Implementation in Embedded Systems of State Observers Based on Multibody Dynamics

Abstract

[Abstract] Simulation has become an important tool in the industry that minimizes either the cost and time of new products development and testing. In the automotive industry, the use of simulation is being extended to virtual sensing. Through an accurate model of the vehicle combined with a state estimator, variables that are difficult or costly to measure can be estimated. The virtual sensing approach is limited by the low computational power of invehicle hardware due to the strictest timing, reliability and safety requirements imposed by automotive standards. With the new generation hardware, the computational power of embedded platforms has increased. They are based on heterogeneous processors, where the main processor is combined with a co-processor, such as Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). This thesis explores the implementation of a state estimator based on a multibody model of a vehicle in new generation embedded hardware. Different implementation strategies are tested in order to explore the advantages that an FPGA can provide. A new state-parameter-input observer is developed, providing accurate estimations. The proposed observer is combined with an efficient multibody model of a vehicle, achieving real-time execution.

[Resumen] La simulación se ha convertido en una importante herramienta para la industria que permite minimizar tanto costes como tiempo de desarrollo y test de nuevos productos. En automoción, el uso de la simulación se extiende al desarrollo de sensores virtuales. Mediante un modelo preciso de un vehículo combinado con un observador de estados, variables que son caras o imposibles de medir pueden ser estimadas. La principal limitación para utilizar sensores virtuales en los vehículos es la baja potencia computacional de los procesadores instalados a bordo, debido a los estrictos requisitos impuestos por los standards de automoción. Con el hardware de nueva generación, el poder de cálculo de las plataformas empotradas se ha visto incrementado. Estos nuevos procesadores son del tipo heterogéneo, donde el procesador principal se complementa con un co-procesador, como una Field Programmable Gate Array (FPGA). Esta tesis explora la implementación de un observador de estados basado en un modelo multicuerpo de un vehículo en hardware empotrado de nueva generación. Se han probado diferentes implementaciones para evaluar las ventajas de disponer de una FPGA en el procesador. Se ha desarrollado un nuevo observador de estados, parámetros y entradas que permite obtener estimaciones de gran precisión. Combinando dicho observador con un eficiente modelo multicuerpo de un vehículo, se consigue rendimiento en tiempo real.

[Resumo] A simulación estase a converter nunha importante ferramenta na industria que permite minimizar custes e tempo tanto de desenvolvemento coma de test de novos productos. En automoción, o uso da simulación esténdese á implementación de sensores virtuais. Mediante un modelo preciso dun vehículo combinado cun observador de estados, pódense estimar variables que son caras ou imposíbeis de medir. A principal limitación para utilizar sensores virtuais nos vehículos é a baixa potencia computacional dos procesadores instalados a bordo, debido aos estritos requisitos impostos polos estándares de automoción. Co hardware de nova xeración, o poder de cálculo das plataformas empotradas vese incrementado. Estos novos procesadores son de tipo heteroxéneo, onde o procesador principal compleméntase cun co-procesador, coma unha Field Programmable Gate Array (FPGA). Esta tese explora a implementación dun observador de estados basado nun modelo multicorpo dun vehículo en hardware empotrado de nova xeración. Diferentes implementacións foron probadas para avaliar as vantaxes de dispoñer dunha FPGA no procesador. Un novo observador de estados, parámetros e entradas deseñado nesta tese permite obter estimacións de gran precisión. Combinando dito observador cun eficiente modelo multicorpo dun vehículo, conséguese rendemento de tempo real.