Active steer: design and testing of a longitudinal force feedback device for driving simulator

This thesis presents the development and experimental validation of a novel haptic force feedback device called the Active Steer; designed to address the inability to reproduce sustained longitudinal acceleration cues, present nowadays in any simulator. The core idea is to substitute the vestibular cues generated by cockpit motion with a force feedback delivered directly to the driver through the steering wheel, by translating it along its own longitudinal axis in proportion to the longitudinal acceleration computed by the vehicle model. The steering wheel motion stimulate a reaction froce generated by the driver’s arms for an arbitrarily long period. The force feedback is managed by the control logic, that implement three nested control loops of force, position, and motor current. The device is implemented for the desktop simulator at Politecnico di Milano as a proof of concept of a more general idea applicable to any simulator architecture. The system has been created and tested through a user test involving thirteen partic- ipants, who drive a simulation scenario with the Active Steer alternately disabled and enabled, without prior knowledge of the difference between the two conditions. Objec- tive data recorded during the tests confirm correct system operation with no perceptible delays between the simulation output and the wheel actuation. Subjective feedback col- lected through a post-session questionnaire is unanimously positive: all thirteen testers report an improvement in both immersion and overall driving experience when the Active Steer is active.

Questa tesi presenta lo sviluppo e la validazione sperimentale di un nuovo dispositivo aptico di force feedback chiamato Active steer, progettato per risolvere l'impossibilità di riprodurre feedback di accelerazioni longitudinali prolungate, presente ad oggi in qualsiasi simulatore. L'idea alla base è quella di sostituire la sensazione di accelerazione generata dal movimento del cockpit del simulatore con un feedback di forza trasmesso direttamente al pilota attraverso il volante. Traslando quest'ultimo lungo il proprio asse longitudinale, proporzionalmente all'accelerazione longitudinale calcolata dal modello del veicolo. Il movimento del volante induce il pilota ad applicare una forza resistente con le sue braccia, per un periodo arbitrariamente lungo. La logica di controllo è realizzata tramite tre loop in cascata: forza, posizione e corrente del motore. Il dispositivo è implementato per il simulatore da desktop del Politecnico di Milano come dimostrazione di un'idea più generale applicabile a qualsiasi architettura di simulatore. Il sistema è stato creato e poi testato attraverso un test che ha coinvolto tredici partecipanti, i quali hanno guidato in una simulazione di guida con Active steer alternativamente disattivato e attivato; senza una conoscenza a priori della differenza tra le due simulazioni. I dati oggettivi registrati durante i test confermano il corretto funzionamento del sistema senza ritardi percettibili tra l'output della simulazione e l'attuazione del volante. I feedback soggettivi raccolti tramite un questionario somministrato al termine delle sessioni sono unanimemente positivi: tutti e tredici i tester riportano un miglioramento sia dell'immersione che dell'esperienza di guida complessiva quando Active steer è attivo.