Multibody dynamics and motion platform control of a mobile machine simulator
Lundahl, Juho (2025)
2025
Automaatiotekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Automation Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
Hyväksymispäivämäärä
2025-02-20
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202502192282
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202502192282
Tiivistelmä
The aim of this study was to develop a realistic control from a multibody dynamics model to the motion platform of a mobile machine simulator. The work was carried out on the MOOG MB-E motion platform and the software development was mainly done with the Mathworks Simulink-tool and its plug-ins.
The work investigated the realism, improvement and enabling of desired new features of multibody dynamics. A functional communication interface between the simulator and the motion platform is also implemented. The thesis also reviews previous research on motion simulation, motion simulation algorithms and immersion through a literature review.
The research began with the optimization of the multibody dynamics model and explored various steps to improve it within the given constraints, such as the solver and the solver cycle time. Early on, it became evident that multibody dynamics required more than just parameter tuning and was identified as the primary focus for development. During the development of the multibody dynamics model, five different test drives were defined and used throughout the process as benchmarks for realism and control of the motion platform. These test drives were designed to replicate a wide range of challenging driving situations to identify and resolve potential issues.
The work resulted in several improvements and features to the simulator's multibody dynamics and a working communication interface to Simulink and as an installable Windows application. A simple work cycle and a new parametrizable tire model were developed for the simulator, which provided a new feature to simulate lateral tire slip on different driving surfaces and to make longitudinal slip more realistic. The multibody dynamics models were tested in a wide range of situations and in particular the interaction between the friction model and the transmission was extensively tested in different driving scenarios, and found to work well also in real-time simulation.
The control of the motion platform was validated by accelerometer measurements, which led to conclusions on the correct motion platform the functionality of the control and the suitability of the parameters used.
Hardware and software documentation and peer-reviewed literature sources were used in the research and development. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli kehittää realistinen ohjaus monikappaledynamiikkamallilta työkonesimulaattorin liikealustalle. Työ tehtiin MOOG MB-E liikealustalla ja työhön liittyvä ohjelmistokehitys pääosin Mathworksin Simulink-työkalulla ja sen lisäosilla.
Työssä tutkittiin monikappaledynamiikan realistisuutta, parantamista ja haluttujen uusien ominaisuuksien mahdollistamista. Työssä toteutettiin myös toimiva kommunikaatio simulaattorin ja liikealustan välillä. Työssä käydään myös läpi kirjallisuuskatsauksen keinoin aikaisempia liikesimulaatiota, liikesimulaatioalgoritmeja ja immersiota koskevia tutkimuksia.
Tutkimus aloitettiin monikappaledynamiikkamallin optimoinnilla ja kartoitettiin eri vaihtehtoja sen parantamiseksi annettujen reunaehtojen, kuten ratkaisijan ja ratkaisijan sykliajan puitteissa. Hyvin aikaisessa vaiheessa selvisi, että monikappaledynamiikka vaatii suurempia parannuksia kuin vain parametrien säätöä, ja se otettiinkin pääkehityskohteeksi. Monikappaledynamiikkamallia kehitettäessä määriteltiin viisi erilaista testiajoa, joita käytettiin koko kehitysprosessin ajan vertailukohtana realistisuudessa ja liikealustan ohjauksessa. Testiajot määriteltiin niin, että niissä toistuisi mahdollisimman monenlaiset ja simulaation kannalta haastavat ajotilanteet, jotta mahdolliset ongelmat tulisivat esille ja voitaisiin korjata.
Työn tuloksena saatiin useita parannuksia ja ominaisuuksia simulaattorin monikappaledynamiikkaan ja toimiva kommunikaatiorajapinta Simulinkiin ja asennettavana Windows-applikaationa. Simulaattoriin kehitettiin yksinkertainen työkierto ja uudenlainen parametrisoitava rengasmalli, jolla saatiin uutena ominaisuutena simuloitua renkaan sivuttaissuuntainen luisto erilaisilla ajoalustoilla ja pitkittäissuuntaista luistoa saatiin realistisemmaksi. Monikappaledynamiikkamalleja testattiin monissa eri tilanteissa ja erityisesti kitkamallin ja vaihteiston yhteistoimintaa testattiin laajasti erilaisilla ajoskenaarioilla myös reaaliajassa ja se todettiin hyvin toimivaksi.
Liikealustan ohjaus validoitiin kiihtyvyysanturimittauksilla, jonka perusteella tehtiin päätelmiä liikealustan oikeista asetuksista, ohjauksen toimivuudesta sekä käytettyjen parametrien sopivuudesta.
Tutkimuksessa ja kehitystyössä käytettiin hyödyksi laitteiston ja ohjelmistojen dokumentaatiota ja vertaisarvioituja kirjallisuuslähteitä.
The work investigated the realism, improvement and enabling of desired new features of multibody dynamics. A functional communication interface between the simulator and the motion platform is also implemented. The thesis also reviews previous research on motion simulation, motion simulation algorithms and immersion through a literature review.
The research began with the optimization of the multibody dynamics model and explored various steps to improve it within the given constraints, such as the solver and the solver cycle time. Early on, it became evident that multibody dynamics required more than just parameter tuning and was identified as the primary focus for development. During the development of the multibody dynamics model, five different test drives were defined and used throughout the process as benchmarks for realism and control of the motion platform. These test drives were designed to replicate a wide range of challenging driving situations to identify and resolve potential issues.
The work resulted in several improvements and features to the simulator's multibody dynamics and a working communication interface to Simulink and as an installable Windows application. A simple work cycle and a new parametrizable tire model were developed for the simulator, which provided a new feature to simulate lateral tire slip on different driving surfaces and to make longitudinal slip more realistic. The multibody dynamics models were tested in a wide range of situations and in particular the interaction between the friction model and the transmission was extensively tested in different driving scenarios, and found to work well also in real-time simulation.
The control of the motion platform was validated by accelerometer measurements, which led to conclusions on the correct motion platform the functionality of the control and the suitability of the parameters used.
Hardware and software documentation and peer-reviewed literature sources were used in the research and development.
Työssä tutkittiin monikappaledynamiikan realistisuutta, parantamista ja haluttujen uusien ominaisuuksien mahdollistamista. Työssä toteutettiin myös toimiva kommunikaatio simulaattorin ja liikealustan välillä. Työssä käydään myös läpi kirjallisuuskatsauksen keinoin aikaisempia liikesimulaatiota, liikesimulaatioalgoritmeja ja immersiota koskevia tutkimuksia.
Tutkimus aloitettiin monikappaledynamiikkamallin optimoinnilla ja kartoitettiin eri vaihtehtoja sen parantamiseksi annettujen reunaehtojen, kuten ratkaisijan ja ratkaisijan sykliajan puitteissa. Hyvin aikaisessa vaiheessa selvisi, että monikappaledynamiikka vaatii suurempia parannuksia kuin vain parametrien säätöä, ja se otettiinkin pääkehityskohteeksi. Monikappaledynamiikkamallia kehitettäessä määriteltiin viisi erilaista testiajoa, joita käytettiin koko kehitysprosessin ajan vertailukohtana realistisuudessa ja liikealustan ohjauksessa. Testiajot määriteltiin niin, että niissä toistuisi mahdollisimman monenlaiset ja simulaation kannalta haastavat ajotilanteet, jotta mahdolliset ongelmat tulisivat esille ja voitaisiin korjata.
Työn tuloksena saatiin useita parannuksia ja ominaisuuksia simulaattorin monikappaledynamiikkaan ja toimiva kommunikaatiorajapinta Simulinkiin ja asennettavana Windows-applikaationa. Simulaattoriin kehitettiin yksinkertainen työkierto ja uudenlainen parametrisoitava rengasmalli, jolla saatiin uutena ominaisuutena simuloitua renkaan sivuttaissuuntainen luisto erilaisilla ajoalustoilla ja pitkittäissuuntaista luistoa saatiin realistisemmaksi. Monikappaledynamiikkamalleja testattiin monissa eri tilanteissa ja erityisesti kitkamallin ja vaihteiston yhteistoimintaa testattiin laajasti erilaisilla ajoskenaarioilla myös reaaliajassa ja se todettiin hyvin toimivaksi.
Liikealustan ohjaus validoitiin kiihtyvyysanturimittauksilla, jonka perusteella tehtiin päätelmiä liikealustan oikeista asetuksista, ohjauksen toimivuudesta sekä käytettyjen parametrien sopivuudesta.
Tutkimuksessa ja kehitystyössä käytettiin hyödyksi laitteiston ja ohjelmistojen dokumentaatiota ja vertaisarvioituja kirjallisuuslähteitä.