Evaluation of heavy-vehicle driver response to cross-wind using a dynamic driving simulator

Since the beginning of early transport vehicles, dating back to 5000 B.C, the driver has always covered a key role. Driver inputs are fundamental for vehicle operation and are more important when disturbances like crosswind are acting on the vehicle. An understanding of the driver behaviour provides an important foundation for the development of autonomous systems as well. In this thesis, an attempt has been made to understand the vehicle-driver system response in heavy road vehicles, in the context of cross-wind. The dynamic driving simulator DiM400 at the Politecnico di Milano has been used as a tool to perform experimental studies related to this topic. Given that heavy road vehicles are characterized by a big lateral surface, effects of aerodynamic forces and moments are an important aspect when analyzing the overall system behavior. These effects are aggravated around discontinuities in the road infrastructure such as the presence of tunnels or bridge towers. In this work, the case of tunnel exits has been investigated in detail. Vehicle and aerodynamic models have been coupled with an ad-hoc scenario and tested using a Driver-In-the-Loop approach. Wind speeds with both turbulent and uniform profiles have been considered for the tests. An experimental campaign has been performed with the aid of 28 drivers who tested a combination of different vehicle configurations and wind speeds. The results have been analyzed to understand the driver response and to characterize the coupled behavior of the vehicle-driver system at the tunnel exit. Main indices such as lane deviation and normalized load transfer have been evaluated. Apart from this, the response of different drivers to the same conditions have been compared and classified. An attempt has been made to tune the parameters of a generic path-follower controller to replicate the human driver response, when presented with similar conditions. This numerical-experimental methodology can be adopted and modified accordingly to investigate other cross-wind related phenomenon.

Sin dall’invenzione dei primi veicoli da trasporto, datati 5000 AC, il pilota è stato un elemento fondamentale. I suoi input sono fondamentali per guidare il veicolo in situazioni normali. Lo sono ancora di più quando disturbi esterni, come il vento, agiscono sul veicolo. In questa tesi si tenta di comprendere la risposta del sistema pilota-veicolo su mezzi pesanti da strada in condizioni di vento laterale. Per fare ciò, il simulatore dinamico DiM400 del Politecnico di Milano è stato usato come strumento per svolgere una campagna sperimentale su questo tema. Considerando che i veicoli pesanti sono generalmente caratterizzati da ampie superfici laterali, gli effetti di forze e momenti aerodinamici svolgono un ruolo importante quando si studia il comportamento del sistema. In particolare, questi effetti sono accentuati da discontinuità nell’infrastruttura stradale quali gallerie o piloni dei ponti. In questo lavoro è stato approfondito in dettaglio il caso studio dell’uscita da una galleria. I modelli aerodinamici e del veicolo sono stati implementati in appositi scenari e testati utilizzando il metodo Driver-In-the-Loop. Per le prove sono stati considerati profili del vento variabili, sia turbolenti che uniformi. Si è svolta una campagna sperimentale con l’aiuto di 28 piloti che hanno provato diverse configurazioni di veicoli e velocità del vento. I risultati sono stati poi analizzati per caratterizzare la risposta del pilota ed in generale il comportamento del sistema pilota-veicolo all’uscita da una galleria. Sono stati valutati i principali indici quali deviazione dalla corsia e trasferimento di carico normalizzato. E’ stata poi confrontata e classificata la risposta dei diversi piloti alle stesse condizioni. Inoltre si è tentato di di ottimizzare i parametri di un generico controllore path-follower con l’obiettivo di replicare la risposta di un pilota umano nelle stesse condizioni. Questo approccio numerico-sperimentale può essere adottato e modificato di conseguenza per svolgere ulteriori studi sul tema dell’interazione veicolo, pilota e vento laterale.