Formel-1-Fahrzeuge sind mit einer Vielzahl von Sensoren und elektronischen Systemen ausgestattet, mit denen Teams mit einer Vielzahl von Daten arbeiten.
Wie können Sie in der Formel 1 Erfolg haben - durch die Fähigkeiten eines Piloten oder eines fein abgestimmten Autos? Diese Kontroverse brach in den 1980er Jahren aus, als der Einsatz elektronischer Systeme in Feuerbällen zuzunehmen begann. Die Ingenieure arbeiteten unermüdlich an der Optimierung von Rennwagen und optimierten die Konfigurationen von mehr als 18.000 Komponenten (einschließlich Sensoren, Steuergeräten und mechanischen Teilen).
Die technischen Teams der Formel 1 arbeiten in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen, von Mechanik und Elektronik bis hin zu Datenanalyse und Aerodynamik. Der Wettbewerb zwischen Rennteams wird zu einem technologischen Wettbewerb, um die Dynamik des Fahrzeugverhaltens bis in die Mikrosekunde besser zu verstehen.
Strenge FIA-Regeln (International Automobile Federation) schränken den Einsatz von Technologie stark ein, um sicherzustellen, dass die Bedeutung von Kunstflugfähigkeiten im Rennsport nicht verloren geht. Viele in Nutzfahrzeugen implementierte Technologien und Lösungen (wie ABS und Automatikgetriebe) sind für den Einsatz in Formel-1-Fahrzeugen verboten.
Rennwagen haben in den letzten Jahren erhebliche Veränderungen erfahren. Dank der Telemetrie können Renningenieure die Leistung des Fahrzeugs überwachen und verbessern, indem sie Daten von mehr als 300 Sensoren von verschiedenen Geräten analysieren, die sich an verschiedenen Stellen im Formel-1-Auto befinden. Hunderte von Parametern können in Echtzeit gemessen werden. Alle Daten werden von einem Logger erfasst und über eine Antenne an der Vorderseite des Fahrzeugs per Funk an Befehle übertragen.
Stephen Watt, Leiter Elektronik bei McLaren Racing, sagte im Gespräch mit der EE Times: „Das Auto auf der Strecke ist nur die Spitze des Eisbergs. Jetzt sind die Teams sehr datenabhängig. Die Datenübertragung erfolgt über ein 5-Mbit / s-Netzwerk, das sich über das gesamte Fahrerlager erstreckt. Ingenieure verwenden auch lokale Daten, die von integrierten Loggern heruntergeladen wurden. All dies ermöglicht es den Ingenieuren, sowohl die Leistung des Fahrzeugs auf der Strecke als auch die Werksmerkmale zu bewerten, um die Leistung des Fahrzeugs zu analysieren und ihre Strategie an die Leistung anderer Teams anzupassen. Ein hochmodernes Formel-1-Auto ist ein intelligentes, vernetztes Datenverarbeitungssystem, das mit einer Geschwindigkeit von mehr als 200 Stundenkilometern fahren kann. Jede Sekunde werden große Datenmengen an Ingenieure gesendet.und diese Arrays enthalten Daten über alles, vom Zustand der Reifen bis zur Temperatur des Motors. "
ECU und Sensoren
Jedes Fahrzeug ist mit mehreren Steuergeräten ausgestattet. Im Zentrum des Systems befindet sich die Standard-ECU oder SECU. Tatsächlich ist der SECU ein kleiner, aber sehr leistungsfähiger Computer, der große Datenmengen verwaltet sowie diese verarbeitet und von Formel-1-Fahrzeugen an Teams überträgt. SECU optimiert die Kommunikation mit Motor, Getriebe und Differential sowie mit dem aerodynamischen System. Die SECU ist auch die primäre Speicher- und Datenerfassungseinheit, die Teams und dem Rennmanagement Echtzeit-Telemetriedaten zur Verfügung stellt. Auf diese Weise können Teams die Leistung ihrer Fahrzeuge in Echtzeit visualisieren, indem sie den Motorzustand, den Reifenverschleiß und den Kraftstoffverbrauch überwachen.
SECU TAG-320B-Modelle werden von McLaren Applied (einer Schwesterfirma von McLaren Racing) geliefert. Gemäß den Vorschriften müssen diese Einheiten von allen Formel-1-Teams verwendet werden. Mit dem TAG-320B können Sie eine einzige Plattform erstellen, die von Teams, Antriebsstranglieferanten (zur Überwachung des Gerätebetriebs) und der FIA verwendet werden kann. Der TAG-320B ist mit Antriebsstrangkomponenten und einem Achtganggetriebe ausgestattet. Mit dem TAG-320B kann die FIA auch die Funktionalität der Software zur Steuerung verschiedener Systeme einschränken. Dadurch wird sichergestellt, dass Teams keine Fahrerassistenzsysteme wie die Traktionskontrolle implementieren können (oder deren Auswirkungen auf den Kunstflug überwacht werden können, wenn Teams diese verwenden dürfen).
In den Fahrzeugen sind etwa 300 Sensoren installiert, und die SECU überwacht über 4000 Parameter. Während eines durchschnittlichen Rennens überträgt das Auto etwa 3 GB Telemetriedaten sowie etwa 4 GB Protokolle, und diese Daten bilden nur die Grundlage aller Berechnungen. Bei der Verarbeitung und Kombination von Daten aus anderen Quellen (z. B. bei der Arbeit mit Audiodaten und Videomaterial) muss das Team möglicherweise über ein durchschnittliches Rennwochenende mit einem Terabyte kritischer Daten arbeiten - und diese Daten müssen während des Wettbewerbs und immer wieder zurückgegeben werden kommende Jahreszeiten.
Sensoren in Einsitzen werden verwendet, um mögliche Probleme zu verfolgen. Ingenieure können sofort Entscheidungen auf der Grundlage der gesammelten Daten treffen. Wenn beispielsweise ein Anstieg der Motortemperatur festgestellt wird, können Sie feststellen, dass sich der Grund dafür dem vorausfahrenden Fahrzeug nähert. In diesem Fall können Ingenieure den Piloten darüber informieren, dass er aus der Abgaswolke herauskommen und diese vermeiden muss, bis die Temperatur auf akzeptable Werte abfällt.
Es gibt drei Kategorien von Sensoren: Steuerungssensoren für Servos (z. B. zur Überwachung des Gaspedalzustands), Sensoren zur Überwachung des Fahrzeugzustands (z. B. Hydraulikdruck) und Instrumentensensoren (z. B. berührungslose Temperatursensoren zur Verfolgung des Schmiermittels).
Ein Formel-1-Auto hat mehrere Leben. Während des Qualifyings und des Rennens wird es zu einem leichten Rennwagen mit der Mindestausrüstung, die für die Durchführung des Rennens erforderlich ist (obwohl das Auto selbst in dieser Konfiguration mehr als 1,5 km Verkabelung und mehr als 200 Sensoren hat). Das andere Extrem sind Wintertests, bei denen ein vollständiger Test des Autos durchgeführt wird und es sich in ein Testlabor auf Rädern verwandelt.
Unsere Arbeit wird größtenteils von der Nachfrage nach qualitativ hochwertigen Daten bestimmt. Regelmäßige Änderungen der technischen und sportlichen Vorschriften sowie eine Verringerung der Anzahl der Tests auf der Strecke haben die Bedeutung eines tiefen Verständnisses der Funktionsweise des Autos auf der Strecke erhöht.
"Die jüngsten Änderungen der Formel-1-Vorschriften, die durch die COVID-19-Pandemie verursacht wurden, zielten darauf ab, die Kosten zu senken, indem bestimmte Bereiche der Fahrzeugentwicklung eingefroren wurden. Diese Änderungen verändern auch unsere Mission und veranlassen uns, Budgets und Lieferketten wie nie zuvor zu überwachen - alles, um das Beste aus den Bereichen herauszuholen, in denen wir etwas Freiheit haben ", sagte Watt.
Seit 2014 schreibt die FIA die Verwendung von Durchflussmessern für verschiedene Flüssigkeiten (FFM-Sensoren - Fluid Flow Meter) vor. FFM-Sensoren verwenden Ultraschall, um den Flüssigkeitsfluss zu messen, um genaue Messwerte sicherzustellen und eine sofortige Analyse der Kraftstoffeigenschaften des Fahrzeugs zu ermöglichen. Für die Ultraschallmessung sind zwei piezoelektrische Wandler erforderlich. Diese Sensoren senden Ultraschallimpulse, empfangen sie zurück und vergehen im Zeitraffer, um die Durchflussrate zu bestimmen.
Telemetrie
Die Telemetrie wurde Ende der 1980er Jahre eingeführt und hat sich im Laufe der Jahre erheblich weiterentwickelt. Heutzutage werden sogar in Sekundenbruchteilen viel mehr Daten gesammelt und verarbeitet als in jenen Jahren - aufgrund dessen haben Renningenieure die Möglichkeit, Piloten in Echtzeit taktische Ratschläge zu geben.
Telemetrie- und Datenanalysesysteme werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Motor, Motorbremse, Drehmomentregelung, Motoreinspritzung und Zündung sind Parameter, die mit diesen Technologien gesteuert werden können. Durch die Verwendung von Telemetrie- und Datenanalysesystemen sind Fahrgestell, Reifen, Beschleunigungssystem, Fahrzeuggeschwindigkeit und aerodynamische Steuerung unter Verwendung des Durchlässigkeitskoeffizienten des Fahrzeugs eng miteinander verbunden.
Stephen Watt sagte über Telemetrie in der Formel 1 Folgendes: „Telemetrie als Begriff wird in der Formel 1 nicht immer richtig verwendet. Er bezieht sich normalerweise auf die drahtlose Übertragung von Daten, die in der SECU generiert und an Ingenieure in den Boxen gesendet wurden. Die in der Formel 1 verwendeten Telemetriesysteme haben sich in den letzten Jahren in Bezug auf Pragmatismus erheblich verändert. "
Watt gab außerdem an, dass" jedes Team zuvor sein eigenes unabhängiges Radiotelemetriesystem auf die Strecke gebracht hat ", fuhr er fort." Infolgedessen sahen die Boxen wie ein Mastenwald aus. immer größere Höhe. Natürlich war das Hochfrequenzspektrum überlastet, und als es darum ging, dass diese Anlagen um die Welt transportiert werden mussten und in die lokale Regulierung des Frequenzspektrums passten, schien alles ein Albtraum zu sein.
„Darüber hinaus boten diese Systeme auf einigen Strecken (wie Monaco und Singapur) häufig keine vollständige Abdeckung, sodass einige Teams damit begannen, Repeater auf Hoteldächern und dergleichen zu installieren. Glücklicherweise traten FOM und FIA in das Spiel ein und implementierten ein Standardkommunikationssystem, das sowohl Sprachkommunikation mit Piloten als auch Telemetrie für alle Teams bietet. Das FOM setzt jetzt ein gemeinsames AP-System auf der Strecke ein und überträgt verschlüsselte Daten von jedem Auto über Glasfaser an die Garage des Teams “, sagte er.
Er fügte hinzu: „… Telemetrie ist heutzutage ein wesentlicher Bestandteil der Arbeit aller Formel-1-Teams. Aufgrund der Kombination aus der Komplexität von Autos und Antriebssträngen und den Sportregeln, nach denen Teams Motoren und Getriebe für mehrere Rennen und Teams aufbewahren müssen wird mit ziemlicher Sicherheit kein nicht gemeldetes Fahrzeug fahren. Diese Daten werden über eine Reihe von Sensoren und Telemetrie erfasst, die Ingenieuren helfen können, Maßnahmen zu ergreifen, bevor ein Fehler die Antriebsstrangkomponenten katastrophal beschädigt. korrigiert, könnte dies zu Zeitverschwendung oder sogar zu einer Strafe für das Team führen. "
Sensoren helfen bei der Überwachung und Optimierung der Leistung von Auto und Fahrer, indem sie Daten zu Bremsen, Kurvengeschwindigkeit, Getriebe, Durchdrehen der Räder, Lebensdauer des Getriebes und dem Drehzahlbereich erfassen, in dem der Motor am effizientesten ist. Die resultierenden Daten werden verwendet, um die Motorleistung in Echtzeit zu analysieren, sodass Ingenieure auf die Situation reagieren und Probleme aus der Ferne lösen und so die Effizienz der Maschine verbessern können.
Eines der größten Hindernisse für den Erfolg sind die rauen Bedingungen, die während des Rennens aufgrund übermäßiger Temperaturen und Vibrationen auftreten, die die Genauigkeit der Sensoren und letztendlich des Steuergeräts selbst verringern. Elektronische Komponenten müssen so effizient wie möglich arbeiten - einschließlich der Reduzierung des Driftfaktors. Drift ist ein Präzisionsverlust, der im Laufe der Zeit auftritt und zu Komponentenschäden und irreversiblem Motorschaden führt. Mit Hunderten von Sensoren in einem durchschnittlichen Rennwagen kann die Gesamtbelastung der Datenverarbeitungssysteme enorm sein.
Staub, Öl und Feuchtigkeit dringen auch während des Rennens in die Autos ein. Die Notwendigkeit, dieses Problem zu lösen, führt zu einer großen Nachfrage nach Materialien - was bedeutet, dass Anforderungen an die Wissenschaft und an Wissenschaftler bestehen, die in der Lage sind, unter schwierigen Bedingungen hochzuverlässige Materialien herzustellen. Eine übliche Lösung für den Vibrationsschutz besteht darin, mit der Installation von Hardwarekomponenten zu arbeiten. Die Zuverlässigkeit nimmt mit der Zeit ab, wenn elektronische Komponenten nicht vor Vibrationen geschützt sind oder nicht unter Berücksichtigung der kritischen Ermüdungsbeständigkeit ausgelegt sind.
Datenverarbeitungssystem
Die vom Datenerfassungssystem aufgezeichneten Messungen werden tatsächlich von Sensoren durchgeführt, die in der gesamten Maschine installiert sind. Zum Beispiel kann die Geschwindigkeit eines Autos mit einem am Rad montierten magnetischen Hallsensor, einem optischen Correvit-Sensor und einem Staurohr gemessen werden (die meisten Formel-1-Autos verwenden gleichzeitig drei Sensoren).
„Staurohr-Luftgeschwindigkeitssensoren werden auch in Formel-1-Fahrzeugen eingesetzt, und der Windfaktor muss ebenfalls berücksichtigt werden. Selbst die Frage, wie schnell ein Formel-1-Auto fährt, ist schwer zu beantworten - es erfordert eine statistische Analyse von Daten aus mehreren Quellen und deren Nachbearbeitung “, sagte Watt.
Die Drehzahl jedes Rades wird unter Verwendung herkömmlicher Verfahren gemessen, um den Radschlupf zu berücksichtigen. Andere Sensoren sind optisch, sie verfolgen die Spur und GPS.
Spezielle Sensoren können Temperatur, Winkel- und Lineargeschwindigkeit, Winkel- und Linearverschiebungen, Druck, Materialspannung, Beschleunigung, Magnetfeldänderungen und andere Indikatoren messen. Beschleunigungsmesser werden zur Messung von G-Kräften verwendet, die auch als "Kurvenfahrt" bezeichnet werden. Beschleunigungsmesser können auch verwendet werden, um Längskräfte wie Bremsen zu bestimmen - sie reichen von 0 bis 4G.
Die Position des Sensors bestimmt, welche Richtung erkannt wird. Ein zweiachsiger Sensor misst die Lenk- und Bremskräfte. Die berührungslose Temperaturerfassung wird häufig in Brems-, Motor- und Busanwendungen eingesetzt. MEMS-Infrarotsensoren werden zur Temperaturmessung verwendet und ermöglichen berührungslose Temperaturmessungen. Typischerweise verwenden diese Sensoren ein thermophiles Material, um die vom gemessenen Objekt emittierte Infrarotenergie zu absorbieren und zu messen, wodurch die Temperatur des Objekts erfasst wird. Eine Reihe von Wärmebildkameras, die auf die Kontaktbereiche von Reifen ausgerichtet sind, ermöglichen die Überwachung ihres Zustands und die Steuerung der Erwärmung.
„Einige Parameter wie Drehmoment- und Wägezellenwerte werden bei Frequenzen in der Größenordnung von 200 Hz aufgezeichnet, d. H. 200 mal pro Sekunde. Bei starken Vibrationen können Sie einen zusätzlichen Logger auf das Gerät setzen und die Aufzeichnungsfrequenz ändern, um Informationen über die Vibrationen in verschiedenen Teilen des Geräts zu erhalten. Vorsichtshalber sammeln die Ingenieure der Formel-1-Teams jedes Mal Daten, wenn das Auto an die Box zurückkehrt, und laden sie auf einen dedizierten Server hoch. „Bei der Analyse der Aufhängungsbewegung werden die Protokolle mit 1 kHz aufgezeichnet, obwohl dies bei der Durchführung von Schwingungsanalysen bis zu 100 kHz oder mehr betragen kann. Dies ist häufig erforderlich, um die Zuverlässigkeit zu überprüfen“, sagte Watt.
Telemetrie und ordnungsgemäße Datenerfassung sind wichtige Faktoren in der Formel 1, da Ingenieure so große Datenmengen während des Rennens erfassen können. Die Daten können dann interpretiert und verwendet werden, um eine optimale Leistung des Fahrzeugs sicherzustellen. Das Formel-1-Auto kann mit zwei Arten von Telemetrie arbeiten: Daten, die in Echtzeit in kleinen Paketen übertragen werden, und einmalige Explosionen großer Datenfelder, die beim Betreten der Boxen entladen werden.
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