Studio, implementazione e validazione sperimentale di un volante sensorizzato per il monitoraggio del guidatore.

The objective of this thesis is the development, implementation, and experimental validation of a prototype smart driving wheel capable of monitoring the driver's state, in order to enable advanced functionalities for the management of situations of potential risk or reduced comfort. For this purpose, two types of commercially widespread devices were used, namely Force Sensing Resistors (FSR) and a Galvanic Skin Response (GSR) sensor. Both sensors were positively engaged on the steering wheel used in a driving simulator. In the development of this thesis, particular emphasis is placed on the critical points that emerged during the development of the prototype. In this paper, we initially propose a description - albeit not exhaustive - of the state of the art that gave rise to the project, providing an overview of the physical quantities being analysed inside the passenger cabin of a car, and the types of sensors considered. This analysis also made it possible to perform a selection of the physical quantities useful for the purposes of the project, and to identify the initial constraints of the system under study. This is followed by a chapter on the description of the sensors used, with an analysis of their structure and possible limitations. In particular, a characterisation operation was carried out for the force sensors. An analysis is then presented for the choice of platform to be used, in relation to the constraints given by the feasibility of building a prototype, such as low power consumption and limited size of the equipment to be installed. Following the numerous options evaluated, it was decided to use an ESP32 S3 board, capable of easily managing the quantities of interest with less volume occupation, due to the presence of integrated analogue/digital converters and capable of greater software flexibility. Once the prototype has been implemented and the experimental tests conducted, a description of the physical quantities involved and their correlation with the driver's psychophysical state, in relation to the acquisition of force and galvanic response data, is given. In particular, the GSR signals were compared with those acquired by means of an Empatica E4 wearable device, taken as a reference, in order to verify the goodness of the signal detected by the sensors integrated on the steering wheel. In conclusion, data collected and processed in order to obtain reliable information regarding the determination of the driver's psychophysical state is presented. Particular emphasis is placed on the collected GSR signal or, rather, on a parameter that can be derived from it - the repetition frequency of galvanic response peaks - the variation of which denotes changes in the driver's state. In addition, an index referring to the FSR sensor activation rate was also developed, which can describe the actual use of FSR sensors and thus provide information on the positioning of the driver's hands during the test, in order to verify its correctness or assess its variability, which could denote a careless driving behavior.

L'obiettivo del presente lavoro di tesi è lo sviluppo, l'implementazione e la validazione sperimentale di un prototipo di volante da guida smart in grado di monitorare lo stato del guidatore, al fine di abilitare funzionalità evolute per la gestione di situazioni di potenziale rischio o di ridotto comfort. Allo scopo, sono state utilizzate due tipologie di dispositivi ad ampio uso commerciale, quali sensori di forza di tipo resistivo (Force Sensing Resistor - FSR) e un sensore di risposta galvanica della pelle (Galvanic Skin Response - GSR). Entrambe le tipologie di sensori sono state innestate positivamente sul volante utilizzato in un simulatore di guida, con il quale si è arrivati ad ottenere dei dati significativi e conformi agli obiettivi prefissati. Nella elaborazione sviluppo della presente tesi è data particolare enfasi alle criticità emerse durante lo sviluppo del prototipo. Nel presente lavoro viene inizialmente proposta una descrizione - seppure non esaustiva - dello stato dell'arte che ha dato spunto al progetto, fornendo una panoramica delle grandezze fisiche oggetto di analisi all'interno dell'abitacolo di un'autovettura, e delle tipologie di sensori considerati. Tale analisi ha dato modo anche di operare una selezione delle grandezze fisiche utili agli scopi del progetto, e di individuare i primi vincoli del sistema oggetto di studio. Segue un capitolo relativo alla descrizione dei sensori utilizzati, con un'analisi relativa alla struttura di questi ultimi e ad eventuali limiti. In particolare, per i sensori di forza è stata effettuata un'operazione di caratterizzazione. Viene poi presentata un'analisi condotta per la scelta della piattaforma da adoperare, in relazione ai vincoli dati dalla fattibilità di realizzazione di un prototipo, quali consumi di corrente e ingombro dell'apparato da installare. A seguito delle numerose opzioni valutate, si è deciso per l'uso di una scheda ESP32 S3, in grado di gestire agevolmente le grandezze in gioco con minore occupazione di volume, per la presenza di convertitori analogico/digitali integrati e capace di una maggiore flessibilità software. Una volta implementato il prototipo e condotte le prove sperimentali, viene riportata una descrizione delle grandezze fisiche in gioco e della loro correlazione con lo stato psicofisico del guidatore, in relazione all'acquisizione dei dati di forza e di risposta galvanica. In particolare, i segnali GSR sono stati confrontati con quelli acquisiti mediante un dispositivo indossabile Empatica E4, assunto come riferimento, ai fini della verifica della bontà del segnale rilevato dai sensori integrati sul volante. In conclusione, vi è la presentazione dei dati raccolti ed elaborati allo scopo di ottenere informazioni attendibili in merito alla determinazione dello stato psicofisico del guidatore. Particolare enfasi è data al segnale GSR raccolto o, meglio, ad un parametro da esso ricavabile - la frequenza di ripetizione dei picchi di risposta galvanica - con la cui variazione è possibile rilevare cambiamenti dello stato del guidatore. In aggiunta è stato sviluppato anche un indice riferito al tasso di attivazione dei sensori FSR, in grado di descrivere l'effettivo uso di questi ultimi e quindi fornire un'informazione sul posizionamento delle mani del guidatore durante la prova, allo scopo di verificarne la correttezza o valutarne la variabilità, che potrebbe denotare una guida non attenta.