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POLITECNICO DI MILANO FACOLT ` A DI INGEGNERIA INDUSTRIALE E DELL’INFORMAZIONE Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica - Motori e Turbomacchine Analisi dello stile di guida veicolare e delle emissioni di CO 2 Candidato: Alessandro SAFFIOTI Matricola 823533 Relatore: Prof. Giandomenico CARUSO Correlatore: Prof. Ing. Lorenzo MUSSONE Anno Accademico 2015-2016

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POLITECNICO DI MILANO

FACOLTA DI INGEGNERIA INDUSTRIALE E DELL’INFORMAZIONE

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica - Motori e Turbomacchine

Analisi dello stile di guida veicolaree delle emissioni di CO2

Candidato:

Alessandro SAFFIOTIMatricola 823533

Relatore:

Prof. Giandomenico CARUSO

Correlatore:

Prof. Ing. Lorenzo MUSSONE

Anno Accademico 2015-2016

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Indice

Abstract VII

Introduzione XI

1. Emissioni inquinanti legate ai trasporti 1

1.1 Emissioni di CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Emissioni di altri inquinanti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3 Normative per controllare le emissioni . . . . . . . . . . . . . 15

1.4 Controllo emissioni da parte di case automobilistiche . . . . . 17

2. Sistemi di simulazione di guida 19

2.1 Cenni sulla simulazione dinamica multibody . . . . . . . . . . 19

2.2 Il simulatore di guida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.3 Software di simulazione utilizzati . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3. Elaborazione dello stile di guida ideale 31

3.1 Il veicolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.2 Definizione del tracciato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.3 Impostazione dei parametri eco . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.4 Risultati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4. Obiettivi e preparazione del test 47

4.1 Scopo delle simulazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.2 Il sistema di acquisizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.3 Il simulatore utilizzato per la tesi . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.4 Modifiche apportate a CarMaker . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5. Esecuzione del test ed elaborazione dei dati acquisiti 59

5.1 Struttura del test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.2 Calcoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

6. Risultati 69

6.1 Risultati dell’analisi ANOVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6.2 Analisi consumi e stile di guida dei due gruppi . . . . . . . . 72

I

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II INDICE

6.3 Analisi risultati fisiologici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 826.4 Discussione dei risultati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 866.5 Conclusioni sugli esperimenti svolti . . . . . . . . . . . . . . . 87

Conclusioni 89

Appendice A. Questionario sull’esperienza svolta 91

Appendice B. Risultati questionario 101

Bibliografia 109

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Elenco delle figure

I Mezzo di trasporto scelto dai dipendenti e dagli studenti delPolitecnico. Valori espressi in punti percentuali. . . . . . . . .XIII

1.1 Emissioni di inquinanti per le attivita dell’uomo, [8] . . . . . 3

1.2 Emissioni di un motore Otto[9] . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3 Emissioni NOx di un motore Diesel[17] . . . . . . . . . . . . . 12

1.4 Emissioni dei principali inquinanti funzione del rapporto aria/-combustibile [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.5 Catalizzatore trivalente. [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.6 Filtro antiparticolato [17] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.7 Profilo di velocita del NEDC [18] . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.8 Profilo di velocita del WLTP [19] . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.1 Uno dei piu moderni simulatori di guida, cortesia Danisi.http://www.danisieng.com/simulation-2/ . . . . . . . . . . . 23

2.2 Evoluzione della tecnologia dei simulatori presso la Daimler,azienda tedesca produttrice di simulatori di guida. [51] . . . . 23

2.3 Scenario realizzabile con IPG Road. . . . . . . . . . . . . . . 25

2.4 Scenario realizzabile con IPG Traffic. . . . . . . . . . . . . . 26

2.5 Interfaccia grafica di CarMaker . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.6 Strada generata con SimMechanics. [55] . . . . . . . . . . . . 29

3.1 Automobile utilizzata per le simulazioni. Immagine tratta daCarMaker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.2 Curva di coppia e punti di consumo specifico. Nell’elenco sivedono solo i valori di consumo tra 1000 e 1500 giri per diversivalori di coppia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.3 Setting dell’IPG Traffic. In alto sono specificati i veicoli deltraffico, i pedoni, gli edifici e le decorazioni. Sotto sono elen-cate le manovre che il veicolo deve effettuare. Infine sonopresenti le condizioni iniziali: il veicolo in questione ha una ve-locita iniziale di 25 km/h e parte quando il veicolo dell’utenteha percorso 2890 metri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.4 Percorso generato con Google Earth . . . . . . . . . . . . . . 35

III

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IV ELENCO DELLE FIGURE

3.5 Il riquadro rosso rappresenta l’inserimento del tracciato im-portato da Google Earth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.6 Percorso generato con CarMaker . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.7 Impostazione “Long.DriveCycle Coef” e “Long.DriveCycle Tol”. 40

3.8 Impostazione dei parametri generali del Driver, guida prudente 41

3.9 Impostazione dei parametri del Driver: comportamento delveicolo nel traffico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.10 Profilo di velocita stile di guida eco. . . . . . . . . . . . . . . 44

3.11 Regime di rotazione del motore stile di guida eco. . . . . . . . 44

3.12 Tempo trascorso nelle diverse fasce di regime del motore (espres-so un secondi). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.13 Profilo di accelerazione stile di guida eco. . . . . . . . . . . . 45

4.1 BVP Flex/Comp[36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.2 BVP Flex/Comp [36] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.3 SC Flex/Pro [37] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.4 Strumentazione per l’acquisizione [38] . . . . . . . . . . . . . 52

4.5 Valutazione della low frequency e della high frequency a par-tire dalla PSD della heart rate variability. [40] . . . . . . . . . 54

4.6 Simulatore di guida del laboratorio i-Drive. . . . . . . . . . . 55

4.7 Seating buck. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.1 Primo scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.2 Dettaglio del secondo scenario: attraversamento pedonale. . . 60

5.3 Dettaglio del percorso milanese: rotatoria. . . . . . . . . . . . 62

5.4 Interfacciamento dei software menzionati. . . . . . . . . . . . 63

6.1 Boxplot dei consumi medi del gruppo sperimentale e di con-trollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6.2 Cumulata dei consumi lungo il percorso. . . . . . . . . . . . . 74

6.3 Differenza tra il profilo di velocita ideale e il profilo di velocitamedio sperimentale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

6.4 Profilo medio di velocita medi: confronto tra i due gruppi. . . 76

6.5 Varianza del profilo di velocita all’interno dei due gruppi. . . 77

6.6 Profilo medio di accelerazione medi: confronto tra i due gruppi. 78

6.7 Varianza del profilo di accelerazione: confronto tra i due gruppi. 79

6.8 Dettaglio del profilo di accelerazione. Si ricorda che il blu eil gruppo di controllo mentre il rosso quello sperimentale. . . 79

6.9 Distribuzione di frequenze per numero di giri nel gruppo spe-rimentale, di controllo e stile di guida ideale. . . . . . . . . . 81

6.10 Andamento dell’Heart Rate nel gruppo sperimentale e in quel-lo di controllo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

6.11 Andamento del rapporto LF/HF nei due gruppi. . . . . . . . 84

6.12 Variazione del CAB con il procedere della simulazione. . . . . 85

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Elenco delle tabelle

I Dati sul trasporto del personale del Politecnico con auto. . . XII

1.1 Dati energetici e di emissioni di alcuni idrocarburi . . . . . . 41.2 Stima di massima emissioni di CO2 al variare dell’alimenta-

zione e della cilindrata. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

6.1 Consumi medi di tutti i soggetti del campione espressi in litriper 100 km. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

6.2 Velocita medie di tutti i soggetti del campione espressi inmetri al secondo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

6.3 Accelerazioni medie di tutti i soggetti del campione espressiin m/s2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

6.4 Regime di rotazione medio espresso in RPM. . . . . . . . . . 716.5 Risultati dall’analisi ANOVA, fissato un livello di attendibi-

lita del 95 %. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716.6 Risultati dai questionari. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726.7 Media e varianza dei consumi medi dei due gruppi. . . . . . . 736.8 Consumi per il veicolo in esame per cinque differenti con-

figurazioni a regime di rotazione del motore costante (1500RPM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

6.9 Media e varianza nei due gruppi dell’energia dissipata con lefrenate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

6.10 Confronto tra la energia meccanica prodotta e dissipata nelgruppo di controllo, sperimentale e lo stile di guida ideale. . . 80

6.11 Confronto tra i consumi specifici nel gruppo di controllo,sperimentale e guida ideale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

6.12 Differenza nei valori tra le due baseline. . . . . . . . . . . . . 86

V

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VI ELENCO DELLE TABELLE

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Abstract

Nel settore automobilistico assume sempre piu importanza lanecessita di controllare le emissioni di inquinanti. Per compren-dere pienamente questo problema, e necessario tenere presenteche lo stile di guida influenza notevolmente le emissioni. I si-stemi di simulazione numerica permettono di fare una stima deiparametri che impattano maggiormente sulle emissioni e, conse-guentemente, possono suggerire per un dato percorso lo stile diguida ideale. Tuttavia, e difficile stimare quanto un guidatore sidiscosti nella guida reale da questo stile. Analizzare quest’ultimoaspetto e molto interessante perche permette di capire qual e ilmargine di miglioramento nella riduzione delle emissioni. Que-sto miglioramento puo essere ottenuto indicando al conducentealcune tecniche per ridurre le emissioni. Risulta pero importantecapire quanto seguire uno stile di guida, diverso da quello perso-nale, porti ad un aumento del carico cognitivo, cioe a un impegnomentale piu elevato. Questo fenomeno potrebbe indurre il gui-datore a non seguire i consigli proposti e potrebbe addiritturaportare a disattenzioni durante la guida.

Questo lavoro di tesi, partendo dalla descrizione delle principalitecniche di simulazione virtuale, ha avuto come obiettivo l’anali-si dello stile di guida veicolare in funzione delle emissioni di CO2.Inizialmente e stato calcolato uno stile di guida ideale tramiteun simulatore numerico. Successivamente i dati relativi a que-sto stile di guida sono stati confrontati statisticamente con duediversi campioni di soggetti che hanno guidato sullo stesso per-corso. Durante la guida solo ad uno dei due campioni sono statiindicati alcuni accorgimenti su come ridurre consumi ed emissio-ni.Oltre ai dati legati alle prestazioni del veicolo, utilizzati per quan-tificare la riduzione delle emissioni, sono stati acquisiti alcuniparametri fisiologici al fine di determinare l’impatto cognitivolegato al mantenimento di uno stile di guida diverso da quellopersonale.

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VIII ABSTRACT

Da questo lavoro si e capito che c’e una profonda influenza dellostile di guida sulle emissioni di CO2, dimostrato dalla varianzainterna al campione che ha guidato secondo il proprio stile.Inoltre, il suggerimento di uno stile di guida per ridurre le emis-sioni porta a una riduzione dei consumi. Questo fatto e accom-pagnato pero da un sensibile aumento del carico cognitivo.Infine, e stato possibile quantificare il discostamento dei guida-tori rispetto al caso ideale. In particolare, si e osservato che ladifferenza e principalmente legata al profilo di velocita del vei-colo e al regime di rotazione del motore.

Parole chiave automotive, emissioni di inquinanti, consu-mi, simulatore di guida, stile di guida, CarMaker, workload.

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Abstract (English)

In the automotive industry, the necessity to control emissionsof pollutants is an aspect of increasing importance. To fully un-derstand this issue, the implication of the driving style in theCO2 emissions should be taken in account. Numerical simula-tion systems make possible the estimation of the parameters thatmost influence the emissions, and, consequently, can suggest theideal driving style for a given track. However, the estimation ofthe differences between the real driver and the ideal driving styleis quite hard. The analysis of this last point is very interestingbecause it let the reader understand the possible improvementin emission reduction. This improvement can be obtained pro-viding techniques to reduce emissions to the driver. Anotherimportant fact is to understand if following a particular drivingstyle, which could be different from the driver’s one, leads to anincrease of the mental workload. This phenomenon could makethe driver not follow the suggestions and he could even bring tooversights while driving.

This thesis, starting from the description of the main virtualsimulation techniques, wants to analyze the vehicular drivingstyle as a function of CO2 emissions.First, an ideal driving style was evaluated by means of a nume-rical simulator. Then, the data related to this driving style arestatistically compared with two different samples of drivers whodrove on the same track. During the performance, informationabout eco driving have been provided to one of the two samples.Besides the data related to the vehicle performance, which wereused to study the reduction of the emissions, some physiologi-cal parameters were acquired in order to determine the cognitiveimpact of the retention of a different driving style compared tothe personal one.

This research demonstrates that there is a deep influence of dri-ving style on CO2 emissions because of the inner variance in the

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X ABSTRACT

drivers sample who drove according to their driving style.Furthermore, the suggestion of an eco - driving style leads to afuel consumption reduction. However, this fact leads to a sensi-ble workload increase.Finally, despite the suggestion of eco driving, the drivers gene-rated an emission level higher than the ideal driving style. Thisbecause the speed profile and the engine RPM were differentfrom the ideal case.

Keywords automotive, emissions of pollutants, fuel con-sumption, driving simulator, driving style, CarMaker, workload.

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Introduzione

L’obiettivo di questa tesi e analizzare la complessa variabileStile di guida oltre che capire la sua influenza sulle emissioni diCO2.Questa tesi si colloca all’interno di un progetto avviato dal Po-litecnico di Milano nel 2015. In questo progetto sono trattatiargomenti come: analisi dei mezzi di trasporto per raggiungereil Politecnico, miglioramento delle emissioni e del traffico. I ri-sultati di molti di questi argomenti sono gia disponibili da alcunetesi gia concluse[12]. E emerso che la maggiorparte del personaledel Politecnico preferisce raggiungere la sede utilizzando i mezzipubblici: il 53% degli studenti prende il treno, il 44 % la me-tropolitana. Nelle tesi gia concluse sono state riportate anchele motivazioni di questa scelta: il mezzo pubblico (ad esempioil treno) e preferito per la economicita e per la velocita. Essoinfatti non deve fronteggiare i problemi del traffico, che, in certiorari, si esplicano in ritardi eccessivi e maggiori rischi di provo-care incidenti.Tuttavia una parte non trascurabile del personale, (il 25% deglistudenti e il 34 % dei lavoratori) preferisce l’auto: dai risultatidei sondaggi condotti nelle tesi precedenti e emerso che le moti-vazioni principali sono la comodita e in alcuni casi la velocita ela sicurezza.

L’uso del mezzo pubblico e molto positivo dal punto di vi-sta delle emissioni di inquinanti: secondo quanto pubblicato sultesto letterario “Energy: A beginner guide” [27], spostarsi uti-lizzando un mezzo pubblico significa ridurre dell’80% il consumoenergetico rispetto all’auto. A una riduzione del consumo energe-tico segue necessariamente una riduzione delle emissioni di CO2,perche meno combustibile deve essere bruciato.

Inoltre, sempre secondo i lavori di tesi gia svolti, ogni au-tomobilista percorre in media circa 5600 km/anno, mentre ognipasseggero di un mezzo pubblico, 10000 km/anno. Complessi-vamente 3000 persone scelgono l’auto per venire al Politecnico.Questo significa che in un anno vengono percorsi circa 17 milio-

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XII INTRODUZIONE

Dipendenti Studenti

Frazione che viaggia in auto 34% 25%

Frazione che parte da Milano 50% 58%

Frazione che parte dall’hinterland milanese 16% 6%

Distanza media percorsa 35 km 33 km

Frazione che viaggia con un’auto elettrica ibrida 2.7% 0.7%

Frazione che viaggia con un’auto GPL o Metano 11.1% 10.1%

Frazione che viaggia con un’auto solo elettrica 0.2% 0.7%

Frazione che viaggia con un’auto benzina (≥ 2.0 l) 1.3% ND

Frazione che viaggia con un’auto benzina (≤ 1.4 l) 34% 49%

Frazione che viaggia con un’auto benzina (1.4-2.0 l) 11.7% 15.5%

Frazione che viaggia con un’auto Diesel (≥ 2.0 l) 4.7% 3.4%

Frazione che viaggia con un’auto Diesel (≤ 1.4 l) 7.9% 8.1%

Frazione che viaggia con un’auto Diesel (1.4-2.0 l) 25.6% 11.5%

Tabella I: Dati sul trasporto del personale del Politecnico con auto.

ni di chilometri con questo mezzo. Invece i mezzi pubblici sonoscelti da circa 6000 persone e vengono percorsi 60 milioni di chilo-metri. Ricordando che l’utilizzo di un mezzo pubblico comportauna riduzione delle emissioni dell’80%, si deduce che la maggiorparte della produzione di inquinanti e legato alle automobili.Da una rielaborazione dei risultati delle tesi gia concluse si eosservato che le automobili utilizzate sono per piu dell’85 % agasolio o a benzina. Questo fatto non e positivo perche, come sivedra piu avanti, sono quelle che emettono piu inquinanti. Bi-sogna notare pero che le automobili piu usate per raggiungereil Politecnico hanno motori piccoli, il che significa che emettonomeno gas: come si vedra la differenza non e pero poi cosı grande.Un altro dato poco incoraggiante e la ripartizione dei passeggerisui veicoli: un’auto omologata per cinque posti, mediamente sitrova occupata da 1.27 persone. Questo comporta piu veicoli instrada, quindi piu traffico e piu emissioni.

Presa visione di questi dati, diventa importante capire comemigliorare le emissioni da parte degli autoveicoli.Questo problema non e nuovo: gia da anni le case automobili-stiche stanno cercando di risolverlo, ad esempio equipaggiando iveicoli con sistemi che comunicano al conducente quanto virtuo-sa sia la sua guida. Purtroppo i dispositivi sulle vetture spessonon vengono seguiti perche possono indurre stress nel conducen-te. In questo lavoro di tesi si cerchera di capire anche come ilsuggerimento di ridurre le emissioni di CO2 vengano recepite dalguidatore in termini di sforzo cognitivo.

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XIII

Figura I: Mezzo di trasporto scelto dai dipendenti e dagli studenti delPolitecnico. Valori espressi in punti percentuali.

Struttura della tesi

Le emissioni di anidride carbonica nel settore automotive so-no largamente studiate al giorno d’oggi. Cio che non e piena-mente sviluppato e lo studio di questo argomento mediante unsimulatore di guida. Il presente lavoro di tesi vorrebbe fornire uncontributo allo sviluppo di questo argomento. Fare cio e moltoimportante perche diventa possibile studiare la variabile stile diguida facendo delle prove con diversi utenti. Il simulatore forni-sce inoltre uno spunto per condurre un’altra importante ricerca:capire quanto il suggerimento di seguire un determinato stile diguida incida sullo stress del guidatore.

Questa tesi inizia con un background sulle emissioni di CO2

legate ai trasporti, descrivendo nel dettaglio le cause e le con-seguenze. In seguito vengono elencate le principali fonti di in-quinanti, focalizzando l’attenzione sulle normative che regolanole emissioni e sui metodi per contenerle: l’utilizzo di sistemi dipost-trattamento e il miglioramento del processo di combustione,ad esempio. Per contenere le emissioni, inoltre ogni casa auto-mobilistica deve eseguire dei test, che possono essere condotti indue modi: secondo un metodo sperimentale o secondo un meto-do numerico. Risulta possibile anche una combinazione dei due:utilizzare un simulatore di guida. Di questa terza soluzione sidiscute ampiamente nel secondo capitolo, in particolare focaliz-zandosi sulla parte hardware e software. Viene cioe descritta la

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XIV INTRODUZIONE

parte fisica del simulatore (che si compone generalmente di: vo-lante, pedaliera, cambio e sistemi di movimentazione per ricrearele forze che agiscono sul guidatore) e vengono spiegati i princi-pali software utilizzati. Per questa tesi e stato scelto CarMaker,prodotto dalla IPG Automotive.

Nel capitolo 3 si spiega come e stato generato lo scenario: euna strada cittadina realmente esistente a Milano che si compo-ne di intersezioni (a raso, a livelli sfalsati e rotatorie). Questoscenario ha molti elementi realistici: oltre alla strada completadi segnaletica sono presenti edifici e decorazioni.

Sempre in questo capitolo, viene presentato un metodo svi-luppato nell’ambiente di CarMaker per impostare una guida au-tomatica, ottimizzata per ridurre le emissioni. In altre parole,assegnato un percorso, CarMaker e in grado di fornire lo stile diguida ottimale.

Nel capitolo 4 si descrive in primo luogo lo scopo e la prepa-razione dell’esperimento: oltre a valutare l’influenza dello stiledi guida sulle emissioni di CO2, si vuole capire la variazionedello stress del guidatore legato al suggerimento di uno stile diguida ottimale. Diversi studenti hanno guidato con il simulato-re sul tracciato cittadino. Mentre svolgevano il test, sono statiacquisiti alcuni parametri fisiologici (skin conductance, BVP erespirazione). Questo per poterli utilizzare nella stima del caricocognitivo, che e una misura dello sforzo mentale. L’acquisizio-ne e stata realizzata con un secondo software: Biograph Infiniti,prodotto dalla Thought Technology, un’azienda canadese. L’u-tilizzo combinato dei due software ha richiesto una sincronizza-zione (con un errore piu basso di 0.5 - 0.8 secondi) realizzatatramite una riprogrammazione di CarMaker. Di questo si trattanell’ultima parte del capitolo 4.

Nel capitolo 5 viene spiegata dettagliatamente la proceduraseguita durante i test e si riportano le operazioni di postproces-sing dei risultati.

Nel capitolo 6, infine, vengono riportati i risultati ottenutidagli esperimenti, separando la parte ingegneristica (calcolo deiconsumi e delle emissioni, valutazione dei diversi stili di guida)dalla parte fisiologica.

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Capitolo 1

Emissioni inquinanti legateai trasporti

1.1 Emissioni di CO2

Presentazione del problema

Negli ultimi decenni ci si e resi conto, con sempre maggiorepreoccupazione, che l’uso dei combustibili fossili produce sostan-ze gassose nocive per la salute dell’uomo e dannose per l’ambientee la stabilita del clima. Questo suggerisce da un lato l’uso del-la massima cautela nell’introdurre materiali di rifiuto nell’aria edall’altro, la necessita di un diffuso e continuo monitoraggio del-la situazione e di un’analisi scientifica accurata dei dati raccolti.Le nazioni sviluppate, sotto l’influenza dell’opinione pubblica egrazie al progresso tecnologico, tendono a ridurre le emissioni disostanze nocive e vorrebbero imporre i loro standard ecologici aiPaesi in via di sviluppo. Tuttavia l’inquinamento del pianeta edestinato ad aumentare, anche perche gli stessi Paesi sviluppatia volte rifiutano di aderire a norme anti-inquinamento per nonsfavorire il proprio sistema produttivo.

Circa un quarto della radiazione solare che colpisce la Terra eriflessa nello spazio dalle nubi; un altro quarto circa e assorbi-to dall’atmosfera e si trasforma in calore. La meta rimanentedell’energia solare raggiunge la superficie terrestre: la maggiorparte e assorbita, una piccola parte e riflessa (per esempio dallecalotte polari).Certi gas come la CO2 assorbono parte dell’energia che dallasuperficie terrestre ritorna verso l’atmosfera, si riscaldano e ri-mandano calore verso la Terra. I primi produttori di questo gassono i vulcani, che cosı facendo hanno reso il clima terrestre abi-

1

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2 CAPITOLO 1. EMISSIONI INQUINANTI LEGATE AI TRASPORTI

tabile: se non ci fosse questo gas la temperatura terrestre sarebbedi circa 30 °C piu bassa. Quindi la CO2 naturale ha un effettomolto positivo sul clima.Da quando pero ha iniziato a usare intensamente i combustibilifossili l’umanita riversa nell’atmosfera quantita sempre crescentidi CO2, modificando cosı il clima della Terra e dando origine alproblema noto come effetto serra1. Agli attuali ritmi l’umanitaogni anno produce e immette nell’atmosfera circa 30 miliardidi tonnellate di anidride carbonica. In seguito all’uso dei com-bustibili fossili, dall’inizio della rivoluzione industriale a oggi laconcentrazione di CO2 e aumentata da 275 a circa 400 partiper milione e si prevede che, se non saranno presi provvedimentiopportuni, essa potra superare 550 ppm alla fine del ventune-simo secolo. Le conseguenze dell’aumento della concentrazionedi CO2 nell’atmosfera potrebbero essere disastrose. Si sa infat-ti che la temperatura aumenta grossomodo linearmente con laconcentrazione di CO2. Se questa dovesse aumentare per piu di2°C (che corrispondono all’emissione nell’aria di CO2 per trentaanni), le calotte polari si destabilizzerebbero e farebbero salire illivello del mare cancellando per sempre le citta costiere. Questofatto disastroso sarebbe inoltre accompagnato da una crescentefrequenza di fenomeni metereologici estremi. [11]Nell’accordo di Parigi, tenutosi a fine 2015 si e stabilito di con-tenere l’incremento di temperatura al di sotto dei 2°C, impe-gnandosi, per quanto possibile di non superare 1.5°C. Questoevidentemente per motivi di sicurezza.[12]

Causa delle emissioni di CO2

Come si nota dalla figura 1.1, circa un quarto delle emissionidi anidride carbonica sono legate ai trasporti. La figura riportaanche le emissioni di altri inquinanti, di cui si parla nel prossimoparagrafo.

Dalla figura 1.2, invece si osserva che il principale inquinanteemesso dai mezzi di trasporto e il diossido di carbonio (CO2).Questo gas e uno dei due prodotti della reazione di combustionedi un generico idrocarburo:

1Fenomeno che si produce allorche un certo mezzo risulta trasparente alle componenti dibreve lunghezza d’onda dello spettro della radiazione solare (per es., alla parte ultraviolettae visibile) ma e opaco rispetto a radiazioni di maggiore lunghezza d’onda come la radiazioneinfrarossa: un mezzo con queste caratteristiche trattiene la radiazione infrarossa emessadai corpi riscaldati in seguito all’assorbimento della radiazione di minore lunghezza d’ondacon un conseguente aumento della temperatura sottostante. (Enciclopedia Treccani, s.v.“effetto serra”.)

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1.1. EMISSIONI DI CO2 3

Figura 1.1: Emissioni di inquinanti per le attivita dell’uomo, [8]

CxHy + (X + 0.25 Y)O2 −−→ XCO2 + 0.5 YH2O (1.1)

Dalla reazione chimica si osserva che la quantita di anidridecarbonica emessa e proporzionale alla quantita di combustibilebruciato. Nel caso della reazione di combustione del metano,infatti si puo dire che bruciando una mole di metano viene pro-dotta una mole di CO2. Se si bruciano due moli di metano siproducono due moli di anidride carbonica.

CH4 + 2 O2 −−→ CO2 + 2H2O (1.2)

La quantita di CO2 emessa e anche legata alla quantita diatomi di carbonio che formano la molecola dell’idrocarburo. Inparticolare, piu sono gli atomi di carbonio, maggiore e il quanti-tativo di CO2 prodotto per unita di massa di combustibile bru-ciato. Interessante anche il discorso energetico: aumentando ilnumero di atomi di carbonio, il potere calorifico diminuisce, co-me mostra la tabella 1.1. [6]:

La tabella permette di osservare che attraverso la combustio-ne di un chilogrammo di idrocarburi si emettono nell’aria circa3 chilogrammi di anidride carbonica, che corrispondono a 1.5

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4 CAPITOLO 1. EMISSIONI INQUINANTI LEGATE AI TRASPORTI

Figura 1.2: Emissioni di un motore Otto[9]

Combustibile Formula PCI CO2 emessa

Metano CH4 55MJ/kg 2.75 kgCO2/kgCH4

Propano C3H8 50.5MJ/kg 3.00 kgCO2/kgC3H8

Butano C4H10 49.5MJ/kg 3.03 kgCO2/kgC4H10

Ottano C8H18 48MJ/kg 3.09 kgCO2/kgC8H18

Tabella 1.1: Dati energetici e di emissioni di alcuni idrocarburi

metri cubi di gas. Questo rende certo l’idea della mole di in-quinamento che si genera ogni volta che si utilizza l’automobile.Con un pieno di 50 litri di benzina (approssimabile a C8H18), siemettono ben 60 metri cubi di anidride carbonica2.

Per contenere queste emissioni diverse strategie (non sempre ef-ficaci) sono state adottate nel corso degli anni. Una soluzionee l’introduzione dei biocarburanti. Essi sono essenzialmente co-stituiti da atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno. Hanno unpotere calorifico nettamente piu basso dei combustibili appenacitati (minore di 40 MJ/kg), ma consentono una riduzione diemissioni fino al 30% 3.[7]Poiche nelle grandi citta il problema delle emissioni e maggior-

2Questi calcoli sono stati eseguiti utilizzando la legge dei gas perfetti pv=mRT suppo-nendo il gas in condizioni normali p= pressione = 1bar, T= temperatura = 273 K. Lacostante R per la CO2 e pari a: 189 j/kgK [10].

3Fonte: CEN/TC 320/WG 10 Methodology for calculation and declaration of energyconsumptions and GHG emissions in transport services.

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1.1. EMISSIONI DI CO2 5

mente sentito a causa dell’effetto combinato del riscaldamentoe del traffico, il veicolo elettrico potrebbe essere una soluzione.L’utilizzo di questa tipologia di veicoli non eviterebbe la produ-zione di inquinanti (perche per produrre elettricita con i metodiconvenzionali bisogna bruciare combustibili), ma perlomeno sievitano le emissioni in loco (salvo la produzione di particolatodovuta all’usura degli pneumatici, freni e sollevamento polveri).In altre parole, con i veicoli dotati di motore a combustione inter-na, si e obbligati a generare inquinanti nel punto in cui il veicolosi trova, mentre con i veicoli elettrici, si puo scegliere il puntodove generarli: lontano dalle grandi citta.

Soluzioni

Secondo quanto riportato sul testo letterario “Energia perl’astronave Terra“[11], l’automobile e il mezzo piu inquinante,soprattutto sulle brevi distanze: se l’auto deve percorrere po-chi chilometri, si manifesta il problema delle elevate emissioni afreddo (in particolare HC, CO, NOx, che saranno analizzate piuavanti), ma soprattutto uno stile di guida cittadino e caratte-rizzato da continue accelerazioni, frenate e fermate ai semafori,condizioni che incrementano le emissioni di CO2.Il motivo per cui l’auto e un mezzo cosı inquinante e da ricercarsiprincipalmente nel fatto che per spostare il peso di una persona enecessario movimentare una massa almeno dieci volte superiore.Una prima soluzione potrebbe essere quella di trasportare piupersone con una automobile: questo non solo incrementerebbel’efficienza del trasporto, ma ridurrebbe un’altra causa che agiscepesantemente sulle emissioni: il traffico. [11]

Inoltre una buona parte di automobilisti preferisce muoversicon auto molto grandi: se la massa del veicolo aumenta, l’ef-ficienza del trasporto diminuisce ancora. Questo comporta unincremento delle emissioni. [11]Infine le emissioni di CO2 dipendono anche dalla taglia e dal tipodi motore. Dalla tabella 1.2 si evince che a parita di cilindrata, imotori Diesel emettono meno anidride carbonica: questo e lega-to al maggior rendimento di questi motori; aumentando invecela cilindrata si verifica un incremento delle emissioni, giustificatodalla maggiore energia dissipata internamente al motore 4.

Di fronte a questo scenario per niente incoraggiante si posso-no adottare differenti soluzioni.

4Questi dati sono stati calcolati facendo uso di un software presente sul sitowww.CO2balance.it che permette di dare una stima di massima.

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6 CAPITOLO 1. EMISSIONI INQUINANTI LEGATE AI TRASPORTI

Cilindrata Motore a Benzina Motore Diesel

≤ 1.4 litri 16.19 kg/100km 14.05 kg/100km

1.4 - 2.0 litri 20.49 kg/100km 17.48 kg/100km

≥ 2.0 litri 29.68 kg/100km 22.94 kg/100km

Tabella 1.2: Stima di massima emissioni di CO2 al variare dell’alimentazionee della cilindrata.

Una delle piu importanti, ed argomento di questa tesi, e l’ot-timizzazione dello stile di guida. Secondo una pubblicazione daltitolo “Vehicle’s energy estimation and optimization via inertialmeasurement” condotta presso il Politecnico di Milano [22], unostile di guida ottimale puo ridurre anche del 40% le emissioni diinquinanti.Tuttavia non e facile e soprattutto univoco classificare lo stiledi guida. Secondo uno studio dal titolo “The multidimensionaldriving style inventory scale construct and validation” [1] lo stiledi guida puo essere:

• ansioso;

• rischioso;

• aggressivo;

• veloce;

• tale da ridurre il disagio;

• calmo;

• prudente.

Un’altra sfida e capire da quali variabili esso dipenda. Secon-do lo stesso studio, lo stile di guida dipende da:

• sesso;

• eta;

• esperienza di guida;

• capacita di autostima;

• capacita di controllo delle situazioni pericolose;

• quanto si ami il rischio;

• estroversione;

• tipo del percorso.

Queste variabili possono essere acquisite attraverso questio-nari, ad esempio.Esiste un altro aspetto da valutare. Secondo uno studio dal ti-tolo “Differences of drivers reaction times according to age and

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1.1. EMISSIONI DI CO2 7

mental workload”, [2] lo stile di guida (in particolare il tempodi reazione) e influenzato dal workload. Il workload misura laconcentrazione assunta quando si svolge un lavoro in un tempoprestabilito. In altre parole puo essere definito nel seguente mo-do:“So much work to do, so little time” (“cosı tanto lavoro dafare, cosı poco tempo”) [4]. Esso dipende da alcuni parametrifisiologici del guidatore che possono essere acquisiti durante laguida.

Una volta presentati i parametri che influenzano lo stile diguida, lo si mette in relazione con le emissioni di CO2.

Da quanto e emerso dal “quarto incontro Expert Panel Emis-sioni da Trasporto su Strada” [3], uno stile di guida non ottimaleoltre a portare a differenze di parecchi punti percentuali in termi-ni di consumi e conseguentemente di emissioni, puo deteriorareil veicolo portandolo in breve tempo a emettere molto di piurispetto alle condizioni di progetto.

Infine, il guidatore deve adattare il proprio stile di guida infunzione dei fattori esterni, come semafori, rotatorie e condizio-ni di traffico. Questo senza dubbio incide sulle emissioni. Unastrada molto trafficata, infatti fa incrementare i consumi, poicheil veicolo si trova a trascorrere molto tempo da fermo a motoreacceso. Secondo uno studio condotto dal Politecnico di Mila-no, utilizzare le rotatorie al posto dei semafori puo portare finoa una riduzione del 25% sulle emissioni di CO2 e del tempo dipercorrenza. [5] Questo e valido nel caso in cui il flusso vei-colare non sia vicino alla capacita della rotatoria. Nel caso lofosse si ricorre all’uso di rotatorie semaforizzate. Questo risolveil problema della congestione su strade molto trafficate perche siinterrompe a intervalli regolari il flusso veicolare che impegna larotonda, consentendo l’immissione ai veicoli in attesa di entrar-vi. L’introduzione di una rotatoria semaforizzata ha pero effettifortemente negativi su tempi di percorrenza ed emissioni quan-do il flusso veicolare e basso. Il problema potrebbe essere risoltoaccendendo i semafori solo negli orari di punta.Ottimizzare un semaforo, invece, porta a ridurre i consumi del15% rispetto a un impianto semaforico non ottimizzato. L’otti-mizzazione avviene secondo i flussi che si registrano nell’ora dipunta e viene fatta ad esempio regolando dinamicamente la du-rata del rosso e del verde.

Accanto allo stile di guida esistono altri parametri su cui sipuo agire per ridurre le emissioni di anidride carbonica. Questi

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8 CAPITOLO 1. EMISSIONI INQUINANTI LEGATE AI TRASPORTI

sono:

• Ottimizzare il rendimento del motore;

• Ottimizzare il veicolo dal punto di vista aerodinamico;

• Ridurre l’attrito degli pneumatici con l’asfalto.

Questi, al contrario dello stile di guida, sono dei parametri diprogetto dell’autovettura. Di seguito vengono analizzati piu neldettaglio.

a) Ottimizzare il rendimento del motore. Non tutta l’energiasviluppata dalla combustione diventa energia utile per ilmovimento. Un motore a benzina per il trasporto stradaleha un rendimento che arriva fino al 30%, mentre in un mo-tore Diesel si puo arrivare anche al 40%5. Questo e causatodai differenti cicli termodinamici con cui operano i motori.Quindi se si riesce ad alzare questo rendimento, piu energiameccanica sarebbe prodotta con la stessa quantita di com-bustibile. In altre parole, piu energia meccanica sarebbeprodotta con la stessa quantita di inquinanti prodotti. [23]

b) Da una ricerca dal titolo “The fuel consumption of auto-mobiles” [24] emerge che l’ottimizzazione dal punto di vistaaerodinamico e un fattore chiave per ridurre le emissioni.Un’automobile che viaggia risente degli attriti viscosi del-l’aria. Questi attriti si tramutano in una potenza persa(espressa in W) che segue la relazione:

P =1

2ρcxv

3A (1.3)

con:

• ρ = densita dell’aria [kg/m3]

• cx = coefficiente di Drag, indice della resistenza aero-dinamica

• v = velocita del veicolo [m/s]

• A = area frontale del veicolo [m2].

5Questi valori di rendimento sono stati calcolati a partire dai grafici di consumo specifi-co di motori Diesel e benzina presi dal testo “Motori a combustione interna”, G. Ferrari[13].E bene notare che il rendimento varia anche in funzione di: carico, regime di rotazione delmotore. Questa variazione puo essere anche molto grande: assegnato un motore Otto chea pieno carico ha un rendimento del 30 % , a carico parziale puo scendere anche al 15%.Meno pesante e la variazione in un motore Diesel.

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1.2. EMISSIONI DI ALTRI INQUINANTI 9

Si osserva che la resistenza aerodinamica assume grande im-portanza per alte velocita. [24]I parametri di progetto legati all’ottimizzazione della po-tenza dissipata per drag sono: cx e A.[14]

c) Ridurre l’attrito degli pneumatici con l’asfalto. Secondouno studio dal titolo “Tire rolling resistance and vehiclefuel consumption” la resistenza al rotolamento ha un im-patto molto forte sui consumi di carburante. La potenzaspesa (espressa in W) per mantenere in moto a velocita co-stante una ruota e: [14]

P = N ∗ fv ∗ v (1.4)

.con:

• N = forza di contatto verticale pneumatico - terreno[N ]

• fv = coefficiente di resistenza al rotolamento

• v = velocita [m/s].

Si dimostra che una riduzione del 10% del coefficiente fvporta a una riduzione del 2% dei consumi di carburante.[25]

Infine, secondo quanto riportato da uno studio condotto daSivak e Schoettle (2012) incidono profondamente sul con-sumo di carburante: un motore non intonato(4 - 40%),una pressione degli pneumatici errata (1.5% ogni 5 psi),un olio del motore improprio (2%), l’uso del climatizzatore(5-25%). [48]

1.2 Emissioni di altri inquinanti

Il processo di combustione genera altri inquinanti oltre allaCO2. I principali sono: ossido di carbonio (CO), idrocarburiincombusti (HC), ossidi di azoto (NOx), ossidi di zolfo (SOx) eparticolato (per i motori Diesel). La quantita di questi inqui-nanti generata dal processo di combustione e molto piu bassa diquella della CO2, come mostra la figura 2.2, tuttavia i loro effettisono molto pericolosi. L’ossido di carbonio, provoca un intossi-camento che puo portare nei casi piu gravi fino al coma e allamorte. [15] Gli idrocarburi incombusti portano a una riduzionedel rendimento di combustione poiche non tutto il carburante

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10 CAPITOLO 1. EMISSIONI INQUINANTI LEGATE AI TRASPORTI

viene trasformato in energia. Gli ossidi di azoto sono tossici, ir-ritanti, danno origine allo smog fotochimico e alle piogge acide.[16] Le piogge acide sono causate anche dagli ossidi di zolfo6. Leloro conseguenze sono: profonda modifica delle proprieta chimi-che del suolo e delle acque dolci con conseguenti deforestazioni escomparsa della vita nei laghi; danneggiamento dei monumenti[11]. Il particolato infine produce irritazione di occhi e organidell’apparato respiratorio e puo avere effetti cancerogeni. Esso eprodotto solo dai motori Diesel. [17]

In questa sezione si analizzano in primo luogo i principa-li inquinanti prodotti dai motori delle automobili focalizzandol’attenzione sul fatto che non esiste un modo per evitarne la pro-duzione, anche se la reazione chimica semplificativa 1.1 affermache gli unici prodotti della combustione sono anidride carbonicae acqua. Purtroppo, il reale processo di combustione e molto piucomplicato: in primo luogo l’ossidazione non e completa7, inoltrein camera di combustione non entra solo ossigeno, ma aria che,contenendo azoto, introduce ulteriori problemi. Dopo aver pre-sentato gli inquinanti, si analizzano alcuni sistemi adottati daicostruttori per ridurne le emissioni.

La formazione degli inquinanti

In questo paragrafo si vogliono presentare brevemente i mec-canismi di formazione degli inquinanti citati sopra.

a) Ossido di carbonio. Deriva da una combustione incom-pleta. La sua formazione dipende essenzialmente dal rap-porto aria/combustibile. Se questo rapporto scende, l’ossi-geno presente nell’aria non riesce a bruciare completamenteil carburante. I motori Diesel, poiche lavorano con abbon-danza di ossigeno non hanno questo problema. Nei motoriOtto, invece, che lavorano allo stechiometrico, il CO vie-ne prodotto e deve essere abbattuto attraverso sistemi af-ter treatment (catalizzatore trivalente). [9] In altre parolesi adotta uno stratagemma che spesso viene preso in con-siderazione nella progettazione dei motori a combustioneinterna: si consente la formazione dell’inquinante per poiabbatterlo a posteriori.

6Gli ossidi di zolfo in realta sono prodotti in minima parte e solo nei motori Diesel.7Secondo quanto riportato su ISPRA, Trasporto su strada, Inventario Nazionale delle

emissioni e disaggregazione provinciale, pubblicato nel 2010, al fine di stimare le emissionidi CO2 si assume che il 99% della massa del carburante segue la reazione 1.1, la restanteparte produce tutti gli altri inquinanti oggetto di questo paragrafo.

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1.2. EMISSIONI DI ALTRI INQUINANTI 11

b) Idrocarburi incombusti. Derivano da una combustioneincompleta. La loro formazione dipende principalmente da:

• Basso rapporto aria/combustibile. Questo problema,per quanto detto prima, interessa principalmente i mo-tori Otto.

• Spegnimento presso le pareti del cilindro, dove la tem-peratura e piu bassa.

• Spegnimento dentro i giochi nella camera di combustio-ne.

• Miscelamento del carburante nell’olio lubrificante.

• Assorbimento del carburante nei depositi.[9]

Da questo si puo dedurre che i motori Diesel non hannoquesto problema, mentre i motori Otto sı.

c) Ossidi di azoto. La produzione di NOx e funzione di tem-peratura e rapporto aria/combustibile. La loro formazionee legata a:

• Rapporto aria/combustibile. Questo inquinante infattisi forma dalla reazione tra ossigeno e azoto presentinell’aria. Se nella camera di combustione c’e tanta aria,la formazione e favorita.

• Temperatura. Per fornire l’energia di attivazione allasintesi di ossidi di azoto a partire da ossigeno e azotodell’aria, la temperatura deve essere alta.

• Riciclo gas esausti nella camera di combustione. Senella camera di combustione ci sono molti gas esausti(gia presenti prima della combustione, riciclati dal ci-clo precedente), la temperatura scende e si produconomeno ossidi di azoto.

• Carico e regime di rotazione del motore, come mostrala figura 1.3

Gli ossidi di azoto sono un problema per i motori Diesel.Lo sono meno nei motori Otto. I motori Otto prevedono lostesso sistemi di post-trattamento atti a ridurre le emissionidi NOx. [9]

d) Particolato. Il particolato e formato da particelle di di-mensione nell’ordine dei micron composte principalmenteda atomi di carbonio. Deriva dalla incompleta combustionedegli idrocarburi. Si forma nella parte della fiamma dove vie pochissimo ossigeno e la combustione procede con fiammediffusive (quindi nei motori Diesel). [17] [13]

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12 CAPITOLO 1. EMISSIONI INQUINANTI LEGATE AI TRASPORTI

Figura 1.3: Emissioni NOx di un motore Diesel[17]

Figura 1.4: Emissioni dei principali inquinanti funzione del rapportoaria/combustibile [9]

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1.2. EMISSIONI DI ALTRI INQUINANTI 13

Risulta interessante ora riassumere in un grafico la quantita degliinquinanti citati funzione del rapporto aria/combustibile (Figura1.4). Si puo osservare che non esiste un punto in cui si possonoevitare queste emissioni. Inoltre si deduce che per minimizzare leemissioni totali bisogna avere miscele non troppo magre per evi-tare la produzione di NOx, ma neanche troppo ricche per evitarela formazione di HC e CO. Ne deriva che scegliere il compromessoottimale e molto difficile. In aggiunta, posto che si riuscisse a tro-vare un punto di funzionamento ottimale, le emissioni sarebberoancora ben al di fuori dai limiti imposti dalle normative attuali.Allora si scelto di introdurre dei sistemi after- treatment, i qualivengono analizzati nel prossimo paragrafo.

Sistemi di riduzione delle emissioni

Negli ultimi quarant’anni un maggior interesse nel rispettodell’ambiente ha portato gli ingegneri a sviluppare dei sistemiatti a ridurre le emissioni degli inquinanti. Molto lavoro e statofatto: consultando le normative (dalla ECE 15/00, 1972 fino allaEuro 5, 2010[26]) si osserva che le emissioni sono state ridottedi circa due ordini di grandezza. La riduzione delle emissioniavviene attraverso le seguenti quattro metodologie:

• Agire sul carburante, la cui composizione deve essere ot-timizzata dal punto di vista dei gas esausti, ad esempioridurre il piu possibile lo zolfo;

• Agire sulla preparazione della miscela, controllare cioe ilrapporto aria/carburante, perche, come visto, questo e unparametro fondamentale dal punto di vista della quantitadi inquinanti prodotti (figura 1.4) che vengono emessi alloscarico;

• Agire sulla combustione, per renderla piu completa possi-bile (cioe piu vicina possibile alla reazione 1.1). Questo siesplica ad esempio nel controllo del processo di combustionee dell’evoluzione della miscela all’interno del cilindro quindinell’introdurre sistemi di iniezione sempre piu sofisticati peravere una migliore atomizzazione del combustibile;

• Agire sui gas esausti, cioe rimuovere gli inquinanti attraver-so opportuni sistemi di post-trattamento. [17]

In questo paragrafo si vuole trattare con maggiore attenzionel’ultimo punto. I sistemi di post-trattamento vengono collocatinel condotto di scarico del motore. Di seguito si analizzano i piucomuni.

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14 CAPITOLO 1. EMISSIONI INQUINANTI LEGATE AI TRASPORTI

Figura 1.5: Catalizzatore trivalente. [9]

• Catalizzatore trivalente. Montato sui motori Otto,permette l’ossidazione di HC e CO a CO2 e la riduzione diNOx a N2 e O2.[9] Si osserva subito che questo catalizzatorenon “elimina” l’inquinante, ma offre un ripiego: trasformacioe gli HC e il CO che sono gas molto pericolosi in CO2 chee meno pericoloso, ma comunque dannoso per l’ambiente.Inoltre a motore freddo le emissioni dei tre gas sono altissi-me. Il catalizzatore infatti lavora solo ad alte temperature.Alcuni studi hanno dimostrato la fattibilita di avvicinareil catalizzatore agli scarichi del motore, con la conseguenzadi un possibile precoce invecchiamento legato agli eccessi-vi valori di temperatura normalmente raggiunti quando ilmotore e alla temperatura di regime. [13]

• EGR. Acronimo di “exhaust gas recirculation”, viene mon-tato sui motori Diesel al fine di limitare la produzione diossidi di azoto. Questa tecnica consiste nel riciclare i gascombusti al fine di reintrodurli nel cilindro insieme alla ca-rica fresca. Questo riduce sensibilmente la presenza di os-sigeno nel cilindro e quindi si riduce la produzione di NOx.Si arriva a riciclare fino al 20% dei gas combusti portandoa una riduzione delle emissioni del 75%. [9]

• FAP. Acronimo di “Filtro anti-particolato”, viene montatosui motori Diesel. Questa tecnica consiste nel far passare igas combusti attraverso un mezzo poroso. Le particelle piugrandi dei pori vengono bloccate, mentre i gas vi passanoattraverso. Il particolato si accumula nei filtri che devonoessere periodicamente rigenerati attraverso l’ossidazione del

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1.3. NORMATIVE PER CONTROLLARE LE EMISSIONI 15

Figura 1.6: Filtro antiparticolato [17]

deposito carbonioso. Questa tecnica porta purtroppo alcunisvantaggi: il primo e che il filtro non “elimina” il particola-to, ma lo trasforma in un altro gas inquinante attraverso lasua combustione. Un altro svantaggio sta nel fatto che la ri-generazione non e al momento semplice perche per ossidareil particolato e necessaria una temperatura dei gas di sca-rico molto elevata. Alcuni studi dimostrano che e possibilefavorire l’ossidazione a temperature piu basse impregnandoi canali del filtro con dei catalizzatori ossidanti. [17] [13]

1.3 Normative per controllare le emissioni

Al giorno d’oggi esistono moltissime normative sul controllodelle emissioni suddivise per tipologia di veicolo e continente. Inaltre parole, viene impostato un ciclo di guida che lo specificoveicolo dovra effettuare, in base al quale si misurano le emissioniprodotte.In questo paragrafo si riporta il NEDC (New european drivingcycle), evidenziando i pregi e i difetti. Il ciclo vuole essere unasimulazione delle strade europee (sia urbane che extraurbane).Il test viene effettuato su uno chassis dynamometer e sono mi-surati gli inquinanti emessi. In figura 1.7 e riportato il profilo divelocita.Secondo quanto pubblicato sull’articolo “Development of test cy-cle conversion factors among worldwide light-duty vehicle CO2

emissions standard” [19], il ciclo NEDC e un ciclo poco dinamicoe a volte poco reale: basti pensare che l’accelerazione media e1.04 m/s2, il che significa che per accelerare da 0 a 50km/h cisi dovrebbe impiegare piu di 13 secondi, un valore decisamentepoco realistico. Piu che altro questo ciclo puo essere utilizzatoper confrontare le emissioni di differenti automobili. Al contra-rio il ciclo WLTP (Figura 2.6) e piu dinamico e, secondo quantopubblicato su questo articolo, dovrebbe a breve rimpiazzare ilNEDC. [19]

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16 CAPITOLO 1. EMISSIONI INQUINANTI LEGATE AI TRASPORTI

Figura 1.7: Profilo di velocita del NEDC [18]

Figura 1.8: Profilo di velocita del WLTP [19]

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1.4. CONTROLLO EMISSIONI DA PARTE DI CASE AUTOMOBILISTICHE17

Questi test purtroppo non tengono conto in nessuna manieradello stile di guida: ma la quantita di inquinanti emessi e forte-mente legata allo stile di guida. Come conseguenza, si ottengonoal giorno d’oggi dei consumi dichiarati molto diversi da quelli ef-fettivi. Una possibile risoluzione a questo problema e di provarea “insegnare” al guidatore a contenere le emissioni, ad esempioattraverso il segnale di cambio marcia o l’indicatore dei consumiistantanei, ormai presenti sui cruscotti di tutte le automobili piumoderne.In questo modo si cerca di suggerire almeno in parte lo stile diguida ottimale e quindi il problema delle case automobilistichediventa meno complesso perche si trasforma nel controllare leemissioni assegnato uno stile di guida gia ottimizzato. Questometodo, come gia visto, ha dei difetti: il guidatore potrebbe in-fatti non rispettare le segnalazioni del computer di bordo. Oltrea questo, e sara da dimostrare in questo lavoro, il fatto di sugge-rire uno stile di guida ottimale potrebbe aumentare lo stress nelconducente.

1.4 Controllo emissioni da parte di case automo-bilistiche

Le case automobilistiche devono essere in grado di: soddisfareil cliente, reggere un livello altissimo di concorrenza e sottostarealle normative sulle emissioni via via piu stringenti. In questoparagrafo si vuole analizzare come viene assolto questo difficilecompito.Per valutare le emissioni e i consumi di un veicolo le case au-tomobilistiche si servono principalmente di due metodi: analisisperimentali e modelli numerici.

a) L’analisi sperimentale si compone in genere di quattro fasi:studio e sviluppo del motore, prova al banco, prova al bancoa rulli, prova su strada.Attraverso queste quattro fasi il motore viene sviluppatoe calibrato per il raggiungimento delle prestazioni richiestedal cliente e rientrare nei limiti imposti dalla normativa an-tinquinamento di interesse.

b) L’analisi numerica, invece, mediante l’uso di software di flui-dodinamica computazionale, simula direttamente cio che

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18 CAPITOLO 1. EMISSIONI INQUINANTI LEGATE AI TRASPORTI

avviene all’interno degli organi del motore (ad esempio ilcilindro) al fine di ottimizzare i consumi di carburante equindi le emissioni. Questo secondo metodo da risultatiprecisi, pero le notevoli dimensioni del dominio di un odier-no sistema motore non si conciliano con i tempi di calcolodella fluidodinamica computazionale. Infatti per procederead un’analisi numerica dell’intero sistema motore si ricorregeneralmente all’ausilio dei codici quasi unidimensionali: icondotti vengono studiati con un approccio unidimensiona-le permettendo lo studio degli effetti delle onde di pressionee depressione che li attraversano mentre gli altri componentivengono modellati con una schematizzazione zero- dimen-sionale. In questo modo i tempi di calcolo sono notevol-mente ridotti ed e possibile effettuare uno studio di tutto ilsistema motore con costi esigui. [21]

Risulta infine possibile una terza strada che e una com-binazione delle due: un simulatore interattivo con il gui-datore che, presi in input tutti i parametri motoristici piuimportanti (rapporto di compressione, dati sul combustibi-le, posizione dell’acceleratore, freno e frizione istante peristante), da in output le prestazioni (consumi ed emissioni,ad esempio). Non sono molte le case automobilistiche cheusano quest’ultima tecnica per valutare le emissioni. Que-sta tesi, si propone quindi l’obiettivo di sviluppare questoargomento, che e molto importante poiche consente di pren-dere in considerazione la complessa variabile stile di guida.

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Capitolo 2

Sistemi di simulazione diguida

Come gia introdotto, il lavoro di tesi e stato svolto median-te un simulatore di guida. In questo capitolo si vuole in primoluogo fornire uno stato dell’arte sui simulatori di guida presentinelle principali case costruttrici e successivamente presentare iprincipali software utilizzati per interfacciare i simulatori con ilcalcolatore. Al fine di comprenderne bene il funzionamento, enecessario fare prima dei cenni sulla simulazione dinamica mul-tibody.

2.1 Cenni sulla simulazione dinamica multibody

I problemi di analisi dinamica

Noti la struttura del sistema oggetto di studio, le forze/cop-pie agenti su di esso e le condizioni iniziali del sistema, si risolve(di solito in forma numerica) il problema di analisi dinamica. Irisultati del problema di analisi sono la configurazione, la velo-cita e l’accelerazione di tutti i corpi del sistema.

Un altro aspetto da tenere in considerazione e il passaggio dalmodello fisico al modello matematico.Il modello fisico e una rappresentazione del sistema reale il piupossibile simile ad esso nelle sue condizioni di funzionamento,considerando le caratteristiche significative ai fini dell’analisi.L’abilita del progettista consiste proprio nel realizzare modelli fi-sici semplici ma sufficientemente accurati, e nel contempo adattiad ottenere facilmente il modello matematico per via analitica o

19

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20 CAPITOLO 2. SISTEMI DI SIMULAZIONE DI GUIDA

con il supporto di sistemi di simulazione assistita dal calcolatore.Dato il modello fisico, il modello matematico puo essere ottenuto:

• scrivendo le equazioni della cinematica e della dinamica delsistema, generalmente partendo dalle leggi della meccanicaclassica (se le equazioni sono risolte analiticamente la solu-zione esatta; se sono risolte numericamente, la soluzioneapprossimata);

• utilizzando programmi di simulazione che ricavano auto-maticamente le equazioni del sistema e le risolvano per vianumerica (soluzione approssimata).

Dato uno stesso modello fisico, i risultati analitici e numericidevono coincidere, a meno dell’errore introdotto dal programmadi simulazione, che e generalmente trascurabile se tale program-ma e affidabile e utilizzato correttamente.

Nel passaggio dal sistema reale al modello numerico si intro-ducono quindi due tipi di approssimazioni:

• le approssimazioni introdotte nel definire il modello fisico;

• gli errori dovuti ad una soluzione numerica del modellomatematico ;

Alcune delle approssimazioni che frequentemente vengono in-trodotte nel modello fisico sono:

• considerare corpi rigidi;

• assumere che il sistema non modifichi l’ambiente circostan-te;

• trascurare o gli attriti, o modellarli in maniera semplificata(attrito viscoso o coulombiano);

• sostituire caratteristiche distribuite con altre concentrate(masse, forze, ecc.);

• assumere che i parametri caratteristici di un sistema sianoinvarianti rispetto al tempo;

• trascurare le incertezze ed i disturbi. [28]

Come si potra intuire piu avanti, per il lavoro di tesi si e resonecessario un modello molto accurato. Alcune di queste appros-simazioni non sono state fatte. Ad esempio, trascurare gli attritio modellarli in maniera semplificata non e stato possibile percheda questi dipendono i consumi del veicolo. Introdurre sempli-ficazioni sugli attriti significherebbe ottenere valori di consumimolto diversi da quelli reali.

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2.2. IL SIMULATORE DI GUIDA 21

I sistemi multibody

I sistemi multibody sono sistemi meccanici composti di piucorpi, rigidi o deformabili, suscettibili di movimenti relativi do-vuti alla deformabilita stessa dei corpi o piu propriamente allapresenza di vari tipi di coppie cinematiche e di vincoli relativi.[29] Per simulare il comportamento dinamico di sistemi anchecomplessi (cioe analizzarne il movimento e la sensibilita alle va-riazioni dei parametri in gioco) vengono utilizzati codici di cal-colo multibody.Classici esempi di sistemi multi-body sono i veicoli terrestri:composti di ruote, sospensioni (con i relativi meccanismi), il te-laio, modellato come rigido o deformabile, ed eventualmente ipasseggeri. [29]Lo studio di questi sistemi, inizialmente basato su tecniche ana-litiche ha recentemente avuto un grande sviluppo con l’introdu-zione di software specifici per la simulazione multi-body.Alcuni programmi di simulazione, sono nati per il real time.Questo e un requisito fondamentale per svolgere il lavoro di tesiperche essi devono interagire con un simulatore di guida e pro-durre risultati istante per istante. Affinche un multibody possarispondere real time i requisiti necessari sono: numero di gra-di di liberta ridotto (cioe programma leggero dal punto di vistacomputazionale), scelta vincolata del timestep, scelta di un me-todo numerico che risolva velocemente le matrici in cui sono statediscretizzate le equazioni di moto[30] 1

2.2 Il simulatore di guida

Le ragioni per cui si utilizza un simulatore sono molteplici.Come riportato nell’articolo dal titolo “Brief history of drivingsimulators” (Watchel J., News T., 1995), il motivo principaleconsiste nel poter testare soluzioni ingegneristiche in un ambien-te sicuro e nel poter ripetere gli stessi esperimenti a un costo

1equazioni di moto: sono le equazioni di Lagrange per sistemi a n gradi di liberta:

ddt

( ∂L∂qj

) − ( ∂L∂qj

) = Qncj (j = 1, ..., n).

Con:

L = T − V − (λ1ψ1 + ...+ λnψn)

Dove: T=energia cinetica, V=energia potenziale, λi =moltiplicatori di Lagrangeassociato al vincolo. [31]

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22 CAPITOLO 2. SISTEMI DI SIMULAZIONE DI GUIDA

esiguo. Esempi sono il test dei sistemi di assistenza al guidato-re. Inoltre, essi vengono largamente impiegati nel settore racing.Ormai tutte le case di automobili da competizione ne hanno al-meno uno per allenare e preparare i propri piloti che scenderannopoi in pista sulle monoposto. Evidentemente allenare i piloti suun simulatore e piu conveniente sia dal punto di vista della sicu-rezza che dal punto di vista delle emissioni di inquinanti. Inoltresi puo leggere in letteratura che un’altra applicazione e quelladi studiare come influiscono i diversi stimoli sullo stile di guida,ad esempio: come cambiano i tempi di reazione se il guidatoreha assunto medicinali e come reagisce il guidatore se parla altelefono.[58]Un simulatore di guida e dotato di una parte hardware costituitada un volante, un cambio, una pedaliera, schermi per la visua-lizzazione e un software che permetta l’interfacciamento del pccon la consolle di guida e consenta i calcoli in tempo reale.Il software prende in input tutti i parametri motoristici piu im-portanti (ad esempio: curva di coppia e di potenza, dati sulcombustibile, posizione dell’acceleratore istante per istante), maanche le masse, le inerzie del veicolo. Grazie a questi dati, in par-te inseriti dall’utente, in parte provenienti in tempo reale dallaconsolle di guida, il software fa dei calcoli e restituisce in out-put le prestazioni (velocita, accelerazione, regime di rotazionedel motore, potenza istantanea, consumi).

Storia dei simulatori

I primi simulatori di guida autostradale sono stati sviluppatinegli anni ’50. Per vederne pero uno operativo bisogna aspettarei primi anni ’60. Successivamente, ci fu un declino, legato a unatroppo arretrata tecnologia dei display e dei calcolatori. Questoproblema fu superato alla fine degli anni ’60. La tecnologia deisimulatori fu sviluppata per la maggior parte dalla NASA, laquale li studiava per le missioni spaziali. Questi sviluppi ebberoovvie ripercussioni sui simulatori stradali, i quali aumentaronodi numero. Successivamente, con la crescita esponenziale dellapotenza computazionale, essi diventarono sempre piu potenti erealistici. Si incomincio a studiare anche percorsi piu comples-si (strade cittadine e trafficate): questo permise di studiare ilcomportamento del guidatore e quindi aumentare la sicurezzastradale. [50]

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2.2. IL SIMULATORE DI GUIDA 23

Figura 2.1: Uno dei piu moderni simulatori di guida, cortesia Danisi.http://www.danisieng.com/simulation-2/

Figura 2.2: Evoluzione della tecnologia dei simulatori presso la Daimler,azienda tedesca produttrice di simulatori di guida. [51]

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24 CAPITOLO 2. SISTEMI DI SIMULAZIONE DI GUIDA

Interessante anche l’introduzione del movimento dei simula-tori, avvenuta a partire dagli anni ’80. Inizialmente il movimentoera garantito da un esapode attuato idraulicamente. In segui-to il movimento e stato migliorato aumentando il numero deipistoni idraulici che governano il moto del simulatore. Poi gliattuatori idraulici sono stati sostituiti da quelli elettrici a cau-sa della loro ottima flessibilita di ragolazione. [51] Successiva-mente il miglioramento delle tecnologie di movimento accompa-gnato dal potenziamento dei sistemi hardware e software hannoportato ad ottenere simulatori estremamente realistici ai giornid’oggi. Un esempio quello presso la Danisi engineering, un’azien-da italiana che produce soluzioni per l’ingegneria: esso consenteun’esperienza di guida dove e possibile sperimentare: le accce-lerazioni, decelerazioni, il ritorno in forza dello sterzo. Inoltrec’e uno schermo molto grande che copre interamente la visualedel guidatore. Possiede una piattaforma mobile che riproduceaccuratamente la dinamica del veicolo. Questo simulatore vieneutilizzato per migliorare la dinamica del veicolo, il comfort, laprogettazione dei sistemi di controllo e testare l’interfaccia trauomo e macchina.

2.3 Software di simulazione utilizzati

I principali software utilizzati sono: CarMaker, Simpack, Adams e SimMe-chanics.

CarMaker

CarMaker e un software molto avanzato per la simulazionedel sistema automobile. I modelli utilizzati per mappare le inte-razioni dinamiche tra auto, guidatore, strada, traffico e percorsosono molto realistici. Inoltre, i modelli dell’auto sono comple-tamente non lineari: questo garantisce precisione e risultati disimulazione di alta qualita.CarMaker consente una molteplicita di funzioni:

• definire tracciati: per successione di segmenti (inserendocaratteristiche come lunghezza, larghezza, pendenza longi-tudinale e laterale) oppure importandoli dall’esterno, peresempio con Google Earth. La definizione del tracciatova oltre la semplice definizione della strada. In CarMakere possibile definire una strada molto dettagliata, compre-sa di segnaletica orizzontale e verticale, bumper, semafori,

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2.3. SOFTWARE DI SIMULAZIONE UTILIZZATI 25

Figura 2.3: Scenario realizzabile con IPG Road.

marciapiedi e oggetti user-defined. In altre parole, e possi-bile creare uno scenario estremamente realistico, requisitofondamentale per svolgere il lavoro di tesi. Tutte questefunzionalita possono essere prodotte attraverso IPG Road.

• impostare il traffico (altre automobili, autobus, pedoni, bi-ciclette, motoveicoli) ed edifici (case, uffici, stazioni di ri-fornimento carburante, ecc). Questo e reso possibile graziealla piattaforma IPG Traffic.

• impostare un pilota automatico sul tracciato appena defini-to inserendo alcuni parametri sulla guida, tra cui le interes-santissime funzioni “guida prudente” e “guida aggressiva”.In altre parole CarMaker e in grado di impostare uno sti-le di guida eco, per consumare poco e uno stile di guidamolto spericolato. Questo serve per capire teoricamente ilconsumo minimo e il consumo massimo, assegnato un trac-ciato. Tutte queste funzionalita possono essere prodotteattraverso IPG Driver.

• impostare le caratteristiche di carichi e rimorchi. Questo epermesso dalla piattaforma IPG Trailer.

Con questo software e poi possibile parametrizzare le partidel veicolo (motore, sospensioni, sterzo, pneumatici, freni, po-wertrain, aerodinamica, ecc) al fine di creare un modello di au-tomobile molto preciso. Sono inoltre gia presenti numerosi veicolipreimpostati.

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26 CAPITOLO 2. SISTEMI DI SIMULAZIONE DI GUIDA

Figura 2.4: Scenario realizzabile con IPG Traffic.

E inoltre possibile impostare le manovre2: esse servono al soft-ware in primo luogo per settare le condizioni iniziali della simu-lazione (ad esempio la marcia, la posizione di freno, frizione eacceleratore, la velocita iniziale, ecc) e in seguito per definirese la guida e automatica o manuale. Nel caso in cui la guidae automatica, l’IPG Driver prende il controllo e segue l’elencodelle manovre che l’utente ha indicato. Al contrario, se la guidaimpostata e manuale, CarMaker attende un input dalla consolledi guida.Infine si puo impostare l’environment (ambiente), dove si pos-sono settare: temperatura, ora del giorno, irraggiamento solare,ecc. Questi sono pero parametri meno interessanti per il presentelavoro.

Questo software e formato da differenti parti che comunicanotra di loro. Esse sono: IPG Movie, IPG Control, Instruments,Cockpit Package Standard , SoundMaker. Le prime tre sono giaincluse nel pacchetto CarMaker al momento dell’installazione.La prima serve per la visualizzazione grafica della simulazione.E cio che appare sugli schermi al momento della simulazione. Laseconda serve per fare un’analisi realtime dei parametri della si-mulazione. La terza permette la visualizzazione degli strumentidi bordo: tachimetro, spazio percorso, contagiri, consumi medie istantanei.

2L’impostazione delle manovre avviene definendo: durata (tempo o spazio), guidaautomatica o manuale, ecc.

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2.3. SOFTWARE DI SIMULAZIONE UTILIZZATI 27

Figura 2.5: Interfaccia grafica di CarMaker

Il Cockpit Package Standard e invece un pacchetto a parte checonsente di interfacciare la consolle di guida con CarMaker.Il soundMaker, infine, consente di produrre simulazioni con au-dio, requisito fondamentale per incrementare il realismo del si-mulatore.Numerosi altri pacchetti si possono poi acquistare: un esempio eADAS RP. Questa estensione del software consente di importarestrade in CarMaker, comprese le intersezioni. ADAS RP non estato acquistato per il presente lavoro di tesi: le intersezioni sonostate realizzate mediante alcuni stratagemmi: le strade seconda-rie, che intersecano il percorso della simulazione sono state createconsiderandole come dei marciapiedi ad altezza zero, mentre lerotatorie sono realizzate sovrapponendo piu volte il percorso fi-no a ottenere una circonferenza. Questi stratagemmi non creanodifetti alla simulazione, ma aumentano leggermente la difficoltanella fase di preparazione dello scenario.

A tutti questi strumenti e possibile accedere dalla CarMakerGUI, riportata in figura. Essa permette il coordinamento e l’in-terfacciamento di tutte le parti del software.

CarMaker permette inoltre la possibilita di essere riprogram-

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28 CAPITOLO 2. SISTEMI DI SIMULAZIONE DI GUIDA

mato mediante la modifica e la compilazione del codice C, presen-te nella cartella del progetto. La riprogrammazione e un’opera-zione molto avanzata, ma utile per permettere delle funzionalitadel software che di default non sono presenti.

Simpack

Simpack e un software utilizzato per la simulazione dinamicadi ogni sistema meccanico o meccatronico.Consente agli ingegneri di generare e risolvere modelli virtuali3D al fine di predire e visualizzare il moto, le forze in gioco e glisforzi.Simpack e utilizzato primariamente nei settori automotive, fer-roviario, eolico, motori e trasmissione di potenza, ma puo essereapplicato a ogni branca dell’ingegneria meccanica.Simpack e stato sviluppato principalmente per gestire modellinon lineari complessi con corpi flessibili. Esso e anche in gradodi rispondere real-time anche per sistemi molto complessi. Puoessere utilizzato per valutare i consumi nel senso dell’ottimizza-zione delle parti meccaniche del veicolo, ma non per ottimizzareil ciclo termodinamico del motore o lo stile di guida.Il software puo essere inoltre integrato con modelli esterni (adesempio Simulink o FMI). [52]

Adams

Adams supporta gli ingegneri nello studio della dinamica del-le parti in movimento e nell’analisi della distribuzione di forze ecarichi attraverso i sistemi meccanici.Riduce i costi di sviluppo prodotto consentendo una validazio-ne precoce a livello di sistema. Gli ingegneri possono valutare egestire le complesse interazioni tra discipline, tra cui movimen-to, strutture, attuazione e controlli per ottimizzare al meglio ildesign dei prodotti a livello di prestazioni, sicurezza e comfort.Oltre alle sue estese funzionalita di analisi, il software e ottimiz-zato per problemi di grandi dimensioni, e funziona al meglio inambienti di calcolo ad alte prestazioni.Utilizzando la tecnologia per la dinamica multibody, Adams ese-gue la dinamica non-lineare in una frazione del tempo richiestodalle soluzioni FEM.I moduli opzionali disponibili con questo software, consentonoagli utenti di integrare componenti meccanici, pneumatici, idrau-lici, elettronici, e tecnologie di sistemi di controllo per costruiree collaudare prototipi virtuali che rappresentano con precisione

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2.3. SOFTWARE DI SIMULAZIONE UTILIZZATI 29

Figura 2.6: Strada generata con SimMechanics. [55]

le interazioni tra questi sotto sistemi.Adams e un codice interfacciabile con input, ma non nasce perapplicazioni in tempo reale. Per avere un’analisi in tempo rea-le, infatti, bisogna semplificare la struttura a un numero moltoridotto di corpi rigidi. Solo cosı la simulazione puo avvenire intempi cosı ridotti, da rendere possibile il real time.Con Adams e possibile modellare ogni tipo di strada: irrego-larita, salite, discese. E inoltre possibile rappresentare alberi,segnaletica, edifici.Per fare una analisi real time si usano software che usano Adamscome base. [53]

SimMechanics

SimMechanics offre un ambiente di simulazione multibodyper i sistemi 3D meccanici, come i robot, le sospensioni dei veico-li e carrelli di atterraggio degli aeromobili. Si modella il sistemamultibody con blocchi che rappresentano corpi, giunti, i vincolie gli elementi di forza, e poi SimMechanics formula e risolve leequazioni del moto per il sistema meccanico completo. Modellida sistemi CAD, tra cui la massa, inerzia, giunti, vincoli e lageometria 3D, possono essere importati in SimMechanics.Un’animazione 3D generata automaticamente permette di visua-lizzare la dinamica del sistema.

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30 CAPITOLO 2. SISTEMI DI SIMULAZIONE DI GUIDA

E possibile parametrizzare i modelli dell’utente utilizzandovariabili e espressioni di MATLAB3, e sistemi di controllo diprogettazione per il sistema multibody in Simulink.E possibile aggiungere componenti elettrici, idraulici, pneumati-ci per il modello meccanico utilizzando Simscape e testarli tuttiin un singolo ambiente di simulazione.SimMechanics non nasce come software real time, quindi a me-no di una integrazione con una libreria esterna (Simulink RealTime), non potra essere utilizzato per il lavoro di tesi. Inol-tre, come si osserva dalla figura 2.6, e possibile solamente unamodellazione 3D molto semplificata. La modellazione della stra-da, anche in maniera cosı semplificata inoltre non e nemmenosemplice. [54]

3MATLAB un linguaggio di alto livello per il calcolo tecnico e un ambiente interattivoper lo sviluppo di algoritmi, la visualizzazione di dati, l’analisi di dati e la produzione dirisultati. E prodotto dalla Mathworks. Per ulteriori informazioni si rimanda al sito webhttp://it.mathworks.com/products/matlab/

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Capitolo 3

Elaborazione dello stile diguida ideale

Il software di simulazione scelto per questa tesi e CarMaker,prodotto dalla IPG Automotive. La scelta sta nel fatto che e unsoftware che nasce per la simulazione real time. Per il lavoro ditesi e molto piu facile utilizzare CarMaker di Adams, poiche perrendere real time quest’ultimo, andrebbe integrato con liberieesterne.In Adams costruire una strada (specialmente un percorso lungo)non e banale. E molto piu facile farlo con CarMaker, il qualecrea in modo molto semplice percorsi piu realistici.Inoltre e stato scelto il software della IPG invece di SimMecha-nics perche anche quest’ultimo non nasce per le applicazioni realtime, ma deve essere integrato con librerie esterne e anche perchenon e possibile avere un elevato livello di dettaglio della strada.In questo capitolo, dopo avere spiegato le caratteristiche del vei-colo con il quale sono state condotte le simulazioni, si illustrail tracciato. Successivamente si spiegano i parametri introdot-ti in CarMaker che servono al software per calcolare lo stile diguida cui corrisponde il consumo minimo. Si riporta infine unadescrizione di questo stile di guida.

3.1 Il veicolo

Nel presente lavoro di tesi si e scelto un veicolo gia preim-postato, la Volkswagen Beetle. Questa auto monta un motorea benzina da 2 litri, garantisce una coppia massima pari a 185Nm a 4500 rpm e ha una potenza di 85 kW (115 CV). Bisognafare presente che i modelli presenti nel software non sono stativerificati. Quindi non e detto che le caratteristiche appena citate

31

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32CAPITOLO 3. ELABORAZIONE DELLO STILE DI GUIDA IDEALE

Figura 3.1: Automobile utilizzata per le simulazioni. Immagine tratta daCarMaker.

appartengano a un modello di vettura effettivamente esistente.Questo non e un grosso problema dal momento che si sta affron-tando uno studio sullo stile di guida, non sulle performance delveicolo1. Di questo veicolo preimpostato, si e agito solo sulla po-wertrain dove e stato attivato il consumo di carburante, opzioneche di default era disabilitata.

3.2 Definizione del tracciato

Il tracciato e un percorso cittadino realmente esistente nellacitta di Milano. Esso e formato dalla seguente successione divie: via La Masa, via Lambruschini, via degli Ailanti, viale deiPioppi, via Ercolano, via Mac Mahon. Questa scelta e legata adiverse motivazioni:

• La volonta di realizzare un percorso che tutti gli automobi-listi che raggiungono il Politecnico sede Bovisa fanno abi-tualmente: il tratto La Masa- Lambruschini, 1.25 km (34% della lunghezza totale), e obbligatoriamente percorso datutti gli automobilisti.

1Lo studio sullo stile di guida e stato effettuato tenendo costanti tutti i parametri(auto, tracciato, traffico) e variando il guidatore. Se il veicolo e reale o meno non interessaperche cio che importa e solamente che sia lo stesso per tutti i guidatori.

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3.2. DEFINIZIONE DEL TRACCIATO 33

Figura 3.2: Curva di coppia e punti di consumo specifico. Nell’elenco sivedono solo i valori di consumo tra 1000 e 1500 giri per diversi valori dicoppia.

• La volonta di introdurre almeno un semaforo (punto I, figu-ra 3.6): questo per poter studiare con quale decelerazionel’automobilista si ferma e con quale accelerazione riparte2.

• La volonta di introdurre almeno una rotatoria. La rota-toria, se non e stata ben ottimizzata, influisce molto sullostile di guida: essa pone come variabili la traiettoria e ilprofilo di velocita con la quale la si percorre. Nel percorsone sono state considerate due (punti D,N). In entrambe l’u-tente e tenuto a dare la precedenza: i veicoli che impegnanola rotatoria sono stati opportunamente programmati nellafinestra IPG Traffic, in maniera tale che, a qualsiasi velo-cita il guidatore arrivi nell’intersezione, sia tenuto semprea fermarsi e dare la precedenza. 3.

L’importazione del percorso e stata fatta interfacciando Car-Maker con Google Earth nel seguente modo: nella finestra IPGRoad e consentito importare un file .kml, il quale puo essere ge-nerato da Google Earth (figura 3.4). Questo file e costituito daun elenco di punti (espressi come latitudine, longitudine e alti-

2Si puo dimostrare con CarMaker che variando la accelerazione e la decelerazione siottengono valori molto diversi dei consumi, quindi delle emissioni di CO2

3La programmazione dei veicoli del traffico consiste in primo luogo definire le manovree successivamente la posizione che deve essere raggiunta dall’utente affinche il veicolo deltraffico incominci a eseguire le manovre impostate.

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34CAPITOLO 3. ELABORAZIONE DELLO STILE DI GUIDA IDEALE

Figura 3.3: Setting dell’IPG Traffic. In alto sono specificati i veicoli deltraffico, i pedoni, gli edifici e le decorazioni. Sotto sono elencate le manovreche il veicolo deve effettuare. Infine sono presenti le condizioni iniziali: ilveicolo in questione ha una velocita iniziale di 25 km/h e parte quando ilveicolo dell’utente ha percorso 2890 metri.

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3.2. DEFINIZIONE DEL TRACCIATO 35

Figura 3.4: Percorso generato con Google Earth

tudine) che uniti formano il percorso. Lo spazio che intercorretra un punto e l’altro varia dai 5 ai 10 metri.

All’interno del tracciato, oltre a quelle gia viste, sono stateinserite molte caratteristiche dell’ambiente urbano:

• Un attraversamento pedonale, programmato in maniera cheappena l’auto dell’utente si avvicina alle strisce pedonali, unpedone attraversi la strada, facendola rallentare e in alcu-ni casi fermare. Questo e interessante per il lavoro di tesiperche la decelerazione con cui il veicolo rallenta e l’acce-lerazione con cui riprende la marcia incide moltissimo sulleemissioni di CO2.

• Un rettilineo con un autobus che procede lentamente(G).La manovra del pullman e cosı costituita: un tratto a velo-cita costante (25 km/h, da G a H). In questo tratto l’utentepuo scegliere se sorpassare oppure no il veicolo lento. Unafermata di 30 secondi(H). In questo tratto non e possibi-le sorpassare il mezzo perche in prossimita di una curva.Segue infine un altro tratto a velocita costante (da H a I)dove l’utente puo optare per il sorpasso. L’introduzionedell’autobus serve per capire come e lo stile di guida inse-guendo un mezzo lento. Si dimostra che i consumi piu bassisi hanno quando il veicolo: insegue il mezzo lento con unavelocita costante e quando l’accelerazione e la decelerazio-ne sono molto basse. [47] Secondo un esperimento condottocon CarMaker, se l’utente procedesse costantemente a 25km/h in seconda marcia con l’auto definita in precedenza

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36CAPITOLO 3. ELABORAZIONE DELLO STILE DI GUIDA IDEALE

Figura 3.5: Il riquadro rosso rappresenta l’inserimento del tracciatoimportato da Google Earth.

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3.2. DEFINIZIONE DEL TRACCIATO 37

Figura 3.6: Percorso generato con CarMaker

arriverebbe a consumare solo 3.42 litri ogni 100km.Un altro veicolo lento e stato inserito nel punto K, l’unicadifferenza e la non possibilita di sorpasso in questo caso.

• Due sottopassi: uno senza traffico (E), l’altro con il traffico(M).

• Diverse intersezioni dove l’utente deve solo veificare che lealtre auto gli diano la precedenza (A,B,C,F,J,L).

Lo scenario include una buona variabilita in termini di am-piezza delle curve, larghezza delle strade e pendenze che obbli-gano l’utente a rallentare, fermarsi e controllare attentamentela velocita. Una attenta disposizione di segnaletica orizzontale,verticale e luminosa aiuta l’utente a dirigersi correttamente e nonsbagliare strada. Lo scenario ha una lunghezza di 3.5 km circa.Rispettando tutti i segnali stradali, sono necessari almeno dieciminuti per percorrerlo.

Infine, per aumentare il realismo, sono state aggiunte moltedecorazioni come gli edifici: uffici in via La Masa e via Lam-

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38CAPITOLO 3. ELABORAZIONE DELLO STILE DI GUIDA IDEALE

bruschini, case in via Ercolano cercando di rispettare la loroeffettiva posizione. E stato aggiunto inoltre un parco nel qua-drato descritto dalle vie Dei Pioppi, Ercolano, Mac Mahon edegli Ailanti. Si e rispettata anche l’effettiva posizione di tuttele decorazioni introducibili grazie al software: guard rail, file dialberi, muri, marciapiedi, piste ciclabili, dossi.

3.3 Impostazione dei parametri eco

I parametri che consentono una minimizzazione dei consu-mi di carburante sono riportati nello Use Case: Consumption-Optimized Driving Cycle della guida dell’IPG Driver. [47] Essisono:

• Settaggio della modalita “defensive” (guida prudente). Al-l’interno dell’IPG Driver, nella finestra “Standard Parame-ters”, attraverso un click con il tasto destro e possibile impo-stare automaticamente tre stili di guida: prudente, normalee aggressivo. Selezionare uno stile di guida prudente portale seguenti modifiche: rispetto allo stile normale, l’interval-lo di tempo in cui avviene il cambio pedale (ad esempioil passaggio dall’acceleratore al freno) sale a 0.75 secondi,risultano ridotte la accelerazione e la decelerazione massi-ma. Cambia il grafico delle accelerazioni (l’unico presentenella 3.8): dalla rappresentazione si capisce che il veicolo oaccelera o sterza. Difficilmente fa le due azioni contempora-neamente. Infine variano: il tempo per effettuare il cambiomarcia (sale a 1.5 secondi) e diminuisce il regime di rota-zione a cui effettuare il cambio marcia. Dall’ultima tabelladella 3.8 si osserva che:

a) assegnata una marcia e una velocita, quando il veicolorallenta mantiene quella marcia fino a scendere a 1000giri al minuto (min);

b) in accelerazione la marcia successiva viene inserita a3000 giri (max);

c) la velocita di rotazione del motore deve essere mante-nuta attorno ai 1500 giri al minuto quando si viaggia avelocita costante (idle up);

d) se il veicolo deve accelerare e il regime di rotazione delmotore e al di sotto dei 2000 giri, la marcia viene scalataper l’accelerazione (acc down).

• Long.DriveCycle Coef. Questo parametro, inserito nella fi-nestra Misc./Additional parameters dell’IPG Driver come

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3.3. IMPOSTAZIONE DEI PARAMETRI ECO 39

mostra la figura 3.7, indica quanto dolcemente viene rag-giunta la velocita target. Piu lentamente viene raggiuntae piu bassi sono i consumi, a quanto si puo leggere dallaguida[47]. Inoltre, valori ragionevoli vanno da 0 a 2. Zeroe come se il parametro non fosse impostato, due indica chela velocita e raggiunta in maniera molto smooth.

• Long.DriveCycle Tol. E la tolleranza consentita assegnatauna velocita [47]. Ad esempio se bisogna seguire meglio pos-sibile un profilo di velocita, questo parametro deve esserefissato a 0 [32]. Nel percorso oggetto di studio, il profilo divelocita e assegnato dalla necessita di rallentare nelle curve(si supponga che le svolte obblighino l’automobilista a ral-lentare fino a 20 km/h) e dal limite di velocita: 50 km/h.Se il parametro fosse fissato a 0, tutte le curve sarebbe-ro effettuate a 20 km/h e un tratto molto lungo di tuttii rettilinei sarebbe affrontato a 50 km/h. Aumentando ilLong.DriveCycle Tol, si ottiene una riduzione dei consumi[47] perche le curve saranno affrontate a una velocita mag-giore e i rettilinei a una velocita minore. In altre parole,alzando questo parametro, il profilo di velocita diviene piupiatto.

• Min/Max Time gap. Questo parametro (figura 3.9) rap-presenta il distacco che il Driver cerchera di mantenere dalveicolo che lo precede. [32]

• Min/Max Distance. Sono stati lasciati i valori di default.Per ulteriori informazioni si rimanda alla User’s Guide [32]

• Energy efficient driving. Secondo questa impostazione, ilconsumo di carburante puo essere influenzato sensibilmen-te. Questo parametro puo variare tra 0 e 1. Zero indicauna guida molto veloce, nervosa e aggressiva, che porta acambiare continuamente la velocita e il distacco dall’autoinseguita. Invece, il valore 1, corrisponde a uno stile diguida molto economico, dove l’automobilista adotta quan-to piu possibile lo stile di guida del veicolo che lo precede.In questo modo saranno presenti meno accelerazioni, menodecelerazioni e meno fermate. [32]

• Sono possibili infine impostazioni sul sorpasso. Nella figura3.9, la voce “Overtaking” spuntata permette di considerareil sorpasso. Nel presente percorso non e stato consideratoperche, dopo aver fatto un esperimento con CarMaker 4, si e

4Dall’esperimento si e capito che avere avere la pazienza di seguire e non sorpassare unveicolo che viaggia a 40km/h porta a un risparmio sul carburante del 5% rispetto al casoin cui lo si sorpassi e si proceda a 50 km/h.

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40CAPITOLO 3. ELABORAZIONE DELLO STILE DI GUIDA IDEALE

Figura 3.7: Impostazione “Long.DriveCycle Coef” e“Long.DriveCycle Tol”.

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3.3. IMPOSTAZIONE DEI PARAMETRI ECO 41

Figura 3.8: Impostazione dei parametri generali del Driver, guida prudente

capito che effettuare un sorpasso consuma molto carburantee quindi non si sposa con una guida eco.

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42CAPITOLO 3. ELABORAZIONE DELLO STILE DI GUIDA IDEALE

Figura 3.9: Impostazione dei parametri del Driver: comportamento delveicolo nel traffico.

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3.4. RISULTATI 43

3.4 Risultati

I parametri ingegneristici principali che definiscono lo stiledi guida sono: profilo di velocita, di accelerazione e numero digiri. Lo stile di guida impostato da CarMaker e caratterizzatoda un profilo di velocita piuttosto uniforme: la velocita massimaraggiunta e piuttosto bassa (11.74 m/s, cioe 42.26 km/h) e nonsono presenti grandi accelerazioni e decelerazioni. L’accelerazio-ne massima supera il valore di 1 m/s2 solo nel caso di ripartenze(dopo l’attraversamento pedonale e dopo la fermata dell’auto-bus).Le curve vengono effettuate rallentando abbondantemente pri-ma e quasi sempre senza toccare il freno. L’inseguimento deiveicoli lenti avviene a distanza. Questo consente di impostareil moto indipendentemente dal mezzo che precede. Si dimostrainfatti che, inseguire un veicolo da molto vicino comporta inevi-tabilmente accelerazioni e frenate che fanno salire moltissimo iconsumi. Infine, il regime di rotazione del motore e mantenutoabbastanza basso: la media e circa 1500 giri al minuto con deipicchi di 2600 giri solo in accelerazione.La guida eco ha portato un consumo di 5.07 litri ogni 100 km,quindi un consumo di 0.1773 litri di benzina nel tratto interes-sato, cui corrispondono le emissioni di 0.5 kg di CO2

5. Per avereun’idea, questo quantitativo di CO2 occupa un volume di circa250 litri in condizioni normali.Questi dati, come verra mostrato nel prossimo capitolo, sono sta-ti utilizzati come confronto per l’esperimento con il simulatoredi guida.

5Fonte: CEN/TC 320/WG 10. Methodology for calculation and declaration of energyconsumptions and GHG emissions in transport services.

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44CAPITOLO 3. ELABORAZIONE DELLO STILE DI GUIDA IDEALE

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

2

4

6

8

10

12

spazio [m]

velo

cità

[m/s

]

Profilo di velocità ideale

attraversamento pedonale

rotatoria

fermata autobus

velocità massima: 11.74 m/s

curvacurva

curva

Figura 3.10: Profilo di velocita stile di guida eco.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000500

1000

1500

2000

2500

3000

spazio [m]

regi

me

di r

otaz

ione

[RP

M]

2690 RPM

media= 1580 RPM

Figura 3.11: Regime di rotazione del motore stile di guida eco.

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3.4. RISULTATI 45

Figura 3.12: Tempo trascorso nelle diverse fasce di regime del motore(espresso un secondi).

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000−2.5

−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5Profilo di accelerazione ideale

spazio [m]

acce

lera

zion

e [m

/s2 ]

attraversamento pedonale

fermata autobus

Figura 3.13: Profilo di accelerazione stile di guida eco.

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46CAPITOLO 3. ELABORAZIONE DELLO STILE DI GUIDA IDEALE

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Capitolo 4

Obiettivi e preparazione deltest

In questo capitolo viene in primo luogo chiarito l’obiettivo deltest. Successivamente viene presentato il setup della simulazione:il sistema di acquisizione, il simulatore di guida utilizzato e lemodifiche fatte al software di simulazione.

4.1 Scopo delle simulazioni

Oltre ad analizzare nel dettaglio il complesso parametro Sti-le di guida e valutarne l’influenza sulle emissioni di CO2, nelpresente lavoro si vorrebbe capire se, dopo aver fornito alcuneinformazioni sull’eco driving all’utente, si ottiene una riduzionedei consumi.Queste informazioni possono essere fornite nei seguenti modi:

• fornire istruzioni verbali ai partecipanti riguardo le regoledell’eco driving.

• Seguire addestramenti su strada con esperti di eco driving.

• Introdurre sistemi di assistenza al guidatore (ADAS) chediano al guidatore un feedback realtime per correggerlo sesta consumando troppo. Questo feedback puo essere datoattraverso una vibrazione o una contropressione dei pedali(haptic pedal), un force feedback dello sterzo, uno sposta-mento del sedile e della cintura di sicurezza. L’obiettivo diquesti sistemi non solo e quello di ridurre le emissioni, maanche ridurre gli incidenti. Questi sistemi infatti possonoessere connessi attraverso un cloud con le altre automobili:quando il guidatore si trova troppo vicino a un’altra auto(che ha la stessa tecnologia) o comunque in una condizione

47

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48 CAPITOLO 4. OBIETTIVI E PREPARAZIONE DEL TEST

di possibile incidente, i sistemi ADAS emettono un segnaleche comunicano al guidatore la situazione di pericolo.

Queste tre opzioni hanno in comune la necessita di definiregli elementi cruciali per determinare quali caratteristiche posso-no essere definite ”eco guida” in una data situazione.Queste informazioni possono essere tratte da CarMaker, comevisto nel capitolo precedente.Con l’esperimento che si vuole presentare in questo capitolo, sivuole capire come le informazioni riguardo a un’eco guida forniteinfluenzino il guidatore.

Ci si aspetta che, addestrando gli utenti con un breve filmatoche contenga tutte le informazioni precise di come affrontare ilpercorso creato, si riesca ad ottenere una riduzione nel consumodi carburante.Ci si aspetta inoltre di misurare una differenza nel workload co-gnitivo dei guidatori che hanno seguito attivamente uno stile diguida eco-friendly comparato con i guidatori che non hanno rice-vuto nessuna particolare informazione sullo stile di guida. Que-sto e interessante perche se si osserva un significativo incrementodello sforzo mentale legato alla volonta di seguire un determinatostile di guida, bisognera tenerne conto, dal momento che un in-cremento del workload durante la guida puo aumentare il rischiodi distrazioni.

Per condurre l’esperimento e stato scelto un campione di 20 gio-vani studenti. L’eta media del campione e 22.23 anni e il campio-ne ha dichiarato che la esperienza di guida e di 6500 km/anno. Ipartecipanti hanno dovuto dichiarare di non aver mai partecipatoa nessun corso di eco driving prima d’ora al fine di partecipareall’esperimento. Infine vengono scelti solo soggetti maschi permantenere costante il sesso.

4.2 Il sistema di acquisizione

Il sistema di acquisizione si compone di una parte software(Biograph Infiniti) e una parte hardware (encoder e sensori).

Biograph Infiniti

BioGraph infinity e stato sviluppato dalla Thought Tecnolo-gy Ltd, un’azienda Canadese, e consente in primo luogo di fareuna acquisizione dei parametri fisiologici ma anche di effettuare

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4.2. IL SISTEMA DI ACQUISIZIONE 49

una rielaborazione dati dalla quale si possono estrarre indici diinteresse per stimare il workload.Questo programma funziona con un encoder, il ProComp Infini-ti. Questo strumento e dotato di otto canali e puo lavorare inmultimodalita. I primi due canali possono acquisire fino a 2048Hz, mentre gli altri sei a 256 Hz. Questa frequenza di campiona-mento in realta e molto alta per il presente lavoro: per non averevettori di dati troppo lunghi, si e deciso di esportare i risultati a16 Hz.I sensori che vengono collegati inviano all’encoder i segnali grezzi.Il ProComp Infiniti campiona i segnali in entrata, li digitalizza,li codifica1 e trasmette i dati campionati all’unita di interfacciaTT USB. Un cavo a fibra ottica e utilizzato per la trasmissione alTT USB, consentendo la massima liberta di movimento, fedeltadel segnale e isolamento elettrico. L’unita di interfaccia TT USBe collegata a una porta usb del computer e ha lo scopo di riceve-re i dati provenienti dall’encoder in forma ottica e convertirli nelformato usb al fine di comunicare con il software. Nella figura4.4 e riportata la strumentazione utilizzata per l’acquisizione: inalto a sinistra, il cavo usb che connette il TT USB con il com-puter; in alto a destra l’encoder ProComp Infiniti a otto canali;in basso a sinistra il TT USB, in basso a destra la fibra ottica.Per questa tesi non sara necessario acquisire tutti i canali. Inparticolare sara sufficiente acquisire:

• il sensore BVP Flex/Pro (blood volume pulse). Esso mandadegli infrarossi sulla superficie della pelle e misura l’ammon-tare di luce riflessa. Questa quantita varia in funzione delvolume di sangue presente nella pelle. A ogni battito car-diaco, nella pelle e presente una maggiore massa di sanguee quindi piu luce viene riflessa2. Al contrario, tra un bat-tito e l’altro, la quantita di sangue diminuisce e piu luceviene assorbita. Questa misurazione e una indicazione del-la attivita dei vasi sanguigni e dell’eccitazione del sistemasimpatico3 .L’unita di misura di questo segnale e relativa: non ha unaunita standard. Da questo segnale il software puo calcolarela frequenza cardiaca e l’intervallo di tempo tra i battiti.

1Si chiama codifica l’operazione di formalizzazione e scrittura dell’infomazione susupporto fisico. [39]

2Questo perche il sangue riflette la luce rossa e assorbe gli altri colori3Il sistema simpatico agisce nelle situazioni di emergenza: prepara il corpo alle reazioni

di fuga o di combattimento, e lo fa senza badare a spese. Quando e in azione il sistemaparasimpatico, invece, l’organismo si rilassa e accumula energia sotto forma di sostanze diriserva. [44]

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50 CAPITOLO 4. OBIETTIVI E PREPARAZIONE DEL TEST

Figura 4.1: BVP Flex/Comp[36]

Questo sensore deve essere mantenuto premuto sulla super-ficie cutanea (con una fascetta ad esempio). Potrebbe esserenecessario dover aggiustare la pressione sul dito finche nonviene raggiunto il segnale di massima ampiezza. [35]

• il sensore Resp Flex/Pro (respirazione). Esso e sensibileall’allungamento. Quando applicato al torace dell’utente,converte l’espansione e la contrazione della gabbia toracicain una crescita e diminuzione del segnale sullo schermo.Il segnale della respirazione e una misura relativa dell’e-spansione del torace.Il software non genera unita standard per la misurazionedella respirazione.Dal segnale grezzo, il software e in grado di calcolare la fre-quenza respiratoria e la relativa ampiezza del respiro.Il sensore consiste principalmente in una lunga fascia a vel-cro che e disposta attorno al torace dell’utente. Deve essereallacciato quando l’utente si trova in fase di completa espi-razione: non deve cioe essere allentato quando l’utente haespirato completamente. [35]

• il sensore SC Flex/Pro (conduttanza della pelle). Questo,misura la capacita della pelle a condurre elettricita. Unapiccola tensione e applicata tra due elettrodi, applicati adue dita della mano, al fine di stabilire un circuito elettricodi cui l’utente diventa il resistore. Viene misurata la varia-zione in tempo reale della conduttanza. Questo parametrorappresenta i cambiamenti nel sistema nervoso simpatico.Quando la persona diventa piu o meno affaticata, la con-duttanza aumenta o diminuisce proporzionalmente.

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4.2. IL SISTEMA DI ACQUISIZIONE 51

Figura 4.2: BVP Flex/Comp [36]

La conduttanza si misura in Siemens.Il sensore e costituito da due fili. All’estremita di ogni fi-lo c’e un elettrodo, contenuto dentro un velcro. In questomodo si possono mantenere in contatto gli elettrodi con lapelle. [35]

I dati provenienti da questi sensori servono a Biograph In-finiti per calcolare alcuni parametri per la stima del workloadcognitivo. Essi sono:

• High and low frequency della HRV (heart rate variability).Si puo dimostrare che in condizioni di stress cognitivo, lacomponente di alta frequenza aumenta.[42] La componentedi bassa frequenza e invece il risultato di una complessainterazione del sistema nervoso simpatico e parasimpatico.[43]

• Rapporto LF/HF (low frequency/high frequency). E il rap-porto tra le due grandezze del punto sopra. All’aumentaredi questo parametro, che si puo ricavare dallo spettro dellaHRV [40], aumenta il carico cognitivo, come dimostra unostudio dal titolo “The effect of mental stress on heart ratevariability and blood pressure during computer work”. [41]

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52 CAPITOLO 4. OBIETTIVI E PREPARAZIONE DEL TEST

Figura 4.3: SC Flex/Pro [37]

Figura 4.4: Strumentazione per l’acquisizione [38]

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4.2. IL SISTEMA DI ACQUISIZIONE 53

In Biograph Infiniti, il calcolo del rapporto LF/HF e dellaHRV avviene in automatico a partire dalla acquisizione deisensori BVP e respirazione.

• Attivita elettrodermica (SCR). SCR e acronimo di SkinConductance Response. La conduttanza cutanea assumeimportanza dove si manifestano pericoli improvvisi. In al-tre parole, se il guidatore si trova in uno stato rilassato eimprovvisamente accade qualche fenomeno che lo fa aller-tare (ad esempio un veicolo fermo appena dopo una curvacieca), il corpo umano reagisce variando la skin conductan-ce. Questo parametro e quindi interessante per valutarese l’automobilista e andato incontro a pericoli improvvisi.Questi ultimi provocano in ogni guidatore una reazione dif-ferente4 interessante da valutare perche definisce lo stile diguida di ogni automobilista.

• Cardiac Autonomic Balance(CAB). E la differenza tra HF(che fornisce un indice sufficientemente buono del controlloparasimpatico) e il pre-ejection period (che fornisce un in-dice sufficientemente puro del controllo simpatico) [46]. Inaltre parole si studia quale dei due sistemi prevale sull’al-tro5. [45]Nel presente lavoro di tesi, poiche non e disponibile la mi-sura del pre-ejection period, si misura il controllo simpaticoattraverso la BVP amplitude. La relazione per calcolare ilCAB diventa quindi:

CAB = HF −BV PA (4.1)

• Cardiac Autonomic Regulation (CAR). E la somma di HF eil pre-ejection period. [45] E una stima del lavoro totale deisistemi simpatico e parasimpatico. Come sopra, al postodi usare nella formula il pre-ejection period, si utilizza laBVPA:

CAR = HF +BV PA (4.2)

4Come potuto appurare durante il seminario “Simulating real danger? Psychologicalfactors in brake response time, in real-life and simulated driving”, tenuto presso il Politec-nico di Milano l’11 Febbraio 2016 dal docente dell’Universita Cattolica del Sacro CuoreDaniele Ruscio.

5Il pre-ejection period corrisponde al tempo che il ventricolo impiega a raggiungereuna pressione al suo interno sufficiente ad eguagliare e a superare la pressione esistente inaorta e a determinare quindi l’apertura della valvola aortica

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54 CAPITOLO 4. OBIETTIVI E PREPARAZIONE DEL TEST

Figura 4.5: Valutazione della low frequency e della high frequency a partiredalla PSD della heart rate variability. [40]

Come conclusione di tutto cio emerge chiaramente che il fat-tore psicologico durante la guida e molto importante e influenzamoltissimo lo stile di guida. Meno scontato e dire se il suggeri-mento istante per istante di uno stile di guida da imitare abbiaripercussioni sulla psicologia dell’individuo, in termini di stress.Questo sara discusso nei risultati della tesi.

4.3 Il simulatore utilizzato per la tesi

Il simulatore di guida utilizzato per il lavoro di tesi e presentenel laboratorio iDrive del Politecnico di Milano. Esso e costituitoda una consolle di guida formata da:

• un volante Porsche 911 GT3 Wheel dotato di un sistemadi force feedback utilizzato al fine di incrementare il reali-smo.6 Le impostazioni del force feedback sono accessibiliall’interno della finestra del Cockpit Package Standard.

• una pedaliera (acceleratore, freno e frizione).

• un cambio a sette marce piu retromarcia.

6Il force feedback e un sistema che applica una coppia resistente sul volante. In altreparole quando l’utente sterza fa piu fatica.

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4.3. IL SIMULATORE UTILIZZATO PER LA TESI 55

Figura 4.6: Simulatore di guida del laboratorio i-Drive.

Per sviluppare anche altri progetti del Politecnico con questo si-mulatore si e deciso di montare tre schermi in Full HD tali darendere un angolo di visuale piu ampio. Il suono infine e ga-rantito da un impianto audio Logitech Dolby Surround, dispostoattorno al simulatore.

Questo simulatore e stato accuratamente progettato in unatesi svolta nel 2008 dal titolo “Progettazione, simulazione e ana-lisi ergonomica del posto guida basate su un seating buck e sutecniche di realta virtuale”. Un seating buck e un simulatoreper interni di automobile, atto a valutare il design e l’ergonomiadell’abitacolo. In questo lavoro si era prestata molta attenzionenel realizzare gli interni. Questo avrebbe permesso alle simu-lazioni future (e quindi anche in quella del presente lavoro ditesi) l’incremento del realismo. A livello pratico, si tratta di unastruttura essenziale che ospita i principali organi di comando perla guida, ciascuno dotato dei necessari gradi di liberta, in ma-niera tale che sia possibile configurarne la posizione in base allospecifico veicolo che si vuole simulare. Caratteristica fondamen-tale del seating buck e la flessibilita, ovvero esso deve offrire lapossibilita di assumere le forme di un piu esteso panorama diveicoli possibile.L’intera struttura e stata fabbricata e assemblata nei laborato-ri del Politecnico di Milano e consiste in un modulo base al disopra del quale sono stati montati i vari elementi: pedana di sol-

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56 CAPITOLO 4. OBIETTIVI E PREPARAZIONE DEL TEST

Figura 4.7: Seating buck.

levamento del sedile, pedaliera, volante e cambio accuratamenteposizionati. [57]

4.4 Modifiche apportate a CarMaker

Per svolgere la sessione di test e stato necessario far partirein maniera sincronizzata la simulazione di CarMaker e l’acqui-sizione dati con Biograph Infiniti. Per fare cio si sottolinea chenon e necessario sincronizzare al millisecondo, ma tolleranze di0.5 - 0.8 secondi sono ammesse 7. Per ottenere questo risultatoCarMaker e stato riprogrammato.

Per ottenere la sincronizzazione, il primo passaggio e statola separazione della fase di preparazione dalla fase di simulazio-ne8. Le due fasi, infatti, di default sono accoppiate, e questo

7Questo perche i parametri fisiologici oggetto di studio non cambiano improvvisamen-te appena si manifesta un cambiamento (veicolo fermo che parte, semaforo che diventarosso,ecc), ma hanno un certo ritardo, quantificabile come qualche decimo di secondo.

8Il software al comando “Start”, fa partire una fase di preparazione, dove si calcolanoalcune caratteristiche iniziali del veicolo essenziali per la simulazione, come la definizionedella condizione di equilibrio statico. In questa fase vengono inoltre lette le condizioniiniziali settate nelle manovre: il veicolo viene poi guidato fino a raggiungere queste con-

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4.4. MODIFICHE APPORTATE A CARMAKER 57

crea difficolta di sincronizzazione. La soluzione proposta a que-sto problema e la seguente: si esegue la fase di preparazione, siimplementa un conto alla rovescia, terminato il quale parte lasimulazione vera e propria. Durante il conto alla rovescia, l’u-tente ha il tempo di aprire la finestra di Biograph Infiniti e farpartire l’acquisizione, sincronizzata con l’avvio della simulazionedi CarMaker.La procedura implementativa di cui sopra e stata realizzata mo-dificando il file User.C, collocato nella cartella “src” presentenella cartella di progetto di CarMaker, aggiungendo le seguentirighe di codice nella funzione User Testrun Start Finalize:

Use r Tes tRun Sta r t F ina l i z e ( void ){

SimCore State Set ( SCState Pause ) ;Log (”3\n ” ) ;S leep ( 1 0 0 0 ) ;Log (”2\n ” ) ;S leep ( 1 0 0 0 ) ;Log (”1\n ” ) ;S leep ( 1 0 0 0 ) ;Log (” Star t S imulat ion \n ” ) ;S leep ( 7 0 0 ) ;S imCore State Set ( SCState Simulate ) ;

r e turn 0 ;}

La funzione User Testrun Start Finalize nel codice arrivadopo la implementazione della fase di preparazione. Attraversoil comando SimCore State Set (SCState Pause), si mettonoin pausa le fasi di avvio della simulazione. Si sta cioe dicendo:la preparazione e terminata, ora tutto il sistema e in pausa. Ilcomando “Log” permette di scrivere sul file Log di Carmaker (ac-cessibile in tempo reale) determinati valori: il primo comando, adesempio, scrivera “3”. Il comando “sleep” mette ulteriormente inpausa la simulazione per un tempo specificato (1000 millisecon-di). Infine, il comando SimCore State Set(SCState Simulate);

permette di avviare la simulazione vera e propria.

Per rendere operativo questo codice, bisogna aggiungere in ci-

dizioni. La fase di preparazione in genere dura circa un secondo, terminata la quale vieneavviata la fase di simulazione vera e propria.

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58 CAPITOLO 4. OBIETTIVI E PREPARAZIONE DEL TEST

ma la riga di codice:

#inc lude <uni s td . h>

e appena sopra la funzione User Testrun Start Finalize,la seguente parte di codice che permette al comando Sleep dileggere il tempo in millisecondi: di default, infatti, il comandoSleep legge il tempo in secondi (numeri interi):

i n t m i l l i s l e e p ( unsigned ms){re turn 0 ;}

Una volta scritto il nuovo codice, bisogna ricompilarlo conl’utility di CarMaker MSYS. La compilazione genera un file ese-guibile che deve essere aperto in CarMaker prima di far partirela simulazione.

Per ulteriori informazioni si rimanda alle guide di CarMaker,riportate in bibliografia. [32][33][34]

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Capitolo 5

Esecuzione del test edelaborazione dei datiacquisiti

In questo capitolo viene illustrata nel dettaglio la proceduraseguita durante la simulazione e vengono presentate le operazionidi rielaborazione dei risultati.

5.1 Struttura del test

Descrizione della procedura

I partecipanti inizialmente sono stati informati sullo scopodell’esperimento e hanno compilato un questionario al fine divalutare informazioni demografiche e l’attitudine verso compor-tamenti green.Successivamente e stato chiesto ai partecipanti di guidare in duescenari di adattamento per aiutarli a prendere confidenza conil simulatore di guida. Il primo scenario e una strada dritta evuota, dove l’utente ha provato partenze, frenate e a controllareil veicolo. Questo e necessario per evitare spegnimenti dell’autoe uscite di strada, condizioni che farebbero fermare la simulazio-ne. Il secondo scenario invece e di difficolta maggiore: consistein una strada con una serie di curve, attraversamenti pedonali,segnaletica e configurazioni particolari della strada allo scopo difar crescere la confidenza con il simulatore.In media ogni utente ha provato quattro partenze e quattroarresti nel primo scenario e almeno 4 minuti di guida nel secondo.

Dopo i tracciati di adattamento, il campione viene suddivisoin due gruppi attraverso una selezione casuale:

59

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60CAPITOLO 5. ESECUZIONE DEL TEST ED ELABORAZIONE DEI DATI ACQUISITI

Figura 5.1: Primo scenario

Figura 5.2: Dettaglio del secondo scenario: attraversamento pedonale.

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5.1. STRUTTURA DEL TEST 61

• 10 guidatori sono assegnati al gruppo sperimentale. Dopolo scenario di adattamento, mediante un video sono statespiegate le regole per consumare poco e adottare quanto piupossibile uno stile di guida eco. Questo video e stato ottenu-to in CarMaker impostando lo stile di guida ottimizzato suiconsumi. Per facilitare la comprensione di quanto mostrato,a ogni guidatore venivano spiegate a voce le caratteristichedi tale stile di guida.

• 10 guidatori sono assegnati al gruppo di controllo. Dopolo scenario di adattamento, e stato mostrato loro un videoneutro, non correlato a nessun particolare stile di guida.Questo perche dal punto di vista psicologico, far vedere aun gruppo un video, mentre all’altro no avrebbe potutoportare a risultati fuorvianti.

Successivamente i partecipanti sono stati invitati a guidarenel percorso milanese.

Durante la guida dei partecipanti, si registra la loro performanceper consentire meglio le analisi successive. Infatti puo essereinteressante sapere, al momento dell’analisi, alcune informazioniconcrete sullo stile di guida: ad esempio se l’utente ha soprassatoo meno il veicolo lento.

Inoltre, prima della fase di simulazione vengono acquisiti iparametri fisiologici. Essi sono una baseline, corrispondono cioeai valori dell’utente in condizioni di riposo. Un’altra acquisizioneviene fatta durante la guida nel tracciato milanese e infine vieneacquisita una seconda baseline appena terminata la simulazione.Questa scelta risiede nel fatto che non esiste oggettivita nell’a-nalizzare i parametri fisiologici: cambiano da persona a persona.Quello che si fa e quindi operare un confronto tra le condizionia riposo e la condizione di attivita.

Inoltre si acquisiscono due baseline per vedere se esistono dif-ferenze in termini di stress tra l’inizio e la fine della simulazione.In altre parole, si vuole capire se la guida nel percorso ha lasciatoun segno di affaticamento nel guidatore.

Altro aspetto interessante e la ripresa con una webcam delvolto dell’esaminato. Da quanto mostrato nel seminario “Simu-lating real danger? Psychological factors in brake response time,in real-life and simulated driving”, del prof. Daniele Ruscio, l’e-spressione facciale cambia in funzione degli eventi che capitanodurante la guida, specialmente situazioni di pericolo. La ripresadiventa quindi un elemento aggiuntivo per identificare le variesituazioni che si vengono a creare durante la guida.Dopo l’esperimento i partecipanti sono stati invitati a una fase

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62CAPITOLO 5. ESECUZIONE DEL TEST ED ELABORAZIONE DEI DATI ACQUISITI

Figura 5.3: Dettaglio del percorso milanese: rotatoria.

di debriefing che include la misurazione del workload percepitodurante la fase di test. Questa fase si compone di due questio-nari. Il primo, tratto da “NASA TLX.com” e un questionarioprodotto dalla nota azienda statunitense dove si chiede all’utentedi quantificare in una scala da 0 a 100 lo sforzo fisico e menta-le, la mancanza di tempo nel prendere decisioni durante il test,la soddisfazione e la frustrazione provate durante il test. Nelquestionario viene infine chiesto quale aspetto tra quelli elen-cati sopra ha maggiormente contribuito durante l’esperimento.Si tratta di una serie di domande dove essi vengono presentatia coppie (ad esempio: Durante l’esperimento, l’aspetto che hacontribuito maggiormente e stato: lo sforzo mentale o lo sforzofisico?)1.Il secondo questionario e stato realizzato dal prof. Daniele Ru-scio proprio per il presente lavoro. Sono incluse alcune domandegenerali sulla personalita e sull’esperienza di guida appena con-dotta (vedi appendice).L’intero esperimento dura circa 40 minuti.

1Ulteriori informazioni sul sito nasatlx.com

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5.1. STRUTTURA DEL TEST 63

Figura 5.4: Interfacciamento dei software menzionati.

Dettagli tecnici sulla simulazione

Condurre la simulazione significa utilizzare contemporanea-mente CarMaker e BioGraph Infiniti. Inoltre, particolare im-portanza riveste il realismo di simulazione, migliorato attraversol’uso di un sistema audio dolby surround, comandato da Sound-Maker. In questo paragrafo si vuole spiegare come e stata piani-ficata l’esecuzione dei software. Prima pero e necessario vederecome essi sono interconnessi.Come si osserva dalla figura 5.4, il SoundMaker si connette di-

rettamente al CarMaker. La connessione e manuale e deve esserefatta prima che la simulazione inizi. Questo software permetteinoltre la scelta del suono prodotto dall’auto, indipendentementeda quale veicolo si usi. Le opzioni sono: passenger car (automo-bili per il trasporto passeggeri), race car (automobili da gara),Diesel truck (autocarro Diesel). Per il presente lavoro si e sceltala prima.Sempre dalla 5.4 si osserva che il CarMaker e disconnesso dalBiograph Infiniti. L’idea iniziale e stata quella di connetterli,dal momento che CarMaker e l’acquisizione dati possono essereavviati da Matlab2. Questo avrebbe portato il vantaggio di unasincronizzazione al millesimo di secondo dei due software, perocon l’insormontabile svantaggio di poter solamente acquisire i da-ti grezzi. Si era detto in precedenza che BioGraph Infiniti potevain primo luogo acquisire i dati, ma anche fare automaticamenteuna rielaborazione dei dati non ingegneristici di cui a lungo si e

2Questo software, prodotto dalla MathWorks e stato messo a disposizione dalPolitecnico di Milano.

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64CAPITOLO 5. ESECUZIONE DEL TEST ED ELABORAZIONE DEI DATI ACQUISITI

discusso nel 4.2.Questa idea e dunque stata abbandonata e si e preferito fare unasincronizzazione manuale attraverso l’implementazione del contoalla rovescia nel CarMaker.

La fase di simulazione e quindi costituita dai seguenti step:

• Avvio di soundMaker

• Avvio di CarMaker e avvio della simulazione

• Lettura del conto alla rovescia sul Log di CarMaker, al ter-mine del quale si fa partire manualmente l’acquisizione conBioGraph Infiniti

• Avvio dell’interfacciamento simulatore - pc tramite il Coc-kpit Package Standard.

CarMaker e BioGraph Infiniti, al termine della simulazione,producono dati in output, con i quali si effettuano dei calcoli.Nel prossimo paragrafo si analizzera questo aspetto.

5.2 Calcoli

Dopo la simulazione i risultati vengono elaborati statistica-mente con il metodo ANOVA. Superato questo test si possonoanalizzare e confrontare i dati ingegneristici e fisiologici.

Il metodo ANOVA

L’analisi della varianza (ANOVA, dall’inglese Analysis of Va-riance) e un insieme di tecniche statistiche facenti parte dellastatistica inferenziale che permettono di confrontare due o piugruppi di dati confrontando la variabilita interna a questi grup-pi con la variabilita tra i gruppi. L’ipotesi alla base dell’analisidella varianza e che dati G gruppi, sia possibile scomporre lavarianza in due componenti: Varianza interna ai gruppi (anchedetta Varianza Within) e Varianza tra i gruppi (Varianza Bet-ween). L’obiettivo di questo calcolo e misurare se la variabilitatra i gruppi e superiore alla variabilita interna a ciascun gruppo.In altre parole, si e interessati a studiare se le popolazioni sonoda considerarsi uguali o meno. [49]Il test ANalysis Of VAriance accetta o rifiuta l’ipotesi che lemedie dei gruppi siano uguali tra loro. Si calcola per ogni grup-po la dimensione, la media e la varianza. Per ogni gruppo sideterminano i quadrati di intergruppo, definiti dalla relazione:

QIN(i) = dgr(i) · (mgr(i)−mge)2 (5.1)

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5.2. CALCOLI 65

Con:QIN(i) = Quadrati intergruppo del gruppo i-esimo.dgr(i) = Dimensione gruppo i-esimo.mgr(i) = Media gruppo i-esimo.mge = Media generale (definita come la media di tutti i soggetti).I quadrati di intragruppo invece si calcolano:

QIT (i) = (dato(i, j)− (mgr(i)))2 (5.2)

Con:QIT(i) = Quadrati di intragruppo del gruppo i-esimo.dato (i,j) = Dato del j-esimo soggetto dell’i-esimo gruppo.

Si determinano quindi i quadrati medi di intergruppo me-diante la formula:

QMIN =

∑Ni=1QIN(i)

N − 1(5.3)

Con:N = numero di soggetti per gruppo.

E i quadrati medi di intragruppo:

QMIT =

∑Ni=1QIT (i)

dg −N(5.4)

Con:dg = dimensione generale, cioe la somma del numero dei soggettidi tutti i gruppi.

Il consuntivo del test ANOVA e dato dalla formula:

c =QMIN

QMIT(5.5)

Si fissa ora il valore di attendibilita alfa e il numero di gradi diliberta della distribuzione F:

glnum = N − 1 (5.6)

glden = dg −N (5.7)

Si determina il quantile F tramite tabelle3 noti i gradi di libertadel numeratore (glnum), del denominatore (glden) e il livello al-fa. Se il consuntivo e maggiore del quantile, si rifiuta l’ipotesi

3Tabelle della distribuzione F o distribuzione di Fisher-Snedecor.

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66CAPITOLO 5. ESECUZIONE DEL TEST ED ELABORAZIONE DEI DATI ACQUISITI

che le medie siano uguali tra loro. [56] Se e possibile rifiutarequesta ipotesi, vuol dire che i due gruppi sono tra di loro diversi.In altre parole non si corre il rischio che i due gruppi siano duesottoinsiemi della stessa popolazione.

Dati ingegneristici

A questo gruppo appartengono:

• I consumi di carburante medi. Sono indice del carburanteutilizzato lungo tutto il tragitto e quindi delle emissioni diCO2. Prima di andare avanti e necessaria una precisazione:i consumi medi di default vengono calcolati dal momentoin cui inizia la simulazione. Risulta pero interessante calco-lare i consumi medi a partire dal momento in cui l’utenteincomincia a viaggiare. Dal momento che, appena inizia lasimulazione il guidatore non puo partire subito,4 bisognacalcolare i consumi medi utilizzando il seguente stratagem-ma. Si guarda nel vettore velocita (prodotto a fine simula-zione) a quale posizione corrisponde il primo valore diversoda zero, quindi si va a vedere nel vettore“consumo di car-burante” quanto combustibile e stato consumato in quellaposizione (Ci nella equazione 5.8). Si calcolera il consumomedio come:

Cm =Cf − Ci

l· 100 (5.8)

Con:Cm= consumo medio (in litri ogni 100 km)Cf =quantita di carburante consumata all’istante finale (inlitri)Ci= quantita di carburante consumata fino all’istante dellapartenza (in litri)l= lunghezza del percorso (in chilometri)

• Cumulata dei consumi. Sono i litri di carburante consumatinell’intero percorso, calcolati come:

Ca = Cf − Ci (5.9)

4Questo perche e necessario in primo luogo avviare il cockpit package che comanda ilvolante e in seguito controllare che la pedaliera e il volante rispondano bene.

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5.2. CALCOLI 67

• Velocita in funzione dello spazio percorso. E stato calcolatoil profilo di velocita mediato tra tutti gli utenti sperimen-tali e si e calcolata la varianza. Lo stesso per il gruppo dicontrollo. Questo serve in primo luogo a confrontare i dueprofili medi di velocita e successivamente a confrontarli conil profilo ideale.

Vale la pena osservare che il dato “Profilo medio di velocitafunzione dello spazio” non e immediatamente disponibile.Il software infatti campiona a intervalli costanti per tuttigli utenti il tempo, non lo spazio. In altre parole il vettorespazio e diverso per ogni utente e questo non consente dicreare un grafico medio di tutti i guidatori. Allora tramiteuno script di Matlab, per ogni utente e stato riscritto il vet-tore dello spazio in modo tale che si avessero le informazionisulla velocita negli stessi punti (con l’errore minore di unmetro) per tutti gli utenti.

• Profilo di accelerazione mediato in funzione dello spazio (co-me la velocita). E interessante la stima di questi parame-tri perche come visto, sono legati ai consumi. Sono stateeseguite le stesse procedure gia esposte al punto sopra.

• Regime di rotazione del motore. Distribuzione delle fre-quenze per numero di giri del profilo ideale e della mediadel gruppo sperimentale e controllo.

Dati fisiologici

Fanno parte dei dati fisiologici:

• HF/LF;

• SCR;

• CAB e CAR;

• BVP amplitude, calcolata a partire dal segnale grezzo delsensore BVP;

• Heart rate interval, cioe l’intervallo tra i picchi, calcolato apartire dal segnale grezzo del sensore BVP.

Essi sono stati analizzati nel seguente modo. Sono stati esporta-ti i dati prodotti da Biograph Infiniti: sono dei vettori compostidai valori delle grandezze calcolate ogni sedicesimo di secondo.Per valutare le differenze del carico cognitivo durante la guidarispetto a una condizione di riposo sono state confrontate dueparti dell’acquisizione da un minuto e mezzo, provenienti da duepunti diversi della simulazione con un minuto e mezzo della ba-seline. Sono stati fatti due confronti per evidenziare le differenze

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68CAPITOLO 5. ESECUZIONE DEL TEST ED ELABORAZIONE DEI DATI ACQUISITI

tra due punti diversi della simulazione.

Altre informazioni che completano l’analisi sono:

• Valutazione soggettiva dell’esperienza;

• Valutazione dell’attitudine verso un comportamento green;

• Misura del workload.

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Capitolo 6

Risultati

In questo capitolo vengono presentati i risultati del test ANO-VA. Una volta studiate quali grandezze sono diverse tra i duegruppi, si analizzano e confrontano i risultati ingegneristici (vol-ti a mostrare l’influenza dello stile di guida sulle emissioni dianidride carbonica e l’andamento dei parametri che definisconolo stile di guida nei due gruppi) e fisiologici.

6.1 Risultati dell’analisi ANOVA

Sono stati sottoposti all’analisi ANOVA sia i dati ingegneri-stici sia quelli fisiologici. Sui primi si e condotta l’analisi dellavarianza grazie a Matlab. Il software richiede in ingresso i da-ti dei due gruppi. Sono stati inseriti: i consumi medi nei duegruppi la velocita media, l’accelerazione1 e il regime di rotazio-ne per tutti i soggetti. Matlab ha prodotto i risultati riportatiin tabella 6.5. Questi risultati vengono confrontati con il valoresoglia, preso dalla tavola della distribuzione F, dopo aver fissatoil livello di attendibilita (0.95) e calcolato i gradi di liberta delnumeratore e del denominatore (6 e 12). Tutti i risultati prodottida Matlab sono maggiori del valore soglia. Questo significa chei due gruppi non appartengono alla medesima popolazione. Unpo’ piu critica e la velocita, ma il suo valore garantisce comunqueun livello di attendibilita del 95 %.

1L’accelerazione media e stata calcolata nel seguente modo:

am =

∑lj=1 a(j)

l(i)(6.1)

Con:a = j esimo valore di accelerazione nella storia temporale.l(i) = lunghezza della storia temporale dell’i esimo soggetto.

69

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70 CAPITOLO 6. RISULTATI

Per aumentare ulteriormente l’attendibilita si dovrebbe rifare l’e-sperimento con un numero maggiore di soggetti. Infatti, dallatavola della distribuzione F si osserva che aumentando il numerodi soggetti e tenendo costante il livello di attendibilita, il valoresoglia diminuisce.

Soggetti Consumi gruppo sperimentale Consumi gruppo di controllo

Soggetto 1 5.66 7.61

Soggetto 2 6.52 6.66

Soggetto 3 5.77 7.37

Soggetto 4 6.04 6.96

Soggetto 5 5.73 6.46

Soggetto 6 6.02 7.52

Soggetto 7 5.90 9.45

Tabella 6.1: Consumi medi di tutti i soggetti del campione espressi in litriper 100 km.

Soggetti Velocita gruppo sperimentale Velocita gruppo di controllo

Soggetto 1 5.71 5.55

Soggetto 2 5.48 5.62

Soggetto 3 5.9 6.47

Soggetto 4 5.98 6.88

Soggetto 5 5.51 6.20

Soggetto 6 4.37 5.57

Soggetto 7 5.29 7.96

Tabella 6.2: Velocita medie di tutti i soggetti del campione espressi in metrial secondo.

Soggetti Accelerazione gruppo sperimentale Accelerazione gruppo di controllo

Soggetto 1 0.2675 0.4413

Soggetto 2 0.2670 0.3339

Soggetto 3 0.3088 0.3362

Soggetto 4 0.2346 0.3896

Soggetto 5 0.2008 0.3173

Soggetto 6 0.2560 0.3505

Soggetto 7 0.2379 0.5416

Tabella 6.3: Accelerazioni medie di tutti i soggetti del campione espressi inm/s2.

Successivamente sono stati processati con l’ANOVA i risultatinon ingegneristici. E emerso che non ci sono differenze significa-tive tra i due gruppi per i fattori: predisposizioni e atteggiamentiiniziali verso l’eco guida e personalita. In altre parole questi duefattori sono uguali sia per il gruppo sperimentale che per quellodi controllo.

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6.1. RISULTATI DELL’ANALISI ANOVA 71

Soggetti Rotazione gruppo sperimentale Rotazione gruppo controllo

Soggetto 1 1237 1689

Soggetto 2 1409 1324

Soggetto 3 1254 1450

Soggetto 4 1226 1487

Soggetto 5 1009 1276

Soggetto 6 1179 1407

Soggetto 7 1154 1967

Tabella 6.4: Regime di rotazione medio espresso in RPM.

Grandezza Risultato ANOVA Valore soglia

Consumi medi 14.48 4.747

Velocita media 4.80 4.747

Accelerazione media 16.67 4.747

Regime di rotazione 9.03 4.747

Tabella 6.5: Risultati dall’analisi ANOVA, fissato un livello di attendibilitadel 95 %.

Si sono invece presentate delle differenze iniziali legate all’espe-rienza di guida tra i due gruppi, consuntivo=7.321(maggiore delvalore soglia fissato a 4.747) in quanto alcuni partecipanti delgruppo di controllo presentavano una media di anni di esperienzadi guida significativamente superiore al resto del gruppo. Questisoggetti sono stati esclusi dalle analisi del workload perche que-ste differenze possono portare a differenti percezioni di difficoltadel task.

Alla luce degli accorgimenti si possono considerare quindi validigli assunti di omogeneita del campione considerato(per quantoriguarda i parametri non ingegneristici) e le differenze che an-dranno a verificarsi potranno essere attribuite alla manipolazionesperimentale.

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72 CAPITOLO 6. RISULTATI

Consuntivo Esito

Anni patente 7.321 C’e differenza tra i gruppi

Media chilometri anno 2.082 Non c’e differenza tra i gruppi

Rispettoso dell’ambiente 1.831 Non c’e differenza tra i gruppi

Eco guida spontanea 0.358 Non c’e differenza tra i gruppi

Mantenere stile di guida eco 0.019 Non c’e differenza tra i gruppi

Instabilita cognitiva 2.574 Non c’e differenza tra i gruppi

Impulsivita all’attenzione 0.485 Non c’e differenza tra i gruppi

Impulsivita al movimento 0.641 Non c’e differenza tra i gruppi

Non pianificazione 2.247 Non c’e differenza tra i gruppi

Total BIS - 11a 1.540 Non c’e differenza tra i gruppi

Tabella 6.6: Risultati dai questionari.

aIl Bis 11 e un test di personalita. In questo test venivano chieste informazioni personali(sulla capacita di concentrazione, sulla capacita di pianificazione, ecc.)

6.2 Analisi consumi e stile di guida dei due gruppi

In questo paragrafo si vuole dare in primo luogo un’idea suiconsumi di carburante dei due gruppi, successivamente vengonoanalizzati gli stili di guida che hanno portato a questi risultati.

Consumi di carburante

Il boxplot di figura 6.1 mostra le differenze tra il gruppo dicontrollo e il gruppo sperimentale. Come ci si poteva aspettare,il gruppo di controllo mostra consumi piu alti perche i guida-tori non sono stati sensibilizzati alla guida eco. Inoltre anchela varianza e piu alta e da una prima risposta quantitativa al-l’argomento di questa tesi: lo stile di guida incide sui consumie quindi sulle emissioni del 30% circa. Il calcolo e stato fatto cosı:

V = 1− ccmin

ccmax. (6.2)

Con:

• V =variazione delle emissioni legate allo stile di guida.

• ccmin= consumi medi [l/100 km] dell’utente del gruppo dicontrollo che ha consumato meno.

• ccmax=consumi medi [l/100km] dell’utente del gruppo dicontrollo che ha consumato di piu.

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6.2. ANALISI CONSUMI E STILE DI GUIDA DEI DUE GRUPPI 73

I dati sono stati presi dalla tabella 6.7. 2

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5

9

gruppo sperimentale gruppo di controllo

Boxplot consumi gruppo di controllo e sperimentale

cons

umi [

l/100

km]

Figura 6.1: Boxplot dei consumi medi del gruppo sperimentale e di controllo.

Gruppo Sperimentale Controllo

Numero campioni 7 7

Media 5.9483 l/100km 7.4328 l/100km

Varianza 0.0833 l2/(100km)2 0.9817 l2/(100km)2

Tabella 6.7: Media e varianza dei consumi medi dei due gruppi.

I consumi del gruppo sperimentale sono tutti al di sopra delconsumo minimo suggerito da CarMaker, che si assesta a 5.07l/100 km. Questo e legato al fatto che, nonostante sia stato mo-strato un video sulla guida eco, gli utenti non hanno rispettatopienamente il profilo di velocita suggerito, come mostra la figura6.3. Qui e possibile vedere posizione per posizione la differenza

2Questi risultati possono essere migliorati aumentando il numero di individui che com-pongono il campione. Per questo lavoro sono stati considerati i dati provenienti da settesoggetti del gruppo sperimentale e sette del gruppo di controllo. Questo perche i dati pro-venienti da tre individui di ciascuno dei due gruppi sono stati scartati a causa di problemidurante la simulazione: l’utente ha spento il veicolo, non ha terminato il percorso oppuresi e staccato un sensore.

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74 CAPITOLO 6. RISULTATI

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

spazio [m]

cum

ulat

a de

i con

sum

i [l]

Cumulata dei consumi lungo il percorso

gruppo sperimentalestile di guida idealegruppo di controllo

0.2770 l

0.2178 l

0.1773 l

Figura 6.2: Cumulata dei consumi lungo il percorso.

tra il profilo di velocita ottimale e il profilo di velocita medio deiguidatori del gruppo sperimentale. Si evince che le curve ven-gono affrontate con una maggiore velocita da CarMaker. Infattitutti i picchi corrispondono a una curva. Il software ha suggeritodi entrare in curva a velocita superiori a 20 km/h, per mantenereil profilo di velocita piu piatto possibile. Sulla IPG Driver UserManual[47] si dice infatti che piu il profilo di velocita e piatto,minori sono i consumi. In ogni caso, le curve sono effettuatestando sotto il limite di accelerazione laterale impostato di de-fault da Carmaker (3m/s2). Gli utenti hanno preferito rallentareprobabilmente a causa della scarsa visibilita che caratterizza lamaggior parte delle curve e per il timore di uscire di strada.Prima della simulazione, infatti e stato raccomandato loro di ri-manere sul tracciato perche altrimenti la simulazione si sarebbebloccata. Inoltre la maggior parte dei guidatori del gruppo speri-mentale ha interpretato la guida eco come “andare piano”. Moltidi loro si sono trovati nella condizione di scalare in prima marcianei rallentamenti (curve e attraversamenti pedonali). Evidente-mente avere una guida eco non significa questo. Infatti, in primoluogo ogni rallentamento cosı spinto deve essere seguito da unalunga accelerazione per riprendere la marcia e inoltre non e veroche piu lentamente si procede, meno si consuma. Esiste un puntodi ottimo per i consumi: questo e stato calcolato con il softwaree per il veicolo in esame corrisponde a circa 30 km/h in terzamarcia. La spiegazione di questo sta nel fatto che il rendimen-

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6.2. ANALISI CONSUMI E STILE DI GUIDA DEI DUE GRUPPI 75

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500−3

−2

−1

0

1

2

3

4

5

6

spazio [m]

velo

cità

[m/s

]

Differenza tra profilo di velocità ideale e profilo medio sperimentale

curva e attraversamento pedonalerotatoria

curva

curva

fermata autobus

curva stretta

inseguimento veicolo lento

Figura 6.3: Differenza tra il profilo di velocita ideale e il profilo di velocitamedio sperimentale.

to del motore a carichi fortemente parzializzati e decisamentebasso. Questo incrementa i consumi.

Velocita[km/h] Marcia Consumi[l/100km]

12 1 3.85

22 2 3.43

30 3 3.39

40 4 3.50

50 5 3.72

Tabella 6.8: Consumi per il veicolo in esame per cinque differenticonfigurazioni a regime di rotazione del motore costante (1500 RPM).

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76 CAPITOLO 6. RISULTATI

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000

2

4

6

8

10

12

14

spazio [m]

velo

cità

[m/s

]

Profili medi di velocità

gruppo di controllogruppo sperimentale

attraversamento pedonalefermata autobus

semaforo

curva

rotatoria

rotatoria

Figura 6.4: Profilo medio di velocita medi: confronto tra i due gruppi.

Analisi dello stile di guida dei due gruppi

Interessanti differenze emergono analizzando i profili di velo-cita, i profili di accelerazione e il regime di rotazione mediati tragli utenti dei due gruppi. Guardando la figura 6.4 si evince che levelocita dei due gruppi sono molto simili in prossimita di curveo situazioni del traffico dove il guidatore e obbligato a rallentare,mentre sono molto diverse nei rettilinei: il gruppo sperimentalegeneralmente procede piu lentamente.

Inoltre, all’interno degli stessi gruppi si hanno grandi varia-zioni di velocita nei rettilinei, specialmente per quanto riguardail gruppo di controllo: il picco massimo di varianza si ha dopo2765 metri che corrisponde al rettilineo piu lungo del percorsosenza alcun veicolo lento. In questo tratto, il guidatore piu ve-loce ha raggiunto una velocita di 60 km/h (16.6 m/s).Nelle curve, negli inseguimenti dei veicoli lenti, nelle rotatorie ein prossimita del semaforo, invece, la varianza e molto bassa: laspiegazione risiede nel fatto che per questioni di sicurezza tuttigli utenti hanno percorso questi tratti pericolosi a velocita mo-derate.

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6.2. ANALISI CONSUMI E STILE DI GUIDA DEI DUE GRUPPI 77

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000

5

10

15

20

25

30

35

40

spazio [m]

varia

nza

[m2 /s

2 ]

Varianza del profilo di velocità

gruppo sperimentalegruppo di controllo

attraversamento pedonale

inseguimento autobus

semaforo

curva

rotatoria

rotatoria

Figura 6.5: Varianza del profilo di velocita all’interno dei due gruppi.

Un picco di varianza e stato calcolato nel gruppo sperimenta-le nella ripartenza dopo la fermata dell’autobus (13.71 m2/s2,2100m). Questo evidenzia un problema del simulatore: le par-tenze. Esse sono fasi molto critiche dove l’utente piu volte haspento il veicolo (obbligando a rifare la simulazione) oppure haeseguito partenze con caratteristiche non volute (eccessive acce-lerazioni, eccessivo regime di rotazione del motore).

Infine, la varianza e molto piu alta nel gruppo di controlloperche i guidatori non sono stati sensibilizzati a seguire nessunostile di guida.3

Quest’ultimo fatto si verifica anche nei profili di accelerazione,dove pero si osserva un andamento della varianza opposto rispet-to a quello della velocita (figura 6.7): nelle curve, la deviazioneinterna al gruppo e piu alta, mentre nei rettilinei e praticamentenulla. Questo perche ogni utente si e approcciato alla curva ealle situazioni di pericolo in maniera diversa: c’e stato chi hafrenato bruscamente e chi ha rallentato dolcemente.

3In altre parole hanno seguito il proprio stile. Forse questo aspetto e piu interessanteper capire il margine di miglioramento. Dal punto di vista dei consumi risulta possibilemigliorare questo stile di guida del 45%. Questo risultato e stato calcolato confrontandoil consumo medio del gruppo di controllo con quello ideale.

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78 CAPITOLO 6. RISULTATI

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500−2.5

−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

spazio [m]

acce

lera

zion

e [m

/s2 ]

Profili medi di accelerazione

gruppo di controllogruppo sperimentale

attraversamento pedonalefermata autobus

semaforo

curva dopo rettilineo

Figura 6.6: Profilo medio di accelerazione medi: confronto tra i due gruppi.

Il picco di varianza piu alto e stato registrato al semaforo: laspiegazione di cio risiede un’altra volta dalla difficolta che alcuniutenti hanno avuto nel ripartire.

Le forti accelerazioni e decelerazioni sono gli antagonisti prin-cipali dell’eco guida4. Questo e stato compreso perfettamente daiguidatori del gruppo sperimentale che hanno generato un profilodi accelerazione piu piatto(figura 6.6). Nel dettaglio (figura 6.8)si vede che nella curva dopo il rettilineo e nella fermata dell’au-tobus i livelli di accelerazione raggiungono valori molto alti (invalore assoluto) per il gruppo di controllo e sono ben al di sopradel gruppo sperimentale.Questo risultato puo essere giustificato dalla differente energiadissipata con le frenate nei due gruppi. CarMaker da in outputla potenza media dissipata con le frenate. Si puo calcolare l’e-nergia (espressa in kilojoule) mediante la seguente relazione:

4Questo perche maggiore e la quantita delle frenate, maggiori sono i consumi, dalmomento che la frenata e una dissipazione di energia. Accelerando, invece, l’auto aumentala propria velocita e di conseguenza aumenta la resistenza aerodinamica. A 30 km/h lapotenza persa a causa del drag e solo il 10%, ma a 50 km/h diventa il 25%, fino a diventarela componente principale oltre i 100 km/h.

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6.2. ANALISI CONSUMI E STILE DI GUIDA DEI DUE GRUPPI 79

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000

1

2

3

4

5

6

7

spazio [m]

varia

nza

[m2 /s

4 ]

Varianza del profilo di accelerazione

gruppo sperimentalegruppo di controllo

fermata autobus

semaforo

inseguimento veicolo lento

rotatoria

attraversamento pedonale

rotatoria

curva dopo rettilineo

Figura 6.7: Varianza del profilo di accelerazione: confronto tra i due gruppi.

Figura 6.8: Dettaglio del profilo di accelerazione. Si ricorda che il blu e ilgruppo di controllo mentre il rosso quello sperimentale.

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80 CAPITOLO 6. RISULTATI

E = P ∗ t (6.3)

Con:P = potenza media dissipata con le frenate, in KW.t = tempo di percorrenza del tracciato, in secondi.

In tabella 6.9 si riportano i valori medi e la varianza entro idue gruppi di tale grandezza.

Gruppo Sperimentale Gruppo di controllo

media 70.3215 kJ 335.0265 kJ

varianza 3721 kJ2 8274 kJ2

Tabella 6.9: Media e varianza nei due gruppi dell’energia dissipata con lefrenate.

Sperimentale Controllo Ideale

Energia dissipata con le frenate 70.32kJ 335.0265 kJ 163.25 kJ

Energia dissipata con il freno motore 364.90 kJ 513.95 kJ 174 kJ

Energia totale meccanica prodotta 1110 kJ 1680 kJ 985 kJ

Tabella 6.10: Confronto tra la energia meccanica prodotta e dissipata nelgruppo di controllo, sperimentale e lo stile di guida ideale.

In tabella 6.10, si osserva che nella guida ottimale l’energiadissipata con le frenate e sorprendentemente maggiore della me-dia del gruppo sperimentale.Dalla stessa tabella si osserva che l’energia meccanica totale pro-dotta dal gruppo sperimentale e invece leggermente piu alta ri-spetto al guidatore ideale. Questa differenza e principalmentelegata al massiccio uso del freno motore: spesso gli utenti si ac-corgevano che stavano arrivando in curva a una velocita troppoelevata e, piuttosto che frenare, hanno scelto di inserire una mar-cia bassa e dissipare energia cinetica in questa maniera.La quantita di energia meccanica prodotta nel caso ideale variadell’11% rispetto al gruppo sperimentale. Tuttavia i consumisono diversi del 15%. Questo e legato a un differente valore delconsumo specifico, che esprime quanti grammi di combustibilevengono utilizzati per produrre un kWh di energia meccanica(tabella 6.11). In altre parole, il consumo specifico e un indicedel rendimento del motore. Esso dipende da coppia e regime dirotazione: il minimo di consumo specifico si registra per coppiepari a circa il 75% della coppia massima e per regimi di rotazioneintermedi. CarMaker ha impostato uno stile di guida per otti-mizzare anche questa grandezza, pero e ben lontano dal massimo

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6.2. ANALISI CONSUMI E STILE DI GUIDA DEI DUE GRUPPI 81

Figura 6.9: Distribuzione di frequenze per numero di giri nel grupposperimentale, di controllo e stile di guida ideale.

rendimento. Infatti, per avere un consumo specifico minimo ilmotore in questione dovrebbe lavorare a 130 Nm @ 3500 RPM,condizione che in citta non puo verificarsi con continuita.

Consumo specifico[g/kWh]

Gruppo sperimentale 547

Gruppo di controllo 446

Stile di guida ideale 486

Tabella 6.11: Confronto tra i consumi specifici nel gruppo di controllo,sperimentale e guida ideale.

Cio che ha suggerito il software e stato di tenere il regimedi rotazione del motore su valori che si aggirano tra i 1400 e i1800 giri, permettendo anche punte di 2500 giri (in un’occasionesoltanto), mentre nulla e stato fatto per ottimizzare la coppia.E chiaro che la coppia e legata all’accelerazione: se aumenta laprima, aumenta anche la seconda. Fornire valori di coppia alti,vuol dire incrementare rapidamente la velocita, condizione che incitta non puo verificarsi. In realta anche se si potesse viaggiare adalta velocita, non si avrebbero vantaggi perche nasce il problemadella resistenza dell’aria: si riduce il consumo specifico, pero lapotenza richiesta per avanzare diventa cosı alta da far comunqueaumentare i consumi globali.

Infine, dalla figura 6.9 si osserva che la guida ideale e stata

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82 CAPITOLO 6. RISULTATI

piu simile al gruppo di controllo piuttosto che a quello sperimen-tale per quanto riguarda il regime di rotazione. Questo risultato,associato a un valore di coppia mediamente piu alto, ha permessoun consumo specifico piu basso nel gruppo di controllo. Tutta-via, a causa della produzione di energia meccanica largamentesuperiore nel percorso, i consumi globali sono stati piu alti.

6.3 Analisi risultati fisiologici

Risposte Soggettive e Misurazioni Fisiologiche: correlazioni.

Il modo con cui i partecipanti valutano la sessione di guidariposante vs. faticosa e facile vs. difficile, risulta correlato coni punteggi della scala NASA-TLX e con i parametri fisiologicicollegati al carico cognitivo.

All’inizio del compito di guida non ci sono correlazioni tra questivalori, ma all’aumentare del tempo e all’aumentare della faticae difficolta percepita si rilevano aumenti direttamente propor-zionali dei valori del CAB (calcolato come HF-BVP Amplitude),dello spettro ad alta frequenza del battito cardiaco (HF % Power)e valori inversamente proporzionali del rapporto tra Low/Highfrequency.

Heart Rate

Analizzando le differenze tra i due gruppi e possibile regi-strare variazioni nel battito cardiaco medio tra il primo minutoe mezzo di guida, comparato con i successivi minuti e mezzo.

Per trarre conclusioni utili sono stati confrontati un minuto emezzo registrato dopo 2 minuti di guida (T1), e un altro minutoe mezzo, registrato dopo 5 minuti di guida (T2).

Come si puo osservare dalla figura 6.10, la tendenza dei valo-ri del battito cardiaco e a scendere durante il tempo, con unatendenza superiore per il gruppo sperimentale.

Tale differenza non risulta tuttavia significativa (consuntivo=0.587):HR da solo non e un buon indice per la misurazione del caricocognitivo. (Ruscio, Ciceri, Bos, 2016).

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6.3. ANALISI RISULTATI FISIOLOGICI 83

Figura 6.10: Andamento dell’Heart Rate nel gruppo sperimentale e in quellodi controllo.

Andando a considerare gli indici specifici legati all’attivazionedel sistema parasimpatico che va a inibire il battito cardiaco,portando a una conseguente riduzione dell’Heart Rate, si sonoinfatti rilevate differenze significative.

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84 CAPITOLO 6. RISULTATI

Figura 6.11: Andamento del rapporto LF/HF nei due gruppi.

LF/HF Ratio

Il valore del LF/HF ratio risulta significativamente diversotra le condizioni sperimentali vs. controllo (figura 6.11).In particolare i soggetti che dovevano mantenere uno stile di gui-da eco - friendly riportano valori significativamente piu bassi delrapporto dello spettro di frequenze (consuntivo= 4.971), rimar-cando la correlazione inversa con valori di una fatica cognitivasuperiore.

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6.3. ANALISI RISULTATI FISIOLOGICI 85

Figura 6.12: Variazione del CAB con il procedere della simulazione.

CAB

Il valore CAB risulta significativamente diverso tra le con-dizioni sperimentali vs controllo (figura 6.12). In particolare isoggetti che dovevano mantenere uno stile di guida eco friend-ly riportano valori significativamente piu alti di regolazione delsistema aunomico (consuntivo=7.617), rimarcando la correlazio-ne diretta con valori superiori di attivazione del parasimpaticolegati alla aumentata fatica cognitiva.

Differenze con la baseline finale

Le differenze riportate in questi parametri sono evidenti solodurante il task di guida e non rilasciano effetti negativi quandoil task termina.Le differenze tra le baseline iniziale e finale non sono infattistatisticamente significative (tabella 6.12).

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86 CAPITOLO 6. RISULTATI

Consuntivo Esito

Delta baseline 1-2 HR 0.029 Non c’e differenza significativa.

Delta baseline 1-2 BVP amplitude 2.082 Non c’e differenza significativa.

Delta baseline 1-2 LFpower 0.698 Non c’e differenza significativa.

Delta baseline 1-2 HFpower 0.066 Non c’e differenza significativa.

Delta baseline 1-2 LF/HFratio 0.046 Non c’e differenza significativa.

Tabella 6.12: Differenza nei valori tra le due baseline.

6.4 Discussione dei risultati

Prima di condurre la sperimentazione ci si aspettava di otte-nere i seguenti risultati:

• Dimostrare l’esistenza di uno stile di guida per ridurre leemissioni di CO2, quindi piu in generale dimostrare la di-pendenza delle emissioni dallo stile di guida.

• Comunicare ai guidatori un metodo per guidare in manieraeco permette di ottenere una riduzione dei consumi e delleemissioni.

• Suggerire uno stile di guida diverso da quello che normal-mente adotterebbe il guidatore provoca una situazione distress.

Risultati ingegneristici

Le prime due aspettative sono state effettivamente conferma-te dopo la sperimentazione: nel campione di studenti selezionatoper l’analisi e emersa una forte incidenza dello stile di guida sul-le emissioni di CO2. E inoltre emersa la possibilita di ovviarea questo problema attraverso la sensibilizzazione all’eco guida.Questo ha portato a una riduzione sui consumi del 25 %: unbuon risultato. Il software ha dimostrato pero che ci si puospingere ancora oltre: lo stile di guida ottimale infatti produ-ce emissioni del 15% inferiori rispetto al gruppo sperimentale.Questa ulteriore riduzione e legata sia alla minore produzione dienergia meccanica lungo l’intero percorso, sia all’impostazionedella guida in condizioni tali da abbassare il consumo specifico.Per raggiungere la seconda condizione e necessario aumentare lacoppia erogata e il regime di rotazione del motore (sono ammessepunte anche di 2500 RPM, con una media che pero si assesta at-torno ai 1600 RPM). Dal grafico di consumo specifico si osservache e piu importante aumentare la coppia piuttosto che il regimeal fine di ridurre il consumo specifico. Tuttavia, come gia visto,

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6.5. CONCLUSIONI SUGLI ESPERIMENTI SVOLTI 87

questo e in primo luogo una situazione non realizzabile in citta ein secondo luogo, anche se non si avessero limiti sulla velocita, sipresenterebbero altre situazioni che farebbero aumentare il con-sumo globale.Accanto a questi parametri motoristici per garantire bassi consu-mi e fondamentale contenere le accelerazioni, la velocita massimae utilizzare il freno meno possibile.

Risultati fisiologici

I risultati si applicano unicamente al campione selezionato,di giovani studenti neopatentati che non hanno mai seguito corsidi eco guida e che si approcciano allo stile di guida eco - friendlyper la prima volta.Date queste premesse, per questo tipo di conducenti, anche laterza aspettativa risulta confermata dalla sperimentazione: laprima volta che provano a guidare con uno stile di guida nonspontaneo, ma guidato dai principi delle “Golden Rules”, i gui-datori subiscono un notevole deterioramento della performancecausata da un incremento del carico cognitivo.Riportano indici soggettivi e fisiologici di incremento della dif-ficolta di guida, aumento del workload mentale e conseguenteincremento di fatica.Solitamente questi comportamenti sono amplificati nei princi-pianti in cui le risorse attentive non sono ben distribuite in ma-niera compatibile ai guidatori piu esperti (Ciceri & Ruscio, 2014),e questa ricerca sembra confermare che il compito di guida eco-compatibile vada ad aggravare le abilita attentive a disposizionedei principianti, con potenziali criticita legate alla sicurezza.Vanno quindi supportati. E se il video introduttivo e sufficienteper ridurre il consumo di carburante, esso non basta per elimina-re la fatica e i potenziali rischi per la sicurezza una volta adottatoquesto stile di guida sulla strada.

6.5 Conclusioni sugli esperimenti svolti

L’utilizzo di CarMaker ha consentito la possibilita di realizza-re una simulazione di guida realistica: e stato possibile parame-trizzare la strada, permettendo allo sperimentatore di realizzarequalsiasi percorso avesse voluto, anche reale, importandolo daGoogle Earth. E stato anche possibile definire il traffico e ledecorazioni con grande precisione. Certamente CarMaker e un

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88 CAPITOLO 6. RISULTATI

software che si integra benissimo nell’ambito della simulazionedi guida.Come svantaggio, in questo lavoro e emerso che ancora il sistemanon e completamente integrato: manca completamente la partedella dinamica del simulatore e la percezione dello spazio duran-te la simulazione non e ancora ottimizzata. Inoltre, le partenzesono un aspetto critico e necessitano di essere migliorate. Tuttiquesti aspetti hanno incrementato l’insicurezza nel guidatore cheprobabilmente in certi punti si e trovato a procedere piu lenta-mente di quello che avrebbe fatto nella realta. Sono poi emersialcuni problemi di interfacciamento tra simulatore e CarMaker:e capitato diverse volte che CarMaker desse errori5 nel momentoin cui si iniziava la comunicazione tra il software e la consolle diguida.Come conclusione, i dati analizzati per produrre questi risultatiprovenivano da sette persone di ciascun gruppo. In uno svilup-po futuro, meglio sarebbe rifare gli esperimenti con un numeromolto superiore di soggetti per avere un risultato meglio genera-lizzabile, nel senso che il campione deve essere piu diversificato:oltre ad selezionare studenti del Politecnico di Milano sede Bo-visa, si potrebbe estendere l’analisi in primo luogo ai dipendentie successivamente a persone esterne.

5Questi errori sono legati al fatto che per le simulazioni non si usava la consolle testatadagli sviluppatori di CarMaker.

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Conclusioni

Nell’ambito del settore automotive, il problema delle emissio-ni e largamente studiato. Tra le cause principali, c’e la variabilitadello stile di guida del conducente. Questo non e un parametrodi semplice analisi. I principali parametri che lo descrivono so-no come si e visto: profilo di velocita, accelerazione e regime dirotazione del motore. Negli ultimi anni, le case automobilistichestanno tentando di insegnare al guidatore attraverso il computerdi bordo come ottimizzare il proprio stile di guida.

Al giorno d’oggi la maggior parte delle case automobilistiche(soprattutto quelle da competizione) possiede un simulatore diguida, allo scopo di testare in fase di progettazione alcune partidel veicolo. In questa tesi si e voluto sperimentare una appli-cazione del simulatore a un campo ancora non completamentesviluppato6: usarlo cioe per valutare i consumi di carburante ele emissioni di inquinanti, nonche fornire uno strumento per va-lutare lo stile di guida.Il simulatore di guida si compone di una parte software, CarMa-ker e un seating buck.7 CarMaker, oltre a rendere possibile unafase di sperimentazione, ha permesso di definire quale deve esse-re lo stile di guida ottimale. Il percorso e stato parametrizzatonello stesso software con un elevato livello di dettaglio.

Durante la simulazione e stata possibile anche la valutazionedel carico cognitivo quando si svolge un’esperienza di guida doveviene richiesto di guidare in un certo modo. In particolare si edimostrato che seguire uno stile di guida eco - friendly, fa au-mentare lo stress nei guidatori. A questo fatto bisogna prestareparticolare attenzione perche lo stress in un guidatore puo mi-

6Nel senso che in pochi hanno utilizzato il simulatore per studiare lo stile di guida e leemissioni.

7Il seating buck e un simulatore per interni di automobile, cioe una struttura che ospitail sedile e i principali comandi di guida.

89

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90 CONCLUSIONI

nare alla sua sicurezza. Questo problema potrebbe essere risoltoarticolando maggiormente la fase di apprendimento.

Sviluppi futuri

Questa tesi ha voluto porre le basi in primo luogo allo svi-luppo dello studio delle emissioni tenendo in considerazione lostile di guida: questa e una variabile molto importante da tenerein considerazione in fase di progetto. Si potrebbero ripetere gliesperimenti condotti in questo lavoro estendendoli a un numerosuperiore di soggetti al fine di valutare statisticamente uno stiledi guida medio e ottimizzare i motori secondo tale stile di guida.

Altro sviluppo futuro potrebbe essere il seguente: assegnatolo stile di guida ideale, si potrebbero progettare le infrastruttureal fine di imporre ai guidatori questo stile di guida. In questamaniera, anche il piu spericolato degli automobilisti si ritrove-rebbe a consumare meno.

Da ultimo, ma non meno importante, l’aver capito che il fat-to di seguire un particolare stile di guida provoca un incrementodel workload, si esplica nella non possibilita di montare sui vei-coli strumenti troppo invasivi che insegnino uno stile di guidaottimale, se non dopo avere seguito alcuni corsi di eco drive sustrada (o con simulatori di guida).

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Appendice A

Questionario sull’esperienzasvolta

I questionari sono stati svolti nella seguente maniera: la prima pagina venivacompilata prima di iniziare il test, seguivano: baseline iniziale, due scenaridi adattamento, scenario e seconda baseline. Successivamente lo studenteera invitato a compilare il questionario NASA-tlx (appendice C) per poiproseguire con la parte rimanente del questionario riportato nell’appendiceA.Il questionario demografico e stato realizzato per catalogare gli studentiin base all’eta, al gruppo di appartenenza (sperimentale o controllo) e percapire la loro esperienza di guida. Il NASA-TLX serve invece a quantificareil workload percepito durante il test, mentre il BIS 11 per capire la tendenzadell’individuo ad agire di impulso.L’intera batteria di questionari aiutano ad analizzare lo stile di guida dalpunto di vista psicologico.

91

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Questionari

Prima dell'inizio del test:

da compilare a cura dello sperimentatore

Soggetto ID1.

Nome2.

Condizione SperimentaleContrassegna solo un ovale.

Gruppo di Controllo

Gruppo sperimentale

3.

Data del test: Esempio: 15 dicembre 2012

4.

Passa alla domanda 5.

Inizio Esperimento

Nome5.

Età6.

Da quanti anni hai la patente7.

In media quanti km percorri in un anno?8.

Stai prendendo medicinali o cure che potrebbero alt erare la tua performance di guida?Contrassegna solo un ovale.

No

9.

Questionari https://docs.google.com/forms/d/1Q4Dq2rlVwrbsZfCeZRD_Zb1jsH...

1 di 8 30/06/2016 16:16

92 APPENDICE A. QUESTIONARIO SULL’ESPERIENZA SVOLTA

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Passa a "Grazie, siamo pronti a iniziare la sessione di Test!."

Grazie, siamo pronti a iniziare la sessione di Test!

Questionario NASATLX(da compilare SOLO DOPO aver terminato l'esperimento)

Passa alla domanda 10.

Ripensando alla sessione di guida appena conclusa, quantopensi sia stata:Pensa a come è stata la tua ESPERIENZA nel guidare attraverso la città

Piacevole / SpiacevoleContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4 5 6 7

Piacevole Spiacevole

10.

Riposante / FaticosaContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4 5 6 7

Riposante Faticosa

11.

Gradevole / IrritanteContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4 5 6 7

Gradevole Irritante

12.

Positiva / Frustrante

Contrassegna solo un ovale.

1 2 3 4 5 6 7

Positiva Frustrante

13.

Facile / DifficileContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4 5 6 7

Facile Difficile

14.

Questionari https://docs.google.com/forms/d/1Q4Dq2rlVwrbsZfCeZRD_Zb1jsH...

2 di 8 30/06/2016 16:16

93

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Utile / InutileContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4 5 6 7

Utile Inutile

15.

Come ti è sembrato guidare la vettura sul simulator e?

Contrassegna solo un ovale.

1 2 3 4 5 6 7

Facile Difficile

16.

Ci sono altri feedback che vorresti dare sulla simu lazione di guida?

17.

Passa alla domanda 18.

Comportamenti ecosostenibili

In generale, ritieni di essere rispettoso dell'ambi ente?Contrassegna solo un ovale.

1 2 3 4 5 6 7

Poco Molto

18.

Solitamente sei disposto a spendere più soldi per u n prodotto più rispettosodell'ambiente?

Contrassegna solo un ovale.

1 2 3 4 5 6 7

Poco Molto

19.

Quando guidi, consideri l'impatto del tuo stile di guida sulle emissioni nell'ambiente?Contrassegna solo un ovale.

1 2 3 4 5 6 7

Poco Molto

20.

Questionari https://docs.google.com/forms/d/1Q4Dq2rlVwrbsZfCeZRD_Zb1jsH...

3 di 8 30/06/2016 16:16

94 APPENDICE A. QUESTIONARIO SULL’ESPERIENZA SVOLTA

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Hai mai frequentato dei corsi di Guida Ecocompatibi le per ridurre consumi edemissioni?Contrassegna solo un ovale.

No

21.

Saresti disposto a mantenere sempre uno stile di gu ida meno aggressivo e piùrispettoso dell'ambiente?Contrassegna solo un ovale.

1 2 3 4 5 6 7

Per niente Molto

22.

In genere: sei una persona che tende ad usare la ma cchina anche quando hai altrimezzi a disposizione (mezzi pubblici, bici...) ?Contrassegna solo un ovale.

1 2 3 4 5 6 7

Mai Sempre

23.

BIS-11

1. Pianifico le attività attentamenteContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

24.

2. Faccio le cose senza pensarci

Contrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

25.

3. Decido velocementeContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

26.

4. Mi affido alla sorteContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

27.

Questionari https://docs.google.com/forms/d/1Q4Dq2rlVwrbsZfCeZRD_Zb1jsH...

4 di 8 30/06/2016 16:16

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5. Non “focalizzo l’attenzione”Contrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

28.

6. I miei pensieri “vanno a gran velocità”

Contrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

29.

7. Pianifico i viaggi con molto anticipoContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

30.

8. Ho autocontrolloContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

31.

9. Mi concentro facilmenteContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

32.

10. Risparmio con regolarità

Contrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

33.

10. Risparmio con regolaritàContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

34.

Questionari https://docs.google.com/forms/d/1Q4Dq2rlVwrbsZfCeZRD_Zb1jsH...

5 di 8 30/06/2016 16:16

96 APPENDICE A. QUESTIONARIO SULL’ESPERIENZA SVOLTA

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11. Non riesco a star fermo durante gli spettacoli o le lezioniContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

35.

12. Sono un attento pensatore

Contrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

36.

13. Faccio progetti per una sicurezza lavorativaContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

37.

14. Dico cose senza pensareContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

38.

15. Mi piace pensare a problemi complessiContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

39.

16. Cambierei lavoro spesso

Contrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

40.

17. Agisco “d’impulso”Contrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

41.

Questionari https://docs.google.com/forms/d/1Q4Dq2rlVwrbsZfCeZRD_Zb1jsH...

6 di 8 30/06/2016 16:16

97

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18. Mi annoio facilmente quando devo risolvere deip roblemi concettualiContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

42.

19. Agisco sull’impulso del momento

Contrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

43.

20. Sono un pensatore assiduoContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

44.

21. Cambierei residenzaContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

45.

22. Compro le cose d’impulsoContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

46.

23. Riesco a pensare ad un solo problema per volta

Contrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

47.

24. Cambio hobbyContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

48.

Questionari https://docs.google.com/forms/d/1Q4Dq2rlVwrbsZfCeZRD_Zb1jsH...

7 di 8 30/06/2016 16:16

98 APPENDICE A. QUESTIONARIO SULL’ESPERIENZA SVOLTA

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25. Spendo più di quello che guadagnoContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

49.

26. Quando penso ho spesso pensieri estranei

Contrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

50.

27. Mi interesso più al presente che al futuroContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

51.

28. Sono irrequieto a teatro o durante le lezioniContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

52.

29. Mi piacciono i rompicapoContrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

53.

30. Sono orientato verso il futuro

Contrassegna solo un ovale.

1 2 3 4

Mai Sempre

54.

Passa a "Grazie della disponibilità, clicca su INVIA per salvare."

Grazie della disponibilità, clicca su INVIA per salv aree hai finito!

Questionari https://docs.google.com/forms/d/1Q4Dq2rlVwrbsZfCeZRD_Zb1jsH...

8 di 8 30/06/2016 16:16

99

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100 APPENDICE A. QUESTIONARIO SULL’ESPERIENZA SVOLTA

Name Task Date

Mental Demand How mentally demanding was the task?

Physical Demand How physically demanding was the task?

Temporal Demand How hurried or rushed was the pace of the task?

Performance How successful were you in accomplishing whatyou were asked to do?

Effort How hard did you have to work to accomplishyour level of performance?

Frustration How insecure, discouraged, irritated, stressed,and annoyed wereyou?

Figure 8.6

NASA Task Load Index

Hart and Staveland’s NASA Task Load Index (TLX) method assesseswork load on five 7-point scales. Increments of high, medium and lowestimates for each point result in 21 gradations on the scales.

Very Low Very High

Very Low Very High

Very Low Very High

Very Low Very High

Perfect Failure

Very Low Very High

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Appendice B

Risultati questionario

Dal questionario emerge che l’esperienza e stata positiva, dal momento chela maggior parte dei guidatori la hanno trovata gradevole ed utile. In moltila hanno trovata pero difficile: le cause sono da ricercarsi sia nello scenario,composto di strade strette cittadine, ma anche nel simulatore, con il qualenon e stato facile entrare in confidenza secondo i piu.Per quanto riguarda la tendenza al rispetto per l’ambiente, la maggiorpar-te degli studenti ha dichiarato di mostrare interesse verso questo aspetto.Tuttavia non sempre associano questo aspetto con la eco - guida.

101

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102 APPENDICE B. RISULTATI QUESTIONARIO

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103

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104 APPENDICE B. RISULTATI QUESTIONARIO

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105

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106 APPENDICE B. RISULTATI QUESTIONARIO

Ci sono altri feedback che vorresti dare sulla simulazione di guida?

Tra i feedback lasciati, i piu comuni sono stati:

• Migliorare la percezione dimensionale.

• Il framerate era basso e le dimensioni della carreggiata ren-devano difficoltosa la guida.

• Adattare l’angolo di rotazione del volante a quello di unavettura vera e non a quello di un volante da rally/gioco (finecorsa a due giri circa di volante).

• Migliorare il feedback in curva.

Per quanto riguarda la percezione dimensionale, prima dell’e-secuzione del test sono state fatte modifiche all’angolo di visuale,modificandolo da 30° a 100 °. Studi piu approfonditi potrannotrovare l’angolo ottimale magari facendo un test statistico condiversi utenti.Il framerate basso e causato dalla complessita dello scenario. Perle simulazioni e stato fatto un compromesso tra uno scenario suf-ficientemente complesso, ma che non soffra troppo del frameratebasso. Evidentemente alcuni utenti si sono accorti ugualmente

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108 APPENDICE B. RISULTATI QUESTIONARIO

di questo problema, che potra essere risolto in futuro semplifi-cando lo scenario.Per quanto riguarda il terzo punto, la corsa del volante era giaimpostata alla sua dimensione massima (900°). Aumentarla ul-teriormente quindi non e possibile.Migliorare il feedback in curva dipende essenzialmente dai puntisopra oltre che dalla larghezza della strada. Quest’ultima e stataimpostata ai valori reali, tuttavia in alcuni tratti la carreggiatasembrava piu stretta.

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Bibliografia

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109

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110 APPENDICE B. RISULTATI QUESTIONARIO

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111

cil on Clean Transportation, settembre 2014.

[20] Bernetti A., De Lauretis R., Iarocci G., Lena F., MarraCampanale R., Taurino E., ISPRA, Trasporto su strada, Inven-tario Nazionale delle emissioni e disaggregazione provinciale.,Roma, ISPRA - Istituto superiore per la protezione e la ricer-ca ambientale, Dippartimento Stato dell’Ambiente e MetrologiaAmbientale Monitoraggio e prevenzione degli impatti sull’atmo-sfera, 2010.

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112 APPENDICE B. RISULTATI QUESTIONARIO

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[39] D’amato C., L’informazione e la sua codifica, Dipartimentodi informatica, Universita di Bari.

[40] The Allostatic load working Group of the MacArthur Re-search Network on Socioeconomic Status and Health, Allostaticload notebook., San Francisco, University of California,1997.

[41] Blangsted A. K., Hjortskov N., Fallentin N., Lundberg U.,Rissen D., Sgaard K.,The effect of mental stress on heart ra-te variability and blood pressure during computer work, Berlino,Springer, 2004.

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113

[42] Mendoza E., Carballo G., Acoustic analysis of induced vocalstress by means of cognitive workload tasks, Philadelphia, Jour-nal of Voice, 1998 .

[43] Billman G. E. , Houle M. S., Low-frequency component ofthe heart rate variability spectrum: a poor marker of sympatheticactivity, Bethesda (Maryland), American Journal of Psysiology1999.

[44] Enciclopedia Treccani, s.v. “Sistema simpatico e parasim-patico”.

[45] Berntson G. G., Cacioppo J. T., Hawkley L. C., NormanG. J., Cardiac Autonomic Balance vs. Cardiac Regulatory Ca-pacity, Copyright Society for Psychophysiological Research, Psy-chophysiology Volume 45, Issue 4, pages 643652, July 2008 .

[46] Berntson G. G., Cacioppo, J. T., Handbook of Neurosciencefor the Behavioral Sciences, Volume 2, Wiley, Ottobre 2009.

[47] IPG Documentation, IPG Driver. User Manual 6.5,Karl-sruhe, IPG Automotive copyright, 1999 - 2016.

[48] Schoettle B., Sivak M., Eco driving: strategic, tactical andoperational decision of the driver that influence vehicle fuel eco-nomy, in “Transport Policy”, volume 22, pagg. 96-99, 2012.

[49] Iorio C., ANalysis Of VAriance, Corso di Modelli Lineari.,Dipartimento di Scienze Economiche e Statistiche, Universita diNapoli, 2013.

[50] Blana E., A survey of driving research simulators around theworld,Institute of Transport Studies, University of Leeds, 1996 .

[51] Zeeb E., Daimlers New Full-Scale, High-dynamic DrivingSimulator A Technical Overview, Sindelfingen, Driving Simula-tors Dept., Daimler, 2010.

[52] simpack.com/ (Ultima consultazione: 02.03.2016)

[53] mscsoftware.com/it/product/adams (Ultima consultazione:28.02.2016)

[54] it.mathworks.com/products/simmechanics/ (Ultima consul-

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114 APPENDICE B. RISULTATI QUESTIONARIO

tazione: 28.02.2016)

[55] it.mathworks.com/help/sl3d/examples.html (Ultima consul-tazione: 28.02.2016)

[56] dmi.units.it/corsi/biomed/anova/anova.html (Ultima con-sultazione: 25.06.2016)

[57] Rescali E., Progettazione, simulazione e analisi ergonomi-ca del posto guida basate su un seating buck e su tecniche direalta virtuale, tesi di laurea magistrale, Politecnico di Milano,2008.

[58] Green P. A. , Reed M. P., Comparison of driving perfor-mance on road and in a low cost simulator using a concurrenttelephone dialling task in “Ergonomics”, Taylor & Francis, 1999.