Analisi e sviluppo di un sistema di controllo pedalata per una bicicletta elettrica ibrido serie

This thesis work presents SeNZA, a series hybrid elecrtic bicycle which its main feature is the absence of the chain as a transmission. Motion is delivered through a generator and a motor, placed respectively in the bottom bracket shell and in the rear wheel hub. This mechanical change introduces the non trivial problem of the human machine interface. Pedals are at the same time an energy source and the only interface to the vehicle, it is therefore critical to provide a natural feeling and an intuitive way to control the bicycle. The proposed solution is a control system composed of two nested control loops. The outer one is used to interpret the cyclist's commands and to impose the desired behavior to the pedals, the inner one is resposible to make the pedaling as smooth as possible. The inner control loop is implemented with two different control tecniques. The first one, more intuitive, acts modulating the generator current to adapt the resisting torque at the pedals, the second one acts a voltage regulation to control the cadence. Performances are evaluated through an human-in-the-loop experimental validation.

In questo lavoro di tesi è presentato il caso di SeNZA, una bicicletta elettrica ibrido serie caratterizzata dall'assenza della catena come mezzo di trasmissione. Il moto viene quindi trasmesso tramite un generatore ed un motore, alloggiati rispettivamente sull'asse pedali e nel mozzo ruota. Questa modifica meccanica introduce un problema non banale, legato all'interazione del ciclista con la bicicletta. I pedali sono allo stesso tempo una fonte di energia e l'unico punto di interazione con il veicolo, quindi è di fondamentale importanza garantire una sensazione naturale di pedalata ed un modo intuitivo di comandare la bicicletta. La soluzione proposta per risolvere il problema consiste in un sistema di controllo costituito da due anelli annidati. Quello esterno interpreta i comandi del ciclista ed impone un comportamento desiderato ai pedali, quello interno si occupa di rendere quanto più regolare possibile la pedalata. Quest'ultima parte viene implementata attraverso due tecniche di controllo. La prima, più intuitiva, agisce modulando la corrente richiesta al generatore in modo da adattare la resistenza avvertita ai pedali, mentre la seconda, controlla la velocità effettuando una regolazione direttamente sulla tensione. Le prestazioni ottenute sono valutate attraverso una validazione sperimentale con la pedalata del ciclista.