Analytical, numerical and experimental analysis of the non-linear vehicle/driver dynamical system

Almost 40.8 % of road accidents on Italian roads are caused by the driver. An analysis of the complex vehicle/driver system is necessary in order to understand the cause of unstable motions and improve road safety. Furthermore nowadays great research in the field of autonomous driving is done. Autonomous driving algorithms tempt to mimic human driver control behaviour, so a more deep understanding on how the driver and vehicle interact and which dynamical behaviour characterize this system would be useful also in this field of application. Many mathematical methods to study non-linear systems have been developed over the years but, among the others, bifurcation theory is capable to produce a "portrait" of the non-linear system, grouping similar dynamical behaviours by means of using the concept of topological equivalence, varying the system characteristics parameters. In this work bifurcation theory is applied to the non-linear vehicle/driver system, both using analytical methods and numerical methods, focusing on the straight-run condition. Different vehicle configurations are analysed and the influence on the overall dynamical behaviour of the driver parameters is studied. The results obtained by using simple vehicle and driver models are validated by using commercial software (Vi-Grade), in which vehicle and driver models are more accurate and refined. By making this comparison, it has been observed that the component of the vehicle/driver system that influence more the overall vehicle/driver dynamical behaviour is the driver model. Also analysing the Vi-Grade vehicle model coupled with the Vi-Grade driver model, for a validated understeering vehicle, a supercritical Hopf bifurcation has been discovered. To verify that the dynamical behaviours observed using numerical methods and simulations exist in the real world, experimental tests on a professional dynamic driving simulator have been done. The driving simulator is not the reality, but its accuracy in reproducing vehicle dynamics and driving experience have been validated by professional drivers, so it is expected that results obtained with this type of testing are pretty similar to the one that can be obtained on real road tests. Existence of bifurcations has been validated, both using normal and professional drivers. In particular both for understeering both for oversteering vehicles the presence of an unstable limit cycle has been observed. Oversteering vehicles have been shown a bifurcation on a speed range of 40--50 m/s, followed by the establishment of chaotic motions. The importance to assess the dynamical behaviour of the vehicle/driver system by means of bifurcation methodologies has been highlighted and further possible extension of this work are proposed in the conclusion.

Sulle strade italiane circa il 40.8 % degli incidenti stradali è causato dal guidatore. Per questa ragione, un'analisi del sistema veicolo/guidatore è necessaria per comprendere la causa di comportamenti dinamici instabili e migliorare la sicurezza stradale. Negli ultimi anni un grande sforzo di ricerca nel campo dei veicoli autonomi è stato prodotto. Gli algoritmi che controllano i veicoli autonomi tentano di riprodurre il comportamento del guidatore umano. Perciò lo studio della relazione che intercorre tra guidatore e veicolo e un'analisi dei comportamenti dinamici di questo complesso sistema dinamico è utile anche in questo campo di applicazione. Negli anni molti metodi di analisi dei sistemi non lineari sono stati prodotti, ma tra gli altri, la teoria di biforcazione è l'unica in grado di produrre una panoramica dei comportamenti dinamici del sistema, basandosi sul concetto di equivalenza topologica, variando i parametri caratteristici del sistema. In questo lavoro è stata fatta l'analisi di biforcazione del sistema dinamico non lineare veicolo/guidatore, concentrandosi sulla condizione di marcia in rettilineo. Diverse configurazioni di veicolo sono state studiate ed è stata fatta un'analisi di come varia il comportamento dinamico variando i parametri del guidatore. I risultati ottenuti utilizzando modelli semplificati di veicolo e di guidatore sono stati validati attraverso l'utilizzo di software commerciali (Vi-Grade), in cui la modellizzazione di veicolo e pilota è più accurata e complessa. Si è osservato che l'elemento del sistema veicolo/guidatore che più influenza il comportamento dinamico del sistema è il modello di guidatore. Anche utilizzando i modelli di veicolo e guidatori inclusi nel software commerciale, l'esistenza di una biforcazione di Hopf supercritica per una tipologia di veicolo sottosterzante è stata osservata. Per verificare che i comportamenti dinamici osservati attraverso le analisi numeriche e le simulazioni abbiano un riscontro nella realtà, test sperimentali utilizzando un simulatore di guida dinamico professionale sono stati fatti e i risultati sono stati commentati. Test sul simulatore di guida non sono equivalenti a test effettuati su strada, ma l'esperienza di guida e la riproduzione della dinamica del veicolo sono state validate da piloti professionisti, quindi ci si aspetta che risultati ottenuti attraverso l'utilizzo del simulatore siano molto simili a quelli che verrebbero trovati attraverso test su strada. Basandosi sui risultati ottenuti con questi test sperimentali, l'esistenza di biforcazioni in condizioni simili alla realtà è stata osservata. In particolare sia per veicoli sottosterzanti, sia per veicoli sovrasterzanti, l'esistenza di un ciclo limite instabile è stata validata. Per quanto riguarda il veicolo sovrasterzante, una biforcazione è stata osservata nel range di velocità 40--50 m/s, seguita da un comportamento dinamico caotico. Attraverso questo lavoro l'importanza di valutazioni del comportamento dinamico del sistema veicolo/guidatore utilizzando l'analisi di biforcazione è stata evidenziata e possibili sviluppi di questo lavoro sono proposti nel finale.