Wheel-road contact detection and control for a two-wheeled self-balancing ground drone

This Thesis deals with an innovative vehicle that can be defined as a two-wheeled self-balancing ground drone, for the delivery of parcels to the streets, bike lanes and doorstep sidewalk. This is a very efficient concept, tackling urban pollution and traffic weaks. In particular, the aim of this Work consists in: 1. the on-line identification of dangerous use cases for the vehicle stability, mainly constituted by the wheels lifting off the ground, as a consequence of street irregularities; 2. containment through the design and implementation of a dedicated wheel speed control. The followed path starts with an experimental phase, where the use cases have been identified through videos and data analysis, to recognize the distinctive features of each one and a physical justification is outlined. These tests lead to the idea of a dedicated wheel speed control, to be activated based on a stability-danger detection algorithm. The wheel speed control is needed to keep the coherence between the wheel speed and the ground in absence of rolling without sliding conditions. To reach this goal an in-depth about vehicle modelling and identification is necessary, even because the literature about similar vehicles is scarce. The main contribution of this Work is given by the generation of a signal whose magnitude is informative about a particular potentially dangerous use case. Also, to improve the performances of these safety-critical system, different generation methods are analysed and implemented. To optimize the data classification, two approaches were studied: supervised and unsupervised, each subdivided into learning and testing phases. In general, particular attention is devoted to obtaining reliable, easily implementable and cost-effective techniques, that make use of electronics and sensors already available in the vehicle concept setup.

La presente Tesi riguarda un veicolo innovativo che può essere definito come drone terrestre, autobilanciato da due ruote motrici, per la consegna di oggetti lungo strade, piste ciclabili e marciapiedi. Si tratta di un concept molto efficiente, che contrasterebbe l’inquinamento urbano e le inefficienze derivanti dalle classiche spedizioni su furgone. In particolare, lo scopo di questo lavoro consiste in due punti: 1. identificazione on-line di condizioni pericolose per la stabilità del veicolo, soprattutto costituite dal sollevamento di una o entrambe le ruote dal terreno, a causa delle irregolarità stradali; 2. contenimento, tramite il progetto e l’implementazione di un controllo di ruota deicato. Il percorso seguito inizia con una fase sperimentale, in cui tali condizioni pericolose sono state identificate tramite l’analisi di video e di dati, per distinguere le particolarità di ciascuna e si è delineata una giustificazione fisica. Questa fase ha portato alla conclusione della necessità di un controllo di ruota dedicato, da attivare in base al rilevamento del pericolo da parte dell’algoritmo. Infatti, tale controllo di ruota serve a mantenere coerenza tra la velocità di ruota tangenziale relativamente alla velocità del suolo sottostante, in assenza della condizione di rotolamento senza strisciamento. Per raggiungere tale obiettivo, è stato modellizzato il veicolo nelle sue parti, anche perchè la Letteratura riguardante sistemi simili è scarsa. Il contributo più importante del Lavoro è dato dall’algoritmo di generazione di segnali il cui modulo è indice della particolare situazione pericolosa in atto. Inoltre, per migliorare la robustezza di tale sistema, diversi metodi di generazioni sono stati formalizzati e implementati in combinazione. Per ottimizzare la classificazione del dato, due approcci distinti sono stati studiati: supervisionato e non supervisionato, ciascuno suddiviso nelle fasi di apprendimento e testing. In generale, è stata dedicata paticolare attenzione all’ottenimento di tecniche affidabili, facilmente implementabili ed economicamente vantaggiose, che sfruttano l’elettronica e i sensori già presenti nel setup del veicolo.