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)。

1F1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5Mb/s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。

 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。

遙測技術

遙測技術於1980年代後期導入F1競賽,並在過去幾年趨於完善。雙向遙測可以輕鬆記錄汽車特性,讓工程技術團隊能夠清楚掌握賽場情況,並處理性能資料。現在,大量資料的收集與傳輸可以在百分之幾秒的時間內完成,讓F1工程師能夠近乎即時地向賽車手提供戰術建議。

但是,FIA的人員們從未正式允許雙向遙測,可能他們並不希望這一技術被採用,實際上當他們認識到車隊使用這一技術可能產生的不良影響時,甚至還短暫地禁止過該技術。

可以透過遙測技術和資料分析系統進行管理的參數包括引擎、引擎煞車、扭矩控制、引擎噴射和點火,其它使用遙測技術的還有底盤、輪胎、油門操作、車速,以及通過機械車輛的滲透係數所進行的空氣動力學調節。

Watt說:「遙測一詞在F1賽車中有時會被誤用,它通常指的是車載無線資料的傳輸,這些資料在SECU中產生,發送給賽道旁的車隊維修區工作人員。近年來,F1中使用的遙測系統發生了一些非常實用的變化。過去每支車隊都會將各自的無線電遙測系統帶到賽道旁邊,維修區看起來就像是一片高度不斷增加的伸縮式桅桿森林。當無線電頻譜變得越來越擁擠,如果不管到哪裡都必須帶著它,而且還要受當地無線電頻譜法規的約束時,一切就變成了噩夢。」

「最重要的是,在某些國家,如摩納哥和新加坡,這些系統通常無法完全覆蓋特定的賽道,因此一些車隊開始在酒店等類似場所部署中繼器。」Watt補充道,「所幸一級方程式管理階層(FOM)和FIA介入並導入了標準通訊系統,為所有車隊提供駕駛語音無線電和遙測鏈路。現在,FOM會在賽道周圍放一個接取點(AP)共用系統,透過光纖鏈路將加密資料從每輛賽車傳送到車隊。」

他說:「遙測鏈路現在是所有F1車隊正常運作的重要組成部份。由於汽車和動力裝置組合極其複雜,加上賽事規則的限制(車隊必須確保引擎和變速箱能連續參加多場比賽),如果不使用感測器、ECU和遙測鏈路來掌握汽車的健康狀況,那麼賽車幾乎不可能行駛在賽道上,或者賽道邊的F1工程師也無法在重要的動力傳動元件出現災難性故障之前及時介入。如果不加以預防,這類故障可能會導致賽車手失去寶貴的參賽機會,甚至導致車隊受到懲罰。」

透過收集煞車、轉彎速度、變速箱、車輪轉動、變速箱壽命以及引擎最有效運轉速度範圍等資料,感測器可以協助車隊監控車輛與賽車手,使其達到最佳狀態。這些擷取到的資料還可用於即時分析引擎性能,以便車隊工程師採取相應措施,遠端解決問題,從而提高汽車效率。

F1賽車中最大的一個障礙是嚴苛的比賽環境。過高的溫度和過度振動都會降低感測器的精度,最終損壞元件本身。任何電子元件都必須以最高效率運作(3)。

在設計中必須滿足的一項要求是減小元件漂移。漂移是感測器精度隨時間降低的趨勢,可能導致永久的元件損壞和不可逆的引擎故障。實現精準的資料擷取畢竟較困難,因此一輛賽車中通常使用大約一百個感測器。

而且,比賽環境還受到灰塵、燃油和濕氣等因素的影響。利用材料科學可以解決一部份問題,例如開發新材料來生產在嚴苛條件下仍能可靠運行的元件。傳統的振盪保護集中在安裝硬體上,如果電子元件沒有防振盪保護,或者本身的設計不能抵抗材料疲勞,則可靠性會隨時間降低。

3:一級方程式賽車中使用的連接器。(圖片來源:McLaren Racing)

資料擷取系統

資料擷取系統所記錄的測量值來自安裝在車體各個位置的感測器。例如,常見的一級方程式賽車採用三個感測器來測量車速:包括安裝在車輪上的霍爾效應(Hall-effect)磁感測器、Correvit光學感測器和皮托管(Pitot Tube)。

Watt說:「一級方程式賽車使用了皮托管空速感測器,當然還要考慮風速的影響。因此,如果問F1賽車速度究竟有多快,這可能是一個很難準確回答的問題,它通常需要對多個來源的資料進行統計分析,還涉及模型及後期處理。」

用標準模型測量每個車輪的轉速可以解決打滑的問題,光學感測器用於監測賽道和GPS,還有一些感測器用於測量溫度、角速度和線速度、角位移和線位移、壓力、材料應力、加速度和磁場變化等。加速度計用於測量橫向重力(轉彎),以及檢測縱向重力(例如範圍為0至4g的煞車)。

感測器的位置確定用於檢測的方向。雙軸感測器可以同時測量轉向力和煞車力。非接觸溫度檢測通常針對煞車、馬達和輪胎,紅外微機電系統(MEMS)感測器用於溫度測量,可進行非接觸溫度檢測。這些感測器通常使用熱電堆材料來吸收被測物體發出的紅外能量,並根據電壓的變化確定物體溫度。熱像儀用於監測輪胎接觸區域的磨損並對發熱進行控制。

傳動扭矩和稱重感測器等參數則以200Hz的頻率進行記錄,即每秒200次。如果車子發生強烈振動,則可能產生一個額外的記錄,並改變取樣速率,以取得車子各個部份的振動分析。每次賽車返回維修區時,F1工程師都會採集資料並將這些資料上傳到專用伺服器,以備不時之需。Watt說:「在分析懸吊移動時,通常採用1kHz的取樣速率;而進行振動分析時(通常是可靠性驗證的一部分),則採用100kHz或更高的取樣速率。」

遙測技術和正確的資料擷取是F1賽事的重要一環,工程師能夠利用這些技術收集比賽中的大量資料,針對這些資料進行分析與詮釋,並用於確保賽車處於最佳狀態。

(參考原文:In Formula 1, Engineers Are Essential Members of the Team,By Maurizio Di Paolo Emilio

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年4月號雜誌

 

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