Все о мозге болида «Ф-1»: как он появился, поставляется одной компанией, стоит $1,5 млн, 40 ГБ данных на машину
От редакции: Привет! Вы в пользовательском блоге о «Формуле-1» F1 Passion. Поддержите автора плюсами и подписками, тогда таких увлекательных постов будет больше!
В каждом болиде «Формулы-1» есть не только мозг пилота, но и еще один мозг – ECU, электронный блок управления, который находится внутри машины. Попробуем разобраться, что это за зверь.
Контекст
Так было не всегда: если мы сделаем небольшой экскурс в историю, то увидим, что еще в 1960-е и 1970-е автомобили для «Формулы-1» проектировались вручную, производились вручную, и все в них было фактически механическим. У вас была система впрыска топлива, механический распределитель, из измерительных приборов: тахометр, температура воды, температура масла и давление.
В двигателе «Косуорт» DFV, который был распространен в то время, у вас был всего один провод питания, который подключался к катушке зажигания. Все было очень просто.
Прошли годы, наступила эра турбодвигателей, и тогда все стало намного сложнее по сравнению со старыми V12 и V8. Уже нужно было как-то контролировать зажигание и впрыск топлива в соответствии с нагрузкой на двигатель и уровнем наддува. Тогда команды начали внедрять электронным блоки ECU, которые следили за всем этим, получали данные от датчиков на автомобиле и настраивали схему работы двигателя в зависимости от того, как он работает.
Развитие ECU
Первые ECU, установленные в боковой панели, как у «Хонды», «Брэбэма», «БМВ» (BT52) с их блоком ECU от «Бош», были размером со старый видеомагнитофон. Однако прогресс не стоял на месте и уже очень скоро все стало намного меньше, мощнее и дешевле, как это всегда и бывает с компьютерами.
Тогда команды начали понимать: «Ну, у нас есть эта вычислительная мощность на борту, которая заботится о двигателе. Можем ли мы сделать с этим что-то еще полезное?»
И «Лотус» одной из первых команд сделал шаг в этом направлении, а затем появилось решение Latterley от «Уильямса» с активной подвеской, которая использовала ECU и гидравлику, управляя датчиками и контролируя системы на автомобиле.
Затем идею развил одна из легенд инжереной мысли «Формулы-1» – Джон Барнард из «Феррари», который понял, что на рулевом колесе можно разместить кнопки, отказавшись от сложного механизма переключения передач, и сделать лепестковое переключение, которое, конечно, сохранилось и по сей день.
Затем все стало очень быстро усложняться. «Ф-1» вступила в эру активных технологий, и в болидах появилась не только активная подвеска, но и такие вещи, как трекшн-контроль, контроль запуска, рулевое управление задними колесами и прочие системы управления автомобилем.
Тут в дело вступает гоночное регулирование от ФИА, задавшейся вопросом: в какой момент водитель контролирует машину, а в какой – ECU выполняет за него большую часть работы? ФИА решила, что эти активные технологии должны быть запрещены, но при этом командам все равно разрешили работу над собственными ECU.
В 1990-е привычном делом было иметь в болиде два отдельных блока ECU: один следил только за двигателем, второй отвечал за работу шасси, например, за коробку передач, сцепление и тому подобные детали. «Формула-1» слишком требовательна к компактности деталей, чтобы такая ситуация продолжалась долго, поэтому не удивительно, что со временем блоки объединили в один более универсальный «мозг» автомобиля.
Современная история ECU
Следующая веха начинается уже в 2006 году – тогда ФИА обязала устанавливать специальный ECU и множество специальных датчиков и других омологированных деталей вокруг машины. Первый «тендер» выиграла компания, которая теперь называется McLaren Applied. И по сей день все болиды «Формулы-1» оснащаются ECU McLaren Applied. Звучит контринтуитивно, но это не гоночная команда «Макларен»: McLaren Applied родилась как инженерное подразделение организации, но отделилась при превращении «Макларена» в автопроизводителя и потом всегда была отдельной компанией от гоночного холдинга. Сейчас она и вовсе принадлежит частной инвестгруппе под названием Greybull Capital. Никакого конфликта интересов.
Современный ECU – это компьютер, мозг автомобиля. Но в чем же разница, скажем, между ECU и вашим обычным компьютером или ноутбуком? Есть два основных ответа: первый – требования по скорости работы, он должен реагировать немедленно. Вы не можете нажать на что-то в болиде и ждать, пока проведутся вычисления и условный цилиндр наконец отреагирует на ваш запрос.
Второй – у ECU много выделенных входов. У вашего компьютера может быть одно сетевое подключение, мышь и клавиатура, может быть монитор. У ECU есть все это, а потом еще 100 датчиков, а потом еще восемь или девять сетей, которые соединяются по всему автомобилю. В итоге в ECU поступают тысячи входных данных.
Но все же самое главное – он должен немедленно реагировать на критически важные вещи, такие как впрыск топлива, зажигание, переключение передач и т.д. Два с половиной миллиона впрысков и зажиганий за гонку, в среднем около трех тысяч переключений передач. Все должно происходить мгновенно, иначе ничего не получится. Так что это самая большая разница.
Технические детали
Опять же, если воспользоваться аналогией с персональным компьютером, есть память для хранения программ (софта), написанного ФИА, командами и самими McLaren Applied. Это около 20 мегабайт.
Хранение данных – еще один ключевой момент, поэтому для ECU требуется довольно большой накопитель, обычно около восьми гигабайт. Также есть целый ряд процессоров. В обычном компьютере один процессор, иногда, еще один на видеокарте. В ECU их четыре. Два отвечают за основной код, один предназначен командам, другой – производителю ECU.
Еще есть отдельные контроллеры, один из которых отвечает за вход-выход, в основном за сети, коммуникации вокруг машины. А другой отвечает за работу двигателя. Все они – двухкодовые процессоры, и их тактовая частота составляет около 1.5 ГГц.
В дополнение к этому, есть все входные фильтры, множество датчиков, посылающих данные на вход, и множество механизмов, выводящих сигналы наружу, инжекторы, катушки зажигания и все такое прочее. Всем этим нужно управлять. Так что на передней панели, есть много контактов, соединяющихся с внешним миром. Подробные технические детали можете найти здесь, чертежи и фото ниже.
Необычная треугольная форма объясняется потребностями и желаниями требовательных дизайнеров «Ф-1». В данном конкретном случае на нее повлиял Эдриан Ньюи, который в то время разрабатывал болид «Макларена», и хотел, чтобы ECU был меньше и имел такую форму, чтобы он мог расположить его там, где ему нужно. Именно из-за него ECU приобрел такую форму и остается таковым по сей день.
Но теперь команды устанавливают его в боковую панель, потому что над ним должен проходить поток воздуха. Точно так же, как на вашем домашнем компьютере постоянно работают вентиляторы, ECU требуется охлаждение. Вентилятор туда поставить невозможно, так что приходится выкручиваться особенным расположением в конфигурации болида. Впрочем, по заверению представителей McLaren Applied, следующее поколение ECU уже не будет требовать активного охлаждения.
Основные принципы работы
Как уже было сказано, ФИА хочет иметь возможность контролировать, что команды делают с машиной, и быть уверенной, что регламент соблюдается. Так что в основе работы лежит регламент. Поэтому программное обеспечение ФИА вшито в ECU: они могут видеть все, что происходит с болидом.
Пилоты и команды должны быть в состоянии физически контролировать машину и управлять ею. Затем, поверх всего этого, добавляется мониторинг. Он позволяет убедиться, что, например, если давление масла в двигателе станет слишком низким, вы сможете увидеть это в режиме реального времени на мостике и дать команду пилоту остановиться.
Затем, в дополнение к этому, есть дополнительные приборы. К ним относят те вещи, которые не строго необходимы для контроля, но которые команда может захотеть знать для оптимизации работы машины. Например, вам нужно знать, что подвеска имеет определенные параметры при горячих потоках воздуха, потому что из этого можно сделать вывод о том, как работает аэродинамика. Это важно для этих двигателей? Нет, но это жизненно важная информация, которую команда должна знать и уметь понимать. И как только они встретят ее на пит-лейн, они смогут проанализировать и понять, что происходит с машинами. В ходе гонки это включает в себя информацию вроде «повреждено ли днище обломками».
И наконец, сбор и хранение данных. У вас восемь гигабайт памяти. Обычно гонка занимает около четырех гигабайт, и при этом сохраняются все параметры. А за весь уикэнд команды могут легко записать 30-40 гигабайт данных только по одной машине. И все это благодаря датчикам. Датчики расположены буквально на каждом сантиметре автомобиля.
Работа с данными
Во время тестов вы можете использовать различные данные со всех этих датчиков, но в гонке ФИА ограничивает их до 1700 параметров. Так что физически у вас есть возможность собирать сколько угодно данных, но в ФИА вы попадаете в регламент, поэтому командам приходится выбирать, какие параметры нужнее конкретно им: что они пытаются извлечь из массива данных? чему пытаются научиться?
Итак, вы записываете все эти данные, машина выехала на трассу. Для получения этих данных на питлейн раньше у команд всегда были свои собственные антенны и все системы связи. Теперь в «Ф-1» это стандартизировано. Так что есть одна сеть связи, и, опять же, ФИА имеет собственный способ просмотра данных, поступающих от болида, и их последующего анализа.
Когда во время гонок вы видите команды с огромным количеством мониторов на стене, это как раз лайв-данные, поступающие с ECU.
Программное обеспечение, которое они используют для этого, это еще один продукт McLaren Applied – Atlas. Софт гибок с точки зрения кастомизации, поэтому команды могут адаптировать вывод информации на экраны под себя, чтобы смотреть на эти данные по-своему.
Atlas показывает данные в реальном времени или исторические данные, на нем можно проводить все виды анализа, измерения, математические расчеты, все, что вы хотите сделать. Вы можете наложить два круга одного пилота, наложить одного пилота на другого, по любому из этих 1700 параметров.
Вы можете строить модели, которые работают на основе этих данных, и придумывать все, что угодно. На этом этапе начинается большая аналитическая работа и именно здесь команды могут добиться огромной разницы.
«Мы осуществляем поддержку каждой команды на треке в ее использовании, – рассказал шеф Applied Technologies Ричард Сексби в интервью для технического эксперта «Ф-1 ТВ» из шоу Tech Talk Крэйга Скарборо. – Сколько все это стоит? Каждую услугу или деталь можно купить отдельно. Мы все можем адаптировать под требования и, конечно, осуществлять потом поддержку.
Потому цена пакета зависит от требований и истории: есть ли у организации, например, большая история использования таких решений и куча запчастей на складе. Все варьируется – в среднем заказ идет от 270 тысяч долларов до 1,4 млн. Последнее описывает запросы команд «Ф-1».
Несмотря на то, что ECU всех команд стандартный и программное обеспечение к нему тоже стандартное, возможности его использования абсолютно неограниченны. Все зависит только от фантазии и умений команд.
Источник: F1 TV, McLaren Applied
Фото: East News/Ali Haider/Pool via AP, DPPI via AFP; imago-images.de/Global Look Press; formula1.com; motortrend.com; mclaren.com; Gettyimages.ru/David Cairns/Express/Hulton Archive
Немного удивил пассаж про большое количество памяти, 8 гигабайт))) у меня в телефоне 512)))