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Monopattini, robot a due ruote, sedie a rotelle futuristiche: i veicoli auto-bilancianti sono ovunque. Eppure, per decenni, chi li costruiva ha navigato a vista. Esistevano migliaia di studi su come *controllarli* — sono instabili per natura, come una scopa tenuta in equilibrio sul palmo — ma mancava una guida completa su come *progettarli* partendo da zero: dai requisiti al veicolo finito.

Ora un team di ricerca ha colmato il vuoto. Pubblicato sulla rivista *Machines*, il lavoro propone una procedura meccatronica basata sull'approccio MBSE (Model-Based Systems Engineering). L'idea chiave è trattare il veicolo non come un insieme di pezzi separati, ma come un sistema complesso dove componenti meccaniche, elettriche e software scambiano energia e informazioni attraverso interfacce ben definite.

Analizzando questi scambi, gli autori hanno identificato l'insieme minimo di parametri indispensabili per il design. Il risultato è una sequenza logica di passaggi, ciascuno con input e output chiari, rappresentata con diagrammi standardizzati. La procedura copre tutto: telaio, motori, sensori, batterie, algoritmi di controllo. Funziona per qualsiasi variante, dal robot da magazzino al mezzo con passeggero.

Il metodo è stato validato progettando nei dettagli un veicolo reale a grandezza naturale. Finalmente, ingegneri e maker hanno una mappa affidabile per trasformare un'idea instabile in un progetto solido.

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L'articolo formalizza una procedura di progettazione meccatronica per veicoli auto-bilancianti (classe dei sistemi sottoposti a vincoli non olonomi e sottoattuati) utilizzando il framework MBSE e linguaggi come SysML. Il contributo centrale è la definizione di un'architettura funzionale basata su flussi di potenza (approccio bond-graph) e flussi logici, che disaccoppia i domini fisici (meccanico, elettrico, idraulico, termico) dalla logica di controllo.

La procedura si articola in fasi sequenziali: 1) Analisi requisiti e specifiche (Stakeholder needs -> System Requirements); 2) Definizione architettura logica e interfacce (Logical Architecture, Interface Control Document); 3) Sintesi cinematica e dinamica (modello a pendolo invertito su carrello, calcolo parametri inerziali, centro masse); 4) Dimensionamento attuatori e catena cinematica (motori, riduttori, ruote) tramite analisi prestazionale (coppia/velocità, banda passante); 5) Selezione sensori (IMU, encoder) per osservabilità completa dello stato; 6) Progetto architettura elettronica (BMS, driver, MCU, bus comunicazione CAN/EtherCAT); 7) Sintesi controllo (LQR, MPC, SMC) con analisi robustezza (margini guadagno/fase, μ-analysis); 8) Verifica e validazione (V&V) tramite simulazione co-simulazione (Simulink/Modelica + 3D multibody) e Hardware-in-the-Loop (HIL).

Il caso studio applica il flusso a un veicolo biposto a due ruote parallele, dimostrando come la procedura gestisca trade-off tra massa, ingombro batteria, capacità di carico e stabilità dinamica, producendo specifiche tecniche pronte per la prototipazione rapida.

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Fonti

Autori:
Paolo RighettiniRoberto StradaFilippo CortinovisJasmine Santinelli
Data Pubblicazione:
Articolo Originale www.mdpi.com
Verifica editoriale completata il 26/07/2026
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Licenza Creative Commons CC BY-NC-SA 4.0

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