赛车中电子系统的是与非

2007-12-11 09:01:05来源: EDN China
尽管嵌入系统技术可以为赛车运动的几乎各个方面提供改进,但赛车官员从公正角度考虑,经常在比赛中禁止使用这些技术。

电子系统为各种类型赛车成功与普及起着主要作用,从基本的普通小汽车到经过大量改装的高速赛车或 F1 赛车,它们拓展了引擎和车身底盘设计的极限。当车迷们在赛道或电视上欣赏自己钟爱的汽车比赛时,他们看到了嵌入系统技术领域的设计者们多年研究、数据搜集和精益求精成果的累积。从赛前的优化到赛后的分析,赛车团队越来越依赖于成堆的引擎与机械数据,对设计作精细调整,提高性能。当出现碰撞事故时,嵌入式记录仪会捕捉多个数据流,以判定是机械故障还是驾驶员的失误。但这类电子系统很多是有争议的,赛车官员们必须不断更改规则,从而在驾驶员安全、车迷们欣赏和竞争性之间取得平衡。

赛车运动已经激励出了许多嵌入电子创新,并最终会在量产的汽车中找到自己的位置。嵌入处理器获取并交换信息,以控制、优化和监控各种功能,而在几年前这些功能还是纯机械式的。动力系统的计算机要实时检查多个传感器,调整燃料混合比、点火定时以及变速箱,以获得最佳性能。设计者基于嵌入电路实现防死锁刹车、牵引控制和稳定控制系统。对于赛车应用,嵌入系统可以针对特定赛道调整车身结构,改进空气动力学特性,调整有效悬挂系统。有了实时通信,后勤维修人员可以监控并调整引擎性能,而车迷们可以看到驾驶室的视图。不过有讽刺意味的是,几乎没有哪种汽车比赛允许采用车队开发和调整的很多先进电子子系统。官方会阻止任何能补偿或辅助驾驶员动作的子系统,以保证竞赛的趣味。

各个认可团体,如 NASCAR(美国赛车联合会)、Indy 赛车联盟或 FIA(国际汽车联合会),都维护着自己的规则,其中详述了对赛车运动参与者的要求。NASCAR 起源于 1948 年,自称是吸引观众最多的体育运动。它在美国已升至观众参与最多的 20 种赛事的第 17 位,也是全球第 2 大季节性常规电视节目,被传播至 150 多个国家。FIA 主要定位于欧洲,但在全世界举办比赛;F1 或 Grand Prix 比赛采用高度定制的汽车,这种汽车专门设计用于高速比赛。设计者要在多数 F1 方程式赛车上充分地配置各种仪器,向比赛团队、广播商和观众提供汽车与驾驶员的实时信息流。Indy 赛车联盟是另一个开轮式、单座赛车运动的管理团体,这种赛车名为 Indianapolis 500。

赛前优化

远在赛车真正开上赛道以前,赛车团队就要做很多比赛决策和调整。例如,Penske 技术集团与赛车团队合作在赛事前预测车辆的性能。Pensake 提供一种计算机控制的振动台及分析服务,它采用 MathWorks 的软件来确定对车辆阻尼特性的最佳调整(图1)。振动平台配有七个液压制动器,其中四个用于道路模拟,三个直接连接到车身上,模拟侧倾、转弯和风阻。赛车团队使用在赛道上预先记录的数据通过调整弹簧和振动参数,精细地调整车辆的动力学特性。Penske 还使用 MathWorks 的 Simulink 仿真工具建立空气动力学负荷模型,为制动器确定适当的下载力。

当赛车以超过 200mph 的速度飞驰时,互相之间仅有数英寸距离,碰撞事故是难以避免的,并且会经常发生。但是,只有在2001年赛车传奇人物 Dale Earnhardt死后,NASCAR才开始用 Independent Witness 的事件数据嵌入式电子记录仪来收集实时的碰撞数据。NASCAR官方在驾驶员座椅的旁边安装Witness,它拥有能维持两年的电池,是一个自动工作的设备。该设备监控着车辆的运动,当出现碰撞事件时,它会记录下日期、时间、方向、撞击及严重程度,以及一个三维加速度数据曲线。同样,Indy 赛车联盟也要求所有汽车都装有 Delphi ADR3 事故数据记录仪(图 2)。ADR3 可以在事故前、期间和事故后,以 1k 采样/秒的速率检测并记录下车辆的多个参数。被监控的参数包括车轮速度、节气门位置、转向角度、胎压、加速度和安全带负载。驾驶员带有一个耳塞式传感器,其中的嵌入式加速度计在碰撞时立即发出 G 加速度数据。现场医疗人员可以快速获得并分析碰撞数据,帮助确定驾驶者可能遭受哪种伤害,以准备恰当的医治手段。多次事故的数据推动在车辆中整合更多的安全功能,如对抗冲撞力的头、颈约束等。

在一个采纳嵌入电路的好处并维护公正性的措施中,FIA 为所有 F1方程式赛车团队规定了 2008 年起用的一种标准化 ECU(引擎控制设备)。ECU 将监控传动系统的各个部分,从每辆车上的 100 多个传感器收集数据,并向驾驶者显示关键信息。一只 ECU 每秒要产生多达 500k 字节数据,一次 Grand Prix 赛车期间,从传感器获得的数据可以超过 1G 字节。高速无线遥测链路不断将这种数据送回到位于每个 F1 比赛团队修理间的系统中,供进一步分析。FIA 选择 McLaren Electronic Systems 和微软公司作为 F1 赛车 ECU 及相关软件的正式供应商。

遥测的麻烦

由于其特性,赛车中的实时遥测数据也存在着争议。通过正确的设置,车队人员甚至厂方专家都可以监控比赛中的车辆传感器,准备进站加油、策划其它的节油策略,甚至判断和排除引擎或机械故障。一般的遥测测量包括多轴加速度、温度、转速和机械偏移。通过双向遥测方式,专家可以在比赛中实时调整引擎的性能或空气动力学特性。管理组织现在对许可的遥测数据类型和数量作了标准化,大多数禁止双向遥测。

嵌入式电子系统和软件在赛车中发展最快的一个方面是向车迷们送交实时赛车信息,渠道可以是电视画面或通过互联网。嵌入系统设计者与广播商、赛车官员合作,设计出一些捕捉和显示实时统计数据的概念。这类系统多数都需要对每辆车的精确定位信息(见附文“实时跟踪:我的车在哪里?”)。NASCAR 已经在基于订阅的信息系统中处于领先地位,它可以使车迷们使用互联网上的定制视图,近距离地追踪赛车动向。例如,NASCAR PitCommand 订阅服务是一种基于 Java 的在线多媒体功能,车迷们可以在自己的计算机上跟踪任何一辆赛车或所有赛车的位置、速度和引擎转速,这些实时数据直接来自于每辆车上的遥测盒(图 3)。RaceView 是另一个 NASCAR 车迷数据提交的创新,它提供一种计算机应用程序,采用类似于流行赛车游戏中的三维动画方式(图 4)。车迷们可以选择一位驾驶者,或在现场所有驾驶者之间切换,跟踪他们通过赛道和修理站、警告标志、领跑交换,并观看驾驶者数据,如落后于领先者的实际位置、速度和时间。每个驾驶者有三种赛车视图,包括显示驾驶者前方以及被追逐车辆的 Lead View;显示上方空中视图的 Flyover View;以及从后方显示车辆以及驾驶者前面视野的 Draft View。PitCommand 和 RaceView 是 NASCAR 优惠订阅服务的一部分,每名赛车车迷的月费是 12.95 美元。

虽然嵌入系统技术可能还存在争议,有些赛道还部分禁止使用,但也有一些比赛不仅允许使用电子系统,而且竞赛结果还只依赖于其性能。例如,通过一场资格赛的前20个团队将竞争于今年11月举办的 DRAPA(国防部先进技术研究计划署)城市挑战赛,第一名可获得200万美元现金奖,第二名为100万美元,第三名为50万美元。无驾驶员的机器人汽车将在位于加州Victorville军队训练基地的一个城市道路网上完成模拟的供给任务。车辆必须完全自动化,只能用 GPS(全球定位系统)和其自身传感器探测的信息。另外,车辆必须采用普通型号,或有已存档的安全记录,并遵守加州的驾驶法。DARPA 将在比赛开始前 24 小时提供道路网络,并在比赛开始前 5 分钟为每个团队提供一个文件,其中详细描述道路情况。

机器人 SUV

卡内基梅隆大学(匹兹堡)的 Tartan Racing 是参加城市挑战赛的团队代表。它的参赛者名为 Boss,是一辆 Chevy Tahoe SUV,它有超过 30 万行代码用于城市和道路上的自动导航(图 5)。Boss 使用感知、计划和行为软件推理出交通情况,并采取适当的动作开向目的地。汽车装有十几台激光、摄像头和雷达,用于查看周围情况。软件与传感器技术使汽车能够远距离探测并跟踪其它车辆、在停车场寻找一个位置并停好车、遵守十字路口优先通过的规定、以一个安全距离跟随其它车辆,以及对动态情况做出反应,如道路堵塞或路面坏车。

全球太阳能挑战赛(World Solar Challenge)是另一项有趣的比赛,它极大地依赖于嵌入电子系统。该比赛要设计并建造一辆只用太阳光作能源而跨越澳大利亚的汽车。2005 年最后一场比赛中,获胜汽车穿越了从 Darwin 和 Adelaide 之间 3021 km 的距离,用时 29 小时 11 分钟,平均速度约 103 km/hr。这辆车名为 Nuna3,它采用高效率、三层砷化镓太阳能电池,这种电池一般用于为地球卫星提供电能(图 6)。来自荷兰 Delft 技术大学不同学科的 11 名学生设计并建造了这辆车。2007 年的比赛于10月举行,将采用新的规则以提高竞争性。官方将参加者的太阳能采集板限制在 6m2,驾驶者的进出不得起辅助作用,座椅位置必须垂直。另外还有很多新的安全要求。此外,竞赛者在穿越某一部分路线时必须遵守 130 km/hr 的新速度限制。

尽管赛车并未准备好接受最新的嵌入电子技术,但它为车辆性能和安全增强系统提供了一个出色的测试平台。设计者用嵌入设备来改善车辆发电机、传动装置、空气动力学、燃油经济性和安全系统的工作情况。无论是为了赛道上的竞赛测速、穿越沙漠的可靠性或率先开到下一个交通信号灯的得意心情,赛车迷们都会继续依赖于电子技术保持领先。

附文:实时跟踪:我的车在哪里?

Sportvision 的 Racef/x 系统包含了高速数据通信、全球定位技术以及实时摄像头控制,为赛车实况电视覆盖提供了图形化的增强方法。该系统使广播员能够用屏幕上的指针,识别所选择的比赛汽车,它还有一个可选的虚拟仪表板,用来显示关键统计数据,如实时速度和位置。系统采用一种板载遥测系统,将传感器和 GPS(全球定位系统)数据发送给赛道旁边座席上的接收机网络。差分 GPS 技术可以将卫星位置信号与已知的固定位置作比较,确定每辆车的位置。一些广播摄像头带有遥控平扫和高低功能,可以自动跟随选定车辆的位置数据。定制软件每秒可更新数次,同步传输,并收集赛道上以 200 mph 速度飞驰的多达 55 辆车统计数据。Sportvision 在 2006 年 Indy 赛车季时推出了自己的 Racef/x 系统,NASCAR(美国赛车联合会)也在 2007 Busch 系列赛季中使用这个系统。这种类型的跟踪系统使赞助商能够获得更好的收益,因为它通过互联网提交基于订阅的数据,用户可以追踪自己喜爱的赛手。

关键字:底盘  安全  嵌入式

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