Control strategy investigation for a down-scaledforwarder : Refinement, Testing nad Analysis

Abstract

The predominant method of trees harvesting in Nordic countries is cut-to-length logging (CTL). CTL is realized by two machines: a harvester which is used for felling the trees, and a forwarder which is used for transporting the logs to a road accessible by trucks. To increase the productivity, one possible solution is to increase the forwarder driving speed. However, this will make the operator exposed to larger vibration and cause bigger tire-ground pressure. To solve the abovementioned problems, Skogforsk developed a six-wheel pendulum arm suspended forwarder with each wheel of the forwarder controlled individually by the corresponding hydraulic motor. Given that conducting the field tests on the real forwarder will be time consuming and inconvenient, a 1:5 down-scaled forwarder was manufactured previously to facilitate the research. Due to the size limitation, the hydraulic motors are replaced with the linear actuators besides a few other design changes. The work of this thesis is to further refine the down-scaled forwarder with the focus on implementing the control system. The forwarder is modeled using Simscape MultibodyTM which provides a 3D animation modelling environment. The control strategy is proposed in a perspective of kinematic control. The proposed control algorithm can balance the down-scaled forwarder orientation by solving a linear optimization problem in real time. Restricted by the sensors implementation and filter algorithms, only a simplified kinematics control is tested in the simulation and the real down-scaled forwarder. It can be seen in simulation that both the pitch and roll angle can be reduced greatly by driving through the Skoforsk standard test track with the simplified control method. Stability analysis method for the down-scaled forwarder is also discussed in this thesis. The main contribution of this thesis will be indicating a different point of view from the previous work in terms of control strategy proposal.Den dominerande metoden för att skörda träd i Norden är kortvirkesmetoden. Kortvirkesmetoden realiseras av två maskiner: en skördare som används för avverkning av träden och en forwarder som används för att transportera stockarna till en väg som är tillgänglig för lastbilar. För att öka produktiviteten är en möjlig lösning att öka forwarderns körhastighet. Detta kommer dock att bidrar till att operatören utsätts för större vibration och att marken utsätts för större däcktryck. För att lösa ovanstående problem har en sexhjulig forwarder med hjulupphängning i pendelarmar tidigare utvecklats där varje hjul styrs individuellt av en motsvarande hydraulmotor. Med tanke på att genomförande av fälttester på den verkliga forwardern skulle bli tids- och resurskrävande, har tidigare en 1: 5 nedskalad forwarder tillverkats för att underlätta forskningen. På grund av storleksbegränsningarna ersattes de hydrauliska motorerna med linjära cylindrar samt gjordes en del andra konstruktionsändringar. Arbetet med denna avhandling är att ytterligare förfina den nedskalade forwardern med fokus på att implementera styrsystemet. Forwardern är modellerad med Simscape Multibody TM som ger en 3D modellerings- och animeringsmiljö. Styrstrategin som föreslås är baserad på kinematik. Den föreslagna regleralgoritmen kan balansera den simulerade nedskalade forwardern genom att lösa ett linjärt optimeringsproblem i realtid. Begränsad av sensorprestanda och filteralgoritmer testas endast en förenklad kinematikreglering i simuleringen och i den verkliga nerskalade forwardern. Det kan ses i simulering att både pitch- och roll-vinklar kan minskas kraftigt även med den förenklade reglermetoden vid körning genom Skogforsks standardprovbana. Stabilitetsanalysmetoden för den nedskalade forwardern diskuteras också i denna avhandling. Huvudbidraget från detta examensarbets består i att en annan synvinkel presenterats jämfört med föregående arbeten när det gäller förslag till nya fungerande styrstrategier