DriSMi: un Laboratorio Sviluppato per le Sfide della Nuova Mobilità

Da qualche anno stiamo assistendo ad un mutamento del modello di mobilità: espressioni come mobilità sostenibile, guida autonoma, guida connessa, smart roads sono ormai entrate nel vocabolario comune. L’idea stessa di automobile sta cambiando: i sistemi di controllo attivo sviluppati alla fine del secolo scorso si sono evoluti esponenzialmente, migliorando e moltiplicando il numero di funzioni gestite dall’elettronica di bordo. Da tempo sono apparsi sul mercato sistemi che assistono il guidatore in situazioni critiche come per esempio le frenate di emergenza. Più recentemente sono stati proposti veicoli a guida autonoma in grado di gestire il controllo del veicolo in situazioni specifiche, come la marcia in autostrada.

Nel contempo, la sensibilità verso le tematiche ambientali è cresciuta. La riduzione dell’impatto dei trasporti sull’ambiente richiede diversi passi, che vanno dall’implementazione di nuove tecnologie per la propulsione, all’adozione di stili di guida più efficienti, alla gestione dei flussi di traffico.

In questo contesto, il Politecnico di Milano ha ritenuto che dotarsi di un simulatore dinamico di guida all’avanguardia, fosse un passo fondamentale per raccogliere le sfide della mobilità dei prossimi decenni. I simulatori di guida consentono di caratterizzare in un ambiente sicuro e in condizioni controllate l’elemento meno prevedibile per i modelli matematici: la persona. Sia che si tratti del conducente o di un passeggero, l’essere umano è l’elemento attorno al quale viene costruito un veicolo. Alla luce dei cambiamenti in atto è importante fornire uno strumento di ricerca che consenta di sviluppare le nuove tecnologie attorno all’utente, garantendone così la loro fruibilità e diffusione.

Con questa idea è nato il laboratorio DriSMi (Driving Simulator Politecnico di Milano) , inaugurato nel febbraio del 2021. Il progetto è stato promosso dal Cluster Lombardia Mobilità, sotto la supervisione della Regione Lombardia, con l’obiettivo di creare un polo al servizio delle aziende automobilistiche del cluster regionale lombardo, quarto a livello europeo, dedicato alla mobilità sostenibile.

Innovazione, realismo e immersività

Il laboratorio DriSMi è dotato del simulatore di guida dinamico DIM 400 realizzato dall’azienda italiana VI-Grade che ha sede a Tavagnacco (UD). Si tratta di un simulatore di medie dimensioni fortemente innovativo basato su un’inedita movimentazione a cavi. Come mostrato in Figura 1, un telaio a base circolare (diskframe), su cui viene montato successivamente il cockpit, è mosso su una piattaforma ottagonale attraverso 4 cavi. Il movimento è controllato da 4 motori elettrici posti agli angoli della piattaforma.

Rispetto a soluzioni tradizionali basate sull’impiego di attuatori elettrici, che hanno una corsa limitata, questa architettura consente di ampliare lo spazio di lavoro e di disaccoppiare il movimento di traslazione da quello di rotazione attorno ad un asse verticale anche in prossimità dei bordi dell’area di lavoro. Queste due caratteristiche portano ad incrementare sensibilmente il realismo dell’esperienza di guida. La percezione di accelerazioni a bordo del simulatore è conseguenza delle forze applicate sul diskframe: un’area di lavoro più estesa consente di applicare le forze per più tempo. Questo amplia il numero di situazioni che possono essere riprodotte in modo verosimile dal simulatore. La distanza tra due lati paralleli della piattaforma è di 6 m e questo permette di simulare manovre come il cambio di corsia in scala 1:1. La forza applicata dai cavi consente di riprodurre accelerazioni fino a 1.5 g.

La Figura 2 mostra il cockpit posizionato sul diskframe. I cavi costituiscono uno dei sistemi di azionamento e vengono utilizzati per il movimento nel piano orizzontale. Il diskframe è montato su tre cuscini ad aria (airpads) che gli consentono di scivolare senza attrito sulla piattaforma. Sul diskframe viene montato un esapode per controllare i moti nel piano verticale del veicolo; l’esapode consente di sollevare/abbassare il veicolo, inclinarlo in avanti/indietro oppure lateralmente. Questi movimenti servono a riprodurre la risposta del veicolo alle ondulazioni della strada o ai trasferimenti di carico associati ad accelerazioni/decelerazioni e marcia in curva. Le prestazioni consentite dall’azionamento sono elencate in Tabella 1.

Tabella 1: principali prestazioni del simulatore dinamico

Al culmine dell’esapode viene montata una piattaforma orizzontale sulla quale è fissato il cockpit (Figura 3). Questo è ricavato dal telaio di un veicolo reale opportunamente sagomato per ridurne gli ingombri ed il peso: per minimizzare i ritardi dell’azionamento è infatti importante contenere la massa complessiva. La latenza, ovvero il tempo che trascorre da quanto il guidatore aziona un comando, ad esempio lo sterzo, a quando il sistema inizia il movimento è di poco superiore ai 20 ms.

Il sedile di guida è dotato di cuscini pneumatici inseriti nei supporti laterali e nello schienale; i cuscini vengono gonfiati in fase di accelerazione o durante le curve per fare percepire l’appoggio del corpo contro il sedile, esattamente come accade su un veicolo reale in queste fasi. Con uno scopo analogo, le cinture di sicurezza si tendono durante le fasi di frenata. Nell’abitacolo sono collocati 5 altoparlanti per riprodurre il rumore del motore o di altri veicoli che possono trovarsi nello scenario di guida virtuale. Sull’abitacolo sono inoltre distribuiti 8 shakers; questi piccoli attuatori consentono di simulare le vibrazioni che vengono indotte dall’irregolarità stradale o dal motore. Il realismo e l’immersività dell’esperienza di guida al simulatore vengono ulteriormente aumentati proiettando lo scenario virtuale in cui si muove il veicolo su uno schermo panoramico a 270°: il guidatore vede attraverso le superfici vetrate e gli specchietti solo la realtà virtuale con la quale sta interagendo.

Studiare l’interazione tra uomo e veicolo

DriSMi è un laboratorio che consente di studiare l’interazione tra essere umano e veicolo in un contesto sicuro e ripetibile. Si possono riprodurre diversi scenari, dai piazzali su cui effettuare manovre normate a contesti urbani o autostradali dove il veicolo deve interagire con altri utenti della strada (Figura 4). È possibile cambiare le condizioni di illuminazione, il meteo e, naturalmente, le caratteristiche del veicolo o della strada su cui ci si muove.

Il comportamento del conducente viene monitorato registrando le azioni sui comandi (sterzo, freno acceleratore, cambio) nei vari contesti in cui è inserito. Un volante dinamometrico sviluppato da ricercatori del Politecnico di Milano [2] consente inoltre di misurare forze e coppie scaricate sullo sterzo. Il set-up di misura comprende anche un dispositivo per tracciare lo sguardo del conducente, rilevando su quali aree della scena si concentra e per quanto tempo. Infine, è anche possibile registrare alcuni parametri biometrici quali il battito cardiaco e la conduttanza cutanea, correlata allo stato emotivo [3].

A titolo d’esempio, la Figura 5 riporta alcuni risultati di una campagna prove condotta al laboratorio DRISMI; nel test è stato chiesto a 28 volontari con diverse esperienze di guida, di mantenere il controllo di un van investito da raffiche di vento laterale. Nel modello matematico del veicolo sono stati introdotti i coefficienti aerodinamici dello stesso misurati in galleria del vento. Per le prove è stato costruito uno scenario autostradale in cui il vento investiva il veicolo all’uscita da una galleria. La Figura 5 mostra la distribuzione dello spostamento laterale massimo del veicolo per varie velocità di avanzamento e del vento; la diversa esperienza dei guidatori si riflette nella dispersione dei valori. Questa attività di ricerca, difficilmente realizzabile su una strada reale, ha portato ad identificare dei valori di velocità del veicolo al di sotto dei quali, anche i guidatori meno abili riescono a mantenersi all’interno della loro corsia, minimizzando il rischio di incidenti. Una ricaduta pratica del risultato potrebbe essere una smart road che segnala agli utenti un limite di velocità variabile in funzione del vento laterale misurato all’uscita da una galleria.

Pensando quindi alle sfide poste dalla nuova mobilità, uno strumento come DriSMi permette di accelerare la ricerca nel campo degli ADAS e dei veicoli autonomi e connessi. Monitorare l’interazione tra persone e ADAS consente di calibrarne opportunamente l’intervento, anche adattandolo allo stile di guida del conducente per favorirne l’accettazione. Sperimentare in un contesto virtuale la guida autonoma, oltre che essere sicuro, permette di valutare il grado di fiducia che le persone maturano nel sistema e di migliorarlo ad esempio ottimizzando la fase di ripresa del controllo da parte del conducente nelle situazioni che ancora non vengono gestite.

Le stesse logiche di controllo di veicoli autonomi possono inoltre essere testate in contesti dove questi interagiscono con un veicolo guidato da una persona. Se i veicoli autonomi si diffonderanno, almeno in una prima fase coesisteranno con veicoli tradizionali. Il simulatore di guida diviene quindi un banco di prova per i veicoli autonomi che devono prevedere opportunamente le azioni di veicoli con conducenti umani.

• DriSMi, https://www.drismi.polimi.it/
• VI-Grade, https://www.vi-grade.com/
• Comolli, F., Ballo, F., Gobbi, M., Mastinu, G., Instrumented steering wheel: accurate experimental characterisation of the forces exerted by the driver hands for future advanced driver assistance systems, ASME 2018 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference,2018, American Society of Mechanical Engineers Digital Collection
• Cheli, F., Fossati, A., Mastinu, G. Enhanced Immersive Reality Through Cable-driven Simulators, to appear on ATZ

di

Prof. Federico Cheli, Professore Ordinario di Meccanica Applicata alle Macchine

Prof. Stefano Melzi, Professore Associato di Meccanica Applicata alle Macchine