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Desenvolvimento de Soft-Sensors utilizando MGGP e aprendizado de máquinas para estimação de forças de veículos com pneu inteligente

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Meio ambiente
Saúde
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ODS 3: Saúde e bem-estar
ODS 10: Redução das desigualdades
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Dados abertos

Resumo

Com o avanço tecnológico, os veículos evoluíram de sistemas puramente mecânicos para plataformas inteligentes dotadas de sensoriamento embarcado. Embora essa instrumentação aumente a inteligência e a segurança veicular, ela também eleva custos, limitando a disseminação de tecnologias avançadas. Nesse contexto, Soft Sensors tornam-se uma alternativa ao inferirem grandezas de interesse a partir de variáveis correlacionadas medidas por sensores de baixo custo, como é o caso dos Pneus Inteligentes. Neste trabalho, desenvolvem-se Soft Sensors baseados em modelos NARX (Nonlinear AutoRegressive with eXogenous inputs)/FIR (Finite Impulse Response) identificados pelo algoritmo evolucionário MGGP (Multigene Genetic Programming) para estimar as forças Fx, Fy e Fz nas rodas de um veículo de passageiro, utilizando exclusivamente dados de aceleração provenientes de pneus inteligentes. O problema foi formulado como MIMO, pois as entradas correspondem às acelerações nos três eixos ao longo do ângulo de rotação do pneu e as saídas são as três forças. As características de entrada foram extraídas na região do contact patch, organizadas por ângulo de rotação com resolução de 2,5 ◦ , avaliando-se três intervalos (±10◦ , ±20◦ e ±35◦ ), diferentes configurações de atrasos e duas estratégias de treinamento, com os modelos específicos por pneu e os modelos treinados com os quatro pneus simultaneamente (generalização). A validação contemplou manobras com diferentes forças predominantes (reta, Slalom, Double Lane Change, curvas constantes, curvas com frenagem e direção aleatória), além de um comparativo com modelos de aprendizado de máquina (LSTM, GRU e MLP) por meio das métricas MAPE e R 2 . Os resultados indicaram que o intervalo ±10◦ tende a produzir modelos menos precisos e com maior variância, enquanto ±20◦ e ±35◦ apresentaram desempenho pareado, sugerindo que ±20◦ já é suficiente para a predição das forças. Observou-se ainda que modelos com apenas um atraso podem reduzir a variância e superar configurações com múltiplos atrasos. No melhor caso, considerando as forças críticas associadas a cada condição de operação, os modelos NARX/FIR identificados via MGGP atingiram MAPE ≤ 12% e R 2 ≥ 0,80 nessas forças predominantes, mantendo desempenho superior ao comparativo com LSTM, GRU e MLP nas condições avaliadas. Quanto à generalização, modelos treinados com dados dos quatro pneus simultaneamente apresentaram desempenho competitivo frente aos específicos, reforçando a relevância prática da abordagem MIMO/generalista. A análise estrutural evidenciou acoplamentos relevantes entre as forças, com recorrência de termos autorregressivos entre Fy e Fz . Por fim, os modelos NARX/FIR via MGGP superaram LSTM, GRU e MLP nas condições avaliadas, mantendo baixa complexidade ao utilizar apenas 63 parâmetros. Assim, os resultados confirmam o potencial de pneus inteligentes e do MGGP para a estimação de grandezas dinâmicas, com implicações para sistemas veiculares mais acessíveis, redundantes e seguros.

Abstract

With technological advancement, vehicles have evolved from purely mechanical systems to intelligent platforms equipped with embedded sensing. Although this instrumentation increases vehicle intelligence and safety, it also raises costs, limiting the dissemination of advanced technologies. In this context, Soft Sensors become an alternative by inferring quantities of interest from correlated variables measured by low-cost sensors, as is the case with Intelligent Tires. In this work, we develop Soft Sensors based on NARX (Nonlinear AutoRegressive with eXogenous inputs)/FIR (Finite Impulse Response) models identified by the evolutionary algorithm MGGP (Multigene Genetic Programming) to estimate the forces Fx, Fy and Fz on the wheels of a passenger vehicle, using exclusively acceleration data from intelligent tires. The problem was formulated as MIMO, since the inputs correspond to the accelerations in the three axes along the tire rotation angle and the outputs are the three forces. The input features were extracted in the contact patch region, organized by rotation angle with a resolution of 2.5 ◦ , evaluating three intervals (±10◦ , ±20◦ and ±35◦ ), different delay configurations and two training strategies, with tire-specific models and models trained with all four tires simultaneously (generalization). The validation included maneuvers with different predominant forces (straight line, Slalom, Double Lane Change, constant cornering, cornering with braking and random steering), in addition to a comparison with machine learning models (LSTM, GRU and MLP) using the MAPE and R 2 metrics. The results indicated that the ±10◦ interval tends to produce less accurate models with higher variance, while ±20◦ and ±35◦ showed paired performance, suggesting that ±20◦ is already sufficient for force prediction. It was also observed that models with only one delay can reduce variance and outperform configurations with multiple delays. In the best case, considering the critical forces associated with each operating condition, the NARX/FIR models identified via MGGP achieved MAPE ≤ 12% and R 2 ≥ 0.80 for these predominant forces, maintaining superior performance compared to LSTM, GRU and MLP under the evaluated conditions. Regarding generalization, models trained with data from all four tires simultaneously showed competitive performance compared to specific ones, reinforcing the practical relevance of the MIMO/generalist approach. Structural analysis revealed relevant couplings between forces, with recurrence of autoregressive terms between Fy and Fz . Finally, the NARX/FIR models via MGGP outperformed LSTM, GRU and MLP under the evaluated conditions, maintaining low complexity by using only 63 parameters. Thus, the results confirm the potential of intelligent tires and MGGP for estimating dynamic quantities, with implications for more accessible, redundant and safe vehicle systems.

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Sistema Inteligentes

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SANTOS, Rafael Ávila dos. Desenvolvimento de Soft-Sensors utilizando MGGP e aprendizado de máquinas para estimação de forças de veículos com pneu inteligente. 2026. 174 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Sistemas e Automação) - Universidade Federal de Lavras, 2025.

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