Design and testing of a multisensory virtual reality driving simulator to investigate eco-driving behaviour

The present thesis work describes a research activity, carried out under the co-operation between the Mechanical Engineering department of Politecnico di Milano and the Psychology department of the University of Milano Bicocca, regarding the spreading concept of eco-driving. Being the very beginning of a series of studies, the final goal of this project consisted in designing and validating an experimental set-up, useful to perform driving simulations, with the possibility of further modifications and improvements in the near future. As it is widely known, in the last few decades our world is facing a historical period of dramatic climate change. Given the current situation, Nations have come together to fix targets to be reached in the next years in terms of greenhouse gasses emission. Many are the sectors contributing to the overall phenomenon and, among them, the transport sector plays for sure an important role. The interest is here dedicated to road vehicles and, in particular, cars. Automobiles are strongly integrated into human culture to such an extent that cities and infrastructures are designed and built according to these vehicles. A world with no cars would thus be unimaginable; this is the reason why new solutions to limit the detrimental effects of emissions deriving from their usage must be found. One very important solution resides in the introduction of increasingly strict regulations oriented at avoiding the circulation of most polluting cars. On the other hand, car manufacturers are struggling to find new eco-friendly power train solutions. However, this technological development clashes with the much more complex and wider issue of energy production. If it is in fact true that electric vehicles are able to reduce the level of pollution in the urban areas, it is also true that the entire energy demand is still not satisfied by renewable resources. For these reasons, one possible way of cutting emissions of the private road transport sector consists in modifying the way people is used to drive. The set of precautions oriented at energy saving while driving goes under the name of "eco-driving". Researchers have demonstrated that consistent consumption reduction can be achieved simply by avoiding those behaviours typical of an aggressive driving style, characterized by abrupt accelerations and decelerations or excessive speed. This subject has a general validity for any kind of road vehicle, since it does not take into consideration technical features of any particular power-train. A deep analysis of the state of the art allowed to identify few important driving situations to be examined. In particular, it was decided to focus onto events of excessive acceleration or speed, differentiating the eco-tips according to the type of road considered (highway or urban). The driving simulator was implemented by means of Unity game engine and its environment both contains a high-speed section and an urban one. The set-up hardware comprehends a gaming driving seat, equipped with steering wheel and pedals, and images are displayed through a virtual reality headset, to guarantee immersion and sense of presence. One of the main focuses of future researches to be carried out with this equipment consists in the comparison among different types of stimuli to be used for communicating eco-driving behaviours to the driver. Since sight is already overloaded when driving, large interest resides in the determination of alternatives to be exploited for human-machine interaction. Among these, the haptic channel is the one that guarantees the wider range of feasible applications. A preliminary study about the foot sole sensibility to different types of vibration patterns led to the realisation of an haptic accelerator pedal. This pedal is able to deliver vibrational patterns via four ERM motors, while visual feedbacks are displayed into a head up display just behind the virtual steering wheel. Future experiments will look for the best way to optimise the interaction between the driver and the car, in such a way to reduce the cognitive workload while communicating efficient feedbacks able to modify the driving style of the user. Preliminary tests have been conducted in order to validate the set-up and mark out the route of the research.

Il presente lavoro di tesi descrive un'attività di ricerca, condotta sotto la cooperazione tra il dipartimento di Ingegneria Meccanica del Politecnico di Milano e il dipartimento di Psicologia dell'Università degli Studi Milano Bicocca, volta ad approfondire l'attuale tematica dell'eco-driving. Essendo solo l'inizio di una serie di studi, l'obiettivo primario di questo progetto consiste nella progettazione e validazione di un set-up sperimentale, utile per la realizzazione di simulazioni di guida e aperto a ulteriori modifiche e miglioramenti nel prossimo futuro. Come è ampiamente noto, negli ultimi decenni il nostro pianeta sta attraversando un periodo storico contraddistinto da drastici cambiamenti climatici. Data la situazione attuale, le Nazioni si sono riunite per definire gli obiettivi da raggiungere nei prossimi anni in termini di emissioni di gas serra. Molti sono i settori che contribuiscono a tale fenomeno e, tra essi, il settore dei trasporti gioca sicuramente un ruolo di primaria importanza. L'interesse di questo lavoro è rivolto ai mezzi stradali e, in particolare, alle auto. Le automobili sono a tal punto integrate nella cultura umana che infrastrutture ed intere città sono progettate e realizzate in funzione di questi veicoli. Un mondo senza auto è senza dubbio inimmaginabile; per questo motivo è necessario trovare nuove soluzioni che possano limitare l'effetto dannoso delle emissioni derivanti dal loro uso. Un'importante contromisura risiede nell'introduzione di leggi via via più stringenti riguardo la circolazione dei veicoli più inquinanti. Dall'altro lato, i produttori di auto impiegano tempo e risorse nella ricerca di nuove forme di trazione motrice. Tuttavia, questo sviluppo tecnologico deve fare i conti con un problema più complesso e di natura più generale: la produzione di energia. Se è infatti vero che i veicoli elettrici sono in grado di ridurre il livello di inquinanti in aree urbane densamente popolate, è anche vero che l'intero fabbisogno energetico non è soddisfatto da sole energie rinnovabili. Per queste ragioni, un possibile modo di tagliare le emissioni è ridurre il consumo dei veicoli andando a modificare il modo in cui le persone sono abituate a guidare. L'insieme di precauzioni orientate al risparmio energetico durante la guida prende il nome di "eco-driving". Alcune ricerche hanno dimostrato come si possano ottenere consistenti riduzioni dei consumi evitando uno stile di guida aggressivo, caratterizato da brusche accelerazioni/decelerazioni o velocità troppo elevate. Questa tematica ha validità del tutto generale, essendo indipendente dalla tipologia di veicolo considerato. Un'analisi approfondita dello stato dell'arte ha permesso di identificare alcune importanti situazioni di guida da porre sotto la lente d'ingrandimento. In particolare, è stato deciso di focalizzare l'attenzione su eventi di eccessive accelerazioni o velocità, differenziando la tipologia di comportamenti da tenere in funzione del tipo di strada percorsa (autostrada o tratta urbana). Il simulatore di guida è stato implementato utilizzando il motore grafico Unity e l'ambiente contiene sia un tratto autostradale che una rete cittadina. Il set-up hardware comprende un sedile, un volante e dei pedali. L'immagine è visualizzata tramite un visore di realtà virtuale, per garantire immersione e senso di presenza. Uno dei maggiori focus del lavoro di ricerca che verrà da qua in avanti condotto con questo equipaggiamento consiste nel confronto tra diversi tipi di stimoli da usare per comunicare comportamenti eco-compatibili al guidatore. Dal momento che la vista è sovraccaricata durante la guida, la determinazione di valide alternative per l'interazione uomo-macchina sta trovando largo interesse. Tra di essi, il canale tattile (haptic) garantisce una vasta gamma di possibili applicazioni. Uno studio preliminare riguardo la sensibilità della pianta del piede a differenti tipi di pattern vibrazionali ha portato alla realizzazione di un pedale acceleratore haptic. Questo pedale è in grado di inviare stimoli tattili grazie a quattro motori a massa eccentrica, mentre gli equivalenti stimoli visivi sono visualizzati sull'head up display appena dietro il volante virtuale. Gli esperimenti futuri andranno alla ricerca del miglior modo per ottimizzare l'interazione tra il conducente e l'auto, in modo tale da ridurre il carico cognitivo e al contempo comunicare efficientemente feedback capaci di modificare lo stile di guida. Alcuni test pilota sono stati condotti per validare il funzionamento del set-up e tracciare la strada della prossima ricerca.