سيارات الفورمولا 1 مجهزة بمجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار والأنظمة الإلكترونية التي تستخدمها الفرق للعمل مع مجموعة متنوعة من البيانات.
كيف يمكنك تحقيق النجاح في الفورمولا 1 - من خلال مهارات طيار أو سيارة مضبوطة بدقة؟ اندلع هذا الجدل في الثمانينيات عندما بدأ استخدام الأنظمة الإلكترونية في الكرات النارية في الارتفاع. عمل المهندسون بلا كلل لتحسين سيارات السباق ، وتحسين تكوينات أكثر من 18000 مكون (بما في ذلك أجهزة الاستشعار ووحدات التحكم والأجزاء الميكانيكية).
تعمل الفرق الفنية للفورمولا 1 في مجموعة متنوعة من المجالات العلمية - من الميكانيكا والإلكترونيات إلى تحليل البيانات والديناميكا الهوائية. أصبحت المنافسة بين فرق السباق منافسة تكنولوجية لتحقيق فهم أفضل لديناميكيات سلوك السيارة ، وصولاً إلى جزء من الثانية.
تقيد لوائح الاتحاد الدولي للسيارات (FIA) الصارمة استخدام التكنولوجيا لضمان عدم فقدان أهمية المهارات الجوية في السباق. العديد من التقنيات والحلول المطبقة في المركبات التجارية (مثل ABS وناقل الحركة الأوتوماتيكي) محظورة للاستخدام في سيارات الفورمولا 1.
شهدت سيارات السباق تغييرات كبيرة في السنوات الأخيرة. بفضل القياس عن بعد ، يمكن لمهندسي السباقات مراقبة أداء السيارة وتحسينه من خلال تحليل البيانات من أكثر من 300 جهاز استشعار من أجهزة مختلفة موجودة في نقاط مختلفة في سيارة الفورمولا 1. يمكن قياس مئات المعلمات في الوقت الفعلي. يتم جمع جميع البيانات بواسطة المسجل ونقلها إلى الأوامر عبر الراديو باستخدام هوائي موجود في مقدمة السيارة.
وفي حديثه إلى EE Times ، قال ستيفن وات ، رئيس قسم الإلكترونيات في شركة McLaren Racing: "السيارة التي تسير على الحلبة هي مجرد قمة جبل الجليد. الآن تعتمد الفرق بشكل كبير على البيانات. يتم نقل البيانات عبر شبكة 5 ميجابت في الثانية ممتدة في جميع أنحاء الحلبة. يستخدم المهندسون أيضًا البيانات المحلية التي يتم تنزيلها من أدوات قطع الأشجار الموجودة على متن الطائرة. كل هذا يسمح للمهندسين بتقييم أداء السيارة على الحلبة وخصائص المصنع ، مما يسمح لهم بتحليل أداء السيارة ، وكذلك ضبط استراتيجيتهم وفقًا لأداء الفرق الأخرى. سيارة فورمولا 1 الحديثة هي نظام معالجة بيانات ذكي متصل بالشبكة قادر على السفر بسرعات تزيد عن 200 كيلومتر في الساعة. يتم إرسال كميات كبيرة من البيانات إلى المهندسين كل ثانية ،وتحتوي هذه المصفوفات على بيانات عن كل شيء من حالة الإطارات إلى درجة حرارة المحرك ".
وحدة التحكم الإلكترونية وأجهزة الاستشعار
كل مركبة مجهزة بوحدات نقدية أوروبية متعددة. في وسط النظام يوجد معيار ECU أو SECU. في الواقع ، يعد SECU كمبيوترًا صغيرًا ولكنه قوي جدًا يدير كميات كبيرة من البيانات ، بالإضافة إلى العمليات ونقلها من سيارات Formula 1 إلى الفرق. تعمل SECU على تحسين الاتصال مع المحرك وعلبة التروس والترس التفاضلي وكذلك مع النظام الديناميكي الهوائي. تعد SECU أيضًا وحدة التخزين الأساسية وجمع البيانات التي توفر بيانات القياس عن بُعد في الوقت الفعلي للفرق وإدارة السباقات. يتيح ذلك للفرق تصور أداء سياراتهم في الوقت الفعلي من خلال مراقبة حالة المحرك وتآكل الإطارات واستهلاك الوقود.
يتم توفير طرازات SECU TAG-320B بواسطة شركة McLaren Applied (شركة شقيقة لشركة McLaren Racing) ، ووفقًا للوائح ، يجب استخدام هذه الوحدات من قبل جميع فرق الفورمولا 1. يتيح لك TAG-320B إنشاء منصة واحدة يمكن استخدامها من قبل الفرق وموردي مجموعة نقل الحركة (لمراقبة تشغيل الجهاز) و FIA. تم تجهيز TAG-320B بمكونات مجموعة نقل الحركة وناقل حركة من ثماني سرعات. يسمح TAG-320B أيضًا لـ FIA بالحد من وظائف البرنامج لإدارة الأنظمة المختلفة - وهذا يضمن عدم تمكن الفرق من تنفيذ أنظمة مساعدة السائق مثل التحكم في الجر (أو يمكن مراقبة تأثيرها على الأكروبات إذا سمح للفرق باستخدامها)
السيارات مجهزة بحوالي 300 جهاز استشعار ، ومراقب SECU أكثر من 4000 معلمة. أثناء السباق المتوسط ، تنقل السيارة حوالي 3 غيغابايت من بيانات القياس عن بُعد ، بالإضافة إلى حوالي 4 غيغابايت من السجلات ، وتشكل هذه البيانات أساس جميع الحسابات فقط. عند معالجة البيانات من مصادر أخرى ودمجها (على سبيل المثال ، عند العمل مع البيانات الصوتية ومواد الفيديو) ، قد يتعين على الفريق العمل مع تيرابايت من البيانات الهامة خلال متوسط عطلة نهاية الأسبوع للسباق - ويجب إعادة هذه البيانات مرارًا وتكرارًا أثناء المنافسة و المواسم القادمة.
تستخدم المستشعرات الموجودة في المقاعد الفردية لتتبع المشكلات المحتملة. يمكن للمهندسين اتخاذ قرارات على الفور بناءً على البيانات التي تم جمعها. على سبيل المثال ، إذا تم الكشف عن ارتفاع في درجة حرارة المحرك ، يمكنك معرفة أن السبب في ذلك هو الاقتراب من السيارة التي أمامك. في هذه الحالة ، يمكن للمهندسين إخبار الطيار بأنه يحتاج إلى الخروج من سحابة العادم وتجنبها حتى تنخفض درجة الحرارة إلى القيم المقبولة.
هناك 3 فئات من المستشعرات: مستشعرات التحكم المرتبطة بالمضاعفات (على سبيل المثال ، لمراقبة حالة دواسة الغاز) ، وأجهزة الاستشعار لمراقبة ظروف السيارة (على سبيل المثال ، الضغط الهيدروليكي) ، ومستشعرات الأدوات (على سبيل المثال ، مستشعرات درجة الحرارة غير المتصلة لتتبع زيت التشحيم).
سيارة Formula 1 لها حياة عديدة. أثناء التصفيات والسباقات ، تصبح سيارة سباق خفيفة الوزن مع الحد الأدنى من المعدات اللازمة لإكمال السباق (على الرغم من أنه حتى في هذا التكوين ، ستحتوي السيارة على أكثر من 1.5 كيلومتر من الأسلاك وأكثر من 200 جهاز استشعار). في الطرف الآخر توجد اختبارات الشتاء ، حيث يتم إجراء اختبار كامل للسيارة ، ويتحول إلى مختبر اختبار على عجلات.
بالنسبة للجزء الأكبر ، فإن عملنا مدفوع بالطلب على البيانات عالية الجودة. أدت التغييرات الدورية في اللوائح الفنية والرياضية ، فضلاً عن تقليل عدد الاختبارات على الحلبة ، إلى زيادة أهمية الفهم العميق لكيفية عمل السيارة أثناء سيرها على الحلبة.
"كانت التغييرات الأخيرة على لوائح الفورمولا 1 الناجمة عن وباء COVID-19 تهدف إلى تقليل التكاليف عن طريق تجميد بعض مجالات تطوير السيارات. هذه التغييرات تغير أيضًا تركيزنا وتجعلنا نراقب الميزانيات وسلاسل التوريد بشكل لم يسبق له مثيل - كل ذلك من أجل تحقيق أقصى استفادة من تلك المجالات التي نتمتع فيها ببعض الحرية ، "- قال وات.
منذ عام 2014 ، ألزم الاتحاد الدولي للسيارات استخدام مقاييس التدفق للسوائل المختلفة (مستشعرات FFM - أجهزة قياس تدفق السوائل). تستخدم مستشعرات FFM الموجات فوق الصوتية لقياس تدفق السوائل لضمان قراءات دقيقة وتقديم تحليل فوري لخصائص الوقود في السيارة. يتطلب القياس بالموجات فوق الصوتية اثنين من محولات الطاقة الكهرضغطية. ترسل هذه المستشعرات نبضات فوق صوتية ، وتستقبلها مرة أخرى ، وتقطعها بفاصل زمني لتحديد معدل التدفق.
القياس عن بعد
تم إدخال القياس عن بعد في أواخر الثمانينيات وتطور بشكل ملحوظ على مر السنين. في الوقت الحاضر ، حتى في جزء من الثانية ، يتم جمع ومعالجة بيانات أكثر بكثير مما كانت عليه في تلك السنوات - ولهذا السبب ، يتمتع مهندسو السباقات بفرصة تقديم المشورة التكتيكية للطيارين في الوقت الفعلي.
تستخدم أنظمة القياس عن بعد وتحليل البيانات في مختلف المجالات. المحرك وفرامل المحرك والتحكم في عزم الدوران وحقن المحرك والإشعال كلها عوامل يمكن التحكم فيها باستخدام هذه التقنيات. أيضًا ، يرتبط استخدام أنظمة القياس عن بُعد وتحليل البيانات ، والشاسيه ، والإطارات ، ونظام التسارع ، وسرعة السيارة والتحكم الديناميكي الهوائي باستخدام معامل نفاذية السيارة ارتباطًا وثيقًا.
في حديثه عن القياس عن بعد في الفورمولا 1 ، قال ستيفن وات ما يلي: "القياس عن بعد كمصطلح لا يُستخدم دائمًا بشكل صحيح في الصيغة 1 ، وعادة ما يستخدم للإشارة إلى النقل اللاسلكي للبيانات التي تم إنشاؤها بواسطة SECU وإرسالها إلى المهندسين في الصناديق. لقد تغيرت أنظمة القياس عن بُعد المستخدمة في الفورمولا 1 بشكل كبير من حيث البراغماتية في السنوات الأخيرة "
ذكر وات أيضًا أنه" من قبل ، أخذ كل فريق نظام القياس اللاسلكي المستقل الخاص به على المسار ، "وتابع ، ونتيجة لذلك ، بدت الصناديق وكأنها غابة من الصواري. ارتفاع أكبر وأكبر. بالطبع ، كان طيف الترددات الراديوية محملاً بشكل زائد ، وعندما يتعلق الأمر بحقيقة أن هذه التركيبات ستحتاج إلى النقل حول العالم وتناسب التنظيم المحلي للطيف الترددي ، بدا الأمر وكأنه كابوس.
علاوة على ذلك ، غالبًا ما لم توفر هذه الأنظمة تغطية كاملة لبعض الطرق السريعة (مثل موناكو وسنغافورة) ، لذلك بدأت بعض الفرق في تثبيت أجهزة إعادة الإرسال على أسطح الفنادق وأشياء من هذا القبيل. لحسن الحظ ، دخلت FOM و FIA في اللعبة ونفذت نظام اتصالات قياسيًا يوفر الاتصالات الصوتية مع الطيارين والقياس عن بعد لجميع الفرق. تنشر FOM الآن نظام AP مشترك حول المسار وتنقل البيانات المشفرة من كل سيارة إلى مرآب الفريق عبر الألياف البصرية ".
وأضاف: "... يعد القياس عن بعد جزءًا أساسيًا من عمل جميع فرق الفورمولا 1 هذه الأيام. نظرًا للجمع بين تعقيد السيارات ومجموعة نقل الحركة ، فضلاً عن القواعد الرياضية التي تتطلب من الفرق تخزين المحركات وناقلات الحركة لسباقات وفرق متعددة يكاد يكون من المؤكد أنه لن يقود مركبة لم يتم الإبلاغ عنها. يتم جمع هذه البيانات باستخدام مجموعة من أجهزة الاستشعار والقياس عن بعد ، مما يسمح للمهندسين باتخاذ الإجراءات قبل أن يتسبب الخطأ في حدوث أضرار كارثية لمكونات مجموعة نقل الحركة. إذا تم تصحيحه ، فقد يؤدي إلى إضاعة وقت المسار ، أو حتى عقوبة للفريق ".
تساعد المستشعرات في مراقبة السيارة والسائق وتحسينهما من خلال جمع البيانات عن الكبح وسرعة الانعطاف وعلبة التروس ودوران العجلة وعمر علبة التروس ونطاق السرعة الذي يكون فيه المحرك أكثر كفاءة. تُستخدم هذه البيانات لتحليل أداء المحرك في الوقت الفعلي ، مما يسمح للمهندسين بالتصرف في الموقف وحل المشكلات عن بُعد وبالتالي زيادة كفاءة الماكينة.
واحدة من أكبر العقبات التي تحول دون النجاح هي الظروف القاسية التي تنشأ أثناء السباق بسبب درجات الحرارة والاهتزازات الزائدة التي تقلل من دقة أجهزة الاستشعار وفي النهاية وحدة التحكم الإلكترونية نفسها. يجب أن تعمل المكونات الإلكترونية بأكبر قدر ممكن من الكفاءة - بما في ذلك أنها مصممة لتقليل عامل الانجراف. الانجراف هو فقدان الدقة الذي يحدث بمرور الوقت ، مما يؤدي إلى تلف المكونات وفشل المحرك بشكل لا يمكن إصلاحه. مع وجود مئات (أو نحو ذلك) من أجهزة الاستشعار في سيارة سباق متوسطة الحجم ، يمكن أن يكون الحمل الكلي على أنظمة معالجة البيانات هائلاً.
الغبار والزيت والرطوبة يدخلان السيارات أيضًا أثناء السباق. تخلق الحاجة إلى حل هذه المشكلة طلبًا كبيرًا على المواد - مما يعني أن هناك مطالب للعلم والعلماء القادرين على إنتاج مواد موثوقة للغاية للظروف الصعبة. الحل الشائع لحماية الاهتزاز هو العمل مع تركيب مكونات الأجهزة. تتدهور الموثوقية بمرور الوقت إذا لم تكن المكونات الإلكترونية محمية من الاهتزاز أو لم يتم تصميمها مع مراعاة مقاومة التعب الحرجة.
نظام معالجة البيانات
يتم أخذ القياسات المسجلة بواسطة نظام الحصول على البيانات بواسطة أجهزة استشعار مثبتة في جميع أنحاء الجهاز. على سبيل المثال ، يمكن قياس سرعة السيارة باستخدام مستشعر هول المغناطيسي المركب على العجلة ، ومستشعر Corevit البصري وأنبوب بيتوت (تستخدم معظم سيارات Formula 1 ثلاثة أجهزة استشعار في نفس الوقت).
تُستخدم مستشعرات سرعة الهواء على شكل أنبوب بيتوت أيضًا في سيارات الفورمولا 1 ، ويجب أيضًا مراعاة عامل الرياح. حتى السؤال عن مدى سرعة سيارة الفورمولا 1 من الصعب الحصول على إجابة دقيقة - فهي تتطلب تحليلًا إحصائيًا للبيانات من مصادر متعددة ومعالجتها اللاحقة "، قال وات.
يتم قياس سرعة دوران كل عجلة باستخدام الطرق التقليدية لحساب انزلاق العجلة. أجهزة الاستشعار الأخرى بصرية ، فهي تتعقب المسار ونظام تحديد المواقع العالمي.
يمكن لأجهزة الاستشعار الخاصة قياس درجة الحرارة ، والسرعة الزاوية والخطية ، والانزياحات الزاويّة والخطية ، والضغط ، وإجهاد المواد ، والتسارع ، والتغيرات في المجال المغناطيسي وغيرها من المؤشرات. تستخدم مقاييس التسارع لقياس قوى التسارع ، وتسمى أيضًا "الانعطاف". أيضًا ، يمكن استخدام مقاييس التسارع لتحديد القوى الطولية مثل الكبح - فهي تتراوح من 0 إلى 4G.
يحدد موضع المستشعر الاتجاه الذي يتم التعرف عليه. يقيس جهاز استشعار ثنائي المحور قوى التوجيه والفرملة. غالبًا ما يستخدم الكشف عن درجة حرارة عدم التلامس في تطبيقات الكبح والمحرك والحافلات. تستخدم مستشعرات الأشعة تحت الحمراء MEMS لقياس درجة الحرارة ، مما يسمح بقياسات درجة الحرارة غير المتصلة. عادةً ما تستخدم هذه المستشعرات مادة محبة للحرارة لامتصاص وقياس طاقة الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الجسم المقاس ، وبالتالي اكتشاف درجة حرارة الجسم. تسمح مجموعة من أجهزة التصوير الحراري التي تستهدف مناطق التلامس بالإطارات بمراقبة حالتها والتحكم في التدفئة.
"يتم تسجيل بعض المعلمات ، مثل قراءات عزم الدوران وخلية الحمل ، بترددات تصل إلى 200 هرتز ، أي. 200 مرة في الثانية. في حالة وجود اهتزاز قوي ، يمكنك وضع مسجل إضافي على الجهاز وتغيير تردد التسجيل للحصول على معلومات حول الاهتزاز في أجزاء مختلفة من الجهاز. كإجراء احترازي ، يقوم مهندسو فرق الفورمولا 1 بجمع البيانات في كل مرة تعود فيها السيارة إلى الحفرة ، ويقومون بتحميلها على خادم مخصص. قال وات "عندما يتعلق الأمر بتحليل حركة التعليق ، يتم تسجيل السجلات عند 1 كيلو هرتز ، على الرغم من أن هذا يمكن أن يصل إلى 100 كيلو هرتز أو أعلى عند إجراء تحليل الاهتزاز - وهذا مطلوب غالبًا للتحقق من الموثوقية".
يعد القياس عن بُعد وجمع البيانات المناسب من العوامل المهمة في الفورمولا 1 حيث يتيحان للمهندسين جمع كميات هائلة من البيانات أثناء السباق. يمكن بعد ذلك تفسير البيانات واستخدامها لضمان الأداء الأمثل للسيارة. يمكن لسيارة Formula 1 العمل بنوعين من القياس عن بعد: البيانات المرسلة في الوقت الفعلي في حزم صغيرة ، والانفجارات لمرة واحدة لمصفوفات البيانات الكبيرة ، التي يتم تفريغها عند دخول السيارة إلى الصناديق.
اشترك في القنوات:
TeslaHackers - مجتمع من قراصنة تسلا الروس ، تدريب على التأجير والانجراف على
TeslaAutomotiveRu - أخبار صناعة السيارات والأجهزة وعلم نفس القيادة
حول ITELMA
اقرأ المزيد من المقالات المفيدة: