Human multibody model for vehicle dynamics simulation

The main topic of this thesis is the development of a human multibody model which can be coupled with different vehicle types already developed at this department. The purpose of the model is to simulate the driver influence on the vehicle dynamics for a wide array of test scenarios, including vertical dynamics and crash tests for scooters. The first part of this thesis is a detailed description of the human model, starting from the elements comprising the model and the joints connecting these elements. The main geometry of each element is an ellipsoid whose semi-axes are computed through interpolation based on inputs for the height and the weight of the driver. The joints have a complex structure containing an internal mechanics introduced through stiffness and damping parameters, limit values for the allowed motions and penalty functions restricting the motion within the allowed values. The second part is a description of the vehicle model used for the simulations. The scooter model is inspected as a standalone model and its behavior is assessed by comparison with other simpler models whose behavior is easier to predict. The first such system is a two degree of freedom model subject to simple vertical vibration due to its own weight, while the second system is the same model where the vertical vibrations are excited by an obstacle in the form of a speedbump. The last part of this thesis is the assessment of the behavior of the coupled human and scooter system. The test scenarios which are used, examine the vertical vibration of the model for a variety of obstacles. The vibrational response is compared to the measurements by looking at the acceleration profiles at different points of interest.

L'argomento principale di questa tesi è lo sviluppo di un modello multicorpo umano che possa essere accoppiato con diversi tipi di veicoli già sviluppati in questo dipartimento. Lo scopo del modello è simulare l'influenza del conducente sulla dinamica del veicolo per un'ampia gamma di scenari di test, tra cui dinamica verticale e crash test per scooter. La prima parte di questa tesi è una descrizione dettagliata del modello umano, a partire dagli elementi che compongono il modello e dai giunti che collegano questi elementi. La geometria principale di ciascun elemento è un ellissoide i cui semiassi sono calcolati tramite interpolazione sulla base degli input per l'altezza e il peso del conducente. I giunti hanno una struttura complessa contenente una meccanica interna introdotta attraverso parametri di rigidezza e smorzamento, valori limite per i movimenti consentiti e funzioni di penalità che limitano il movimento entro i valori consentiti. La seconda parte è una descrizione del modello del veicolo utilizzato per le simulazioni. Il modello di scooter viene ispezionato come modello autonomo e il suo comportamento viene valutato confrontandolo con altri modelli più semplici il cui comportamento è più facile da prevedere. Il primo di questi sistemi è un modello a due gradi di libertà soggetto a semplici vibrazioni verticali dovute al proprio peso, mentre il secondo sistema è lo stesso modello in cui le vibrazioni verticali sono eccitate da un ostacolo sotto forma di speedbump. L'ultima parte di questa tesi è la valutazione del comportamento del sistema accoppiato uomo-scooter. Gli scenari di test utilizzati esaminano la vibrazione verticale del modello per una varietà di ostacoli. La risposta vibrazionale viene confrontata con le misurazioni osservando i profili di accelerazione in diversi punti di interesse.