Active steer control for the autonomous driving of a three-wheeled vehicle and power steer analysis for motorcycles

In recent years, one of the main challenges in the automotive industry has been to increase driving safety. Self-driving cars are expected to fully replace human drivers in the next decades, and projects about autonomous motorcycles are currently developed. However, these two wheeled prototypes are not meant to replace riders in the near future, but rather to achieve a better understanding of vehicle dynamics to design better safety systems and to increase riding comfort. In this thesis the first issue to be addressed is the development of a path tracking control strategy for an autonomous scooter. First of all, a linear model capable of describing the lateral dynamics of the vehicle is derived and its parameters are obtained through an identification of a scooter present in a multi-body simulator standard library. Three different controllers are thus developed and analysed. In the first two a cascade structure is designed, where an internal regulator controls the lean dynamics, while an external one deals with the lateral lookahead error dynamics, which is defined in state space. The last controller is an MPC where a pure pursuit algorithm generates its references. Each control has been validated in the range of speeds between 30 and 50 km/h on the multi-body simulator on two benchmark tests: Piaggio Pontedera circuit and the ISO 3888-1 Double Lane Change. The second part of this work deals with the power steer implementation problem on motorcycles, proposing an assist torque generation proportional to the rider torque and analysing its effects on the riding experience. In order to implement power steer in real applications without the need of a sensor, a steering torque estimation strategy is also presented.

Negli ultimi anni, una delle principali sfide nel settore automobilistico è stata quella di aumentare la sicurezza nella guida. Si prevede che le auto a guida autonoma sostituiranno completamente i piloti umani nei prossimi decenni e attualmente vengono sviluppati progetti su moto autonome. Tuttavia, questi prototipi a due ruote non hanno lo scopo di sostituire i motociclisti nel prossimo futuro, quanto piuttosto di aiutare a comprendere meglio le dinamiche del veicolo per sviluppare sistemi di sicurezza migliori e aumentare il comfort di guida. In questa tesi il primo problema affrontato riguarda la progettazione di una strategia di controllo per l'inseguimento di traiettoria per uno scooter autonomo. Innanzitutto, viene derivato un modello lineare in grado di descrivere la dinamica laterale del veicolo e i suoi parametri sono ottenuti attraverso l'identificazione di uno scooter presente in una libraria standard di un simulatore multi-body. Vengono così sviluppati e analizzati tre diversi controlli. Per i primi due è stata progettata una struttura a cascata, in cui un regolatore interno controlla la dinamica di rollio, mentre uno esterno si occupa della dinamica dell'errore laterale di lookahead, che è definita in spazio di stato. L'ultimo controllore è un MPC dove l'algoritmo pure pursuit genera i suoi riferimenti. Ogni controllo è stato validato sul simulatore multi-body nel range di velocità tra 30 e 50 km/h attraverso due test di riferimento: il circuito di Pontedera della Piaggio e la manovra Double Lane Change ISO 3888-1. La seconda parte di questo lavoro affronta il problema dell'implementazione del servosterzo sui motocicli, proponendo una generazione di coppia assistita proporzionale alla coppia del pilota e analizzando i suoi effetti sull'esperienza di guida. Al fine di implementare il servosterzo in applicazioni reali senza la necessità di usare un sensore, viene presentata anche una strategia per la stima della coppia applicata allo sterzo.