Physik

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„...die Physik im Spiel ist dynamisch und prozedural...“



Eine der größten erfreulichen Dinge ist die Kapazität für echte newtonische Physik. Wir haben die Raumschiffe mit einem Fly-by-Wire System ähnlich einer realen F35 ausgestattet. Das bedeutet, der Computer wird alle physikalischen Berechnungen machen, die notwendig sind, deine Richtungsänderung durchzuführen. Der Schiffscomputer erkennt deine Eingaben am Joystick, den Schubreglern und Pedalen. Er wandelt diese Eingaben in die benötigen Vektoren und Geschwindigkeiten um und steuert dann die entsprechenden Triebwerke und Steuerungsdüsen. Die Idee ist, dass der Schiffscomputer Dinge einfacher macht, da es einfach zu kompliziert ist, alles manuell selbst zu steuern. Das bedeutet, dass die Physik im Spiel ist dynamisch und prozedural und nicht gescripted ist. Es ist ein vollständiges dynamisches Flugmodell, dass sowohl in großen Schlachtschiffen, als auch in kleinen Raumschiffen funktioniert.

Übersetzung Theorigin

https://robertsspaceindustries.com/comm-link/transmission/12741-Physics-Not-A-Dirty-Word


Physik


Die meisten Weltraumspiele, auch die früheren von Chris Roberts, vereinfachen die Simulation sehr stark. Normalereweise ist es ein Flugmodell für Atmosphärenflug ohne Gravitation und Luftwiderstand. Raumschiffe haben vordefinierte Werte für Neigen, Rollen und Gieren, sowie lineare Beschleunigung, die auf einen vereinfachten Masseschwerpunkt angewendet wird. Außerdem ist die Höchstgeschwindigkeit eingeschränkt. Wenn man wenden will, ist die Eingabe des Joysticks oder der Maus direkt mit dem spezifitierten Wert für das Wende manöver verbunden. Das Trägheitsmoment des Schiffes spielt dann keine Rolle. Schaden wird normalerweise als Multiplikator auf die Werte fürs Wenden und der linearen Beschleunigung berechnet.

Star Citizen funktioniert anders. Sie modellieren, was an einem richtigen Raumschiff auch gebraucht werden würde. Dazu gehört die Berechnung des Schubs an dem Ort, wo die Thruster am Rumpf des Schiffes montiert sind. In ihrem Modell ist das Trägheitsmoment, Masseänderungen und Gegenschub sehr wichtig und notwendig. Die physikalische Simulation des Fluges in Star Citizen ist auf dem basiert, was im echten Weltraum passieren würde.

Es gab mehrere Gründe, warum sie sich für diesen Weg entschieden haben:

  1. Weil sie es geplant haben, dass die Modellierung und Simulation auf einem Grad ist, den man noch nie zuvor gesehen hat. Chris Roberts ist der Meinung, dass eine Simulation benötigt wird, in der man merkt, dass sich das Flugverhalten ändert, wenn ein Thruster beschädigt ist, ein Flügel das Zeitliche gesegnet hat, oder der Pilot das Schiff mit Waffen und Munition überfrachtet. Er wollte, dass man den Unterschied zwischen den verschieden Raumschiffen, mit ihren verschiedenen Größen und Rollen, unterscheiden kann. In Star Citizen gibt alles. Vom 15 Meter Raumschiff für eine Person bis hin zu riesigen Kampfschiffen mit über einem Kilometer Länge, welche von vielen Spielern gesteuert werden. Er wollte, dass alle diese Schiffe ihre eigene Identität haben und sich wie verschiedene Autofabrikate anfühlen. Diese können auch, trotz gleichen Gewichts, völlig unterschiedliche Fahrverhalten haben. Er wollte Schiffe, die ihre eigene Personalität haben, nicht nur eine langsamere oder schnellere Version des Basisschiffes.
  1. Der zweite Grund ist, das Star Citizen einen großen Teil an PvP haben wird. Er weiß nicht, wie viele Wing Commander Armada gespielt haben (das erste Wing Commander, welches Multiplayer unterstützte), aber es machte nicht wirklich Spaß im Kampfmodus (Mann-gegen-Mann-Kämpfe). Wenn man ein Einzelspieler-Game programmiert, dann kann man die KI dumm genug machen, dass der Spieler die Chance hat, sich ans Heck zu hängen und mehrere Gegner abzuschießen. Dadurch hat der Spieler das Gefühl etwas erreicht zu haben. Es gebe nichts spaßigeres als alleine eine Welle von 10 feindlichen Kilrathi-Jäger fertig zu machen. Aber um ehrlich zu sein, hat die Fähigkeit des Spielers im Single-Player Wellen an Gegnern zu erledigen, nichts damit zu tun, wieviel Skill der Spieler hat. Chris Roberts meint, dass normalerweise der Spieler mit besserem Gerät antritt, als die Basis-Gegner, die gegen ihn kämpfen.

Das funktioniert aber nicht im PvP. Zudem ist es wahrscheinlich, dass mehrere Spieler das gleiche Schiff haben werden. Ohne eine fortgeschrittene Simulation und ein Flugmodell, mit vielen Optionen für den Piloten immer wieder neue Taktiken auszuprobieren, kann leicht zu Frustration führen. Da beide das gleiche Schiff haben, könnte niemand das Heck des anderen erreichen, da es nicht die gleichen Kräfte wie im Luftkampf gibt (Gravitation und Luftwiderstand), die bei Manövern an den Kräften des Piloten zerren.

Das sind die Gründe warum sie die physikalischen Kräfte komplett simulieren, die für das Steuern und Bewegen des Schiffs benötigt werden - und zwar ohne Tricks.

In der gleichen Weise simulieren sie auch die Schiffssysteme. Jede Funktion gehört zu einem individuellen Item, welches in das Schiff "eingestöpselt" ist. Die Waffen, die Thruster, Energieversorgung, Wärmeableitung, Radar, Treibstofftank, Batterieren, Zielsystem, CPU, HUD und auch das Intelligent Flight Control System (IFCS) - also der Flugcomputer - sind Systeme, die über sogenannte "Pipes" mit einander verbunden sind. Es gibt Pipes für Energie, Hitze, Treibstoff und CPU-Zeit. Der Zielcomputer braucht zum Beispiel Energie von der Energieeinheit und CPU-Zeit von Bordcomputer, sowie die Positionsinformation vom Radar, um Ziele erfassen zu können. Wenn nicht genügend CPU-Zeit vorhanden ist, dann wird die Zielerfassung langsamer sein. Wenn nicht genügend Energie vorhanden ist, kann die Zielerkennung komplett ausfallen. Wenn man nicht genügend Hitze von den Waffen ableitet, dann können sie überhitzen, fehlerhaft funktionieren oder gar beschädigt werden. Wenn also ein Flügel verloren geht, der Geräte für die Kühlung montiert hatte, sollte man vielleicht seinen Hitzeausstoß zurückfahren.

Durch die komplette Simulation sowohl der Schiffssysteme, als auch der Physik entsteht ein großer Teil des typischen Verhaltens der Schiffe und der Variabilität des Spiels. Die Konfiguration der Komponenten des Schiffes wird dadurch sehr wichtig. Aber eben nicht nur für die Funktionalität der angeschraubten Teile, sondern auch für das Flugverhalten und die Ansprechbarkeit des Schiffes. Genau wie in der realen militärischen Luftfahrt, kann man sich entscheiden, Sicherungssysteme einzubauen, um länger im Kampf überleben zu können. Es ist aber genauso gut möglich den Waffenschaden zu maximieren und dadurch bei der Manövrierbarkeit Einschnitte hinzunehmen.

Hört sich doch ziemlich cool an, oder? Warum also das ganze Geschwafel?

Eine richtige Simulation des Weltraumfluges ist entscheidend anders, als das Flugmodell beim atmosphärischen Flug. Im Weltraum gibt es keine aerodynamischen Kräfte (Auftriebskraft oder Luftwiderstand). Deshalb wird die Trägheit in Kurven und im Geradeaus-Flug sehr wichtig. Wenn man im Weltraum keine Gegenkraft einsetzt, um den linearen Impuls oder den Drehimpuls zu stoppen, wird man sich immer weiter bewegen. Wenn also ein Spieler den Joystick zurückzieht und damit Schub über die Thruster abgegeben wird, um eine Rotation zu starten, dann wird die Drehgeschwindigkeit des Schiffes erhöht. Wenn man nun den Joystick wieder auf den Nullpunkt zurückbringt, oder in die andere Richtung bewegt, dann muss das IFCS Gegenschub erzeugen, um zunächst die derzeitige Drehgeschwindigkeit auf null zubringen und dann in die gewünschte neue Richtung zu beschleunigen.

Außer wenn das Schiff unglaublich starke Thruster hätte, kann dies nicht sofort passieren. Da das IFCS nicht hellsehen kann, kann es nicht vorhersagen, wann der Pilot die Drehgeschwindigkeit ändern will. Deshalb wird das Schiff, wenn der Pilot es nicht selbst in die richtige Position steuert, sehr wahrscheinlich über das Ziel hinausschießen. Chris Roberts zieht den Vergleich zum Anhalten eines Autos im Straßenverkehr. Man weiß normalerweise wie schnell sein Auto anhalten kann. Also startet man den Bremsvorgang ein gutes Stück vor dem Stoppschild. Man erwartet eigentlich nicht, dass man von 50 Meilen pro Stunde sofort zum Stehen kommt. Im Gegensatz zu einem Flugzeug ist das ziemlich verschieden, denn dieses nutzt den Luftstrom über den Flügeln und dem Heckruder zum Manövrieren. In diesem Fall ist die Veränderung der Drehgeschwindigkeit normalerweise direkt proportional zur Position der Ruder/Landeklappen.

Das heißt, dass man bis zu einem gewissen Grad voraus kalkulieren muss, wo man hinmöchte und entsprechend steuern muss. Wenn man an ein Flugmodell für Atmosphärenflug gewöhnt ist und jetzt ein Modell das erste Mal fliegt, bei dem die Trägheit viel wichtiger ist, kann es schnell passieren, dass man über das Ziel hinausschießt. Da dann auch der Gegenschub nicht sofort greift, kann auch die Korrektur wieder über das Ziel hinausgehen. Deshalb soll sich die Steuerung schwammig anfühlen, wenn man auf ein Ziel feuern will.

Da dies unterschiedlich zu dem ist, was die Spieler kennen, ist ein Teil der Community der Meinung, dass mit dem Flugmodell irgendetwas "falsch" sei. Aber wenn man darüber nachdachte, was sie da vorhaben, dann sehe man, dass dies zu viel mehr Variabilität und Details beim Fliegen und im Kampf führen wird, als es beim vereinfachten Flugmodell von Wing Commander oder X-Wing der Fall war. Wie beim Lernen ein Auto wirklich gut zu steuern, braucht es eben etwas Zeit. Man muss sich überlegen, wo das Schiff hinbewegt werden soll und entsprechend vorausplanen.

Heißt das, dass Chris Roberts das System für perfekt hält?

Nein!

Das sei einer der Gründe, warum sie das Modul uns frühzeitig geben wollten. Es sei eine tolle Sache, dass Fans das Spiel spielen und ihr Feedback geben würden. Besonders toll findet Chris, dass es Leute gab, die das Flugmodell erst hassten und dann aber immer mehr das Potential darin gesehen haben, als andere Mitglieder der Community ihre Erfahrungen mitgeteilt haben. Das heißt nicht, dass jeder das System nun super genial findet, aber es sei immer gut zu sehen, wenn Fans für neue Möglichkeiten offen sind.

Es heiße aber auch nicht, dass Chris Roberts nun zufrieden sei mit dem, was vorhanden ist. Sein Ziel ist es, alle Nuancen, die oben beschrieben sind für Spieler möglich zu machen, die sich einarbeiten wollen. Aber auf der anderen Seite soll es auch genauso Einsteiger-freundlich sein, wie es Wing Commander war, für die Spieler, die neu zum Spiel hinzukommen (oder in das Genre).

Was man im Hinterkopf behalten sollte, ist, dass das IFCS nur eine Schnittstelle zwischen der physikalischen Simulation der Schiffsbewegungen durch die Thruster und den Schub, den sie abgeben, ist. Es ist nicht das Modell. Er hat einige Posts im Forum gesehen, die einen "Newton"-Modus haben wollen. Die Simulation der Physik ist schon jetzt vollständig nach den Newton'schen Regeln aufgebaut. Für alle Schiffe wird es immer einen Flugcomputer benötigen, der als Schnittstelle zwischen den Eingaben des Spielers und der Physik dient. Niemand sei in der Lage acht Thruster simultan zu steuern, ihre Schubstärke einzustellen, um die gewünschte Bewegung zu erreichen. Innerhalb der Grenzen der physikalischen Realitäten kann das IFCS praktisch allen machen, was sie wollen. Der Schlüssel sei, wie sie die Eingaben der Spieler umsetzen.

Die erste Version der verschiedenen Modi (Basis-IFCS, De-Coupled, G-Safe und Comstab) sind alles Modi, von denen sie glaubten, dass sie in verschiedenen Situationen helfen könnten. Das heiße aber nicht, dass dies nun alle sind, die jemals in Spiel kommen, oder dass sie genauso implementiert bleiben, wie sie jetzt sind. Eine Menge Leute haben nach "echtem" 6-Degree-of-Freedom zu jeder Zeit gefragt. Also die Möglichkeit, dass man auch im normalen Flugmodus Strafe nutzen kann. Zudem soll es auch additiv zur Geschwindigkeit im De-Coupled Modus sein. Dies sind Dinge, mit denen sie experimentieren wollen, zusammen mit anderen Dingen. Zum Beispiel einen zusätzlichen G-Safe-Modus, der durch die Kurven limitiert ist, anstelle der Geschwindigkeit. Außerdem schauen sie sich die Thrusterstärke an. Sie ist für die Manövrierdüsen derzeit auf einhalb bis ein Viertel der Hauptantriebe eingestellt, wodurch sie eigentlich ein bisschen überproportioniert sind. Damit wir schon gewarnt sind. Mit weniger Kraft wird das Schiff noch mehr "sliden" bevor es die gewünschte Richtung annimmt.

https://robertsspaceindustries.com/comm-link/transmission/13951-Flight-Model-And-Input-Controls

http://www.starcitizenblog.de/2014/06/chris-roberts-uber-das-flugmodell.html


Schadensmodell

Siehe Schadensmodell


Steuerung

Eingabegeräte

Es gab einige Debatten über Maus- und Joysticksteuerung. Es sorge sich ein Teil der Community darüber, dass die Maussteurung das Spiel zu sehr wie ein Arcade-Spiel daher kommt, und HOTAS Spieler hätten das Gefühl, dass ihr bevorzugte Steuerungsmöglichkeit nicht richtig unterstützt wird.

Erstens stellt Chris Roberts noch einmal klar, dass das Spiel alle Steuergeräte gleichermaßen unterstützen möchte. Keine Steurermöglichkeit soll Vorteile gegenüber einer anderen haben. Er persönlich sei ein Joystick-Anhänger (entweder mit HOTAS oder Gamepad - obwohl letzteres nicht wirklich als Joystick gezählt werden kann. Gamepad ist meiner Meinung nach eine eigene Kategorie.) und kein Maus-Pilot. Er denkt, dass es sich mit einem Joystick präziser spielen lässt. In den verschieden Studios von CIG werden eine weite Palette an Geräten verwendet. Einige benutzen die Maus, andere Joysticks, einige HOTAS und andere Gamepads. Das sei die beste Garantie, dass nicht ein Mechanismus alle anderen dominiere.

Dennoch ist ihm bewusst, dass sie an der Flexibilität und den Einstellungsmöglichkeiten für die Geräte arbeiten müssen, um dieses Ziel zu erreichen.

Eine ihrer Top-Prioritäten für den Arena Commander sei es den Spielern die Möglichkeit zu geben, ihre Steuergeräte innerhalb des Spieles zu konfigurieren. Sie arbeiten gerade daran und hoffen, dass sie dies im nächsten Monat veröffentlichen können.

Sie werden auch an verschiedenen HOTAS-Profilen arbeiten. Außerdem wollen sie Feintuning für Joysticks betreiben, so dass diese ein sicheres Manövrieren während kleineren Bewegungen des Joysticks erlauben. Es soll auch noch einige zusätzliche Head-look-Modi geben, die noch nicht implementiert sind. Sie sollen den Joystick-Spielern erlauben, die Vorteile der flexibel aufgehängten Waffen genauso zu nutzen, wie es Mausspieler können. Selbstverständlich könnte man natürlich, wenn man der Meinung ist, mit der Maus besser Zielen zu können, das Schiff mit dem Joystick fliegen und mit der Maus umherschauen.

Rollen vs. Gieren

Es gab auch viele Diskussionen darüber, warum Gieren (Drehung um die Vertikalachse des Schiffes) keinen Einfluss auf den Piloten in Form von negativen G-Kräften hat (wie zum Beispiel Black- und Redout bei den vertikalen G-Kräften). An dieser Stelle sind ein paar Dinge zu beachten. Erstens, seien Kurven einzig durch Gieren im Weltraum möglich, wenn es auch nicht die beste Art des Kurvenfliegens sei. Man kann mehr Schub erzeugen, wenn man die seitlichen und unteren Thruster kombiniert, als sich nur auf die seitlichen zu verlassen. Das IFCS rollt das Schiff automatisch, um den Schub für die Kurve zu optimieren. Dadurch kommen die vertikalen G-Kräfte ins Spiel (das ist anders als beim Fliegen in der Atmosphäre, wo gerollt wird, um an Stabilität zu gewinnen).

Zweitens, wie viel das Schiff in einer Kurve durch Gieren rollt, hängt von der Stärke der seitlichen Thruster ab. Das bedeutet, dass die vertikalen G-Kräfte in Kurven durch Gieren entstehen von der Situation abhängen. Drittens, Black- und Redout und der Verlust des Bewusstseins treten nur bei vertikalen G-Kräften auf, da das Blut entweder aus dem Kopf des Piloten oder in den Kopf gedrückt wird. Ordentlich angeschnallte Piloten können sehr hohe Grade von horizontalen G-Kräften aushalten ohne eine Einschränkung der kognitiven Fähigkeiten hinnehmen zu müssen.

Für horizontale G-Kräfte ist der limitierende Faktor der Rumpf des Schiffes. Leider sind diese Grenzen noch nicht in ihrem Modell implementiert. Sobald sie es sind, wird es Konsequenzen für Kurven geben, die ohne das Rollen des Schiffes geflogen werden. Anstelle des ohnmächtig Werdens, wird man dann Thruster oder einen Flügel bei extrem hohen horizontalen G-Kräften verlieren. Wenn also aktiviert, dann wird der G-Safe-Modus die strukturelle Integrität des Schiffes garantieren, in dem der Schub für jedes Manöver entsprechend dosiert wird.

Turreting

Ein Teil der Community hätte Bedenken geäußert, dass Spieler die Möglichkeit haben, in den De-Coupled Modus zu gehen und das Schiff herumzudrehen und auf den Gegner zu schießen. Sie denken, dass würde den Skill-Level des Kampfes herabsetzen. Chris Roberts versichert uns, dass bei den internen Multiplayer-Kämpfen niemand exklusiv De-Couple benutzt, um dann als Geschützturm durchs All zu treiben, da sie dann viel zu schnell zerstört werden würden. Der Schlüssel zum Überleben im Dogfight sei es, dass man sich ständig bewegt und die Bewegungen nicht vorhersagbar sind. Stehen bleiben oder auf dem gleichen Vektor sich weiter zu bewegen (was ja beim De-Couple-Modus passiert), wird einen umbringen.

Der De-Couple-Modus ist am besten dafür geeignet, schnell eine Änderung der Richtung des Raumschiffes vorzunehmen und dann wieder in den normalen Modus zurückzukehren. Da sie auch noch die Stärke der Manövrierdüsen anpassen werden, um die Hauptantriebe noch stärker herauszustellen, kann man über das genannte Manöver (De-Couple-Modus und Richtungsänderung) einen schnellen Orientierungswechsel vornehmen. Dabei wird die maximale Kraft für die Änderung der Richtung genutzt. Er ist sich bewusst, dass es Leute gibt, die der Meinung sind, dass man die Orientierung nicht schneller wechseln können sollte, als beim Flug in der Atmosphäre, weil dann das Spiel zu einfach werden würde. Aber letztlich ist dies hier eine Weltraumsimulation und kein Luftkampf. Die Möglichkeit die Orientierung des Raumschiff von der Richtung in die man fliegt zu entkoppeln (De-Couple-Modus) ist etwas, was im Weltraum in jedem Fall genutzt werden würde. Auch nicht vergessen werden sollte, dass es eine Menge an Leuten gab, die Manöver aus Battle Star Galactica sehen wollten.

Kardanische vs. fest montierte Waffen

Im Arena Commander 1.0 (und auch Star Citizen insgesamt) wird es sowohl fixierte als auch bewegliche Waffen und Geschütztürme geben. Die fixierten Waffen werden eine langsame automatische Konvergenz von plus/minus 5 Grad haben, um ihnen zu erlauben, dass sie einen Punkt treffen, der vom Piloten eingestellt werden kann (Standard ist die halbe maximale Reichweite). Sie können aber auch auf die Distanz des aktuellen Ziel programmiert werden. Sie hatten nicht genug Zeit für dieses Feature in V0.8. Deshalb sind derzeit alle fixierten Waffen beweglich, um der Hornet nicht einen zu großen Vorteil gegenüber der Aurora und 300i zu geben. Das sei aber nicht der langfristige Plan.

Fixierte Waffen werden einen Vorhalteindikator bekommen, wie bei echten Kampfjets. Sie überlegen sich außerdem wie das Aufschalten der beweglichen alternativ funktionieren könnte. Im Moment muss man sie einfach nur über das Ziel halten und der Zielcomputer bewegt die Waffe, so dass sie das Ziel trifft. Wenn die gestrichelte Line innerhalb des Fadenkreuzes ist, dann heißt das, dass alle Waffen aufgeschaltet sind. Sie denken darüber nach, dass das Aufschalten auf dem Vorhalteindikator passiert (Da wäre ich sehr dafür, da sich dann das Aufschalten der Waffen nicht mehr wie ein Aim-Bot anfühlen würde).

Damit sollen Piloten dann die volle Leistungsfähigkeit der beweglichen Waffen nutzen können. Es ist nicht einfach in eine Richtung zu fliegen und in eine andere zu schießen oder in einem kombinierten Sicht und Flugmodus zu sein wie der der Freelancer Mausmodus. Man fliegt dann optimaler Weise auf die Vorhalteposition des Ziel, also dahin wo es hinfliegen wird anstelle, wo es zur Zeit ist.

Für alle Spieler die meinen, das bewegliche Waffen den Skill herabsetzen würden: Diese Waffen sind heute Standardbewaffnungen auf militärischem Gerät und werden es noch mehr in der Zukunft sein. Sie treffen auch nicht automatisch. Die Waffen müssen immer noch auf das Ziel ausgerichtet sein und man muss die Nase des Schiffes so halten, dass das Ziel aufgeschaltet werden kann. Dazu darf das Ziel auch nicht schlagartig den Kurs oder die Geschwindigkeit wechseln.

https://robertsspaceindustries.com/comm-link/transmission/13951-Flight-Model-And-Input-Controls

http://www.starcitizenblog.de/2014/06/chris-roberts-uber-eingabegerate.html


IFCS

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In Star Citizen, ist das IFCS das Flugkontrollsystem, welches dafür da ist, den Piloten beim Steuern des Raumschiffs zu helfen. Es übersetzt die Eingaben des Piloten in das Feuern von Thrustern, um das geforderte Kommando umzusetzen, selbst wenn das Antriebssystem beschädigt ist.

Es ist ein adaptives System, welches eine Kombination an Sensoren und Feedback-Kontrollen benutzt, um die Fehler zwischen Zielzustand und dem aktuellen Zustand des Schiffes auf Null zu bringen. Es ist aber auch tolerant gegenüber Fehlern.

Es kann unterschiedliche Kombinationen aus Thruster verwenden und hat ein zusätzliches Control Moment Gyro System, um bei dem Verlust eines oder mehrerer Thruster das Schiff zu stabilisieren und unter der Kontrolle des Piloten zu halten, wenn möglich. Selbst mit nur einem Thruster kann der Pilot mit einigen Anstrengungen das Schiff aktiv steuern.

IFCS Untersysteme

Das IFCS besteht aus vielen Subsystemen, die zusammen arbeiten, um den Piloten Stabilität und Kontrolle über das Raumschiff zu bieten. Das System besteht aus:


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  • Propulsion and Attitude Control (PAC) – PAC beinhaltet typischerweise alle Thruster, die für Geradeaus- und Kurvenflug benötigt werden, sowie die zusätzliche Control Moment Gyro (CMG) Einheit, welche weitere Kontrolle über die Fluglage bietet. Zu PAC gehören auch die Schaltkreise und die Kontrollsoftware, welche die Einheiten steuern.
  • Primary Control System (PCS) – Das PCS ist die Schnittstelle zwischen Piloten und IFCS. Es übersetzt die Kommandos des Piloten in Aktionen, die auf virtuelle Kontrollvektoren angewandt werden und so das ideale Ziel darstellen, das der Pilot erreichen möchte. Die virtuellen Kontrollvektoren bestehen aus der Geschwindigkeit entlang jeder Kombination der Achsen, der Zielrotationsrate um jede Kombination der Achsen, sowie der Referenzfluglage. Diese virtuellen Vektoren repräsentieren den idealen Zustand, den das Schiff unter perfekten Bedingungen erreichen würde. Jede Eingabe des Piloten ist relativ zu diesem virtuellen Vektoren, damit limitiert man den Effekt von externen Fehlern auf die Eingaben des Piloten.
  • Reaction Control System (RCS) – Der physische Zustand der virtuellen Vektoren des PCS wird vom erwarteten Thruster und CMG-Ausstoß überwacht, welches auf die Kontrollen des Piloten reagiert. Unter idealen Bedingungen, wird die gewünschte Fluglage des PCS genau mit der aktuellen Fluglage des Schiffes übereinstimmen. Aber Faktoren wie nichtoptimale Thruster oder Ausfälle, externe Einflüsse wie Waffenfeuer, Raketenexplosionen oder ähnliches, können dafür sorgen, dass die reelle Lage des Schiffes von der gewünschten abweicht. Wenn das passiert, dann ist es die Aufgabe des RCS den Unterschied auf Null zu bringen. Es versucht dies über das Nutzen der Thruster und des Control Moment Gyros. Sollte das Synchronisieren der virtuellen und realen Fluglage auch nach einer gewissen Zeit fehlschlagen, dann wird es die virtuellen Vektoren auf die real erreichten zurücksetzen, damit der Pilot nicht verwirrt wird.
  • Anti-Gravity System (AGS) – Das AGS erkennt und kompensiert Gravitation, sowie andere externe Kräfte, damit das Raumschiff in seiner Position relativ zur Quelle des Feldes verbleibt.
  • Turn Control System (TCS) – Das TCS assistiert den Piloten dabei stabile Kurven zu fliegen. Bei höheren Geschwindigkeiten können die Thruster eines Raumschiffes womöglich nicht genug Schub erzeugen, um eine stabile Kurve zu fliegen. Dann beginnt das Schiff zu sliden, was oft in einer Kollision endet. Ein Pilot wird normalerweise die Geschwindigkeit herabsetzen, wenn er eine Kurve fliegt. Das TCS kann aber das Gaspedal automatisch regeln und so die Vorwärtsgeschwindigkeit so anpassen, dass es zum Level des Kurvenschubs passt. Das System nimmt auch die optimale Einstellung zum Rollen mit in die Berechnung auf, um die richtige Kurvengeschwindigkeit zu berechnen.
  • G-force Control Mode (GCM) – Der GCM ist ein Sicherheitsmodus, welches versucht die Auswirkung von potentiell schädlichen Level von G-Kräften auf den Piloten zu vermeiden. Der primäre Fokus ist es, dass der vollständig fixierte Pilot nicht zu lange gefährlichen vertikalen G-Kräften ausgesetzt ist, da diese zu Blackout, Greyout, Redout, Desorientierung, Verlust des Bewusstseins und, wenn nicht vermindert, zum Tod führen.

Horizontale G-Kräfte extremer Stärke werden auch vermieden, da auch sie dem Piloten physische Schäden zuführen können, aber auch strukturelle Schäden am Raumschiff verursachen.

Zusätzlich zu diesen Standard-Subsystemen kann andere Funktionalität in fortgeschritteneren Systemen implementiert sein.

Arbeitsweise des IFCS

Das IFCS nimmt als Eingabe ein Kommando des Piloten, welches eine Menge an Operationen enthalten kann, aber letztlich in 3 Grade an Richtungen und 3 Grade an Rotationen übersetzt werden. Andere Eingaben des Piloten können als Parameter in verschiedenen Phasen des IFCS verwendet werden.

Sobald die Eingabewerte von den IFCS-Modi wie Kurvensteuerung (TCS) und G-Kräfte-Kontrolle (GCM) modifiziert wurden, werden die Geschwindigkeitslimits bestimmt. Die modifizierten Eingaben werden in das PCS gegeben, welches sowohl die Linear- sowie Drehgeschwindigkeits-PID-Controller enthält. Diese Kontrollfunktion berechnet die optimale Kraft und Drehmoment, welche auf den Masseschwerpunkt des Schiffes angewendet, die vom Pilot angeforderte Bewegung auslösen würde.

Zur gleichen Zeit wird die Fluglage in das RCS gegeben, wo die Positions-PID-Controller genutzt werden, um die reale Fluglage des Schiffes der Ziellage anzunähern, die durch das PCS vorgegeben wird. Die Kontrollfunktion wird Drehmoment erzeugen, welche optimaler Weise den Fehler bei der Fluglage in der nächsten Zeiteinheit auf Null bringen soll.

Letztlich wird ein Scan der vorhandenen Kräftefelder, meist der Gravitation, in das AGS gegeben, um die benötigte Gegenkraft zu berechnen.

Sobald die benötigten Kräfte und Drehmomente berechnet sind, werden die Antriebsressourcen beansprucht und zwar in Reihe der Priorität, der höchsten zuerst, bis zur niedrigsten. AGS-Bewegungen werden sofort ausgeführt, da ein Versagen bei der Erzeugung von genügend Gegenkraft katastrophal sein könnte.

Als nächstes werden RCS-Befehle ausgeführt. Diese werden zunächst vom Hauptantriebssystemen gespeist und falls diese nicht funktionieren wird das CMG eingesetzt. Danach kommt das PCS zum Zug, um Rotationen auszuführen. Auch hier wird zunächst das primäre Antriebssystem zuerst angesprochen und dann das CMG. Ganz am Schluss werden mit der niedrigsten Priorität die Richtungskontrollen durchgeführt.

Nach einer kurzen Zeit, wenn das Antriebssystem auf die IFCS-Kommandos reagiert hat, dann lesen Sensoren den aktuellen Status des Schiffes. Dieser kann durch Fehlfunktionen der Antriebssysteme oder nicht-ausgegliechenen externen Einwirkungen vom vorher berechneten Status abweichen. Das wird dann in die Kontrollschleife des IFCS eingespeist und der Prozess startet von neuem.

Kontrolle der Geschwindigkeit und Fluglage

Weil sich das IFCS nicht auf dem Antriebssystem verlassen kann, dass die angeforderte Bewegung ausgeführt wird, benutzt es PID-Feedback-Controller, um den Fehler zwischen dem gewünschten und gemessenen Zustand zu minimieren. Solche Controller werden auch im PCS zum Berechnen der optimalen Kraft und des Drehmoments genutzt, sowie im RCS, um die Fluglage zu stabilisieren.

IFCSPIDOutput.png

PID-Controller können für eine Menge an verschiedener Charakteristiken konfiguriert werden. Bei der Geschwindigkeitskontrolle zum Beispiel wird ein übersteuernder Controller sehr schnell auf die Referenzgeschwindigkeit beschleunigen und sogar darüber hinaus gehen, um sich dann oszillierend auf die Endgeschwindigkeit einzustellen (siehe blaue Linie im oberen Bild).

Ein untersteuernder Controller (lila) wird langsamer beschleunigen und die Endgeschwindigkeit erreichen ohne sie zu übertreffen. Ein exakt steuernder Controller (rot) beschleunigt genau die optimale Rate, um in minimaler Zeit die Zielgeschwindigkeit zu erreichen ohne sie zu übertreffen.

Die Controller des PCS, welche Linear- und Drehgeschwindigkeit kontrollieren, werden dynamisch optimiert. Basierend auf der Stärke der Eingabe des Piloten können sie von dezenter bis hinzu aggressiver Beschleunigung reichen. Piloten, die eine Vorliebe für die eine oder andere Art der Beschleunigung haben, können diese so bekommen.

Die tatsächliche Handlungszeit des IFCS-Controllers ist aber nicht nur von diesen Tuningparameter abhängig, sondern auch von den Komponenten des Antriebssystems.

Antriebssysteme

Thruster

Die primäre Antriebskomponente der meisten Schiffe sind Thruster. Das Flugmodell von Star Citizen hat ein 100% korrektes Schubmodell, welches den Ort des Thrusters relativ zum Massenschwerpunkt des Schiffes sowie die maximale Schubleistung und Reaktionszeit jedes Thrusters mit einbezieht.

Unter idealen Voraussetzungen sind die Thruster um den gedachten Massenschwerpunkt des Schiffes herum ausbalanciert angebracht. Damit kann das Schiff die Thruster optimal kontrollieren. In diesem einfachen Bild sind die oberen, hinteren Thruster um den Massenschwerpunkt herum ausbalanciert angebracht, so dass sie in Summe null Drehmoment um die Z-Achse erzeugen.

HornetDiagram.png

Bei erlittenem Schaden, verändert sich der Massenschwerpunkt und destabilisiert das Thruster-System. Im folgenden Bild sind die Thruster nicht mehr um den Massenschwerpunkt herum balanciert. Wenn also die Thruster gezündet werden, wird das Schiff einem Drehmoment ausgesetzt, welches zu ungewollten Gieren führen würde.

Das IFCS wird versuchen dieses Drehmoment auszugleichen, indem andere Thruster genutzt werden, um eine Gegenkraft auszuwirken. Wenn das nicht möglich ist, dann wird versucht den Fehler durch die Verringerung der Schubleistung der Thruster herbeizuführen.

HornetDiagram2.png

Schaden und andere Bedingungen können ebenso die Kapazität der Thruster, die Reaktionszeit oder die Zielgenauigkeit beeinträchtigen. Ein Thruster kann auch komplett ausfallen. Jede dieser Änderungen hat eine Auswirkung auf die Balance der Thruster und deshalb auch auf das Verhalten des Schiffes unter der Kontrolle des Piloten.


Control Moment Gyro

Jedes Schiff hat eine kleine Menge Sicherungsdrehmoment verfügbar, welches genutzt werden kann, wenn alle Thruster verloren sind. Dieses Drehmoment wird vom internen Control Moment Gyros bereitgestellt. Solange das CMG funktioniert, hat der Pilot minimales Drehmoment an jeder Rotationsachse zur Verfügung. Es ist ausreichend, um die Fluglage des Schiffes zu stabilisieren und kann genutzt werden, um das Schiff langsam hoch oder runter zu drehen.

Abschließende Bemerkungen

Dieses Dokument ist keine Beschreibung des IFCS in der Welt von Star Citizen, sondern eine Beschreibung des Flugkontrollmodells, welches im Spiel implementiert ist. Dieser Grad an Realismus ist notwendig, um ein System zu liefern, welches voll integriert und auch beeinflussbar ist, von der Umgebung, den Schadenszuständen, Änderungen der Massenverteilung, der Energieversorgung, Platzierung der Thruster und vieles mehr. IFCS ist ein System in der Entstehung und wird deshalb nicht perfekt sein zu jeder Zeit. Aber es imitiert die Realität.

Und letztlich wurde ein großer Aufwand betrieben, die Kontrollen des Schiffes auf die Kommandos des IFCS zu beschränken. Kein Spieler, keine KI und auch nicht das IFCS selbst kann jemals die Position, die Geschwindigkeit, die Rotation oder die Rotationsgeschwindigkeit des Schiffes direkt ändern. Die einzige Ausnahme ist die Initialisierung und die Korrektur übers Netzwerk. Damit ist garantiert, dass alle Raumschiffkontrollen konsistent sind und das Spiel niemals einen unfairen Vorteil gegenüber einem Spieler hat.

https://robertsspaceindustries.com/comm-link/transmission/13951-Flight-Model-And-Input-Controls

http://www.starcitizenblog.de/2014/06/ifcs-im-detail.html