Muchos son los aficionados a las carreras de Fórmula 1. La F1 es la máxima categoría del motor, con monoplazas que se diseñaron para ser simples y baratos pero que han evolucionado hasta convertirse en uno de los vehículos más avanzados y con más tecnología que existen en la actualidad. Además, se usan como campo de prueba para nuevas tecnologías que posteriormente pasarán a los coches de calle, entre otros sectores.
Pese a la gran espectación que mueve la F1, las tecnologías dentro de estos monoplazas siguen siendo unas desconocidas para muchos espectadores. Por eso, en este artículo vamos a ver qué electrónica esconde un F1 en su SECU o ECU y qué procesadores y software emplea para que todo funcione en un fin de semana de carrera.
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¿Qué es la ECU?
La ECU (Electronic Control Unit), también llamada centralita electrónica de control es un componente esencial para un F1. Se trata de un dispositivo capaz de recoger y procesar información de los distintos sensores que existen en un F1 y transmitirlos inalámbricamente con ayuda del sistema de telemetría para información de los ingenieros. Antiguamente la telemetría era bidireccional, es decir, el coche transmitía hacia los ingenieros y ellos también podrían enviar información para modificar parámetros del coche. Actualmente eso está prohibido, y solo es en una dirección.
No solo los F1 tienen una ECU, también otros monoplazas del mundo del motorsport e incluso los modernos vehículos de calle cuentan con una.
Con motivo de controlar los costes y promover mayor igualdad entre las distintas escuderías, la FIA tomó una decisión en 2006 para que todos los equipos eligiesen una ECU estandarizada para todos los coches. De este modo se evitaba que cada equipo diseñase la suya propia y evitaba también perspicacias de algunos para tratar de sacar mayor rendimiento del vehículo. Como aquel menú oculto que se sacó de la manga Williams, entre otros.
Finalmente, la FIA escogió la ECU expuesta por McLaren, concretamente la creada por la división McLaren Electronics Systems junto con Microsoft y Freescale. Esta ECU o SECU (Standard ECU) es la que actualmente utilizan todos los equipos. Además, para evitar que McLaren pueda obtener beneficio de la ECU y perjudicar a otros equipos, se han regularizado algunas cosas, además de que la FIA tendrá acceso a los datos descargados de la misma.
McLaren Electronic System, como he mencionado anteriormente, es una empresa independiente perteneciente al Grupo McLaren. Es la encargada de desarrollar y suministrar la ECU para el control de distintas competiciones, entre ellas la F1. Gracias a esta unidad central de control se puede controlar de forma avanzada el motor, la transmisión, el volante, las suspensiones, y obtener gran cantidad de información de los distintos sensores instalados en el vehículo.
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Concretamente, y de forma más detallada, esta solución comprende el control del tren de potencia, registro de datos y el control de telemetría en el coche además de un servidor de datos central en el garaje, que recibe la información proveniente del monoplaza registrándolos para el posterior análisis redistribuyéndolo en las herramientas que cada equipo haya elegido usar.
¿Qué CPU usa la ECU de la F1?
La ECU diseñada por McLaren está basada en una MCU, o microcontrolador, diseñado y fabricado por Freescale. Esta compañía son las antiguas fábricas de Motorola, cuando la firma americana decidió convertirse en una fabless y deshacerse de su foundry para ahora convertirse en un IDM. Esta compañía crea una gran cantidad de dispositivos para distintos sectores, entre ellos la automoción.
Concretamente, la ECU denominada TAG-E10B que usan los F1 está compuesta por un procesador central Freescale de 32-bit y de 4 núcleos que trabaja a 200 Mhz. Este procesador se basa en la ISA PPC (PowerPC).
Este sistema también funciona gracias a un ecosistema conocido como ATLAS (Advanced Telemetry Linked Acquisition System o Sistema Avanzado de Telemetría Vinculada al Análisis). Esto está compuesto por servidores y herramientas de análisis para procesar toda la información recibida por la ECU del monoplaza.
La nueva versión de la ECU para la nueva F1
Tras el modelo TAG-310B que se usó a partir de 2006, y que falló en numerosos equipos, ya fuese por problemas de juventud de la propia ECU o por una mala adaptación del equipo, todos los equipos pudieron instalar una versión mejorada, TAG-320, en 2013, el cual tiene el mismo tamaño, pero mejor rendimiento e interfaces.
Este modelo no aporta ventaja mecánica ninguna con respecto a su predecesor. Pero la nueva versión está enfocada a las nuevas unidades de potencia de 2014. Es decir, cuando comenzó la era V6 Turbo híbrida que ahora continúa, con las nuevas unidades ICE, MGU-K (unidad de recuperación de energía por freno regenerativo, es decir, el KERS), MGU-H (unidad de recuperación de energía de escape), TC (turbocompresor), ES (baterías), y EX (sistema de escapes).
Servidor ATLAS
La ECU monitoriza todos los aspectos de tren de alimentación y almacena datos de todos los sensores localizados en el coche. Esto puede generar entre 100 kilobytes y 0,5 megabytes por segundo. Una ECU acumula algo más de 1 GB de información durante una carrera de Gran Premio, retransmitiendo en tiempo real al equipo de ingenieros toda la telemetría (frenada, aceleración, cambio de marchas, temperatura de los neumáticos, carga aerodinámica, suspensiones,…).
El servidor de ATLAS debe guardar todos los datos reportados sin pérdida de datos y ofrecer la traducción adecuada para cada uno de los valores obtenidos de los sensores y que puedan estar en una unidad comprensible para los ingenieros que analizan los datos al instante. Es importante destacar esto, ya que un sensor de temperatura no recoge la temperatura como tal, sino que genera una señal eléctrica en respuesta a la temperatura media, pero luego esto debe traducirse mediante software a ºC, por ejemplo.
En el caso en que no se retransmita toda la información debido a la limitación del ancho de banda, cuando el coche vuelve al garaje, todos estos datos se mandan al servidor y rellena las lagunas que existían previamente. Esto se consigue cuando los mecánicos conectan el monoplaza con un cable conectado a un PC y denominado umbilical. Además, a través de este cable sí que se puede usar una telemetría bidireccional, y se utiliza para realizar el setup del coche, como por ejemplo el bloqueo del diferencial, etc.
McLaren Electronics y Microsoft han trabajado conjuntamente en el desarrollo de esta tecnología. Actualmente es una tecnología que ha demostrado su eficiencia y su capacidad con todas las temporadas que llevamos hasta ahora con esta nueva unidad estandarizada de ECU.
Como es lógico, ya que colaboró Microsoft en esta tecnología, la empresa de Redmond también quiso usar su propio software para complementar a la ECU de McLaren para la F1. Y eso implica el uso de herramientas para procesamiento de datos como la hoja de cálculo Microsoft Excel con Conectividad Abierta de Bases de Datos Estándar (ODBC) o Vinculación e Incrustación de Base de Datos (OLEDB) sin necesidad de entender los formatos de archivo que se emplean. Además de la capacidad de esta herramienta para procesar datos por parte de los ingenieros, también vio otra ventaja en ella, como es la característica de streaming de archivos de la base de datos Microsoft SQL Server.
El nuevo Streaming de Archivos integra el motor de base de datos SQL Server con el sistema de archivos NTFS para los medios de almacenamiento de datos. Se usa un formato de datos en binario, que tiene sus ventajas, pero también sus inconvenientes, ya que es más fácil de corromper que el texto plano.
Las instrucciones de transacciones de SQL están dispuestas para introducir, actualizar, consultar y realizar copias de seguridad de los datos de streaming en la base de datos. Esto en cuanto al servidor, pero luego está el lado del cliente, es decir, los PCs y portátiles con los que trabajan los ingenieros en el muro o en el box, o en la fábrica. Estos equipos, como no, utilizan Microsoft Windows con diferentes apps para el acceso a los datos que pueden variar de un equipo a otro, y que pueden ser soluciones personalizadas en algunos casos.
Arquitectura de la ECU para el F1
En cuanto a la arquitectura que forma todo este entramado que interactúa con la ECU, hay que decir que McLaren Electronics desarrolló un sistema multinivel que incluye:
- ECU: es el dispositivo embebido que va dentro del monoplaza de F1, concretamente instalado en el morro, con una apertura frontal para su refrigeración que los equipos suelen instalar en la punta de la nariz del cono. Como ya he comentado, este dispositivo funciona con código ensamblado que recoge los datos del propulsor, transmisión, sistema de suspensión, componentes del chasis y otros elementos clave. Encripta los datos y los retransmite al equipo. Está compuesto de varios dispositivos separados:
- SECU TAG-310B o TAG-320B: ya sea la unidad empleada desde 2006 a 2013 o la de 2013 hasta la actualidad.
- Interfaz LIU-4: es otro dispositivo que se encarga del acondicionamiento de la señal para los sensores de posición LVDT de cinco hilos.
- Fuente de ignición/inyección PB2006: proporciona fuentes de alimentación reguladas alrededor del coche, así como la administración de la ignición de la alta potencia y las etapas en un motor de 10, 8 o 6 cilindros.
- Receptor de microondas LRX-310B: modula con una antena integral el vuelta a vuelta cuando se transmite entre la ECU y los transmisores de pista.
- HIU-3 (unidades hub de interfaces): se monta una en cada esquina del coche, es decir, en las cuatro ruedas. Estas unidades envían señales a través de dos redes CAN para reducir el cableado en los ejes del monoplaza y ahorrar peso.
- EDR-400: es una especie de medio de almacenamiento compacto desarrollado únicamente para aplicaciones en competición. Cuenta con 42 entradas directas, además de entradas de las unidades de interfaz de sensores CAN. Con una capacidad de 1 GB, GPS y una opción integrada de telemetría a velocidad de 115,2 kbps.
- CBM-470B: se trata de una unidad de telemetría para el motorsport y aplicaciones de automoción en coches de calle, diseñada para apoyar la transferencia inalámbrica de datos y proporcionar el registro de datos local. La unidad corre bajo un procesador Intel Atom, y una distribución RTOS (Real Time Operating System) de Linux.
- Servidor ATLAS: todos los datos registrados en la ECU se envían a través del servidor ATLAS desarrollado por McLaren Electronics. Éste servidor también está basado en tecnologías de Microsoft, como la IDE Visual Studio. Este servidor descomprime los datos recibidos de telemetría de la ECU y hace multidifusión al software ATLAS que sirve a cada equipo.
- Servidor de Datos Remoto ATLAS (RDS): habilita la telemetría en tiempo real para ser mostrada simultáneamente en distintas partes del mundo. Y es que, en una carrera de F1 no solo están los ingenieros que viajan a la pista, también están en las distintas fábricas de los equipos otros equipos de ingenieros analizando toda la información. Esta distribución se consigue a través de varios servidores de datos remotos que se pueden conectar en serie para que los datos de telemetría en vivo pueden ser analizados en la pista, en la fábrica y con el suministrador del propulsor. A menudo, el ancho de banda es limitado, de este modo, la velocidad con que los datos lleguen a la factoría no será tan veloz como se desea. El RDS asegura que los datos más recientes se manden primero y los más antiguos se rellenen cuando haya ancho de banda disponible.
- Cliente ATLAS: hasta ahora hemos hablado del lado del servidor, pero también existe un software cliente de ATLAS que se ejecuta en los ordenadores de los equipos, generalmente portátiles. Facilita la visualización en tiempo real de la información y las correspondientes gráficas que ayudan a las escuderías a entender el espectro de parámetros ofrecidos por el monoplaza en pista. Este cliente, se ejecuta en los sistemas operativos Microsoft Windows. Además, también va complementado con hojas de cálculo Microsoft Office Excel para el posterior análisis y visualización. En los grandes equipos de Fórmula 1, existen alrededor de 30 miembros estudiando los reportes de la ECU en sus ordenadores durante un Gran Premio, junto a un grupo de ingenieros y técnicos estudiando la información de la transmisión, motor, suspensiones y otros sistemas.
- Base de Datos ATLAS: la bbdd ofrece una forma de jerarquizar y salvar los datos relacional que despacha un repositorio central. Un hosting de datos que se ejecuta en Microsoft SQL Server con un sistema operativo Windows Server Enterprise (en servidores que pueden ser con diferentes procesadores, como los AMD EPYC o los Intel Xeon), utilizando la característica de Streaming de Archivos para un acceso más ligero, surte de acceso transparente al histórico de datos de la ECU. Conchango (empresa especializada en metodología SCRUM) trabaja con McLaren Electronics y Microsoft en esta solución de bases de datos. El esquema de BBDD incluye todos los metadatos sobre de las carreras, pruebas y eventos en los que se dispone de una ECU, además de una tabla específica para cada sesión con una columna BLOB (objeto cargado en el núcleo de un sistema operativo de código abierto) con la secuencia de archivo. Por último utiliza un lenguaje común runtime (CLR) hospedado en el Servidor SQL. Cuando un dato de la ECU es solicitado, una función CLR amplía los datos binarios como un conjunto de resultados de parámetros de modo que pueda ser requisado en un tiempo posterior por las herramientas de visualización correspondientes.
Los sensores de un F1
Los F1 actuales son complejas máquinas llenas de sensores. Pueden usar cientos de ellos, y cuando se realizan pruebas extraordinarias, como tests, también se pueden incluir otros muchos sensores externos, desde parrillas de tubos de Pitot, hasta sensores láser, etc.
Actualmente, la ECU monitorizará alrededor de 120 funciones de múltiples tipos. Además, algunos de los sensores soportados por la nueva ECU de McLaren son:
- Válvulas de presión del aire alimentación del motor. (ahora motores turbo, con mayor presión que los atmosféricos).
- Válvula del tanque de aire del motor.
- Presión de las entradas de aire, tanto las del airbox como la de los sidepods o pontones.
- Sensor de temperatura ambiente.
- Sensor de las cámaras de la FOM.
- Sensores del cigüeñal del ICE.
- Tensión de alimentación del inyector de combustible.
- Sensor del margen izquierdo y derecho UEGO.
- Sensores de la posición del tambor de cambio de caja de cambios.
- Velocidad de rotación del eje de la caja de cambios.
- Sensores de posición del embrage.
- Sensor de presión hidráulica del embrague.
- Sensores de aceleración lateral (G), utilizados por ejemplo cuando ocurre un impacto o accidente para ver las Gs soportadas por el piloto.
- Sensores de aceleración longitudinal (G).
- Sensor de presión hidráulica de diferencial.
- Sensores de la posición de la aceleración del motor.
- Demanda del controlador manual.
- Presión del freno delantero.
- Presión del freno trasero.
- Habilitador del controlador manual.
- Presión de sistema hidráulico.
- Sensor de tiempo por vuelta.
- Selección del modo garaje.
- Interruptor de encendido y apagado del motor.
- Sensores para cada rueda.
- Medidor de presión de aceite de la caja de cambios.
- Medidor de presión de aceite del motor.
- Medidor de presión del cárter del motor.
- Medidor de presión de refrigeración del motor.
- Medidor de la presión de combustible.
- Sensor de presión del colector de combustible.
- Sensor del nivel del colector de combustible.
- Sensor de temperatura del aceite de la caja de cambios.
- Sensor de temperatura del aceite del motor.
- Sensor de temperatura de la refrigeración del motor.
- Sensor de temperatura del combustible.
- Sensor de temperatura de la salida del tubo de escape.
- Entradas analógicas adicionales.
- Entradas de interruptores adicionales.
- Entradas de velocidad adicionales
- Sensor de LVDT 1 adicional.
Todo esto es lo que arroja la información de la telemetría a los ingenieros y también proporciona información a la FIA en caso de accidente o para analizar si es necesaria una sanción.
