Tire slip angle

Também chamado: slip angle, lateral slip angle
Categoria: Control › Locomotion control
Tags: vehicle-dynamics, tire-models, autonomous-driving, friction, wheeled-robots

O ângulo entre a direção para onde uma roda aponta e a direção em que sua área de contato está de fato se movendo; é a principal variável que define a força lateral que um pneu produz.

Definição

O ângulo de deslizamento do pneu (tire slip angle) é o ângulo entre a orientação de uma roda, a linha do plano da roda no solo, e a direção em que a área de contato do pneu está de fato se deslocando. Quando um veículo faz uma curva, seus pneus não se movem exatamente para onde apontam: a borracha e a carcaça se deformam, a área de contato se desloca em parte lateralmente em relação à roda, e essa deformação produz a força lateral que faz o veículo virar. Com ângulos de deslizamento pequenos, a força lateral cresce aproximadamente em proporção ao ângulo de deslizamento, com uma inclinação chamada rigidez em curva. À medida que o ângulo de deslizamento aumenta, a força se estabiliza em um pico definido pelo atrito e pela carga normal, e além do pico uma parte maior da área de contato desliza e a força permanece constante ou cai.

Em um modelo de bicicleta, os ângulos de deslizamento são calculados por eixo a partir do movimento do veículo. Para o eixo dianteiro, o ângulo de deslizamento é o ângulo de esterçamento menos o ângulo da velocidade do eixo dianteiro, que depende da velocidade longitudinal, da velocidade lateral e da taxa de guinada multiplicada pela distância do centro de massa ao eixo; o eixo traseiro tem a mesma forma sem o termo de esterçamento. As convenções de sinal diferem entre textos e normas, e as fórmulas dividem pela velocidade longitudinal, por isso ficam mal definidas perto da parada; simuladores e estimadores acrescentam um tratamento para baixas velocidades por esse motivo. Modelos de pneu não lineares, como a Magic Formula de Pacejka ou o modelo de escova, relacionam o ângulo de deslizamento, a carga normal e o atrito à força lateral, e os modelos de deslizamento combinado reduzem a força lateral disponível quando o pneu também está freando ou acelerando.

O ângulo de deslizamento é uma de duas grandezas de deslizamento. O deslizamento longitudinal, ou razão de deslizamento, compara a velocidade de rolamento da roda com sua velocidade de avanço e governa a força de tração e de frenagem; o ângulo de deslizamento governa a força em curva. Ambos diferem do ângulo de deriva do veículo, que é o ângulo entre a orientação do veículo inteiro e sua velocidade no centro de massa. Um ângulo de deslizamento também não significa que o pneu esteja derrapando: em ângulos pequenos, a maior parte da área de contato está aderida à pista, e o ângulo vem principalmente da deformação.

Por que importa

As forças dos pneus decidem o que um veículo com rodas consegue de fato fazer, e o ângulo de deslizamento é a variável que governa a aderência lateral. Controladores de carros autônomos, sistemas de condução no limite e o drift precisam estimar os ângulos de deslizamento e mantê-los dentro, ou deliberadamente além, da faixa em que a força do pneu é previsível.

Principais aplicações

Modelos de veículo dinâmicos de bicicleta e de quatro rodas
Identificação de modelos de pneu a partir de dados de condução
Controle eletrônico de estabilidade e controle de condução no limite
Controladores de drift autônomo e de corrida
Estimação do ângulo de deriva do veículo e das forças dos pneus

Na prática

Uma equipe que constrói um controlador de drift autônomo registra em uma pista de testes a velocidade, a taxa de guinada, o ângulo de esterçamento e o ângulo de deriva do veículo, este último a partir de um sistema GNSS/inercial de antena dupla. A partir desses sinais, ela calcula os ângulos de deslizamento dianteiro e traseiro a cada passo de tempo, plota a força lateral em função do ângulo de deslizamento para cada eixo e ajusta um modelo de pneu, seja uma curva da Magic Formula, seja um modelo aprendido. Em um drift sustentado, os pneus traseiros operam bem além do seu pico de força enquanto os dianteiros ficam perto dele, e o controlador usa as curvas ajustadas para escolher o esterçamento e o acelerador que mantêm esse equilíbrio. Os dados de velocidades muito baixas são descartados, já que ali as fórmulas do ângulo de deslizamento não são confiáveis.

Equívocos comuns

Um ângulo de deslizamento diferente de zero significa que o pneu está derrapando — com ângulos de deslizamento pequenos, a maior parte da área de contato adere à pista e o ângulo vem da deformação do pneu
O ângulo de deslizamento do pneu e o ângulo de deriva do veículo são a mesma coisa — a deriva descreve a velocidade do veículo inteiro em relação à sua orientação, enquanto o ângulo de deslizamento é definido para cada pneu ou eixo
A força lateral continua aumentando com o ângulo de deslizamento — ela atinge um pico e depois se estabiliza ou cai à medida que o pneu satura
O ângulo de deslizamento abrange todo o deslizamento do pneu — o deslizamento longitudinal, ou razão de deslizamento, é uma grandeza separada que governa a força de tração e de frenagem, e os dois interagem sob deslizamento combinado

Quem deve saber

Engenheiros de dinâmica veicular e de direção autônoma
Pesquisadores de controle que trabalham com condução no limite e drift
Engenheiros que constroem simuladores para robôs com rodas
Desenvolvedores de robótica de campo que trabalham com plataformas rápidas com rodas

Tecnologias relacionadas

Magic Formula de Pacejka
Modelo de pneu de escova (Brush Tire Model)
Controle eletrônico de estabilidade (Electronic Stability Control)
Navegação inercial com GNSS (GNSS-Inertial Navigation)
Círculo de atrito (Friction Circle)

Termos relacionados

Projetos relacionados

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Vídeos

Explained: Tire Slip Angle: JoshTheEngineer