Simuleringsbaserad design utvecklar terrängkörning

Genom att simulera maskiner och terräng utvecklar forskare vid Umeå universitet beslutsstöd för förare av skogsmaskiner och i förlängningen till förarlösa maskiner. Forskningen har också resulterat i att företaget Olofsfors börjat experimentera med designen av band till skogsmaskiner i simuleringsmiljö.

Martin Servin är verksam vid UMIT Research Lab vid Umeå universitet. Han är också medgrundare till Algoryx, ett spin-off företag från universitetet inom visuell och interaktiv simulering. Algoryx har erfarenhet från utveckling av automationslösningar för gruvnäringen, en kunskap som nu tas vidare till utvecklingen av skogsmaskiner inom Mistra Digital Forest.

– För tio år sedan startade vi ett samarbete med LKAB om simulering av maskiner som hanterar partikelmaterial. När vi byggde programvaran tänkte vi på flera användningsområden. Det innebär att den bland annat nu går att använda för terrängfordon, berättar Martin Servin som med sig i detta arbete har Viktor Wiberg, doktorand vid Umeå universitet, och Tomas Nordfjell, professor vid Sveriges lantrbuksuniversitet i Umeå.

När tunga maskiner körs i skogen kan kompaktion uppstå på djupet i marken. Detta gör det svårare för rötter att bildas och växa. Det kan också medföra att näringsämnen inte kan strömma som de brukar och att vattentillförseln i marken kan förändras.

– Det innebär att tillväxten och ekosystemet i skogen kan påverkas negativt vilket ger både ekologiska och ekonomiska förluster, säger Martin Servin.

Men mycket är fortfarande okänt om när och hur markskador uppstår och hur allvarliga de är. Det är några av utmaningarna forskarna vill hitta en lösning på.

– Vi utvecklar digitala lösningar så att maskiner kan registrera i vilken terräng de befinner sig i och hur de bör bete sig för att inte köra fast. Vi ser också på vad som orsakar skador i marken och hur de kan undvikas. Målet är att skapa beslutstöd för förare att hitta bästa vägvalen och framdrivning. I förlängningen kan det lägga en grund för hur självkörande eller fjärrstyrda fordon kan framföras i terräng, förklarar Martin Servin.

 

Digitala modeller

I arbetet med simuleringsbaserad design skapas först modeller som därefter simuleras och analyseras. Det i sin tur gör det möjligt att arbeta med optimering.

– Vi börjar med att bygga en digital terrängmodell. Vi kan skapa bäriga, fasta eller svaga marker. Vi placerar sedan ut träd och stenar och får fram en skogsmodell. Det är viktigt att vi har realistiska markmodeller. De virtuella markernas egenskaper jämförs därför med mätningar från olika områden i världen, förklarar Martin Servin.

– Sedan skapar vi en 3D-modell av en maskin. Vi beskriver maskinens fysiska egenskaper och förser den med motor och styrsystem. Därefter lägger vi till sensorer så att vi får ett realistiskt körbeteende, berättar Martin Servin.

Skogsmodellen och maskinmodellen får sedan mötas.

– I simuleringen kan vi studera hela fordonets beteende och hjulspåren som uppstår i marken. Vi kan också visualisera kraftnätverket som sträcker sig nedåt i marken där man kör. Därmed kan vi analysera tryckfält och kompaktion, berättar Martin Servin. När man ändrar fordonets design kan man studera vilken effekt detta ger på olika marker.

 

Möjligheter för produktutveckling

För familjeföretaget Olofsfors AB i Nordmaling har modellerna öppnat nya möjligheter till djupare förståelse och optimering av band till skogsmaskiner. Banden fästs över däcken och minskar risken för att däcken lämnar djupa spår i marken. Olofsfors exporterar idag till 40 länder.

– Samarbetet ger oss fördelar vid produktutveckling. Tidigare har vi gjort gissningar baserade på våra erfarenheter. Nu minimerar vi gissningsarbetet och kan utveckla nya samt optimera befintliga produkter baserat på simulerade tester. Vi får nu data över grepp och bärighet och kan presentera skillnader mellan olika modeller, säger Jonas Persson, som arbetar med försäljning på Olofsfors.

 

Söker företagssamverkan för forskning om energiförluster

Martin Servin ser flera forskningsmöjligheter framöver. Ett område är att förstå och minska skogsmaskinernas bränsleåtgång.

– Det går åt mer bränsle på svaga marker. Men var hamnar egentligen den extra energin som går åt? Sliras den bort eller går den till att deformera och kompaktera marken? Det kan studeras med våra markmodeller. Energiberäkningarna kan förklara både hur skador uppstår och hur vi kan designa maskiner med lägre bränsleåtgång. Här välkomnar vi varmt samverkan med skogsföretag och inom detta område vill vi gärna se stöd för en doktorand framöver i Umeå universitets företagsforskarskola, avslutar Martin Servin.

 

Läs mer om WP2 – Effektivt skogsbruk.