Active safety of quadricycles: performance and user acceptance at the DriSMi driving simulator

Due to their lightweight and small dimensions, quadricycles reduce environmental impact and land usage compared to traditional vehicles, representing an attractive solution for urban mobility. Despite exponential market growth, their active safety remains underregulated and an enhancement in this field could further promote their popularity. Within this framework, an Electronic Stability Program (ESP) is designed and extensively tested via offline simulations on a validated digital twin and Human-in-the-Loop tests at the DriSMi driving simulator. The designed multi-layer ESP architecture is oriented toward real-world applicability. It features a reference generator robust to the unknown tire-road friction coefficient μ, relying exclusively on variables measurable or estimable on-board. Its core is the Vehicle Dynamics Controller (VDC). It employs an adaptive, time-variable arbitration strategy coordinating yaw rate and sideslip angle controllers, enhancing responsiveness without penalizing stability. Finally, a torque allocator controller, integrated with ABS provides the logic to select and brake the required wheels to generate the torque vectoring contribution. The simulations performed using a mathematical driver model demonstrated that the controller enhances controllability and stability, effectively mitigating spin-out risks while reducing understeer near physical limits. The second stage of validation included a human driver in the loop. A pool of 15 drivers ran ten laps on a circuit that simulates three emergency maneuvers. The data collected confirmed enhanced stability, in particular in the Kick Plate test, dropping the spin rate from 68.3% to 0% with activation of ESP. Subjective feedback collected from drivers validates user acceptability, marking a significant result: the propensity to drive quadricycles in urban areas increases if vehicles are equipped with active safety systems, such as the ESP implemented in this work. In light of the results achieved, the implemented control logic is adopted as the baseline ESP strategy implemented in the Vehicle Control Unit of the quadricycle.

Grazie al peso e alle dimensioni ridotte, i quadricicli riducono l’impatto ambientale e l’occupazione di suolo rispetto ai veicoli tradizionali, rappresentando una soluzione attrattiva per la mobilità urbana. Nonostante la crescita esponenziale del mercato, la loro sicurezza attiva resta sottoregolamentata e un miglioramento in questo campo potrebbe promuoverne ulteriormente la diffusione. In tale contesto, un Electronic Stability Program (ESP) è stato progettato e testato tramite simulazioni offline su un gemello digitale validato e test al simulatore di guida DriSMi. L’architettura multistrato dell’ESP è orientata all’applicabilità su un prototipo reale. Il riferimento del controllore è robusto rispetto al coefficiente di attrito μ, considerato incognito e si basa solo su variabili misurabili o stimabili a bordo. Il Vehicle Dynamics Controller (VDC) impiega una strategia per assegnare la priorità in modo adattivo e tempo-variante. Coordina i controllori sulla velocità di imbardata e sull’angolo di assetto, migliorando la reattività senza penalizzare la stabilità. Infine, un controllore per la coppia frenante integrato con l’ABS seleziona le ruote da frenare, generando il torque vectoring. Le simulazioni con un modello matematico di guidatore dimostrano che l’ESP proposto migliora la controllabilità e la stabilità, mitigando i rischi di testacoda e riducendo al contempo il sottosterzo. La seconda fase di validazione ha coinvolto 15 guidatori reali in tre manovre di emergenza simulate. I dati confermano la maggiore stabilità, specialmente nel Kick Plate, dove l’attivazione dell’ESP abbatte il tasso di testacoda dal 68.3% a 0%. I feedback soggettivi convalidano l’accettazione da parte dell’utente, segnando un risultato significativo: la propensione a guidare i quadricicli nelle aree urbane aumenta se i veicoli sono dotati di sistemi di sicurezza attiva, come l’ESP implementato in questo lavoro. Alla luce dei risultati ottenuti, la strategia di controllo proposta è stata adottata come punto di partenza per l’implementazione dell’ESP nella centralina del quadriciclo.