フォーミュラ1車の重要な電子機器

Formula 1の車には、チームがさまざまなデータを処理するために使用するさまざまなセンサーと電子システムが装備されています。



パイロットや微調整された車のスキルを通じて、どのようにしてフォーミュラ1で成功を収めることができますか？この論争は、火の玉での電子システムの使用が増加し始めた1980年代に勃発しました。エンジニアは、レーシングカーの最適化に精力的に取り組み、18,000を超えるコンポーネント（センサー、制御ユニット、機械部品を含む）の構成を改良しました。



Formula 1の技術チームは、機械工学や電子工学からデータ分析や空力力学まで、さまざまな科学分野で働いています。レーシングチーム間の競争は、マイクロ秒までの車両の挙動のダイナミクスをよりよく理解するための技術的な競争になりつつあります。



厳格なFIA（国際自動車連盟）規則は、レースで好気性スキルの重要性が失われないようにするために、テクノロジーの使用を厳しく制限しています。商用車（ABSや自動変速機など）に実装されている多くの技術とソリューションは、フォーミュラ1車での使用が禁止されています。



近年、レーシングカーは大きな変化を遂げています。テレメトリーのおかげで、レーシングエンジニアは、フォーミュラ1車のさまざまなポイントにあるさまざまなデバイスからの300以上のセンサーからのデータを分析することにより、車のパフォーマンスを監視および改善できます。何百ものパラメータをリアルタイムで測定できます。すべてのデータはロガーによって収集され、車両の前部にあるアンテナを使用して無線でコマンドに送信されます。



マクラーレンレーシングのエレクトロニクス責任者であるスティーブンワットは、EEタイムズに次のように述べています。「トラック上の車は、氷山の一角にすぎません。現在、チームはデータに大きく依存しています。データ送信は、パドック全体に広がる5Mbpsネットワークを介して実行されます。エンジニアは、オンボードロガーからダウンロードしたローカルデータも使用します。これにより、エンジニアはトラックでの車のパフォーマンスと工場の特性の両方を評価できるため、車のパフォーマンスを分析したり、他のチームのパフォーマンスに合わせて戦略を調整したりできます。最先端のフォーミュラ1カーは、1時間あたり200 kmを超える速度で移動できる、スマートなネットワークデータ処理システムです。毎秒、車からエンジニアに大量のデータが送信されます。これらのアレイには、タイヤの状態からエンジンの温度まで、すべてのデータが含まれています。」

ECUとセンサー

各車両には複数のECUが装備されています。システムの中心には、標準のECUまたはSECUがあります。実際、SECUは小さいながらも非常に強力なコンピューターであり、大量のデータを管理し、それらを処理して、Formula1の車からチームに転送します。SECUは、エンジン、ギアボックス、ディファレンシャル、および空力システムとの通信を最適化します。SECUは、チームやレース管理者にリアルタイムのテレメトリデータを提供するプライマリストレージおよびデータ収集ユニットでもあります。これにより、チームはエンジンの状態、タイヤの摩耗、燃料消費量を監視することで、車両のパフォーマンスをリアルタイムで視覚化できます。



SECU TAG-320Bモデルは、McLaren Applied（McLaren Racingの姉妹会社）によって提供されており、規制に従って、これらのユニットはすべてのFormula1チームで使用する必要があります。 TAG-320Bを使用すると、チーム、パワートレインサプライヤ（デバイスの動作を監視するため）、およびFIAが使用できる単一のプラットフォームを作成できます。 TAG-320Bには、パワートレインコンポーネントと8速トランスミッションが装備されています。 TAG-320Bにより、FIAはさまざまなシステムを制御するためのソフトウェアの機能を制限することもできます-これにより、チームはトラクションコントロールなどのドライバー支援システムを実装できなくなります（または、チームがそれらの使用を許可されている場合は、エアロバティックスへの影響を監視できます）



車には約300のセンサーが搭載されており、SECUは4000を超えるパラメーターを監視しています。平均的なレースでは、車は約3GBのテレメトリデータと約4GBのログを送信しますが、このデータはすべての計算の基礎を形成するだけです。他のソースからのデータを処理して組み合わせる場合（たとえば、オーディオデータやビデオ素材を扱う場合）、チームは平均的なレースウィークエンドでテラバイトの重要なデータを処理する必要がある場合があります。このデータは、競技中に何度も返される必要があります。これからの季節。



シングルシーターのセンサーは、潜在的な問題を追跡するために使用されます。エンジニアは、収集したデータに基づいて即座に決定を下すことができます。たとえば、エンジン温度の上昇が検出された場合、その理由は前の車に近づいていることがわかります。この場合、エンジニアはパイロットに排気雲から抜け出し、温度が許容値に下がるまでそれを回避する必要があることを通知できます。



センサーには、サーボに関連する制御センサー（たとえば、アクセルペダルの状態を監視するため）、車両の状態を監視するためのセンサー（たとえば、油圧）、および計器センサー（たとえば、潤滑剤を追跡するための非接触温度センサー）の3つのカテゴリがあります。



フォーミュラ1の車にはいくつかの命があります。予選とレースの間、それはレースを完了するために必要な最小限の機器を備えた軽量のレースカーになります（この構成でも、車は1.5 km以上の配線と200以上のセンサーを備えています）。もう一方の極端な例では、冬のテストを使用して車を完全にテストし、車輪付きのテストラボに変えます。



ほとんどの場合、私たちの仕事は高品質のデータに対する需要によって推進されています。技術およびスポーツ規制の定期的な変更、およびトラックでのテストの数の減少により、トラック上での車の動作を深く理解することの重要性が増しています。



「COVID-19パンデミックによって引き起こされたフォーミュラ1規制の最近の変更は、自動車開発の特定の領域を凍結することによってコストを削減することを目的としていました。これらの変更はまた、私たちの使命を変え、かつてないほど予算とサプライチェーンを監視するようになります。すべて、私たちがある程度の自由を持っている分野を最大限に活用するためです」とワット氏は述べています。



2014年以降、FIAは、さまざまな液体に流量計を使用することを義務付けています（FFMセンサー-流体流量計）。FFMセンサーは、超音波を使用して流体の流れを測定し、正確な読み取りを保証し、車の燃料特性の即時分析を提供します。超音波測定には、2つの圧電トランスデューサが必要です。これらのセンサーは、超音波パルスを送信して受信し、タイムラプスして流量を決定します。

テレメトリー

テレメトリーは1980年代後半に導入され、長年にわたって大幅に進化してきました。今日では、ほんの一瞬でも、それらの年よりもはるかに多くのデータが収集および処理されます。これにより、レーシングエンジニアは、パイロットにリアルタイムで戦術的なアドバイスを提供する機会があります。



テレメトリおよびデータ分析システムは、さまざまな分野で使用されています。エンジン、エンジンブレーキ、トルク制御、エンジン噴射、点火はすべて、これらのテクノロジーで制御できるパラメーターです。また、テレメトリーおよびデータ分析システムを使用すると、シャーシ、タイヤ、加速システム、車の速度、および車の透過係数を使用した空力制御が密接に関連しています。



フォーミュラ1のテレメトリについて、スティーブンワットは次のように述べています。「フォーミュラ1では、用語としてのテレメトリが常に正しく使用されるとは限りません。通常、SECUで生成され、ボックス内のエンジニアに送信されるデータのワイヤレス送信を指すために使用されます。フォーミュラ1で使用されるテレメトリーシステムは、近年、実用性の点で大幅に変化しました。「



ワットはまた、以前は、各チームが独自の独立したラジオテレメトリーシステムを軌道に乗せ、「彼は続けました」と述べました。その結果、ボックスはマストの森のように見えました。ますます高さ。もちろん、無線周波数スペクトルは過負荷であり、これらの設備を世界中に輸送し、周波数スペクトルのローカル規制に適合させる必要があるという事実になると、それはすべて悪夢のように見えました。



「それに加えて、これらのシステムでは一部のルート（モナコやシンガポールなど）を完全にカバーできないことが多かったため、一部のチームはホテルの屋上などにリピーターを設置し始めました。幸い、FOMとFIAはゲームに参加し、パイロットとの音声通信とすべてのチームの遠隔測定の両方を提供する標準の通信システムを実装しました。 FOMは現在、トラックの周りに共通のAPシステムを展開し、暗号化されたデータを各車から光ファイバーを介してチームのガレージに送信しています」と彼は言いました。



彼は次のように付け加えました。「...テレメトリーは、最近のすべてのフォーミュラ1チームの仕事の重要な部分です。車とパワートレインの複雑さ、およびチームが複数のレースのエンジンとトランスミッションを保管することを要求するスポーツルールの組み合わせにより、チーム報告されていない車両を運転することはほぼ確実ではありません。このデータは、エラーがパワートレインコンポーネントに壊滅的な損傷を引き起こす前にエンジニアが行動を起こすのに役立つ一連のセンサーとテレメトリーを通じて収集されます。修正すると、トラック時間が無駄になり、チームにペナルティが課せられる可能性があります。」



センサーは、ブレーキング、コーナリングスピード、ギアボックス、ホイールスピン、ギアボックスの寿命、およびエンジンが最も効率的な速度範囲に関するデータを収集することにより、車とドライバーの両方を監視および最適化するのに役立ちます。このデータは、エンジンのパフォーマンスをリアルタイムで分析するために使用され、エンジニアが状況に対応して問題をリモートで解決できるようにすることで、マシンの効率を向上させます。



成功への最大の障害の1つは、センサー、そして最終的にはECU自体の精度を低下させる過度の温度と振動のためにレース中に発生する過酷な条件です。電子部品は、ドリフト係数を低減するように設計されていることを含め、可能な限り効率的に機能する必要があります。ドリフトは、時間の経過とともに発生する精度の低下であり、コンポーネントの損傷や不可逆的なエンジンの故障を引き起こします。平均的なレースカーには数百（またはそれ以上）のセンサーが搭載されているため、データ処理システムの全体的な負荷は膨大になる可能性があります。



レース中は、ほこり、油、湿気も車に侵入します。この問題を解決する必要性は、材料に対する大きな需要を生み出します。つまり、困難な条件に対して信頼性の高い材料を製造できる科学者や科学者に対する需要があります。振動保護の一般的な解決策は、ハードウェアコンポーネントのインストールを使用することです。電子部品が振動から保護されていない場合、または重大な耐疲労性を考慮して設計されていない場合、信頼性は時間の経過とともに低下します。

データ処理システム

データ取得システムによって記録された測定値は、実際にはマシン全体に設置されたセンサーによって取得されます。たとえば、車の速度は、ホイールに取り付けられた磁気ホールセンサー、光学コレビットセンサー、およびピトットチューブを使用して測定できます（ほとんどのフォーミュラ1車は、同時に3つのセンサーを使用します）。



「ピトットチューブの空気速度センサーはフォーミュラ1の車でも使用されており、風の係数も考慮する必要があります。フォーミュラ1の車の速度を尋ねられたとしても、正確な答えを得るのは困難です。複数のソースからのデータとその後処理の統計分析が必要です」とワット氏は述べています。



各ホイールの回転速度は、ホイールのスリップを考慮して従来の方法を使用して測定されます。他のセンサーは光学式で、トラックとGPSを追跡します。



特殊なセンサーは、温度、角速度と線速度、角変位と線変位、圧力、材料応力、加速度、磁場の変化、その他の指標を測定できます。加速度計は、「コーナリング」とも呼ばれるG力を測定するために使用されます。また、加速度計を使用して、ブレーキなどの縦方向の力を決定できます。範囲は0〜4Gです。



センサーの位置によって、認識される方向が決まります。二軸センサーは、操舵力と制動力を測定します。非接触温度検出は、ブレーキ、モーター、バスのアプリケーションでよく使用されます。 MEMS赤外線センサーは温度の測定に使用され、非接触の温度測定を可能にします。通常、これらのセンサーは、好熱性材料を使用して、測定対象物から放出される赤外線エネルギーを吸収および測定し、対象物の温度を検出します。タイヤの接触領域を対象としたサーマルイメージャーのセットにより、タイヤの状態を監視し、加熱を制御できます。



「トルクやロードセルの読み取り値などの一部のパラメータは、200Hzのオーダーの周波数で記録されます。 1秒間に200回。強い振動の場合は、追加のロガーをマシンに配置し、記録周波数を変更して、マシンのさまざまな部分の振動に関する情報を取得できます。予防措置として、フォーミュラ1チームのエンジニアは、車がピットに戻るたびにデータを収集し、専用サーバーにアップロードします。 「サスペンションの動きを分析する場合、ログは1 kHzで記録されますが、振動分析を実行すると100 kHz以上になる可能性があります。これは、信頼性を検証するために必要になることがよくあります」とWatt氏は述べています。



テレメトリーと適切なデータ収集は、エンジニアがレース中に大量のデータを収集できるようにするため、FormulaOneの重要な要素です。その後、データを解釈して使用し、車の最適なパフォーマンスを確保できます。Formula 1の車は、2種類のテレメトリーで動作します。小さなパケットでリアルタイムに送信されるデータと、車が箱に入ったときにアンロードされる大きなデータアレイの1回の爆発です。



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