Analysis and development of a braking assistance system for an e-bike

Electric pedal-assisted bicycles (\textit{e-bikes}) are increasingly used, especially in urban areas. Nevertheless, they still lack of braking assistance systems, which are essential for ensuring limited stopping distance and for avoiding the loss of control of the vehicle, that leads to the fall of the cyclist. The purpose of these systems is to identify the wheel lock, which is the main hazard for bicycle users, and to intervene. The aim of this thesis is to study the dynamics of rear braking manoeuvres and to develop a control system that responds to the main critical points identified. Experimental tests were carried out on a city e-bike to pursue these goals. Initially, braking manoeuvres has been evaluated, both in open loop and in closed loop. The targets of this analysis were first to investigate performance and critical points of the control system provided by \textit{Blubrake s.r.l.} applied on the rear wheel without any modification, then to eventually retune the control logic to obtain better results. Secondly, a control system based on \textit{longitudinal slip} has been developed. This variety of controller requires an accurate \textit{slip estimation} and, hence, an accurate vehicle speed one. The estimation is performed through a complementary filter that blends wheel speed signal and vehicle acceleration signal, improving significantly the estimation by means of some expedients based on braking identification. The control system has been experimentally validated in different conditions and the obtained results showed the qualities of the proposed approach.

Le biciclette a pedalata assistita (\textit{e-bikes}) sono sempre più utilizzate, soprattutto in città. Tuttavia, difettano ancora di sistemi di assistenza alla frenata, fondamentali per garantire uno spazio d'arresto ridotto e per evitare la perdita di controllo del veicolo, con conseguente caduta del ciclista. Il compito di questi sistemi è riconoscere il bloccaggio della ruota, principale fattore di rischio per gli utilizzatori di biciclette, e intervenire. Lo scopo di questa tesi è studiare la dinamica delle frenate posteriori e sviluppare un sistema di controllo che risponda alle criticità individuate. Tali obiettivi sono stati perseguiti attraverso numerosi test sperimentali con una e-bike da città. La prima comprende un'analisi delle prestazioni di frenata, svolta sia in anello aperto, sia in anello chiuso. Gli obiettivi perseguiti sono stati la valutazione del rendimento e delle criticità del sistema di controllo fornito da \textit{Blubrake s.r.l.}, applicato, senza modifiche, alla ruota posteriore, e l'eventuale ritaratura delle logiche di controllo per ottenere prestazioni migliori. La seconda si concentra sullo sviluppo di un controllo basato sullo \textit{slittamento}. Questa tipologia necessita di una stima accurata dello \textit{slip} e quindi di velocità di veicolo. La stima è effettuata attraverso un filtro complementare che unisce i segnali di velocità di ruota e di accelerazione di veicolo con, in aggiunta, degli accorgimenti che permettono di migliorare significativamente l'accuratezza della stima. Il sistema di controllo è stato poi validato sperimentalmente in diverse condizioni. I risultati ottenuti dimostrano le qualità dell'approccio proposto.