2. Sistemi di simulazione di guida
2.2 Il simulatore di guida
I sistemi multibody
I sistemi multibody sono sistemi meccanici composti di pi`u corpi, rigidi o deformabili, suscettibili di movimenti relativi do- vuti alla deformabilit`a stessa dei corpi o pi`u propriamente alla presenza di vari tipi di coppie cinematiche e di vincoli relativi. [29] Per simulare il comportamento dinamico di sistemi anche complessi (cio`e analizzarne il movimento e la sensibilit`a alle va- riazioni dei parametri in gioco) vengono utilizzati codici di cal- colo multibody.
Classici esempi di sistemi multi-body sono i veicoli terrestri: composti di ruote, sospensioni (con i relativi meccanismi), il te- laio, modellato come rigido o deformabile, ed eventualmente i passeggeri. [29]
Lo studio di questi sistemi, inizialmente basato su tecniche ana- litiche ha recentemente avuto un grande sviluppo con l’introdu- zione di software specifici per la simulazione multi-body.
Alcuni programmi di simulazione, sono nati per il real time. Questo `e un requisito fondamentale per svolgere il lavoro di tesi perch´e essi devono interagire con un simulatore di guida e pro- durre risultati istante per istante. Affinch´e un multibody possa rispondere real time i requisiti necessari sono: numero di gra- di di libert`a ridotto (cio`e programma leggero dal punto di vista computazionale), scelta vincolata del timestep, scelta di un me- todo numerico che risolva velocemente le matrici in cui sono state discretizzate le equazioni di moto[30]1
2.2
Il simulatore di guida
Le ragioni per cui si utilizza un simulatore sono molteplici. Come riportato nell’articolo dal titolo “Brief history of driving simulators” (Watchel J., News T., 1995), il motivo principale consiste nel poter testare soluzioni ingegneristiche in un ambien- te sicuro e nel poter ripetere gli stessi esperimenti a un costo
1equazioni di moto: sono le equazioni di Lagrange per sistemi a n gradi di libert`a:
d dt( ∂L ∂ ˙qj) − ( ∂L ∂qj) = Q nc j (j = 1, ..., n). Con: L = T − V − (λ1ψ1+ ... + λnψn)
Dove: T =energia cinetica, V =energia potenziale, λi =moltiplicatori di Lagrange associato al vincolo. [31]
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esiguo. Esempi sono il test dei sistemi di assistenza al guidato- re. Inoltre, essi vengono largamente impiegati nel settore racing. Ormai tutte le case di automobili da competizione ne hanno al- meno uno per allenare e preparare i propri piloti che scenderanno poi in pista sulle monoposto. Evidentemente allenare i piloti su un simulatore `e pi`u conveniente sia dal punto di vista della sicu- rezza che dal punto di vista delle emissioni di inquinanti. Inoltre si pu`o leggere in letteratura che un’altra applicazione `e quella di studiare come influiscono i diversi stimoli sullo stile di guida, ad esempio: come cambiano i tempi di reazione se il guidatore ha assunto medicinali e come reagisce il guidatore se parla al telefono.[58]
Un simulatore di guida `e dotato di una parte hardware costituita da un volante, un cambio, una pedaliera, schermi per la visua- lizzazione e un software che permetta l’interfacciamento del pc con la consolle di guida e consenta i calcoli in tempo reale. Il software prende in input tutti i parametri motoristici pi`u im- portanti (ad esempio: curva di coppia e di potenza, dati sul combustibile, posizione dell’acceleratore istante per istante), ma anche le masse, le inerzie del veicolo. Grazie a questi dati, in par- te inseriti dall’utente, in parte provenienti in tempo reale dalla consolle di guida, il software fa dei calcoli e restituisce in out- put le prestazioni (velocit`a, accelerazione, regime di rotazione del motore, potenza istantanea, consumi).
Storia dei simulatori
I primi simulatori di guida autostradale sono stati sviluppati negli anni ’50. Per vederne per`o uno operativo bisogna aspettare i primi anni ’60. Successivamente, ci fu un declino, legato a una troppo arretrata tecnologia dei display e dei calcolatori. Questo problema fu superato alla fine degli anni ’60. La tecnologia dei simulatori fu sviluppata per la maggior parte dalla NASA, la quale li studiava per le missioni spaziali. Questi sviluppi ebbero ovvie ripercussioni sui simulatori stradali, i quali aumentarono di numero. Successivamente, con la crescita esponenziale della potenza computazionale, essi diventarono sempre pi`u potenti e realistici. Si incominci`o a studiare anche percorsi pi`u comples- si (strade cittadine e trafficate): questo permise di studiare il comportamento del guidatore e quindi aumentare la sicurezza stradale. [50]
2.2. IL SIMULATORE DI GUIDA 23
Figura 2.1: Uno dei pi`u moderni simulatori di guida, cortesia Danisi. http://www.danisieng.com/simulation-2/
Figura 2.2: Evoluzione della tecnologia dei simulatori presso la Daimler, azienda tedesca produttrice di simulatori di guida. [51]
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Interessante anche l’introduzione del movimento dei simula- tori, avvenuta a partire dagli anni ’80. Inizialmente il movimento era garantito da un esapode attuato idraulicamente. In segui- to il movimento `e stato migliorato aumentando il numero dei pistoni idraulici che governano il moto del simulatore. Poi gli attuatori idraulici sono stati sostituiti da quelli elettrici a cau- sa della loro ottima flessibilit`a di ragolazione. [51] Successiva- mente il miglioramento delle tecnologie di movimento accompa- gnato dal potenziamento dei sistemi hardware e software hanno portato ad ottenere simulatori estremamente realistici ai giorni d’oggi. Un esempio quello presso la Danisi engineering, un’azien- da italiana che produce soluzioni per l’ingegneria: esso consente un’esperienza di guida dove `e possibile sperimentare: le accce- lerazioni, decelerazioni, il ritorno in forza dello sterzo. Inoltre c’`e uno schermo molto grande che copre interamente la visuale del guidatore. Possiede una piattaforma mobile che riproduce accuratamente la dinamica del veicolo. Questo simulatore viene utilizzato per migliorare la dinamica del veicolo, il comfort, la progettazione dei sistemi di controllo e testare l’interfaccia tra uomo e macchina.