A G-Seat for rotorcraft simulation: design, identification, and low-frequency vertical cueing

Vertical acceleration cueing remains a critical limitation of conventional motion-based flight simulators. While multi-degree-of-freedom platforms can reproduce angular motion and transient translational cues effectively, bounded workspace and actuator constraints make sustained and low-frequency vertical specific-force components difficult to render with adequate fidelity. This limitation is particularly relevant in rotorcraft simulation, where vertical cues contribute to hover stability perception, low-speed manoeuvre control, and the calibration of pilot control actions. This thesis investigates an alternative and complementary approach based on an active G-seat that provides localized somatosensory stimulation at the human–seat interface. By modulating seat support forces and contact conditions, the system aims to reinforce low-frequency vertical cue perception without requiring large-scale simulator motion. The work covers the system design and integration of the prototype, followed by a systematic dynamic characterization and identification of the commanded input–to–seat response behaviour in the frequency range relevant to vertical cueing. Experimental activities were conducted to quantify the seat dynamics and to assess perceptual effectiveness in a human-in-the-loop setting. Pilot feedback was collected and compared across three simulator configurations: a conventional motion platform, the developed G-seat, and a nomotion baseline. Results indicate that the proposed G-seat is most effective in the low-frequency vertical domain, where conventional platforms are structurally constrained, whereas full-motion configurations remain advantageous when richer multi-axis cues are required. Overall, the study supports seat-based cueing as a practical means to enhance vertical acceleration perception in rotorcraft simulation with reduced footprint and system overhead, and as a complementary option to traditional motion platforms.

La riproduzione delle accelerazioni verticali resta uno dei limiti più evidenti dei simulatori di volo basati su piattaforme di movimento. Queste piattaforme funzionano bene quando devono restituire rotazioni o accelerazioni brevi, ma diventano meno efficaci quando la componente verticale è lenta o deve essere mantenuta nel tempo. I limiti meccanici e attuativi impediscono infatti di generare forze verticali sostenute con la stessa naturalezza con cui vengono rese altre componenti del moto. Nel caso dei velivoli ad ala rotante questo aspetto è particolarmente rilevante. La percezione delle variazioni verticali contribuisce alla stabilità in hovering, al controllo nelle manovre a bassa velocità e, più in generale, alla coerenza tra ciò che il pilota vede e ciò che sente. In questo lavoro si esplora una soluzione diversa, pensata per affiancare le piattaforme tradizionali: un G-seat attivo che interviene direttamente sull’interfaccia tra pilota e sedile. Invece di spostare l’intero simulatore, il sistema modula le forze di contatto e il supporto del sedile, con l’obiettivo di rendere più percepibili le componenti verticali a bassa frequenza. La tesi descrive la progettazione del prototipo e la sua integrazione nel simulatore, seguite da un’analisi dinamica per comprendere come il sedile risponda ai comandi nel range di frequenze di interesse. L’attenzione è posta sia sul comportamento del sistema sia sulle sue implicazioni percettive. Le prove sperimentali sono state condotte per caratterizzare la dinamica del sedile e per valutarne l’efficacia in condizioni human-in-the-loop. Il confronto ha coinvolto tre configurazioni: piattaforma di movimento convenzionale, G-seat e assenza di movimento. I risultati indicano che il G-seat offre un contributo significativo proprio dove le piattaforme risultano più limitate, cioè nel dominio verticale a bassa frequenza. Le piattaforme full-motion rimangono preferibili quando è richiesta una stimolazione multi-asse più ampia. Nel complesso, il lavoro mostra come un sistema basato sul sedile possa integrare in modo efficace le soluzioni tradizionali, migliorando la percezione delle accelerazioni verticali senza aumentare in modo sostanziale ingombri e complessità del simulatore.