Analisi e sviluppo di algoritmi per il controllo elettronico della cambiata in biciclette da corsa

In this thesis the development of a control system for the automatic choice of transmission ratio in racing bicycles is proposed. This problem is particularly relevant especially if applied to cyclists who face many slope variations along the way. In fact, a good shifting strategy allows the cyclist to obtain a comfort improvement and an increase in performance. First, the behavior of two cyclists with a good level of athletic training is analyzed: one semi-professional and one expert cyclist without racing experience. The analysis is aimed at obtaining, for each athlete, a metabolic efficiency map from which the preferred cadence can be selected according to the slope variation and the measured torque. Based on the model of the bicycle-cyclist system, which is experimentally validated, a cadence regulator able to suitably choose the transmission ratio of the bicycle is implemented, to follow the cadence reference selected from the cyclist’s efficiency map. Finally, an open loop road slope compensator is proposed. It can speed up the disturbance rejection acting on the cadence loop, improving the cyclist’s comfort when he passing from a flat road to an uphill road.

Il presente elaborato propone lo sviluppo di un sistema di controllo per automatizzare la scelta del rapporto di trasmissione nelle biciclette da corsa. Si tratta di un problema particolarmente rilevante soprattutto se applicato ai ciclisti che affrontano numerosi cambi di pendenza lungo il percorso. Una buona strategia di cambiata permette infatti al ciclista di ottenere, oltre ad un miglior comfort, un incremento delle prestazioni. In primo luogo, si è analizzato e confrontato il comportamento di due ciclisti con un buon grado di preparazione atletica: uno semi-professionista e uno esperto ma senza abitudine alle gare ciclistiche. L’analisi ha permesso di ricavare per ognuno dei due atleti una mappa di efficienza metabolica da cui verrà selezionata la cadenza preferita del ciclista in funzione della pendenza della strada e della coppia misurata. Sulla base del modello del sistema bicicletta-ciclista, validato sperimentalmente, si implementa dunque un regolatore di cadenza capace di scegliere opportunamente il rapporto di trasmissione della bicicletta per inseguire il riferimento di cadenza selezionato dalla mappa di efficienza del ciclista. Infine viene proposto un compensatore di pendenza in anello aperto in grado di velocizzare la reiezione del disturbo agente sull’anello di cadenza, migliorando così la sensazione di comfort del ciclista nel passaggio da un tratto stradale in piano ad uno in salita.