Dyna-Sim Evo 4.0: Dalla Prototipazione 3DOF all'evoluzione a 4DOF

Nel mio post precedente vi ho raccontato la genesi del Dyna-Sim 1.0, il mio simulatore di guida 3 DOF autocostruito, nato dalla passione e dalla necessità di trasformare un periodo di stop forzato in un'opportunità creativa. Quell'avventura, partita da un semplice modellino e costruita interamente "a viti" per garantire modularità e trasportabilità, è stata solo l'inizio. Sapevo di voler spingere i limiti ulteriormente.

Oggi sono entusiasta di presentarvi l'evoluzione di quel progetto: il Dyna-Sim Evo 4.0. Non si tratta di un semplice restyling, ma di un upgrade sostanziale che ha coinvolto meccanica, attuazione ed elettronica, portando l'esperienza immersiva a un livello nettamente superiore. L'obiettivo era chiaro: aggiungere un grado di libertà fondamentale e integrare feedback sensoriali che rendessero la simulazione ancora più realistica e coinvolgente. 

Upgrade dei Muscoli: Attuatori da 400W con Riduttori a Vite Senza Fine

La prima, cruciale decisione è stata potenziare il cuore pulsante del sistema: gli attuatori. I motori per tergicristallo, ottimi per la fase di prototipazione a 3 DOF, mostravano i loro limiti quando si trattava di gestire dinamiche più rapide e le masse superiori richieste da un sistema a 4 DOF. Ho optato quindi per motori da 24V 400W. Questa scelta garantisce una eccellente potenza, necessaria per impartire accelerazioni e movimenti più decisi alla piattaforma.

Accoppiati a questi motori, ho installato dei robusti riduttori a vite senza fine con un rapporto di 1:30. Il riduttore a vite senza fine non solo moltiplica la coppia erogata dal motore sull'asse (essenziale per spostare carichi importanti), ma offre anche un notevole vantaggio intrinseco: la bassa o nulla reversibilità. Questo significa che, una volta che il motore si ferma, il riduttore tende a mantenere la posizione, riducendo il carico sul motore e migliorando la stabilità della piattaforma, specialmente in condizioni statiche o di piccole oscillazioni.

L'Aggiunta del Quarto Asse: Implementazione del Surge Lineare

Per passare da 3 a 4 DOF, ho scelto di implementare l'asse di Surge. Questo movimento longitudinale (avanti e indietro lungo l'asse X) è fondamentale per simulare in modo convincente le forze G di accelerazione e, soprattutto, di frenata. È quel "colpo" che si sente nello stomaco in accelerazione e la sensazione di essere spinti contro le cinture in frenata.

La realizzazione meccanica del Surge ha richiesto l'installazione di guide lineari precise e robuste. Su queste guide scorre una base mobile sulla quale è montato il resto del simulatore. L'azionamento di questa base è affidato a uno dei nuovi motori da 400W, collegato tramite una cinghia metrica. Questa soluzione offre un'ottima combinazione di precisione, efficienza e reattività, trasferendo la potenza del motore al movimento lineare in modo efficace e con minimo gioco meccanico.

Gestione Potenza Affinata: Modifiche Termiche sui Driver BTS7960

Nonostante l'upgrade dei motori, ho deciso di mantenere i driver BTS7960 per il controllo della potenza diretta verso gli attuatori principali (Pitch, Roll, e ora Surge). Si tratta di ponti H noti per la loro robustezza. Tuttavia, per gestire l'incremento di potenza e corrente assorbita dai motori da 400W, era imperativo migliorarne la capacità di dissipazione termica.

Ho modificato i driver originali installando due dissipatori aggiuntivi per ogni modulo BTS7960 (uno sulla faccia superiore e uno su quella inferiore del PCB, a contatto con i chip MOSFET). Inoltre, ho aggiunto una ventola dedicata per ogni singolo mosfet. Questo sistema di raffreddamento attivo e passivo combinato assicura che i componenti operino entro le temperature di sicurezza anche sotto carico elevato, prevenendo surriscaldamenti e garantendo l'affidabilità a lungo termine del sistema di controllo motori.

Architettura di Controllo Distribuita: La Rivoluzione ESP8266 + UDP

Uno degli aspetti critici nella costruzione di simulatori complessi con molti feedback è la gestione delle connessioni I/O. Affidarsi esclusivamente a connessioni USB può portare a instabilità e disconnessioni randomiche, frustranti durante l'utilizzo. Per ovviare a questo problema e creare un sistema più robusto e modulare, ho rivoluzionato l'architettura di controllo per le funzioni aggiuntive.

Ho implementato un sistema di controllo distribuito utilizzando microcontrollori ESP8266. Ogni singola feature sensoriale o aptica (come la barra LED RPM, la macchina del fumo e il sistema vento) è gestita da un proprio ESP8266 dedicato.

Questi ESP8266 ricevono i dati di telemetria dal simulatore **via rete locale utilizzando il protocollo UDP su porte specifiche**. Questa scelta di comunicazione di rete è estremamente più affidabile rispetto alle connessioni USB e permette una maggiore flessibilità nel posizionamento dei vari moduli hardware. Ho configurato SimTools 3.0 per inviare i dati necessari a ciascun ESP8266 tramite questo protocollo di rete, sfruttando le sue capacità di esportazione dati.

Il codice che gira su ciascun ESP8266 è stato scritto da zero. Questo mi ha permesso di ottimizzare la ricezione dei pacchetti UDP e la logica di attivazione/controllo dei rispettivi attuatori (mosfet per ventole e fumo, gestione barra LED) in base alle dinamiche precise che volevo simulare, adattandomi perfettamente alle mie esigenze specifiche e al comportamento desiderato per ogni feedback.

Feedback Sensoriali Integrati: Vento e Fumo

L'immersione non dipende solo dal movimento. I feedback sensoriali giocano un ruolo cruciale. Ho aggiunto un sistema di simulazione del vento in faccia installando tre ventole strategicamente posizionate. Una di queste è una ventola di un radiatore di una moto, scelta per la sua notevole portata d'aria, capace di simulare efficacemente l'effetto dell'aria che scorre sul viso ad alte velocità. Queste ventole sono controllate da uno degli ESP8266, che regola la loro velocità in base alla velocità simulata nel gioco.

Per aggiungere un tocco di realismo scenico, specialmente durante le sessioni di drifting, ho integrato una simulazione del fumo. Una macchina del fumo compatta è installata e si attiva automaticamente quando il simulatore (tramite i dati di telemetria inviati via UDP all'ESP8266 dedicato) rileva una significativa perdita di aderenza e l'inizio di un drift controllato (o meno!). Questo feedback visivo e olfattivo (a seconda del liquido fumo usato) contribuisce notevolmente all'adrenalina della guida al limite.

Interfaccia Visiva: Barra LED RPM e Surround Display

Anche l'interfaccia visiva ha ricevuto un upgrade significativo. Ho aggiunto una barra LED posizionata strategicamente per fungere da indicatore del numero di giri motore (RPM). I dati RPM, ricevuti anch'essi via UDP sull'ESP8266 dedicato, vengono visualizzati sulla barra con una logica personalizzata (progressione, cambi di colore al limitatore, ecc.). È un riferimento rapido e intuitivo che aggiunge un altro strato di realismo, permettendo di tenere d'occhio il motore senza distogliere completamente lo sguardo dalla pista.

Infine, l'immersione visiva è stata completata con l'installazione di tre monitor curvi da 27 pollici che sviluppano una superficie visiva di 2mt. Questa configurazione surround avvolge completamente il campo visivo del pilota, riducendo le distrazioni periferiche e aumentando drasticamente il senso di presenza e profondità. È un elemento chiave che, combinato con il movimento e i feedback sensoriali, rende l'esperienza del Dyna-Sim Evo 4.0 incredibilmente più realistica e coinvolgente rispetto a un singolo monitor.

Conclusioni: Un Sistema Complesso, Modulare e Performante

Passare dal Dyna-Sim 1.0 a 3 DOF al Dyna-Sim Evo 4.0 è stata un'avventura ingegneristica entusiasmante. Ogni singolo upgrade, dal potenziamento degli attuatori all'architettura di controllo distribuita via rete, passando per l'aggiunta del Surge e dei feedback sensoriali, ha presentato le proprie sfide, ma la soddisfazione nel vedere il sistema prendere vita e offrire un'esperienza di simulazione così ricca è immensa.

La scelta di mantenere una struttura modulare basata su assemblaggio a viti si è dimostrata vincente, facilitando notevolmente l'integrazione di tutti questi nuovi componenti. L'adozione degli ESP8266 con comunicazione UDP ha risolto alla radice i potenziali problemi di affidabilità delle connessioni I/O, dimostrando come soluzioni embedded e network-based possano portare robustezza in progetti complessi.

Il Dyna-Sim Evo 4.0 è ora una piattaforma matura, capace di simulare con elevato realismo le dinamiche di guida e di offrire un'immersione a 360 gradi. Ma, come ogni progetto basato sulla passione, c'è sempre spazio per l'ottimizzazione e nuove idee... 

Spero che questa descrizione dettagliata degli upgrade sia di interesse per chi, come me, ama spingere i limiti dell'autocostruzione e della meccatronica applicata alla simulazione. Se avete domande o commenti tecnici, sentitevi liberi di lasciare un messaggio qui sotto!