Análisis Técnico – Unidad Electrónica de Control – ECU


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Las carreras de Fórmula Uno representan la clase más alta en competición de coches, y constantemente está empujando en la vanguardia de la tecnología. Los ordenadores han sido empleados para diseñar y optimizar la complejidad de la configuración de los monoplazas de carreras. Atesorar datos al equipo que está en el garaje es esencial en este tipo de desarrollo.

Un factor clave es la centralita electrónica de control, o ECU, comúnmente conocida, que recoge la información de los distintos sensores del coche e inalámbricamente retransmite, con ayuda de la telemetría, un reporte que ayuda a los equipos.

Con motivo de controlar los costes, promover la igualdad de condiciones entre las escuderías, y la continua seguridad, la FIA, en la primavera de 2006, invitó a los fabricantes de la automoción electrónica, a proponer una ECU estandarizada para introducirla en los coches de Fórmula 1 en 2008, 2009 y 2010.

La FIA escogió la ECU expuesta por McLaren Electronic Systems, Microsoft y sus proveedores de semiconducción Freescale, galardonando el esfuerzo en conjunto que realizaron todas las escuadras en suministrar una solución al contrato de suministro.

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McLaren Electronic Systems, una empresa independiente del Grupo McLaren, que incluye al equipo de carreras McLaren Racing, es el suministrador de sistemas de apoyo de control y desarrollo de los deportes de motor avanzados incorporando la ECU que maneja el motor, la transmisión, el volante, la suspensión y otros elementos de las complejas máquinas de Fórmula Uno.

Las ECU están basadas en la MCU de 32 bits de Freescale, 4 núcleos de arquitectura a 200 MHz. De nombre oficial TAG-310B ECU.

La 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.

Los componentes que están en el box, como son los servidores y las herramientas de análisis, son conocidos como ATLAS (Sistema Avanzado de Telemetría Vinculada al Análisis).

Tras ejecutar el modelo TAG-310B a partir de 2006, 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 (ni siquiera la aportaba el anterior modelo), sino que está enfocado a las nuevas unidades de potencia de 2014.

La ECU monitoriza todos los aspectos de tren de alimentación y almacena datos de todos los sensores localizados en el coche. Generando entre 100 kilobytes y 0,5 megabytes por segundo. Una ECU acumula algo más de 1 gigabyte de información durante una carrera de Gran Premio, retransmitiendo en tiempo real al equipo de ingenieros.

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El servidor de ATLAS debe guardar todos los reportes sin pérdida de datos y ofrecer la traducción para la perfecta comprensión de los ingenieros que analizan los datos al instante. 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.

McLaren Electronics y Microsoft han trabajado conjuntamente en el desarrollo de esta tecnología. Las reseñas de la ECU, reunidas durante el rodaje en pista, así como las pruebas en el simulador, ha demostrado el valor que quería aportar McLaren Electronics en la simplicidad de almacenaje y alta eficiencia del dispositivo.

Por otra parte, la organización quiso hacer disponible esta información con herramientas como Excel con Conectividad Abierta de Bases de Datos Estándar (ODBC) o Vinculación e Incrustación de Base de Datos (OLEDB) sin la necesidad de entender los formatos de archivo que se emplean.

McLaren Electronic Systems observó inmediatamente el valor en la plataforma de aplicaciones de Microsoft, y en particular, la característica de Streaming de archivos de la base de datos de Microsoft SQL Server® 2008.

El nuevo Streaming de Archivos integra el motor de base de datos SQL Server con el Sistema de Archivos NT (NTFS) mediante el almacenamiento de datos binarios como archivos en el sistema de archivos, mientras que dejar los datos sigue siendo una parte integral de la base de datos y el mantenimiento de la integridad transaccional.

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Las instrucciones de transacciones de SQL están dispuestas para introducir, actualizar, consultar y realizar copiar de seguridad de los datos de Streaming en la base de datos.

Entre tanto, la herramienta de cliente existente puede utilizar las interfaces del sistema de archivos Win32 para el streaming de acceso a los datos como si fuera la lectura y la escritura de un archivo normal.

La esencia de la problemática a la que se enfrentaron fue cómo hacer frente con eficacia con un enorme volumen de datos en un determinado tiempo.

Arquitectura

El método de McLaren Electronics posee una arquitectura multinivel que incluye:

  • ECU. Es el dispositivo que va dentro del coche 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:
    • TAG-310B SECU: es la unidad principal de procesamiento para el tren de potencia del monoplaza. Esta vieja versión comenzó a usarse en 2005 hasta 2013.Thumbnail-TAG-310B
    • TAG-320 SECU: versión posterior del TAG-310B, que empezó a utilizarse a partir de 2013.Thumbnail-TAG-320
    • Unidad de Interfaz LIU-4: abastece de acondicionamiento de señal para los cuatro sensores de posición LVDT de cinco hilos.Thumbnail-LIU-4
    • 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.Thumbnail-PB2006
    • Receptor de microondas LRX-310B: modula con una antena integral el vuelta a vuelta cuando se usa con una ECU compatible y el transmisor de pista.Thumbnail-LRX-310B
    • HIU-3 (unidades hub de interfaces): empleadas en cada esquina del coche para interactuar con los sensores situados en las ruedas. Estas unidades envían todas las señales de vuelta a la unidad apropiada de control a través de dos redes CAN, reduciendo considerablemente el cableado en los ejes del monoplaza.Thumbnail-HIU-3
    • EDR-400: especie de disco duro compacto, desarrollado únicamente para aplicaciones en competición. Aprovisionado de 42 entradas directas, además de entradas de las unidades de interfaz de sensores CAN. Con una capacidad de 1 gigabyte, GPS y una opción integrada de telemetría a velocidad de 115,2 kbps.Thumbnail-EDR-400
    • CBM-470B: unidad de telemetría para deportes de motor 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 de Linux.Thumbnail-CBM-470B
  • Servidor ATLAS: Los datos de la ECU se mandan a través del servidor ATLAS, desarrollado por McLaren Electronics, el cual, inicialmente aplicaba el entorno de trabajo Visual Studio® 2005, y ahora el 2008. El servidor descomprime los datos de telemetría de la ECU y lo multidifusiona al software ATLAS del que se sirven los equipos.
  • Servidor de Datos Remoto ATLAS (RDS): habilita la telemetría en tiempo real para ser mostrada simultáneamente en distintas partes del mundo. Varios servidores de datos remotos 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: El software cliente de ATLAS se ejecuta en los ordenadores de los equipos, generalmente portátiles en el box. 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 Windows XP, Windows Vista o Windows 7. También se instalan hojas de cálculo de Microsoft Office Excel 2007 para el posterior análisis y visualización. En las escuadras grandes 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 base de datos ATLAS ofrece a McLaren Electronics la base de datos relacional que despacha un repositorio central bastante sencillo de localizar. Un hosting de datos se ejecuta en Microsoft SQL Server 2008 con un sistema operativo Windows Server® 2008 Enterprise, 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.

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Con el advenimiento de la SECU (Única especificación ECU, en inglés, provista por McLaren Electronics) ningún componente del coche puede ser controlado desde el muro.

La ECU monitorizará alrededor de 120 funciones, con un rango entre el motor, parámetros de la caja de cambios, sensores de temperatura, las pulsaciones de un piloto, desgaste de frenos e incluso sensores de presión para los aerodinamistas. Una lista de los sensores soportado por la ECU TAG-310B es la siguiente:

  • 2 válvulas de presión de aire del motor.
  • Válvula del tanque de aire del motor.
  • Presión de las entradas de aire.
  • Temperatura ambiente.
  • Sensor de las cámaras.
  • 2 sensores del cigüeñal.
  • Tensión de alimentación del inyector.
  • Sensor del margen izquierdo UEGO.
  • Sensor del margen derecho UEGO.
  • 2 sensores de la posición del tambor de cambio de caja de cambios.
  • Velocidad del eje de la caja de cambios.
  • 2 sensores de posición del embrage.
  • Presión hidráulica del embrague.
  • Aceleración lateral.
  • Aceleración longitudinal.
  • Presión hidráulica de diferencial.
  • 2 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.
  • Tiempo por vuelta.
  • Selección del modo garaje.
  • Interruptor de encendido y apagado del motor.
  • 4 sensores para cada rueda.
  • Presión de aceite de la caja de cambios.
  • Presión de aceite del motor.
  • Presión del cárter del motor.
  • Presión de refrigeración del motor.
  • Presión de combustible.
  • Presión del colector de combustible.
  • Nivel del colector de cosbustible.
  • Temperatura del aceite de la caja de cambios.
  • Temperatura del aceite del motor.
  • Temperatura de la refrigeración del motor.
  • Temperatura del combustible.
  • Temperatura de la salida del tubo de escape.
  • 6 entradas analógicas de repuesto.
  • 3 entradas de interruptores de repuesto.
  • 3 entradas de velocidad de repuesto.
  • 1 sensor de LVDT 1 de repuesto.

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Resumen

Un monoplaza de Fórmula Uno dispone de aproximadamente entre 150 y 300 sensores.

La tasa de datos durante una carrera es de 100 kilobytes a 500 megabytes por segundo.

Los datos generados por coche durante un Gran Premio va desde 1 a 2 gigabytes.

La información generada en un Gran Premio está en torno a los 100 gigabytes de volumen de datos.

La información recogida por la ECU en una temporada en un sólo coche está en el intervalo de 2 a 3 terabytes.

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