Гонщик в симуляторе

Возвращаемся к первым заметкам Андреа Квинтарелли про симуляцию прохждения круга.

Довольно давно мы печатали переводы заметок гоночного инженера, автора Racecar Engineering и ведущего блога DrRacing's Blog Андреа Квинтарелли (Andrea Quintarelli).Недавно начали переводить его цикл лекций для старого сайта «Рейсинг Лайн».

А сейчас мы продолжим серию заметок непосредственно из его «блога». Причем, с одних из самых первых.

Надеемся, что данные заметки, насыщенные уникальной информацией, мотивируют участников Формулы-Студент и гаражных умельцев, которые строят свои собственные гоночные машины.

https://drracing.wordpress.com/2013/02/03/driving-simulation/

Февраль 2013.

И снова здравствуйте! Опять прошло очень много времени с тех пор, как я писал для своего блога в последний раз.

 В последние месяцы я много свободного времени посвятил работе над симулятором вождения, в духе того, что я уже немного описал в своем предыдущем посте. Это действительно очень интересный мир, как с точки зрения развлечения (управлять крутым гоночным автомобилем, который вы сами смоделировали, особенно если вы смоделировали его правильно, это действительно захватывающе, хотя это всего лишь виртуальный мир!), так и, что более важно, с инженерной точки зрения. Чтобы правильно смоделировать каждый компонент в симуляторе вождения, прежде всего нужно очень хорошо изучить этот компонент, а затем еще и понять, как его интегрировать в симулятор, то есть, что именно нужно написать в текстовых файлах, описывающих поведение каждой области автомобиля, чтобы автомобиль вел себя хотя бы приблизительно так же, как и реальный аналог. 

Используя свою модель Формулы-3 в качестве «учебника» в течение последних месяцев, у меня была возможность все глубже и глубже погружаться в приемы моделирования, необходимые для правильного «проектирования» каждой области автомобиля в программное обеспечение симулятора (в данном случае «рФактора»). И это действительно похоже на восхождение на гору, очень высокую! Иногда в процессе работы я замечал, что некоторые способы моделирования отдельных частей автомобиля, вероятно, не самые лучшие из тех, что мог выбрать разработчик симулятора, но с этим всё равно приходится мириться. 

Изучение языка, на котором нужно говорить с компьютером, чтобы моделировать свой автомобиль, - это долгий, но необходимый и полезный процесс. Он также заставляет лучше понимать физику поведения каждого компонента, чтобы иметь возможность воспроизвести его и понять ограничения используемого подхода. Здесь всё представлено одним или несколькими уравнениями, где можно выбрать значения параметров для построения правильной «формы кривой». Это иногда приводит нас к ситуациям, когда ограничения кода, возможно, вообще не позволяют отобразить некоторые особенности кривых (или, по крайней мере, не так, как нужно для точности). Или иногда просто приходится признать, что вы недостаточно знаете о чём-то и вам нужно поработать над этим, чтобы правильно все смоделировать. 

В своем предыдущем посте я уже говорил о шинах, и, как я уже сказал, у меня была возможность оценить некоторые хорошие и «не очень хорошие» стороны методов моделирования каждой из их характеристик (кривые угла скольжения, чувствительность к нагрузке, температурная чувствительность, чувствительность к давлению и т. д.). Иногда (но не только здесь, как я объясню) проблема заключается в том, что вы недостаточно хорошо знаете, как ведет себя реальная шина при изменении определенных параметров. 

Рассмотрим, например, температуру или давление: какое оптимальное давление для сцепления с дорогой для определенной шины, как это значение давления изменяется с нагрузкой и насколько? Какая температура является оптимальной для работы шины, насколько теряется сцепление, скажем, при повышении температуры на 10° выше или ниже оптимальной? Как изменяется потеря сцепления при изменении температуры? 

Это лишь примеры переменных, которые, вероятно, даже производитель шин не смог бы точно смоделировать (по крайней мере, не все), но для которых вам необходимо ввести значения в симулятор. 

Итак, рано или поздно вам приходится делать предположения, основанные на вашем опыте (или здравом смысле), и проверять их, «управляя» автомобилем, что, в любом случае, может быть забавно! Проблема в том, что в некоторых случаях вы так никогда и не узнаете, насколько эти параметры далеки от реальных значений, и, вероятно, многие люди, подобные вам, никогда этого не узнают. Поэтому, если вас интересует только моделирование с точки зрения динамики автомобиля, иногда вы можете даже решить игнорировать влияние этих параметров (сделать модель нечувствительной к ним). Это, конечно, не очень хорошо, если вы хотите разработать гоночный симулятор для широкой публики или для тех, кто заинтересован, например, в том, как изменение давления в шинах во время гонки может влиять на сцепление или износ шин.

 

В любом случае, подводя итог, теперь у меня есть хороший набор инструментов (в основном, электронные таблицы «Эксель») для извлечения необходимых мне чисел, которые я могу вставить в текстовые файлы «рФактора» для правильного моделирования автомобиля. Конечно, было бы лучше иметь возможность автоматически создавать (или заполнять) текстовый файл, но мои знания в этой области (VBA) практически равны нулю, поэтому я смирился с тем, что нужно копировать и вставлять числа вручную.

 К сожалению, у меня пока не было времени, чтобы по-настоящему оторваться, тестируя модель: я в основном просто проверял её, сравнивая с реальными результатами (и получал действительно хорошее совпадение, что подтверждает, что с реальными данными модель работает очень похоже на реальную). 

Теперь, чтобы убедиться, что некоторые параметры действительно проверены, мне нужен хороший водитель (или хотя бы кто-то лучше меня), чтобы действительно выжать из машины максимум и посмотреть, нужно ли что-то скорректировать (в основном уровень сцепления шин, который может сильно меняться даже на реальных гоночных трассах в зависимости от условий). 

В любом случае, забавным следствием отсутствия хорошего тест-пилота является то, что я это дало мне самому возможность почувствовать себя за рулем, и это было не только приятно, но и очень полезно для улучшения понимания проблем, связанных с системой «автомобиль - водитель», и того, как последний может влиять на поведение/производительность первого. Возможность проверять после каждого теста, что вы сделали на трассе с помощью изучения телеметрии, бесценна в этом плане, а также для улучшения ваших навыков (точно так же, как вы помогаете реальным водителям на реальных гоночных трассах, показывая им данные, собранные датчиками). 

Теперь было бы неплохо уделить время тому, чтобы действительно и должным образом протестировать реакцию на изменения настроек/шин/аэродинамики/двигателя и т. д., чтобы увидеть, как реагируют модели, а также как эти изменения могут повлиять на производительность. 

В процессе я понял, что в некоторых условиях симуляция вождения может рассказать вам (если вы достаточно уверены в ней, чтобы доверять) больше об изменении настроек, чем то, что иногда может дать «симуляция производительности – времени круга». 

Мы тут постоянно говорим, по сути, о видеоиграх, но присутствие «водителя в контуре управления» (driver in the loop) без сомнения значительно повышает чувствительность к определенным изменениям, главным образом потому, что меняются и «характеристики» водителя, а также его стиль/манера вождения, выбор траектории и т. д. 

Вы когда-нибудь пробовали изменить жесткость стабилизатора поперечной устойчивости с 0 до, скажем, 400 Н/мм в простой симуляции времени круга (например, «Бош Лапсим» Bosch Lapsim, когда это было бесплатно) и посмотреть, насколько изменится время круга? Если вы никогда этого не делали, вы можете удивиться, насколько мала разница в скорости поворотов и общем времени круга. Если вы хорошенько поразмышляете над проблемой, должно стать ясно, почему это не так уж и странно: это программное обеспечение исследует пределы возможностей автомобиля, или, по крайней мере, пределы возможностей смоделированного автомобиля. 

Компьютер не знает страха, у него не бывает головной боли, для него нет никаких препятствий на трассе. Да просто плохого настроения по утрам у него не бывает… Но исследует ли настоящий водитель пределы возможностей реального автомобиля? И как изменение может усилиться от того, что ему попросту машина с такими настройками нравится больше? Симуляции времени прохождения круга оказываются очень полезными для отслеживания основных тенденций и изменений таких параметров, как вес, прижимная сила, сцепление шин, мощность двигателя и т. д., но часто мало что говорят о тонких изменениях настроек. 

Как я уже говорил, я бы не стал слепо доверять симулятору вождения в этом отношении (существует множество ограничений, не только в модели или коде, но и, например, в том, как водитель управляет «виртуальным» автомобилем «в контуре» (in the loop): будет ли это тем же самым, что и в реальном мире? Я так не думаю). Я бы не использовал точно такие же настройки, как в симуляторе, на реальном автомобиле. Но, возможно, говоря об относительных изменениях, можно лучше понять, как изменение некоторых параметров может повлиять на производительность. 

Конечно, это всегда приблизительная симуляция, а не реальный мир. Но из симуляции всегда можно чему-то научиться, как бы вы ни упрощали ситуацию. Должна быть причина, по которой все ведущие команды (в Формуле-1, Ле-Мане и т. д.) сейчас все больше полагаются на работу на симуляторе. Конечно, мы, вероятно, никогда не сможем сравнить сложность и точность их аппаратного/программного обеспечения с «собственной» моделью в «рФакторе», но принципы очень похожи. 

Более того, как я уже говорил, после сеанса в симуляторе у вас есть возможность проверить данные, которые большинство гоночных инженеров никогда не смогут получить: например, силы, действующие на шины. Опять же, именно на этом этапе вы можете действительно увидеть ограничения кода в некоторых аспектах… но это же просто видеоигра. Или уже нет? 

В заключение этого поста сообщу, что следующая тема моего нового направления - автомобили ЛМП. Я уже на хорошем этапе моделирования «Ауди» Р18 в спецификации 2011 года. Конечно, у меня нет личного опыта работы с этими автомобилями. Процесс будет своего рода обратным проектированием, в основном основанным на материалах, которые можно найти в интернете, фотографиях, предположениях и иногда данных о шинах, аналогичных тем, что используются на этих автомобилях. 

Кстати, из того, что я уже сделал, моделируя «Ауди» Р18, стало ясно одно: эти автомобили действительно потрясающие!