Techniek – IMU
Bij introducties van nieuwe motoren wordt de term ‘IMU’, wat staat voor Inertial Measurement Unit, tegenwoordig vaak gebezigd. Het is misschien wel het belangrijkste elektronische hulpmiddel van de laatste generatie motoren. Als je huidige motor er al niet eentje heeft, is de kans groot dat je volgende motor er wel eentje aan boord zal hebben. Maar wat doet dat kleinood eigenlijk?
Laten we eerlijk zijn: met een dikke 200+ pk motorfiets op stap gaan, kan net zo gevaarlijk zijn als een klein kind met keukenmessen laten spelen. Dit soort motoren gaat sneller dan wij kunnen denken, waardoor iedere elektronische hulp welkom is. En dat geldt overigens niet alleen voor sportmotoren, want vroeg of laat zal iedereen wel eens in een situatie komen waarin je aan de grens van de grip (of je kunnen) komt.
Naast veiligheid heeft een IMU ook nog andere functionaliteiten, bijvoorbeeld het verbeteren van comfort, mits je motor actieve vering heeft. De IMU is in feite een sensor die op zichzelf niets doet. Zijn taak is het geven van informatie aan andere systemen, zoals ABS, tractiecontrole en elektronische vering, zodat deze hun werk beter kunnen doen. Als motorrijders we weten allemaal dat je rechtuit rijdend harder kunt accelereren dan wanneer je plat in de bocht ligt. Op één oor liggend, zullen we voorzichter het gas opendraaien. De eenvoudigste uitleg van wat een IMU doet, is dat de IMU elektronisch de stand van de motor bepaalt. Precies datgene wat wijzelf instinctief ook doen.
De IMU is een ‘zwarte doos’ ter grootte van een pakje sigaretten. De IMU meet de stand en de beweging van de motor in alle zes de vrijheidsgraden. Dit doet de IMU met drie acceleratiemeters en drie gyroscopen. De drie acceleratiemeters meten de G-krachten. Dat wil zeggen of de motor in zijn lengterichting versneld of vertraagd (optrekken/ remmen). Hoeveel de motor naar boven/beneden versnelt. En of dat deze in links-rechts richting G-krachten ondergaat, wat betekent dat de motor door een bocht gaat. Tegelijk met de drie acceleratiemeters meten drie gyroscopen de verandering van de positie van de motor om de drie assen van de motor (lengteas, dwarsas, etc): te weten de ‘pitch, roll en yaw’.
Dit is belangrijk omdat een band van een motor een bepaalde maximale kracht kan overbrengen op het wegdek voordat deze wegglijdt. Deze kracht is afhankelijk van de kracht die verticaal op de band staat en de wrijvingscoëfficiënt tussen de band en het asfalt. In gewoon Nederlands: de grip van de band is afhankelijk van het gewicht wat op het wiel drukt en hoe stroef het asfalt is. Deze maximale grip is te gebruiken om te accelereren, remmen, óf om door de bocht te gaan. Het belangrijke in deze is het woordje ‘of’. Doe het alle twee tegelijk op het maximale niveau, en dan ga je over de grens van de grip heen. En is er de kans dat je de zwaartekracht sneller ontdekt dan Isaac Newton deed toen hij een appel op zijn hoofd kreeg.
Stel dat je een noodstop maakt: dan ben je in een rechte lijn op een vlak wegdek hard aan het remmen. De IMU meet dan dat je hard vertraagt in de lengterichting van de motor. Aangezien er geen versnelling links-rechts is, meet de IMU dat de motor geen hellingshoek heeft en dus rechtdoor gaat. En aangezien het wegdek vlak is, meet de IMU eveneens dat er geen omhoog-omlaag beweging is. De motor zal aan de voorkant inveren en achteraan uitveren, wat de IMU als een ‘pitch’ naar voren meet.
Omdat je rechtdoor gaat, meet de IMU geen ‘roll’ of ‘yaw’.
Door deze zes metingen te combineren, weet de IMU dat je maximaal in een rechte lijn aan het remmen bent, en al het gewicht van de motor op het voorwiel aan het komen is. Deze informatie geeft de IMU door aan het ABS-systeem. Het ABS zal vervolgens maximale remkracht toestaan, omdat het ‘weet’ dat het voorwiel veel grip heeft en het alle aanwezige grip voor de remsituatie kan gebruiken.
In een andere rijsituatie, bijvoorbeeld midden in een bocht, zal de IMU zijdelingse G-krachten meten. Door die zijdelingse G-krachten is er minder grip over om te remmen.
Denk nu weer even aan het eerder aangehaalde woordje ‘of’. Dit signaal laat het ABS veel voorzichtiger ingrijpen en vormt de basis onder ‘cornering ABS’, ofwel ‘hellingshoek afhankelijk’ ABS. De uitrol van ‘cornering ABS’ gaat snel: de in 2015 geïntroduceerde KTM 1290 Super Adventure was een van de eerste motoren met deze functie en vier jaar later heeft bijvoorbeeld Ducati er bijna alle modellen van voorzien.
Naast ‘cornering ABS’ is tractiecontrole de andere grote toepassing van het IMU-signaal. Bij Yamaha bijvoorbeeld, hebben ze dit ‘banking angle sensitive traction control system’ genoemd, ofwel hellingshoekafhankelijke tractiecontrole. Tractiecontrole werd in 1992 in een nog primitieve vorm geïntroduceerd bij een update die Honda de ST1100 Pan European gaf. Dit systeem maakte nog geen gebruik van IMU, maar van wielsnelheidsensoren.
In 2008 kwam de Ducati 1098R uit, de homologatiemachine voor het WK Superbike en de eerste motor met een moderne IMU. Dit systeem schakelde de ontsteking uit bij wielspin, iets waar een katalysator en de diverse emissie-eisen niet bijster gecharmeerd van zijn. Dit systeem was dus officieel alleen op het circuit te gebruiken. Het opvolgende systeem van de in 2009 geïntroduceerde 1098R, 1198S en Streetfighter S schakelde de benzinetoevoer uit en kon wel op de openbare weg in combinatie met een katalysator gebruikt worden. Tegenwoordig hebben motoren vaak elektronisch geregelde gaskleppen, waarmee tractiecontrole veel beter functioneert dan met de eerdergenoemde technieken.
Ook technieken die het zijdelings wegschuiven van de achterband controleren en wheelie-controle maken gebruik van het IMU-signaal. Bij Yamaha heet dat dan ‘Slide Control System’ en ‘Front Lift Control system’. Alle superbikes en veel power nakeds hebben tegenwoordig soortgelijke systemen.
IMU’s kunnen ‘vijf-assig’ of ‘zes-assig zijn’. Dit refereert aan het aantal sensoren – drie acceleratiemeters en twee of drie gyroscopen, welke dan vijf of zes meetwaardes geven. Qua werking is er overigens voor de motorrijder geen verschil, omdat de IMU automatisch vanuit de vijf assen de zesde as uitrekent.
Bij moderne motoren kunnen de aandrijflijn, de remmen en de vering door de IMU worden aangestuurd. Yamaha heeft in 2017 met de Motobot al laten zien dat met een IMU ook het sturen overgenomen kan worden en een geheel zelfrijdende motor technisch mogelijk is. Ook Honda heeft in 2017 al een uit zichzelf balancerende motor getoond en BMW deed dat afgelopen jaar. Bosch/KTM hebben een systeem ontwikkeld, waarbij een motor die bij het wegglijden van een wiel met een gasstoot weer wordt terug geduwd.
Bij Yamaha’s Motobot hebben we het trouwens niet over een sukkeldrafje. Als je de gereden rondetijd omrekent, dan komt de Motobot op bijvoorbeeld Assen al tot een tijd van rond de twee minuten. Bij een gemiddelde circuitdag zit je dan al in de snellere (of snelste) groepen.
Wie weet gaan we in de nabije toekomst ook stuur- en hellingshoekassistenten zien. Onderzoek wijst uit dat op de openbare weg 45% van alle motorongelukken in bochten vermeden hadden kunnen worden als de rijder meer hellingshoek had toegepast. Technisch moet het al kunnen, een beetje Rossi die meedoet aan je stuur. We voorspellen wat dat betreft dat niet de techniek, maar de acceptatie van de motorrijder de beperking zal zijn.
IMU IN DE MOTOGP
In de racerij wordt de IMU al jaren gebruikt. Sinds 2016 moeten alle MotoGP-teams een gestandaardiseerde ECU (Electronic Control Unit) van Magneti Marelli gebruiken. Deze mag slechts een beperkt aantal gestandaardiseerde sensoren hebben. De IMU is een sensor die tot 2019 vrij te kiezen was door de fabrikanten, en die dus ook hun eigen IMU mochten gebruiken. Sinds dit seizoen zijn de teams echter verplicht om allemaal dezelfde standaard IMU van Magneti Marelli te gebruiken. Volgens MotoGP’s ‘Director of Technology’ Corrado Cecchinelli is de reden hiervoor dat dit een einde maakt aan de mogelijkheid om gemanipuleerde IMU-data naar de ECU te sturen. De IMU is namelijk niet zomaar een domme sensor, maar in feite een minicomputer. Als je als MotoGP-team een beetje een boefje bent, zou je dus zo maar allerlei intelligentie in deze minicomputer kunnen integreren. Denk dan bijvoorbeeld aan een rondeteller of bandenslijtage-modellering. Met deze extra informatie kun je de signalen van de IMU die naar de ECU gaan manipuleren. Zodoende kun je in de IMU dus alles doen wat in de ECU reglementair niet kan of niet mag. Het is niet bewezen dat het is gebeurd, maar experts die we hierover spraken, konden een lach destijds niet onderdrukken over de onwetendheid van Dorna om de IMU met zijn ongecontroleerde minicomputer in de periode 2016-2018 vrij te geven.
