Tyre Modelling and Kinematic Control in Heavy-Duty Mobile Vehicles Using Simulation

Abstract

The development of automation systems in heavy-duty vehicles and mobile manipulators is advancing rapidly. However, as automation features increase, the need for operator feedback decreases in operation tasks, highlighting the importance of enhancing models, control, and predictability to meet system requirements. One critical aspect of mobile manipulator design is the tyre-ground interaction model, as these vehicles interact primarily with the terrain through their tyres or tracks. Hence, accurate tyre-ground interaction models are essential for develop-ing effective control algorithms.

Friction and tyre modelling has been extensively studied for decades but modelling the highly nonlinear interaction between tyres and the ground is challenging, making it difficult to define the necessary parameters. In general, passenger cars and similar lightweight vehicles are the most examined vehicles as regards literature surveys. The passenger car models are not commonly valid for distinct types of vehicles with, for example, heavier loads per tyre (≥ 10 kN) and lower speed (≤ 5 km/h). Therefore, the objective of this thesis is to find a viable model for the tyre-ground interaction of heavy-duty vehicles with an appropriate number of parameters. Furthermore, the model can be used in vehicle control improving the accuracy and stability of the heavy-duty mobile manipulators by providing more accurate estimations of tyre forces and moments.

The adopted method, called the "Magic Formula" (MF) by Pacejka, is widely used for mod-elling tyre forces and moments. The primary challenge with parameter identification is often the unavailability of adequate data to verify specific tyre models, which is also the case for this study. The research was conducted semi-empirically, by comparing real-world vehicle meas-urements to simulations, without the use of test rigs.

The resulting model is sensitive and robust at low speeds and requires only 20 parameters, compared to models that may require hundreds of parameters. The model is suitable for a cer-tain vehicle type and circumstances presented in this thesis but can be extended to various cir-cumstances and it can be used to enhance the performance of control systems such as trac-tion control, anti-lock braking systems, and stability control. Furthermore, the model can be used in trajectory planning and vehicle dynamics control, allowing for more efficient and safe operation of heavy-duty vehicles in various conditions. Overall, the developed model has the potential to improve the performance and safety of heavy-duty vehicles in various applications.

Raskaiden liikkuvien työkoneiden ja manipulaattoreiden automaatiojärjestelmien kehitys ete-nee nopeasti. Automaatio-ominaisuuksien lisääntyessä käyttäjän vastuu vähenee koneen oh-jauksessa, mikä korostaa mallien, säädön ja ennustettavuuden merkitystä järjestelmän vaati-musten täyttämisessä. Yksi liikkuvan manipulaattorin suunnittelun kriittisistä näkökohdista on renkaan ja maan vuorovaikutusmalli, sillä ajoneuvot ovat pääasiassa vuorovaikutuksessa maas-ton kanssa renkaiden tai telojensa kautta. Siksi tarkat renkaiden ja alustan vuorovaikutusmallit ovat välttämättömiä tehokkaiden ohjausalgoritmien kehittämisessä.

Kitkaa ja renkaiden mallintamista on tutkittu laajasti vuosikymmeniä, mutta renkaiden ja maan välisen erittäin epälineaarisen vuorovaikutuksen mallintaminen on haastavaa, mikä vai-keuttaa tarvittavien parametrien määrittelyä. Henkilöautot ja vastaavat kevyet ajoneuvot ovat yleensä kirjallisuudessa tutkituimpia ajoneuvoja. Henkilöautomallit eivät yleensä ole sopivia eri-tyyppisille ajoneuvoille, joissa on esimerkiksi raskaampia rengaskuormia (≥ 10 kN) ja hitaammat liikenopeudet (≤ 5 km/h). Opinnäytetyön tavoitteena onkin löytää toimiva malli raskaiden ajo-neuvojen rengas-maa-vuorovaikutukselle sopivalla määrällä parametreja. Mallia voidaan lisäksi käyttää ajoneuvon ohjauksessa, mikä parantaa raskaiden liikkuvien manipulaattoreiden tarkkuut-ta ja vakautta antamalla tarkempia ennusteita rengasvoimista ja -momenteista.

Tässä työssä hyödynnetään Pacejkan "Magic Formula" (MF) menetelmää, jota käytetään laajalti rengasvoimien ja -momenttien laskemiseen. Useimmissa tapauksissa parametrien määrit-telyn suurin ongelma on, että tietyn rengasmallin verifiointia varten ei ole saatavilla dataa, kuten myös tässä tutkimuksessa. Tutkimuksessa muodostettiin parametriarvot puolikokeellisesti ver-taamalla tosimaailman ajoneuvon mittauksia simulaatiomalliin käyttämättä testipenkkiä.

Saatu malli reagoi herkästi pieniin nopeuksiin, mutta on epäherkkä ulkoisille häiriöille. Lisäksi se vaatii vain 20 parametria verrattuna malleihin, jotka saattavat vaatia satoja parametreja. Malli sopii tässä tutkimuksessa käytetylle ajoneuvolle tietyissä olosuhteissa, mutta voidaan laajentaa useisiin käyttökohteisiin parantamaan ohjausjärjestelmien, kuten rengasmomenttien-, lukkiutu-misenesto- ja stabiilisuusohjauksen suorituskykyä. Lisäksi mallia voidaan käyttää radansuunnit-telussa ja ajoneuvon dynaamisessa säädössä, mikä mahdollistaa raskaiden liikkuvien työko-neiden tehokkaamman ja turvallisemman käytön erilaisissa olosuhteissa. Kaiken kaikkiaan kehi-tetyllä mallilla on mahdollisuus parantaa raskaiden ajoneuvojen suorituskykyä ja turvallisuutta useissa eri sovelluksissa.