[SIM] Neumáticos en simuladores

Hablando de simulaciones automovilísticas y su aproximación cada vez más certera a la física real, hoy me gustaría ejemplificar uno de los factores que las llevan a este nuevo nivel. Me refiero a la física del neumático y su cada vez más logrado realismo a la hora de simular la elasticidad, los rebotes y las zonas de contacto con la pista.

Si bien una buena simulación ha de basarse en un buen modelo físico de todos los elementos, los que más aportan son principalmente chasis, pesos, inercia, aerodinámica, dirección, suspensión y neumáticos. Son estos últimos los responsables de "unir" todo lo anterior, a su vez gobernado por el usuario, con la pista de una manera bidireccional, y por tanto siendo responsables en buena medida del resultado final.

A la hora de aportar realismo desde el punto de vista del usuario es importante que todos ellos formen un conjunto capaz de transmitir a este las "sensaciones" que provengan de su comportamiento, asi como una retroalimentación ajustada a nivel de dirección (Force Feedback).

Cabe tener en cuenta que no todas las representaciones de vehículos tratan de ser simuladores, y por tanto no todas perseguirán obtener un buen modelo. También es importante, a la hora de analizar, valorar los recursos disponibles en el momento de desarrollo de cada uno. Por último, no os dejéis engañar por los efectos "eye-candy". Un neumático que se deforma visualmente en la simulación puede ser sólo eso, un bonito efecto, si no está respaldado por un buen modelo matemático.

Antes de seguir leyendo os aviso que para entender cómo se llega al modelo previo  al actual, deberíais haber pasado anteriormente por la breve historia de los simuladores de automoción: -Post previo-

¿Y una vez ubicados, qué? Nuestros ordenadores no sólo sobrevivieron al efecto de la entrada del nuevo siglo, sino que además se volvieron más rápidos. Por desgracia, salió el Windows Me . Con el inicio del año 2000 vinieron las mayores revoluciones en simulación ¿Cómo son los modelos de neumáticos llegados a este punto?

En algún punto de este largo camino, alguien se había dado cuenta de que un neumático no tiene la misma superficie de contacto ni agarre según el ángulo de dirección que se aplique. En aquel momento, y durante mucho tiempo, lo mejor y más sencillo a la hora de procesar fue crear funciones que relacionaban estos parámetros. Uniéndolas se tomaba la decisión salomónica de cuánto agarre tenía cada neumático. Como ventaja tenía la velocidad de proceso y una buena fidelidad. Curvas bien calibradas producían resultados en los que equipos de F1 han confiado para sus simuladores, pero claro había que hacerlas también para cada compuesto y característica, asi que por lo general solían simplificarse bastante o intentar aproximarse "a ojo", sobre todo teniendo en cuenta que muchas veces no se tenía acceso a los vehículos que se trataban de simular...

Digamos que damos al agarre de un neumático un valor base determinado. Una vez en pista, en el momento de ir a tomar una curva, el vector de la dirección con la que está girado el neumático tiene una diferencia de ángulo con el vector de movimiento del coche. En una curva podemos reflejar las diferencias de agarre que se producen con este ángulo diferencial. Por tanto, este porcentaje del agarre total que se obtiene en función de tal deslizamiento viene definido por que se llama slip curves (curvas de deslizamiento).

 

Una curva de deslizamiento bastante clásica

Asimismo, el simulador modifica internamente estas curvas en función de un buen número de parámetros, como la inclinación (camber), carga, temperatura, velocidad angular de la rueda...  

Las curvas de deslizamiento, tracción y frenado pueden diferir bastante, asi que es habitual que haya más de una.

Curvas de deslizamiento lateral, en tracción y en deceleración

Hasta aquí el método aceptado hasta ahora.

En la nueva generación de simuladores se ha ido un punto más alla, puesto que también la deformación y la presión y elasticidad, los rebotes y dureza del flanco y muchísimos otros parámetros más influyen en cómo y cuánto neumático pisa en la pista. Esta nueva visión de la física del neumático se basa en los "contact patches", es decir, la superficie de contacto de este con la pista, que es extremadamente dinámica y cambiante con baches, rebotes, apoyos, cargas... El modelo actual tiende en todos los simuladores a uno más preciso; Representamos un neumático tridimensional, no rígido, y dejamos que las fuerzas actuén sobre él, deformando la malla con unos parámetros adecuados. Eso produce una deformación cuasi-real y por tanto, una superficie de contacto que podemos calcular.

El parche de contacto es la superficie que toca el suelo en un momento determinado

Y como para muestra un botón, y además si habéis llegado hasta aqui es que ya os merecéis un premio, unos videos que muestran en acción los efectos físicos de las fuerzas sobre la malla que representa al neumático en tres grandes simuladores. Esto es lo que cambia los "contact patches":

rFactor2:

 

iRacing:

Live for Speed:

Bonito, ¿verdad? Un plano en un neumático producirá los "saltos" que crea al girar en realidad, independientemente de si se visualiza correctamente o no esta deformación.

El model de neumático es totalmente nuevo respecto a rFactor "1", algo necesario además para permitir una verdadera interacción con el resto de nuevos elementos, como los esta vez reales clima dinámico y superficie cambiante de la pista.
Este nuevo concepto permite la interacción con muchos más cambios en el comportamiento del neumático que el hecho de ganar o perder grip con el desgaste, como era habitual hasta ahora.
Cada estudio de programación crea estos modelos a su manera, pero fundamentalmente el mayor cambio reside en que ahora, por fin, el neumático está considerado como un cuerpo deformable, independiente de la llanta y el resto del vehículo, y la superficie de contacto con la pista (y sus parámetros) se calcula en tiempo real sometiéndose a las fuerzas de apoyo, rebote y compresión presentes en cada momento y sus estados anteriores. También guardan "memoria" del trato recibido y los eventos anteriores, de manera que ofrecen una experiencia en constante cambio en términos de agarre, manejo e incluso estrategia de carrera.

En el video anterior se puede observar cómo el neumático cambia de forma (además de la textura) al ser mal tratado.


La nueva generación ya está aquí, y además este género de simuladores goza últimamente de muy buena salud, con múltiples títulos en desarrollo que, además de físicas avanzadas, cuentan con un apartado gráfico deslumbrante.

rFactor 2
iRacing
Asseto Corsa
NetKar Pro

Live for Speed

C.A.R.S.
GTR 3
GT Legends, GTR Evolution, RACE 07... (Simbin)
Game Stock Car
Ferrari Virtual Academy
Kart Racing Pro
World Series Racing
Racer
World Super GT 2
SimRaceway


Si queréis seguir aprendiendo sobre el tema, os dejo unos enlaces interesantes:

Analizando las curvas de deslizamiento del mod rF3 de rFactor
Neumáticos en los simuladores, de Niels Heusinkveld
Explicación de físicas en rFactor 

[SIM] Breve historia de la simulación de competición

Evolución de los simuladores de conducción hasta F1 challenge

El primer intento verdadero de acercarse a las físicas de simulación puede decirse que fueron los juegos de la saga "Grand Prix" de Geoff Crammond, precedidos tres años antes por (1989) "Indianapolis 500: The simulation" , publicado por EA.  Este particular antecesor fue el primer "juego" en diferenciarse del arcade en el género de conducción, y aunque su modelo físico era muy simple, al menos lo tenía. Las posibilidades de puesta a punto afectaban directamente a las físicas y a parámetros del manejo como precisamente el agarre de los neumáticos, la resistencia y apoyo de la aerodinámica, la aceleración...

Este fue el inicio.

"Formula One Grand Prix" fue lanzado en 1992, y alcanzó un nuevo nivel en la implementación de las llamadas "físicas reales", con un modelo algo más complejo y unas posibilidades de puesta a punto que realmente significaban algo y trataban de producir efectos similares a los que buscan los pilotos e ingenieros reales cambiando los reglajes de sus coches.

En 1996 tuvimos "Grand Prix 2". Mejoraba el modelo físico anterior en gran medida aprovechando las capacidades de los nuevos equipos. También aumenta la profundidad y precisión de los cambios en la puesta a punto. Con él, los jugadores se dieron cuenta realmente de que las diferencias en los tiempos se hacían en los boxes.

 

 La complejidad de la puesta a punto en GP2 y la reactividad del 

coche a los cambios sentó precendente en el mundo sim-racer.

"Grand Prix 3" (2000) y "Grand Prix 4" (2002) siguieron mejorando en esta línea, y desde la tercera parte se incluyen los cambios climáticos y el efecto de secado de la línea de trazada de los vehículos. Si bien este afectaba a las físicas del vehículo (con slicks, salirse de la línea seca con el resto de la pista húmeda llevaba a la catástrofe) la simulación de cómo esta se producía no era tal, y sólo atendía al clima y se producía por la trazada ideal, no a las distintas líneas de coches ni el número de ellos que pasaban por un punto determinado, pero aún con todo fue un genial intento.

 

En GP4 los boxes tenían una "vida" que aún hoy en día se echa en falta en los últimos títulos.

Cabe recordar el también excelente "Grand Prix Legends" publicado por Sierra en 1998,  en medio de los anteriores, donde se consiguió por primera vez un increible nivel de realismo físico en monoplazas de la década de los 60´s. Era difícil, pero no por los controles, magníficos para su momento, sino porque "los coches de aquella época debían ser asi". Esa es la definición de simulación, experiencias que no se hacen estrictamente para ser jugadas de manera ocasional, sino una búsqueda constante del acercamiento a la realidad.

 

Grand Prix Legends se sigue jugando a día de hoy, 14 años después de su lanzamiento

Ya posteriormente EA toma la cabeza en el año 2002 con su "F1 2002" (aunque había publicado más anteriormente, el verdadero cambio llegó con este) y luego con "F1 Career Challenge". El modelo aerodinámico de los vehículos llega a un gran nivel de complejidad y los modelos de suspensiones, muy simples por no decir casi ausentes en la saga Grand Prix, suponen un avance definitivo hacia el estado del arte actual. Resulta curioso que aunque son publicados por EA, habían sido desarrollados por Image Space Incorporated (ISI), el estudio que lanzaría luego en solitario el gran ganador de los últimos tiempos, rFactor (2005). Al frente de todo esto, el gurú que sería el sucesor de Crammond, Gjon Camaj. Este estudio ya había creado anteriormente joyas como SportsCar GT. rFactor llegó a tener una versión Pro con físicas más precisas y facilidades a la hora de importar modelos CAD ya diseñados con la que entrenan aún a día de hoy muchos equipos profesionales.

¿Me olvido de alguien más? ... Destacaría además de estos, como estandartes de las físicas de simulación, "GTR" y "GTR2", muy similares en motor gráfico y físico a los juegos de ISI publicados por EA, y los "RACE WTCC", "GTR Evolution", "RACE On" y similares de SimBin, al nivel de rFactor pero incorporando condiciones climáticas. También "Richard Burns Rally" nos enseñó cómo hacer físicas de rally, y que para pasarlo bien puede que haya que entender que llevar un coche asi es complicado, y la gracia está en aprender a controlarlo, no en "ir todo el rato de lado". "Live For Speed" fue y aún es grande a nivel de físicas, y un gran reconocido por la comunidad Sim-Racer, además de divertido.