Development and experimental validation of ABS control strategies based on tyre force measurements

This thesis focuses on improving traditional Anti-Lock Braking System (ABS) performance by exploiting real-time tyre force measurements provided by a novel sensorised hub carrier. The proposed control system is structured as two nested feedback loops: an outer-loop estimator, which identifies the tyre longitudinal characteristic curve in real-time during braking and provides the optimal slip reference, and an inner-loop controller, which computes the brake torque required to track this reference. The estimator is formulated as an Extended Kalman Filter (EKF) based on the Pacejka Magic Formula model, relying on direct force measurements from the sensorised hub carrier. Two control strategies were considered: a feedback sliding mode controller (SMC) and a combined feedback-feedforward Proportional-Integral (PI) controller. The complete system, integrating estimator and controller, was first evaluated in simulation using a 14-degrees-of-freedom vehicle model across various manoeuvres, then on a newly developed and validated model of the Brembo Aerospace/Automotive Dynamometer (BrAD) following a model-based approach for controller parameter tuning, and finally tested experimentally on the physical BrAD test rig under conditions replicating both dry and wet tarmac. Experimental results demonstrate that both SMC and feedforward PI controllers, when coupled with the new EKF estimator, consistently outperform a traditional rule-based ABS, particularly under low-friction (wet) conditions. This improvement is enabled by the estimator’s ability to provide accurate and reliable slip references, allowing the controllers to operate closer to the peak of the tyre-road friction curve.

Questa tesi si pone l’obiettivo di migliorare le prestazioni del tradizionale sistema di frenata anti bloccaggio (ABS) sfruttando le misurazioni in tempo reale delle forze trasmesse dallo pneumatico, rese disponibili da un nuovo portamozzo strumentato. Il sistema di controllo proposto è strutturato come due anelli a retroazione annidati: un anello esterno, lo stimatore, che identifica la curva caratteristica longitudinale dello pneumatico in tempo reale durante la frenata, e fornisce il valore ottimale di slittamento dello pneumatico, e un anello interno, il controllore, che calcola la coppia frenante richiesta per seguire questo riferimento. Lo stimatore è realizzato come un filtro di Kalman esteso (EKF) basato sul modello della Formula Magica di Pacejka e utilizza le misure di forza fornite dal portamozzo. Sono stati considerati due controllori: uno a retroazione basato sul controllo sliding mode (SMC) e uno proporzionale-integrale (PI) con struttura combinata di feedback e feedforward. Il sistema completo, comprendente stimatore e controllore, è stato inizialmente testato su un modello virtuale del veicolo a 14 gradi di libertà in diverse manovre, quindi su un modello recentemente sviluppato e validato del Brembo Aerospace/Automotive Dynamometer (BrAD), seguendo un approccio model-based per la taratura dei parametri, e infine sperimentalmente sul banco prova BrAD in condizioni rappresentative di asfalto asciutto e bagnato. I risultati sperimentali mostrano come sia il controllo SMC che il feedforward PI, quando accoppiati con lo stimatore EKF, sono in grado di superare le prestazioni fornite dal tradizionale rule-based ABS, in particolare su superfici a bassa aderenza. Questo miglio ramento è reso possibile grazie all’abilità dello stimatore di fornire un riferimento di slittamento accurato e affidabile, permettendo al controllore di operare vicino al picco della curva di aderenza pneumatico-strada.