Os carros de Fórmula 1 são equipados com uma variedade de sensores e sistemas eletrônicos que as equipes usam para trabalhar com uma ampla variedade de dados.
Como você pode alcançar o sucesso na Fórmula 1 - por meio das habilidades de um piloto ou de um carro bem ajustado? Essa controvérsia surgiu na década de 1980, quando o uso de sistemas eletrônicos em bolas de fogo começou a aumentar. Os engenheiros trabalharam incansavelmente para otimizar os carros de corrida, ajustando as configurações de mais de 18.000 componentes (incluindo sensores, unidades de controle e peças mecânicas).
As equipes técnicas da Fórmula 1 trabalham em uma variedade de campos científicos - da mecânica e eletrônica à análise de dados e aerodinâmica. A competição entre equipes de corrida está se tornando uma competição tecnológica para alcançar um melhor entendimento da dinâmica do comportamento do carro, até o microssegundo.
Regulamentos estritos da FIA (Federação Internacional de Automóveis) restringem severamente o uso de tecnologia para garantir que a importância das habilidades acrobáticas não seja perdida nas corridas. Muitas tecnologias e soluções implementadas em veículos comerciais (como ABS e transmissões automáticas) são proibidas para uso em carros de Fórmula 1.
Os carros de corrida passaram por mudanças significativas nos últimos anos. Graças à telemetria, os engenheiros de corrida podem monitorar e melhorar o desempenho do carro analisando dados de mais de 300 sensores de vários dispositivos localizados em diferentes pontos do carro de Fórmula 1. Centenas de parâmetros podem ser medidos em tempo real. Todos os dados são coletados por um logger e transmitidos aos comandos via rádio por meio de uma antena localizada na frente do veículo.
Em declarações ao EE Times, Stephen Watt, chefe de eletrônica da McLaren Racing, disse: “O carro na pista é apenas a ponta do iceberg; agora, as equipes dependem muito dos dados. A transmissão de dados é realizada em uma rede de 5 Mbps esticada por todo o paddock. Os engenheiros também usam dados locais baixados de registradores a bordo. Tudo isso permite que os engenheiros avaliem tanto o desempenho do carro na pista quanto as características de fábrica, o que lhes permite analisar o desempenho do carro, bem como ajustar sua estratégia de acordo com o desempenho de outras equipes. Um carro de Fórmula 1 de última geração é um sistema inteligente de processamento de dados em rede, capaz de viajar a velocidades superiores a 200 quilômetros por hora. Grandes quantidades de dados são enviados dos carros para os engenheiros a cada segundo,e essas matrizes contêm dados sobre tudo, desde a condição dos pneus até a temperatura do motor. "
ECU e sensores
Cada veículo está equipado com vários ECUs. No centro do sistema está a ECU ou SECU padrão. Na verdade, a SECU é um computador pequeno, mas muito poderoso, que gerencia grandes quantidades de dados, bem como os processa e os transfere dos carros de Fórmula 1 para as equipes. SECU otimiza a comunicação com o motor, caixa de velocidades e diferencial, bem como com o sistema aerodinâmico. O SECU também é o armazenamento primário e unidade de coleta de dados que fornece dados de telemetria em tempo real para equipes e gerenciamento de corrida. Isso permite que as equipes visualizem o desempenho de seus veículos em tempo real, monitorando a integridade do motor, o desgaste dos pneus e o consumo de combustível.
Os modelos SECU TAG-320B são fornecidos pela McLaren Applied (uma empresa irmã da McLaren Racing) e, de acordo com os regulamentos, essas unidades devem ser usadas por todas as equipes de Fórmula 1. O TAG-320B permite que você crie uma plataforma única que pode ser usada por equipes, fornecedores de trem de força (para monitorar a operação do dispositivo) e a FIA. O TAG-320B é equipado com componentes de trem de força e uma transmissão de oito velocidades. O TAG-320B também permite que a FIA limite a funcionalidade do software para controlar vários sistemas - isso garante que as equipes não possam implementar sistemas de assistência ao motorista, como controle de tração (ou seu impacto nas acrobacias pode ser monitorado se as equipes tiverem permissão para usá-los)
Os carros são equipados com cerca de 300 sensores e a SECU monitora mais de 4.000 parâmetros. Durante uma corrida média, o carro transmite cerca de 3 GB de dados de telemetria, bem como cerca de 4 GB de registros, e esses dados constituem apenas a base de todos os cálculos. Ao processar e combinar com dados de outras fontes (por exemplo, ao trabalhar com dados de áudio e materiais de vídeo), pode ser que a equipe tenha que trabalhar com um terabyte de dados críticos durante o fim de semana médio de corrida - e esses dados devem ser retornados repetidamente durante a competição e próximas temporadas.
Sensores em monolugares são usados para rastrear problemas potenciais. Os engenheiros podem tomar decisões instantaneamente com base nos dados coletados. Por exemplo, se for detectado um aumento na temperatura do motor, você pode descobrir que o motivo para isso é se aproximar do carro da frente. Nesse caso, os engenheiros podem informar ao piloto que ele precisa sair da nuvem de exaustão e evitá-la até que a temperatura caia para valores aceitáveis.
Existem 3 categorias de sensores: sensores de controle associados a servo drives (por exemplo, para monitorar o estado do pedal do acelerador), sensores para monitorar a condição do veículo (por exemplo, pressão hidráulica) e sensores de instrumento (por exemplo, sensores de temperatura sem contato para rastrear lubrificante).
Um carro de Fórmula 1 tem várias vidas. Durante a qualificação e corrida, torna-se um carro de corrida leve com o equipamento mínimo necessário para completar a corrida (embora mesmo nesta configuração, o carro terá mais de 1,5 km de fiação e mais de 200 sensores). No outro extremo, os testes de inverno são usados para testar totalmente o carro e transformá-lo em um laboratório de testes sobre rodas.
Na maior parte, nosso trabalho é impulsionado pela demanda por dados de alta qualidade. As mudanças periódicas nos regulamentos técnicos e desportivos, bem como a redução do número de testes em pista, aumentaram a importância de um conhecimento aprofundado do funcionamento do carro em pista.
"As recentes mudanças nos regulamentos da Fórmula 1 causadas pela pandemia COVID-19 visavam reduzir os custos pelo congelamento de certas áreas de desenvolvimento de automóveis. Essas mudanças também mudam nossa missão e nos fazem monitorar orçamentos e cadeias de suprimentos como nunca antes - tudo para obter o máximo das áreas nas quais temos alguma liberdade ", disse Watt.
Desde 2014, a FIA tornou obrigatório o uso de medidores de vazão para vários líquidos (sensores FFM - Medidores de vazão de fluidos). Os sensores FFM usam ultrassom para medir o fluxo de fluido para garantir leituras precisas e fornecer uma análise instantânea das características do combustível do carro. A medição ultrassônica requer dois transdutores piezoelétricos. Esses sensores enviam pulsos ultrassônicos, os recebem de volta e o tempo de vôo para determinar a taxa de fluxo.
Telemetria
A telemetria foi introduzida no final da década de 1980 e evoluiu significativamente ao longo dos anos. Hoje em dia, mesmo em uma fração de segundo, muito mais dados são coletados e processados do que naqueles anos - devido a isso, os engenheiros de corrida têm a oportunidade de fornecer conselhos táticos aos pilotos em tempo real.
Sistemas de telemetria e análise de dados são usados em vários campos. Motor, freio motor, controle de torque, injeção do motor e ignição são todos parâmetros que podem ser controlados com essas tecnologias. Além disso, usando sistemas de telemetria e análise de dados, chassis, pneus, sistema de aceleração, velocidade do carro e controle aerodinâmico usando o coeficiente de permeabilidade do carro estão intimamente relacionados.
Falando sobre telemetria na Fórmula 1, Stephen Watt disse o seguinte: “A telemetria como termo nem sempre é usado corretamente na Fórmula 1, normalmente é usado para se referir à transmissão sem fio de dados gerados na SECU e enviados aos engenheiros nas caixas. Os sistemas de telemetria usados na Fórmula 1 mudaram significativamente em termos de pragmatismo nos últimos anos "
Watt também afirmou que" antes, cada equipe levava seu próprio sistema independente de telemetria de rádio na pista ", continuou ele," e, como resultado, as caixas pareciam uma floresta de mastros. altura cada vez maior. É claro que o espectro de frequência de rádio estava sobrecarregado e, quando se tratou do fato de que essas instalações precisariam ser transportadas ao redor do mundo e se enquadrar na regulamentação local do espectro de frequência, tudo pareceu um pesadelo.
“Além disso, esses sistemas muitas vezes não forneciam cobertura total em algumas rotas (como Mônaco e Cingapura), então algumas equipes começaram a instalar repetidores nos telhados dos hotéis e coisas assim. Felizmente, o FOM e a FIA entraram no jogo e implementaram um sistema de comunicação padrão que fornece comunicação por voz com os pilotos e telemetria para todas as equipes. A FOM agora está implantando um sistema de ponto de acesso comum ao redor da pista e transmitindo dados criptografados de cada carro para a garagem da equipe via fibra óptica ”, disse ele.
Ele acrescentou: “… a telemetria é uma parte essencial do trabalho de todas as equipes de Fórmula 1. Hoje em dia, devido à combinação da complexidade dos carros e motores e regras esportivas que exigem que as equipes armazenem motores e transmissões para várias corridas, equipes certamente não dirigirá um veículo não reportado. Esses dados são coletados por meio de um conjunto de sensores e telemetria que podem ajudar os engenheiros a agir antes que um erro cause danos catastróficos aos componentes do trem de força. corrigido, isso pode levar a perda de tempo de pista ou até mesmo a uma penalidade para a equipe. "
Os sensores ajudam a monitorar e otimizar o desempenho do carro e do motorista, coletando dados sobre frenagem, velocidade nas curvas, caixa de câmbio, patinagem da roda, vida útil da caixa de câmbio e a faixa de velocidade na qual o motor é mais eficiente. Os dados resultantes são usados para analisar o desempenho do motor em tempo real, permitindo que os engenheiros atuem na situação e resolvam problemas remotamente, melhorando assim a eficiência da máquina.
Um dos maiores obstáculos para o sucesso são as condições adversas que surgem durante as corridas devido a temperaturas e vibrações excessivas que reduzem a precisão dos sensores e, por fim, da própria ECU. Os componentes eletrônicos devem funcionar da forma mais eficiente possível - incluindo eles são projetados para reduzir o fator de deriva. O desvio é uma perda de precisão que ocorre ao longo do tempo, resultando em danos aos componentes e falha irreversível do motor. Com centenas (ou mais) de sensores em um carro de corrida comum, a carga geral nos sistemas de processamento de dados pode ser enorme.
Poeira, óleo e umidade também entram nos carros durante as corridas. A necessidade de resolver este problema cria uma grande demanda por materiais - o que significa que há demandas por ciência e cientistas que podem produzir materiais altamente confiáveis para condições difíceis. Uma solução comum para proteção contra vibração é trabalhar com a instalação de componentes de hardware. A confiabilidade se degrada com o tempo se os componentes eletrônicos não forem protegidos contra vibrações ou se não forem projetados com a resistência crítica à fadiga em mente.
Sistema de processamento de dados
As medições registradas pelo sistema de aquisição de dados são realmente feitas por sensores instalados em toda a máquina. Por exemplo, a velocidade de um carro pode ser medida usando um sensor Hall magnético montado na roda, um sensor óptico Correvit e um tubo pitot (a maioria dos carros de Fórmula 1 usa três sensores ao mesmo tempo).
“Os sensores de velocidade do ar do tubo de Pitot também são usados nos carros de Fórmula 1, e o fator de vento também deve ser levado em consideração. Até mesmo a questão de quão rápido um carro de Fórmula 1 está é difícil de obter uma resposta exata - requer análise estatística de dados de várias fontes e seu pós-processamento ”, disse Watt.
A velocidade de rotação de cada roda é medida usando métodos convencionais para contabilizar a patinagem da roda. Outros sensores são ópticos, eles rastreiam a trilha e GPS.
Sensores especiais podem medir temperatura, velocidade angular e linear, deslocamentos angulares e lineares, pressão, tensão do material, aceleração, mudanças no campo magnético e outros indicadores. Os acelerômetros são usados para medir as forças G, também chamadas de “curvas”. Os acelerômetros também podem ser usados para determinar forças longitudinais como a frenagem - eles variam de 0 a 4G.
A posição do sensor determina qual direção é reconhecida. Um sensor biaxial mede as forças de direção e frenagem. A detecção de temperatura sem contato é freqüentemente usada em aplicações de frenagem, motor e barramento. Os sensores infravermelhos MEMS são usados para medir a temperatura, permitindo medições de temperatura sem contato. Normalmente, esses sensores usam um material termofílico para absorver e medir a energia infravermelha emitida pelo objeto medido, detectando assim a temperatura do objeto. Um conjunto de termovisores voltado para as áreas de contato dos pneus permite monitorar seu estado e controlar o aquecimento.
“Alguns parâmetros, como torque e leituras de célula de carga, são registrados em frequências da ordem de 200 Hz, ou seja, 200 vezes por segundo. Em caso de vibração forte, você pode colocar um logger adicional na máquina e alterar a frequência de gravação para obter informações sobre a vibração em diferentes partes da máquina. Por precaução, os engenheiros das equipes de Fórmula 1 coletam dados toda vez que o carro volta às boxes, fazendo o upload para um servidor dedicado. “Quando se trata de analisar o movimento da suspensão, os registros são registrados a 1 kHz, embora isso possa ir até 100 kHz ou mais durante a análise de vibração - isso geralmente é necessário para verificar a confiabilidade,” disse Watt.
A telemetria e a coleta adequada de dados são fatores importantes na Fórmula 1, pois permitem que os engenheiros coletem grandes quantidades de dados durante a corrida. Os dados podem então ser interpretados e usados para garantir o desempenho ideal do carro. O carro de Fórmula 1 pode trabalhar com dois tipos de telemetria: dados transmitidos em tempo real em pequenos pacotes e explosões únicas de grandes matrizes de dados, descarregados quando o carro entra nas caixas.
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