Design and validation of a driving simulator frame with an integrated seat adjustment system

In the last decade, driving simulators have proven to be fundamental tools for physical and mental training of professional drivers, thanks to their ability to reproduce dynamic feedback as close as possible to the one experienced on track, while operating within a virtual environment. However, solutions currently able to guarantee high-fidelity simulation are often characterized by high complexity, significant size and elevated costs, while the more compact solutions are often limited to gaming and sim racing contexts. In this scenario, there is a need to develop a simulator able to combine high dynamic performance with compact dimensions and reduced costs. Within this context, the presented thesis work contributes to the development of a professional driving simulator with three degrees of freedom, comprising chassis, actuators, and driving peripherals, with particular attention paid to structural dynamics and ergonomic aspects. In particular, the work focuses on two main activities: the dynamic characterization of two tubular frames and the development of an automatic seat adjustment system intended to be integrated into the final solution. From a structural point of view, both frames were analyzed by means of finite element analysis, evaluating their natural frequencies and mode shapes and thus their structural stiffness and adequacy for the considered application. Experimental modal analysis was then performed on one frame, showing very good agreement with the numerical results, confirming the validity of the adopted FEM model and the effectiveness of the proposed analysis methodology for similar structures. Next, an actuated mechanism able to automatically regulate the seat height, tilt, and longitudinal position, was developed. The process comprised a preliminary kinematic analysis, followed by the actuators and mechanical components sizing, ending with the complete modeling of the system inside the CAD environment. The results show that the proposed architecture offers adequate kinematic performances, maintaining compact overall dimensions and limited complexity. Therefore, it represents an automatic solution potentially suitable for multi-user contexts.

Nell’ultimo decennio, i simulatori di guida si sono rivelati strumenti fondamentali per l’allenamento fisico e mentale di piloti professionisti, grazie alla possibilità di riprodurre sensazioni dinamiche quanto più simili possibili a quelle offerte dalla pista, pur rimanendo all’interno di un ambiente virtuale. Tuttavia, le soluzioni attualmente in grado di garantire un'elevata fedeltà di simulazione sono spesso caratterizzate da complessità, ingombri significativi e costi elevati, mentre le soluzioni più compatte e a basso costo sono spesso limitate a contesti di gaming e sim racing. In questo scenario, emerge la necessità di sviluppare un simulatore in grado di coniugare elevate prestazioni dinamiche con dimensioni e costi contenuti. Il presente lavoro di tesi si inserisce proprio in questo contesto, contribuendo allo sviluppo di un simulatore di guida professionale a tre gradi di libertà, completo di telaio, attuatori e periferiche di guida, con particolare attenzione agli aspetti di dinamica strutturale ed ergonomia. In particolare, il lavoro si concentra su due attività principali: la caratterizzazione delle proprietà dinamiche di due telai tubolari e lo sviluppo di un sistema di regolazione automatico del sedile, da integrare nella soluzione finale. Dal punto di vista strutturale, entrambi i telai sono stati analizzati tramite modelli ad elementi finiti, valutandone frequenze proprie e modi di vibrare, al fine di verificarne la rigidezza strutturale e l’adeguatezza per l’impiego previsto. Su uno dei due telai è stata inoltre condotta un’analisi modale sperimentale, che ha mostrato una buona coerenza con i risultati numerici, confermando la validità del modello FEM adottato e l’efficacia della metodologia di analisi per strutture simili. Successivamente, è stato sviluppato un meccanismo attuato in grado di regolare automaticamente la posizione del sedile in altezza, inclinazione e posizione longitudinale. Il processo ha compreso un’analisi cinematica preliminare, seguita dal dimensionamento degli attuatori e dei principali componenti meccanici, terminando con la relativa modellazione completa in ambiente CAD. I risultati indicano che la soluzione proposta è in grado di offrire prestazioni cinematiche adeguate, mantenendo una struttura compatta e una complessità contenuta, rappresentando quindi una soluzione automatica potenzialmente adatta a contesti multiutente.