Autonomous vehicles have gained much importance over the last decade owing to their promising capabilities like improvement in overall traffic flow, reduction in pollution and elimination of human errors. However, when it comes to long-distance transportation or working in complex isolated environments like mines, various factors such as safety, fuel efficiency, transportation cost, robustness, and accuracy become very critical. This thesis, developed at the Connected and Autonomous Systems department of Scania AB in association with KTH, focuses on addressing the issues related to fuel efficiency, robustness and accuracy of an autonomous heavy-duty truck used for mining applications. First, in order to improve the state prediction capabilities of the simulation model, a comparative analysis of two dynamic bicycle models was performed. The first model used the empirical PAC2002 Magic Formula (MF) tyre model to generate the tyre forces, and the latter used a piece-wise Linear approximation of the former. On top of that, in order to account for the nonlinearities and time delays in the lateral direction, the steering dynamic equations were empirically derived and cascaded to the vehicle model. The fidelity of these models was tested against real experimental logs, and the best vehicle model was selected by striking a balance between accuracy and computational efficiency. The Dynamic bicycle model with piece-wise Linear approximation of tyre forces proved to tick-all-the-boxes by providing accurate state predictions within the acceptable error range and handling lateral accelerations up to 4 m/s2. Also, this model proved to be six times more computationally efficient than the industry-standard PAC2002 tyre model. Furthermore, in order to ensure smooth and accurate driving, several Model Predictive Control (MPC) formulations were tested on clothoid-based Single Lane Change (SLC), Double Lane Change (DLC) and Truncated Slalom trajectories with added disturbances in the initial position, heading and velocities. A linear time-varying Spatial error MPC is proposed, which provides a link between spatial-domain and time-domain analysis. This proposed controller proved to be a perfect balance between fuel efficiency which was achieved by minimising braking and acceleration sequences and offset-free tracking along with ensuring that the truck reached its destination within the stipulated time irrespective of the added disturbances. Lastly, a comparative analysis between various Prediction-Simulation model pairs was made, and the best pair was selected in terms of its robustness to parameter changes, simplicity, computational efficiency and accuracy. / Under det senaste årtiondet har utveckling av autonoma fordon blivit allt viktigare på grund av de stora möjligheterna till förbättringar av trafikflöden, minskade utsläpp av föroreningar och eliminering av mänskliga fel. När det gäller långdistanstransporter eller komplexa isolerade miljöer så som gruvor blir faktorer som bränsleeffektivitet, transportkostnad, robusthet och noggrannhet mycket viktiga. Detta examensarbete utvecklat vid avdelningen Connected and Autonomous Systems på Scania i samarbete med KTH fokuserar på frågor gällande bränsleeffektivitet, robusthet och exakthet hos en autonom tung lastbil i gruvmiljö. För att förbättra simuleringsmodellens tillståndsprediktioner, genomfördes en jämförande analys av två dynamiska fordonsmodeller. Den första modellen använde den empiriska däckmodellen PAC2002 Magic Formula (MF) för att approximera däckkrafterna, och den andra använde en stegvis linjär approximation av samma däckmodell. För att ta hänsyn till ickelinjäriteter och laterala tidsfördröjningar inkluderades empiriskt identifierade styrdynamiksekvationer i fordonsmodellen. Modellerna verifierades mot verkliga mätdata från fordon. Den bästa fordonsmodellen valdes genom att hitta en balans mellan noggrannhet och beräkningseffektivitet. Den Dynamiska fordonsmodellen med stegvis linjär approximation av däckkrafter visade goda resultat genom att ge noggranna tillståndsprediktioner inom det acceptabla felområdet och hantera sidoacceleration upp till 4 m/s2 . Den här modellen visade sig också vara sex gånger effektivare än PAC2002-däckmodellen. v För att säkerställa mjuk och korrekt körning testades flera MPC varianter på klotoidbaserade trajektorier av filbyte SLC, dubbelt filbyte DLC och slalom. Störningar i position, riktining och hastighet lades till startpositionen. En MPC med straff på rumslig avvikelse föreslås, vilket ger en länk mellan rumsdomän och tidsdomän. Den föreslagna regleringen visade sig vara en perfekt balans mellan bränsleeffektivitet, genom att minimering av broms- och accelerationssekvenser, och felminimering samtidigt som lastbilen nådde sin destination inom den föreskrivna tiden oberoende av de extra störningarna. Slutligen gjordes en jämförande analys mellan olika kombinationer av simulerings- och prediktionsmodell och den bästa kombinationen valdes med avseende på dess robusthet mot parameterändringar, enkelhet, beräkningseffektivitet och noggrannhet.

In this thesis a train-track-bridge interaction (TTBI) model is developed in order to study the dynamic amplification from track irregularities on railway bridges traversed by freight trains. These simulations are of great importance since rail freight transport is expected to increase in order to meet the climate goals. The shift of the freight industry is however not accomplished without complications, because of the heavier and more frequent transportation higher demand is put on the infrastructure supporting the railways. In order to adequately assess the bearing capacity of the railway bridges, more detailed models assessing the dynamic behavior of the bridges are needed. The research underlying the current model in Eurocode were made during the 1970s (ORE, 1976) and the 1990s (ERRI, 1999) which were based on very simplified relations of the interaction and irregularities. Two research questions are therefore established in this thesis. The first one is if the current dynamic amplification factor in Eurocode which accounts for track irregularities is over conservative and secondly if the same factor is suitable to utilize for both section forces and deflections. The model developed in order to answer the stated research questions is a 2D model (considering only vertical excitation) with a linearized Hertz contact spring coupling the vehicle subsystem to the track-bridge system. The bridges examined in the thesis are limited to simply supported bridges with a span length between 4-20 m carrying a ballasted track. The studied train speeds vary between 60 - 120 km/h in order to replicate the speed range utilized by freight trains. The quality of the track (irregularities) is varied between a standard variation of 0.5-5 mm and is generated based on the German power spectral density (PSD) function. Research have previously been carried out in the field of TTBI system but have mostly been focusing on high-speed railway engineering and few studies have been performed on heavy transportation. One of the pioneers in the field of TTBI modelling is Wanming Zhai and the model developed in this thesis is validated against one of his 2D models. Based on the simulations performed in this thesis it is evident that the current model in Eurocode EN 1991-2 is over conservative and in great need of a revision. The model presented in this thesis is for the case with the largest dynamic amplification (120 km/h and a 4 m span length) significantly lower than the model presented in Eurocode. From the sensitivity analysis it is possible to conclude that many of the parameters in the system have low influence on the dynamic amplification while others have considerable influence. The parameters that have a considerable influence might be more suitable with a probabilistic approach instead of a deterministic which was utilized in this thesis. / I denna avhandling upprättas en tåg-spår-bro interaktionsmodell i syfte att studera den dynamiska förstorningsfaktorn som uppkommer av ojämnheter från spåret för järnvägsbroar trafikerade av godståg. Dessa typer av simuleringar är viktiga då järnvägstransporter förväntas öka för att klara av att möta de klimatmål som fastställts. Denna ökning av järnvägstransporter genomförs dock inte utan problem. Ökningen medför fler och tyngre transporter vilket skapar problem för järnvägsinfrastrukturen (främst broarna). För att med säkerhet kunna fastställa bärförmågan hos broarna, behövs mer avancerade modeller än de som idag finns i Eurokod. Modellerna som finns angivna i Eurokod bygger på forskning genomförd under 70- (ORE, 1976) och 90-talet (ERRI, 1999), där det användes väldigt förenklade interaktions- och ojämnhets-modeller. På grund av detta har två frågeställningar upprättats. Den första är om den dynamiska förstoringsfaktorn som används i Eurokod för att ta hänsyn till ojämnheterna i spåret är överdrivet konservativ och den andra är om samma faktor är lämplig att använda för både snittkrafter och nedböjning. Modellen som upprättats för att besvara dessa forskningsfrågor är en 2D modell (vertikalt led) med en linjäriserad Hertz kontaktfjäder för att koppla samman fordonet med spår-bro systemet. Broarna som har studerats i denna avhandling är endast fritt upplagda broar med en spannlängd mellan 4-20 m med ballasterat spår. Tåg-hastigheten har varierats mellan 60-120 km/h i syfte att simulera relevanta hastigheter för godståg. Spårkvalitén (ojämnheterna) har beskrivits m.h.a. standardavvikelsen från det perfekta spårläget och har varierats mellan 0.5-5 mm. Dessa ojämnheter har genererats baserat på den tyska power spectral density (PSD) funktionen. Tidigare forskning har utförts inom ämnet tåg-spår-bro interaktion men med huvudsaklig fokus på höghastighetståg/resonans-beteenden och få studier har genomförts på godståg. En av föregångsmännen inom ämnet är Wanming Zhai, och modellen som upprättas i denna avhandling har därav validerats mot hans 2D modell. Baserat på simuleringarna i denna avhandling är det tydligt att den nuvarande modellen som används i Eurokod EN 1991-2 är överdrivet konservativ och i stort behov av en uppdatering. Det fall med stört dynamisk förstoringsfaktor (120 km/h och en spannlängd på 4 m) som behandlas i denna rapport är avsevärt lägre än det som återfinns i Eurokod. Från känslighetsanalysen som genomfördes kunde det fastställas att många av parametrarna i systemet har en låg inverkan på förstoringsfaktorn. För parametrarna som dock hade inflytande skulle ett probabilistiskt angreppssätt kunna vara mer passande än det deterministiska som använts i denna avhandling.

An Over-Actuated (OA) vehicle is a system that presents more control variables than degrees of freedom. Therefore, more than one configuration of the control input can drive the system to a desired state in the state space, and this redundancy can be exploited to fulfill other tasks or solve further problems. In particular, nowadays, challenges concerning electric vehicles regarding their autonomy and solutions to reduce energy consumption are becoming more and more attractive. OA vehicles, on this problem, offer the possibility of using the redundancy to choose the control input, among possible ones, so as to minimize energy consumption. In this regard, the research objective is to investigate different techniques to control in real-time an over-actuated autonomous driving vehicle to guarantee trajectory following and stability with the aim of minimizing energy consumption. The research project focuses on a vehicle able to drive and steer the four wheels (4WD, 4WS) independently. This work extends the contribution of previous theoretical energy-based research developed and provides a control algorithm that must work in real-time on a prototype vehicle (RCV-E) developed at the Integrated Transport Research Lab (ITRL) within KTH with the over-actuation investigated. To this end, the control algorithm has to balance the complexity of a multi-input system, the optimal allocation objectives, and the agility to run in real-time on the MicroAutoBox II - dSPACE system mounted on the vehicle. The solution proposed is a two-level controller which handles separately high and low-rate dynamics with an adequate level of complexity. The upper level is responsible for trajectory following and energy minimization. The allocation problem is solved in two steps. A Linear Time-Varying Model Predictive Controller (LTV-MPC) solves the trajectory-following problem and allocates the forces at the wheels considering the wheel energy losses due to longitudinal and lateral sliding. The second step re-allocates the longitudinal forces between the front and rear axles by considering each side of the vehicle independently to minimize energy loss in the motors. The lower level is responsible for transforming the forces at the wheels into torques and steering angles; it runs at a faster rate than the upper level to account for the high-frequency dynamics of the wheels. Last, the overall control strategy is tested in simulation concerning the trajectory-following and energy minimization performance. The real-time performance are assessed on MircoAutoBox II, the control interface used on the RCV-E. / Ett fordon med olika grad av över-aktuering är ett system som har fler kontrollvariabler än frihetsgrader. Därför kan mer än en konfiguration av styrinmatningen driva systemet till ett önskat tillstånd i tillståndsrummet, och denna redundans kan utnyttjas för att utföra andra uppgifter eller lösa andra problem. I synnerhet blir det i dag allt mer attraktivt med utmaningar som rör elfordon när det gäller deras självklörande drift och lösningar för att minska energiförbrukningen. Överaktuerat fordon ger möjlighet att använda redundansen för att välja en av de möjliga styrinmatningarna för att minimera energiförbrukningen. Forskningsmålet är att undersöka olika tekniker för att i realtid styra ett självkörande fordon som är överaktuerat för att garantera banföljning och stabilitet i syfte att minimera energiförbrukningen. Forskningsprojektet är inriktat på ett fordon som kan köra och styra de fyra hjulen (4WD, 4WS) självständigt. Detta arbete utökar bidraget från den tidigare teoretisk energi-baserade forskning som utvecklats genom att tillhandahålla en regleralgoritm som måste fungera i realtid på ett prototypfordon (RCV-E) som utvecklats vid ITRL inom KTH med den undersökta överaktueringen. I detta syfte måste regleralgoritmen balansera komplexiteten hos ett system med flera ingångar, målen för optimal tilldelning och smidigheten samt att fungera i realtid på MicroAutoBox II - dSPACE-systemet som är monterat på fordonet. Den föreslagna lösningen är en tvåstegsstyrning som hanterar dynamiken med hög och låg hastighet separat med en lämplig komplexitetsnivå. Den övre nivån ansvarar för banföljning och energiminimering. Tilldelningsproblemet löses i två steg. En LTV-MPC löser banföljningsproblemet och fördelar krafterna på hjulen med hänsyn till energiförlusterna på hjulen på grund av longitudinell och lateral glidning. I det andra steget omfördelas de längsgående krafterna mellan fram- och bakaxlarna genom att varje fordonssida beaktas oberoende av varandra för att minimera energiförlusterna i motorerna. Den lägre nivån ansvarar för att omvandla krafterna vid hjulen till vridmoment och styrvinklar; den körs i snabbare takt än den övre nivån för att ta hänsyn till hjulens högfrekventa dynamik. Slutligen testas den övergripande reglerstrategin i simulering med avseende på banföljning och energiminimering, och därefter på MircoAutoBox II monterad på RCV-E för att bedöma realtidsprestanda. / Un veicolo sovra-attuato è un sistema che presenta più variabili di controllo che gradi di libertà. Pertanto, più di una configurazione dell’ingresso di controllo può portare il sistema a uno stato desiderato nello spazio degli stati e questa ridondanza può essere sfruttata per svolgere altri compiti o risolvere ulteriori problemi. In particolare, al giorno d’oggi le sfide relative ai veicoli elettrici per quanto riguarda la loro autonomia e le soluzioni per ridurre il consumo energetico stanno diventando sempre più interessanti. I veicoli sovra-attuati, riguardo a questo problema, offrono la possibilità di utilizzare la ridondanza per scegliere l’ingresso di controllo, tra quelli possibili, che minimizza i consumi energetici. A questo proposito, l’obiettivo della ricerca è studiare diverse tecniche per controllare, in tempo reale, un veicolo a guida autonoma sovra-attuato per garantire l’inseguimento della traiettoria e la stabilità con l’obiettivo di minimizzare il consumo energetico. Questo studio si concentra su un veicolo in grado di guidare e sterzare le quattro ruote (4WD, 4WS) in modo indipendente, ed estende il contributo delle precedenti ricerche teoriche fornendo un algoritmo di controllo che deve funzionare in tempo reale su un prototipo di veicolo (RCV-E) sviluppato presso l’ITRL all’interno del KTH, che presenta la sovra-attuazione studiata. A tal fine, l’algoritmo di controllo deve bilanciare la complessità di un sistema a più ingressi, gli obiettivi di allocazione dell’azione di controllo ottimale e l’agilità di funzionamento in tempo reale sul sistema MicroAutoBox II - dSPACE montato sul veicolo. La soluzione proposta è un controllore a due livelli che gestisce separatamente le dinamiche ad alta e bassa frequenza. Il livello superiore è responsabile dell’inseguimento della traiettoria e della minimizzazione dell’energia. Il problema di allocazione viene risolto in due fasi. Un LTV-MPC risolve il problema dell’inseguimento della traiettoria e assegna le forze alle ruote tenendo conto delle perdite di energia agli pneumatici dovute al loro scorrimento longitudinale e laterale. Il secondo passo rialloca le forze longitudinali tra l’asse anteriore e quello posteriore considerando ciascun lato del veicolo in modo indipendente per minimizzare le perdite di energia nei motori. Il livello inferiore è responsabile della trasformazione delle forze alle ruote in coppia e angolo di sterzo; funziona a una più alta frequenza rispetto al livello superiore per tenere conto delle dinamiche veloci delle ruote. Infine, la strategia di controllo viene testata in simulazione per quanto riguarda le prestazioni di inseguimento della traiettoria e di minimizzazione dell’energia, e successivamente su MircoAutoBox II montato sull’RCV-E per valutare le prestazioni in tempo reale.