Sviluppo di attuatori e sensori per il controllo della frenata in biciclette

This thesis work focuses on the design of electronic braking control systems (ABS, Anti-lock Braking Systems) for road bicycles. Starting from the analysis of the optimal braking maneuver, the goal of this work is to study the sensors and the possible actuators. The best performance that can be reached with the sensors and actuators studied is searched for, and are highlighted the issues and aspects which need to be improved in the next design phases. The purpose of an ABS is to provide to the vehicle the highest deceleration possible, while keeping its stability and handling capability. To this aim the slip, which is the relative speed between wheel and road surface, needs to be controlled, and it needs to be avoided the lifting of the rear wheel, which can cause an overturning of the bike. The slip control is useful both to grant the maximum deceleration and to avoid the bike falls, caused by wheel locking. In order to control the slip, its estimate is needed, as well as a wheel braking force regulation system. Although ABS have already been implemented for years on cars and motorcycles, because of some bikes specific constraints, such as weight, dimensions and energy availability, the reuse of sensors and actuators employed in these fields is not possible. The slip estimate makes use of the speed of the wheels. It is proposed a sensor in particular, along with the speed and slip estimation algorithms, and it is discussed the final performance in terms of accuracy and noise. Two types of actuators, with different complexity and effectiveness, are then analyzed. The first one is based on on-off hydraulic valves, which are the classical technology of ABS. It is studied the potential of an innovative system architecture, employing a valve available on the market is studied, inserted in a bicycle hydraulic brake. The second type of actuator, designed specifically, allows to control with higher accuracy the braking pads pressure, by counteracting the rider pressure set point. A braking force controller is developed, taking care of the problems and of the aspects that should be improved in the actuator's design.

Il presente lavoro di tesi si occupa dello sviluppo di sistemi di assistenza elettronica alla frenata delle biciclette da corsa (ABS). Partendo dall'analisi della frenata ottima, lo scopo della tesi è lo studio dei sensori e dei possibili attuatori. L'obiettivo è di ottenere le massime prestazioni possibili da sensori e attuatori analizzati, e ad evidenziare criticità e aspetti da migliorare nelle fasi successive di progetto. L'obiettivo di un ABS è di garantire al veicolo la massima decelerazione possibile, preservandone stabilità e manovrabilità. Per fare ciò è necessario limitare lo slip, cioè la velocità relativa tra ruota e superficie stradale, ed evitare il sollevamento della ruota posteriore, dovuto al trasferimento di carico, che può causare un ribaltamento in avanti. Il controllo della frenata è utile sia per garantire la massima decelerazione, sia per evitare cadute, causate dal bloccaggio della ruota. Per controllare lo slip serve una sua stima, e un sistema di regolazione della forza frenante. Nonostante gli ABS siano già implementati da anni su auto e moto, a causa di alcuni vincoli specifici delle bici, quali soprattutto peso, dimensioni e disponibilità di energia, il reimpiego di sensori e attuatori utilizzati in tali settori non è possibile. La stima dello slip sfrutta la conoscenza delle velocità delle ruote. Viene proposto un particolare sensore e gli algoritmi di stima di velocità e slip, e vengono discusse le prestazioni finali in termini di accuratezza. Vengono poi studiate due tipologie di attuatori, di differente complessità ed efficacia. La prima si basa su valvole idrauliche on-off, che costituiscono la tecnologia utilizzata storicamente negli ABS. Sono studiate le potenzialità di una architettura di sistema innovativa, impiegando una valvola presente sul mercato inserita in un circuito frenante di una bicicletta. Il secondo tipo di attuatore, progettato appositamente, consente di controllare in modo continuo la pressione nella pinza freno, contrastando la pressione comandata dal ciclista. Viene sviluppato un controllo della forza frenante, ponendo attenzione alle difficoltà e agli aspetti da migliorare nella progettazione dell'attuatore.