La velocità del veicolo è uno dei principali parametri che descrivono il comportamento del conducente ed è di fondamentale importanza poiché influisce sul livello di sicurezza del viaggio (Pariota et al. 2016; Solowczuk 2011, NHTSA DOT HS 813 582 2024). C’è una grande interesse tra i ricercatori sulle misure di mitigazione della velocità (Montella et al. 2012, 2015 Distefano 2019, D’Apuzzo et al 2023, Yannis 2025, ) e recentemente sono stati presentati alcuni interessanti studi basati su sistemi di simulazione di guida (Galante et al. 2010; Kawamura et al 2017; Wynne et al, 2019; Bobermin et al, 2021; Meocci et al, 2024). Questa tecnologia sembra quindi avere il potenziale per indagare sulle complesse relazioni tra i parametri che influenzano la sicurezza, come quelli relativi all’attrito (Baldoni et al. 2011; D’Apuzzo et al. 2012; Kawamura et al, 2017; Nyanchoka et al 2024) o alla percezione dell’ambiente stradale (Montella et al. 2010, 2011; Bolling et al, 2012; Wynne et al, 2019; Meocci et al, 2024).
Un elemento significativo, spesso però trascurato nello studio della velocità adottata dai conducenti, è rappresentato dalle vibrazioni all’interno del veicolo e derivanti dall’interazione dinamica tra veicolo e irregolarità della pavimentazione stradale. Quest’ultima è un parametro fondamentale nei sistemi di gestione stradale poiché, quando un veicolo viaggia su superfici irregolari, si generano forze verticali dinamiche che accelerano il degrado delle pavimentazioni, riducendone la vita utile (D’Apuzzo et al. 2004, 2012; Chandra et al, 2013; RYS et al 2018; Janani et al, 2019; Misaghi et al, 2021 ). Contemporaneamente, le vibrazioni trasmesse al veicolo influenzano il comfort del conducente e aumentano i costi operativi, quali il consumo di carburante e la manutenzione (Chatti et al,2012; Robbins et al, 2015).
Diversi studi (Bennett et al. 2001; Chandra 2004; Wang et al, 2014; . Abeygunawardhana et al, 2020; Khan et al 2023) hanno mostrato che i conducenti tendono a modificare la propria velocità in base al livello di irregolarità della strada, cercando di mantenere un livello accettabile di vibrazioni secondo la propria soglia di tolleranza e le caratteristiche del veicolo.
L’articolo presenta un contributo a questo tema attraverso una ricerca condotta mediante il Simulatore Dinamico di Guida VERA (DDS) del DICEA dell’Università di Napoli “Federico II”. Esso utilizza un’auto reale montata su una piattaforma mobile a 6 gradi di libertà, capace di riprodurre le accelerazioni percepite dagli occupanti durante manovre di guida e nell’interazione con le irregolarità stradali. Un team di ricercatori dell’Università di Napoli “Federico II”, della Università della Campania “Luigi Vanvitelli”, dell’Università di Cassino e del Lazio Meridionale e della società Oktal ha perfezionato il sistema implementando un modulo specifico per simulare le vibrazioni indotte dalle irregolarità della pavimentazione stradale. Nel seguito si descrive lo sviluppo di questo modulo e le procedure di calibrazione sperimentale utilizzate. La prima calibrazione ha confrontato l’accelerazione verticale reale della piattaforma con quella prevista dal modulo di simulazione. La seconda fase ha coinvolto utenti esperti del simulatore in sessioni di guida. Al termine si presentano i risultati di un’indagine preliminare sugli effetti delle vibrazioni indotte dall’irregolarità stradale sul comportamento di guida, contribuendo alla comprensione del rapporto tra qualità delle strade e sicurezza della circolazione.
STUDI SUL COMFORT DI GUIDA E SUL COMPORTAMENTO DI GUIDA
Le pavimentazioni stradali presentano due tipi di irregolarità distribuite (Fernando, Rawool 2005; FHWA-HRT-13-092, 2014; Ragnoli et al, 2018; Indiana Department of Trasportation, 2023;): singolari (buche, trincee, depressioni locali, tombini e dispositivi di moderazione del traffico in ambiente urbano) e distribuite (dovute a imperfezioni nei processi costruttivi e al degrado progressivo dei materiali). Queste generano vibrazioni trasmesse dal veicolo agli occupanti, influenzando significativamente la percezione di comfort e la scelta della velocità. I guidatori, infatti, selezionano velocità diverse in base al livello di vibrazione percepito durante l’interazione dinamica con il profilo stradale (Bennett et al. 2001; Chandra 2004; Cantisani et al 2005; Ajayi et al 2024).
La ricerca in questo campo iniziò con il lavoro pionieristico di Karan et al. (1976), che misurò velocità e flussi di traffico in 72 siti con caratteristiche geometriche omogenee ma diversi livelli di irregolarità. Da questo studio emersero modelli di regressione che correlano la velocità media con l’Indice di Comfort di Guida (RCI), il rapporto volume/capacità e i limiti di velocità. Un contributo fondamentale venne successivamente dalla Banca Mondiale durante lo sviluppo del modello Highway Design and Maintenance Standards (HDM). Vaste campagne sperimentali condotte in Kenya, Brasile, Caraibi e India produssero relazioni tra velocità dei veicoli e livello di irregolarità, espresso come Indice Internazionale di Irregolarità (IRI), per strade sia pavimentate sia non pavimentate. Nel 2004, una ricerca condotta in India esaminò l’influenza dell’irregolarità sulla capacità delle strade a due corsie (Chandra 2004), proponendo relazioni tra velocità di flusso libero e irregolarità per veicoli leggeri e pesanti. Similmente, Khan (2023) valutò il legame tra l’irregolarità della pavimentazione (mediante il Pavement Condition Index, PCI), velocità, vibrazioni e rumore all’interno del veicolo. I risultati mostrano che, al peggiorare delle condizioni stradali, rumore e vibrazioni aumentano rispettivamente del 3,3% e di oltre il 30% mentre la velocità diminuisce dell’8,8%.
La maggior parte delle indagini sperimentali presenta un punto debole: il comportamento del conducente è influenzato da numerosi fattori, rendendo difficile isolare il contributo specifico dell’irregolarità della pavimentazione sulla velocità. I modelli empirici potrebbero quindi fornire previsioni distorte. Per superare questo limite, l’utilizzo di Simulatori Dinamici di Guida (DDS) offre una soluzione efficace, consentendo di sviluppare scenari di guida ripetibili e personalizzati, dove diversi vincoli possono essere controllati.
Significative in questo ambito sono le esperienze del Kitami Institute of Technology (KITDDS), riportate da Kawamura et al. (2017) e Nyanchoka et al. (2024). La prima ricerca ha dimostrato che le superfici stradali con pronunciata irregolarità condizionano i conducenti a livello cognitivo, riducendo la disponibilità di attenzione allo scenario stradale. La seconda ha valutato l’effetto combinato delle condizioni del manto stradale e della geometria stradale sulla risposta cognitiva e sul comfort a diverse velocità. I risultati hanno evidenziato che l’aumento dell’IRI, specialmente nei tratti curvi, comporta tempi di risposta più lunghi, in particolare a livelli di IRI superiori a 6 mm/m, quando si guida a velocità pari o superiori a 80 km/h, e a un IRI di 8 mm/m, a velocità pari o superiori a 60 km/h.
IL SIMULATORE DI GUIDA VERA
Il comfort di guida legato alle vibrazioni generate durante il viaggio su superfici irregolari rappresenta un fattore determinante nella percezione e nella scelta della velocità. Nei simulatori statici e dinamici tradizionali queste vibrazioni sono assenti, creando una sensazione di guida su “seta” che porta i conducenti a selezionare velocità significativamente più elevate rispetto a quelle che sceglierebbero in ambiente reale. Per superare questa limitazione è stato sviluppato il simulatore dinamico VERA (Virtual Environment for Road sAfety), operativo presso il DICEA. Questo dispositivo è dotato di una piattaforma di movimento a 6 gradi di libertà (exapod) ed è circondato da tre schermi piatti di dimensioni di 3×4 m. Il sistema offre un campo visivo anteriore di 180×50 gradi, una risoluzione di 1.400×1.050 pixel per ciascun canale e una frequenza di aggiornamento di 60 Hz. Le visioni posteriori e laterali sono sostituite da monitor LCD da 6,5 pollici. La configurazione comprende metà della carrozzeria di una Citroën C2 con comandi e strumentazione funzionanti realisticamente (figure 1, 2 e 3).
Il sistema audio riproduce i vari suoni tipici della guida, inclusi il rumore di rotolamento, del motore e dello scarico, oltre ai suoni ambientali provenienti da altri veicoli. Il feedback è fornito da un sistema di forza sullo sterzo e dalla piattaforma di movimento elettrica, capace di riprodurre la maggior parte delle accelerazioni percepite dagli occupanti di un’auto reale (Baldoni et al. 2011). La tabella 1 mostra i limiti operativi cinematici del sistema di movimento.
Un team di ricercatori dell’Università di Napoli “Federico II”, dell’Università Campania “Luigi Vanvitelli”, dell’Università di Cassino e del Lazio Meridionale, insieme alla società Oktal, ha perfezionato il sistema per simulare le vibrazioni indotte da irregolarità distribuite sulla superficie stradale. Il simulatore VERA opera su un framework SCANeR© II, un insieme di software applicativi che consentono di costruire, configurare e implementare una simulazione di veicolo. Galante et al. (2010) hanno validato il simulatore confrontando i dati di velocità reali con quelli registrati nel simulatore.
Il modulo di simulazione delle vibrazioni si articola in tre sotto-moduli: generazione dell’irregolarità della pavimentazione, interazione dinamica e trasferimento dell’accelerazione. Il primo sotto-modulo suddivide il percorso di prova in sezioni con diversa entità di irregolarità, generando per ciascuna ruota anteriore un profilo stradale artificiale a partire da una funzione di Densità Spettrale di Potenza (PSD) dell’elevazione verticale della superficie stradale. I profili stradali possono essere descritti in modo deterministico o stocastico. Se è nota la PSD di un’irregolarità stradale longitudinale, è possibile generare un profilo stradale artificiale mediante una relazione specifica tra il contenuto spettrale e la funzione PSD. Il profilo stradale artificiale viene descritto mediante la seguente relazione tra il contenuto spettrale e la funzione PSD di un profilo stradale (D’Apuzzo et al. 2004):
Dove:
- y(𝑥) – l’elevazione del profilo longitudinale della strada alla stazione x, m;
- 𝑓𝑚𝑎𝑥 – la massima frequenza spaziale teorica di campionamento, cicli/m;
- 𝛥𝑓 – la banda di frequenza discreta nel dominio della frequenza, cicli/m;
- 𝑆(𝑓𝑖) – il valore della funzione PSD per la frequenza spaziale 𝑓𝑖, m³;
- 𝜑𝑖 – un angolo di fase casuale che segue una distribuzione probabilistica uniforme nell’intervallo [0, 2π], radianti.
L’elevazione della strada viene aggiornata in base alla posizione istantanea del veicolo secondo la velocità scelta dal conducente. Per l’asse posteriore, gli stessi profili stradali artificiali generati per l’asse anteriore vengono opportunamente sfasati nel dominio del tempo, con un ritardo che dipende dalla lunghezza del passo ruote e dalla velocità istantanea.
Nel secondo sotto-modulo viene valutata l’interazione dinamica tra veicolo e superficie stradale per calcolare le accelerazioni indotte dall’irregolarità. Il modello del veicolo è un sistema discreto con masse concentrate collegate da molle e ammortizzatori non lineari (figura 4). La dinamica del veicolo è simulata risolvendo il set di equazioni differenziali non lineari mediante uno schema di integrazione esplicito.
Il modello completo di auto adottato ha 7 gradi di libertà: movimento verticale dei quattro pneumatici, movimento di rimbalzo del corpo del veicolo, movimento di beccheggio e movimento di rollio. Il corpo rigido del veicolo è collegato alle ruote attraverso il sistema di sospensione modellato mediante molle lineari in parallelo con ammortizzatori non lineari. Le ruote sia anteriori sia posteriori sono collegate al corpo rigido mediante barre di torsione modellate con molle e ammortizzatori in parallelo. Le ruote sono collegate al profilo della superficie stradale attraverso sistemi molla-ammortizzatore che rappresentano la rigidità verticale e lo smorzamento degli pneumatici.
Il terzo sotto-modulo acquisisce il segnale di accelerazione indotto dall’irregolarità e lo “aggiunge” all’accelerazione legata al comportamento di guida nella sessione di simulazione. Il modulo complessivo, implementato nel simulatore VERA, è stato sviluppato in C++ e legge i dati dal modulo dinamico “Trydim” di SCANeR© II, calcolando la posizione del centro dell’abitacolo rispetto alla superficie stradale. Questi dati, uniti a quelli del sotto-modulo di simulazione delle vibrazioni, vengono trasmessi alla piattaforma per rappresentare la risposta a diversi livelli di irregolarità. Va evidenziato che la maggior parte degli studi sulle vibrazioni a corpo intero e sui limiti di esposizione viene solitamente condotta su soggetti seduti su sedie vibranti. Il sistema sviluppato offre un approccio più realistico, permettendo di valutare le vibrazioni all’interno del veicolo su soggetti contemporaneamente impegnati in un compito di guida.
DESCRIZIONE DELLA SPERIMENTAZIONE
Calibrazione preliminare del sistema
Il modulo di simulazione è stato calibrato attraverso due approcci complementari. Inizialmente, l’accelerazione verticale reale della piattaforma è stata confrontata con quella generata dal modulo di simulazione che valuta l’interazione tra veicolo e pavimentazione irregolare. Questo primo test è stato condotto in modalità automatica su tre strade rettilinee di 10 km con valori IRI di 2, 4 e 6 m/km. L’accelerazione è stata misurata con un sensore inerziale montato sul telaio vicino al centro di gravità del veicolo. L’analisi nel dominio della frequenza (figura 5) ha evidenziato che gli spettri dell’accelerazione reale e simulata sono comparabili nell’intervallo 0-9 Hz, mentre il contenuto in frequenza dell’accelerazione della piattaforma diminuisce rapidamente per frequenze superiori. Questa limitazione non compromette la percezione realistica delle vibrazioni, poiché le proprietà meccaniche dei sedili convenzionali e la massa degli utenti adulti filtrano naturalmente le accelerazioni oltre i 10 Hz.
La seconda fase di calibrazione ha coinvolto sei esperti conducenti europei di DDS con almeno 7 anni di esperienza, testando un percorso rurale di 10 km con due tipi di superfici stradali (IRI 1,5 m/km e IRI 6 m/km). I risultati del questionario compilato dai conducenti (Tabella 2) indicano che il sistema sviluppato riproduce efficacemente le accelerazioni percepite in ambiente reale.
Guide sperimentali
Lo studio ha valutato l’effetto delle vibrazioni stradali sul comportamento di guida, utilizzando tre profili di superficie con diversi indici di irregolarità internazionale (IRI): 2, 4 e 6 m/km, generati mediante funzioni PSD ISO rettificate e levigate (ISO 8608:1995. Mechanical Vibration ‒ Road Surface Profiles ‒ Reporting of Measured Data). Vi hanno partecipato dieci soggetti (sette maschi e tre femmine, età 24-46 anni) selezionati tra studenti e personale dell’Università degli Studi di Napoli, tutti con patente da almeno cinque anni e utilizzo quotidiano dell’auto. Quattro dei partecipanti avevano esperienza di guida fuoristrada. I soggetti hanno firmato un consenso informato senza conoscere lo scopo reale dello studio.
Prima del test, ogni partecipante ha completato una sessione di familiarizzazione di 8-10 minuti per abituarsi all’ambiente simulato, imparare a gestire il veicolo virtuale e ridurre gli effetti di stress e chinetosi. Durante questa fase non sono state riprodotte vibrazioni dovute all’irregolarità della pavimentazione. L’esperimento consisteva nella guida su un tracciato virtuale di circa 20 km senza limiti di velocità segnalati, diviso in sezioni di uguale lunghezza. A ciascuna sezione è stato assegnato casualmente uno dei quattro profili stradali generati artificialmente:
- IRI 0 m/km: superficie totalmente piatta (modulo sperimentale inattivo);
- IRI 2 m/km: superficie di pavimento di nuova costruzione;
- IRI 4 m/km: superficie di pavimento di media età con imperfezioni;
- IRI 6 m/km: superficie di pavimento scadente con frequenti lievi depressioni.
Sebbene le simulazioni con IRI zero appaiano irrealistiche, sono risultate significative per evidenziare le differenze tra guida realistica e scenari di simulazione convenzionali che trascurano gli effetti dell’irregolarità stradale.
Il tracciato includeva curve dolci (raggi tra 400-600 m) alternate a rettilinei di 1.200 m, richiedendo un controllo attivo dello sterzo e della velocità. La strada virtuale presentava due corsie da 3,75 m, segnaletica standard, banchine di 0,5 m e sopraelevazione nelle curve secondo gli standard di progettazione. L’ambiente virtuale riproduceva un contesto rurale con pali stradali ogni 50 m. Durante il test non erano presenti altri veicoli. Ai partecipanti è stato chiesto di guidare nel modo più naturale possibile, considerandosi proprietari del veicolo e senza restrizioni di velocità.
RISULTATI PRELIMINARI
Per valutare l’influenza delle vibrazioni dell’abitacolo dovute alle irregolarità stradali sul comportamento dei soggetti alla guida del simulatore, sono stati registrati i seguenti dati: posizione chilometrica del veicolo, velocità longitudinale, posizione del pedale del freno e posizione del pedale dell’acceleratore. L’analisi dei dati si è concentrata sulla scelta della velocità, sul tempo di reazione e sulla decelerazione dovuta alla variazione longitudinale del livello di irregolarità della pavimentazione. Nessun soggetto ha perso il controllo del veicolo durante il test.
Velocità
La figura 8 illustra un tipico profilo di velocità che mostra gli effetti delle diverse irregolarità stradali. Le sezioni con pavimentazione regolare permettono velocità maggiori (tabella 3), mentre i conducenti riducono drasticamente la velocità nelle aree con valori IRI (Indice di Regolarità Internazionale) più elevati, specificamente 4 e 6 m/km. Per valori IRI inferiori, la variazione di velocità non risulta significativa.
Il modello di regressione, mostrato in figura 9, conferma l’influenza dell’irregolarità stradale sulla velocità scelta dal conducente. L’analisi ANOVA a misure ripetute, condotta dopo un test di Mauchley positivo per la sfericità, ha dimostrato un effetto statisticamente significativo del livello IRI (F = 3.454E3, p < 0,0001), con livello di significatività fissato a 0,05. Anche i confronti post hoc a coppie hanno evidenziato differenze significative nella velocità in funzione del livello IRI.
La figura 9 mostra che la velocità diminuisce leggermente passando da IRI 0 m/km a IRI 2 m/km, mentre si verificano riduzioni significative di circa 25 km/h passando da IRI 0 m/km a IRI 4 m/km, e una diminuzione ancora maggiore (circa 52 km/h) con IRI 6 m/km.
La figura 10 confronta i valori medi di velocità dalle simulazioni DDS con dati reperiti in letteratura, convertendo i vari descrittori di irregolarità in IRI per avere una base comune. Le velocità DDS risultano superiori rispetto a quelle rilevate con veicoli reali ma inferiori a quelle del modello HDM.
Il modello HDM, secondo gli autori, rappresenta il contributo esclusivo dell’irregolarità sul comportamento del conducente in un modello probabilistico più complesso che considera anche altri fattori mediante media armonica. I valori previsti dai precedenti modelli empirici e dal DDS sono influenzati da vincoli esterni come i limiti di velocità (esplicitamente presenti nei modelli di Karan e Abeygunawardhana) e le condizioni di traffico durante le misurazioni. Per superare queste limitazioni, si prevede di implementare nel DDS studi prima-e-dopo con condizioni di traffico realistiche e limiti di velocità.
Tempo di reazione e decelerazione
Il tempo di reazione (RT) esaminato in questo studio è il tempo tra l’inizio di una sezione stradale con valore IRI più elevato e il momento in cui i conducenti iniziano a ridurre la velocità. Da IRI 0 m/km a IRI 2 m/km, non c’è stata alcuna reazione. Da IRI 2 m/km a IRI 4 m/km, il RT medio è stato di 1,1 secondi con una decelerazione media di 3,2 m/s². Da IRI 4 m/km a IRI 6 m/km, il RT medio è stato abbastanza simile al precedente con una decelerazione media di 4,5 m/s². Il cambiamento da IRI 0 m/km a IRI 6 m/km è stato notevole: il RT medio e la decelerazione sono stati rispettivamente di 0,9 secondi e 5,4 m/s².
CONCLUSIONI
Questo lavoro descrive un modulo di simulazione delle vibrazioni da irregolarità stradali implementato nel simulatore VERA, basato su un modello di auto non lineare con sette gradi di libertà.
- È stata verificata una buona corrispondenza tra accelerazioni reali e simulate nell’intervallo 0-9 Hz, risultato significativo poiché i sedili attenuano frequenze superiori a 10 Hz;
- un gruppo di esperti europei di simulatori ha valutato positivamente il sistema, apprezzando il miglioramento nella percezione della velocità e il realismo delle irregolarità;
- i risultati preliminari di una sperimentazione hanno dimostrato l’influenza del livello di irregolarità della pavimentazione sul comportamento dei conducenti, specialmente nella scelta della velocità;
- è stato effettuato un confronto con i modelli velocità-irregolarità disponibili;
- i dati delle simulazioni risultano coerenti con quelli della letteratura tecnica, pur con differenze nelle condizioni sperimentali. Poiché l’irregolarità longitudinale è solo una fonte di vibrazione percepita, future ricerche svilupperanno modelli di superficie stradale 3D più accurati.