SlideShare a Scribd company logo
1 of 10
Download to read offline
1 
 
 
 
 
 
 
Universal ABS & Traction Control for a Two‐Wheeled Vehicle 
 
ENGL 398 
 
 
 
 
Submitted to: Michael Chappilini 
 
Submitted by: Masihuddin Ahmed 
 
December 4, 2015 
 
Mechanical and Aerospace Department 
 
 
 
 
 
 
2 
 
Abstract 
 
The proposed project is to design, develop, and implement a universal traction control system 
for two wheeled vehicles. The proposed project will be overseen by Malcolm Cooke starting 
January 12th, 2016 and will be completed by April 30, 2016. This proposal covers the need, 
problem background, and methodology, team member qualifications. It also proposes a 
schedule, budget, and procedure for the completion of this project. The goal of this project is to 
make the roads safer for both the motorcyclists and those with whom they share the roads. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
 
Table of Contents 
 
Introduction  4
 
Project Description  4
 
Literature Review  4
 
Methodology  6
 
Schedule of Work  7
 
Member Qualifications  8
 
Anticipated Involvement  8
 
Budget  9
 
References   10
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 
Introduction 
 
Motorcycles can be very entertaining to operate, but also very dangerous. In recent years, as 
electronic systems have made cars safer, the gap between the safety of cars and motorcycles 
has increased. Anti‐Lock Brakes have been shown to consistently decrease braking distances by 
over 30%. [12]For those who learned to drive on cars that came with traction control and anti‐
lock brakes, motorcycles can be raw and daunting. We propose to research, design, and build a 
traction control, tip control, and anti‐lock braking system for a motorcycle. Somewhat similar 
systems exist for automobiles, and anti‐lock braking systems are progress in the commercial 
motorcycle world, but a system that does all of these things together would be revolutionary 
over both current systems.  
 
Project Description 
 
The final working product will be a standalone system that can be installed and can 
work on any standard road legal two wheel vehicle. The system would measure wheel speed 
and tilt angle, will detect imminent slip or tip and using the user inputs of steering angle, brake 
pedal pressures, and throttle pressures, will apply either the rear or front breaks at variable 
strengths and duration to reduce impact or avoid crash altogether. This system would make 
motorcycles safer and reduce accidents and scares for riders. Cars already have these systems 
and already improve the safety of the roads. It would have the capability to be applied to any 
two wheeled fuel driven vehicle across the world, including the scooters. Overall then, the 
system would make road transportation safer for all.  
 
Literature Review: 
 
Anti‐Lock Brakes 
 
In emergency braking situations, the operator of the vehicle desires to reduce the 
velocity as quickly as possible, and as such, will jam the brake line. If the inertia of the vehicle is 
great enough, this can cause the wheel to lock under the high pressure of the brake line. Not 
only does this increase braking time, but it also causes uneven tire wear as the vehicle is 
skidding on a single contact patch. Furthermore, under locked wheels, the vehicle becomes 
uncontrollable and the steering controls 
produce no response. Should the operator need 
to avoid an object, they would be unable to do 
so.  
Anti‐Lock brakes were first developed for 
trains over a century ago. In the 1940s, this 
system was transferred to airplanes in the 
middle part of the twentieth century to improve 
capabilities when landing. Ford first introduced 
ABS to road going vehicles when it placed the 
expensive and unreliable “Sure‐Track” to its cars 
Figure 1 [8] 
5 
 
in 1969. The product was not perfected until it was reintroduced by Mercedes‐Benz in 1979. 
Most cars came with ABS(Anti‐Lock Brakes) standard by the start of the twenty‐first century. In 
2011, ABS was made mandatory on all commercially sold vehicles by the United States Federal 
Government[11].  
For a two wheeled vehicle, the anti‐lock braking system consists of two‐wheel speed 
sensors and two hydraulic pumps controlled by the vehicle’s ECU(Electronic Control Unit) [1]. 
The speed sensors are used to monitor the front and rear wheel speeds. When the differential 
between the front and rear wheel speeds exceeds a maximum threshold, the ECU modulates 
the brakes of the faster wheel at increasing frequency in an attempt to minimize the 
differential.  Modulation of the brakes (instead of constant, direct application) is done to 
prevent the brakes from locking a tire (dropping its speed to zero) and resulting in loss of 
vehicle control. In addition, long‐term, continuous application of brakes requires rapid transfer 
of heat to the surrounding atmosphere [5]. This rapid dissipation of heat is not always possible 
and may result in mechanical failure. 
 
Traction Control 
 
  In the 1980s, BMW recognized that drivers tend to overact and lose control before 
dangerous maneuvers and accidents. In these situations, known as either over steer or under 
steer, the front wheels or the rear wheels lose traction under turning, and the steering inputs 
do not provide accurate controls on where the vehicle will progress to. In these cases, the 
wheels that have lost tractions will not travel exact perpendicular to their radial direction, and 
as such, will travel at a higher rate of revolution than both the same theoretical wheel that 
would not be slipping, and other wheels on the vehicle that have traction. By detecting and 
individually decreasing this wheel’s speed, control can be regained[4].  
BMW released its lowest priced car with TCS (Traction Control System) in the early 
1990s. As its occurrence increase in production models across different manufacturers, roads 
were found have become safer. In June 2006, The United States Insurance Insitute for Highway 
Safety issued a study in which it concluded that an additional 10,000 fatalities could be avoided 
per year if all vehicles were equipped with Traction Control.  In 2011, TCS was made mandatory 
on all commercially sold vehicles by the European Union[6]. 
  Using the same wheel speed sensors from ABS systems, TCS systems control wheel 
speed to control the vehicle and maintain control. When slip is detected from the wheel speed 
sensor, yaw sensors, and steering angle sensors, individual wheels are control by one of three 
methods. The first two methods can only be applied to wheels driven by the engine – typically 
either only the front wheels, or only the rear wheels. The first method is to retard ignition to 
reduce the power from the engine to the crankshaft, thereby reducing wheel speed. The 
second is to electronically adjust the throttle and reduce the driven wheel speed. The last 
method, which allows for the most control, is to electronically apply individual brake using 
hydraulic pumps [9]. 
Traction control scenarios where the vehicle is stuck (in mud or snow for example) are 
the most difficult to deal with [2]. Inventors Davor Hrovat, Michael Fodor, and Mitch McConnel 
patented a method for traction control in which the relationship between the driver’s power 
train input (the gas pedal) and the power train output changes based on environmental 
6 
 
conditions. This method allows the vehicle to compensate for changes in environmental 
conditions rather than relying on the driver to manually compensate using the vehicle’s gas 
pedal. 
 
Application for Two‐Wheeled Vehicles 
 
The Institute for Highway Safety, in a study conducted in 2013, found that the rate of 
fatal crashes is 31 percent lower for motorcycles equipped with ABS [3]. The EU has mandated 
that by 2016 all two‐wheel vehicles will be equipped with ABS and traction control [8]. This is 
part of an effort to make the roads safer for motorcycle drivers as well as those in their vicinity. 
If this law results in safer roads, it is likely that other nations outside the EU will also adopt such 
a law. In anticipation of such a requirement, this project will help develop a system to meet the 
demand before it is needed.  
The objective of the proposed project is to develop an anti‐lock braking and traction 
system that can be universally applied to any two wheeled vehicles. The challenge would be to 
imitate an automobile system while accounting for the extra tilt dimension.  However, the 
added information of changing contact patch provides extra information over an automobile 
system. By analyzing how the contact patch changes as a function of angle, wheel speed, and 
surface type an algorithm can be developed to approximate the contact patch region [10]. From 
the contact patch approximation, it would be possible to predict how the current vehicle state 
falls in relation to a critical slip region (in which the bike will start to lose traction).  
Robert Lot from the University of Padova’s mechanical engineering department 
developed an accurate mathematical model for the dynamic behavior of motorcycle tires by 
analyzing experimental data [7]. Lot’s model takes into account the deformability (due to the 
elastic nature) of the tire as well as its actual shape. His model allows for the determination of 
the actual contact point (the center of the contact patch area). The velocity vector of the actual 
contact point can then be used to calculate longitudinal and sideslip angles, which allows one to 
determine instantaneous slip. 
 
 
Methodology: 
 
Lock‐up (ABS): 
 
Under heavy braking, the inertia of the vehicle coming into the maneuver will overcome 
the friction force on the tire, and the wheel will lock – causing potential loss of control and 
increased stopping distance. Under this circumstance, the wheel speed of the locked wheel will 
drastically drop to zero, while the vehicle and other non‐locked wheels will continue to travel at 
speed. A sure sign of this is when any wheel speed drastically and suddenly drops to zero, while 
the vehicle and other wheel maintain their speed.  To determine when this is occurring, the 
system must monitor all wheel speeds individually.  
After determining that one or both of the wheels have locked, the system will then 
apply negative voltage in pulses to the hydraulic pump, thereby releasing the pressure, and in 
turn, the brakes. Normal ABS systems use a vacuum release valve to periodically release the 
7 
 
pressure, but for the sake of our system, a two‐way hydraulic pump can do the job of both the 
ABS and the TCS unit.  
 
Traction‐loss (TCS): 
 
When turning suddenly and at an excessive speed, the traction of the sidewall on any 
wheel may break from the inertia of the vehicle coming into the turn, resulting in a total loss of 
control, and usually a dangerous spin. At the onset of the loss of traction, the wheel that has 
lost traction is no longer traveling racially ‐ instead, it is travelling in a direction at an angle from 
the rest of the vehicle. In this case, this wheel ‐ no longer travelling in a straight line – is actually 
travelling at a higher speed than the other wheels.  
Again, using wheel speed sensors on individual wheels, this can be detected. When the 
front wheels lose traction, the vehicle fails to turn completely, resulting in understeer. When 
the rear wheels lose traction, the vehicle tends to turn excessively, resulting in oversteer. After 
determining that one or both of the wheels have lost traction, the system will then apply 
positive voltage in to the hydraulic pump, thereby increasing the pressure, and in turn, applying 
brakes.   
 
 
Figure 2 & 3 [2] 
 
 
Schedule of work: 
 
Completed 
By  
Project Component  
9/7/15   Research on existing ABS and traction control for automobiles  
9/15/15   Research on existing motorcycle ABS systems  
9/30/15   Research on tire contact patches, specifically how they change over time  
8 
 
10/15/15   Research on electronic throttle stabilization  
10/30/15   Research on skipping fuel injection and ignition retardation  
11/15/15  
Research on any alternative proposed methods for traction control; Focus on 
experimental and theoretical methods, ones that have not been implemented 
yet.  
11/30/15  
Design and setup a test bench and test cases that can be used to test the system 
once it is prepared  
12/15/15  
Version 1 of the code must be prepared and tested. Experimental results from the 
collected data should be gathered and prepared for analysis.  
1/11/15   Project submitted to Professor Malcolm Cooke  
 
 
Member qualifications : 
Masihuddin Ahmed  
• Mechanical Engineering, & Pre‐Med 
• Designed shop floor at Herouk Devtek  
• Biomedical Engineering’s CREATE Program 
• Completed relevant coursework & Case Western Reserve University  
 
Abdallah Soliman  
• Aerospace Engineering & Computer Science 
• Lead developer for multiple projects at Concepts Collective 
• Designed & Built oil well management system 
• Completed relevant coursework & Case Western Reserve University 
 
 
Anticipated involvement: 
 
The senior project for the Mechanical Engineering is overseen by Professor Malcolm Cooke. 
Professor Cooke, president of ThinkBox, is in a prime position to both help and critique our 
progress and improve our design. Overall, we wish our product to be both available and useful 
to the motorcycling community and our proposal will be valuable to thinkbox and Professor 
Cooke in that it will provide a groundbreaking method to make road transportation to all road 
users. 
9 
 
 
 
Budget: 
 
As stated in the methodology, the final design will require a means, by which the wheel speed 
can be determined electronically, a method for applying the brakes electronically, and finally, a 
method for releasing brake pressure electronically. The first requirement is met by having one 
electronic Hall Effect sensor on each wheel.  The last two requirements are met by a two way 
hydraulic pump placed between the master cylinder of each brake line (front and rear) whereby 
an electronic signal may pump oil toward the brake caliper, thereby inducing the brakes. Under 
the conditions of user brake induced lock‐up, a negative voltage may be applied to the same 
pump to release brake pressure and counteract the lock. Finally, a microcontroller is required 
to compile and access the information independently.  
 
Cost Component
$42.00 Rear Wheel ABS Pump
$42.00 Front Wheel ABS Pump
$60.00 Beagle Bone Black Microcontroller
$22.00 Rear Wheel Speed Sensor
$22.00 Front Wheel Speed Sensor
 
Final Cost: $188.00 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10 
 
 
References 
 
[1] Google Books, 'Patent US4861118 ‐ Anti‐lock brake system', 2015. [Online]. Available: 
https://www.google.com/patents/US4861118. [Accessed: 23‐ Nov‐ 2015]. 
[2] Google Books, 'Patent US7792625 ‐ Traction control system and method for a vehicle', 2015.  
[Online]. Available:  
https://www.google.com/patents/US7792625?dq=traction+control&hl=en&sa=X&ved=
0CB0Q6AEwAGoVChMIjYeFpeb0yAIVyTgaCh0kBwxH. [Accessed: 23‐ Nov‐ 2015]. 
[3] Iihs.org, 'Motorcycle ABS: Why you want to ride with it', 2015. [Online]. Available:  
http://www.iihs.org/iihs/brochures/motorcycle‐abs‐why‐you‐want‐to‐ride‐with‐it. 
[Accessed: 23‐ Nov‐ 2015]. 
[4] Safetyresearch.net, 'A Brief History of Electronic Stability Controls and their Applications |  
Safety Research & Strategies, Inc.', 2015. [Online]. Available: 
http://www.safetyresearch.net/blog/articles/brief‐history‐electronic‐stability‐controls 
and‐their‐applications. [Accessed: 23‐ Nov‐ 2015]. 
[5] R.  Juvinall and K.  Marshek, Fundamentals of machine component design. Hoboken, NJ:  
John Wiley & Sons, 2012. 
[6] B. Poovey, 'How Does Motorcycle Traction Control Work? | RideApart', RideApart, 2014.  
[Online]. Available: https://rideapart.com/articles/motorcycle‐traction‐control‐work. 
[Accessed: 23‐ Nov‐ 2015]. 
[7] R.  Lot, 'A Motorcycle Tire Model for Dynamic Simulations: Theoretical and Experimental  
Aspects', Meccanica, vol. 39, no. 3, pp. 207‐220, 2004. 
[8] Bosch‐motorcycle.com, 'Legislation', 2015. [Online]. Available: http://www.bosch‐ 
motorcycle.com/en/de/fahrsicherheit_fuer_zweiraeder/motorrad_abs/gesetzgebung/l 
gislation.html. [Accessed: 23‐ Nov‐ 2015]. 
[9] L. Austin and D. Morrey, 'Recent advances in antilock braking systems and traction control  
systems', Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of 
Automobile Engineering, vol. 214, no. 6, pp. 625‐638, 2000. 
[10]M. Massaro, R. Sartori and R. Lot, 'Numerical investigation of engine‐to‐slip dynamics for 
motorcycle traction control applications', NVSD, vol. 49, no. 3, pp. 419‐432, 2011. 
[11] M. Schinkel and K. Hunt, 'Anti‐lock braking control using a sliding mode like 
approach',Proceedings of the 2002 American Control Conference (IEEE Cat.  
No.CH37301), 2002. 
[12] D. Khorasani‐Zavareh, S. Shoar and S. Saadat, 'Antilock braking system effectiveness in  
prevention of road traffic crashes in Iran', BMC Public Health, vol. 13, no. 1, p. 439, 
2013. 
 

More Related Content

Similar to Ahmed_FinalProposal

Building Services Report
Building Services ReportBuilding Services Report
Building Services ReportDavidJPCChai
 
Autonomous Vehicle an overview
Autonomous Vehicle an overviewAutonomous Vehicle an overview
Autonomous Vehicle an overviewShafeequr Rahman
 
Automated Highway System Report
Automated Highway System ReportAutomated Highway System Report
Automated Highway System ReportSamir8880
 
KASHUP Wheels - A hybrid segway Report
KASHUP Wheels - A hybrid segway ReportKASHUP Wheels - A hybrid segway Report
KASHUP Wheels - A hybrid segway Reportitfakash
 
Connected and Autonomous Vehicles Cohort Workshop
Connected and Autonomous Vehicles Cohort WorkshopConnected and Autonomous Vehicles Cohort Workshop
Connected and Autonomous Vehicles Cohort WorkshopKTN
 
Intelligent Transportation Systems across the world
Intelligent Transportation Systems across the worldIntelligent Transportation Systems across the world
Intelligent Transportation Systems across the worldAnamhyder1
 
Design and Manufacturing of Low Cost, Non-Polluting Urban Transport Unit
Design and Manufacturing of Low Cost, Non-Polluting Urban Transport UnitDesign and Manufacturing of Low Cost, Non-Polluting Urban Transport Unit
Design and Manufacturing of Low Cost, Non-Polluting Urban Transport UnitIRJET Journal
 
Safecycle Project Presentation
Safecycle Project PresentationSafecycle Project Presentation
Safecycle Project Presentationhjz85
 
Electric Bicycle (E-Cycle) - To solve the problem of air pollution in New Delhi
Electric Bicycle (E-Cycle) - To solve the problem of air pollution in New DelhiElectric Bicycle (E-Cycle) - To solve the problem of air pollution in New Delhi
Electric Bicycle (E-Cycle) - To solve the problem of air pollution in New DelhiESD UNU-IAS
 
David Ward speaks at Global NCAP 2014 Annual Forum
David Ward speaks at Global NCAP 2014  Annual ForumDavid Ward speaks at Global NCAP 2014  Annual Forum
David Ward speaks at Global NCAP 2014 Annual ForumGlobal NCAP
 
FUTURE PROSPECTS FOR LIGHTWEIGHT MATERIALS AND TECHNOLOGIES IN AUTOMOTIVE IN...
 FUTURE PROSPECTS FOR LIGHTWEIGHT MATERIALS AND TECHNOLOGIES IN AUTOMOTIVE IN... FUTURE PROSPECTS FOR LIGHTWEIGHT MATERIALS AND TECHNOLOGIES IN AUTOMOTIVE IN...
FUTURE PROSPECTS FOR LIGHTWEIGHT MATERIALS AND TECHNOLOGIES IN AUTOMOTIVE IN...iQHub
 
00086751_Driver_Safety
00086751_Driver_Safety00086751_Driver_Safety
00086751_Driver_SafetyCharlie Malone
 
DEVELOPMENT OF ACCIDENT-FREE SOLAR POWERED JEEP
DEVELOPMENT OF ACCIDENT-FREE SOLAR POWERED JEEPDEVELOPMENT OF ACCIDENT-FREE SOLAR POWERED JEEP
DEVELOPMENT OF ACCIDENT-FREE SOLAR POWERED JEEPIRJET Journal
 
WRA_PIARC_C32_JK_Meeting8_2015_WRC_Seoul
WRA_PIARC_C32_JK_Meeting8_2015_WRC_SeoulWRA_PIARC_C32_JK_Meeting8_2015_WRC_Seoul
WRA_PIARC_C32_JK_Meeting8_2015_WRC_SeoulJaakko Klang
 
Public policy aspects of Connected and Autonomous Vehicles
Public policy aspects of Connected and Autonomous VehiclesPublic policy aspects of Connected and Autonomous Vehicles
Public policy aspects of Connected and Autonomous VehiclesBill Harpley
 
Nhtsa Motorcycle Safety Program
Nhtsa Motorcycle Safety ProgramNhtsa Motorcycle Safety Program
Nhtsa Motorcycle Safety ProgramAbhishek Deshpande
 
Design and Fabrication of a Recreational Human-Powered Vehicle
Design and Fabrication of a Recreational Human-Powered VehicleDesign and Fabrication of a Recreational Human-Powered Vehicle
Design and Fabrication of a Recreational Human-Powered Vehicleinventionjournals
 

Similar to Ahmed_FinalProposal (20)

Car and Road Test.pdf
Car and Road Test.pdfCar and Road Test.pdf
Car and Road Test.pdf
 
Building Services Report
Building Services ReportBuilding Services Report
Building Services Report
 
Autonomous Vehicle an overview
Autonomous Vehicle an overviewAutonomous Vehicle an overview
Autonomous Vehicle an overview
 
Ciclovias 1
Ciclovias 1Ciclovias 1
Ciclovias 1
 
Automated Highway System Report
Automated Highway System ReportAutomated Highway System Report
Automated Highway System Report
 
KASHUP Wheels - A hybrid segway Report
KASHUP Wheels - A hybrid segway ReportKASHUP Wheels - A hybrid segway Report
KASHUP Wheels - A hybrid segway Report
 
Connected and Autonomous Vehicles Cohort Workshop
Connected and Autonomous Vehicles Cohort WorkshopConnected and Autonomous Vehicles Cohort Workshop
Connected and Autonomous Vehicles Cohort Workshop
 
EVS
EVSEVS
EVS
 
Intelligent Transportation Systems across the world
Intelligent Transportation Systems across the worldIntelligent Transportation Systems across the world
Intelligent Transportation Systems across the world
 
Design and Manufacturing of Low Cost, Non-Polluting Urban Transport Unit
Design and Manufacturing of Low Cost, Non-Polluting Urban Transport UnitDesign and Manufacturing of Low Cost, Non-Polluting Urban Transport Unit
Design and Manufacturing of Low Cost, Non-Polluting Urban Transport Unit
 
Safecycle Project Presentation
Safecycle Project PresentationSafecycle Project Presentation
Safecycle Project Presentation
 
Electric Bicycle (E-Cycle) - To solve the problem of air pollution in New Delhi
Electric Bicycle (E-Cycle) - To solve the problem of air pollution in New DelhiElectric Bicycle (E-Cycle) - To solve the problem of air pollution in New Delhi
Electric Bicycle (E-Cycle) - To solve the problem of air pollution in New Delhi
 
David Ward speaks at Global NCAP 2014 Annual Forum
David Ward speaks at Global NCAP 2014  Annual ForumDavid Ward speaks at Global NCAP 2014  Annual Forum
David Ward speaks at Global NCAP 2014 Annual Forum
 
FUTURE PROSPECTS FOR LIGHTWEIGHT MATERIALS AND TECHNOLOGIES IN AUTOMOTIVE IN...
 FUTURE PROSPECTS FOR LIGHTWEIGHT MATERIALS AND TECHNOLOGIES IN AUTOMOTIVE IN... FUTURE PROSPECTS FOR LIGHTWEIGHT MATERIALS AND TECHNOLOGIES IN AUTOMOTIVE IN...
FUTURE PROSPECTS FOR LIGHTWEIGHT MATERIALS AND TECHNOLOGIES IN AUTOMOTIVE IN...
 
00086751_Driver_Safety
00086751_Driver_Safety00086751_Driver_Safety
00086751_Driver_Safety
 
DEVELOPMENT OF ACCIDENT-FREE SOLAR POWERED JEEP
DEVELOPMENT OF ACCIDENT-FREE SOLAR POWERED JEEPDEVELOPMENT OF ACCIDENT-FREE SOLAR POWERED JEEP
DEVELOPMENT OF ACCIDENT-FREE SOLAR POWERED JEEP
 
WRA_PIARC_C32_JK_Meeting8_2015_WRC_Seoul
WRA_PIARC_C32_JK_Meeting8_2015_WRC_SeoulWRA_PIARC_C32_JK_Meeting8_2015_WRC_Seoul
WRA_PIARC_C32_JK_Meeting8_2015_WRC_Seoul
 
Public policy aspects of Connected and Autonomous Vehicles
Public policy aspects of Connected and Autonomous VehiclesPublic policy aspects of Connected and Autonomous Vehicles
Public policy aspects of Connected and Autonomous Vehicles
 
Nhtsa Motorcycle Safety Program
Nhtsa Motorcycle Safety ProgramNhtsa Motorcycle Safety Program
Nhtsa Motorcycle Safety Program
 
Design and Fabrication of a Recreational Human-Powered Vehicle
Design and Fabrication of a Recreational Human-Powered VehicleDesign and Fabrication of a Recreational Human-Powered Vehicle
Design and Fabrication of a Recreational Human-Powered Vehicle
 

Ahmed_FinalProposal