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Predição da força lateral em pneus inteligentes a partir de técnicas de aprendizagem de máquina

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Pneus inteligentes são pneus que apresentam sensores em sua estrutura capazes de comunicar com os sistemas avançados de assistência ao motorista para fins de estimação de parâmetros e estados dos veículos. Este projeto tem como objetivo obter um modelo para estimar a força lateral em um pneu inteligente por meio de técnicas de Aprendizagem de Máquina, a partir de sinais de aceleração medidos, onde estes sinais de aceleração apresentam níveis elevados de ruídos que impactam o processo de estimação. Para isso, é proposta a reconstrução do sinal a partir do uso da heurística adaptativa EMD (Empirical Mode Decomposition) para cada rotação do pneu, com configurações distintas que consideram a aplicação opcional de um filtro Butterworth passa-baixa a 400Hz. A reconstrução dos sinais foi aplicada nos sinais de aceleração nos eixos x, y e z correspondentes a aproximadamente uma volta completa do pneu (0° e 359,5°), mas também para uma faixa da rotação do pneu (145,5° e 215,0°) correspondente a valores mais próximos da região de contato do pneu com solo. Assim, para avaliar cada configuração proposta foram utilizados os modelos de aprendizagem de máquina Random Forest (RF) e Gaussian Process Regression (GPR) para estimação da força lateral e as métricas NRMS (Normalize Root Mean Square Error) e coeficiente de determinação r² para verificar o desempenho de cada modelo de aprendizagem proposto. Os dois melhores modelos encontrado ao aplicar o RF e GPR, destacando-se os que incorporam a etapa de reconstrução de sinais e uso de informação fora da região de contato pneu-solo, apresentaram NRMSE iguais a 16,33% e 16,57%, respectivamente, e r² de 0,91 e 0,90, respectivamente. Estes resultados ressaltam a capacidade dos modelos de explicar a força lateral a partir dos sinais de aceleração, evidenciando a importância dos dados coletados fora da região de contato pneu-solo. Comparados aos resultados de Barbosa et al. (2022), os modelos demonstraram desempenho robusto, especialmente os que integraram a reconstrução dos sinais por meio da EMD, destacando seu potencial na melhora da predição da força lateral.

Abstract

Intelligent tires are tires that feature sensors within their structure capable of communicating with advanced driver assistance systems for the purpose of estimating parameters and states of vehicles. This project aims to develop a model to estimate the lateral force in a intelligent tire using Machine Learning techniques, based on measured acceleration signals, which exhibit high levels of noise that impact the estimation process. To achieve this, the reconstruction of the signal is proposed through the use of the adaptive heuristic EMD (Empirical Mode Decomposition) for each tire rotation, with distinct configurations that optionally consider the application of a low-pass Butterworth filter at 400Hz. The reconstruction of the signals was applied to the acceleration signals along the x, y, and z axes corresponding to approximately one complete tire rotation (0° to 359.5°), as well as to a specific rotation interval of the tire (145.5° to 215.0°) that aligns more closely with the contact region of the tire with the ground. To evaluate each proposed configuration, Machine Learning models such as Random Forest (RF) and Gaussian Process Regression (GPR) were used to estimate the lateral force, with NRMSE (Normalized Root Mean Square Error) and the coefficient of determination r² metrics to assess the performance of each proposed learning model. The two best models obtained using RF and GPR, particularly those incorporating the signal reconstruction step and information from outside the tire-ground contact region, exhibited NRMSEs of 16.33% and 16.57%, respectively, with r² values of 0.91 and 0.90, respectively. These results highlight the models’ ability to explain the lateral force based on acceleration signals, emphasizing the significance of data collected outside the tire-ground contact region. Compared to the results of Barbosa et al. (2022), the models demonstrated robust performance, especially those integrating signal reconstruction via EMD, underscoring its potential in improving the prediction of lateral force.

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Engenharia de Sistemas e Automação

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SOUZA, Rhuan Carlos Silva de. Predição da força lateral em pneus inteligentes a partir de técnicas de aprendizagem de máquina. 2025. 101 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Sistemas e Automação) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2025.

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