

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Figura 2.4: Scenario realizzabile con IPG Traffic.

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E inoltre possibile impostare le manovre2_{: esse servono al soft-}

ware in primo luogo per settare le condizioni iniziali della simu- lazione (ad esempio la marcia, la posizione di freno, frizione e acceleratore, la velocit`a iniziale, ecc) e in seguito per definire se la guida `e automatica o manuale. Nel caso in cui la guida `e automatica, l’IPG Driver prende il controllo e segue l’elenco delle manovre che l’utente ha indicato. Al contrario, se la guida impostata `e manuale, CarMaker attende un input dalla consolle di guida.

Infine si pu`o impostare l’environment (ambiente), dove si pos- sono settare: temperatura, ora del giorno, irraggiamento solare, ecc. Questi sono per`o parametri meno interessanti per il presente lavoro.

Questo software `e formato da differenti parti che comunicano tra di loro. Esse sono: IPG Movie, IPG Control, Instruments, Cockpit Package Standard , SoundMaker. Le prime tre sono gi`a incluse nel pacchetto CarMaker al momento dell’installazione. La prima serve per la visualizzazione grafica della simulazione. `

E ci`o che appare sugli schermi al momento della simulazione. La seconda serve per fare un’analisi realtime dei parametri della si- mulazione. La terza permette la visualizzazione degli strumenti di bordo: tachimetro, spazio percorso, contagiri, consumi medi e istantanei.

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L’impostazione delle manovre avviene definendo: durata (tempo o spazio), guida automatica o manuale, ecc.

2.3. SOFTWARE DI SIMULAZIONE UTILIZZATI 27

Figura 2.5: Interfaccia grafica di CarMaker

Il Cockpit Package Standard `e invece un pacchetto a parte che consente di interfacciare la consolle di guida con CarMaker. Il soundMaker, infine, consente di produrre simulazioni con au- dio, requisito fondamentale per incrementare il realismo del si- mulatore.

Numerosi altri pacchetti si possono poi acquistare: un esempio `e ADAS RP. Questa estensione del software consente di importare strade in CarMaker, comprese le intersezioni. ADAS RP non `e stato acquistato per il presente lavoro di tesi: le intersezioni sono state realizzate mediante alcuni stratagemmi: le strade seconda- rie, che intersecano il percorso della simulazione sono state create considerandole come dei marciapiedi ad altezza zero, mentre le rotatorie sono realizzate sovrapponendo pi`u volte il percorso fi- no a ottenere una circonferenza. Questi stratagemmi non creano difetti alla simulazione, ma aumentano leggermente la difficolt`a nella fase di preparazione dello scenario.

A tutti questi strumenti `e possibile accedere dalla CarMaker GUI, riportata in figura. Essa permette il coordinamento e l’in- terfacciamento di tutte le parti del software.

28 CAPITOLO 2. SISTEMI DI SIMULAZIONE DI GUIDA

mato mediante la modifica e la compilazione del codice C, presen- te nella cartella del progetto. La riprogrammazione `e un’opera- zione molto avanzata, ma utile per permettere delle funzionalit`a del software che di default non sono presenti.

Simpack

Simpack `e un software utilizzato per la simulazione dinamica di ogni sistema meccanico o meccatronico.

Consente agli ingegneri di generare e risolvere modelli virtuali 3D al fine di predire e visualizzare il moto, le forze in gioco e gli sforzi.

Simpack `e utilizzato primariamente nei settori automotive, fer- roviario, eolico, motori e trasmissione di potenza, ma pu`o essere applicato a ogni branca dell’ingegneria meccanica.

Simpack `e stato sviluppato principalmente per gestire modelli non lineari complessi con corpi flessibili. Esso `e anche in grado di rispondere real-time anche per sistemi molto complessi. Pu`o essere utilizzato per valutare i consumi nel senso dell’ottimizza- zione delle parti meccaniche del veicolo, ma non per ottimizzare il ciclo termodinamico del motore o lo stile di guida.

Il software pu`o essere inoltre integrato con modelli esterni (ad esempio Simulink o FMI). [52]

Adams

Adams supporta gli ingegneri nello studio della dinamica del- le parti in movimento e nell’analisi della distribuzione di forze e carichi attraverso i sistemi meccanici.

Riduce i costi di sviluppo prodotto consentendo una validazio- ne precoce a livello di sistema. Gli ingegneri possono valutare e gestire le complesse interazioni tra discipline, tra cui movimen- to, strutture, attuazione e controlli per ottimizzare al meglio il design dei prodotti a livello di prestazioni, sicurezza e comfort. Oltre alle sue estese funzionalit`a di analisi, il software `e ottimiz- zato per problemi di grandi dimensioni, e funziona al meglio in ambienti di calcolo ad alte prestazioni.

Utilizzando la tecnologia per la dinamica multibody, Adams ese- gue la dinamica non-lineare in una frazione del tempo richiesto dalle soluzioni FEM.

I moduli opzionali disponibili con questo software, consentono agli utenti di integrare componenti meccanici, pneumatici, idrau- lici, elettronici, e tecnologie di sistemi di controllo per costruire e collaudare prototipi virtuali che rappresentano con precisione

2.3. SOFTWARE DI SIMULAZIONE UTILIZZATI 29

Figura 2.6: Strada generata con SimMechanics. [55]

le interazioni tra questi sotto sistemi.

Adams `e un codice interfacciabile con input, ma non nasce per applicazioni in tempo reale. Per avere un’analisi in tempo rea- le, infatti, bisogna semplificare la struttura a un numero molto ridotto di corpi rigidi. Solo cos`ı la simulazione pu`o avvenire in tempi cos`ı ridotti, da rendere possibile il real time.

Con Adams `e possibile modellare ogni tipo di strada: irrego- larit`a, salite, discese. `E inoltre possibile rappresentare alberi, segnaletica, edifici.

Per fare una analisi real time si usano software che usano Adams come base. [53]

SimMechanics

SimMechanics offre un ambiente di simulazione multibody per i sistemi 3D meccanici, come i robot, le sospensioni dei veico- li e carrelli di atterraggio degli aeromobili. Si modella il sistema multibody con blocchi che rappresentano corpi, giunti, i vincoli e gli elementi di forza, e poi SimMechanics formula e risolve le equazioni del moto per il sistema meccanico completo. Modelli da sistemi CAD, tra cui la massa, inerzia, giunti, vincoli e la geometria 3D, possono essere importati in SimMechanics. Un’animazione 3D generata automaticamente permette di visua- lizzare la dinamica del sistema.

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E possibile parametrizzare i modelli dell’utente utilizzando variabili e espressioni di MATLAB3_{, e sistemi di controllo di}

progettazione per il sistema multibody in Simulink. `

E possibile aggiungere componenti elettrici, idraulici, pneumati- ci per il modello meccanico utilizzando Simscape e testarli tutti in un singolo ambiente di simulazione.

SimMechanics non nasce come software real time, quindi a me- no di una integrazione con una libreria esterna (Simulink Real Time), non potr`a essere utilizzato per il lavoro di tesi. Inol- tre, come si osserva dalla figura 2.6, `e possibile solamente una modellazione 3D molto semplificata. La modellazione della stra- da, anche in maniera cos`ı semplificata inoltre non `e nemmeno semplice. [54]

3_{MATLAB un linguaggio di alto livello per il calcolo tecnico e un ambiente interattivo} per lo sviluppo di algoritmi, la visualizzazione di dati, l’analisi di dati e la produzione di risultati. `E prodotto dalla Mathworks. Per ulteriori informazioni si rimanda al sito web http://it.mathworks.com/products/matlab/

Capitolo 3

Elaborazione dello stile di

guida ideale

Il software di simulazione scelto per questa tesi `e CarMaker, prodotto dalla IPG Automotive. La scelta sta nel fatto che `e un software che nasce per la simulazione real time. Per il lavoro di tesi `e molto pi`u facile utilizzare CarMaker di Adams, poich´e per rendere real time quest’ultimo, andrebbe integrato con liberie esterne.

In Adams costruire una strada (specialmente un percorso lungo) non `e banale. `E molto pi`u facile farlo con CarMaker, il quale crea in modo molto semplice percorsi pi`u realistici.

Inoltre `e stato scelto il software della IPG invece di SimMecha- nics perch´e anche quest’ultimo non nasce per le applicazioni real time, ma deve essere integrato con librerie esterne e anche perch´e non `e possibile avere un elevato livello di dettaglio della strada. In questo capitolo, dopo avere spiegato le caratteristiche del vei- colo con il quale sono state condotte le simulazioni, si illustra il tracciato. Successivamente si spiegano i parametri introdot- ti in CarMaker che servono al software per calcolare lo stile di guida cui corrisponde il consumo minimo. Si riporta infine una descrizione di questo stile di guida.

3.1

Il veicolo

Nel presente lavoro di tesi si `e scelto un veicolo gi`a preim- postato, la Volkswagen Beetle. Questa auto monta un motore a benzina da 2 litri, garantisce una coppia massima pari a 185 Nm a 4500 rpm e ha una potenza di 85 kW (115 CV). Bisogna fare presente che i modelli presenti nel software non sono stati verificati. Quindi non `e detto che le caratteristiche appena citate