Критически важная электроника в болидах Formula 1

Автор оригинала: Maurizio Di Paolo Emilio
  • Перевод
image

Болиды Формулы-1 оснащены множеством датчиков и электронных систем, которые команды используют для работы с самыми разнообразными данными.

За счет чего можно добиться успеха в Формуле-1 – за счет навыков пилота или точно настроенной машины? Споры на эту темы разгорелись в 1980-х, когда начался рост использования электронных систем в болидах. Инженеры неустанно занимались оптимизацией гоночных автомобилей, дорабатывая конфигурации более чем 18 000 компонентов (включая датчики, блоки управления и механические детали).

Технические бригады Формулы-1 работают в различных научных областях – от механики и электроники до анализа данных и аэродинамики. Соревнование между гоночными командами становится технологическим соревнованием по достижению лучшего понимания динамики поведения автомобилей, вплоть до микросекунд.

Строгие правила FIA (Международной автомобильной федерации) жестко ограничивают использование технологий для того, чтобы в гонках не утрачивалась важность фактора навыков пилотажа. Многие технологии и решения, внедряемые в коммерческие автомобили (такие как АБС и автоматическая коробка передач) запрещены к использованию в болидах Формулы-1.

За последние годы гоночные автомобили претерпели значительные изменения. Благодаря телеметрии, гоночные инженеры могут контролировать и улучшать эксплуатационные характеристики автомобиля, анализируя данные более 300 датчиков с различных устройств, расположенных в разных точках автомобиля Формулы-1. Сотни параметров могут быть измерены в режиме реального времени. Все данные собираются логгером и передаются командам по радио с помощью антенны, расположенной в передней части автомобиля.

В разговоре с представителями EE Times, Стивен Ватт, глава отдела электроники McLaren Racing, сказал: «Автомобиль на треке — это только верхушка айсберга; сейчас команды очень сильно зависят от данных. Передача данных осуществляется по 5-Мбит сети, протянутой по всему паддоку. Также инженеры пользуются локальными данными, выгруженными с бортовых логгеров. Все это позволяет инженерам оценивать как работу болида на трассе, так и заводские характеристики, что позволяет анализировать производительность болида, а также корректировать свою стратегию в соответствии с показателями других команд. Современный болид Формулы-1 – это умная система обработки данных с возможностями сетевого взаимодействия, способная перемещаться со скоростью свыше 200 километров в час. Каждую секунду из автомобилей инженерам отправляются большие массивы данных, и в этих массивах содержатся данные обо всем – от состояния шин до температуры двигателя.”

ECU и датчики


image

Каждый автомобиль оснащен несколькими ECU. В центре системы находится стандартный ECU или SECU. По сути, SECU — это небольшой, но очень мощный компьютер, который управляет большими массивами данных, а также обрабатывает и передает их из болидов Формулы-1 командам. SECU позволяет оптимизировать обмен данными с двигателем, коробкой передач и дифференциалом, а также с аэродинамической системой. SECU также является основным устройством для хранения и сбора данных, которое предоставляет телеметрические данные в реальном времени командам и гоночному руководству. Это позволяет командам визуализировать работу своих автомобилей в режиме реального времени, отслеживая состояние двигателя, износ шин и расход топлива.

SECU модели TAG-320B поставляются компанией McLaren Applied (родственная компания McLaren Racing) и, согласно регламенту, этими блоками должны пользоваться все команды Формулы-1. TAG-320B позволяет создать единую платформу, которую смогут использовать команды, поставщики силовых установок (для контроля работы устройства) и FIA. TAG-320B оснащен компонентами для работы с силовой установкой и восьмиступенчатой коробкой передач. Также TAG-320B позволяет FIA ограничивать функциональность ПО для управления различными системами – это гарантирует, что команды не смогут реализовать системы помощи водителю вроде трекшн-контроля (либо их влияние на пилотаж можно будет отслеживать в том случае, если командам разрешат их использовать)

В болидах установлено около 300 датчиков, а SECU контролирует более 4000 параметров. Во время средней гонки автомобиль передает около 3 ГБ телеметрических данных, а также около 4 ГБ логов, и эти данные лишь лежат в основе всех вычислений. При обработке и объединении с данными из других источников (например, при работе с звуковыми данными и видеоматериалами) может оказаться, что за средний гоночный уикенд команде приходится работать с терабайтом критически важных данных – и к этим данным нужно возвращаться вновь и вновь по ходу соревнований и грядущих сезонов.

Датчики в одноместных болидах используются для отслеживания потенциальных проблем. Инженеры могут мгновенно принимать решения, основываясь на собранных данных. Например, при обнаружении повышения температуры двигателя, можно выяснить, что причиной этому является приближение к машине, идущей впереди. В таком случае инженеры могут сообщить пилоту, что ему нужно выбраться из облака выхлопных газов и избегать его до того момента, пока температура не снизится до приемлемых значений.

Существует 3 категории датчиков: датчики управления, связанные с сервоприводами (например, для отслеживания состояния педали газа), датчики отслеживания состояния автомобиля (например, давления гидравлической системы) и приборные датчики (например, бесконтактные температурные датчики для отслеживания смазочного материала).

Болид Формулы-1 проживает несколько жизней. Во время квалификации и гонки он становится легким гоночным автомобилем с минимумом оборудования, необходимого для завершения гонки (хотя даже в этой конфигурации в болиде будет установлено более 1,5 км проводки и более 200 датчиков). Другая крайность – зимние тесты, на которых проводится полная проверка болида, и он превращается в тестовую лабораторию на колесах.

По большей части нашу работу формирует спрос на получение данных высокого качества. Периодические изменения в технических и спортивных нормативах, а также сокращение количества испытаний на треке повысили важность глубокого понимания работы автомобиля в моменты, когда он находится на треке.

»Недавние изменения в регламента Формулы-1, вызванные пандемией COVID-19 были направлены на снижение расходов за счет замораживания определенных областей разработки болидов. Эти изменения также меняют наши задачи и заставляют следить за бюджетами и цепочками поставок как никогда раньше – все для того, чтобы получить максимум из тех областей, в которых у нас есть определенная свобода", — таков комментарий Ватта.

С 2014 года FIA сделала обязательным использование расходомеров для различных жидкостей (FFM-датчики – Fluid Flow Meters). В FFM-датчиках для измерения расхода жидкости используют ультразвук, что обеспечивает точность показаний и обеспечивает возможность осуществлять мгновенный анализ топливных характеристик болида. Для ультразвукового измерения требуются два пьезоэлектрических датчика. Эти датчики посылают ультразвуковые импульсы, получают их обратно и засекают время их полета для определения расхода жидкости.

Телеметрия


Телеметрия была внедрена в конце 1980-х годов и значительно развилась с годами. В настоящее время даже за долю секунды собирается и обрабатывается намного больше данных, чем в те годы – за счет этого у гоночных инженеров есть возможность давать пилотам тактические советы в реальном времени.

Телеметрия и системы анализа данных используются в разных областях. Двигатель, моторный тормоз, контроль крутящего момента, впрыск двигателя и зажигание – все это параметры, которыми можно управлять с помощью этих технологий. Также с использованием систем телеметрии и анализа данных тесно связаны шасси, шины, система ускорения, скорость болида и регулирование аэродинамики с помощью коэффициента проницаемости болида.

Говоря о телеметрии в Формуле 1, Стивен Ватт сказал следующее: «Телеметрия как термин не всегда правильно используется в Формуле-1, обычно он используется для обозначения беспроводной передачи данных, генерируемых в SECU и посылаемых инженерам в боксах. Телеметрические системы, используемые в Формуле 1, значительно изменились с точки зрения прагматичности за последние годы»

Ватт также заявил, что «раньше каждая команда брала на трек собственную независимую радиотелеметрическую систему, — продолжал он, — и в итоге боксы выглядели как лес из мачт все большей и большей высоты. Конечно, радиочастотный спектр перегружался, и когда зашла речь о том, что эти установки нужно будет возить по всему миру и укладываться в местные регуляции частотного спектра, все это показалось сущим кошмаром».

«Вдобавок ко всему, эти системы зачастую не обеспечивали полное покрытие на некоторых трассах (таких как Монако и Сингапур), поэтому некоторые команды начали устанавливать ретрансляторы на крышах отелей и все в таком духе. К счастью, FOM и FIA вступили в игру и внедрили стандартную систему связи, обеспечивающую как голосовую связь с пилотами, так и передачу телеметрии для всех команд. Теперь FOM размещает общую систему точек доступа вокруг трассы и передает зашифрованные данные с каждой машины в гараж команды по оптоволоконному каналу», — сказал он.

Он добавил: "… в наши дни телеметрическая связь является важнейшей частью работы всех команд Формулы-1. Из-за сочетания сложности автомобилей и силовых агрегатов, а также спортивных правил, подразумевающих, что команды должны хранить двигатели и коробки передач для нескольких гонок, команды почти наверняка не будут управлять автомобилем, о состоянии которого нет данных. Эти данные собираются с помощью набора датчиков и телеметрии, и с их помощью инженеры могут принимать определенные меры до того, как ошибка приведет к катастрофическому повреждению компонентов силовой установки. Если такие ошибки не будут исправлены, это может привести к потере времени на треке, а может даже обернуться штрафом для команды."

Датчики помогают контролировать и оптимизировать работу как болида, так и водителя, собирая данные о торможении, скорости поворота, коробке передач, вращении колес, сроке службы коробки передач, а также о диапазоне скоростей, при которых двигатель работает наиболее эффективно. Полученные данные используются для анализа работы двигателя в режиме реального времени, что позволяет инженерам действовать по ситуации и решать проблемы дистанционно и, таким образом, повышать эффективность машины.

Одними из самых больших препятствий на пути к успеху являются суровые условия, которые возникают во время гонок из-за чрезмерных температур и вибраций, снижающих точность работы датчиков и, в конечном счете, самого ECU. Электронные компоненты должны работать с максимальной эффективностью – в том числе они спроектированы так, чтобы снизить фактор дрейфа. Дрейф — это проявляющаяся со временем потеря точности, приводящая к повреждению компонентов и необратимому выходу двигателя из строя. При наличии сотни (или около того) датчиков в среднем гоночном автомобиле, общая нагрузка на системы обработки данных может быть огромной.

Во время гонок в болиды также попадают пыль, масло и влага. Необходимость решения этой проблемы создает большой спрос на материалы – а значит, появляются запросы к науке и ученым, способным производить высоконадежные материалы для сложных условий. Общепринятое решение для защиты от вибраций заключается в работе с установкой аппаратных компонентов. Надежность со временем снижается, если электронные компоненты не защищены от вибраций или спроектированы без учета критической устойчивости материалов к усталости.

Система обработки данных


image

Измерения, записываемые системой сбора данных, фактически выполняются датчиками, установленными по всей машине. Например, скорость автомобиля можно измерить с помощью магнитного датчика Холла, установленного на колесе, оптического датчика «Корревит» и трубки Пито (в большинстве болидов Формулы-1 используют три датчика одновременно).

«Воздушные датчики скорости в виде трубки Пито также используются на автомобилях Формулы 1, также должен учитываться фактор ветра. Даже на вопрос о том, насколько быстро едет автомобиль Формулы-1, трудно получить точный ответ – для этого требуется статистический анализ данных из многочисленных источников и их постобработка.», – сказал Ватт.

Скорость вращения каждого колеса измеряется привычными методами для учета пробуксовки. Другие датчики — оптические, они следят за треком и GPS.

Специальные датчики могут измерять температуру, угловую и линейную скорость, угловые и линейные перемещения, давление, напряжение материала, ускорения, изменения магнитного поля и другие показатели. Акселерометры используются для измерения G-перегрузок, также называемых «прохождением поворота». Также акселерометры могут использоваться для определения продольных сил вроде торможения – они находятся в диапазоне от 0 до 4G.

Положение датчика определяет, какое направление распознается. Двухосный датчик измеряет рулевое и тормозное усилие. Бесконтактное определение температуры часто используется в тормозных, моторных и шинных устройствах. Инфракрасные MEMS-датчики используются для измерения температуры, позволяя проводить бесконтактные замеры температуры. Обычно эти датчики используют термофильный материал для поглощения и измерения инфракрасной энергии, излучаемой измеряемым объектом, таким образом определяя температуру объекта. Набор тепловизоров, направленных на контактные участки шин, позволяет осуществлять отслеживание их состояния и контроль нагрева.

“Некоторые параметры, такие как крутящий момент и показания тензодатчиков, записываются на частотах порядка 200 Гц, т.е. 200 раз в секунду. При сильной вибрации можно поставить дополнительный логгер на машину и изменить частоту записи, чтобы получить сведения о вибрации в разных частях машины. В качестве меры предосторожности инженеры команд в Формуле-1 собирают данные каждый раз, когда машина возвращается в боксы, загружая их на выделенный сервер. «Когда речь заходит об анализе движения подвески, логи записываются с частотой 1 кГц, хотя она может подниматься до 100 кГц или выше при проведении анализа вибраций – это часто требуется для проверки надежности”, — сказал Ватт.

Телеметрия и правильный сбор данных – важные факторы в Формуле-1, поскольку они позволяют инженерам собирать огромные объемы данных прямо во время гонки. Затем данные могут быть интерпретированы и использованы для того, чтобы гарантировать оптимальную работу болида. Болид Формулы-1 может работать с двумя типами телеметрии: данными, передаваемые в реальном времени небольшими пакетами, и разовыми взрывами больших массивов данных, выгружаемыми при заезде болида в боксы.

Подписывайтесь на каналы:
@TeslaHackers — сообщество российских Tesla-хакеров, прокат и обучение дрифту на Tesla
@AutomotiveRu — новости автоиндустрии, железо и психология вождения




image

О компании ИТЭЛМА
Мы большая компания-разработчик automotive компонентов. В компании трудится около 2500 сотрудников, в том числе 650 инженеров.

Мы, пожалуй, самый сильный в России центр компетенций по разработке автомобильной электроники. Сейчас активно растем и открыли много вакансий (порядка 30, в том числе в регионах), таких как инженер-программист, инженер-конструктор, ведущий инженер-разработчик (DSP-программист) и др.

У нас много интересных задач от автопроизводителей и концернов, двигающих индустрию. Если хотите расти, как специалист, и учиться у лучших, будем рады видеть вас в нашей команде. Также мы готовы делиться экспертизой, самым важным что происходит в automotive. Задавайте нам любые вопросы, ответим, пообсуждаем.

Читать еще полезные статьи:

НПП ИТЭЛМА
Компоненты для роботизированного транспорта

Комментарии 14

    +10
    А самое интересное то где?

    Key feature
    Application processing power 4000MIPS
    Extremely low latency, high frequency input sampling
    Digital filtering on all analogue inputs
    Data logging memory 8GB Flash

    Electrical
    Supply voltage 7.5 to 16V DC
    Supply voltage not to exceed 17V continuous (the unit is protected against transients and reverse polarity)
    Supply current quiescent (ignition off) 4mA
    Supply current operating (no load on outputs) 3A typical at 13.8V
    Supply current operating (max load on supplies) 5A typical at 13.8V
    32-bit Real Time Operating System
    Internal tri-axis accelerometer

    Environmental
    Splash resistant to standard motorsport fluids
    Lids sealed with o-rings
    Maximum humidity 100%
    Minimum operating temperature 0°C
    Internal temperature not to exceed 70°C as measured by internal diagnostic sensors
    Adequate forced-air cooling must be applied to ensure the internal operating temperature remains within specified limits
    Storage temperature -25°C to +85°C
    Vibration 100 to 1000Hz, all axes, 24 hours
    Vibration isolation is recommended

      +5
      Да вообще информации близко к нулю, одно блабла про то, что там действительно собирают данные.
        +1
        Тема интересная, я сам в свою очередь интересовался ею.
        А у вас есть примеры, где эта тема раскрыт более подробно?
        Дайте ссылку, пожалуйста.
          +3
          да нигде в рунете нет одного места, где можно бы прочитать, урывки. А ведь одно только brake-by-wire чего стоит… не говоря уж о всей остальной работе гибридной составляющей.
          Причина, в целом, понятна — слишком большие деньги и слишком большая скрытность. Увы.

          Но, увы, это не отменяет абсолютной пустоты в посте, сплошное бла-бла, так что фразу «а ещё там есть SECU» за бриллиант можно принять.
            0
            а на английском?
              0
              Тоже мало, хотя, конечно, в разы больше. Но тут у меня только личные накопления знаний, которые пруфами не могу подкрепить — слишком много времени займёт раскапывание заново.
                0
                Может хотя бы тезисно?
                Какой там «передний край»?
                  0
                  коротко — будет очень глупо, а полно — выходит за рамки моей компетенции в этом. Чего-то нахватался, но не настолько, чтобы это прилюдно излагать.
                  Не задавался целью узнать в таком объёме.
      +3
      Во время средней гонки автомобиль передает около 3 ГБ телеметрических данных, а также около 4 ГБ логов, и эти данные лишь лежат в основе всех вычислений.

      During the course of a typical race the car will transmit around 3 GB of telemetry data as well as around 4 GB of logging, however this is just the seed for computation

      Я конечно не лингвист и не переводчик, но фраза "во время средней гонки автомобиль передает около 3 Гб данных" вызывает только один вопрос: 3Гб за сколько? За сукунду? Минуту? Час? "Во время гонки… передает..." указывает на некий длительный процесс от начала до конца гонки.


      А потом оказывается, что всего лишь забыли указать факт свершившегося действия, и фраза на самом деле должна звучать примерно так: "за одну среднестатистическую гонку автомобиль передает (передаст) около 3 Гб телеметрических данных". *sigh*

        0
        Спасибо за уточнение!
          +1

          За всю гонку нужно пройти определённый километраж — как правило, чуть больше 305 км, исходя из длины конкретной трассы, кроме Гран При Монако, где общая дистанция около 260 км. На разных трассах это занимает разное время. По регламенту на всю гонку выделяется максимум 2 часа, но в среднем гонки длятся около полутора часов.

          +1

          Опять про размер данных, просто бросилось в глаза: время полтора часа, 3 Гб и 5 Мбпс сеть, получается что сеть забита под завязку, а это нехорошо. Из-за помех нужные данные не уйдут вовремя.

            0
            Ну кстати, не говорится что все данные сливаются риал-тайм. Часть данных сливается уже в боксах, по кабелю. youtu.be/Y1_cFCjkLGA?t=51
              0
              Подозреваю, что 5Мбпс это не пропуская способность сети, а как раз средний объём трафика. Отсюда и получается 3Гб за гонку.

            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

            Самое читаемое