Construction machines, also referred to as engineering vehicles or earth movers, are used in a variety of tasks related to infrastructure development and material handling. While modern construction machines represent a high level of sophistication in several areas, their suspension systems are generally rudimentary or even nonexistent. This leads to unacceptably high vibration levels for the operator, particularly when considering front loaders and dump trucks, which regularly traverse longer distances at reasonably high velocities. To meet future demands on operator comfort and high speed capacity, more refined wheel suspensions will have to be developed. The aim of this thesis is therefore to investigate which factors need to be considered in the fundamental design of suspension systems for wheeled construction machines. The ride dynamics of wheeled construction machines are affected by a number of particular properties specific to this type of vehicle. The pitch inertia is typically high in relation to the mass and wheelbase, which leads to pronounced pitching. The axle loads differ considerably between the loaded and the unloaded condition, necessitating ride height control, and hence the suspension properties may be altered as the vehicle is loaded. Furthermore, the low vertical stiffness of off-road tyres means that changes in the tyre properties will have a large impact on the dynamics of the suspended mass. The impact of these factors has been investigated using analytical models and parameters for a typical wheel loader. Multibody dynamic simulations have also been used to study the effects of suspended axles on the vehicle ride vibrations in more detail. The simulation model has also been compared to measurements performed on a prototype wheel loader with suspended axles. For reasons of manoeuvrability and robustness, many construction machines use articulated frame steering. The dynamic behaviour of articulated vehicles has therefore been examined here, focusing on lateral instabilities in the form of “snaking” and “folding”. A multibody dynamics model has been used to investigate how suspended axles influence the snaking stability of an articulated wheel loader. A remote-controlled, articulated test vehicle in model-scale has also been developed to enable safe and inexpensive practical experiments. The test vehicle is used to study the influence of several vehicle parameters on snaking stability, including suspension, drive configuration and mass distribution. Comparisons are also made with predictions using a simplified linear model. Off-road tyres represent a further complication of construction machine dynamics, since the tyres’ behaviour is typically highly nonlinear and difficult to evaluate in testing due to the size of the tyres. A rolling test rig for large tyres has here been evaluated, showing that the test rig is capable of producing useful data for validating tyre simulation models of varying complexity. The theoretical and experimental studies presented in this thesis contribute to the deeper understanding of a number of aspects of the dynamic behaviour of construction machines. This work therefore provides a basis for the continued development of wheel suspensions for such vehicles. / QC 20110531

This thesis aims to explore if multibody simulations is a suitable method to investigate vibrations in the steering system of trucks. Vibrations in the steering system and subsequently in the steering wheel is a common issue that automotive manufacturers face. The vibration levels in the steering wheel are in some countries regulated and some vibration phenomena can even cause issues with the handling properties of the whole vehicle. Therefore being able to predict and reduce these with the help of multibody simulations would be of great value. The thesis does this by comparing the simulations to measurements. It investigates what parts can be approximated as rigid, what the effects different numerical solvers have and compares different driving scenarios. This can however be quite challenging, one reason being that the differential equations arising when performing multibody simulations of trucks are very stiff. The numerical challenges of this must be overcome while still keeping the resolution of the accelerations in the solution high enough to still be representative of reality. The thesis also explains how to mathematically model a physical system such that the numerical analysis of it can be efficient. The results show that the success of multibody simulations is very dependent on the test case. However, they also show that together with physical measurements multibody simulations can be a powerful complementary tool. The thesis also presents improvements that could be made to the model as well as certain key areas that need to be studied more in order to align the multibody simulations results with measurements. The multibody simulations software used to perform the calculations and the modelling in the report is Adams developed by Hexagon AB. / Den här rapporten syftar till att ge inblick i om flerkroppssimuleringar kan vara ett användbart verktyg för att undersöka styrsystemsvibrationer i lastbilar. Dessa vibrationer är orsaken till en mängd styrningsproblem samt att rattvibrationer har lagkrav att inte vara för stora. Att kunna förutspå och efterlikna dessa vibrationer med flerkroppssimulering skulle därmed vara till stor fördel. Detta undersöks genom att jämföra simuleringarna med mätdata. Det undersöks vilken påverkan stelkroppsapproximationer av vissa komponenter har, påverkan av olika numeriska integrationmetoder samt steglängder och även olika körningslastfall. Att genomföra flerkroppssimuleringar av lastbilar är dock inte alltid helt enkelt, på grund av differentialekvationernas styva karaktär uppstår ofta konvergensproblem. Ska man sedan använda resultaten för att undersöka styrsystemsvibrationer måste man överkomma dessa konvergensproblem men bibehålla en tillräckligt fin upplösning av resultatet för att resultatet fortfarande ska vara representativt av den fysiska lastbilens dynamiska egenskaper. Rapporten beskriver även hur man kan gå tillväga för att matematiskt modellera ett fysisk system så att det effektivt går att utföra dynamisk analys av det. Resultaten visar att flerkroppssimulering kan vara väldigt beroende på vad körfallet är, med vissa körfall där simuleringar och mätningar stämmer väl överens och andra där detta inte är fallet. På grund av detta kan det vara otillräckligt att endast använda flerkroppssimulering för att utvärdera styrsystemsvibrationer, men resultaten visar att tillsammans med mätdata kan flerkroppssimulering vara ett kraftfullt komplement. I rapporten presenteras även exempel av viktiga komponenter att ta hänsyn till för att bättre kunna simulera styrsystemsvibrationer samt områden där mer forskning har potential att förbättra flerkroppssimuleringar i hänsyn till styrsystemsvibrationer. Mjukvaran som används för att utföra flerkroppssimulering är Adams som utvecklas av Hexagon AB.

An operating vehicle requires energy to oppose the subjected driving resistances. This energy is supplied via the fuel combustion in the engine. Decreasing the opposing driving resistances for an operating vehicle increases its fuel efficiency: an effect which is highly valued in today’s industry, both from an environmental and economical point of view. Therefore a lot of progress has been made during recent years in the area of fuel efficient vehicles, even though some driving resistances still rises perplexity. These resistances are the air drag Fd generated by the viscous air opposing the vehicles propulsion and the rolling resistance Frr generated mainly by the hysteresis caused by the deformation cycle of the viscoelastic pneumatic tires. The energy losses associated with the air drag and rolling resistance account for the majority of the driving resistances facing an operating vehicle, and depends on numerous stochastic and ambient parameters, some of which are highly correlated both within and between the two resistances. To increase the understanding of the driving mechanics behind the energy losses associated with the complexity that is rolling resistance, a set of complete vehicle tests has been carried out. These tests were carried out on the test track Malmby Fairground, using a Scania CV AB developed R440 truck equipped with various sensors connected in one measurement system. Under certain conditions, these parameters can allow for an investigation of the rolling resistance, and a separation of the rolling resistance and air drag via explicit subtraction of the air drag from the measured traction force. This method is possible since the aerodynamic property AHDVCd(β) to some extent can be generated from wind tunnel tests and CFD simulations. Two measurement series that enable the above formulated method of separation were designed and carried out, using two separate measurement methods. One which enables the investigation of the transient nature of rolling resistance as it strives for stationarity, where the vehicle is operated under constant velocities i.e. no acceleration, and one using the well established method of coastdown, where no driving torque is applied. The drive cycles spanned a range of velocities, which allowed for dynamic and stationary analyses of both the tire temperature- and the velocity dependence of rolling resistance. When analysing the results of the transient analysis, a strong dependence upon tire temperature for given constant low velocity i.e. v ≤ 60 kmh−1 was clearly visible. The indicated dependency showed that the rolling resistance decreased as the tire temperature increased over time at a given velocity, and vice versa, towards a stationary temperature and thereby rolling resistance. The tire temperature evolution from one constant velocity to another, took place well within 50 min to a somewhat stationary value. However, even though the tire temperature had reached stationarity, rolling resistance did not; there seemed to be a delay between stationary tire temperature, and rolling resistance. The results did not indicate any clear trends for v ≥ 60 kmh−1, where the results at v = 80 kmh−1 were chaotic. This suggests that some additional forces were uncompensated for, or that the compensation for air drag was somehow wrongly treated at higher velocities. Several factors ruled out any attempts at proposing a new rolling resistance model. These included: the chaotic results for v = 80 kmh−1, the delayed rolling resistance response upon tire temperature stabilization, and the lack of literature support for the observed tendency. The results from the coastdown series on the other hand, showed good agreement with a dynamical model suggested in literature. The stationary temperature behaviour for the considered velocity range at assumed constant condition is also supported in literature. Finally, an investigation of the aerodynamic property AHDVCd inspired by ongoing work in ACEA (European Automobile Manufacturers’ Association), was carried out assuming both zero and non-zero air drag at low velocities. The results indicated surprisingly good agreement with wind tunnel measurements, especially when neglecting air drag at low velocities: as suggested by ACEA. / För att övervinna de motstånd som ett fordon utsätts för under drift krävs energi, vilket levereras genom förbränningen av bränsle. Genom att minska de körmotstånd som ett fordon utsätts för under drift, kan man öka dess energieffektivitet. Denna potential är idag högt värderad i fordonsindustrin, både ur ett miljömässigt och ekonomiskt perspektiv. På senare år har stora framsteg gjorts inom området energieffektiva fordon, men fortfarande råder det förvirring kring de energiförluster som förknippas med luftmotstånd Fd och rullmotstånd Frr, där luftmotståndet skapas av den omkringliggande viskösa luften, medan rullmotståndet genereras av hysteresen som uppstår när fordonets viskoelastiska pneumatiska däck utsätts för deformation. De energiförluster som förknippas med luft- och rullmotstånd motsvarar den största delen av de motstånd som ett fordon påverkas av, och beror på en mängd stokastiska och yttre parametrar, varav vissa är starkt korrelerade både inom och mellan nämnda motstånd. För att förbättra förståelsen kring dessa energiförluster, med fokus på förståelsen av rullmotstånd, har ett antal helfordonstest genomförts. Dessa genomfördes på provbanan Malmby Fairground med en R440 lastbil från Scania CV AB, utrustad med en mängd sensorer sammankopplade i ett mätsystem. Det uppbyggda mätsystemet möjliggjorde samtida mätningar av bl.a. drivande moment, motorvarv, fordonshastighet, däcktemperatur, omkringliggande lufts hastighet och dess riktning. Under specifika förhållanden kunde dessa parametrar möjliggöra analys av rullmotstånd genom en explicit subtraktion av luftmotstånd från den uppmätta drivande kraften. Denna metod är möjlig tack vare en förhållandevis bra modell av ekipagets aerodynamiska egenskap AHDVCd(β), som generats från vindtunneltest och CFD simuleringar. Två körcykler som möjliggjorde ovan formulerade separation designades och genomfördes. Dessa använder två skilda mätmetoder, varav den ena möjliggör analys av rullmotståndets övergående förlopp från dynamiskt till stationärt genom att hålla konstant hastighet. Den andra studerade det dynamiska förloppet genom den väletablerade metoden utrullning, dvs. utan något drivande moment. Dessa körcyklar genomfördes, för ett antal hastigheter, vilket möjliggjorde analys av både hastighets- och däcktemperaturberoendet hos rullmotstånd, under dynamiska såväl som stationära förlopp. Analysen av rullmotståndets dynamik i strävan mot stationära förhållanden visade på ett starkt temperaturberoende vid låga hastigheter dvs. v ≤ 60 kmh−1. Beroendet visade på att rullmotståndet avtog med ökande däcktemperatur och vice versa, tills dess att en någorlunda stationär temperatur för given hastighet uppnåtts. Däcktemperaturen stabiliserades till ett nytt stationärt värde inom 50 min från att hastigheten ändrats. Resultaten tyder dock på att även om stationär däcktemperatur uppnåtts finns det en fördröjning i rullmotståndets tidsspann innan rullmotståndet stabiliserat sig. För högre hastigheter, dvs. v ≥ 60 kmh-1, var dock inga klara trender synliga, varken i hastighet eller temperatur och resultaten vid v = 80 kmh-1 var kaotiska. Detta antyder att man missat att kompensera för någon kraft vid höga hastigheter, alternativt att man på något sätt kompenserar fel för luftmotståndet vid högre hastigheter. Flera faktorer hindrade försök att föreslå någon ny rullmotståndsmodell. Dessa faktorer inkluderar det kaotiska resultatet vid v = 80 kmh-1, tidsfördröjningen mellan stationärt rullmotstånd och däcktemperatur samt att resultatet för antagna stationära värden inte finner stöd i litteraturen. Resultatet från utrullningsprovet överstämmer dock bra med tidigare föreslagen dynamisk modell, samt att resultaten av beteendet hos stationär temperatur för olika hastigheter även de överensstämmer med och finner stöd i litteraturen. Slutligen har en studie kring den aerodynamiska egenskapen AHDVCd, inspirerad av pågående arbete inom ACEA (European Automobile Manufacturers’ Association) utförts både med antagandet av ett noll- skilt och med ett försumbart luftmotstånd vid låga hastigheter. Resultatet visar på en överraskande god överensstämmelse med vindtunnelmätningar, framför allt under antagandet av försumbart luftmotstånd vid låga hastigheter i enlighet med förslagen metod från ACEA.

This thesis project aims to learn and understand more about implementing a path planner to the unmanned ground vehicle (UGV), UGV Husky, specifically its traversability algorithm, and investigate how it could be further improved. A surrounding grid is generated around the UGV where each cell contains information connected to its traversability. The traversability filter is given this information to score how possible it is to traverse to the cell with regard to angular slope, terrain roughness, and step height. The three parameters have each a critical value that works as a limit where if one of the three parameters were to exceed the critical value then the cell would not be estimated to be traversable. The current problem is that their critical value for angular slope, step height, and terrain roughness are decided arbitrarily and mostly through simulation. To solve this problem, formulas are derived that focus on geometrical aspects of a UGV to define the limits in focus on slope and step. The formulas give threshold values applied to the code and are run in simulation. To validate this, hardware experiments are done to compare simulation and reality. This is to observe and learn if the simulations are good representations of reality and if the threshold values are correct. The results show that the thresholds are good estimations of the UGV Husky's limits. This is if one takes into consideration that other important factors are not included or known, such as the ground conditions in the actual experiments. The simulation studies also prove that Gazebo simulations are not good representations of reality to test terrain difficulties because of simplified physical representation, giving unreliable limits. Based on the successful implementation of the geometrically derived threshold values for slope and step, further work could include similarly derived threshold values for terrain roughness, and attempt to optimize the variables that are in the traversability formula. / Syftet med detta examensabete är attutveckla förståelsen av en ruttplaneringsalgoritm, specifikt dess framkomlighets analays, och kolla hur det går att förbättra den. Problemet som diskuteras i denna rapport är hur tröskelvärdena för vinkellutning, högsta steghöjd och terrängens grovhet är godtyckligt valda och i flesta fall från simuleringsmiljöer eller flera verklighetstester. För att lösa detta problem foukseras det på att utveckla en formel som endast kollar på de geometriska aspekterna av fordonets vinkelgräns och steghöjd. Denna formel blir testad genom att applicera de framräknade tröskelvärdena till simuleringsmiljön och observera ifall det stämmer att UGVn som användts (UGV Husky) har dessa begränsningar. För validering görs tester också i verkligheten för att se hur relationen mellan simulering och verklighet är. Resultaten visar att värdena är bra uppskattningar till vad UGV Husky klarar i verkligheten om man tar i åtanke att viktiga faktorer har inte tagits med exempelvis markförhållanden. Simulering i förhållande till verklighet är inte en bra representation på grund av dålig upplösning av modeleringen av UGVn vilket ger opålitliga gränser. Nästa steg skulle framöver vara att ta med terrängförhållanden i beräkningarna och optimera flera variabler i formeln.

The transport industry is experiencing a disruption as fully autonomous vehicles are introduced in traffic. The intelligent, driverless vehicles will reduce cost, liberate human effort and increase safety. Today, the hardware technology seems to have reached the required processing power, but the decision-making algorithm still has a long way to go until they’re proven to be road-safe. Among these is the problem of lateral path tracking control. This thesis will consider the lateral control problem with the goal to send the right signal to the steering actuators so that the vehicle follows a predetermined trajectory. The vehicle in question is a triaxial, rigid, electric truck with active steering on both front and rearmost wheels. With servo latency and large inertial parameters in mind, a highly accurate model of the lateral and yaw behavior must be identified in order to predict the vehicle dynamics for a given steering input. Then, the properties of an optimal lateral controller are iteratively improved until a sufficiently low tracking error is obtained. Lastly, the controller is tuned to guarantee robustness for a range of uncertain vehicle parameters. The derived triaxial model with servo actuation is proven to be better at predicting the vehicle dynamics compared to other models common in literature with only one active steering input. When constructing a lateral controller, the importance was shown of considering 1) state feedback control of the lateral error, 2) feedforward control operating on future road curvature, 3) integrating control which combats biases and model errors, 4) using a tailored triaxial model and 5) minimizing the control signal change. Lastly, the derived controller was shown to have a decent stability margin with respect to estimated uncertainties. / Transportbranschen är i ett skifte då helt autonoma fordon införs i trafiken. De intelligenta, förarlösa fordonen minskar kostnader, ökar säkerheten och låter oss människor syssla med annat. Idag verkar det som att hårdvarutekniken har den processorkraft som behövs men de beslutsfattande algoritmerna har fortfarande en lång väg att gå tills de har visat sig vara helt vägsäkra. Bland dessa är problemet med lateral styrningskontroll som kommer ses över i denna avhandling. Fordonet i fråga är en rigid lastbil med tre hjulaxlar och aktiv styrning på både de främre och bakersta hjulen. Med tanke på servofördröjningar och de stora tröghetsparametrarna måste en noggrann modell av dynamiken identifieras för att förutspå responsen för en viss styrvinkel. Därefter utvecklas en optimal lågnivåregulator iterativt tills ett tillräckligt lågt spårningsfel erhållits. Slutligen ställs regulatorn in för att garantera robusthet för ett set av osäkra fordonsparametrar Den härledda triaxialmodellen med servostyrning var bevisbart bättre på att förutspå fordonsdynamiken jämfört med andra modeller som återkommer frekvent i litteraturen. Vid regulatorkonstruktionen påvisades vikten av att överväga 1) återkoppling av laterala felet, 2) förhandsgranskning som tittar på den kommande vägkrökningen, 3) integrering av styrfelet som åtgärdar modellfel, 4) en skräddarsydd fordonsmodell med tre axlar och 5) minimering av ändringen utav kontrollsignalen. Slutligen visades den härledda regulatorn ha en skaplig stabilitetsmarginal gentemot uppskattade osäkerheter av parametrar.