Application of Vehicle-in-the-Loop methodology to assess motorcycle ABS performance and detect the root cause of sub-optimal control interventions

The Anti-lock Braking System represents one of the most relevant active safety devices for the modern motorcycle, significantly contributing to the risk reduction of stability loss and crashes during critical braking manoeuvres. The evaluation of ABS performance in complex scenarios is critical and hardly feasible only through on-track experimental tests, both for safety and repeatability limits. This thesis proposes an innovative approach based on advanced Vehicle-in-the-Loop technologies, for the study and assessment of ABS control strategies for motorcycles. The adopted architecture allows the real-time integration of high-fidelity dynamic models of vehicle, rider and environment, with real hardware components like ABS ECU, sensors and braking system’s actuators. This approach allows reproducing extreme operative conditions, difficult or dangerous to replicate on the track, maintaining high levels of safety and repeatability. Through the ViL framework, it is possible to analyse the behaviour of the ABS in critical scenarios like low-µ, µ-jump and µ-stripes, reproducing sub-optimal interventions during emergency braking manoeuvres. The capability to decouple the variables affecting the motorcycle dynamics, like the tire’s dimensionless longitudinal stiffness, the tire radius and the relaxation length, enables an in-depth analysis of the cause-and-effect relationship between physical parameters and the ABS intervention during braking, ensuring the identification of the critical variables at the root of the anomalies. Results highlight how the ViL represents a fundamental instrument for the design, tuning and validation of ABS for motorcycles, reducing the necessary number of tests on-track and broadening the scope of the investigation. The proposed approach contributes to improving the motorcycle safety, accelerating the development of more efficient braking systems in real use conditions.

L’Anti-lock Braking System (ABS) è uno dei dispositivi di sicurezza attiva più rilevanti per il motociclo moderno, contribuendo in modo significativo alla riduzione del rischio di perdita di stabilità e caduta durante le frenate critiche. La valutazione delle prestazioni dell’ABS in scenari complessi e pericolosi risulta critica e difficilmente realizzabile tramite sole prove sperimentali in pista, sia per ragioni di sicurezza sia per limiti di ripetibilità. Il presente lavoro propone un approccio innovativo basato su tecniche avanzate di Vehicle-in-the-Loop (ViL) per lo studio e la validazione delle strategie di controllo ABS per motociclo. L’architettura adottata consente l’integrazione in tempo reale di modelli dinamici ad alta fedeltà di veicolo, pilota e ambiente, con componenti hardware reali quali la centralina ABS, sensori e attuatori dell’impianto frenante. Questo approccio permette di riprodurre fedelmente condizioni operative estreme, difficilmente o pericolosamente riproducibili in pista, mantenendo al contempo elevati livelli di sicurezza e ripetibilità. Attraverso il banco ViL è possibile analizzare il comportamento dell’ABS in scenari critici come condizioni di low-µ, µ-jump e µ-stripes, riproducendo gli interventi sub-ottimali durante le frenate di emergenza. La possibilità di disaccoppiare le variabili che influenzano la dinamica del motociclo, come la rigidezza longitudinale adimensionale, il raggio dello pneumatico e la lunghezza di rilassamento, permette un’analisi approfondita del rapporto causa-effetto fra i parametri fisici e l’intervento del sistema ABS durante la frenata, garantendo l’individuazione delle variabili critiche alla radice delle anomalie. I risultati evidenziano come l’utilizzo di tecniche ViL rappresenti uno strumento fondamentale per la progettazione, la calibrazione e la validazione dell’ABS per motocicli, riducendo il numero di test in pista necessari e ampliando il dominio di indagine. L’approccio proposto contribuisce a migliorare la sicurezza del motociclo, accelerando lo sviluppo di sistemi di frenata più efficaci in condizioni reali di utilizzo.