Enhancement of a semi-active damping system with road profile preview

Abstract

Generally, the design of a suspension system is always a compromise between vehicle handling and driving comfort. A semi-active suspension system offers a possibility to overcome this trade-off due to the nature and controllability of the system. A road profile preview is a look-ahead preview which is made possible with modern camera technology. The conventional semi-active suspension system damping is controlled in order to achieve optimal settings only for current conditions. By knowing the road profile beforehand, the suspension system could not only be adjusted, but proactively set to fit the current and oncoming driving events.

This thesis acts as one of the first steps of a research project to examine the viability of including road profile preview to the semi-active suspension control. This work focuses on examining ways to integrate the preview signal to an existing Skyhook-controlled semi-active suspension damping system. An important part of this thesis is to develop the base control further without significant modifications in the core controller in order to maintain the robustness and stability of the original control. The existing, continuously controlled damping controller is used as a basis for the control system development.

The thesis consists of model-in-the-loop simulations which are carried out in a Matlab/Simulink environment, where the development and testing of the system is executed as well. The simulations are carried out with the help of a multi-body vehicle model veDYNA. In order to apply the preview feature, two approaches are introduced. The first approach includes a simplified full vehicle model in order to continuously control the suspension system damping. The second approach concentrates on enhancing the system performance based on detected single events.

The simulation results show that by maintaining the base control, the continuous preview approach provides only moderate improvements, if at all. Nevertheless, focusing on the detection and classification of single events seems to offer great potential for improvement. The event based approach offers an easily applicable, adjustable and realizable way to improve the performance of the semi-active suspension.

Ajoneuvon jousituksen suunnittelu ja toteuttaminen on tavallisesti kompromissi ajoneuvon hallittavuuden ja ajomukavuuden suhteen. Puoliaktiivisessa jousituksessa vaimentimia säätämällä voidaan näitä vastakkaisia ominaisuuksia parantaa yhtäaikaisesti. Perinteinen puoliaktiivinen jousitus voidaan ajon aikana säätää ihanteelliseksi tilanteen mukaan. Ennakoivalla jousituksella voidaan ajonaikaisen säädön lisäksi huomioida tuleva ajotilanne lähestyvää tieprofiilia tarkkailemalla. Ennakointi voidaan toteuttaa nykyaikaisen kameratekniikan avulla.

Tämä diplomityö on ennakoivan jousituksen käyttöönottoon liittyvän tutkimusprojektin ensimmäinen vaihe, jonka tavoitteena on tutkia ennakoivan puoliaktiivisen jousituksen hyötyjä ja toteuttamiskelpoisuutta. Tässä työssä keskitytään tutkimaan tapoja, joilla optiselta sensorilta saatava tieprofiili-tieto voidaan yhdistää puoliaktiivisen jousitusjärjestelmään, jota ohjataan Skyhook-periaatteen mukaan. Työn olennainen osa on käytössä olevan vaimentimenohjauksen edelleen kehittäminen ennakoivalle jousitukselle soveltuvaksi. Työn lähtökohtana on nykyinen jatkuvatoimisesti säädettävä vaimentimien ohjausjärjestelmä, jonka keskeisen ohjausstrategian muokkaaminen ei ole toivottavaa.

Työ koostuu simulaatioista, jotka suoritettiin Matlab/Simulink-ympäristössä, jossa myös järjestelmän kehittäminen ja testaaminen suoritettiin. Ajoneuvosimulaatiot suoritettiin ajoneuvon dynaamiseen simulointiin kehitetyn veDYNA-monikappalemallin avulla. Ennakoivan ominaisuuden käyttöönottamista ja soveltamista varten tutkittiin kahta erilaista lähestymistapaa. Ensimmäisessä lähestymistavassa sovellettiin yksinkertaistettua ennakoivaa ajoneuvomallia, jonka avulla veDYNAmallin jousitusta ohjattiin jatkuvatoimisena. Toisessa lähestymistavassa jousituksen suorituskykyä pyrittiin parantamaan erottelemalla havaitut yksittäiset tieprofiilin muutokset ja soveltamalla ennakoivaa ohjausta vain yksittäistapauksiin.

Simulointitulokset osoittivat, että jatkuvatoiminen ennakointi mahdollistaa vain kohtalaisia etuja tavanomaiseen järjestelmään nähden, kun alkuperäinen vaimentimien ohjausperiaate säilytettiin. Sen sijaan keskittymällä yksittäisten tieprofiilin äkillisten muutosten tunnistamiseen, voidaan nykyistä vaimentimien ohjausta tehostaa ja näin ollen parantaa ajoneuvon jousituksen suorituskykyä. Ennakoiva ja vain yksittäistapauksiin keskittyvä lisäosa voidaan helposti liittää nykyiseen ohjausjärjestelmään ilman suuria muutoksia.