Tire slip angle

También llamado: slip angle, lateral slip angle
Categoría: Control › Locomotion control
Etiquetas: vehicle-dynamics, tire-models, autonomous-driving, friction, wheeled-robots

El ángulo entre la dirección hacia la que apunta una rueda y la dirección en la que se mueve realmente su huella de contacto; es la variable principal que fija la fuerza lateral que produce un neumático.

Definición

El ángulo de deslizamiento del neumático (tire slip angle) es el ángulo entre la orientación de una rueda, la línea de su plano de rueda sobre el suelo, y la dirección en la que se desplaza realmente la huella de contacto del neumático. Cuando un vehículo toma una curva, sus neumáticos no se mueven exactamente hacia donde apuntan: la goma y la carcasa se deforman, la huella de contacto se desplaza en parte lateralmente respecto a la rueda, y esa deformación produce la fuerza lateral que hace girar el vehículo. Con ángulos de deslizamiento pequeños, la fuerza lateral crece aproximadamente en proporción al ángulo de deslizamiento, con una pendiente llamada rigidez en curva. A medida que aumenta el ángulo de deslizamiento, la fuerza se estabiliza en un pico fijado por la fricción y la carga normal, y más allá del pico una mayor parte de la huella de contacto desliza y la fuerza se mantiene constante o disminuye.

En un modelo de bicicleta, los ángulos de deslizamiento se calculan por eje a partir del movimiento del vehículo. Para el eje delantero, el ángulo de deslizamiento es el ángulo de dirección menos el ángulo de la velocidad del eje delantero, que depende de la velocidad longitudinal, de la velocidad lateral y de la velocidad de guiñada multiplicada por la distancia del centro de masa al eje; el eje trasero tiene la misma forma sin el término de dirección. Los convenios de signos difieren entre textos y normas, y las fórmulas dividen por la velocidad longitudinal, de modo que quedan mal definidas cerca de la parada; por esa razón los simuladores y los estimadores añaden un tratamiento específico para bajas velocidades. Los modelos de neumático no lineales, como la Magic Formula de Pacejka o el modelo de cepillo, relacionan el ángulo de deslizamiento, la carga normal y la fricción con la fuerza lateral, y los modelos de deslizamiento combinado reducen la fuerza lateral disponible cuando el neumático también frena o acelera.

El ángulo de deslizamiento es una de las dos magnitudes de deslizamiento. El deslizamiento longitudinal, o tasa de deslizamiento, compara la velocidad de rodadura de la rueda con su velocidad de avance y gobierna la fuerza de tracción y de frenado; el ángulo de deslizamiento gobierna la fuerza en curva. Ambos difieren del ángulo de deriva del vehículo, que es el ángulo entre la orientación del vehículo completo y su velocidad en el centro de masa. Un ángulo de deslizamiento tampoco significa que el neumático esté patinando: con ángulos pequeños, la mayor parte de la huella de contacto se agarra a la carretera, y el ángulo proviene sobre todo de la deformación.

Por qué importa

Las fuerzas de los neumáticos deciden lo que un vehículo con ruedas puede hacer realmente, y el ángulo de deslizamiento es la variable que gobierna la adherencia lateral. Los controladores de coches autónomos, los sistemas de conducción al límite y el derrape necesitan estimar los ángulos de deslizamiento y mantenerlos dentro, o deliberadamente más allá, del rango en el que la fuerza del neumático es predecible.

Aplicaciones clave

Modelos de vehículo dinámicos de bicicleta y de cuatro ruedas
Identificación de modelos de neumático a partir de datos de conducción
Control electrónico de estabilidad y control de la conducción al límite
Controladores de derrape autónomo y de competición
Estimación del ángulo de deriva del vehículo y de las fuerzas de los neumáticos

En la práctica

Un equipo que construye un controlador de derrape autónomo registra en una pista de pruebas la velocidad, la velocidad de guiñada, el ángulo de dirección y el ángulo de deriva del vehículo, este último a partir de un sistema GNSS de doble antena e inercial. A partir de estas señales calcula los ángulos de deslizamiento delantero y trasero en cada paso de tiempo, representa la fuerza lateral frente al ángulo de deslizamiento para cada eje y ajusta un modelo de neumático, ya sea una curva de la Magic Formula o un modelo aprendido. En un derrape sostenido, los neumáticos traseros trabajan muy por encima de su pico de fuerza mientras los delanteros se mantienen cerca de él, y el controlador usa las curvas ajustadas para elegir la dirección y el acelerador que mantienen este equilibrio. Los datos a muy baja velocidad se descartan, ya que ahí las fórmulas del ángulo de deslizamiento no son fiables.

Ideas erróneas comunes

Un ángulo de deslizamiento distinto de cero significa que el neumático está patinando — con ángulos de deslizamiento pequeños, la mayor parte de la huella de contacto se agarra a la carretera y el ángulo proviene de la deformación del neumático
El ángulo de deslizamiento del neumático y el ángulo de deriva del vehículo son lo mismo — la deriva describe la velocidad del vehículo completo respecto a su orientación, mientras que el ángulo de deslizamiento se define para cada neumático o eje
La fuerza lateral sigue aumentando con el ángulo de deslizamiento — alcanza un pico y después se estabiliza o disminuye a medida que el neumático se satura
El ángulo de deslizamiento abarca todo el deslizamiento del neumático — el deslizamiento longitudinal, o tasa de deslizamiento, es una magnitud aparte que gobierna la fuerza de tracción y de frenado, y ambos interactúan en deslizamiento combinado

Quién debería saberlo

Ingenieros de dinámica vehicular y de conducción autónoma
Investigadores en control que trabajan en conducción al límite y derrape
Ingenieros que construyen simuladores para robots con ruedas
Desarrolladores de robótica de campo que trabajan con plataformas rápidas con ruedas

Tecnologías relacionadas

Magic Formula de Pacejka
Modelo de neumático de cepillo (Brush Tire Model)
Control electrónico de estabilidad (Electronic Stability Control)
Navegación inercial con GNSS (GNSS-Inertial Navigation)
Círculo de fricción (Friction Circle)

Términos relacionados

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