Моделирование автомобилей в iRacing

Перевод статьи “Game Over”, опубликованной в журнале Race Tech, повествующей о новейших методах моделирования автомобилей в современном гоночном автосимуляторе iRacing.

Журналист Девид Филлипс (David Phillips) в ходе беседы с двумя специалистами по динамике автомобилей, имеющими опыт работы в реальных гоночных командах F1 и NASCAR, открывает для себя тот факт, что дни, когда автосимуляторы были обычными гоночными играми, давно прошли.

Игра окончена!

Кажется, уже годы прошли с того момента, как Жак Вильнев запустил пересуды своим заявлением, что он использует гоночные видеоигры для изучения незнакомых трасс в процессе перехода из Индикара в Формулу 1. Спустя 20 лет, симуляторы интегрировались в программы производителей и гоночных команд на всех уровнях спорта. Лишь самые старшие пилоты старой школы не оттачивают свои навыки в “симе”, будь это много-миллионно-долларовая установка со многими степенями свободы в любой команде Ф1 или руль с педалями, подключаемый к домашнему компьютеру.

Безусловно, влияние симуляторов распространяется дальше пилотов, корректирующих свои траектории через Красную Воду или Штопор. Сталкиваясь с космической стоимостью – и драконовскими ограничениями – аренды трасс, команды и производители все в большей степени опираются на симуляцию для тестирования и разработки. Вместе с тем, как их симы становятся более сложными, скорость разработки в потребительских симуляторах увеличивается до такой степени, что термин “гоночные видеоигры” становится неверным.

Несомненно, в них еще море “фана”. Но как развитие тайтлов подобных Forza и Gran Turismo размывает грань между виртуальностью и реальностью, так размышление о них только как о “игрушках” оказывает им плохую услугу. Ни с чем другим это не более очевидно, чем с iRacing.com, основанным в 2004 Джоном Генри (John Henry), владельцем Boston Red Sox, ФК Liverpool и частью “Fenway” в Nascar’s Roush Fenway Racing и Дэйвом Кэммером (Dave Kaemmer), сооснователем Papyrus Design Group, разработчиков признанных автосимуляторов, включая Grand Prix Legends и NASCAR Racing: 2003 Season.

Один из автомобилей NASCAR Sprint Cup (сверху), инженером, которого был Эрик Хадик до перехода на виртуальную сторону (снизу).

Одним из критериев приверженности iRacing к аутентичности является тот факт, что каждая из почти 70 виртуальных трасс воссоздана при помощи технологии лазерного сканирования и идентична реальному аналогу с точностью до 2 мм. Другим критерием служит факт, что для создания и разработки цифровых гоночных автомобилей господа Генри и Кэммер взяли на работу двух инженеров по динамике автомобиля с опытом работы в реальных гоночных командах: Эрик Хадик (Eric Hudec) и Крис Лерч (Chris Lerch). Достаточно серьезно? Примите во внимание, что Хадик оказывал инженерную поддержку по программе Dodge Nascar и, позже, работал как гоночный инженер в Petty Enterprises; резюме Лерча включает в себя работу гоночного инженера и специалиста по динамике автомобиля в Ф1 (Jaguar Racing), Индикар (Precision Preparation Inc, RuSport и Pacific Coast Motorsports), формуле Атлантик и работу с несколькими спортивными командами в сериях Grand-Am и American Le Man.

Системный подход

Для непосвященного человека, создание гоночного автомобиля из ничего кроме как компьютерного кода, выглядит находящимся на другом краю галактики от работы по извлечению максимума из реального автомобиля будь то Formula 1, IndyCar, GT, Stock Car или спорт-прототипы. Реальный или виртуальный автомобиль, не имеет значения, в сущности, он может быть представлен в цифрах. В случае iRacing, эти цифры предоставляются производителями и командами в формате CAD файлов, планов и листов настроек - и сопровождаются фотографиями и лазерсканами, сделанными инженерами iRacing.

Реальный или виртуальный автомобиль, не имеет значения, в сущности, он может быть представлен в цифрах.

Неважно - Dallara DW12, Silver Crown или Mazda MX-5, Хадик и Лерч применяют эти данные к одной и той же проприетарной модели, заполняя детали, которые делают каждый авто уникальным.

“Мы используем системный подход”, - объясняет Лерч. “Мы разбиваем автомобиль на его главные подсистемы - массы и инерцию, трансмиссию, аэродинамику, подвеску, рулевое управление, тормозную систему, шины, подачу мощности и крутящего момента. Каждую из этих подсистем мы также дальше разбиваем на ключевые компоненты, приоритезируя и собирая как можно больше информации для создания математических входов, которые требует модель. Так, для масс и инерции, когда мы (лазер)сканируем автомобили, мы также делаем множество фотографий, которые я использую, наряду с арт-моделью, для расположения масс в соответствующих местах на чертежах. С этих чертежей я делаю первоначальные вычисления для определения центра тяжести, общей массы и инерции, которые пойдут в модель; они имеют первоочередное значение на характер автомобиля”.

“Например, свойства массы/инерции McLaren MP4-12C полностью отличаются от аналогичных BMW Z4. То, как распределены в них массы и инерция, влияет на поведение авто под действием сил и моментов и это то, что является наибольшим различием между этими двумя GT3 автомобилями”.

Крис Лерч в его «прошлой жизни» на командном мостике на трассе Дайтона, и за упорной работой в виртуальном мире

Во многих аспектах работа специалистов iRacing по динамике автомобиля мало отличается от их коллег из мира реального автоспорта. “У нас есть партнеры, которые обеспечивают нас информацией”, - говорит Хадик, - “и мы строим наши модели в соответствии с данными, которые они предоставляют. Например, мы должны быть уверены, что наши тесты нагрузки соответствуют тестам с реальными данными и любой дополнительной информацией, которую мы можем получить, будь это shaker rig, аэродинамическая труба или данные с трека. В реальном мире я и мои коллеги сами бы собирали данные и я бы использовал свой опыт в обработке их в программах для поиска скорости. Поэтому процесс очень похож”. Хотя Хадик (университет Carleton) и Лерч (MIT) и имеют солидное образование, но их контакты в мире автоспорта бесценны. Не каждый может позвонить в команду Rahal Letterman Lanigan для глубокого обсуждения BMW Z4 GT3, или в Penske Racing для обсуждения NASCAR Sprint Cup Ford Fusion.

Реальная сделка

Разработка виртуальных автомобилей - это не просто создание цифровых копий BMW или Ford, которые повторяют время круга своих реальных коллег на Воткинс Глене. Они должны это делать в стиле своих прототипов.

“Время круга не стоит в моих главных приоритетах”, - объясняет Хадик. “Я могу сделать болид Формулы 1, который будет делать круг за то же время, что и грузовичек серии Camping World… и наоборот. Я могу в симуляторе сделать так, что автомобиль будет делать все, что я хочу. Но важно то, как автомобиль реагирует на команды управления. Делает ли он это так же, как и реальный? Это сводится к корректным массам и инерции, точной аэродинамике, подвеске, пружинам, амортизаторам и стабилизаторам правильных пропорций, подводу мощности соответствующему реальному крутящему моменту. И тогда у вас будет что-то, что едет с большой степенью соответствия реальному аналогу.

“В конце концов, мы хотим создать модель, которая будет отражать реальный автомобиль с высокой степенью достоверности. Мы никогда не будем идеальны, но мы постоянно совершенствуемся в направлении более точного моделирования. Возможно, мы ошибаемся с величиной, но мы пользуемся теми же инструментами, которые используют гоночные команды для настройки своих автомобилей. Мы можем ошибиться в ту или иную сторону, но мы двигаемся в правильном направлении”.

Реальный опыт работы инженеров играет свою роль в установлении этой взаимосвязи. Помимо прочего, как Хадик знает диапазоны регулировки пружин, клиренса или “wedge”, обычно используемых на автомобилях Nascar, так и Лерч знаком с настройками, которые используют на автомобилях Инди, спорткарах и прототипах. “Я знаю приблизительные диапазоны пружин, используемые в Инди”, - говорит он. “Я знаю амортизаторы, знаю, как настраивают аэро… и почему”.

Так же, как и в реальном мире, отзывы от пилота имеют решающее значение. Кто лучше сможет оценить корреляцию между реальностью и виртуальностью, чем гоночные пилоты, имеющие настоящий опыт с данной машиной? И снова на помощь приходит опыт инженеров, которые могут позвонить таким пилотам как Justin Wilson, Will Power, Dale Earnhardt, Jr и Bobby Labonte, John Edwards, Andy Priaulx и Shane van Gisbergen и попросить протестировать степень аутентичности цифровых автомобилей.

“В наши дни все больше и больше пилотов высокого уровня используют симулятор, поэтому они чувствуют себя комфортно в этой среде”, - рассказывает Лерч. “Не составляет много времени и усилий найти реального гоночного пилота, кто имеет опыт вождения какого-то конкретного автомобиля и также является пользователем iRacing. Но может быть сложно для них найти время дать вам ту необходимую обратную связь. Тем не менее, где это возможно, мне нравится использовать отзывы тех ребят, кто в реальности водит эти автомобили”.

Эхо прошлого: историческим является не только болид Lotus 49, но и австралийская трасса Oran Park, которая была отсканирована за несколько недель до того, как она была сравнена с землей для постройки на ее месте жилого района и торгового центра. Но трасса продолжает жить в iRacing.
Эхо прошлого: историческим является не только болид Lotus 49, но и австралийская трасса Oran Park, которая была отсканирована за несколько недель до того, как она была сравнена с землей для постройки на ее месте жилого района и торгового центра. Но трасса продолжает жить в iRacing.

После того, как реальные пилоты дадут “добро” по новому авто, разработка продолжается с некоторым количеством ветеранов-симрейсеров, для выверки на соответствие прототипу таких параметров, как расход топлива, износ шин и тормозов. Тем временем, Хадик и Лерч работают над настройками шасси и аэропакета, чтобы предоставить порядка 60000 пользователям iRacing предсказуемые базовые настройки, когда автомобиль будет доступен.

Говоря в целом, когда авто становится доступным для пользователей, Хадик и Лерч переходят на следующий проект. В этом плане их работа сильно отличается от коллег по реальному цеху. “Вместо того, чтобы постоянно разрабатывать единственную машину, здесь я довожу авто до определенного уровня и перехожу к следующему”, - говорит Хадик. “Если говорить об этом, гоночные команды непрерывно пытаются сделать их авто на треке лучше, быстрее, и я был ответственным за выжимание всех соков из него. В iRacing меня это не беспокоит, этот этап заменен переходом к следующему автомобилю”.

Однако это не говорит о том, что разработка данного конкретного автомобиля останавливается. В отличие от “консольных” игр, которые выпускают новые версии каждые два-три года, iRacing обновляет свой онлайн сервис ежеквартально. Наиболее свежий релиз привнес новую модель кинематической жесткости подвески для более точного отражения ее работы. И, выпустив свои Gen6 Nascar Sprint Cup Chevrolet SS, Ford Fusion и Toyota Camry в течение нескольких недель после их дебюта в реальном чемпионате в 2013, iRacing обновил эти модели в соответствии с новыми правилами NASCAR 2015, уменьшив мощность и прижимную силу.

Возможно, наиболее труднопреодолимая сложность, с которой сталкиваются Хадик и Лерч - это соответствовать уровню сооснователя iRacing - и их технического директора - Кэммеру в его усилиях продвинуть искусство и науку моделирования шин за пределы модели Pacejka, которая долгое время считалась стандартом индустрии.

“Насколько мне известно, наша шинная модель уникальна в индустрии потребительских симуляторов в том плане, что это первая модель, основанная на принципах, а не на опыте”, - объясняет Лерч. “Дэйв провел большую часть первых шести лет разрабатывая свою первую модель, основанную на принципах, и сейчас он там, где все, или, по крайней мере, большая часть низковисящих плодов уже собрана. И он проводит все больше и больше времени, собирая высоковисящие. Это все улучшает модель, но прогресс идет уже более медленно.

Автомобиль NASCAR на историческом бенкинге Монцы. Где бы вы не ездили, вы можете быть уверены, что все ощущения смоделированы полностью.
Автомобиль NASCAR на историческом бенкинге Монцы. Где бы вы не ездили, вы можете быть уверены, что все ощущения смоделированы полностью.

“Когда речь идет о разработке шин для каждого автомобиля, Эрик и я имеем достаточно ограниченный набор параметров, которые мы можем подстроить. Сюда входит определения конструктива шины (глубина протектора, количество слоев ремня, угол нитей корда и т.п.) и состава (температура стеклования, доля серы и т.п.). Так, мы меняем эти параметры, тестируем на skid pad, делаем шинные тесты, независимые от трека и это дает нам представление как шины будут работать. Мы изменяем доступные параметры для настройки механики - продольную, поперечную, вертикальную жесткость и жесткость угла увода - степени сцепления и деградации, как термальной, так и вследствие износа. В частности, мы стараемся точно смоделировать поведение шины непосредственно на границах сцепления. В реальном мире пилоты используют тонкие намеки, посылаемые шинами на то, находятся ли они ниже, выше или на пределе лимита сцепления и мы непрерывно прилагаем усилия смоделировать такие намеки в симуляторе.

Непознанные миры

“Говоря в целом, вроде бы шины как шины”, - говорит Хадик. “Они все круглые, сделаны преимущественно из резины и имеют похожие материалы корда и все черные. Небольшие детали - вот что отличает их поведение и это то, что делает модель Дэйва такой крутой”.

Но шины также служат примером того, где iRacing углубляется в неизведанные области. Смотрите, если не принимать во внимание безопасность, то инженеров Феррари, Порше или Шевроле особо не беспокоит, как ведет себя автомобиль при превышении лимита шин. Но не Хадика и Лерча, которые открывают новые горизонты в своих попытках сделать заносы, крэши и мелкие аварии такими же аутентичными, как и сами гонки.

Встретьтесь со стеной и ваш день будет закончен. Мы должны понимать, как характеристики автомобиля изменятся после касания стены.

“У нас есть не особо много информации о том, как ведут себя шины при превышении лимита, но нам необходимо понимать это для симуляции в реальном времени”, - объясняет Хадик. “Большинство гоночных инженеров не проводят много времени в размышлениях о том, как поведет себя машина при превышении лимита. Это не нужно им в поисках скорости. Они находят скорость на пределе, и не их не беспокоит, что случится при его превышении. Но нас это волнует, поскольку у нас есть люди, которых спинит, и мы хотим точно смоделировать поведение авто, когда это случиться с ними”.

“Если вы не справились с машиной в симуляторе, то то, что случится, должно быть реалистично. Если вы пилот Ф1 и потеряли управление в симуляторе, то инженер просто скажет: “Ты вышел за предел шин. Не делай так”.

“Точное моделирование повреждений - другая вещь, которая не беспокоит реальные гоночные команды. Нас же - да, потому что мы симулируем гонки, поэтому не только должны делать так, чтобы автомобили корректно управлялись, они должны корректно ломаться, корректно взлетать в воздух, корректно попадать в аварии и корректно ехать боком. В реальных гонках они не заботятся об этих вещах: повстречайтесь со стеной и ваш день будет закончен. И даже если не полностью, то автомобиль будет поврежден. Мы должны понимать, как изменятся характеристики автомобиля после соприкосновения со стеной. Мы должны принимать во внимание все”.

Где, как правило, инженеры прекращают работу над последствиями аварий, в iRacing упорно трудятся, чтобы как можно точнее смоделировать повреждения, полученные в инцидентах, чтобы ощущения онлайн-гонок были полнее.
Где, как правило, инженеры прекращают работу над последствиями аварий, в iRacing упорно трудятся, чтобы как можно точнее смоделировать повреждения, полученные в инцидентах, чтобы ощущения онлайн-гонок были полнее.

Включая драфт, но в другом плане, нежели наши коллеги из реального автоспорта. В то время как конструкторы и инженеры в любом классе гонок стараются улучшить характеристики их машин в то время, когда авто идет впереди или позади другой машины или машин, специалисты iRacing по динамике автомобилей переносят это на следующий уровень… и даже больше. Они не только моделируют, как NASCAR Sprint Cup Chevrolet SS ведут себя, вися на бампере Toyota Camry, идя в триовале Дайтоны, они ищут, что произойдет с 20ой машиной в драфте 30ти машин, когда 6ая в ряду уходит на внешний радиус в третьем повороте.

“Я, наверное, один из немногих людей, пытающихся собрать информацию о том, что происходит в подобных ситуациях в реальном мире и пытающихся воспроизвести это в реальном времени в симуляторе, когда на трассе много пилотов”, - говорит Хадик. “Никто больше не делает это - гонки в реальном времени на суперспидвеях с более чем 40 машинами на трассе, только мы и другие видеоигры. Я продираюсь через математические формулы, пытаясь разработать близкое соответствие между тем, что мы видим в поведении реальных машин и наших машин. Это не тривиально! Здесь много итеративной работы при улучшении нашего продукта”.

Хадик с готовностью признает, что есть (и всегда будет) достаточно работы для улучшения продукта. Например, недавнее обновление к модели драфта собрали противоречивые оценки от пользователей iRacing-сообщества.

“Я думаю, я сделал несколько шагов вперед”, - говорит Хадик, “но также, я думаю, я сделал несколько назад… что случается, когда ты пытаешься двигаться вперед”.

В этом плане, мир симрейсинга точно следует примеру реального автоспорта.