Simulazioni di guida automatizzata con un gemello digitale 3D

Circa 200 studenti del secondo anno si sono riuniti in un'aula luminosa della Waseda University. Gli studenti hanno preparato i loro laptop per la serie di lezioni "Project-Based Learning Advanced", un corso obbligatorio del Dipartimento di Ingegneria Meccanica che insegna competenze specialistiche di problem solving attraverso progetti assegnati, con l’obiettivo di potenziare le loro capacità.

La sezione ambiente e mobilità del professor Jin Kusaka ha presentato un modello di driver creato utilizzando Simulink^® e RoadRunner per un veicolo elettrico ibrido in serie (SHEV), un veicolo elettrico con un motore a combustione interna e un motore elettrico alimentato a batteria, che compie un giro nei pressi dell'università. Gli studenti hanno imparato a utilizzare il modello integrato e a eseguire simulazioni per ottenere una valutazione del risparmio di carburante. Hanno poi discusso con i compagni di classe su come migliorare l'efficienza del carburante.

"La maggior parte degli studenti non riesce a immaginare cosa significhi guidare un’auto quando i numeri generati da una simulazione del veicolo vengono semplicemente rappresentati in un grafico," afferma Kusaka. “Abbiamo cercato di stimolare la loro immaginazione.”

Kusaka, un noto professore di ingegneria meccanica che dirige la Research Organization for Next Generation Vehicles alla Waseda University, è influente nell'industria automotive giapponese. I suoi ruoli nella Society of Automotive Engineers of Japan includono quello di direttore della tecnologia e vicepresidente. Durante i suoi studi universitari alla Waseda University, ha condotto ricerche sui motori a metanolo con Koji Sato, presidente della Toyota Motor Corporation.

Durante le lezioni, Kusaka ha sfidato gli studenti a pensare come se fossero ingegneri automotive, concentrandosi sull'ottimizzazione del risparmio di carburante e dei costi dell'elettricità. L'obiettivo è preparare gli studenti a carriere nel settore automotive, con il quale la Waseda University mantiene forti legami. Nelle vicinanze si trovano le sedi centrali di diverse importanti case automobilistiche giapponesi e tra i suoi ex dipendenti figurano dirigenti di aziende globali come Toyota, Nissan e Isuzu.

Conduciamo progetti di ricerca con aziende automobilistiche, aziende correlate al settore automotive, industrie pesanti, agenzie governative e l'Automotive Internal Combustion Engine Technology Research Association (AICE),” afferma Kusaka. Il suo laboratorio ha un progetto congiunto di innovazione verde che sta sviluppando un catalizzatore per veicoli ibridi che utilizzano e-fuel con AICE. Questa organizzazione nazionale promuove la collaborazione tra il mondo accademico, il governo e l'industria. Fornisce inoltre consulenza ai comitati governativi locali e nazionali in materia di emissioni e risparmio di carburante.

“A livello globale, le normative sulle emissioni e sul risparmio di carburante stanno diventando sempre più severe dal punto di vista della tutela ambientale,” afferma Kusaka. “Le aziende automotive devono creare veicoli che rispettino queste normative.”

“Gli studenti hanno raggiunto molteplici obiettivi in classe,” ha riflettuto Kusaka. “Le loro idee sono state rese possibili dal fatto che potevano visualizzare il veicolo in movimento tramite le animazioni RoadRunner.”

Rigorosi test nel mondo reale

“Durante i 90-120 minuti di guida effettiva su strada, il veicolo deve essere guidato su una determinata percentuale di strade urbane, strade rurali e autostrade. Ci sono altri vincoli, come i limiti massimi di temperatura, altitudine e velocità massima,” ha spiegato Kusaka. “Non è raro che vengano eseguiti nuovi test costosi.”

Le simulazioni che utilizzano Simulink e RoadRunner possono prevedere le prestazioni in anticipo, evitando la necessità di acquistare costose apparecchiature di misurazione specializzate e di condurre test su veicoli reali, ha continuato Kusaka. Inoltre, è impossibile trovare luoghi con le stesse strade, temperature e altitudini che vengono prese in considerazione nei test RDE.

“La simulazione RDE con la progettazione Model-Based è facilmente realizzabile,” afferma, e la sua classe stava per dimostrarlo.

Gemello digitale 3D

Gli studenti hanno scaricato il modello di driver combinato dal cloud dell'università. Tornati in classe, Harada, gli assistenti e il team MathWorks hanno risposto alle domande sul gemello digitale 3D. Poi è stato il turno degli studenti: Il loro compito era creare un video dell’intera simulazione di guida utilizzando l’inquadratura dall’alto, basandosi sulle ultime tre cifre del proprio ID studentesco. Ad esempio, 123 significava che la telecamera si sarebbe trovata a 12 metri di distanza, a un'altezza di 3 metri.

In precedenza, gli studenti di Kusaka si basavano su grafici calcolati sullo stato di carica e alcuni avevano difficoltà a collegare i calcoli con la guida effettiva del veicolo, racconta. Questa volta potevano visualizzare i risultati.

Migliore efficienza

Kusaka ha notato che le capacità di analisi e interpretazione dei dati degli studenti sono migliorate con Simulink e RoadRunner rispetto agli anni precedenti. Hanno identificato la variazione della resistenza al rotolamento, la modifica della resistenza aerodinamica e l’aumento dell’efficienza termica del motore come fattori che influenzano l’efficienza di conversione dell’energia termica. Alcuni hanno anche suggerito idee avanzate per il controllo del motore.

“Utilizzando la progettazione Model-Based e Simulink, gli studenti hanno esplorato l’impatto sull’efficienza del carburante se l’efficienza termica fosse aumentata al 50% o se venisse implementato un sistema ibrido plug-in," afferma Harada.

Il gruppo ha scoperto che aumentando l’efficienza termica dell'area di funzionamento del motore a circa il 50% si potrebbe ridurre il consumo di carburante a 21,52 megajoule, con una riduzione del 37% rispetto al valore di base. Gli studenti hanno acquisito conoscenze in ambito automotive che hanno potuto applicare nel mondo reale.

"Gli ingegneri laureati che sanno come utilizzare la progettazione Model-Based per la ricerca e sviluppo automotive saranno pronti a iniziare a lavorare subito," afferma Kusaka. Dopo la laurea, Harada entrerà a far parte della Toyota Motor Corporation, dove non vede l'ora di utilizzare la progettazione Model-Based e i test delle attrezzature per sviluppare auto, attingendo direttamente dalle sue esperienze in laboratorio.

Di recente, il Kusaka Lab ha avviato una ricerca volta a migliorare l'efficienza termica e le emissioni di gas di scarico dei veicoli elettrici ibridi plug-in con riscaldamento anticipato del motore durante gli avviamenti a freddo. I test RDE supportano un intervallo di temperatura più ampio rispetto ai test WLTP, quindi l'avvio in inverno potrebbe avere effetti a catena. Il team prevede inoltre di ampliare il modello di guida per la serie di lezioni, in modo da incorporare l'impatto dell'accelerazione e della decelerazione sull'efficienza del carburante. I fattori presi in considerazione per l'accelerazione e la decelerazione includono pedoni, altri veicoli e curve.

I ricercatori prevedono che i loro partner industriali trarranno grandi vantaggi da Simulink e RoadRunner. "Se tutto ciò che riguarda l'auto è rappresentato in un modello comune gestito dal produttore automobilistico e dal fornitore, diventa più facile prevedere le prestazioni quando una parte cambia," ha detto Kusaka. "Crediamo che la progettazione Model-Based e la sua simulazione dello sviluppo dei veicoli e dei test RDE contribuiranno in modo significativo a ridurre i costi per le aziende automotive."