Analysis and development of an anti-lock braking system for cargo e-bikes

The anti-lock braking system (ABS) is one of the most important automatic safety devices on any kind of vehicle, and especially on two-wheelers. As its name suggests, the ABS helps to prevent wheel lockups, hence reducing the braking space and avoiding the loss of control of the vehicle. Nevertheless, bicycles have so far been scarcely affected by the development of such systems. This thesis aims to help fill this void by presenting the development of a specific ABS for cargo bicycles. The structure and dynamics of this kind of vehicle are different from those of a traditional bicycle: its long wheelbase makes the front wheel particularly prone to lockups. For this reason, it was necessary to study a dedicated solution. To develop the control system, it was first necessary to design an algorithm for estimating vehicle speed and wheel slip; the latter is a fundamental variable in braking dynamics. Then, two different solutions for braking control were studied: the first is based on classic pure-slip and pure-deceleration regulation schemes, which are activated based on an innovative logic. The second uses the Mixed Slip and Deceleration scheme, still never applied in the field of bicycles. Given the critical role played by the ABS in cyclist's safety, the system should be provided with a series of procedures to check the correct operation of its different components continuously. To this aim, the last part of the work has been devoted to the development of a system capable of detecting errors in the accelerometer measurements. Three different solutions have been explored: the first has a model-based background, while the second and third are based on heuristic methods. The whole work is based on an initial model of the system and was then supported by an intense experimental analysis on a suitably equipped cargo bicycle. The obtained results demonstrate the effectiveness of the proposed solutions.

Il sistema anti bloccaggio (ABS) è uno dei dispositivi automatici di sicurezza più importanti su ogni tipo di veicolo, e in particolar modo su quelli a due ruote. Come suggerisce il nome, l'ABS permette di evitare il bloccaggio delle ruote, riducendo lo spazio di frenata e consentendo di mantenere il controllo del mezzo. Nonostante ciò, il mondo delle biciclette è stato finora scarsamente interessato dallo sviluppo di tali sistemi. Questa tesi si propone di aiutare a colmare questo vuoto, presentando lo sviluppo di un ABS specifico per biciclette cargo. La struttura e le dinamiche del veicolo sono diverse da quelle di una bicicletta tradizionale: la posizione molto avanzata della ruota anteriore la rende infatti particolarmente suscettibile ai bloccaggi. Per questo motivo è stato necessario studiare una soluzione mirata. Ai fini dello sviluppo del sistema di controllo, è stato prima necessario progettare un algoritmo per la stima della velocità del veicolo e dello slittamento di ruota; quest'ultima è una variabile chiave per le dinamiche di frenata. In seguito, sono state studiate due diverse soluzioni per il controllo della frenata: la prima si basa sui più classici schemi di regolazione del solo slittamento e della sola decelerazione, che vengono attivati alternativamente sulla base di una logica innovativa. Il secondo utilizza lo schema Mixed Slip and Deceleration, mai applicato nel campo delle biciclette. Visto il ruolo critico che l'ABS svolge nella sicurezza del ciclista, è opportuno fornire il sistema con una serie di procedure che verifichino continuamente il corretto funzionamento dei suoi diversi componenti. Per questo motivo, l'ultima parte del lavoro è stata dedicata allo sviluppo di un sistema in grado di individuare errori nelle misure provenienti dall'accelerometro. Tre diverse soluzioni sono state esplorate: la prima si basa su un modello analitico del problema, mentre la seconda e la terza si fondando su metodi euristici. L'intero lavoro si fonda su una prima modellazione del sistema, ed è poi stato supportato da un'intensa analisi sperimentale su una bicicletta cargo opportunamente equipaggiata. I risultati ottenuti hanno dimostrato l'efficacia delle soluzioni proposte.