Критически важная электроника в болидах Formula 1

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

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

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

Читать еще полезные статьи:

• Бесплатные онлайн-курсы по Automotive, Aerospace, робототехнике и инженерии (50+)
• [Прогноз] Транспорт будущего (краткосрочный, среднесрочный, долгосрочный горизонты)
• Лучшие материалы по взлому автомобилей с DEF CON 2018-2019 года
• [Прогноз] Motornet — сеть обмена данными для роботизированного транспорта
• Компании потратили 16 миллиардов долларов на беспилотные автомобили, чтобы захватить рынок в 8 триллионов
• Камеры или лазеры
• Автономные автомобили на open source
• McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive
• Очередная война операционок уже идет под капотом автомобилей
• Программный код в автомобиле
• В современном автомобиле строк кода больше чем…