This report is the result of Master of Science thesis project developed for KTH Royal Institute of Technology in collaboration with the Forestry Research Institute of Sweden (Skogforsk) for the Forestry Master Thesis School 2016. In the past few years, Adams MBD models have been created to verify the better comfortability of six-wheeled pendulum-arm-suspension compared to bogie-suspended forwarder. Based on the current achievements, this thesis would focus on discovering the energy consumption states of both types of forwarder. A study on the energy usage of a pendulum arm suspension forwarder was preformed based on existing design parameters and test data gathered by Skogforsk, providing insight about the performance of XT28 when operating on a test track. Hydraulic and mechanical models of the forwarder were built using Adams and Simulink/Matlab. These models were used for the simulation of the working process and calculation of the energy consumption. The result of this research project shows that active pendulum arm suspension forwarder saves approximately 28% of energy consumption compared to passive suspension. It is also shown that a speed increase from 0.84m/s to 1m/s increases the energy consumptio with approximately 10%. / Rapporten är resultatet av ett masterprojekt som utförts vid KTH Kungliga Tekniska Högskolan i samarbete med Skogforsk för Skogsforskningskolan 2017. Under de senaste åren har ett antal Adams-baserade MBD-modeller skapats, med syftet att undersöka och verifiera hur mycket vibrationsmiljön kan förbättras med en sexhjulig pendelarmsdämpad skotare jämfört med en traditionell bogie-maskin. Denna avhandling fokuserade på att jämföra energiförbrukningen hos båda typer av maskiner. En studie om energiförbrukningen hos en pendularmsskotare har utförts, baserat på befintliga designparametrar och provningsdata insamlade av Skogforsk, vilket gav insikt om energiprestandan hos den aktivt dämpade pendelarmsskotaren XT28 vid drift på provbana. Hydrauliska och mekaniska modeller av maskinen skapades med Adams och Matlab/Simulink. Dessa modeller användes för simulering av en idealiserad arbetsprocess och beräkning av energiförbrukningen. Resultatet av detta projekt visar att aktivt dämpad pendularmsskotare har cirka 28% lägre energiförbrukning jämfört en passivt dämpad skotare. En analys visar också att en ökad hastighet från 0,84 m/s till 1 m/s ökar energiförbrukningen med cirka 10% .

In the research area of virtual reality, the term haptic rendering is defined as the process of computing and generating the interaction force between the virtual object and the operator. One of the major challenges of haptic rendering is the stably rendering contact with a stiff object. Traditional haptic rendering algorithms performs well when rendering contact with soft objects. But when it is used to simulate contact with objects with high stiffness, the algorithm may cause unstable response of haptic devices. Such unstable behavior (e.g., oscillation of the device) can destroy the fidelity of the virtual environment and even hurt the user.  To address the above stability issues, a new design approach has been proposed in this paper. The proposed approach consists of three main process steps: modeling and linearization in ADAMS, LQR position controller design, verification with co-simulation. In the first step, a simulation model of the system is firstly created in ADAMS/View. Then this nonlinear ADAMS multi-body dynamics model is linearized and exported as a set of linear state space matrices with the help of ADAMS/Linear. In the second step, different from the traditional force-control algorithms, LQR position controller is developed in Matlab Simulink based on the exported matrices to emulate interactions with stiff objects. At last, the verification of control performance is carried out by setting up co-simulation between ADAMS and Simulink.  A case study implementation of this proposed method was performed on the TAU device which was previously developed by Machine Design department at KTH. TAU is an asymmetrical parallel robot with six degrees of freedom for the simulation of surgical procedures like drilling and milling of hard tissues of bones and teeth. The results show that the linear model exported from ADAMS is sufficiently accurate and the proposed controller can render a virtual wall with stiffness at the level of 105 N/m. / Inom forskningsområdet virtuell verklighet definieras termen hatisk återgivning (haptic rendering) som processen för beräkning och generering av interaktiva krafter mellan det virtuella objektet och användaren. En av de största utmaningarna med haptisk återgivning är att stabilt simulera känslan av beröring av styv material för användare. Traditionella algoritmer fungerar när det gäller att simulera känslan av beröring av mjuk material, men när algoritmerna används för att simulera kontakt med materialer med stor styvhet kan det orsaka instabilitet hos haptiska enheter. Sådana instabilitet, bland annat svängning hos enheten, kan förstöra den virtuella miljöns exakthet och till och med skada användare.  Denna uppsats försöker ta itu med det ovanstående problemet genom att föreslå en ny designmetod. Metoden består av tre huvudsteg: modellering och linearisering med hjälp av ADAMS, design av LQR-positionskontroll, och verifiering med samsimulering (co-simulation). I det första steget skapas systemets simuleringsmodell med hjälp av ADAMS/View. Sedan linjäriseras denna icke-linjära ADAMS-multikroppsdynamikmodell. Modellen exporteras som linjära tillståndsmatriser med hjälp av ADAMS/Linear. I det andra steget designas en LQR-positionskontroll med hjälp av Matlab Simulink baserat på de exporterade matriserna tidigare för att simulera interaktioner med styv material, vilket skiljer sig från de traditionella kraftkontrollalgoritmer (force-control algorithms). I det sista steget utförs verifieringen av positionskontrollens prestanda genom att ställa in samsimulering (co-simulation) mellan ADAMS och Simulink.  En testkörning av denna föreslagna metod har utförs på TAU-enheten som tidigare utvecklades av KTH institutionen för maskinkonstruktion. TAU är en asymmetrisk parallellsrobot med sex frihetsgrader för att simulera kirurgiska ingrepp som borrning av hårda vävnader i ben och tänder. Resultaten visar att den linjära modellen som exporteras från ADAMS är tillräckligt korrekt, för den föreslagna positionskontrollen kan framställa en virtuell vägg med styvhet vid 105 N/m.

Digital Twins (DTs) are nowadays gaining popularity as time-to-market is becoming a crucial factor to a product success. A twin replicates the behavior of a physical system in a virtual environment and the added value it provides depends on its accuracy and simulation time. In fact, a twin can be used to simulate corner cases in which damage can occur to the real system, or to run parallel tests to accelerate the development process. This work presents a DT for the VL53L0X Time-of-Flight (ToF) sensor developed with SystemC/Transaction Level Modeling (TLM)-2.0 standard. A generic method is introduced to investigate the minimal descriptive parameters to build empirical sensor models, in addition to how the use of different synchronization methods would affect the accuracy and simulation time of such sensors. The digital interface that connects the sensor to the Microcontroller Unit (MCU) has been developed using the sensor datasheet to mimic the Inter-Integrated Circuit (I2C) protocol. Results show that the real distance (measured by ray tracing in the simulator), the reflectance and the ambient light intensity can be used to mimic the output registers of the sensor. Furthermore, interpolating the fitting parameters can yield to results similar to that of a lookup method if the interpolation interval is small enough. The model has been integrated in two different co-simulations using different mechanical simulators with a plug-and-simulate easy-to-use Transmission Control Protocol (TCP) interface. The simulation time depends on the synchronization method used but no separability has been determined between the mechanical simulator and the TCP overhead. / Digitala tvillingar (DT) är idag alltmer populära eftersom time-to-market blir en avgörande faktor för en produkts framgång. En tvilling återskapar beteendet hos ett fysiskt system i en virtuell miljö och det mervärde den ger beror på dess noggrannhet och simuleringstid. En tvilling kan användas för att simulera hörnfall där skador kan uppstå på det verkliga systemet, eller för att köra parallella tester för att påskynda utvecklingsprocessen. Detta arbete presenterar en DT för VL53L0X ToF-sensorn som utvecklats med SystemC/TLM-2.0 standard. En generisk metod introduceras introduceras för att undersöka de minimala beskrivande parametrarna för att bygga empiriska sensor sensormodeller, utöver hur användningen av olika synkroniseringsmetoder skulle påverka noggrannheten och simuleringstiden för sådana sensorer? Det digitala gränssnittet som ansluter sensorn till mikrokontrollerenheten har utvecklats med hjälp av sensorns datablad för att efterlikna I2C-protokollet. Resultaten visar att det verkliga avståndet (uppmätt med strålspårning i simulatorn), reflektansen och den omgivande ljusintensiteten kan användas för att efterlikna sensorns utgångsregister. Dessutom kan interpolering av anpassningsparametrarna ge resultat som liknar dem från en uppslagsmetod om interpoleringsintervallet är tillräckligt litet. Modellen har integrerats i två olika samsimuleringar med hjälp av olika mekaniska simulatorer med ett lättanvänt TCP-gränssnitt för plug-and-simulate. Simuleringstiden berodde på vilken synkroniseringsmetod som användes, men ingen separerbarhet har fastställts mellan den mekaniska simulatorn och TCP overhead-gränssnittet.

A common architecture for electric vehicles is to have two electric machines one each on the front and rear axle. Despite the redundancy, this configuration ensures performance. Being energy efficient is equally important for electric vehicles to deliver a sufficiently high range. Hence, operating a single machine at low to medium torque requirement is desirable. A clutch can be implemented on the front axle and its engagement dynamically controlled to reduce the magnetic drag losses in the front machine. With clutch disengaged, the entire torque will be delivered by the rear machine causing it to heat up quickly. As electric machine and inverter losses are also temperature dependent, this work attempts to derive an optimal torque split strategy between the two machines considering thermal effects. An upper-temperature limit for both electric machine and inverter is imposed for component protection. Thermal models for the electric machine, inverter and coolant circuit are simplified using system identification and model order reduction approach. Dynamic optimal torque split is realized by minimizing the energy loss over the entire drive cycle. Dynamic programming is used to investigate the benefits of including thermal losses and to generate a benchmark solution for optimal torque split strategy. Further, two online controllers are developed, one based on non-linear model predictive control and the other being a static controller with added heuristic rules to prevent temperatures of critical components to exceed the limits. A high-fidelity plant model was developed using VSIM as master and GT-Suite thermal model as slave to compare the performance of these controllers. The results show that it is possible to obtain decent thermal performance of electric motor and inverter with one node lumped parameter thermal model and a five-node lumped parameter model for the coolant circuit. Including thermal dynamics in the controller can constraint the temperature within the limits and give an optimal torque split. The benefit of adding temperature-dependent thermal maps is found to be limited to certain operating regions. The static controller with torque split based on instantaneous power loss also performed well for the given configuration. The major contribution to energy saving was obtained by dynamic disengagement of clutch in the form of reduced magnetic drag losses. / En vanlig arkitektur för elfordon är att ha två elmaskiner en vardera på fram- och bakaxeln. Trots redundansen säkerställer denna konfiguration prestanda. Att vara energieffektiv är lika viktigt för att elfordon ska leverera en tillräckligt hög räckvidd. Det är därför önskvärt att driva en enda maskin med lågt till medelhögt vridmoment. En koppling kan implementeras på framaxeln och dess ingrepp kan styras dynamiskt för att minska de magnetiska motståndsförlusterna i den främre maskinen. Med kopplingen urkopplad kommer hela vridmomentet att levereras av den bakre maskinen vilket gör att den snabbt värms upp. Eftersom förluster av elektriska maskiner och växelriktare också är temperaturberoende, försöker detta arbete härleda en optimal vridmomentsdelningsstrategi mellan de två maskinerna med tanke på termiska effekter. En övre temperaturgräns för både elektrisk maskin och växelriktare är införd för komponentskydd. Termiska modeller för den elektriska maskinen, växelriktaren och kylvätskekretsen förenklas med hjälp av systemidentifiering och modellbeställningsreduktion. Dynamisk optimal vridmomentdelning realiseras genom att minimera energiförlusten under hela körcykeln. Dynamisk programmering används för att undersöka fördelarna med att inkludera termiska förluster och för att generera en benchmarklösning för optimal vridmomentsdelningsstrategi. Vidare utvecklas två online-styrenheter, en baserad på icke-linjär modell för prediktiv styrning och den andra är en statisk styrenhet med tillagda heuristiska regler för att förhindra att temperaturer på kritiska komponenter överskrider gränserna. En högfientlig anläggningsmodell utvecklades med VSIM som master och GT-Suite termisk modell som slav för att jämföra prestandan hos dessa styrenheter. Resultaten visar att det är möjligt att erhålla hyfsad termisk prestanda för elmotor och växelriktare med en termisk modell med en nodklumpad parameter och en femnodsmodell med klumpparametrar för kylvätskekretsen. Att inkludera termisk dynamik i regulatorn kan begränsa temperaturen inom gränserna och ge en optimal vridmomentfördelning. Fördelen med att lägga till temperaturberoende termiska kartor har visat sig vara begränsad till vissa driftsområden. Den statiska styrenheten med vridmomentdelning baserad på momentan effektförlust fungerade också bra för den givna konfigurationen. Det största bidraget till energibesparingen erhölls genom dynamisk urkoppling av kopplingen i form av minskade magnetiska motståndsförluster.