Development of Look-Ahead Controller Concepts for a Wheel Loader Application

Développement de concepts d’une commande prédictive, destinée à une application pour chargeur sur pneus

¹ Department of Electrical Engineering, Linköping University, Sweden
² Volvo Construction Equipment, Eskilstuna, Sweden
e-mail: tnilsson@isy.liu.se – anders.froberg@volvo.com – jaasl@isy.liu.se

^* Corresponding author

Abstract

This paper presents two conceptual methods, based on dynamic programming, for one-step look-ahead control of a Continuously Variable Transmission (CVT) in a wheel loader. The first method developed, designated Stochastic Dynamic Programming (SDP), uses a statistical load prediction and stochastic dynamic programming for minimizing fuel use. The second method developed, designated Free-Time Dynamic Programming (FTDP), has vehicle speed as a state and introduces a fixed 0.1 s delay in the bucket controls in a combined minimization of fuel and time. The methods are evaluated using a set of 34 measured loading cycles, used in a ‘leave one out’ manner.

The evaluation shows that the SDP method requires about 1/10th of the computational effort of FTDP and has a more transparent impact of differences in the cycle prediction. The FTDP method, on the other hand, shows a 10% lower fuel consumption, which is close to the actual optimum, at the same cycle times, and is able to complete a much larger part of the evaluation cycles.

Résumé

Ce document présente deux méthodes de conception, basées sur la programmation dynamique, pour la commande à un pas de prédiction d’une transmission continûment variable (Continuously Variable Transmission, CVT) d’un chargeur sur pneus. La première méthode développée, appelée programmation dynamique stochastique (Stochastic Dynamic Programming, SDP) utilise une prédiction statistique de la charge et la programmation dynamique stochastique pour minimiser l’utilisation de carburant. La seconde méthode développée, appelée programmation dynamique à temps libre (Free-Time Dynamic Programming, FTDP), établit la vitesse du véhicule en tant qu’état et introduit un retard de 0:1 s dans les commandes du godet pour minimiser à la fois l’utilisation de carburant et le temps nécessaire à l’opération.

Les méthodes sont évaluées en s’appuyant sur 34 cycles de chargement mesurés, utilisés selon la méthode de validation croisée « leave-one-out ».

L’évaluation montre que la méthode SDP requiert environ 1 dixième de l’effort de calcul de la méthode FTDP, et qu’elle a un impact plus transparent sur les écarts dans la prédiction du cycle. D’un autre côté, avec la méthode FTDP on obtient une réduction de 10% de la consommation de carburant, ce qui est proche de l’optimum réel, pour les mêmes durées de cycle, et elle permet de réaliser une plus grande partie des cycles d’évaluation.