Los autos de Fórmula 1 están equipados con una variedad de sensores y sistemas electrónicos que los equipos usan para trabajar con una amplia variedad de datos.
¿Cómo se puede lograr el éxito en la Fórmula 1, a través de las habilidades de un piloto o de un automóvil bien afinado? Esta controversia estalló en la década de 1980 cuando comenzó a aumentar el uso de sistemas electrónicos en bolas de fuego. Los ingenieros trabajaron incansablemente para optimizar los coches de carreras, perfeccionando las configuraciones de más de 18.000 componentes (incluidos sensores, unidades de control y piezas mecánicas).
Los equipos técnicos de Fórmula 1 trabajan en una variedad de campos científicos, desde la mecánica y la electrónica hasta el análisis de datos y la aerodinámica. La competencia entre equipos de carreras se está convirtiendo en una competencia tecnológica para lograr una mejor comprensión de la dinámica del comportamiento del vehículo, hasta el microsegundo.
Las estrictas reglas de la FIA (Federación Internacional del Automóvil) restringen severamente el uso de la tecnología para asegurar que la importancia de las habilidades acrobáticas no se pierda en las carreras. Muchas tecnologías y soluciones implementadas en vehículos comerciales (como ABS y transmisiones automáticas) están prohibidas para su uso en autos de Fórmula 1.
Los coches de carreras han sufrido cambios importantes en los últimos años. Gracias a la telemetría, los ingenieros de carreras pueden monitorear y mejorar el desempeño del vehículo analizando datos de más de 300 sensores de varios dispositivos ubicados en diferentes puntos del auto de Fórmula 1. Se pueden medir cientos de parámetros en tiempo real. Todos los datos son recopilados por un registrador y transmitidos a los comandos por radio utilizando una antena ubicada en la parte delantera del vehículo.
En declaraciones al EE Times, Stephen Watt, jefe de electrónica de McLaren Racing, dijo: “El coche en la pista es solo la punta del iceberg; ahora los equipos dependen mucho de los datos. La transmisión de datos se realiza a través de una red de 5 Mbps que se extiende por todo el paddock. Los ingenieros también usan datos locales descargados de registradores integrados. Todo esto permite a los ingenieros evaluar tanto el rendimiento del coche en la pista como las características de fábrica, lo que les permite analizar el rendimiento del coche, así como ajustar su estrategia de acuerdo con el rendimiento de otros equipos. Un automóvil de Fórmula 1 de última generación es un sistema inteligente de procesamiento de datos en red capaz de viajar a velocidades superiores a 200 kilómetros por hora. Se envían grandes cantidades de datos desde los automóviles a los ingenieros cada segundo,y estos conjuntos contienen datos sobre todo, desde el estado de los neumáticos hasta la temperatura del motor ".
ECU y sensores
Cada vehículo está equipado con varias ECU. En el centro del sistema se encuentra la ECU o SECU estándar. De hecho, la SECU es una computadora pequeña pero muy poderosa que administra grandes cantidades de datos, además de procesarlos y transferirlos de los autos de Fórmula 1 a los equipos. SECU optimiza la comunicación con el motor, la caja de cambios y el diferencial, así como con el sistema aerodinámico. La SECU es también la unidad principal de almacenamiento y recopilación de datos que proporciona datos de telemetría en tiempo real a los equipos y la gestión de carreras. Esto permite a los equipos visualizar el rendimiento de sus vehículos en tiempo real al monitorear el estado del motor, el desgaste de los neumáticos y el consumo de combustible.
Los modelos SECU TAG-320B son suministrados por McLaren Applied (una empresa hermana de McLaren Racing) y, de acuerdo con las regulaciones, estas unidades deben ser utilizadas por todos los equipos de Fórmula 1. El TAG-320B le permite crear una única plataforma que puede ser utilizada por equipos, proveedores de sistemas de propulsión (para monitorear el funcionamiento del dispositivo) y la FIA. El TAG-320B está equipado con componentes de tren motriz y una transmisión de ocho velocidades. El TAG-320B también permite que la FIA limite la funcionalidad del software para controlar varios sistemas; esto asegura que los equipos no puedan implementar sistemas de asistencia al conductor como el control de tracción (o su impacto en las acrobacias aéreas puede ser monitoreado si los equipos pueden usarlos)
Cerca de 300 sensores están instalados en los autos y SECU monitorea más de 4000 parámetros. Durante una carrera promedio, el automóvil transmite aproximadamente 3 GB de datos de telemetría, así como aproximadamente 4 GB de registros, y estos datos solo son la base de todos los cálculos. Al procesar y combinar datos de otras fuentes (por ejemplo, cuando se trabaja con datos de audio y materiales de video), es posible que el equipo tenga que trabajar con un terabyte de datos críticos durante el fin de semana de carrera promedio, y estos datos deben devolverse una y otra vez durante la competencia y próximas temporadas.
Los sensores en monoplazas se utilizan para rastrear problemas potenciales. Los ingenieros pueden tomar decisiones instantáneamente basadas en los datos recopilados. Por ejemplo, si se detecta un aumento en la temperatura del motor, puede descubrir que el motivo de esto es acercarse al automóvil de adelante. En este caso, los ingenieros pueden informar al piloto que necesita salir de la nube de escape y evitarlo hasta que la temperatura baje a valores aceptables.
Hay 3 categorías de sensores: sensores de control asociados con servos (por ejemplo, para monitorear el estado del pedal del acelerador), sensores para monitorear las condiciones del vehículo (por ejemplo, presión hidráulica) y sensores de instrumentos (por ejemplo, sensores de temperatura sin contacto para rastrear lubricante).
Un coche de Fórmula 1 tiene varias vidas. Durante la clasificación y la carrera, se convierte en un coche de carreras ligero con el equipamiento mínimo necesario para completar la carrera (aunque incluso en esta configuración, el coche tendrá más de 1,5 km de cableado y más de 200 sensores). En el otro extremo están las pruebas de invierno, donde se realiza una prueba completa del coche, y se convierte en un laboratorio de pruebas sobre ruedas.
Gran parte de nuestro trabajo está impulsado por la demanda de datos de alta calidad. Los cambios periódicos en las regulaciones técnicas y deportivas, así como la reducción en el número de pruebas en la pista, han aumentado la importancia de una comprensión profunda de cómo funciona el automóvil mientras está en la pista.
"Los cambios recientes en las regulaciones de la Fórmula 1 causados por la pandemia de COVID-19 tenían como objetivo reducir los costos al congelar ciertas áreas del desarrollo de automóviles. Estos cambios también cambian nuestro enfoque y nos hacen monitorear los presupuestos y las cadenas de suministro como nunca antes, todo con el fin de aprovechar al máximo aquellas áreas en las que tenemos algo de libertad ", dijo Watt.
Desde 2014, la FIA ha hecho obligatorio el uso de medidores de flujo para varios líquidos (sensores FFM - Fluid Flow Meters). Los sensores FFM usan ultrasonido para medir el flujo de fluido para garantizar lecturas precisas y proporcionar análisis de combustible instantáneo. La medición ultrasónica requiere dos transductores piezoeléctricos. Estos sensores envían pulsos ultrasónicos, los reciben y los secuencian para determinar la tasa de flujo.
Telemetría
La telemetría se introdujo a fines de la década de 1980 y ha evolucionado significativamente a lo largo de los años. Hoy en día, incluso en una fracción de segundo, se recopilan y procesan muchos más datos que en aquellos años; por eso, los ingenieros de carreras tienen la oportunidad de brindar consejos tácticos a los pilotos en tiempo real.
Los sistemas de análisis de datos y telemetría se utilizan en varios campos. El motor, el freno del motor, el control de par, la inyección y el encendido del motor son parámetros que se pueden controlar con estas tecnologías. Además, el uso de sistemas de análisis de datos y telemetría, el chasis, los neumáticos, el sistema de aceleración, la velocidad del automóvil y el control aerodinámico mediante el coeficiente de permeabilidad del automóvil están estrechamente relacionados.
Hablando de telemetría en la Fórmula 1, Stephen Watt dijo lo siguiente: “La telemetría como término no siempre se usa correctamente en la Fórmula 1, generalmente se usa para referirse a la transmisión inalámbrica de datos generados en la SECU y enviados a los ingenieros en las cajas. Los sistemas de telemetría utilizados en la Fórmula 1 han cambiado significativamente en términos de pragmatismo en los últimos años ''
Watt también afirmó que `` antes, cada equipo llevaba su propio sistema de radio telemetría independiente a la pista '', continuó, `` y como resultado, las cajas parecían un bosque de mástiles. mayor y mayor altura. Por supuesto, el espectro de frecuencias de radio estaba sobrecargado, y cuando se llegó al hecho de que estas instalaciones necesitarían ser transportadas alrededor del mundo y encajar en la regulación local del espectro de frecuencias, todo parecía una pesadilla.
“Además de eso, estos sistemas a menudo no proporcionaban una cobertura completa en algunas rutas (como Mónaco y Singapur), por lo que algunos equipos comenzaron a instalar repetidores en los tejados de los hoteles y cosas así. Afortunadamente, la FOM y la FIA entraron en el juego e implementaron un sistema de comunicaciones estándar que proporciona comunicación de voz con los pilotos y telemetría para todos los equipos. La FOM ahora está implementando un sistema de punto de acceso común alrededor de la pista y transmitiendo datos encriptados de cada automóvil al garaje del equipo a través de fibra óptica ”, dijo.
Añadió: "... la telemetría es una parte esencial del trabajo de todos los equipos de Fórmula 1 en estos días. Debido a la combinación de la complejidad de los autos y trenes motrices, y las reglas deportivas que requieren que los equipos almacenen motores y transmisiones para múltiples carreras, los equipos Es casi seguro que no conducirá un vehículo no informado. Estos datos se recopilan a través de un conjunto de sensores y telemetría que pueden ayudar a los ingenieros a tomar medidas antes de que un error cause daños catastróficos a los componentes del tren motriz. corregido, esto podría llevar a una pérdida de tiempo en la pista, o incluso a una penalización para el equipo ".
Los sensores ayudan a monitorear y optimizar el rendimiento del automóvil y del conductor al recopilar datos sobre frenado, velocidad en las curvas, caja de cambios, giro de las ruedas, vida útil de la caja de cambios y el rango de velocidad en el que el motor es más eficiente. Los datos resultantes se utilizan para analizar el rendimiento del motor en tiempo real, lo que permite a los ingenieros actuar sobre la situación y resolver problemas de forma remota, y así mejorar la eficiencia de la máquina.
Algunos de los mayores obstáculos para el éxito son las duras condiciones que surgen durante las carreras debido a temperaturas y vibraciones excesivas que reducen la precisión de los sensores y, en última instancia, la propia ECU. Los componentes electrónicos deben funcionar de la manera más eficiente posible, incluso si están diseñados para reducir el factor de deriva. La deriva es una pérdida de precisión que se produce con el tiempo, lo que da como resultado daños en los componentes y una falla irreversible del motor. Con cientos (más o menos) de sensores en un auto de carreras promedio, la carga general en los sistemas de procesamiento de datos puede ser enorme.
El polvo, el aceite y la humedad también ingresan a los autos durante las carreras. La necesidad de resolver este problema crea una gran demanda de materiales, lo que significa que existen demandas de ciencia y científicos que pueden producir materiales altamente confiables para condiciones difíciles. Una solución común para la protección contra vibraciones es trabajar con la instalación de componentes de hardware. La confiabilidad se degrada con el tiempo si los componentes electrónicos no están protegidos contra las vibraciones o no están diseñados teniendo en cuenta la resistencia crítica a la fatiga.
Sistema de procesamiento de datos
Las mediciones registradas por el sistema de adquisición de datos son realmente tomadas por sensores instalados en toda la máquina. Por ejemplo, la velocidad de un automóvil se puede medir usando un sensor Hall magnético montado en el volante, un sensor óptico Correvit y un tubo de pitot (la mayoría de los autos de Fórmula 1 usan tres sensores al mismo tiempo).
“Los sensores de velocidad del aire en forma de tubo de pitot también se utilizan en los coches de Fórmula 1, y también se debe tener en cuenta el factor viento. Incluso cuando se le pregunta qué tan rápido va un automóvil de Fórmula 1, es difícil obtener una respuesta exacta; se requiere un análisis estadístico de datos de múltiples fuentes y su posprocesamiento ”, dijo Watt.
La velocidad de rotación de cada rueda se mide utilizando métodos convencionales para tener en cuenta el patinaje de la rueda. Otros sensores son ópticos, rastrean la pista y GPS.
Los sensores especiales pueden medir temperatura, velocidad angular y lineal, desplazamientos angulares y lineales, presión, tensión del material, aceleraciones, cambios en el campo magnético y otros indicadores. Los acelerómetros se utilizan para medir las fuerzas G, también llamadas "curvas". Además, los acelerómetros se pueden utilizar para determinar fuerzas longitudinales como el frenado: van de 0 a 4G.
La posición del sensor determina qué dirección se reconoce. Un sensor biaxial mide las fuerzas de dirección y frenado. La detección de temperatura sin contacto se utiliza a menudo en aplicaciones de frenado, motor y bus. Los sensores infrarrojos MEMS se utilizan para medir la temperatura, lo que permite mediciones de temperatura sin contacto. Normalmente, estos sensores utilizan un material termófilo para absorber y medir la energía infrarroja emitida por el objeto medido, determinando así la temperatura del objeto. Un conjunto de cámaras termográficas dirigidas a las zonas de contacto de los neumáticos permite monitorizar su estado y controlar el calentamiento.
“Algunos parámetros, como el par y las lecturas de la celda de carga, se registran en frecuencias del orden de 200 Hz, es decir. 200 veces por segundo. En caso de fuerte vibración, puede colocar un registrador adicional en la máquina y cambiar la frecuencia de grabación para obtener información sobre la vibración en diferentes partes de la máquina. Como precaución, los ingenieros de los equipos de Fórmula 1 recopilan datos cada vez que el coche vuelve a boxes y los suben a un servidor dedicado. “Cuando se trata de analizar el movimiento de la suspensión, los registros se registran a 1 kHz, aunque esto puede llegar hasta 100 kHz o más cuando se realiza un análisis de vibraciones, esto a menudo es necesario para verificar la confiabilidad”, dijo Watt.
La telemetría y la recopilación de datos adecuada son factores importantes en la Fórmula Uno, ya que permiten a los ingenieros recopilar grandes cantidades de datos mientras compiten. Luego, los datos se pueden interpretar y utilizar para garantizar un rendimiento óptimo del automóvil. El automóvil de Fórmula 1 puede funcionar con dos tipos de telemetría: datos transmitidos en tiempo real en pequeños paquetes y explosiones únicas de grandes conjuntos de datos, descargados cuando el automóvil ingresa a las cajas.
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