Analisi e sviluppo di un sistema antiribaltamento e antibloccaggio della ruota anteriore per biciclette

Electronic braking assistance systems are one of the most important safety systems for two wheeled vehicles. They reduce the braking distance and, most importantly, help the user to maintain controllability and steerability of the vehicle. Nowadays bicycles have not received the same amount of attention as motorbikes because they are mainly considered recreational vehicles, but as a part of VRU (Vulnerable Road Users) category, they deserve more attention. This dissertation presents the development of algorithms able to detect two phenomena every bicycle rider is afraid of during a braking, that are nose-over (i.e., lift-off of the rear wheel) and front wheel lockup. As regards the first detection problem a pitch-angle estimation is proposed trough integration of the corresponding angular velocity measured by an inertial platform. Integration cannot be always kept active due to the obvious drift problems linked with the bias of the signal; therefore integration is activated only if necessary, namely when the cyclist-bicycle system is close to the nose-over condition. The second detection problem is instead tackled by proposing a wheel slip estimation. Slip estimation in turn requires a vehicle longitudinal velocity estimation which is obtained through a complementary filter by combining the front wheel angular velocity measurement with the longitudinal vehicle acceleration measured with an inertial platform. Then the wheel slip is computed using the estimated vehicle velocity and the front wheel measured angular velocity. Furthermore activation logics are presented. Relying on proposed detection algorithms, they decide whether or not to activate the front wheel deceleration control of the bicycle, and they choose by themselves the reference that the controller must follow. In this way the cyclist can reach the deceleration level he wants without any a priori limitation; the electronic braking assistance comes into play against user braking action only if necessary, namely only in case rear wheel lift-off (stoppie) or front wheel lockup are detected, regardless of road surface typology and condition. The deceleration control with the proposed activation logics has been verified experimentally; the obtained results show the potential of the presented approach.

I sistemi di assistenza alla frenata sono tra i più importanti sistemi di sicurezza per veicoli a due ruote, in quanto riducono lo spazio di frenata e, soprattutto, aiutano l'utente a mantenere il controllo e la capacità sterzante del veicolo. Ad oggi le biciclette non hanno ricevuto la stessa attenzione dedicata alle motociclette poiché sono considerate principalmente dei veicoli di svago, ma essendo anch'essi dei VRU (Vulnerable Road Users) meritano maggior attenzione. L'elaborato presenta lo sviluppo di algoritmi in grado di riconoscere i due fenomeni che mettono maggiormente a rischio la stabilità di un ciclista durante una manovra di frenata, ovvero il ribaltamento in avanti ed il bloccaggio della ruota anteriore. Per quanto concerne il primo problema di riconoscimento viene proposta una stima dell'angolo di beccheggio tramite integrazione della corrispondente velocità angolare misurata con una piattaforma inerziale. L'integrazione non può essere mantenuta sempre attiva per ovvi problemi di deriva dovuti al bias presente nel segnale; l'integrazione viene quindi attivata solo se necessario, cioè in prossimità del raggiungimento della condizione di incipiente ribaltamento. Il secondo problema di riconoscimento viene invece affrontato proponendo una stima dello slip di ruota. La stima dello slip richiede a sua volta una stima della velocità di veicolo, ottenuta unendo con un filtro complementare la misura della velocità angolare della ruota anteriore con l'accelerazione longitudinale del veicolo misurata con una piattaforma inerziale. Lo slip viene quindi calcolato usando la velocità di veicolo stimata e la velocità angolare misurata della ruota anteriore. Vengono inoltre presentate delle logiche di attivazione che, basandosi sugli algoritmi di riconoscimento proposti, decidono se attivare o meno il controllo di decelerazione della ruota anteriore della bicicletta, e scelgono autonomamente il riferimento che questo deve inseguire. In questo modo il ciclista può raggiungere il livello di decelerazione che desidera senza alcuna limitazione a priori, e il sistema di assistenza alla frenata entra in gioco contrastando l'azione frenante dell'utente solo se necessario, cioè solo nel caso in cui venga riconosciuto il sollevamento della ruota posteriore (stoppie) o il blocco di quella anteriore, indipendentemente dalla tipologia e condizione del manto stradale. Il controllo di decelerazione con le logiche di attivazione proposte è stato testato sperimentalmente; i risultati ottenuti mostrano le potenzialità dell'approccio presentato.