工程師——F1車隊致勝的幕後推手

作者 : Maurizio di Paolo Emilio,EE Times Europe編輯暨EEWeb主編

如今,一級方程式賽車的汽車實際上就是時速超過200公里的智慧連網資料系統。一級方程式賽車的決勝因素是什麼?是賽車手的技術,還是汽車技術?

一級方程式賽車(Formula 1;F1)中的決勝因素是什麼?是賽車手的技術,還是汽車技術?1980年代,複雜的電子系統開始出現在一級方程式賽車中,這個長久以來爭論的話題不斷上升至新的高度。如今,一級方程式賽車的汽車實際上就是時速超過200公里的智慧連網資料系統(1)。

 

圖1:F1賽車中的汽車實際上就是時速超過200公里的智慧連網資料系統。(圖片來源:formula1.com)

 

F1業界雇用了許多工程師,他們的例行任務就是設計和管理由18,000個元件組成的系統,從而不斷最佳化F1賽車性能。這些元件包括感測器、電子控制單元(ECU),以及同時支援引擎和控制功能的機械元件。從機械與電子,到資料分析與空氣動力學,F1賽車界的工程師們工作範圍非常廣泛。在激烈競爭的賽車環境,哪怕是毫秒之差,都能決定是否成功。F1工程師必須持續深入瞭解汽車的動態行為,不斷地提高車輛的性能,而且不能違反這項賽事的規則。

的確,國際汽車聯盟(FIA)對於F1賽車採用的技術有嚴格的規定,以確保賽車手的安全。許多商用汽車採用的解決方案在F1競賽中都是禁止的,例如ABS系統和自動變速箱。

儘管如此,F1賽車近年來還是發生了根本的變化。隨著遙測技術的出現,賽車工程師可以對300多個感測器的資料進行分析,從而監測和改善汽車性能。這些感測器分佈在汽車的不同位置,能夠即時測量數百個參數。各個數據點的資料由記錄儀收集,並透過汽車前方的天線無線傳送給車隊。

McLaren Racing電子產品負責人Stephen Watt在接受採訪時說:「賽道上的汽車只是冰山一角,實際上現在所有的車隊在很大程度上都是由資料驅動的。在賽場範圍內,資料透過5Mbps的遙測鏈路接收,並且可從各種車載記錄儀下載。賽道旁和維修廠中的工程師可以根據這些資料分析每輛車子的性能,並透過研究其他車隊的成績來進行戰略分析。」

標準ECU和感測器

標準ECU (SECU)本質上是一台電腦,雖然很小但是功能強大,可以控制、處理並將大量資料從F1賽車傳送給車隊,其控制功能針對引擎、變速箱、差速器和空氣動力系統之間的互動進行了最佳化(圖2)。SECU還提供資料儲存和採集功能,協助車隊工作人員可利用遙測技術即時控制比賽。因此,車隊人員可以即時、直觀地瞭解車輛性能,並且檢查引擎健康、輪胎磨損以及燃料消耗情況。

 

 圖2:標準ECU。(圖片來源:McLaren Racing)

 

FIA要求所有F1車隊必須採用McLaren Racing姊妹公司McLaren Applied提供的TAG-320B SECU。TAG-320B為車隊、動力裝置供應商和FIA提供了一個共用平台。它可以管理各種功能,從動力裝置的核心操作,到八速變速箱的無縫換檔,還能讓FIA透過平台對控制軟體的功能進行限制,以確保相關人員不會違規啟用諸如循跡控制等禁用的駕駛輔助,或者在車隊試圖實施禁用控制功能時及時制止。

每輛F1賽車平均大約有300個感測器,SECU監控約4,000多個參數。在正常的比賽中,賽車將會傳輸約3GB的遙測資料以及約4GB的日誌記錄。而這只不過是個引子,當這些資料被處理並與其他資料(例如音訊和視訊分析)結合在一起時,可能意味著在一場典型的週末賽事中,一個車隊會留下超過1TB的寶貴資料,這些資料在每次比賽和每個賽季中都可以反覆利用。

單座賽車上的感測器可以監測所有參數,檢查是否存在問題,讓工程師可以根據收集到的資料立即做出決策。例如,當一輛賽車與對手的賽車距離非常近時,感測器會偵測到引擎溫度升高,這時車隊工作人員可以從賽場外提醒賽車手遠離對手賽車的排氣尾,直到汽車溫度降到報警值以下。

F1賽車使用三類感測器:與線控驅動功能相關的控制感測器(如油門踏板感測器)、監測感測器(可追蹤汽車的健康參數,如液壓系統壓力),以及儀表感測器(如用於監測摩擦的非接觸式溫度感測器)。

Watt說:「F1賽車角色多變。在資格賽和正式比賽中,它變身羽量級賽車,僅配備完成比賽所需的最少設備,但即使在這種最少配置下,賽車的板載佈線也超過1.5公里,並包含200多個感測器。與之相反的極端情況是冬季測試,當我們對汽車進行檢驗時,一輛賽車幾乎就是一個行動中的測試實驗室。」

他補充說:「我們做的很多事都源於對高品質資料的需求。多年來,隨著技術的發展和比賽規則的變化,以及賽道測試的減少,人們越來越需要深刻瞭解賽車在賽道上的每一次行駛。」

Watt指出,在新冠肺炎(COVID-19)疫情期間,F1賽事的規則也發生了新的變化,某些汽車開發領域被凍結以減少開支,「這再次改變了遊戲規則,使我們在成本、供應鏈以及充份利用現有優勢等方面,面臨比以往更大的挑戰。」

FIA的另一項要求是使用流體流量計(FFM),這項要求2014年開始實施,它採用超音波來確保高精度的測量結果,從而能夠即時分析車輛的燃油性能。超音波流體流量測量採用兩個壓電換能器來回發送超音波脈衝,並利用飛行時間(ToF)計算來確定流體流速。

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