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Questa tesi si inquadra in un progetto di ricerca finanziato dalla regione Toscana, denominato “BMI Focus”, tra i cui obiettivi è compresa la realizzazione di veicoli semoventi destinati ad operare in ambienti ostili, terrestri o spaziali.
Il lavoro è stato svolto nell’ambito di un tirocinio presso la ditta Sigma Ingegneria s.r.l. di Lucca, vincitrice del bando regionale suddetto.
Scopo del lavoro è lo sviluppo di un modello matematico della dinamica di un veicolo di tipo “Rover”, a propulsione elettrica, con quattro ruote gommate, motrici e sterzanti, e la realizzazione di un software di simulazione numerica in ambiente MATLAB® e Simulink®.
Il software sviluppato comprende un modello di veicolo rigido a sei gradi di libertà soggetto alle forze aerodinamiche ed alle forze trasmesse dalle ruote.
Le quattro ruote sono dotate di motori propulsivi “in-wheel” e motori che governano la sterzata, disposti sull’asse verticale.
Le ruote sono rappresentate attraverso un modello ad “anello rigido”. L’anello rigido è vincolato elasticamente al mozzo mediante molle e smorzatori nei tre gradi di libertà di traslazione e di elasticità torsionale attorno all’asse di rotazione. La deformazione del battistrada nel contatto con il terreno è messa in conto attraverso un modello di “elasticità residua” dell’anello rigido, ed è possibile assegnare la quota del suolo in corrispondenza delle quattro ruote al fine di tenere conto in modo semplificato delle asperità del terreno. La forza d’attrito di rotolamento è applicata al centro dell’anello rigido. La forza d’attrito di strisciamento, legata alla propulsione e alla frenata, è applicata all’anello rigido in corrispondenza del suolo e modellizzata attraverso la curva “mu-slip” (steady-state slip characteristic) che è considerata nota ed assegnata tra i dati di ingresso. La forza laterale è rappresentata attraverso una funzione lineare dell’angolo di derapata della ruota, con una saturazione che limita il coefficiente d’attrito laterale ad un assegnato valore massimo.
La modellizzazione degli pneumatici è stata realizzata con riferimento a “X-Tweel Turf tyres” della Michelin®, che sono gomme di tipo “airless”. Poiché relativamente pochi dati erano effettivamente disponibili per il tipo specifico di ruote considerate, molti dati sono stati desunti da analisi di letteratura.
La dinamica dei motori elettrici non è stata presa in considerazione, ed è stata assegnata direttamente la coppia all’asse motore, per quanto riguarda i motori propulsivi, e l’angolo di sterzata per quanto riguarda i motori che governano la sterzata stessa.
Il software valuta, in prima battuta, la condizione di equilibrio statico del rover, sotto l’azione della forza peso, tenendo conto dell’effettiva posizione del baricentro della macchina. Successivamente consente di valutare la risposta dinamica agli ingressi di coppia motrice e angoli di sterzo.
In assenza, per il momento, di dati sperimentali relativi al rover in corso di sviluppo, il software è stato convalidato mediante confronto delle risposte con i risultati attesi, valutati in forma chiusa.
In primo luogo è stata verificata la condizione di equilibrio suddetta. In tale condizione, la deformazione degli pneumatici ottenuta è risultata compatibile con la curva schiacciamento-carico verticale fornita dal costruttore. Successivamente è stata valutata la capacità del veicolo di portarsi in una condizione di regime a velocità costante, con traiettoria rettilinea nel caso di marcia avanti e marcia indietro, tramite lo sviluppo di un controllo proporzionale in velocità. In queste condizioni di regime sono stati verificati gli equilibri delle forze e dei momenti sul rover e sulle ruote. Infine, è stata studiata la dinamica di sterzata e quindi la capacità del veicolo di immettersi in una traiettoria circolare ed è stato verificato l’equilibrio tra le forze laterali dovute alla sterzata e la forza centrifuga agente sul veicolo.