Model-based design and embedded implementation of an unloading auger control system for combine harvesters

The development of modern agricultural machinery relies on advanced embedded systems and CAN bus communication to ensure efficiency, safety, and reliability. This thesis focuses on the design and validation of the control system for the unloading auger of a combine harvester, a subsystem frequently used and with strict functional safety requirements. The work begins with the definition of functional and safety requirements, following the V-model approach to guarantee traceability between specifications and validation. A simulation model of the unloader tube was then developed in MATLAB/Simulink, combining hydraulic and mechanical representations to reproduce the dynamics of the real system. This model was then interfaced with the Bosch EXT Lite ECU to test the embedded software developed in C++ on the PXROS real-time operating system, through Hardware-in-the-Loop (HIL) testing. The software architecture was designed according to modular and object-oriented principles. Dedicated monitoring functions were integrated to comply with ISO functional safety requirements. The HIL configuration, realized with Simulink Desktop Real-Time and an Arduino-based interface, enabled extensive validation of the embedded code before field deployment. Finally, on-machine tests were carried out. Despite hardware limitations preventing full automation tests, manual control of the unloader tube was successfully validated. The absence of critical failures demonstrated the effectiveness of the Model-Based Design methodology, reducing the need for extensive field trials and supporting a robust development process for safety-critical agricultural systems.

Lo sviluppo delle moderne macchine agricole si basa su sistemi embedded avanzati e sulla comunicazione tramite bus CAN per garantire efficienza, sicurezza e affidabilità. La presente tesi si concentra sulla progettazione e validazione del sistema di controllo della coclea di scarico di una mietitrebbia, un sottosistema utilizzato con elevata frequenza e caratterizzato da stringenti requisiti di sicurezza funzionale. Il lavoro ha avuto inizio con la definizione dei requisiti funzionali e di sicurezza, seguendo il modello a V al fine di garantire la tracciabilità tra specifiche e attività di validazione. È stato quindi sviluppato in MATLAB/Simulink un modello di simulazione del tubo di scarico, combinando rappresentazioni idrauliche e meccaniche per riprodurre le dinamiche del sistema reale. Tale modello è stato successivamente interfacciato con la centralina Bosch EXT Lite per testare il software embedded, sviluppato in linguaggio C++ sul sistema operativo real-time PXROS, attraverso attività di Hardware-in-the-Loop (HIL). L’architettura software è stata progettata secondo principi modulari utilizzando la programmazione ad oggetti. Funzioni di monitoraggio dedicate sono state integrate per garantire la conformità ai requisiti di sicurezza funzionale previsti dagli standard ISO. La configurazione HIL, realizzata mediante Simulink Desktop Real-Time e un’interfaccia basata su Arduino, ha permesso una completa validazione del codice embedded prima della fase di test sul campo. Infine, sono state condotte prove direttamente sulla macchina. Nonostante le limitazioni hardware abbiano impedito la completa esecuzione di test automatici, è stato possibile validare con successo il controllo manuale della coclea di scarico. L’assenza di guasti critici ha dimostrato l’efficacia della metodologia di progettazione basata su modelli (Model-Based Design), riducendo la necessità di estese prove sul campo e supportando un processo di sviluppo robusto per sistemi agricoli safety-critical.