Thesis:

Instantaneous power consumption with regenerative braking model for N-trailers system on off-road scenarios

This thesis presents a comprehensive modeling and analysis framework for the Generalized N-Trailer (GNT) system, a class of nonholonomic articulated vehicles composed of a unicycle tractor and an arbitrary number of passively coupled trailers. A full dynamic formulation based on the Euler-Lagrange method is developed, incorporating the effects of mass distribution, Coriolis forces, and nonholonomic constraints enforced through a constraint Jacobian and its associated null space projection. External interactions are explicitly modeled, including rolling resistance via LuGre dynamic friction, aerodynamic drag as a function of velocity, and gravitational forces projected on sloped terrains. The resulting dynamic equations are expressed in reduced coordinates, allowing consistent treatment of control inputs and constraint forces. Particular emphasis is placed on the real-time estimation of instantaneous power consumption, which is computed as the inner product of actuator torques and angular velocities projected through the null space. The model captures both energy consumption and regenerative braking events, enabling the quantification of energy recovered during deceleration or downhill motion. This energetic formulation offers a physically consistent basis for evaluating performance and optimizing power flow in realistic off-road scenarios, paving the way for energy-aware control strategies in future work.

Esta tesis presenta un marco integral de modelado y análisis para el sistema N-Trailer Generalizado (GNT), una clase de vehículos articulados no holonómicos compuestos por un tractor tipo uniciclo y un número arbitrario de remolques acoplados pasivamente. Se desarrolla una formulación dinámica completa basada en el método de Euler-Lagrange, incorporando los efectos de la distribución de masas, fuerzas de Coriolis y restricciones no holonómicas, las cuales se imponen mediante una matriz jacobiana de restricciones y su proyección asociada al espacio nulo. Se modelan explícitamente las interacciones externas, incluyendo la resistencia al rodado mediante fricción dinámica tipo LuGre, la resistencia aerodinámica en función de la velocidad, y los efectos gravitacionales sobre pendientes. Las ecuaciones resultantes se expresan en coordenadas reducidas, lo que permite un tratamiento coherente de las entradas de control y fuerzas de restricción. Se enfatiza especialmente la estimación en tiempo real del consumo instantáneo de potencia, calculado como el producto interno entre los torques actuadores y las velocidades angulares proyectadas en el espacio nulo. El modelo permite capturar tanto el consumo de energía como los eventos de regeneración, cuantificando la energía recuperada durante fases de desaceleración o descenso. Esta formulación energética proporciona una base físicamente coherente para evaluar el desempeño y optimizar los flujos de potencia del sistema en condiciones reales de operación fuera de carretera