Kuvaaja
Markus Sommers
Kirjoittaja
Petja Partanen

Älyrengas aistii liukkauden ennalta

Arto Niskanen valjasti renkaan sisäpuoliset kiihtyvyysanturit tarkkailemaan, miten lähellä pitokyvyn rajaa liikutaan. Tämä on elintärkeä tieto tulevaisuuden itsestään ajaville autoille.

Nykyautojen aktiiviset turvajärjestelmät vahtivat useiden anturien voimin, onko ajoneuvo kuljettajan näpeissä. Renkaan ja tien välinen, vain kämmenen kokoinen kontaktipinta on kuitenkin tähän saakka ollut anturitiedon tavoittamattomissa. Aalto-yliopiston tutkija Arto Niskanen päätti selvittää, voisivatko renkaan sisäpintaan liimatut kiihtyvyysanturit tuottaa tietoa siitä, miten lähellä pitokyvyn rajaa ajoneuvo liikkuu.
 
– Rengaskontaktin takaosa on erittäin mielenkiintoinen alue, Niskanen aloittaa luentonsa siitä, mitä renkaan ja tienpinnan kohtauspisteessä todella tapahtuu.

Hän esittelee kiihtyvyysanturidataa ja näyttää, millaisia leikkausjännityksiä tien ja renkaan välillä on. Vaikka rengas pyörii vapaasti, renkaan kosketuspinnan etuosa vetää, takareuna taas jarruttaa – ja saattaa luistaa paikallisesti kuivallakin asfaltilla.

– Vaikka koko rengas ei luista, tapahtuu rengaskontaktissa paikallisesti luistoa. Se taas aiheuttaa värähtelyjä, joiden perässä väitöskirjassani oltiin.

Niskanen halusi ottaa selvää, voisiko tämän korkeataajuisen värähtelyn havaita, ja hyödyntää tietoa auton turvajärjestelmissä jo paljon ennen kuin auton hallinta on menetetty.

Farmari-Golfin eturengas datalähteenä

Niskasen tutkimustyökalu oli yliopiston harmaa Volkswagen Golf, jonka erottaa vakioautosta oikea eturengas. Kolme eturenkaan sisäpinnalle liimattua kiihtyvyysanturia tuottavat valtavan datavirran. 100 kilometrin tuntinopeudella 25,6 kilohertsin näytteenottotaajuus mittaa kiihtyvyystiedot renkaan sisäpinnalta noin millimetrin välein, kolmen eri akselin suhteen. Johdot antureilta kulkevat vanteen läpi poratusta reiästä, ja etuakselilta data siirtyy liukurenkaan välityksellä tiedonkeruulaitteille auton sisätiloihin.

Kolme eturenkaan sisäpinnalle liimattua kiihtyvyysanturia tuottavat valtavan datavirran.

Hyvään alkuun tutkimuksessa auttoi Aalto-yliopistoon vuosien varrella rakentunut älykkäiden renkaiden tutkimusympäristö. Ryhmän vetäjä Ari Tuononen on maailman johtavia renkaiden jääkitkan tutkijoita.

– Meidän tutkimusryhmässämme on hyvä yhdistelmä teoreettista ymmärrystä asfaltti- ja jääkitkasta sekä osaamista älyrenkaista ja antureista, Niskanen kertoo.

Niskanen perehtyi tutkimusaiheeseen jo diplomityössään, joka käsitteli vesiliirron mittaamista kiihtyvyysanturien avulla.

– Diplomityötä tehdessäni ymmärsin, mitä tekniikalla voisi tehdä ja mitä hyötyä siitä voisi olla.

Vesiliirtoa käsittelivät myös väitöskirjan kaksi ensimmäistä paperia. Niissä hän onnistui päättelemään kiihtyvyyssignaalista, onko renkaan alla vettä, ja miten suuri osa vesiliirtoon nousevan renkaan kontaktista tienpintaan on tallella.

Kiihtyvyysanturit liimattiin renkaan sisäpintaan. Kuva: Arto Niskanen
Mittausdata tuotiin auton sisään ulkokautta. Kuva: Arto Niskanen

Renkaasta anturi

Älyrengastutkimuksen tärkeä tavoite on käyttää itse rengasta anturina. Esimerkiksi tieto kitkaa heikentävästä vesipatjasta olisi arvokasta nykyautojen aktiivisille turvajärjestelmille. Nykyiset turvajärjestelmät havaitsevat tilanteen vasta kun renkaan pitokyky on jo menetetty.

– Rengasalan suuri tutkimuskysymys on renkaan kitkapotentiaalin reaaliaikainen mittaus.

Tähän kysymykseen Niskanen onnistui vastaamaan väitöstyönsä parhaassa paperissa. Siinä hän esitteli laskentamenetelmän, joka havaitsi tiekontaktissa tapahtuvan paikallisen liukumisen aiheuttaman värähtelyn kiihtyvyysanturien datavirrasta.

– Tämä mahdollistaa kitkapotentiaalin arvioimisen vapaasti pyörivästä renkaasta. Näin pitokyvyn menetykseen voidaan varautua jo etukäteen.

Rengasalan suuri tutkimuskysymys on renkaan kitkapotentiaalin reaaliaikainen mittaus.

Niskasen kehittämällä kitkapotentiaalin laskentamenetelmällä voisi esimerkiksi nykyautojen adaptiivisista vakionopeussäätimistä tehdä huomattavasti nykyistä älykkäämpiä.

– Jos keli on liukas, ne voisivat pidentää turvaväliä edellä ajavaan automaattisesti.

Vielä tärkeämpää tieto kitkapotentiaalista on tulevaisuuden autonomisille autoille, joiden pitää pystyä päättelemään turvallinen tilannenopeus ja välimatka edellä ajaviin.

Ensimmäiset kuluttajatuotteet markkinoilla

Niskasen väitöstyö esitteli menetelmän, jolla vapaasti pyörivän renkaan kitkapotentiaali voidaan laskea reaaliajassa.

Älyrengas ei ole aivan uusi keksintö, sillä erilaisten rengasanturien tutkimus on alkanut jo Niskasen syntymän aikoihin, 1980-luvun loppupuolella. Niskanen kertoo, että uutta mittaustekniikkaa on aluksi hyödynnetty renkaiden kehitystyössä, mutta ensimmäiset kuluttajille suunnatut älyrenkaat ovat jo markkinoilla.

Esimerkiksi Pirelli esitteli vastikään luksusautojen renkaisiin sisäänrakennetun Connesso-järjestelmän, joka välittää tietoa renkaiden kuormituksesta, rengaspaineista ja kulumisesta kännykkäsovellukseen. EU-lainsäädäntökin edellyttää jo etäluettavia paineantureita uusien autojen renkaisiin.

– Uskon, että tulevaisuudessa rengas on osa ajoneuvon anturointia. Aluksi se välittää tietoa ehkä vain renkaan kunnosta, mutta tulevaisuudessa se voi olla tärkeä osa ajoneuvon turvajärjestelmiä.

Niskasen väitöstyö osoitti, että kitkapotentiaalin mittaus onnistuu jo auton alta todellisilla tienpinnoilla. Siihen, että älyrenkaiden sisään paistetut kiihtyvyysanturit keskustelevat saumattomasti auton turvajärjestelmien kanssa, on kuitenkin vielä matkaa.

– Renkaan paikalliset värähtelyt ja kitkapotentiaalin mittaus kiinnostavat rengasvalmistajia, mutta ne ovat niin hienostuneita mittauskohteita, etteivät ne ole ihan ensimmäisiä sovelluksia.

Teknisesti suuri haaste on langaton tiedonsiirto antureilta auton järjestelmiin. Tuotantoautoissa reikä vanteessa -ratkaisu ei tule kysymykseen. Niskanen arvioi, että teknisesti kiihtyvyysanturidatan etäluenta on mahdollista, mutta ei aivan helppoa.

– Se suuri kysymys on, että anturin lisääminen renkaan sisään pitää olla kustannuksiltaan järkevää.

Arto Niskasen tie tohtoriksi

  • 1988. Arto Niskanen syntyy Iisalmessa.
  • 2008. TKK:lle opiskelemaan. “Pääaine oli koneensuunnittelu, ajoneuvotekniikan kurssit on käyty.”
  • 2012. Niskanen pääsee kesätöihin Ari Tuonosen rengaskitkaa tutkivaan ryhmään.
  • 2013. Niskanen valmistuu DI:ksi ja aloittaa väitöstutkimuksensa. “Jatko-opinnot olivat luontevaa jatkoa diplomityön vesiliirtotutkimukselle.”
  • 2017. Väitöstyö Sensing the tyre-road contact by intelligent tyre hyväksytään Aalto-yliopiston konetekniikan laitoksella.

Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina?

Haluan yhdistää tiedettä ja käytäntöä. Tieteellinen tieto varmistaa toimivan käytännön.

Suosikkileikkikalu?

Kilpa-autot.

Lempiharrastus?

Autourheilu.

Työpaikka vaihtui, pomo säilyi

– Muun muassa italialaiset ja japanilaiset rengasvalmistajat ovat hyödyntäneet kiihtyvyysantureita rengastutkimuksessaan, Arto Niskanen kertoo.

Arto Niskasen työpaikka vaihtui väitöskirjan valmistuttua Aalto-yliopistosta kolmen hengen startup-yritykseen. Moni muu asia ei sitten muuttunutkaan. Työpaikka on edelleen Otaniemessä, ja pomokin on entinen.

RoadCloud oy on Aallon älyrengastutkimusta vetävän akatemiatutkija Ari Tuonosen vuonna 2014 perustama yritys, joka kerää reaaliaikaista tie- ja kelitietoa ja myy sitä eteenpäin. Tuore tekniikan tohtori Niskanen tuli kaupallistamaan palvelua kesällä 2017.

RoadCloudin kelitiedon keruu perustuu ajoneuvoihin kiinnitettyihin optisiin antureihin. Paljon liikkuvista hyötyajoneuvoista, esimerkiksi takseista ja kuorma-autoista, anturitieto lähetetään automaattisesti verkon yli yrityksen pilvipalveluun.

– Teknologia on verifioitu, ja nyt meillä on käynnissä pilottiprojekti Liikenneviraston kanssa, Niskanen kertoo.

Seuraavaksi haetaan kasvua: informaatiosta paketoidaan myyntituote ja etsitään sille maksavia asiakkaita.

Ovatko akateemiset pyrinnöt nyt lopullisesti ohi?

Niskanen aikoo tulevaisuudessakin pitää tuntosarvet koholla tiedemaailman suuntaan.

– Yliopistoissa tehdään tärkeää pohjatyötä tulevaisuuden teknologian eteen.

Niskanen arvelee, ettei tekniikan tohtorin tutkinto mene hukkaan lempiharrastuksenkaan parissa. Kotiseudulla Iisalmessa on valmistumassa kisakuntoon F-ryhmän ralliauto, E-korimallin Opel Kadett. Projektia on hidastanut 500 kilometrin välimatka.

– Onneksi rallia voi harrastaa myös ilman että auto liikkuu, suunnitella ja valmistaa osakokonaisuuksia.

Kisaviettiä Niskanen purkaa jokamiehenluokan kisoissa. Sielläkin hän on kuulemma Opel-miehiä, vaikka etuvetoisilla ei kaikilla radoilla pärjääkään.

Asiasana