Reliability analysis of a driving simulator to reproduce vehicle dynamics from a microscopic point of view

Abstract

Despite the constant technological innovation, the road transport sector remains a significant source of pollutant emissions. Research on solutions to increase the sustainability of vehicles and reduce their emissions is a timely topic. Although real-world experiments can be considered, these yield some drawbacks, like increased levels of pollution and risks of accidents. Thus, simulator-based experiments can be relevant to studying vehicle dynamics and driver behaviour. However, the scientific usefulness and robustness of the simulator are severely compromised if the reliability of the simulation results is not ensured. The present dissertation focuses on an exploratory analysis that aims to study the reliability of a fixed-based driving simulator to reproduce driving parameters for emission estimation by analyzing the acceleration and speed of 2 drivers in a simulation environment and in a real environment. Tests conducted on both a driving simulator and real-world cases were performed on an urban and a highway scenario. Vehicle dynamic parameters, such as instantaneous speed, acceleration, and position, were collected using the driving simulator software (Carnetsoft simulator) in the simulation tests, while an in-vehicle OBD (on-board diagnostics) device was used under the empirical tests. The data sample was divided into ten events that typically occur on urban and highway trips to better proceed with the comparative evaluation of the obtained results. The pollutant emissions were estimated using the Vehicle-Specific-Power (VSP) methodology. A comparative evaluation and a two-sample Kolmogorov-Smirnov test (K-S test) were conducted to validate the obtained results and assess the reliability of a driving simulator in reproducing vehicle dynamics and emissions. The results of this exploratory validation analysis showed that, with a relative error of 4% and accounting for the small number of participants, the total average emissions of all events were not significantly different (958,39 g for simulated and 998,06 g for empirical tests). The K-S test results revealed that the VSP mode distributions did not follow the same pattern in 4 out of 10 events, namely "left-turn after a traffic light", "entering highway", "exiting highway" and "moving forward" for driver 1 and "right-turn with priority", "give way", "exiting highway" and "moving forward" for driver 2. This means that the drivers displayed different behaviours in both the simulated and empirical tests for those specific events. It was found that in general, the driving simulator can replicate vehicle dynamics from a microscopic perspective. Nevertheless, a deep study on driver’s behaviour in a simulator compared to a real-world environment should be put in place for more rigorous results.

Apesar da constante inovação tecnológica, o sector dos transportes rodoviários continua a ser uma fonte significativa de emissões poluentes. A investigação sobre soluções para aumentar a sustentabilidade dos veículos e reduzir as suas emissões é um tema oportuno. Embora experiências no mundo real possam ser consideradas, estas produzem alguns inconvenientes, como o aumento dos níveis de poluição e dos riscos de acidentes. Assim, as experiências baseadas em simuladores podem ser relevantes para estudar a dinâmica dos veículos e o comportamento dos condutores. Contudo, a utilidade científica e a robustez do simulador ficam seriamente comprometidas se a fiabilidade dos resultados da simulação não for assegurada. A presente dissertação centra-se numa análise exploratória que visa estudar a fiabilidade de um simulador de condução de base fixa para reproduzir os parâmetros de condução para a estimativa de emissões, analisando a acelareção e velocidade de 2 condutores em ambiente de simulação e em ambiente real. Os testes no simulador de condução e no mundo real foram realizados em cenários urbanos e de auto-estrada. Os parâmetros dinâmicos do veículo, tais como velocidade instantânea, aceleração e posição, foram recolhidos usando o software do simulador de condução (simulador Carnetsoft) nos testes virtuais, e um dispositivo OBD (on-board diagnostic) nos testes empíricos. A amostra de dados foi dividida em dez eventos que ocorrem tipicamente em viagens urbanas e de auto-estrada para melhor prosseguir com a avaliação comparativa dos resultados obtidos. As emissões poluentes foram estimadas utilizando a metodologia VSP (Vehicle-Specific-Power). Uma avaliação comparativa e um teste Kolmogorov-Smirnov de duas amostras (teste K-S) foram conduzidos para validar os resultados obtidos e avaliar a fiabilidade de um simulador de condução na reprodução da dinâmica e emissões de veículos. Os resultados desta análise exploratória de validação mostraram que, com um erro relativo de 4% e tendo em conta o pequeno número de participantes, as emissões médias totais de todos os eventos não foram significativamente diferentes (958,39 g para os testes simulados e 998,06 g para os testes empíricos). Os resultados dos testes K-S revelaram que as distribuições do modo VSP não seguiram o mesmo padrão em 4 de 10 eventos, nomeadamente "curva à esquerda depois de um semáforo", "entrar na auto-estrada", "sair da auto-estrada" e "seguir em frente" para o condutor 1 e "curva à direita com prioridade", "ceder passagem", "sair da auto-estrada" e "seguir em frente" para o condutor 2. Isto significa que os condutores apresentaram comportamentos diferentes tanto nos testes simulados como empíricos para esses eventos específicos. Verificou-se que, em geral, o simulador de condução pode replicar a dinâmica do veículo de uma perspectiva microscópica. No entanto, um estudo profundo sobre o comportamento do condutor num simulador, em comparação com um ambiente do mundo real, deveria ser posto em prática para resultados mais rigorosos.