© 2008 Cláudio Crivellaro
Controle Robusto de Suspensão
Semi-ativa para Caminhonetes
Utilizando Amortecedores
Magneto-reol...
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Motivação
Primeiro contato com o MagneRide® da Delphi em 1999.
Meus primeiros estudos de dinâ...
3© 2008 Cláudio Crivellaro
Justificativa
Sistemas passivos para atenuação de vibrações têm uma
ação limitada quando o esp...
4© 2008 Cláudio Crivellaro
Justificativa
Os sistemas semi-ativos podem ser um boa opção
nestes casos.
Destacam-se os atu...
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Sistemas semi-ativos (aplicações)
Eletrodomésticos (lar)
Próteses e equipamentos de
fisiotera...
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Veículos com suspensão SA
Corvette Cadillac STS
Audi TT
Ferrari 599 GTB Fiorano
7© 2008 Cláudio Crivellaro
Caminhonetes: novo nicho
Nível de preço capaz de absorver os custos de um
sistema semi-ativo.
...
8© 2008 Cláudio Crivellaro
Objetivo
Desenvolvimento de um sistema de
suspensão semi-ativo para caminhonetes
visando melho...
9© 2008 Cláudio Crivellaro
Questões
Como projetar um atuador semi-ativo?
Que características de um fluido MR são importa...
10© 2008 Cláudio Crivellaro
Escopo do trabalho
Amortecedor magneto-reológico Sistema de suspensão semi-ativo
X
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PARTE 1
Projeto do amortecedor magneto-reológico
12© 2008 Cláudio Crivellaro
Estudar a teoria que está por trás dos fenômenos físicos responsáveis pelo
funcionamento dos a...
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Revisão da literatura
(Fluidos magneto-reológicos)







y
y
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,)(



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Hy
...
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Revisão da literatura
(Fórmulas práticas e exemplos)
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Revisão da literatura
(Modelos dinâmicos)
Stanway, et al. 1985, 1987
Gamota e Filisko (1991).
...
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Mais questões!
De onde vêm as fórmulas práticas e quais as
considerações e simplificações for...
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Base teórica
(projeto de atuadores magneto-reológico)
 

 2
K
Dt
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A
JA
B
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...
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1º Protótipo – construção e testes
19© 2008 Cláudio Crivellaro
Método de projeto
(1ª contribuição)
Como especificar os requisitos;
Como especificar o fluid...
20© 2008 Cláudio Crivellaro
Modelo Bouc-Wen
21© 2008 Cláudio Crivellaro
Modelo do atuador
(2ª contribuição – Bouc-Wen em tempo discreto)
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2º Protótipo – construção e testes
0 1 2 3 4 5 6 7
-20
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Displacement
x(mm)
0 1 2 3 4 5 6 7...
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Identificação do modelo
(3º contribuição – método para ajuste do modelo)
24© 2008 Cláudio Crivellaro
Conclusões – Parte 1
Todos os objetivos foram alcançados:
 Este trabalho pode ser uma excele...
25© 2008 Cláudio Crivellaro
Trabalho futuros – Parte 1
Desenvolvimento de novos conceitos de válvulas MR,
com novas geome...
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PARTE 2
Projeto do sistema de suspensão semi-ativo
27© 2008 Cláudio Crivellaro
Obter um modelo matemático do atuador, capaz de representar o dispositivo real de forma eficie...
28© 2008 Cláudio Crivellaro
A suspensão exerce funções conflitantes
 Filtragem (menor rigidez)
 Controle de atitude do ...
29© 2008 Cláudio Crivellaro
Revisão da literatura
(Sistemas de controle da suspensão)
Ativo
X
Semi-ativo
30© 2008 Cláudio Crivellaro
Revisão da literatura
(Considerações práticas)
Excitações exógenas Medidas de conforto “Jerk”
...
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Revisão da literatura
(Considerações práticas)
Flexibilidade do chassi
Localização
dos sensore...
32© 2008 Cláudio Crivellaro
Resultado da pesquisa
O projeto de um controle semi-ativo de suspensão
veicular deve transpor...
33© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento teórico
(4ª contribuição – modelo do veículo)
• Veículo completo
• Entradas de...
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Desenvolvimento teórico
(Proposição 1 – Solução RLQ “cheap control”)
Dado um sistema de equaçõ...
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Desenvolvimento teórico
(5ª contribuição – Proposição 2 - LTR)
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Desenvolvimento teórico
(Proposição 3 – Generalização)
Caso a matriz D não seja ortogonal, por...
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Desenvolvimento teórico
(Técnica LQG/LTR adaptada ao controle SA)
38© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento experimental
(Hardware de aquisição de dados e controle)
Placa do Kit
eZdsp F2...
39© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento experimental
(Sensores)
40© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento experimental
(6ª contribuição – experimento de baixo custo)
41© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento experimental
(7ª contribuição – Processo de identificação do modelo)
42© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento experimental
(Atuadores – Projeto, construção, testes e instalação)
43© 2008 Cláudio Crivellaro
Desenvolvimento experimental
(Projeto do controlador robusto semi-ativo)
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Desenvolvimento experimental
(8ª contribuição – Inovações para ganho de desempenho)
 
   ...
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Desenvolvimento experimental
(Simulações)
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Desenvolvimento experimental
(Experimento final)
47© 2008 Cláudio Crivellaro
Conclusões – Parte 2
A partir da revisão da literatura, verificou-se uma série de barreiras
t...
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Trabalho futuros – Parte 2
Estudar a utilização do controle semi-ativo em sistemas
de suspens...
49© 2008 Cláudio Crivellaro
Agradecimentos
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  1. 1. © 2008 Cláudio Crivellaro Controle Robusto de Suspensão Semi-ativa para Caminhonetes Utilizando Amortecedores Magneto-reológicos 28 de novembro de 2008 Orientador: Dr. Décio Crisol Donha Co-orientador: Dr. Edilson Tamai
  2. 2. 2© 2008 Cláudio Crivellaro Motivação Primeiro contato com o MagneRide® da Delphi em 1999. Meus primeiros estudos de dinâmica veicular em 2000. Trabalho apresentado no SAE sobre fluido MR em 2001. Primeiros contatos com trabalhos publicados pela Lord sobre controle de vibração de prédios em terremotos (2002). Participação no comitê de dinâmica veicular da Dana em 2003.
  3. 3. 3© 2008 Cláudio Crivellaro Justificativa Sistemas passivos para atenuação de vibrações têm uma ação limitada quando o espectro de excitação é muito amplo e a interferência de fatores externos é muito variada. Em muitas aplicações a utilização de absorvedores é limitada pela falta de espaço físico eu pela necessidade de se restringir a massa total do sistema. Os controladores ativos podem não ser viáveis quando não há energia suficiente disponível para alimentar os atuadores, e/ou o custo desta energia custo é muito elevado. Os sistemas de suspensão veicular se encaixam nas três situações acima.
  4. 4. 4© 2008 Cláudio Crivellaro Justificativa Os sistemas semi-ativos podem ser um boa opção nestes casos. Destacam-se os atuadores semi-ativos baseados em fluido Magneto-reológicos pelos sua robustez, confiabilidade, estabilidade e baixa tensão elétrica de operação. Os sistemas semi-ativos já estão presentes em muitas áreas e aplicações:
  5. 5. 5© 2008 Cláudio Crivellaro Sistemas semi-ativos (aplicações) Eletrodomésticos (lar) Próteses e equipamentos de fisioterapia (medicina e saúde) Controle de vibrações em prédios e pontes (construção civil) Amortecedores e embreagens (automobilístico)
  6. 6. 6© 2008 Cláudio Crivellaro Veículos com suspensão SA Corvette Cadillac STS Audi TT Ferrari 599 GTB Fiorano
  7. 7. 7© 2008 Cláudio Crivellaro Caminhonetes: novo nicho Nível de preço capaz de absorver os custos de um sistema semi-ativo. Transita por uma grande variedade de vias e diferentes níveis de carregamento. Necessitam atuadores mais robustos, com maior capacidade de força e maior curso de trabalho.
  8. 8. 8© 2008 Cláudio Crivellaro Objetivo Desenvolvimento de um sistema de suspensão semi-ativo para caminhonetes visando melhorar do conforto e mitigar outros comportamentos dinâmicos indesejáveis que são inerentes a esta classe de veículos, propondo soluções de custo compatível com o valor comercial do veículo e capaz de gerar benefícios que influenciem na decisão de compra do consumidor.
  9. 9. 9© 2008 Cláudio Crivellaro Questões Como projetar um atuador semi-ativo? Que características de um fluido MR são importantes para o desenvolvimento de atuadores eficientes? Como criar um modelo do atuador MR? Como identificar os parâmetros do modelo do atuador a partir de dados experimentais? Como modelar o veículo? Que modelo é mais adequado ao projeto de controladores multivariáveis? Que sinais medir para realizar o controle? Qual técnica de controle utilizar? Como identificar o modelo do veículo? Como conviver com os ruídos e “drift” dos sensores? Como avaliar os resultados? Que testes experimentais são mais adequados?
  10. 10. 10© 2008 Cláudio Crivellaro Escopo do trabalho Amortecedor magneto-reológico Sistema de suspensão semi-ativo X
  11. 11. © 2008 Cláudio Crivellaro PARTE 1 Projeto do amortecedor magneto-reológico
  12. 12. 12© 2008 Cláudio Crivellaro Estudar a teoria que está por trás dos fenômenos físicos responsáveis pelo funcionamento dos atuadores MR com a finalidade de se definir uma metodologia prática de projeto destes dispositivos, com pleno conhecimento das simplificações e aproximações adotadas. Obter um modelo matemático do atuador, capaz de representar o dispositivo real de forma eficiente, precisa e numericamente robusta. Este modelo pode ser utilizado em simulações e como referência em algoritmos de controle Desenvolver um procedimento para estimação dos parâmetros do modelo proposto, a partir de dados experimentais. Método de projeto Objetivos (Parte 1) Modelagem do atuador Identificação do modelo
  13. 13. 13© 2008 Cláudio Crivellaro Revisão da literatura (Fluidos magneto-reológicos)        y y , ,)(    G Hy  • tensão de escoamento; • viscosidade aparente; • estabilidade e • durabilidade Características fundamentais:
  14. 14. 14© 2008 Cláudio Crivellaro Revisão da literatura (Fórmulas práticas e exemplos)
  15. 15. 15© 2008 Cláudio Crivellaro Revisão da literatura (Modelos dinâmicos) Stanway, et al. 1985, 1987 Gamota e Filisko (1991). Bouc-Wen Spencer et al. (1996).
  16. 16. 16© 2008 Cláudio Crivellaro Mais questões! De onde vêm as fórmulas práticas e quais as considerações e simplificações foram feitas para chegar a este nível de simplicidade? Quais são os requisitos básicos de projeto para um atuador MR? Como se especifica um fluido MR para um atuador MR? Como obter um modelo discreto de um atuador MR a partir dos modelo em tempo contínuo? Como tratar as não linearidades?
  17. 17. 17© 2008 Cláudio Crivellaro Base teórica (projeto de atuadores magneto-reológico)     2 K Dt D cp t A JA B w r                 )( 11 0     dt iLd iR dt d N SJ Rv w        gVp Dt VD pp     2 D Simplificações Volume ativo mínimo Acoplamento de campos   2 0 1 F     2 0 2F HB F   0 3  Fatores de mérito Q c wg           0 2 12 vg           0
  18. 18. 18© 2008 Cláudio Crivellaro 1º Protótipo – construção e testes
  19. 19. 19© 2008 Cláudio Crivellaro Método de projeto (1ª contribuição) Como especificar os requisitos; Como especificar o fluido; Qual a seqüência de passos a seguir; Qual a hierarquia dos ciclos de realimentação no processo de projeto.
  20. 20. 20© 2008 Cláudio Crivellaro Modelo Bouc-Wen
  21. 21. 21© 2008 Cláudio Crivellaro Modelo do atuador (2ª contribuição – Bouc-Wen em tempo discreto)
  22. 22. 22© 2008 Cláudio Crivellaro 2º Protótipo – construção e testes 0 1 2 3 4 5 6 7 -20 0 20 Displacement x(mm) 0 1 2 3 4 5 6 7 0 5 10 Control signal v(volts) 0 1 2 3 4 5 6 7 -2000 0 2000 Damper force F(N) Time (s) 0 1 2 3 4 5 6 7 -20 0 20 Displacement x(mm) 0 1 2 3 4 5 6 7 0 5 10 Control signal v(volts) 0 1 2 3 4 5 6 7 -2000 0 2000 Damper force F(N) Time (s)
  23. 23. 23© 2008 Cláudio Crivellaro Identificação do modelo (3º contribuição – método para ajuste do modelo)
  24. 24. 24© 2008 Cláudio Crivellaro Conclusões – Parte 1 Todos os objetivos foram alcançados:  Este trabalho pode ser uma excelente referência para o projeto atuadores baseados em fluido MR.  O modelo em tempo discreto de um amortecedor MR também traz uma contribuição importante para a simulação, análise de desempenho destes atuadores, bem como o seu uso em algoritmos de controle, que foi explorado na parte 2 deste trabalho.  O processo de identificação do modelo proposto mostrou-se bastante eficiente e robusto para a aplicação, além de ser uma técnica que pode ser aplicada em outros processos de identificação, o que também foi explorado na parte 2.
  25. 25. 25© 2008 Cláudio Crivellaro Trabalho futuros – Parte 1 Desenvolvimento de novos conceitos de válvulas MR, com novas geometrias e materiais magnéticos; Desenvolvimento de um processo (“software”) de síntese da válvula MR através de otimização topológica considerando o acoplamento dos campos de velocidade do fluido e magnético; Criar alternativas para redução da histerese do atuador; Estudar outras aplicações para o modelo Bouc-Wen em tempo discreto que foi proposto neste trabalho.
  26. 26. © 2008 Cláudio Crivellaro PARTE 2 Projeto do sistema de suspensão semi-ativo
  27. 27. 27© 2008 Cláudio Crivellaro Obter um modelo matemático do atuador, capaz de representar o dispositivo real de forma eficiente, e ser adequado ao projeto de controle multivariável robusto. Adequação do projeto LQG/LTR às necessidades e contingências de um sistema semi- ativo. Modelagem do veículo Objetivos (Parte 2) LQG/LTR adequado à sistemas semi-ativos Tese de que há uma forma do procedimento LTR para sistemas não-estritamente próprios LTR para sistemas não estritamente próprios Adequação da síntese de controle LQG/LTR às necessidades e contingências de um sistema semi-ativo de suspensão. LQG/LTR adequado à sistemas semi-ativos • Desconforto gerados pela ação dos atuadores semi-ativo; • Excitação do modo torcional de vibração do chassi; • Oscilações do eixo traseiro da caminhonete, mesmo com a limitação da banda de resposta em freqüência do atuador. Redução dos comportamentos dinâmicos indesejáveis
  28. 28. 28© 2008 Cláudio Crivellaro A suspensão exerce funções conflitantes  Filtragem (menor rigidez)  Controle de atitude do corpo do veículo (maior rigidez)  Atitude da roda em relação ao solo e ao corpo suspenso (?) Revisão da literatura (Sistemas de suspensão veicular)
  29. 29. 29© 2008 Cláudio Crivellaro Revisão da literatura (Sistemas de controle da suspensão) Ativo X Semi-ativo
  30. 30. 30© 2008 Cláudio Crivellaro Revisão da literatura (Considerações práticas) Excitações exógenas Medidas de conforto “Jerk” Análise em 1 DOF - SkyHook
  31. 31. 31© 2008 Cláudio Crivellaro Revisão da literatura (Considerações práticas) Flexibilidade do chassi Localização dos sensores Tipos de sensores Atrito intrínseco ao sistema de suspensão “Side thrust”
  32. 32. 32© 2008 Cláudio Crivellaro Resultado da pesquisa O projeto de um controle semi-ativo de suspensão veicular deve transpor muitas barreiras técnicas:  O “jerk” gerado pelo próprio comportamento semi-ativo, e pelas características do atuador;  A flexibilidade do chassi de uma caminhonete;  O atrito excessivo nos elementos da suspensão;  Como mitigar o efeito “side thrust” com um atuador de banda limitada; Limitar o escopo no desenvolvimento de um sistema SA completo, propondo soluções para cada barreira técnica, contudo sem ter a ambição de buscar a melhor solução, e ciente das limitações intrínsecas a esta aplicação.
  33. 33. 33© 2008 Cláudio Crivellaro Desenvolvimento teórico (4ª contribuição – modelo do veículo) • Veículo completo • Entradas de velocidade • Controle através de forças aplicadas entre roda e carroceria • Barra estabilizadora • Eixo rígido na traseira • Ação coordenada dos atuadores sobre os movimentos de corpo rígido da carroceria.
  34. 34. 34© 2008 Cláudio Crivellaro Desenvolvimento teórico (Proposição 1 – Solução RLQ “cheap control”) Dado um sistema de equações diferenciadas ordinárias, numa representação em espaço de estados, com vetor de estados x(t) e saída y(t), tal que: e que u(t)=-Gx(t), onde G é a matriz que minimiza o índice de desempenho Considerando-se que (matriz identidade) e definindo-se que é chamada condição de “cheap control” quando Nesta condição afirma-se que BuAxx  DuCxy       dtRuuQyyJ TT IQ  ,IR    0 CDK T c 
  35. 35. 35© 2008 Cláudio Crivellaro Desenvolvimento teórico (5ª contribuição – Proposição 2 - LTR) oii i KAsICsW e sHsGsW 1 )( )( )()( )()()(    W(i)(s) tende a W(ii)(s) a medida que  0   oKAsICDBAsICsH 1110 )()()(      (A,B) é controlável;  (A,C) é observável;  G(s) é quadrada;  Os zeros de transmissão de G(s) se localizam no semi-plano esquerdo (SPE) aberto;  A matriz de D é não nula e ortogonal. Condições:
  36. 36. 36© 2008 Cláudio Crivellaro Desenvolvimento teórico (Proposição 3 – Generalização) Caso a matriz D não seja ortogonal, porém tenha posto completo, pode-se adotar a seguinte normalização: De forma que a matriz de normalização Su deverá fazer parte da função de transferência do compensador: Afirma-se que nesta situação vale a igualdade )(lim)(lim 0 1 0 sHSsH un       ocnoocncn KKDKCKKBAsIKsH  1 )()( un un T u SDD SBB DDS     2/1 )(
  37. 37. 37© 2008 Cláudio Crivellaro Desenvolvimento teórico (Técnica LQG/LTR adaptada ao controle SA)
  38. 38. 38© 2008 Cláudio Crivellaro Desenvolvimento experimental (Hardware de aquisição de dados e controle) Placa do Kit eZdsp F2812 e seus conectores (Spectrum Digital) Diagrama dos recursos e IO do DSP TMS320F2812
  39. 39. 39© 2008 Cláudio Crivellaro Desenvolvimento experimental (Sensores)
  40. 40. 40© 2008 Cláudio Crivellaro Desenvolvimento experimental (6ª contribuição – experimento de baixo custo)
  41. 41. 41© 2008 Cláudio Crivellaro Desenvolvimento experimental (7ª contribuição – Processo de identificação do modelo)
  42. 42. 42© 2008 Cláudio Crivellaro Desenvolvimento experimental (Atuadores – Projeto, construção, testes e instalação)
  43. 43. 43© 2008 Cláudio Crivellaro Desenvolvimento experimental (Projeto do controlador robusto semi-ativo) 10 -1 10 0 10 1 10 2 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 Freqüência(Hz) Variaçãoemrelaçãoaosistemapassivo(%) Deformações dos pneus - Comparação de três versões da matriz L SBTTL  1o1p   1 ppp2   TT p CCCL   1 ppp3   TT p CNCCNL
  44. 44. 44© 2008 Cláudio Crivellaro Desenvolvimento experimental (8ª contribuição – Inovações para ganho de desempenho)                  0se0 0se 12 12 iik iikik iSA zu zuu f                    0se0 0se iSAik iSAikik iSA fu fuu f   0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -10 -5 0 5 10 Tensão de entrada: normal(vermelho) e gerada pelo compensador (azul) Tensãoelétrica(V) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -1 -0.5 0 0.5 1 Velocidade do pistão do atuador Velocidade(m/s) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -1000 -500 0 500 1000 Resposta do atuador: normal (magenta) e compensada (preto) Força(N) Tempo (s) Redução do tempo de resposta do atuador SANova proposta para o grampeador
  45. 45. 45© 2008 Cláudio Crivellaro Desenvolvimento experimental (Simulações)
  46. 46. 46© 2008 Cláudio Crivellaro Desenvolvimento experimental (Experimento final)
  47. 47. 47© 2008 Cláudio Crivellaro Conclusões – Parte 2 A partir da revisão da literatura, verificou-se uma série de barreiras técnicas e limitações para o sucesso de um sistema de suspensão semi-ativa em caminhonetes. Assim, o escopo do trabalho ficou restrito a aplicação de um controlador robusto, sem a ambição de que seja a melhor situação de controle, porém que propusesse soluções para transpor as principais barreiras técnicas. Através dos resultados das simulações e dos experimentos foi verificado resultados positivos com relação à redução da torção no chassi, do jerk e do efeito side thrust. As duas proposições teóricas: o modelo com 7 DOF e o procedimento LTR para sistemas não estritamente próprios foram validados na prática.
  48. 48. 48© 2008 Cláudio Crivellaro Trabalho futuros – Parte 2 Estudar a utilização do controle semi-ativo em sistemas de suspensão hidro-pneumáticos; Estudar o desempenho do sistema proposto em relação a variação da carga da caminhonete; Aumentar os graus de liberdade do modelo. Considerar o “yaw”, e modelos mais sofisticado para os pneus, e o efeito do torque do motor no “side thrust”; Controle de atitude “understeer” ou “oversteer” a partir das forças geradas pelos atuadores semi-ativos; Incorporação de sensores de velocidade nos atuadores; Estudar a síntese Hinf para sistema lineares com dependência paramétrica (LPV) com o objetivo de considerar a característica semi-ativa do atuador (Poussot-Vassal et al. – 2006).
  49. 49. 49© 2008 Cláudio Crivellaro Agradecimentos
  50. 50. © 2008 Cláudio Crivellaro Obrigado!

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