Перевод статьи Racecar Engineering
Эта статья является еще одним взглядом на то, насколько точно автосимуляторы способны реализовывать точные модели. Какие есть условности и упрощения. Настало время ответить на вопрос - могут ли автосимуляторы заменить реальные машины? Автор этой статьи является одним из инженеров, разработавших программный комплекс ChassisSim, который может использоваться для моделирования гоночных машин и шасси и анализировать их эффективность без участия пилотов и гоночных инженеров.
Если только вы не жили в пещере во время локдауна из-за коронавируса, невозможно было не заметить, как многие чемпионаты перешли на симуляторы гонок в качестве промежуточного варианта, пока реальные автогонки находились в перерыве. Некоторые из них были довольно забавными. Например, я криво усмехнулся, увидев гонку V8 Supercar в Монце. Также было довольно приятно видеть, как гонщики из разных категорий гоняются друг с другом. Раньше это было нормой, но в последние годы автогонки утратили это, поэтому было приятно увидеть, как это возвращается. Это также поднимает вопрос "что если?".
Утверждать, что симулятор гонок является законной заменой реальным гонкам, мягко говоря, чересчур оптимистично.
Однако в отношении симуляторов гонок также возникли некоторые очень опасные заблуждения, и пандемия Covid-19 очень сильно их обострила. Именно им и будет посвящена эта статья.
Прежде чем я продолжу, хочу сказать, что это не статья с обличением и позором. Во-первых, у меня нет времени отбиваться от судебных исков. Во-вторых, мне гораздо интереснее изучить причины этого, чем писать какую-то прославленную статью о саморекламе студенческого совета университета. В-третьих, не хочу раздувать из мухи слона, но... учитывая, что мы в ChassisSim разработали программное обеспечение LTS и DIL, которое можно использовать и получать результаты, мы находимся в довольно выгодном положении, чтобы комментировать этот вопрос.
Для начала, однако, было бы разумно рассмотреть, в чем симуляторные гонки хороши, и как мы к этому пришли. Если вспомнить середину и конец 90-х годов, то именно в таких играх, как Grand Prix 2, симуляторы гонок начали становиться наполовину приемлемыми. Но только в середине 2000-х все стало серьезным. По мере того, как компьютерное оборудование набирало обороты, вы начали видеть совершенно потрясающую графику и общую производительность, близкую к реальному автомобилю. Именно тогда стал очевиден "вау-фактор" гоночных игр. Затем вы добавили возможность подключения к Интернету, чтобы вы могли соревноваться со своими товарищами, и это привело к мощной комбинации.
Однако все это соблазняет вас ложной реальностью, потому что, хотя гоночные симуляторы выглядят реально и очень хороши для имитации определенных настроек, их редко используют для серьезного анализа чувствительности настроек. Это стало болезненно очевидным в конце 2000-х годов. Так как гоночные команды среднего уровня упирались в цену профессиональных версий гоночных игр, предназначенных для заводских команд спорткаров и выше, они предпочитали использовать их игровые аналоги. Вскоре возникла целая индустрия, которая брала файлы физического определения из этих игр и изменяла их до неузнаваемости. Я был знаком с некоторыми из этих цифр, и некоторые из них просто не поддавались осмыслению.
Главное это пилоты
Это продолжается и по сей день и стало одной из основных причин создания инструментария ChassisSim Driver In the Loop [DIL]. Это не остановило любителей гонок от попыток прочитать мне лекции по динамике автомобиля на презентации ChassisSim DIL в конце 2018 года. И это был не единичный случай. Благодаря реалистичной графике в гоночных симуляторах некоторые геймеры стали самозваными экспертами по динамике автомобилей. Примеров тому множество на дискуссионных площадках, посвященных гоночным симуляторам.
Каково же текущее состояние игры в симулятор гонок? Некоторые отзывы водителей во время этого локдауна были очень познавательными. Я позволю этим цитатам водителей говорить за себя:
"Наши реальные машины довольно прощающие, когда они теряют стабильность, легче поймать. Эта штука в симуляторе сложнее, когда машина теряет баланс - она становится не управляемой".
- Клинт Бойер, пилот NASCAR.
"Что за черт возьми происходит? Я как будто еду по мокрой трассе... Это не Мазда Миата, это ведь машина ИндиКар!"
- Конор Дэйли, пилот IndyCar.
"Реальной машиной управлять легче, чем ее симуляторной версией. Наши шины имеют больше условий для управляемого скольжения"
- Джозеф Ньюгарден, пилот IndyCar.
"Что за черт? Что вообще произошло?"
- Скот Пай, пилот V8 Supercar (после разворота на поребрике в медленном повороте)
Другие комментарии, с которыми я сталкивался, менее повторяемы из-за еще более красочного языка. Тем не менее, эти комментарии профессиональных водителей показывают, что утверждать, что симулятор гонок является законной заменой реальным гонкам, мягко говоря, слишком оптимистично.
Для обучения водителей и ознакомления с трассами они имеют свое место, и выполняют эту роль очень хорошо, благодаря очень качественной графике, которую мы сейчас видим. Однако в дальнейшем симулятор гонок испытывает трудности.
Причина этого кроется в физических движках, используемых в этих играх, и это происходит по двум основным причинам. Во-первых, из-за того, что требования к обработке графики и сети являются приоритетными, физические движки отходят на второй план. Не раз спотыкаясь, я могу предположить, что большинство этих игровых движков используют алгоритм интеграла второго порядка, примерно такой:
В данном случае x - переменная состояния, y - то, что мы пытаемся решить, f(x,y) это дифференциальное уравнение, h - шаг по времени, подписи n и n+1 представляют шаги, которые вы делаете, а переменные k1 и k2 представляют промежуточные значения функции времени.
Преимущество в том, что это выполняется быстро и лучше, чем стандартный интеграл Эйлера. Он также достаточно хорошо работает для дорожных автомобилей со средними и высокими характеристиками. Но для гоночных автомобилей с гораздо более высокими скоростями схемы интегрирования второго порядка исчерпывают себя.
В конце 90-х я убедился в этом на собственном опыте. Это послужило толчком для перехода к интегралу четвертого порядка в ChassisSim v1.5+ в 99-м году.
Другая проблема заключается в том, что многие компании, занимающиеся разработкой гоночных игр, работают в вакууме знаний, отчасти потому, что большинство гоночных команд надежно хранят свои данные у себя (не случайно в своих статьях я всегда редактирую масштабирование, когда представляю фактические данные). И несмотря на публичные заявления об обратном, команды Формулы-1 не передают никаких значимых данных. Не верите? Попросите у любой команды Формулы-1 график телеметрии гонщиков для данной трассы и посмотрите, как далеко вы продвинетесь. Это становится еще более очевидным, когда вы говорите о телеметрии, необходимой для построения пригодной для использования модели автомобиля.
Примером тому служат модели шин, используемые большинством игровых компаний, которые являются либо стандартными моделями Ханса Пасейки, либо их близкими производными. Сочетание этого с недостатком знаний об автоспорте объясняет отмеченные ранее наблюдения.
Чтобы изучить это немного глубже, возможно, стоит покопаться в комментариях о том, как ведет себя автомобиль в режиме маневрирования после замедления. Первая причина этого заключается в том, что коэффициент силы после замедления не является корректным и выглядит примерно так, как показано на рисунке 1.
Обратите внимание, что происходит после пика в шесть градусов. После этого нормализованная сила падает довольно заметно. Это очень сильно говорит о том, что наблюдали Клинт Бойер и Джозеф Ньюгарден. Хотя рисунок 1 является преувеличением, он иллюстрирует, что происходит, когда кривая угла скольжения неверна.
Еще одна причина, по которой управляемость после срыва может быть неверной, - это отсутствие окна в модели тепловых шин. Я обращаю внимание всех пользователей ChassisSim на то, что, хотя тепловые модели шин являются хорошо проработанными, к ним следует относиться с особой осторожностью.
Рисунок 2 - пример того, что происходит, когда вы ошибаетесь. То, что вы видите, - это раннее тестирование ChassisSim Driver In the Loop. Не только тепловой режим не был настроен, но и не было соответствующих ограничений на начальных углах скольжения и коэффициента скольжения. Обратите внимание на пиковую температуру, которая составляет 200 градусов Цельсия. Если подключить это к тепловой модели, то это поможет объяснить комментарии Конора Дейли и Джозефа Ньюгардена.
Доступ к данным
Не заблуждайтесь, доступ к реальным данным гонок очень важен для разработки готового к бою пакета моделирования Driver In Loop. Как заметил один мой коллега, моделирование без корреляции и валидации - это не более чем спекуляция.
Другой пример - студент автоспортивного университета, который обратился ко мне, чтобы узнать, могут ли они использовать инструменты моделирования аэродинамики и шин из ChassisSim в гоночной игре. В течение двух недель проект пришлось приостановить, потому что полученные аэродинамические показатели не имели смысла. Честно говоря, я был шокирован, но мы со студентом отметили, что это объясняет многие качественные наблюдения за управляемостью конкретной модели автомобиля. Чтобы избежать неловкости, я не буду упоминать ни игру, ни машину, кроме как скажу, что это Формула, по которой у меня есть много данных.
Когда дело дошло до разработки ChassisSim DIL, доступ к фактическим данным стал спасением для жизни, без него задача была бы невыполнима. Рисунок 3 - это пример лишь некоторых данных, к которым я имел доступ. К сожалению, большинство игровых компаний не имеют доступа к таким данным.
Тем не менее, симуляторные гонки имеют свои преимущества. Во-первых, они дают возможность гонщикам, которые не могут участвовать в гонках, снова насладиться автогонками. Роберт Уикенс и Дейл Эрнхардт-младший являются тому примером. Кроме того, это отличный инструмент для популяризации автогонок, делая фанатов и потенциальных фанатов автоспорта активными участниками. Это хорошая вещь, и ее следует поощрять. Однако, как и ко всем другим развлечениям, к этому нужно относиться с должным вниманием.
Врожденная способность
Еще один момент, который необходимо прокомментировать, заключается в том, что симуляторные гонки подойдут не всем. Для того чтобы использовать их должным образом, необходимо обладать способностью переводить визуальные сигналы в то, что делает машина без физических подсказок. Если вы выросли с симуляторами гонок, радиоуправляемыми машинами и самолетами или просто обладаете врожденными способностями, симуляторы гонок должны быть на вашем радаре, если вы стремитесь стать гонщиком. В противном случае вы можете даже не беспокоиться.
В заключение хочу сказать, что, хотя симулятор гонок - это, несомненно, весело, он не заменит реальных гонок. Качество графики и возможности подключения свидетельствуют о хорошей работе, проделанной игровыми компаниями, но не стоит позволять этому соблазнять вас ложным чувством реальности. Симуляторы гонок могут хорошо представлять конкретные настройки и играть важную роль в обучении водителей, но физические модели этих игр являются их ахиллесовой пятой. Мы видели это на примере отзывов водителей, а также кустарной промышленности, которая возникла для изменения файлов определения физики, чтобы получить репрезентативные характеристики. Помните об этом, и вы сможете наслаждаться симрейсингом таким, какой он есть.