7.10. Formula 1 (F1) - trkaći automobil

U automobilskoj industriji sve je veći udio elektroničkih uređaja koji su po svojoj prirodi u osnovi računala, senzori ili aktuatori. Senzori dostavljaju podatke računalu, koje pak na osnovu primljenih podataka upravlja mehaničkim procesima posredstvom aktuatora. Računalo je postalo nezaobilazni dio modernog automobila, što zasigurno čini ogroman napredak, ali i traži stručno osoblje za njihovo servisiranje. Naravno da su takva računala adekvatno zaštićena od vrućine, prašine, vode i vlage; okoliša koji nije ni blizu okolišu kućnog računala. Stoga računalne komponente ugrađene u automobile moraju biti tehnološki napredne i stabilne kako bi sigurnost korisnika automobila bila neupitna i na vrlo visokom nivou. Sofisticirani način uporabe računala i ostalih elektroničkih uređaja u automobilu najizraženiji je u dizajnu i konstrukciji trkaćih automobila 'Formule 1' (F1). Trkaći automobil F1 vrlo je sofisticirano vozilo, koje se u prosjeku sastoji od preko 50'000 različitih dijelova, a samo vozilo sastavlja se s točnošću od 100%. To bi značilo da bi pri sastavljanju s točnošću od 99.9% izašlo na trkalište sa preko 50 neispravnih dijelova i rezultat završetka utrke bio bi vrlo upitan unatoč korištenju sofisticirane računalne tehnologije. Nadalje se u opisu ove stranice opisuje načelo rada računalnog sustava u trkaćem automobilu na primjeru trkaćeg automobila 'McLaren-Mercedes mp4-27'.

Grupa kompanija 'McLaren' obuhvaća izradu automobila za utrke F1, izradu i prodaju automobila opće namjene i grupu za izradu elektroničke opreme i programske potpore (McLaren Electronics Systems). Glede posljednjeg navedenog usko surađuju s firmom 'Microsoft'. Ono što rade, su sklopovi i uređaji napredne tehnologije, koji se ne ograničavaju samo na Formulu 1, već se koriste u zrakoplovnoj industriji, pomorstvu, medicini, kao i u svrhu kućne zabave. Dakle, napredne tehnologije malo po malo zauzimaju mjesto u uređajima koje svakodnevno koristimo. Mnogo je korisnih proizvoda koji nalaze svoju primjenu u industriji iako su moguće prvu primjenu imali u trkaćim automobilima. Glede F1 uređaji koje koristi mogu se općenito razvrstati u četiri grupe:

• Senzori za očitavanje pritiska i temperature u gumama, temperature motora, tlaka ulja ....
• Regulatori za točenje goriva.
• Telemetrija za analizu stanja automobila putem grafikona i dijagrama.
• Sustav za praćenje stanja, za izmjenu postavki uređaja u automobilu, njihovo podešavanje i konfiguriranje.

Sezona Formule 1 iz 2008. godine ostati će zabilježena kao početak naglog rasta korištenja računala, te senzorskih i regulatorskih uređaja u trkaćim automobilima uz znatna istraživanja i razvoj sredstva u cilju korištenja standardiziranih dijelova i infrastrukture, te po mnoštvu inovacija. Svaka momčad F1 umrežena je i koristiti se standardiziranim sklopovima za elektroničku kontrolu (ECU - Electronic Control Unit). To je omogućeno partnerstvom između 'McLaren Electronic Systems' (MES) i firme 'Microsoft' nastalom temeljem ugovora s FIA-om (Federation Interationale de l'automobile), međunarodnom institucijom koja je upravljačko tijelo svih automobilističkih svjetskih prvenstava. Iako se uređaji nazivaju 'standardni', ECU je zapravo vrlo sofisticiran sustav koji će sigurno imati ključnu ulogu u razvoju automobila budućnosti, kako u automobilima za trke tako i u automobilima za svakodnevnu uporabu. Elemente sustava dizajniranog za praćenje rada trkaćeg automobila 'McLaren-Mercedes mp4-27' prikazuje slika 7.10.1a.

Slika* 7.10.1 Mrežni sustav Formule 1 / Neki od ključnih uređaja. ( + / - )

Ono što obilježava sliku 7.10.1a je dvosmjerna radioveza između automobila i mrežnog sustava koji povezuje računala članova trkaćeg tima, što znači da je osim prikupljanja podataka na daljinu bežičnim putem moguće automatski izvršiti potrebna podešavanja na automobilu - TELEMETRIJA. Uobičajeno je da s vozačem automobila surađuje njegov 'trkaći inženjer' koji ga obavještava o stanju automobila i sugerira postupke koje bi bilo korisno poduzeti. Na slici 7.10.1b prikazani su najčešće korišteni elektronički dijelovi i uređaji. Iz samog oblika pojedinih komponenti vidi se da su po obliku skroz različite od komponenti opće namijene, otpornije na vanjske utjecaje i koriste elektroničke komponente koje su u proizvodnji prošle mnogo rigorozniju kontrolu u odnosu na proizvode namijenjene za širu uporabu.

Današnja Formula 1 ima ugrađeno oko 150-300 senzora i aktuatora različite namjene, a ECU sustav obrađuje podatke. Tijekom trke obrađuje se 100-200 kB podataka u jednoj sekundi, što u jednom tjednu, uključujući treninge i samu utrku, čini ukupni obim podataka od približno 100 GB ili slikovitije 250 DVD medija. U toku godine skupi se 2-3 TB podataka ili sukladno tome 5000 DVD medija. Primjena ECU sustava u suštini znači razvoj i obradu podataka. Podatke skupljaju senzori (pretvarači mehaničkih veličina u električne), potenciometri (pretvarači mehaničkog položaja u električni podatak) i aktuatori (pretvarači električnog izvora u mehanički pomak). Naravno, sve pod nadzorom računala, što upućuje na zaključak da je razvoj programske potpore jako bitan. Na slici 1.10.1b prikazan je samo dio od navedenih elektroničkih komponenti i uređaja. Slika 7.10.2a prikazuje načelo njihovog rada.

Slika* 7.10.2 Shematski prikaz upravljanja / Motor. ( + / - )

Jako pojednostavnjena shema uporabe računala i elektroničkih uređaja prikazana je na slici 7.10.2a, na kojoj je prikazan i primjer reguliranje dotoka goriva u skladu s pritiskom na pedalu gasa, za koji je tijek zbivanja kako slijedi; potenciometar vezan za pedalu gasa šalje podatke računalu, koji ih uspoređuje s trenutnim stanjem koje očitava potenciometar u sklopu za napajanje motora gorivom, a aktuator u skladu sa promjenama vrši potrebno mehaničko podešavanje ubrizgavanja goriva sve dok se podaci potenciometara ne usklade. Analogne vrijednosti koje daju senzori i potenciometri prepakiraju se u digitalne zapise za potrebe bežičnog slanja podataka trkaćem timu.

Očitavanje brzine vožnje i različita podešavanja vozač vrši koristeći pokazivač i prekidače ukomponirane u sam volan automobila, kako prikazuje slika 7.10.2b, a njegove aktivnosti šalju se računalu koje vrši potrebite radnje glede podešavanja rada motora, uporabe kvačila, promjene brzine, ograničavanja brzine glede ulaska u 'boks' (pit-stop) radi zamjene guma, uporabe KERS-a (Kinetic Energy Recovery System), te obavlja još neke druge specifične zadaće. KERS je sustava baterija koje prikupljaju energiju dobivenu kočenjem i pridodaje ju preko elektromotora i sistema zupčanika pogonskom sustavu glede povećanja ukupne raspoložive pogonske snage. KERS omogućava povećanje pogonske snage za približno 60 kW uz postojećih 560 kW koje ostvaruje motor 'Mercedes-Benz FO 108Z' prikazan u vrhu slike 7.10.2b.

Motor ima kubikažu od 2.4 l, osam cilindara raspoređenih u ' V ' obliku s po četiri cilindra u svakoj grani i četiri ventila po cilindru, a može dostići najviše 18'000 okretaja u minuti (rpm - revolutions per minute). Težak je svega 95 kg, a izrađen je od laganih ali otpornih aluminijskih legura. No, izgleda da je od 2014. godine ponovo u 'modi' turbo-punjač i šest cilindrični ' V ' motori nešto manje veličine i težine, kubikaže 1.6 l, koji pri 15'000 okretaja u minuti razvijaju snagu od oko 450 kW. Iza motora prikazanog na slici 7.10.2b, slijedi kvačilo, mjenjač brzina i diferencijal glede prijenosa snage stražnjim kotačima, kako sugerira shema na slici 7.10.2a. Naravno sve nadzire računalo. Doba kada su vozači mehanički ručicom mijenjali brzine nesinkroniziranog mjenjača i 'na uho' podešavali brzinu motora u skladu s trenutnim uvjetima na trkalištu, i pri tome znali i dobiti žulj mijenjajući brzine (na stazi u Monte Carlu brzina se mijenja oko 3500 puta tijekom utrke), zaključeno je.

Automobili Formule 1 predstavljaju najvišu klasu automobila uopće i praktički se koriste na granici izdržljivosti raspoložive tehnologije. Iako se računala već dugo koriste u dizajniranju i optimiziranju složenih stavki automobila, ključna inovacija je ECU sustav, koji prikuplja podatke iz senzora automobila i bežično šalje podatke timu za podršku. FIA je odabrala ECU rješenje koje je razvio 'McLaren Electronics' i 'Microsoft' i omogućila da je isto rješenje raspoloživo svim timovima. ECU prati sve aspekte zbivanja na automobilu i prikuplja mnoštvo podatka putem ugrađenih senzora. Moderna elektronika omogućava da se sve prati u realnom vremenu, bez vremenske odgode, uvažavajući sve aspekte stanja automobila, kao trening, utrka, zaustavljanje za zamjenu guma i dolijevanje goriva, ili boravak u garaži. Glede navedenog ATLAS poslužitelj podatke mora prikupljati i distribuirati cijelom timu i osigurati 'trkačem inženjeru' da gotovo odmah ima raspoložive podatke glede njihove analize i donošenja odluke. Osim toga, ako se iz nekog razloga svi podaci nisu mogli odmah prenijeti, na primjer zbog ograničene propusne moći radio-sustava, pri dolasku automobila na zamjenu guma ili u garažu podaci koji nedostaju mogu se izravno uzeti iz automobila i dopuniti podaci pohranjeni na poslužitelju.

'McLaren Electronics' i 'Microsoft' radeći na tehnologiji za uporabu u F1 zaključili su da je količina i kakvoća ECU podataka toliko vrijedna da je stoga neophodno uporabiti rješenje za pohranu podataka koje je jednostavnije i brže, te se preuzimanje telemetrijskih podataka vrši posebno razvijenim vrlo učinkovitim datotekama. Osim toga podaci su dostupni drugim programskim alatima kao što je 'Excel' sa standardnim pristupom bazi podataka (ODBC - Open DataBase Connectivity) i omogućeno je povezivanje i ugrađivanje objekata baze podataka (OLEDB - Object Linking and Embedding DataBase) bez potrebe razumijevanja formata datoteka koje se koriste. Upravo učinkovito korištenje velikog broja podataka razlog je korištenja 'SQL Server 2008' poslužitelja.

Rješenje koje se koristi ima osobitost obrade podataka u logički odvojenim procesima, tzv. 'multi-tier' arhitektura, koja uključuje:

• ECU elektroniku, koja je u stvari niz elektroničkih sklopova i uređaja sa svrhom prikupljanja podatka iz automobila koji se odnose na rad motora, prijenosa, ovjesa, dijelova okvira i drugih ključnih elemenata, te kreiranja sažetih i kriptiranih datoteka s podacima koje se bežičnim prijenosom šalje timu za podršku. Kriptiranje podataka onemogućava 'prisluškivanje' podataka između timova, osim sadržaja koji su od javnog značaja, kao 'Tim-radio', jednostavna grafička prezentacija načina korištenja automobila i slični manje važni sadržaji.
  
  
• ATLAS poslužitelj, u početku zasnovan na 'Visual Studio 2005' programskoj potpori, a potom na 'Visual Studio 2008' programskoj potpori u sklopu ATLAS poslužitelja. Programska potpora 'raspakira' prikupljene telemetrijske podatke i distribuira ih ATLAS programskoj potpori na računalima koja koriste članovi tima.
  
  
• ATLAS računala, koja rabe članovi tima, s programskom potporom koja omogućava prikaz podataka u vidu odgovarajućih grafičkih prikaza glede praćenja stanja automobila. Programska potpora izvršava se na 'Windows XP' ili 'Windows Vista' operativnom sustavu. Microsoft 'Office Excel 2007' tablični kalkulator koristi se za dodatnu analizu podataka i vizualizaciju. Veliki trkaći tim može imati više od 30 članova koji proučavaju ECU podatke na svojim prijenosnim računalima tijekom utrke; skupu inženjera i tehničara koji brinu o prijenosu podataka i skupu članova tima koji analiziraju dobivene telemetrijske podatke.
  
  
• ATLAS relacijsku bazu podataka, koja služi za laku obradu i pretraživanje ECU podataka, a koja se temelji na 'Microsoft SQL Server 2008' poslužitelju u sklopu 'Windows Server 2008 Enterprise' operativnog sustava, koristeći FILESTREAM osobitost za brži pristup podacima. Poslužitelj osigurava brz pristup trenutnim radnim podacima i arhiviranim podacima dobivenim prilikom prethodnih utrka te ispitivanja automobila ili laboratorijskih simulacija. Shema baze podataka sadrži sve meta podatke o utrci, testiranju ili nekim drugim događajima, te uključuje i određene sesijske tablice podataka za svaki ECU događaj. Rješenje također uključuje uporabu uobičajenih programskih rutina (CLR - Common Language Runtime) u sastavu SQL poslužitelja. Kada se analizira ECU skup podataka, CLR osobitost raščlanjuje prikupljene binarne podatke u razumljivija izvješća i vizualizaciju, naravno s programskim alatima 'Office Excel 2007' i 'SQL Server 2008 Reporting Services'.
  
  

Uobičajeno, svakodnevni korisnik računala, osobito kod kuće, rabi puno nestrukturiranih podataka, poput tekstualnih dokumenata, slika i videa. To su često podaci pohranjen izvan baze podataka, što može uzrokovati složenost pri njihovom korištenju, osobito glede brzine pristupa podacima. No, ako su podaci strukturno povezani posredstvom baze podataka i spremljeni u vidu sažetih binarnih datoteka, korištenje niza tako spremljenih podataka rezultira boljim performansama pri njihovom korištenju u mrežnom okruženju - FILESTREAM.

Vrlo mali dio prikaza na monitorima korisnika ATLAS sustava ilustrira skup slika 7.10.3.

Slika* 7.10.3 Programsko rješenje ATLAS. ( + / - )

Iz slike je jasno da je prikazana količina podataka ogromna i da je potrebno specijalizirano stručno znanje glede njihovog tumačenja.

SAŽETAK:

Dakle, nadzor stanja automobila i donošenje ispravne odluke temeljem podataka odaslanih od senzora, bez obzira da li je odluku donio čovjek ili računalo, osnovno su za uspješno 'voženje' današnjih trkaćih automobila Formule 1. A što sve nadziru već spomenuti senzori i aktuatori?

Neki od primjera; senzor tlaka zraka (dušika) u gumama, senzor tlaka zraka pri podešavanju ventila motora, stanje spremnika zraka, temperatura okoliša, senzor nagiba kotača, nadzor okretanja radilice motora, napon brizgaljki goriva, senzor količine kisika, senzor pomaka u mjenjaču brzina, senzor kvačila, tlak hidraulike kvačila, bočno ubrzanje, uzdužno ubrzanje, aktuator za reguliranje hidrauličnog tlaka, gas motora, stanje papučice gasa, ručne kontrole, izbor ručne ili računalne kontrole, prednji kočioni tlak, stražnji kočioni tlak, mod rada u garaži, nadzor prekidača za paljenje, brzina okretanja svakog pojedinog kotača, tlak ulja u motoru, tlak ulja u mjenjaču, količina ulja u motoru, količina ulja u mjenjaču, tlak rashladne tekućine, tlak goriva, količina goriva, temperatura guma, temperatura ulja u motoru i mjenjaču, temperatura u rashladnom sustavu, temperatura goriva, temperatura ispušnih plinova u svakoj grani itd.

Zaista se radi o vrlo pozamašnoj 'hrpi' od koje je nabrojen samo mali dio. Kada je FIA odlučila uvesti novi vid natjecanja kod kojeg se umjesto benzinskog motora koristi elektromotor, po uzoru na 'Tesla Motors' i slične proizvođače električnih automobila, razvijen je trkaći automobil 'Formula E' opisan na narednoj stranici. Naravno, zadržana je večina aktuatora, senzora i drugih sustava koji se koriste u automobilima 'Formula 1'.