[論文レビュー] Modeling Ice Friction for Vehicle Dynamics of a Bobsled with Application in Driver Evaluation and Driving Simulation

Julian von Schleinitz, Lukas Wörle+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2021

Winter Sports Injuries and Performance参考文献 34被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、実験的測定と有限要素シミュレーションを組み合わせることで、ボブスレッドの走行挙動における縦方向および横方向の摩擦を捉えるデータ駆動型の氷上摩擦モデルを提示する。このモデルにより、運転手の運転スタイル（特にステアリングとスリップ角）がエネルギー損失に与える影響を定量化でき、トップドライバーは異なる技術を用いても同程度の性能を達成していることが明らかになったが、前軸と後軸における摩擦損失は異なる。

ABSTRACT

We provide an ice friction model for vehicle dynamics of a two-man bobsled which can be used for driver evaluation and in a driver-in-the-loop simulator. Longitudinal friction is modeled by combining experimental results with finite element simulations to yield a correlation between contact pressure and friction. To model lateral friction, we collect data from 44 bobsleigh runs using special sensors. Non-linear regression is used to fit a bob-specific one-track vehicle dynamics model to the data. It is applied in driving simulation and enables a novel method for bob driver evaluation. Bob drivers with various levels of experience are investigated. It shows that a similar performance of the top drivers results from different driving styles.

研究の動機と目的

• 実レース条件下での縦方向および横方向の氷上摩擦を捉える、物理的根拠を有するデータ駆動型のボブスレッド摩擦モデルを開発すること。
• 実際のボブスレッド走行データを用いて、ドライバーをフィードバックループに組み込んだ正確なシミュレーションを可能にする。
• 測定されたステアリング角およびスリップ角に基づくエネルギー損失指標を用いて、ボブスレッドドライバーを評価する新規な手法を提供すること。
• 異なる運転スタイルが、前軸および後軸における異なる摩擦損失を示しながらも、なぜ同じ性能結果に至るのかを解明すること。
• 異なるコース（コニグゼー、ラ・プラーニュ、アウルテンベルク）におけるエネルギー損失分布を比較することで、ボブスレッドのセットアップ最適化を支援すること。

提案手法

• 縦方向摩擦は、接触圧力と摩擦係数の関係を実験データと有限要素シミュレーションを組み合わせてモデル化する。
• 横方向摩擦は、特殊センサーを用いた44件の実走行データから導出され、非線形回帰を用いてボブ固有の1車両モデルに適合させる。
• 妥当性が確認された摩擦モデルは、ドイツ国際チームがオリンピック準備に使用するBMWボブスレッドシミュレータに実装されている。
• スリップ角と垂直力の統合により、重心位置における運動抵抗力を計算し、エネルギー損失の定量化を可能にする。
• 実際のエネルギー損失と理論的最適値との比較により、相対的損失増加を指標として用いてドライバーのパフォーマンスを評価する。
• ステアリング角、スリップ角、およびそれらが前軸および後軸の摩擦損失に与える影響を分析することで、運転スタイルの差を明確にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるボブスレッド運転スタイルが、前軸および後軸における異なる摩擦損失を示しながらも、なぜ同じ性能結果に至るのか？
• RQ2 実世界の走行データを用いたシミュレータで、データ駆動型摩擦モデルが実ボブスレッド走行挙動をどれほど正確に再現できるか？
• RQ3 異なるボブスレッドコース（コニグゼー、ラ・プラーニュ、アウルテンベルク）におけるエネルギー損失はどのように変動し、スレッドセットアップにどのような影響を及えるか？
• RQ4 動的でレース状態の下でも横方向摩擦を信頼性高くモデル化できるか？また、縦方向摩擦と比較してどう異なるか？
• RQ5 ドライバー固有のステアリング行動（ステアリング角の大きさと周波数）は、全体のエネルギー効率にどのような役割を果たすか？

主な発見

• トップドライバー（A1, A2, A3）は、異なる運転スタイルを採用しているが、全体のエネルギー損失レベルは類似しており、A2は前軸でのステアリング角は大きいが、後軸の損失は低い。
• ドライバーC1は最大のエネルギー損失を示し、ステアリング行動も最小限で、不確実性と経験不足が原因で、性能が低いと一致する。
• スリップ角が同じ場合、前軸の摩擦力が後軸よりも高いため、前軸がエネルギー損失の主因となっていることが、ランナーモデルによって確認された。
• 3つのコースの中でコニグゼーは全体のエネルギー損失が最小であり、アウルテンベルクおよびラ・プラーニュでは、特に前軸および後軸における損失分布に顕著な差が見られた。
• 横方向摩擦モデルは、シミュレーションにおいて実際の走行行動を良好に再現しており、コニグゼーおよびラ・プラーニュコースの両方で横方向力の平均二乗誤差（RMSE）が100 N未満であった。
• このモデルにより、外部環境要因に依存しない長期的かつ間接的なドライバーのパフォーマンス分析が可能となり、複数シーズンにわたるパフォーマンス追跡を支援する。