ES2308129T3 - Procedimiento y sistema de control de giro de rueda trasera directriz y vehiculo correspondiente. - Google Patents

Procedimiento y sistema de control de giro de rueda trasera directriz y vehiculo correspondiente. Download PDF

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Abstract

Procedimiento de control del giro de una rueda directriz trasera (5) de un vehículo (1) con, al menos, tres ruedas directrices, por el que se genera una referencia actualizada (alfa2) de giro de una rueda trasera en función del ángulo (alfa1) de giro de una rueda delantera, de datos de desplazamiento del vehículo que comprenden el ángulo de deriva (beta) del centro de gravedad del vehículo y una referencia anterior de giro de la rueda trasera, y se estiman datos de estado del vehículo, que comprenden la velocidad lateral (psi ) y el ángulo de deriva (beta), caracterizado porque los datos de estado estimados del vehículo comprenden, también, el ángulo de giro (alfa f2) de la rueda trasera y porque la referencia actualizada (alfa2) de giro de la rueda trasera se genera a partir de un valor de referencia dinámica (alfa2 - transitorio) teniendo en cuenta parámetros de regulación (Tdyn), y de un valor de referencia estática (alfa2 - estático) teniendo en cuenta un parámetro de regulación (Tgs), realizándose el control en bucle cerrado.

Description

Procedimiento y sistema de control de giro de rueda trasera directriz y vehículo correspondiente.
Campo de la invención
La presente invención pertenece al campo de los sistemas de control de vehículos terrestres, en particular, de vehículos automóviles de ruedas.
De manera clásica, los vehículos automóviles están provistos de un chasis, un habitáculo y ruedas conectadas con el chasis mediante un mecanismo de suspensión, siendo controladas las ruedas directrices delanteras por el conductor merced a un volante situado en el habitáculo del vehículo.
El documento FR-A-2 681 303 describe un dispositivo de control de dirección trasera de vehículo automóvil con cuatro ruedas directrices, que comprende una placa a modo de leva y dos rodillos previstos en un mismo plano central vertical que contiene el eje longitudinal de una barra de dirección trasera que controla el pivotamiento de las ruedas traseras.
Este documento describe, también, que para conseguir el mejor comportamiento posible del vehículo en carretera, es necesario hacer girar las ruedas traseras en el mismo sentido que las ruedas delanteras para un valor de ángulo de giro del volante inferior a un valor umbral predeterminado, y en sentido opuesto a las ruedas delanteras cuando el valor de ángulo de giro supere el valor umbral. Se conseguiría así un efecto de "derrape de ruedas traseras" del vehículo deseable cuando el ángulo de giro sea relativamente importante, por ejemplo, cuando se aparque el vehículo en un garaje o un aparcamiento, y un efecto de "derrape de ruedas delanteras" deseable, igualmente, cuando el ángulo de giro sea relativamente pequeño, por ejemplo, cuando el vehículo ruede de manera relativamente rápida.
Pero un dispositivo de este tipo, relativamente rudimentario, no permite intervenir con precisión en el comportamiento del vehículo.
El documento EP-0721877 describe un dispositivo de control de orientación de vehículo que comprende un elemento de control de giro de rueda trasera dotado de un ordenador que recibe señales de salida de un sensor de ángulo de giro de las ruedas directrices, un sensor de velocidad del vehículo, un sensor de movimiento lateral y un sensor de ángulo de giro de las ruedas traseras, y destinado a enviar una señal de control a un accionador de giro de las ruedas traseras. Una de las desventajas de este sistema es que resulta necesario prever un sensor de ángulo de giro de las ruedas traseras.
El documento EP-0663333 describe un aparato de control de ángulo de giro de las ruedas delanteras y traseras de un vehículo, equipado con un detector de movimiento lateral. Un ordenador efectúa un cálculo del movimiento lateral deseable para que el vehículo pueda desplazarse de manera estable. Otro ordenador evalúa una perturbación del movimiento lateral que provoque la desviación del movimiento lateral detectado en relación con el movimiento lateral ideal. Un compensador efectúa una compensación del movimiento lateral deseable, sobre la base de la perturbación evaluada, y produce un movimiento lateral compensado, de manera que el movimiento lateral deseable siga al movimiento lateral compensado.
La solicitud de patente japonesa JP 09-249145, sobre la que se basa la estructura de dos partes de las reivindicaciones independientes, describe un procedimiento de control de giro de las ruedas traseras directrices de un vehículo por el que se calculan dos valores de referencia, respectivamente, de la velocidad lateral y del ángulo de deriva. Se comparan estos dos valores de referencia con valores estimados a partir de la velocidad del vehículo, de la velocidad lateral y del ángulo de giro real de las ruedas traseras. La comparación proporciona una señal de desviación que permite la determinación de un valor de referencia y un valor de control del ángulo de giro de las ruedas traseras.
El objeto de la presente invención consiste en ofrecer un procedimiento y un sistema de control de giro de rueda directriz trasera mejorados, de preferencia, que permitan mejorar el comportamiento del vehículo y, por consiguiente, la seguridad del conductor y la comodidad de la conducción.
Tal como se reivindica, un procedimiento de control de giro de una rueda directriz trasera de un vehículo con, al menos, tres ruedas directrices, consiste en generar una referencia actualizada de giro de una rueda trasera en función del ángulo de giro de una rueda delantera, de datos de desplazamiento del vehículo, que comprenden el ángulo de deriva del centro de gravedad del vehículo y una referencia anterior de giro de la rueda trasera. Se estiman datos de estado del vehículo, que comprenden la velocidad lateral y el ángulo de deriva. De acuerdo con la invención, los datos de estado estimados del vehículo comprenden, también, el ángulo de giro de las ruedas traseras. La referencia actualizada de giro de rueda trasera se genera a partir de un valor de referencia dinámica y de un valor de referencia estática teniendo en cuenta parámetros de regulación, realizándose el control mediante bucle cerrado.
Puede utilizarse una ley de control, con estrategia de bucle abierto, para regular las respuestas transitoria y estática del vehículo mediante un golpe de volante. Un procedimiento de este tipo puede ponerse en práctica por medio de un dispositivo de dirección de rueda trasera, al menos un sensor que permita estimar la velocidad longitudinal del vehículo, al menos un medio electrónico de cálculo y un sensor de ángulo del volante.
En un modo de realización de la invención, los datos de desplazamiento del vehículo comprenden la velocidad del vehículo, de manera que la referencia actualizada de giro de rueda trasera se establezca en función de la velocidad del vehículo.
En un modo de realización de la invención, se genera una referencia actualizada de giro de rueda trasera mediante parámetros de regulación neutros en relación con el comportamiento del vehículo cuando dichos parámetros de regulación sean iguales a 1.
En un modo de realización de la invención, la referencia dinámica puede generarse a partir de un corrector aplicado a los datos de estado estimados. La referencia estática puede generarse a partir de un corrector aplicado a datos de estado estimados y a partir del parámetro de regulación. El corrector puede ser interpolado en función de la velocidad.
Puede utilizarse un programa de control del giro de una rueda directriz trasera en un vehículo con, al menos, tres ruedas directrices, por el que, en función del ángulo de giro de las ruedas delanteras, de datos de desplazamiento del vehículo y de una referencia anterior de giro de la rueda trasera, se genere una referencia actualizada de giro de la rueda trasera.
La presente invención propone, también, un sistema de control del giro de una rueda directriz trasera para un vehículo con, al menos, tres ruedas directrices, que comprende un medio de generación de una referencia actualizada de giro de una rueda trasera en función del ángulo de giro de una rueda delantera, de datos de desplazamiento del vehículo y de una referencia anterior de giro de la rueda trasera. El sistema comprende un módulo de estimación de los datos de estado del vehículo a partir de los datos de entrada, un módulo de generación de una referencia dinámica, un módulo de generación de una referencia estática y un módulo de combinación de la referencia dinámica y la referencia estática. El módulo de combinación puede ser un substractor.
La invención propone, también, un vehículo dotado de un chasis, al menos, tres ruedas directrices conectadas elásticamente con el chasis, y un sistema de control del giro de una rueda directriz trasera, que comprende un medio de generación de una referencia actualizada de giro de la rueda trasera en función del ángulo de giro de una rueda delantera, de datos de desplazamiento del vehículo y de una referencia anterior de giro de la rueda trasera.
La invención permite a un vehículo seleccionar el comportamiento más estable posible cualquiera que sea la solicitación del conductor o el estado de la calzada. Conviene tener en cuenta ciertas situaciones susceptibles de producir una pérdida de control del vehículo, por ejemplo, cuando se eviten obstáculos simples o dobles.
La invención permite reducir los riesgos de pérdida de control en este tipo de casos, que pueden ser debidos a una respuesta del vehículo inapropiada por ser demasiado rápida, amortiguada en medida insuficiente o, también, poco previsible.
Por otro lado, la invención permite un aumento de la sensación de seguridad, de comodidad y del placer de conducción.
La invención se aplica a vehículos de cuatro ruedas, dos delanteras y dos traseras, de tres ruedas, o, también, a vehículos de seis ruedas o más, con, al menos, cuatro ruedas directrices.
El sistema de control de ruedas directrices traseras en vehículos con cuatro ruedas directrices permite minimizar, teniendo en cuenta la velocidad del vehículo, la respuesta lateral del vehículo mediante un golpe de volante por parte del conductor. La optimización se realiza de acuerdo con criterios de seguridad, comodidad y facilidad de conducción.
La presente invención se comprenderá mejor a partir del estudio de la descripción detallada de algunos modos de realización considerados a modo de ejemplos no limitativos e ilustrados mediante los dibujos adjuntos, en los que.
- la figura 1 es una vista, esquemática, de un vehículo dotado de un sistema de control de acuerdo con un aspecto de la invención; y
- la figura 2 representa un esquema lógico del sistema.
Como puede verse en la figura 1, el vehículo 1 comprende un chasis 2, dos ruedas delanteras directrices 3 y 4, y dos ruedas directrices traseras 5 y 6, estando conectadas las ruedas con el chasis 2 mediante un mecanismo de suspensión no representado.
El vehículo 1 incluye un sistema de dirección 7 que comprende una cremallera 8 prevista entre las ruedas delanteras 3 y 4, un accionador 9 de cremallera destinado a orientar las ruedas delanteras 3 y 4 por medio de la cremallera 8, en función de las órdenes recibidas, de manera mecánica o eléctrica, provenientes de un volante de dirección, no representado, a disposición del conductor del vehículo.
El sistema 10 de control de ayuda al giro comprende una unidad de control 11, un sensor 12 de la posición de giro de las ruedas delanteras 3 y 4, por ejemplo, posicionado en el accionador 9, un sensor 13 de la velocidad de rotación de las ruedas delanteras que permite determinar la velocidad V del vehículo, un sensor 14 de la velocidad lateral \dot{\psi} del vehículo, es decir, de la velocidad de rotación del vehículo en torno a un eje vertical que pase por su centro de gravedad, y un sensor 15 de la aceleración lateral del centro de gravedad del vehículo.
Además, el sistema 10 comprende sensores 17 y 18 del ángulo de giro de las ruedas traseras 5 y 6, y accionadores 19 y 20 que permiten orientar dichas ruedas traseras 5 y 6. Pero un único sensor 17 y un único accionador 19 pueden ser suficientes para la detección del ángulo de giro y la orientación de las ruedas traseras 5 y 6. Los sensores de posición y de velocidad pueden ser de tipo óptico o, también, magnético, por ejemplo de efecto Hall, que cooperen con un codificador solidario con una parte móvil, mientras que los sensores no son giratorios.
La unidad de control 11 puede estar prevista a modo de microprocesador dotado de una memoria RAM, una memoria ROM, una unidad central e interfaces de entrada/salida que permitan recibir informaciones de los sensores y enviar instrucciones, en particular, a los accionadores 19 y 20.
De manera más precisa, la unidad de control 11 comprende un bloque de entrada 22 que recibe las señales provenientes de los sensores 12 a 14, y, en particular, la velocidad del vehículo V, la velocidad lateral \dot{\psi} y el ángulo \alpha_{1} de las ruedas delanteras. La velocidad del vehículo puede obtenerse determinando la media de la velocidad de las ruedas delanteras o de las ruedas traseras medida por los sensores de un sistema antibloqueo de ruedas. En este caso, está previsto un sensor 13 por rueda, comprendiendo el sistema antibloqueo de ruedas una salida conectada con una entrada de la unidad de control 11 para alimentar la información de velocidad del vehículo. Alternativamente, cada sensor 13 puede estar conectado con una entrada de la unidad de control 11, efectuando la unidad de control 11, en tal caso, el cálculo de la media de la velocidad de las ruedas.
La unidad de control 11 comprende, también, un observador de estado 23, que permite estimar las informaciones no medidas pero necesarias para el control, entre otras, las perturbaciones que actúen sobre el vehículo. El observador de estado 23 puede estar hecho, por ejemplo, a partir de un modelo de vehículo con dos ruedas directrices sin balanceo, con la hipótesis de que una perturbación d del tipo de escalón pueda actuar directamente sobre la velocidad lateral del vehículo durante un intervalo de tiempo finito. Puede incorporarse una dinámica que modelice el comportamiento del accionador. Las ecuaciones de estado asociadas con el modelo ampliado por la perturbación son las siguientes:
1
2
en las que y representa la salida considerada, M la masa total del vehículo, I_{z} la inercia del vehículo en torno a un eje vertical que pase por su centro de gravedad, L_{1} la distancia del centro de gravedad al eje delantero, L_{2} la distancia del centro de gravedad al eje trasero, L la distancia entre ejes del vehículo, igual a L_{1}+L_{2}, D_{1} la rigidez de deriva delantera, D_{2} la rigidez de deriva trasera, \alpha_{1} el ángulo que formen las ruedas delanteras con el eje longitudinal del vehículo, \alpha_{2} el ángulo de referencia de las ruedas traseras, \alpha_{f2} el ángulo de giro real de las ruedas traseras, V la velocidad del vehículo, \dot{\psi} la velocidad lateral, \beta el ángulo de deriva, es decir, el ángulo que forme el vector velocidad del vehículo con el eje longitudinal de dicho vehículo, y \tau el tiempo de respuesta del accionador.
A partir de este modelo, se desarrolla la teoría clásica de los observadores lineales. El observador de estado 23 permite estimar los estados del vehículo y el conjunto de las perturbaciones que actúen sobre el vehículo. Por tanto, el observador de estado puede utilizar las ecuaciones siguientes:
3
4
en las que ^{\wedge} representa que los valores son estimados, d la perturbación sufrida por el vehículo y K_{0}(V) el parámetro de regulación del observador de estado, que evoluciona en función de la velocidad del vehículo. Los cuatro valores estimados \hat{\dot{\psi}}, \hat{\beta}, \hat{\alpha}_{f2} y \hat{d} proporcionan una estimación del estado del vehículo que podría ser utilizada por otros elementos de la unidad de control 11.
La unidad de control 11 comprende, además, un bloque 24 de cálculo de transitorios. El bloque 24 calcula el valor de control del ángulo de giro de las ruedas trasera 5 y 6, denominado \alpha_{2-transitorio}, que permite actuar sobre la dinámica de la respuesta transitoria. El cálculo puede efectuarse mediante una técnica de posicionamiento de polos. Al respecto, puede hacerse referencia al documento de Kautsky, J. y N.K Nichols, "Robust Pole Assignment in Linear State Feedback" (Asignación robusta de polos mediante realimentación de estado lineal), Int. J. Control, 41 (1985), páginas 1129-1155. Si se designan [a_{1}(V)+b_{1}(V)i a_{2}(V)+b_{2}(V)i a_{3}(V)+b_{3}(V)i] los tres polos del sistema descrito anteriormente sin la perturbación, correspondiendo a(V) y b(V), respectivamente, a las partes real e imaginaria de cada uno de los polos para una velocidad V, se busca el corrector K = [K_{1}(V) K_{2}(V) K_{3}(V)] que posicione los polos del sistema conectado en bucle en
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50
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siendo Tdyn_{11}, Tdyn_{12}, Tdyn_{21}, Tdyn_{22}, Tdyn_{31}, Tdyn_{32} los parámetros de regulación (variables en función de la velocidad V del vehículo y de la respuesta transitoria del vehículo).
El corrector K(V_{0}) puede calcularse, para cada velocidad V_{0} seleccionada, mediante el método de posicionamiento de polos descrito en el documento antedicho. A continuación, el corrector K(V) es interpolado en función de la velocidad. Se obtiene así la variable de control:
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5
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Se hace notar que si los parámetros de regulación son iguales a 1, no se modifica la respuesta dinámica del vehículo, que un parámetro superior a 1 se traduce en un aumento de la vivacidad de la respuesta del vehículo, y que un parámetro inferior a 1 se traduce en una disminución de la vivacidad de la respuesta del vehículo. A título de ejemplo de regulación, pueden preverse los valores:
Tdyn_{11} = 0,8
Tdyn_{12} = 0
Tdyn_{21} = 0,8
Tdyn_{22} = 0
Tdyn_{31} = 0,8
Tdyn_{32} = 0
Una regulación de este tipo permite ralentizar la respuesta dinámica del vehículo y suprimir las oscilaciones de velocidad lateral y deriva del vehículo. A velocidad elevada, 90 km/h por ejemplo, esta regulación permitiría optimizar el paso de un cambio de fila doble.
La unidad de control 11 comprende, además, un bloque 25 de cálculo del valor de control estático, designado \alpha_{2-estático}, que recibe como entrada el ángulo de giro \alpha_{1} de las ruedas delanteras medido por el sensor 12, los coeficientes K_{1}, K_{2} y K_{3} calculados por el bloque 24 y la velocidad V del vehículo medida por el sensor 13. El valor de control \alpha_{2-estático} permite actuar sobre la respuesta estática del vehículo y modificar el valor estabilizado de la velocidad lateral conseguido como consecuencia de un golpe de volante de amplitud determinada. El resultado puede expresarse por comparación con la ganancia estática que se conseguiría con un vehículo de ruedas traseras no directrices:
6
siendo Tgs el parámetro de regulación, que puede variar, si es necesario, en función de la velocidad V.
La segunda parte del valor de control se calcula en función de Tgs de la manera siguiente:
7
siendo
8
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9
Si Tgs es igual a 1, la respuesta estática del vehículo no se modifica y, por tanto, es idéntica a la de un vehículo con ruedas traseras no directrices. Un valor del coeficiente Tgs superior a 1 se traduce en un aumento de la respuesta estática del vehículo, mientras que un valor inferior a 1 se traduce en una disminución de la respuesta estática del vehículo. Puede preverse Tgs = 1,2 para una velocidad de 90 Km/h, lo que permitiría hacer la respuesta del vehículo más directa y, por tanto, optimizar el paso de un cambio de fila doble.
La unidad de control 11 incluye, también, un sustractor 26, una salida 27 y un retardo unitario 28. El sustractor 26 recibe, por su entrada positiva, la salida de control \alpha_{2-transitorio} del bloque 24 y, por su entrada negativa, la salida de control \alpha_{2-estático} del bloque 25. La salida del sustractor 26 está conectada, por una parte, con la salida general 27 de la unidad de control 11, y, por otra, con el retardo unitario 28, cuya salida está conectada con una entrada del observador de estado 23 con el fin de entregarle el ángulo de giro de las ruedas traseras en un instante anterior.
La presente invención propone un sistema de control de giro de ruedas traseras, con estructura en bucle cerrado, por medio de un controlador que permita modificar la dinámica del sistema y una ganancia que permita la regulación de la ganancia estática, pudiendo variar todo ello en función de la velocidad.
La estrategia de control permite regular la parte transitoria de la respuesta lateral del vehículo mediante un golpe de volante. En particular, puede regularse la velocidad de la respuesta, así como su amortiguación. La regulación final, función de la velocidad del vehículo, permite optimizar la eficacia y la facilidad de paso de un cambio de fila doble o, también, la maniobra a baja velocidad.
La estrategia de control permite regular la parte estática de la respuesta lateral del vehículo mediante un golpe de volante. La regulación final, función de la velocidad del vehículo, permite, por ejemplo, optimizar la eficacia y la facilidad de paso de un cambio de fila doble y/o la maniobra a baja velocidad.
Las partes estática y dinámica de la respuesta del vehículo pueden regularse de manera independiente. La estructura en bucle cerrado garantiza una precisión excelente y una robustez elevada. Además, es posible tener en cuenta la dinámica del accionador 9 de las ruedas delanteras 3 y 4 y de los accionadores 19 y 20 de las ruedas traseras 5 y 6. La regulación de los parámetros es rápida e intuitiva, pues dichos parámetros están relacionados con las prestaciones mínimas del vehículo, es decir, con las prestaciones de un vehículo con ruedas traseras no directrices. En efecto, parámetros de regulación iguales a 1 no modifican el comportamiento del vehículo, mientras que parámetros de regulación superiores a 1 hacen el comportamiento más vivo y más directo, y viceversa.

Claims (10)

1. Procedimiento de control del giro de una rueda directriz trasera (5) de un vehículo (1) con, al menos, tres ruedas directrices, por el que se genera una referencia actualizada (\alpha_{2}) de giro de una rueda trasera en función del ángulo (\alpha_{1}) de giro de una rueda delantera, de datos de desplazamiento del vehículo que comprenden el ángulo de deriva (\beta) del centro de gravedad del vehículo y una referencia anterior de giro de la rueda trasera, y se estiman datos de estado del vehículo, que comprenden la velocidad lateral (\hat{\dot{\psi}}) y el ángulo de deriva (\hat{\beta}), caracterizado porque los datos de estado estimados del vehículo comprenden, también, el ángulo de giro (\hat{\alpha}_{f2}) de la rueda trasera y porque la referencia actualizada (\alpha_{2}) de giro de la rueda trasera se genera a partir de un valor de referencia dinámica (\alpha_{2-transitorio}) teniendo en cuenta parámetros de regulación (Tdyn), y de un valor de referencia estática (\alpha_{2-estático}) teniendo en cuenta un parámetro de regulación (Tgs), realizándose el control en bucle cerrado.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, por el que los datos de desplazamiento del vehículo comprenden la velocidad del vehículo, de manera que la referencia actualizada de giro de una rueda trasera se establezca en función de la velocidad del vehículo.
3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 o 2, por el que se genera una referencia actualizada de giro de una rueda trasera mediante parámetros de regulación neutros en relación con el comportamiento del vehículo cuando dichos parámetros de regulación sean iguales a 1.
4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, por el que los datos de desplazamiento del vehículo comprenden la velocidad lateral.
5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, por el que los datos de estado estimados comprenden, además, una perturbación estimada \hat{d}.
6. Procedimiento según la reivindicación 5, por el que la referencia dinámica se genera a partir de un corrector aplicado a los datos de estado estimados y a partir del parámetro de regulación.
7. Procedimiento según la reivindicación 7, por el que el corrector se interpola en función de la velocidad.
8. Sistema de control del giro de una rueda directriz trasera (5) de un vehículo (1) con, al menos, tres ruedas directrices que comprende: un medio de generación de una referencia actualizada (\alpha_{2}) de giro de la rueda trasera en función del ángulo (\alpha_{1}) de giro de una rueda delantera, de datos de desplazamiento del vehículo que comprenden el ángulo de deriva (\beta) del centro de gravedad del vehículo y una referencia anterior de giro de la rueda trasera; un módulo de estimación (23) de datos de estado del vehículo, que comprenden la velocidad lateral (\hat{\dot{\psi}}) y el ángulo de deriva (\hat{\beta}), caracterizado porque el módulo de estimación (23) de datos de estado del vehículo puede estimar, también, el ángulo de giro (\hat{\alpha}_{f2}) de la rueda trasera; y porque comprende un módulo (24) de generación de una referencia dinámica, un módulo (25) de generación de una referencia estática y un módulo de combinación de la referencia dinámica y la referencia estática, cuya salida está conectada con una entrada del módulo de estimación (23).
9. Sistema según la reivindicación 8, caracterizado porque dicho módulo de combinación consiste en un sustractor (26).
10. Vehículo (1) que comprende un chasis (2), y, al menos, tres ruedas directrices (3 a 5) conectadas elásticamente con el chasis (2), caracterizado porque comprende un sistema (10) de control del giro de una rueda directriz trasera (5) según las reivindicaciones 8 o 9.
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