L’elettrificazione e l’elettronica a bordo auto stanno stravolgendo il concetto di mobilità e l’approccio alla guida creando un numero superiore di incognite e costringendo i progettisti e i manifatturieri a moltiplicare in modo esponenziale le variabili da tenere sotto controllo per condurre test e simulazioni in modo più efficace. Per sperimentare l’impatto reale di questa evoluzione in sicurezza, il Politecnico di Milano ha installato un nuovo simulatore di guida nella sua sede in Bovisa, realizzato da VI-grade. Uno strumento che, secondo il Professor Gianpiero Mastinu che ha supervisionato il progetto, è capace di uscire a testa alta da confronto con prodotti che costano 10 volte tanto. Permetterà di sperimentare i sistemi per la guida assistita e quella autonoma in sicurezza, economia e riducendo i test stradali, così da limitare l’impatto sull’ambiente. Industria Italiana ha voluto approfondire i segreti del DiM400, così si chiama il simulatore, che è stato installato lo scorso febbraio. A tre mesi dall’inaugurazione le aspettative del PoliMi sono confermate: il sistema è estremamente efficace e grazie a tempi di risposta estremamente ridotti ha convinto gli esperti che lo hanno testato a fondo, tanto che l’ateneo lo sta già usando per effettuare test sui sistemi di guida assistita e come strumento chiave per il progetto di ricerca europeo Ai@Edge, che mira a creare un digital twin di un ecosistema nel quale le auto a guida autonoma si muovono insieme a quelle condotte da persone in carne e ossa.
DiM400 non è la prima installazione di un simulatore di guida professionale in Italia: aziende come Ferrari e Maserati li usano da tempo per testare l’effetto di soluzioni innovative (sia per auto da corsa sia per quelle stradali), di modifiche dell’assetto e per addestrare i piloti alle competizioni. L’obiettivo del PoliMi però è differente, ed è per questo che l’Università milanese, col contributo della Regione Lombardia (che ha messo sul piatto una buona parte del capitale necessario per l’investimento) e del Cluster lombardo per la mobilità, ha voluto investire su un prodotto in grado di riprodurre al meglio le sensazioni di chi si trova all’interno dell’abitacolo, ancora meglio di quanto fanno i modelli già da tempo usati da scuderie e produttori di auto.
A svilupparlo è stata VI-grade, azienda fondata nel 2005 e guidata dal presidente Robert Ryan che ha la sua sede principale di ricerca e sviluppo a Udine e sedi in Usa, Cina, Giappone, Germania e Regno Unito e negli anni ha maturato esperienze a 360° nel mondo della simulazione.
Perché la scelta è caduta proprio su questa azienda? A spiegarcelo è il Prof. Gianpiero Mastinu del Politecnico di Milano, che si è occupato del progetto.
Un simulatore caratterizzato da latenze molto basse
«Il simulatore è stato comprato tramite una gara internazionale. Abbiamo dato le specifiche da rispettare, che erano molto stringenti, tanto che molti progetti sono stati scartati e l’unica proposta che rispondeva ai requisiti tecnici era quella di VI-grade», spiega Mastinu. Il principale scoglio da affrontare era quello della latenza, il tempo di risposta che intercorre dal momento in cui viene impartito un comando e il suo reale effetto sulla simulazione che, nel caso del modello DiM400 proposto da VI-grade, arriva a soli 15 millisecondi. Questa è la soglia sotto la quale il pilota non averte alcun ritardo nella risposta. Un valore che praticamente nessun altro è in grado di offrire: «Altri simulatori anche più costosi, come quelli da 50 milioni, hanno latenze che possono arrivare a 100 millisecondi», sottolinea Mastinu.
Questo parametro non è importante solamente per fini agonistici, quindi per addestrare i piloti alle gare, ma anche per valutare la rapidità di intervento dei sistemi di guida assistita, come le frenate automatiche di emergenza, il mantenimento della corsia, il comfort dei sistemi di guida autonoma. La latenza, insomma, è in assoluto il parametro principale per gli utilizzi che faranno il PoliMi e i suoi partner del simulatore, e la tecnologia di VI-grade a oggi è l’unica in grado di offrire valori tanto bassi. Non è un caso che quando è stato emesso il bando, Mastinu e il suo team erano praticamente certi che sarebbe stata proprio questa azienda fra le pochissime a poter rispettare le severe specifiche richieste.
DiM400 Installation Timelapse al Politecnico di Milano
Ma cosa lo rende così tanto reattivo da sbaragliare, sotto questo profilo, anche la concorrenza più agguerrita, inclusi i produttori che da anni lavorano a stretto contatto con il mondo delle gare come la Formula 1? L’uso dei cavi. I simulatori di guida tradizionali per simulare le forze G si basano su piattaforme semoventi, che ruotano e si inclinano su ogni asse, così da far percepire le forze G tipiche di accelerazioni, frenature e curve. I simulatori tradizionali hanno inoltre limitazioni nella rotazione (yaw, in inglese). VI-grade ha voluto spingersi più in là: la base su cui risiede l’abitacolo viene trascinata su un ampio pavimento a bassissimo attrito da robusti cavi, che garantiscono tempi di risposta alla “sbandata” fulminei e offrono sensazioni più vicine a quelle che si sperimentano dietro al volante di una vera automobile. In pratica, l’”abitacolo” viene trascinato su una speciale pedana ampia 4,5 metri, che garantisce una corsa di due metri per lato. E che, se necessario, può essere ulteriormente estesa per coprire un’area totale fino a 10-15 metri. I cavi non sono l’unica soluzione per gestire il movimento dell’abitacolo del simulatore: la base che si muove sulla pedana è infatti dotata di meccanismi che ne gestiscono l’inclinazione, contribuendo a migliorare il realismo delle sensazioni vissute da chi vi siede all’interno. Per migliorare la sensazione di realismo sono presenti shaker, che trasmettono le vibrazioni ad alta e bassa frequenza, e cinture attive, che simulano le sensazioni che si sperimentano in accelerazione e frenata.
VI-grade DiM400: le applicazioni del simulatore installato al Politecnico di Milano
Il simulatore di VI-grade è estremamente evoluto, tanto che l’azienda che lo produce lo mette anche a disposizione di piloti di Formula 1 e Formula E, ma l’installazione del PoliMi ha anche altri obiettivi. A partire dalle valutazioni sull’impatto ambientale. «Possiamo usarlo per verificare come lo stile di guida influenza i consumi», afferma Mastinu, «Ma anche per migliorare la sicurezza delle auto, simulando le sospensioni, la distribuzione delle masse, i sistemi Adas per la guida assistita. Grazie al DiM400, si potranno testare le vetture in condizioni estreme, senza alcun rischio per i guidatori. Provando anche i casi più rari e improbabili». Perché a ben vedere, quando si verifica un incidente difficilmente c’è una sola causa, ma un insieme di più problemi che, concatenati, sfuggono alle previsioni. Riprodurre situazioni tanto complesse sarebbe praticamente impossibile nella realtà, ed è qui che entrano in gioco i simulatori, che consentono con pochi clic di far affrontare alla vettura le condizioni più impreviste e complicate.
Temi chiave sono anche quello della guida autonoma, che oggi è ancora in fase sperimentale, e di quella assistita, che invece è integrata da anni su molte vetture. Bisogna capire prima di tutto come realizzare auto che si guidano da sole e sono anche confortevoli per i passeggeri. Per studiare le reazioni delle persone “portate a spasso” da una vettura che si guida da sola il Politecnico utilizza sensori per registrare l’elettrocardiogramma, la resistenza elettrica dei polpastrelli (utile per valutare lo stato di stress), la variabilità del battito cardiaco, sia nelle situazioni di guida totalmente autonoma, che in quelle di guida assistita, che sono gli scenari attualmente più diffusi. In commercio ci sono già auto che tengono automaticamente la distanza da chi le precede e la corsia di marcia, ma c’è ancora molto lavoro da fare per tarare al meglio questi sistemi: quanta resistenza deve opporre il volante quando il guidatore decide di cambiare corsia in autostrada e deve vincere la naturale resistenza del sistema Adas? E come deve comportarsi l’auto in relazione a movimenti improvvisi del veicolo che la precede? Per capirlo, al Politecnico utilizzano sul simulatore un volante potenziato da sensori di ogni tipo, inclusi dispositivi di misura per l’eye tracking, così da capire dove sta guardando la persona seduta al posto di guida. Tutti questi dati verranno poi analizzati tramite algoritmi di intelligenza artificiale così da individuare quegli schemi che altrimenti sfuggirebbero ai tradizionali metodi di analisi, con l’obiettivo di realizzare vetture sempre più sicure, oltre che rispettose dell’ambiente e comode.
Essendo coinvolto anche il Cluster Lombardo per la mobilità, il simulatore potrà essere messo a disposizione anche di aziende, case automobilistiche ovviamente, ma soprattutto i componentisti, che potranno contare su una piattaforma estremamente evoluta per testare le loro soluzioni in maniera virtuale, riducendo notevolmente i costi e velocizzando il time to market.
Gli aspetti più difficili da simulare? Rispetto a 20 anni fa, sono stati fatti passi avanti enormi, ma oggi le simulazioni sono talmente avanzate da poter riprodurre con estrema fedeltà sia il funzionamento dei veicoli sia le loro reazioni alle varie sollecitazioni, anche in funzione del tipo di pneumatico utilizzato. Più complesso invece simulare con precisione le variabili ambientali, come la strada bagnata e il coefficiente di attrito limite per le varie combinazioni di pneumatico/strada, ma anche qui si stanno facendo enormi passi avanti con il migliorare della tecnologia.
Il miglior simulatore sul mercato è al PoliMi
Quanto il simulatore è stato presentato a febbraio 2021, il Prof Mastinu era certo che non avrebbe deluso le aspettative. A tre mesi dal completamento dell’installazione, però, i risultati hanno superato le aspettative. «Abbiamo verificato che è senz’altro uno dei migliori del mondo per uso professionale», commenta Mastinu. «Ha delle caratteristiche uniche che lo rendono apprezzato dai professionisti. Dal punto di vista delle “persone comuni”, abbiamo un ottimo riscontro per quanto riguarda le applicazioni come l’autostrada – che è molto importante per i primi veicoli autonomi». Il concetto è che i piloti professionisti si trovano perfettamente a loro agio in ogni ambito, mentre chi non ha una solida esperienza in pista– come gli studenti e i ricercatori che collaborano con l’ateneo – lo trovano praticamente indistinguibile dall’essere dietro al volante di una vettura quando si simulano le condizioni tipiche di un’autostrada, che è lo scenario dove si vedranno le prime applicazioni di guida autonoma concrete. Un risultato notevole, che permetterà di accelerare questo tipo di ricerche. Se sotto questo profilo Mastinu è pienamente soddisfatto, non ci nega che su altri ambiti ci sia ancora da lavorare, in particolare nella guida di tutti i giorni, fra rotonde, semafori, precedenze e svincoli. Non che sia inutilizzabile, anzi, ma c’è bisogno di affinare alcuni aspetti. Sul fronte dell’hardware o del software? «Difficile dirlo, molto probabilmente solo sul lato software. Ma parliamo di temi sui quali stiamo facendo ricerca ed è difficile dare una risposta precisa quando c’è di mezzo la variabile umana. Sarò più esplicito quando avremo più informazioni, ma oggi posso dire questo: è perfetto per i professionisti ed è perfetto per le persone di tutti i giorni sulla guida autonoma in autostrada. Stiamo lavorando duramente sugli altri aspetti, e siamo fra i primi al mondo a farlo a questo livello».
Non è un caso che il PoliMI abbia autofinanziato un progetto per verificare come il guidatore comune reagisce agli stimoli esterni, come buche sull’asfalto o folate di vento inaspettate. E qui è fondamentale che al volante ci sia proprio un guidatore “normale”, non un professionista della pista. Esattamente come nel progetto europeo AI@Edge, che vede come partner il PoliMi, Ericsson, il Centro ricerche Fiat, Tim, Italtel e molti altri, e che si pone l’obiettivo di sviluppare nuove soluzioni di AI combinate con il 5G. AI@Edge prevede quattro use case, uno dei quali è proprio legato agli scenari di guida autonoma e mira allo sviluppo e all’implementazione di un digital twin di un ecosistema che include sia veicoli reali sia simulati. A cosa serve? A comprendere come interagiranno nelle strade i veicoli a guida autonoma e quelli tradizionali, con un essere umano dietro al volante. Un ambito di ricerca importantissimo, dal momento che tutti i tentativi fatti a oggi di far circolare in strada le auto a guida autonoma (pensiamo agli esperimenti di Google o Uber) hanno dato risultati modesti: troppo aggressivi gli esseri umani, troppo prudenti le macchine condotte dall’IA, tanto che bastava una rotonda per mandare in crisi le intelligenze artificiali.
VI-grade, simulazione a tutto tondo (e non solo per la pista)
L’azienda che ha vinto il bando per la realizzazione e l’installazione del simulatore DiM400 per il PoliMi è VI-grade, nata a Udine nel 2005 e specializzata in hardware per simulatori di guida. Un mercato che nel 2019 valeva 21,5 miliardi di dollari e che, secondo Markets and Markets, è destinato a crescere del 4,4% anno su anno: nel 2024 varrà 27,9 miliardi. Cifre probabilmente sottostimate, dal momento che questi studi sono state effettuati prima dell’emergenza Covid, che ha accelerato drasticamente il ricorso a questo tipo di soluzioni.
VI-grade Cable-driven Simulator in azione
Quando si pensa ai simulatori di guida vengono subito in mente gli enormi simulatori usati dai piloti di vari campionati per addestrarsi in sicurezza ed economia (portare una monoposto con tutto il team sul circuito ha un costo enorme, fra affitto della pista, pneumatici, carburante). Tutti i team di Formula 1 li adoperano per provare gli effetti di una modifica aerodinamica, l’uso di differenti pneumatici, così come per far “correre” i piloti il più possibile, anche quando le normative – o il Covid – limitano questa possibilità. Non è un caso se i tre team che hanno vinto il 5° campionato di Formula E si siano allenati usando tecnologia messa a disposizione da VI-grade.
Il campo dell’azione dell’azienda non è limitato agli sport, e la sua collaborazione con i principali attori del mondo automotive, fra cui Aston Martin, Maserati, Mercedes, Stellantis, Ford, Toyota, si estende anche ad altri aspetti, a partire dal suono. Quello degli scarichi, che è una delle caratteristiche più emozionali delle vetture sportive e che su queste auto deve essere esaltato il più possibile, al contrario delle auto di lusso, dove si predilige la silenziosità. Fra i principali utilizzatori del simulatore ci sono i produttori di pneumatici, che grazie alle soluzioni di VI-grade possono limitare di molto i costosi test su strada, sperimentando anche le situazioni climatiche più estreme, come neve e pioggia.
Sono 5 le aree su cui VI-grade concentra la sua attenzione:
- Dinamica di guida e guidabilità;
- Comfort, simulando le vibrazioni percepite da chi siede all’interno dell’abitacolo e Acustica, per simulare il rumore sia all’interno dell’abitacolo, sia all’esterno. E, con la diffusione delle vetture elettriche, anche del suono percepito dai pedoni, fondamentale per aumentare la sicurezza all’interno delle città, dove le auto elettrificate sono silenziosissime;
- Guida autonoma e guida assistita, per studiare tutti gli aspetti come l’utilizzo dei sensori e lo scambio dei dati con le telecamere e per snellire gli iter normativi;
- HMI, per investigare e ottimizzare l’interazione tra guidatore e/o occupanti e la strumentazione presente nell’abitacolo
- Motorsport, anche nelle categorie più tecnologicamente evolute, sia a motore termico (F1) sia elettrico (Formula E). In questo ambito, fra i clienti di VI-grade ci sono nomi come Audi Sport, Mercedes AMG, Porsche Motorsport, PSA Motorsport e Ferrari.
Software: il cuore di ogni simulatore
La parte hardware è fondamentale per restituire a piloti e occupanti della vettura le sensazioni che sperimenterebbero in strada, ma da solo non basta. Il software è la chiave per garantire che i movimenti della pedana offrano sensazioni realistiche. Nel caso di VI-grade tutto è sviluppato internamente. Sia la parte di codice che gestisce il movimento della piattaforma, sia la simulazione vera e propria. Per la scansione dei tracciati, invece, si affidano a dei partner, che in alcuni casi utilizzano la tecnologia del laser scan, in grado di riprodurre anche le più piccole imperfezioni del terreno (fondamentale in campo racing), in altri ai più tradizionali blueprint, integrati con immagini satellitari.
Considerato l’ampio spettro di utilizzi e la clientela dell’azienda, è anche possibile utilizzare software di terze parti con l’hardware di VI-grade: un cliente potrebbe quindi acquistare la sola piattaforma hardware e utilizzare le sue soluzioni sviluppate in casa.
Il costo di questi sistemi varia dai 50.000 euro delle soluzioni più semplici, per desktop, prive di parti in movimento, ai 5 milioni delle piattaforme più evolute, come il DiM400 installato al Politecnico, ma per utilizzare questi strumenti non è necessario l’acquisto: possono infatti essere noleggiati e utilizzati nei diversi SimCenter che l’azienda ha allestito in varie sedi a livello globale in Italia, Stati Uniti, Regno Unito, Giappone e a breve anche in Cina.
