Analisi e sviluppo di un sistema di assistenza alla frenata per biciclette

The development of electronic braking assistances, like the well known Anti-lock Braking System (ABS), has been deepened in the literature for vehicles such as planes, trains, cars and motorcycles. In Europe car manufacturers have to fit ABS for all the passenger cars since 2004 and for all the motorbikes since 2016. The bicycle sector, however, is still an unexplored field. This dissertation presents the development of a braking assist aimed for bicycles. The system uses off-the-shelf hydraulic disk brakes adapted with an actuator prototype specifically designed for the purpose. The overall system is designed to be integrated with the bicycle frame, accounting for the weight, the dimensions and energy consumption. The main objective discussed is to provide a methodologic approach to design a control scheme that corrects some hazardous conditions that may arise while braking. To this end, it is proposed a detailed description of the actuator used. It is described, by means of differential equations, the hydraulic braking system to show how the actuator can modulate the pressure inside the braking caliper and, therefore, the braking torque. It’s presented the methodology necessary to produce a current control and a position control of the movable components of the actuator. Then, it’s given the method to design a wheel deceleration control that inherits the previously mentioned actuator control algorithms. Some tests that proof the performances of the deceleration controller have been presented. The focus of this elaborate is to describe the project of an activation logic that flags when to activate the deceleration control. This result is pursued by proposing an estimate of vehicle speed obtained with a complementary filter. The estimate is obtained by combining the measurement of the angular velocity of the front wheel with the acceleration of the vehicle measured with an inertial platform. In conclusion an estimate of the slip of the front wheel is presented thanks to the estimated speed. The deceleration control and the activation logic mentioned have been verified experimentally. The obtained results show the potential of the approach presented.

Lo sviluppo di sistemi di assistenza alla frenata (ABS) è stato approfondito in letteratura per una serie di veicoli quali aerei, treni, automobili e motociclette. In Europa dal 2004 è obbligatorio che le autovetture immatricolate montino un ABS, mentre dal 2016 l'obbligo è stato esteso alle motociclette. Il settore delle biciclette, invece, rappresenta ancora un campo inesplorato. L'elaborato presenta lo sviluppo di un sistema di assistenza alla frenata per biciclette. Il sistema utilizza impianti frenanti idraulici già disponibili in commercio adattati con un attuatore idraulico prototipale. Il sistema complessivo è progettato per essere integrabile in una bicicletta tenendo conto del peso, degli ingombri e del consumo energetico. L'obiettivo principale dell'elaborato è di fornire una metodologia per progettare uno schema di controllo che sia in grado di correggere eventuali condizioni di pericolo. A questo scopo è proposta una descrizione dettagliata dell'attuatore prototipale utilizzato. Si descrive quindi, tramite equazioni differenziali, l'impianto idraulico e come l'attuatore può modulare la pressione nella pinza del freno. Viene presentata la metodologia necessaria a produrre un controllo di corrente ed un controllo di posizione delle componenti mobili nell'attuatore e, con questi controlli, viene presentato il progetto di un controllo di decelerazione della ruota anteriore della bicicletta. Viene inoltre presentata una stima della velocità del veicolo unendo con un filtro complementare la misura della velocità angolare della ruota anteriore e l'accelerazione longitudinale del veicolo misurata con una piattaforma inerziale. Il corpo dell'elaborato descrive una logica in grado di attivare il controllo di decelerazione e di scegliere autonomamente il riferimento che questo deve inseguire. La logica presentata utilizza una stima dello slip della ruota anteriore ottenuta grazie alla velocità stimata del veicolo e la velocità angolare misurata della ruota anteriore. Il controllo di decelerazione e la logica di attivazione sono stati verificati sperimentalmente. I risultati ottenuti mostrano quindi le potenzialità dell'approccio presentato.