Les voitures de Formule 1 sont équipées d'une variété de capteurs et de systèmes électroniques que les équipes utilisent pour travailler avec une grande variété de données.
Comment réussir en Formule 1 - grâce aux compétences d'un pilote ou d'une voiture finement réglée? Cette controverse a éclaté dans les années 1980 lorsque l'utilisation de systèmes électroniques dans les boules de feu a commencé à augmenter. Les ingénieurs ont travaillé sans relâche pour optimiser les voitures de course, affinant les configurations de plus de 18 000 composants (y compris des capteurs, des unités de commande et des pièces mécaniques).
Les équipes techniques de Formule 1 travaillent dans une variété de domaines scientifiques, de la mécanique et de l'électronique à l'analyse des données et à l'aérodynamique. La compétition entre équipes de course devient une compétition technologique pour mieux comprendre la dynamique du comportement des voitures, jusqu'à la microseconde.
Les réglementations strictes de la FIA (International Automobile Federation) limitent sévèrement l'utilisation de la technologie pour garantir que l'importance des compétences acrobatiques ne soit pas perdue en course. De nombreuses technologies et solutions mises en œuvre dans les véhicules utilitaires (comme l'ABS et les transmissions automatiques) sont interdites dans les voitures de Formule 1.
Les voitures de course ont subi des changements importants ces dernières années. Grâce à la télémétrie, les ingénieurs de course peuvent surveiller et améliorer les performances du véhicule en analysant les données de plus de 300 capteurs provenant de divers appareils situés à différents points de la voiture de Formule 1. Des centaines de paramètres peuvent être mesurés en temps réel. Toutes les données sont collectées par un enregistreur et transmises aux commandes par radio à l'aide d'une antenne située à l'avant du véhicule.
S'adressant à l'EE Times, Stephen Watt, responsable de l'électronique chez McLaren Racing, a déclaré: «La voiture sur la piste n'est que la pointe de l'iceberg; maintenant, les équipes sont très dépendantes des données. La transmission des données est effectuée sur un réseau de 5 Mbps étendu sur tout le paddock. Les ingénieurs utilisent également des données locales téléchargées à partir d'enregistreurs embarqués. Tout cela permet aux ingénieurs d'évaluer à la fois les performances de la voiture sur piste et les caractéristiques d'usine, ce qui leur permet d'analyser les performances de la voiture, ainsi que d'ajuster leur stratégie en fonction des performances des autres équipes. Une voiture de Formule 1 à la pointe de la technologie est un système de traitement de données intelligent et en réseau capable de voyager à des vitesses supérieures à 200 kilomètres par heure. De grandes quantités de données sont envoyées aux ingénieurs chaque seconde,et ces tableaux contiennent des données sur tout, de l'état des pneus à la température du moteur. "
ECU et capteurs
Chaque véhicule est équipé de plusieurs calculateurs. Au centre du système se trouve l'ECU ou SECU standard. En fait, le SECU est un ordinateur petit mais très puissant qui gère de grandes quantités de données, les traite et les transfère des voitures de Formule 1 aux équipes. SECU optimise la communication avec le moteur, la boîte de vitesses et le différentiel ainsi qu'avec le système aérodynamique. Le SECU est également l'unité principale de stockage et de collecte de données qui fournit des données de télémétrie en temps réel aux équipes et à la gestion des courses. Cela permet aux équipes de visualiser les performances de leurs véhicules en temps réel en surveillant l'état du moteur, l'usure des pneus et la consommation de carburant.
Les modèles SECU TAG-320B sont fournis par McLaren Applied (une société sœur de McLaren Racing) et, conformément à la réglementation, ces unités doivent être utilisées par toutes les équipes de Formule 1. Le TAG-320B vous permet de créer une plate-forme unique qui peut être utilisée par les équipes, les fournisseurs de groupes motopropulseurs (pour surveiller le fonctionnement de l'appareil) et la FIA. Le TAG-320B est équipé de composants de groupe motopropulseur et d'une transmission à huit vitesses. Le TAG-320B permet également à la FIA de limiter la fonctionnalité du logiciel pour contrôler divers systèmes - cela garantit que les équipes ne peuvent pas mettre en œuvre des systèmes d'assistance à la conduite tels que le contrôle de traction (ou leur impact sur la voltige peut être surveillé si les équipes sont autorisées à les utiliser)
Les voitures sont équipées d'environ 300 capteurs et SECU surveille plus de 4000 paramètres. Pendant une course moyenne, la voiture transmet environ 3 Go de données de télémétrie, ainsi qu'environ 4 Go de journaux, et ces données ne constituent que la base de tous les calculs. Lors du traitement et de la combinaison de données provenant d'autres sources (par exemple, lorsque vous travaillez avec des données audio et du matériel vidéo), vous pouvez constater que l'équipe doit travailler avec un téraoctet de données critiques pendant le week-end de course moyen - et ces données doivent être renvoyées encore et encore pendant la compétition et saisons à venir.
Les capteurs des monoplaces sont utilisés pour suivre les problèmes potentiels. Les ingénieurs peuvent instantanément prendre des décisions en fonction des données collectées. Par exemple, si une augmentation de la température du moteur est détectée, vous pouvez découvrir que la raison en est l'approche de la voiture qui précède. Dans ce cas, les ingénieurs peuvent informer le pilote qu'il doit sortir du nuage d'échappement et l'éviter jusqu'à ce que la température baisse à des valeurs acceptables.
Il existe 3 catégories de capteurs: les capteurs de contrôle associés aux servo variateurs (par exemple, pour surveiller l'état de la pédale d'accélérateur), les capteurs pour surveiller l'état du véhicule (par exemple, la pression hydraulique) et les capteurs d'instruments (par exemple, les capteurs de température sans contact pour suivre le lubrifiant).
Une voiture de Formule 1 a plusieurs vies. Lors des qualifications et de la course, elle devient une voiture de course légère avec le minimum d'équipement nécessaire pour terminer la course (même si même dans cette configuration, la voiture aura plus de 1,5 km de câblage et plus de 200 capteurs). À l'autre extrême, des tests hivernaux sont utilisés pour tester complètement la voiture et la transformer en laboratoire d'essais sur roues.
Pour l'essentiel, notre travail est motivé par la demande de données de haute qualité. Les changements périodiques des règlements techniques et sportifs, ainsi que la réduction du nombre d'essais sur piste, ont accru l'importance d'une compréhension approfondie du fonctionnement de la voiture sur piste.
«Les récents changements apportés à la réglementation de la Formule 1 causés par la pandémie COVID-19 visaient à réduire les coûts en gelant certains domaines du développement automobile. Ces changements changent également notre orientation et nous obligent à surveiller les budgets et les chaînes d'approvisionnement comme jamais auparavant - tout cela afin de tirer le meilleur parti de ces domaines dans lesquels nous avons une certaine liberté », a déclaré Watt.
Depuis 2014, la FIA a rendu obligatoire l'utilisation de débitmètres pour différents liquides (capteurs FFM - Fluid Flow Meters). Les capteurs FFM utilisent des ultrasons pour mesurer le débit de fluide afin d'assurer des lectures précises et de fournir une analyse instantanée des caractéristiques du carburant de la voiture. La mesure par ultrasons nécessite deux transducteurs piézoélectriques. Ces capteurs envoient des impulsions ultrasonores, les reçoivent en retour et les accélèrent pour déterminer le débit.
Télémétrie
La télémétrie a été introduite à la fin des années 1980 et a considérablement évolué au fil des ans. De nos jours, même en une fraction de seconde, beaucoup plus de données sont collectées et traitées qu'au cours de ces années - grâce à cela, les ingénieurs de course ont la possibilité de fournir des conseils tactiques aux pilotes en temps réel.
Les systèmes de télémétrie et d'analyse de données sont utilisés dans divers domaines. Moteur, frein moteur, contrôle de couple, injection moteur et allumage sont autant de paramètres contrôlables avec ces technologies. En outre, l'utilisation de systèmes de télémétrie et d'analyse de données, le châssis, les pneus, le système d'accélération, la vitesse de la voiture et le contrôle aérodynamique utilisant le coefficient de perméabilité de la voiture sont étroitement liés.
Parlant de la télémétrie en Formule 1, Stephen Watt a déclaré ce qui suit: «La télémétrie en tant que terme n'est pas toujours utilisée correctement en Formule 1, elle est généralement utilisée pour désigner la transmission sans fil de données générées dans le SECU et envoyées aux ingénieurs dans les boîtes. Les systèmes de télémétrie utilisés en Formule 1 ont considérablement changé en termes de pragmatisme ces dernières années. "
Watt a également déclaré qu '" avant, chaque équipe avait son propre système de télémétrie radio indépendant sur la piste ", a-t-il poursuivi," et par conséquent, les boîtes ressemblaient à une forêt de mâts. hauteur de plus en plus grande. Bien sûr, le spectre des fréquences radio était surchargé, et quand il s'agissait du fait que ces installations devaient être transportées dans le monde entier et s'inscrire dans la régulation locale du spectre de fréquences, tout cela ressemblait à un cauchemar.
«En plus de cela, ces systèmes ne fournissaient souvent pas une couverture complète sur certaines routes (comme Monaco et Singapour), de sorte que certaines équipes ont commencé à installer des répéteurs sur les toits des hôtels et des trucs comme ça. Heureusement, le FOM et la FIA sont entrés dans le jeu et ont mis en œuvre un système de communication standard fournissant à la fois une communication vocale avec les pilotes et une télémétrie pour toutes les équipes. Le FOM déploie maintenant un système AP commun autour de la piste et transmet des données cryptées de chaque voiture au garage de l'équipe via la fibre optique », a-t-il déclaré.
Il a ajouté: "... la télémétrie est une partie essentielle du travail de toutes les équipes de Formule 1. De nos jours. En raison de la combinaison de la complexité des voitures et des groupes motopropulseurs, ainsi que des règles sportives qui obligent les équipes à stocker les moteurs et les transmissions pour plusieurs courses, les équipes ne conduira presque certainement pas un véhicule non signalé. Ces données sont collectées grâce à un ensemble de capteurs et de télémétrie qui peuvent aider les ingénieurs à prendre des mesures avant qu'une erreur ne cause des dommages catastrophiques aux composants du groupe motopropulseur. corrigé, cela pourrait entraîner une perte de temps en piste, voire une pénalité pour l'équipe. "
Les capteurs aident à surveiller et à optimiser les performances de la voiture et du conducteur en collectant des données sur le freinage, la vitesse de virage, la boîte de vitesses, le patinage des roues, la durée de vie de la boîte de vitesses et la plage de vitesse à laquelle le moteur est le plus efficace. Ces données sont utilisées pour analyser les performances du moteur en temps réel, permettant aux ingénieurs d'agir sur la situation et de résoudre les problèmes à distance et ainsi d'augmenter l'efficacité de la machine.
L'un des plus grands obstacles au succès est les conditions difficiles qui surviennent pendant la course en raison de températures et de vibrations excessives qui réduisent la précision des capteurs et, finalement, de l'ECU lui-même. Les composants électroniques doivent fonctionner aussi efficacement que possible - y compris ils sont conçus pour réduire le facteur de dérive. La dérive est une perte de précision qui se produit au fil du temps, entraînant des dommages aux composants et une panne moteur irréversible. Avec des centaines (ou plus) de capteurs dans une voiture de course moyenne, la charge globale sur les systèmes de traitement de données peut être énorme.
La poussière, l'huile et l'humidité pénètrent également dans les voitures pendant les courses. La nécessité de résoudre ce problème crée une forte demande de matériaux - ce qui signifie qu'il existe des demandes de science et de scientifiques capables de produire des matériaux hautement fiables dans des conditions difficiles. Une solution courante pour la protection contre les vibrations consiste à travailler avec l'installation de composants matériels. La fiabilité se dégrade avec le temps si les composants électroniques ne sont pas protégés contre les vibrations ou ne sont pas conçus avec une résistance critique à la fatigue à l'esprit.
Système de traitement des données
Les mesures enregistrées par le système d'acquisition de données sont en fait réalisées par des capteurs installés dans toute la machine. Par exemple, la vitesse d'une voiture peut être mesurée à l'aide d'un capteur Hall magnétique monté sur la roue, d'un capteur optique Correvit et d'un tube de Pitot (la plupart des voitures de Formule 1 utilisent trois capteurs en même temps).
«Les capteurs de vitesse de l'air sous forme de tube de Pitot sont également utilisés dans les voitures de Formule 1, et le facteur vent doit également être pris en compte. Même la question de savoir à quelle vitesse va une voiture de Formule 1 est difficile d'obtenir une réponse exacte - elle nécessite une analyse statistique des données provenant de sources multiples et leur post-traitement », a déclaré Watt.
La vitesse de rotation de chaque roue est mesurée à l'aide de méthodes conventionnelles pour tenir compte du patinage des roues. D'autres capteurs sont optiques, ils suivent la trace et le GPS.
Des capteurs spéciaux peuvent mesurer la température, la vitesse angulaire et linéaire, les déplacements angulaires et linéaires, la pression, la contrainte du matériau, l'accélération, les changements de champ magnétique et d'autres indicateurs. Les accéléromètres sont utilisés pour mesurer les forces G, également appelées «virages». En outre, les accéléromètres peuvent être utilisés pour déterminer les forces longitudinales telles que le freinage - elles vont de 0 à 4G.
La position du capteur détermine la direction reconnue. Un capteur biaxial mesure les forces de direction et de freinage. La détection de température sans contact est souvent utilisée dans les applications de freinage, de moteur et de bus. Les capteurs infrarouges MEMS sont utilisés pour mesurer la température, permettant des mesures de température sans contact. Typiquement, ces capteurs utilisent un matériau thermophile pour absorber et mesurer l'énergie infrarouge émise par l'objet mesuré, détectant ainsi la température de l'objet. Un ensemble d'imageurs thermiques orientés vers les zones de contact des pneumatiques permet de surveiller leur état et de contrôler le chauffage.
«Certains paramètres, tels que les lectures de couple et de cellule de charge, sont enregistrés à des fréquences de l'ordre de 200 Hz, c'est-à -dire. 200 fois par seconde. En cas de fortes vibrations, vous pouvez installer un enregistreur supplémentaire sur la machine et modifier la fréquence d'enregistrement pour obtenir des informations sur les vibrations dans différentes parties de la machine. Par mesure de précaution, les ingénieurs des équipes de Formule 1 collectent des données à chaque fois que la voiture revient aux stands et les téléchargent sur un serveur dédié. «Lorsqu'il s'agit d'analyser le mouvement de la suspension, les journaux sont enregistrés à 1 kHz, bien que cela puisse aller jusqu'à 100 kHz ou plus lors de l'analyse des vibrations - cela est souvent nécessaire pour vérifier la fiabilité», a déclaré Watt.
La télémétrie et la collecte appropriée des données sont des facteurs importants en Formule 1 car elles permettent aux ingénieurs de collecter d'énormes quantités de données pendant la course. Les données peuvent ensuite être interprétées et utilisées pour garantir des performances optimales de la voiture. La voiture de Formule 1 peut fonctionner avec deux types de télémétrie: les données transmises en temps réel par petits paquets et les explosions ponctuelles de grands tableaux de données, déchargées lorsque la voiture entre dans les boîtes.
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