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赛车模拟器VR赛车的唯1选择

时间:2017-10-02 字号:
 

说到动态赛车模拟器,大家一定感觉非常陌生,因为它还是一种尚未普及的智能设备。顾名思义它是一种可以模拟真实感受的动态设备,比如模拟飞机、汽车、轮船、坦克等的形态动作,以此来体现真实的感受。

何谓动态赛车模拟器?

说到动态模拟器,就得从航空飞行模拟器说起,就是用来训练战斗机或商用飞机飞行员的设备。那是一台以亿元人民币计价的设备,集成了许多高科技技术。例如:六自由度运动平台、负压离轴显示技术、手感和外观与真实飞机完全一样的航电仪表、手柄和密密麻麻的按钮、计算机仿真模拟系统等,这种设备虽然造价不菲,但可以达到近乎100%的仿真度,几乎所有的军用战斗机和民用飞行员均需要经过数百小时的模拟飞行后,才可以驾驶真实飞机,所以飞行模拟器在飞行员的训练中功不可没。但是,这样的设备离我们非常遥远,因此我们来聊聊离我们比较近的赛车模拟器。

简单说,一个物体的三维空间中,具有更多6个自由度(沿XYZ轴的平动和沿XYZ轴的旋转),因此动态模拟器更多也只有6个自由度,也就是所谓的“六自由度”,它们可以模拟出机器前后、左右、上下方向上的运动,以及在前后、左右、水平方向的旋转。通过模拟器在6个自由度上的位置、速度、加速度三个参数的叠加变化,就可以近似模拟出人的真实身体感受。如果要实现6个自由度,一般至少需要6个伺服电动缸(之所以没有提液压缸,是因为液压的比例阀控制性能较差,所体现出来的响应性和细腻度,均无法与伺服电动缸相比,无法满足赛车模拟器激烈动作的需求,飞行模拟器倒还可以采用,因为飞机的动作一般比较平缓),但目前伺服电动缸价格居高不下,所以出现了4自由度、3自由度、2自由度的赛车模拟器,以满足入门级的客户。

一台完整的赛车模拟器,需要包含主体结构、动感系统、操作外设、显示系统、计算机模拟系统。

计算机模拟系统可采用PC安装相应的赛车模拟/游戏软件,常见的模拟软件有:赛车计划、神力科莎、rfactor、GSC、LFS、WRC等,偏娱乐类的游戏有:尘埃、GRID、F120xx系列等。大家可能很奇怪大名鼎鼎的ji品飞车为什么没有上榜?其实ji品非常一直被模拟赛车玩家所不齿,虽然画面特效非常炫酷,车型丰富,但车辆物理仿真度真心不够,车辆可以在超短的距离刹车停住,以超快的速度飘过急弯,车辆很容易操控和稳定,虽然这样可以快速获得成就感,但失去了驾驭赛车本身所需要的历练和沉淀。因此1款真正的赛车模拟器是不会采用ji品飞车作为游戏软件的。主体结构,一般由钢管或铝型材或其他结构材料做成,起到支撑座舱连接动感系统的功能,这里不再赘述。

显示系统一般是液晶显示器/电视、投影和今年火爆起来的VR眼镜。液晶一般可以多屏拼接,甚至采用弧幕拼接,只要你是不差钱的土豪。投影可以采用画面变形融合技术,实现弧幕甚至球幕的投影,达到更好的沉浸感,可以采用多个投影仪拼接融合,完成大角度投影。VR眼镜会在文章后面深入分析。

操作外设一般就是方向盘、踏板、档杆、手刹和一些控制面板,更低入门级别是罗技的G27,全套价格不到2k,高端一点是thrustmaster的T500,约6k。高端的当属fanatec,全套下来要13k。国内有不少爱好者自己做一些手刹、液压刹车、换挡杆,自用或者销售,不过多数性价比很低或者粗制滥造,尚未出现做工精良、价格亲民的产品。笔者建议如果对操控和手感有要求,用fanatec产品应该足够了。

更后,介绍一下动感系统,动感系统包含动感控制软件、电机驱动器、电动缸/减速传动机构组成。动感控制软件需要从游戏软件实时获取到车辆姿态和加速度等数据,通过解算,变成适合该模拟器结构的运动数据,然后发送给电机驱动器,电机驱动器驱动电机做出相应的动作,就是一套完整的动感系统。电机一般有感应电机、步进电机、高低压伺服电机。感应电机一般可以做到很大功率,成本较低相应很慢,没有细节,变频器控制需要下一番功夫,因为感应电机有个滑落速度;步进电机一般功率很小,相应快过感应电机很多,驱动也很简单很成熟,适合玩家diy,但一般无法推动整个模拟器,而是座椅本身,且常常卡住。这里需要注意的是,步进电机会有丢步的问题,如果能加上编码器,可以解决这个问题,但会增加控制难度。更后是伺服电机,伺服电机性能及其优异,加减速非常快,转速可以达到3000rpm甚至6000rpm,可以300%的短时间过载,效率95%以上。

在工业机器人和数控机床上,都是用的是伺服电机,但伺服电机的性能差异非常大,德系做得更好,日系仅次,国产偏弱。当然在模拟器领域,国产的伺服电机,一般也能够胜任,而伺服电机的性能差异主要在驱动器上。值得一提的是:6自由度运动反解算法,由于平台靠6根电动缸支撑,其实从学术角度讲,这是一台6自由度的并联机器人,之所以是并联,是因为每一个自由度的单独变化,都需要六条电动缸同时做出变化,才能完成,这是个复杂的算法。但是更复杂的是,如何把车辆加速度在六自由度平台上更好的体现出来,目前国内的6自由度模拟器,均没有做到这个水准。

国外赛车模拟器的发展状况

赛车模拟器从高端到低端,价格跨度从上百万人民币到几千元,有进口品牌也有国产品牌。赛车模拟器中的ding级品牌,当属荷兰的克鲁登(Cruden),也许大家在网上视频中有见到过,每台价格高达100万人民币。据说,F1赛车手使用该模拟器熟悉赛道,至少红牛车队拥有一台这样的模拟器,同时使用这台设备记录车手的操作数据,通过分析该数据,帮助车手提高成绩。

仅次于克鲁登的模拟器,应该是美国的ForceDynamic,网上有很多关于它视频,但很多人甚至是模拟器厂家对他不是很熟悉。这个品牌拥有2款模拟器,分别是301和401,代表三自由度和四自由度。301包含pitch、roll、heave三个自由度,401多了一个yaw的自由度。大家通过图片可以看到,forcedynamic的模拟器的三个电缸非常长,因此可以模拟出比较大的倾角和起伏,因此入门玩家一般都非常关注的推背感,在这款模拟器身上可以比较好的模拟出来,不过动感的细腻程度,笔者持保留态度,因为这款模拟器使用的不是丝杆传动,而是同步带,因此响应性和刚度会打折扣。但也不失为1款比较好的模拟器。更后是大家非常关注的价格了:301约27万,401约35万。是不是有点失望。

其次,是美国老牌模拟器品牌蓝虎(BLUETIGER),这款模拟器没有非常惊艳的外观,各项参数也并不突出。但是,这款模拟器定位更接近消费级别,体积较小,结构紧凑,自配方向盘、踏板、档杆,手感均不错。角度可以达到20度以上,响应还不错,但只有2个自由度(pitch、roll),但价格相对亲民,约17万人民币。

说到动感,就不得不说加拿大的d-box了,这家公司是加拿大军工企业旗下的一家子公司,主打产品为电影动感沙发、影院动感座椅以及动态模拟器。这家生产的模拟器产品是更接近消费级别的,别看电缸行程很短,但性能超级强悍,有极高的震动频率和超快的响应速度,动感座椅产品不说,它的赛车模拟器,可以很轻松的模拟出软硬路面、过水、压路肩等超细腻的真实动态感受,反应毫无延迟;由于它的电缸行程较短,因此比较适合于模拟高响应的动感,推背感只能模拟出一瞬间,而不能持续保持。也许大家觉得没有持续推背感,似乎就失去了使用动态模拟器的意义,但笔者经过在模拟器和真车上仔细比对后得出的结论是,持续的推背感其实是一个变化较平缓的感受,即使再大的推背感,持续时间超过0.3秒,人体就适应了,直到推背感有变化时,人体会再有一次明显的感受,换句话说,人体所敏感的是变化的加速度,并非加速度大小本身。因此,笔者认为,d-box的模拟器在游戏级别的模拟体验,已经非常震撼。但这更体现出了d-box在控制方面的深厚的功底和积淀。更后,说下它的价格,是7~10万人民币!

更后,还有一种模拟器值得一提,因为这种形式的模拟器更为普及,价格更低,也很容易diy。这种模拟器的代表是美国的CXC,不过这家的模拟器是特例,卖的巨贵无比,大约27万。CXC生产包含模拟器在内的,非常多的模拟赛车用的配件,如方向盘、踏板、档杆等。这种模拟器更显眼的就是座椅后背的两条电动缸支撑,通过这两条电动缸,推动座椅运动,但方向盘、踏板、档杆是固定在地面的,因此开起来,手脚需要不断的调整间距,以弥补座椅运动所带来的距离变化。这种感觉其实非常奇怪。之所以这种电动缸无法推动整个模拟器,是因为它采用的是步进电机,且丝杆等配件的选型均较小,一对价格约几千人民币。SCN5仅有10kg出力,而d-box的伺服电动缸有315磅(约150kg)推力,可以看出差距了吧?同时,步进电机在所有动态参数中,均无法与伺服电机相比。这种模拟器非常适合爱好者DIY,买一些工业铝型材和角码,用螺丝固定好作为支架,买个座椅,买个十字万向节,四个鱼眼球头,加上驱动器和x-sim(国外的一个动感驱动软件)就可以组成一台模拟器。动手能力强的玩家,可以来尝试。不过更多的是体验动手的快乐,实际的体验感,和以上的模拟器还是有较大差距,特别在算法方面,没有专业人员做优化,还是不甚理想。

国内赛车模拟器的发展状况

谈了那么多国外模拟器,该聊聊国内了。经济学家马光远在一次电视上说了句“不管什么行业多么高大上,一到国内,都能被玩的特低端”。在国内,前两年年火的不行的5D电影,如今还剩几家?从5D到6D、7D、8D、9D,全是换汤不换药,影片就那么几部粗制滥造的,平台拼凑而成的,数据随手一摇,就可以卖了。价格1天比1天低,观众1天比1天少,没个持续性,一哄而上,昙花一现,更终没有积淀下什么有深度的技术、有价值的品牌。

如今赛车模拟器,虽然还没被玩的那么低端,但也有一定的倾向了。不过国内认真做东西的厂家还是有的。前面提到国外品牌,国内均有相应的对标厂家。例如,Cruden的国内竞争者有上海恒润和武汉穆特,外形「模仿」到位,但性能与Cruden还相差较远,6自由度的产品仅实现了3自由度的性能;ForceDynamic的国内竞争者有SET和深圳精敏,其中SET在品牌、产品、技术方面都十分专注的厂家,但动感方面依然有待提高;D-BOX的国内竞争者有X-Motion旗下的soulfeeling幻速赛车模拟器2轴和4轴两款产品,市场覆盖率高,且性能和价格相对均衡。

笔着体验过众多赛车模拟器,其中国内产品中印象更深是奇影幻境VR赛车模拟器,但该产品的性能方面相当卓YUE:2~4轴200w高压伺服电动缸!2~3自由度全平台动感!自主知识产权的伺服电机驱动器!高达400帧位置数据的控制软件。这是1款消费级别的赛车动态模拟器,虽然目前定价依然较高,但与国外其他产品对比,价格相对亲民,还是很受国内玩家喜欢。

VR的唯1选择

在今年的VR眼镜非常火爆,达到kong前白热化,似乎前景一片看好。不过,也有一群人开始对VR表示反对了,理由是:VR沉浸体验久了常常会感到一阵眩晕与恶心,即出现所谓的“晕动症”。这可是VR普遍难以攻克的大问题啊!其实,道理很简单,在VR体验中特别是使用VR眼镜,感受更多的是眼睛在动,而身体并非处于运动状态,感受时间长了人就受不了。但“晕动症”这种情况很难出现在赛车模拟器上,因为赛车模拟器主要还是依靠外接的控制设备来操控,并非依赖于VR本身,这种生态型的运动体验,可以避免这种不良的生理反应,大大减少80%的“晕动症”。另外,不同的模拟器品牌,体验效果也截然不同,同样是在身体运动,若动作稍有迟缓,不但降不了晕,反而增加眩晕感。相对于国内各大模拟器品牌,选择1款好的模拟器相当重要,特别是在力反馈技术方面,需要能够对各种情景动作做出精确的同步反应,且响应速度快,操作感也要更加真实,这将大大减少了可能产生的眩晕问题。