Analisi e sviluppo di un sistema di assistenza alla frenata per mountain bike

The diffusion of bycicles of the last few years and the new role of bycicles in urban trasport showed the need of assistance systems that may prevent critical situations. Among all, braking assistance systems designed for bycicles could help to mantain vehicle’s stability and manoeuvrability during braking actions. A control system could prevent both major critical braking situations: nose-over and front wheel lockup. This dissertation is focused on the latter, namely the design of a control system for MTB (mountain bikes) able to prevent wheel lockups on low grip grounds, helping the rider to drive during a braking maneuver. First of all, a deceleration controller capable of prevent and control wheel lockups on different ground conditions is needed. The regulator architecture is selected based on a quantitative analysis of two essential aspects: safety performance and comfort for the rider. Moving to the activation logic, some situations may cause undesired behaviors of the control system. For example, using a MTB for sport puposes, one could jump or ride an uneven ground so to cause the detachment of the wheels from the ground, bringing to potentially dangerous actions of the control system. The development of a jump detection algorithm, based on the informations coming from the vertical acceleration measured by an inertial platform, let the activation logic to be more robust to these circumstances. Finally, in order to set a deceleration reference coherent with the actual braking action, a slip based activation logic is designed. To do so, a vehicle speed estimation is required: the vehicle velocity is obtained through a complementary filter by combining the front wheel speed measurement with the longitudinal vehicle acceleration measured with the inertial platform. Relying on the slip estimation, the activation logic choose whether to activate the control system or not, setting the deceleration reference based on brake action intensity and road grip.

La diffusione degli ultimi anni della bicicletta come mezzo di trasporto e il conseguente aumento di utenti hanno evidenziato la necessità della presenza di sistemi di sicurezza di cui, a differenza di automobili e motociclette, le biciclette non sono dotate. Tra questi, i sistemi di assistenza alla frenata sono tra i più importanti, in quanto riducono lo spazio di frenata e, soprattutto, aiutano l’utente a mantenere la stabilità e la manovrabilità del veicolo. La maggior parte delle situazioni di pericolo durante una frenata sono legate ai fenomeni di ribaltamento del veicolo e di blocco della ruota anteriore. Su quest’ultimo fenomeno è focalizzato il lavoro presentato in questo elaborato, ovvero lo sviluppo di un sistema di controllo per MTB (Mountain Bikes) in grado di garantire sicurezza al ciclista durante una manovra di frenata, evitando blocchi ruota su terreni a bassa aderenza. Il primo problema è quello di progettare un sistema di controllo di decelerazione, capace di evitare i bloccaggi della ruota anteriore su terreni con diversa aderenza strada-pneumatico. Per la scelta del regolatore viene proposta un’analisi quantitativa basata su due aspetti di fondamentale importanza: le prestazioni in termini di sicurezza e di comfort per il ciclista. Il secondo problema è invece rivolto alla logica di attivazione del sistema di controllo. L’utilizzo sportivo di una MTB implica situazioni in cui le ruote sono sollevate dal terreno (salti, terreno sconnesso...) e che potrebbero portare a comportamenti indesiderati del sistema di controllo. Lo sviluppo di un algoritmo di riconoscimento dei salti, basato sulle informazioni del segnale di accelerazione verticale proveniente dalla piattaforma inerziale, è necessario per garantire maggior robustezza alla logica di attivazione. Infine, affinché il riferimento di decelerazione impostato dalla logica di attivazione sia il più fedele possibile alla manovra di frenata in corso, viene proposta una logica di attivazione basata sulla stima dello slip della ruota anteriore. Quest’ultima richiede la stima di velocità di veicolo, ottenuta unendo con un filtro complementare la velocità di ruota anteriore con l’accelerazione longitudinale del veicolo. La logica di attivazione proposta è in grado di riconoscere se attivare il controllore in base al segnale di slittamento di ruota, scegliendo autonomamente il riferimento di decelerazione da inseguire in base all’intensità della frenata e al fondo stradale.