Design of active braking controllers for agricultural tractors

Active braking control systems have been widely available for most categories of passenger and commercial vehicles for many years, thanks to the safety improvements they introduce and their relatively low cost of implementation. While braking control is a well-solved problem in the automotive context, for the class of agricultural vehicles, ABS design poses particular technological challenges: i) braking yields a strong longitudinal load transfer, with the vehicle motion also influenced by a high position of the centre of gravity, which makes the roll stability more precarious; ii) a braking system with significant dead zones and delays which limit the baking performance; iii) front and rear wheels which significantly differ in radius, and a possible coupling of the front and rear drive axles via a 4WD mechanism. The work of this thesis was carried out within a collaboration between SAFIM S.p.A. and Politecnico di Milano and is aimed at the design of active braking controllers for agricultural tractors in compliance with the active European regulation. In this case, the problem consists of the definition of a braking control strategy which makes use of the four wheel rotational speed, the vehicle longitudinal acceleration and the applied braking pressures. To this end, a detailed model of the tractor is built in the commercial vehicle simulator CarSimR⃝, providing useful insights on its braking dynamics. In this thesis, different slip-based braking control strategies have been defined. The first two determine the braking pressure to constrain the slip value within prescribed thresholds. The other strategies instead, formulate a modulating control, by continuously varying the brake pressure to regulate the wheel slip. The different braking control algorithms have been tested on the tractor model in the conditions outlined by the European regulation, and their performance compared to the legislation requirements. The results of this work provide a solid foundation for addressing the problem of designing ABS for agricultural tractors, with the end goal being the validation on the real vehicle.

I sistemi di controllo attivo della frenata sono al giorno d’oggi largamente diffusi su una vasta gamma di veicoli adibiti al trasporto di passeggeri e di merci, grazie alla maggiore sicurezza che garantiscono e al loro costo di realizzazione relativamente basso. Se in ambito automotive il controllo di frenata è un problema ben risolto, nel campo dei veicoli agricoli il progetto di un ABS pone alcune particolari sfide tecnologiche: i) la frenata è associata ad un forte trasferimento di carico in direzione longitudinale, oltre che ad una stabilità laterale precaria dovuta all’elevata posizione del baricentro; ii) un impianto frenante caratterizzato da significative bande morte e ritardi di attuazione che riducono le prestazioni di frenata; iii) ruote anteriori e posteriori che differiscono considerevolmente in raggio, oltre a un possibile accoppiamento meccanico dei due assi motori tramite un meccanismo di trazione integrale (4WD). Il lavoro di questa tesi è stato svolto nell’ambito di una collaborazione tra SAFIM S.p.A. e il Politecnico di Milano, con l’obiettivo di sviluppare controllori attivi di frenata per trattori agricoli nel rispetto della regolamentazione Europea vigente. Nel caso in esame, il problema consiste nella definizione di una strategia di controllo della frenata che utilizza le velocità angolari delle quattro ruote, l’accelerazione longitudinale del veicolo, e le pressioni applicate ai freni. A questo scopo è stato creato un modello dettagliato del trattore nel software di simulazione di dinamica del veicolo CarSimR⃝, da cui sono state ricavate importanti informazioni riguardo alla dinamica di frenata del trattore. Diverse strategie di controllo basate sullo slittamento sono state definite in questa tesi. Le prime due si basano sul determinare la pressione di frenatura in modo tale da mantenere lo slittamento entro due soglie prestabilite. Le altre strategie invece risultano in un controllo modulante che consiste nel variare la pressione in modo continuo così da regolare lo slittamento. I diversi algoritmi di controllo sono stati implementati nel modello del trattore e le loro prestazioni sono state misurate nelle condizioni previste dalla regolamentazione Europea, confrontandole con i requisiti di legge. Il lavoro svolto in questa tesi costituisce una solida base di conoscenza per affrontare il problema del progetto di sistemi ABS per trattori agricoli, in cui l’obiettivo finale è rappresentato da una validazione sul veicolo reale.