Por todos es conocida la importancia de la obtención, manejo e interpretación de la información en la Fórmula 1. Gracias al uso de la tecnología, podemos conocer numerosos parámetros de los monoplazas. Dicha labor la realizan los sensores, que son capaces de obtener una medición sobre una determinada magnitud física. Este artículo ahonda en uno de los apartados que la Telemetría engloba; centrándose más en el nivel físico explicando cómo actúan los sensores y cómo se depura la información recogida por los mismos.

1. Introducción

Hasta los años 80, prácticamente los únicos indicadores que llevaba incorporado un F1 eran un velocímetro, un cuentarrevoluciones y un medidor del nivel de combustible o del aceite (todos ellos de aguja). Fue entonces, cuando los ingenieros se dieron cuenta que incorporando la electrónica a los monoplazas, podían conocer en tiempo real magnitudes del vehículo para prevenir o dilucidar las causas de una avería o incluso para mejorar el rendimiento.

La utilización de sensores ya venía siendo usada en otras disciplinas como la aeronáutica o los procesos industriales; su incorporación a la F1, unida al despegue de la informática en la década de los ochenta, hizo de esta disciplina algo más parecido a la alta tecnología que a un deporte. A medida que iban pasando las temporadas, cada vez se incorporaban más y más dispositivos distribuidos por todo el monoplaza. Y al mismo tiempo que avanzaban y se volvían más sofisticados los equipos electrónicos, cada vez era más necesario procesar todos y cada uno de los datos recogidos en cada carrera. Además de elaboradísimos sistemas telemétricos, muchos equipos adquirieron supercomputadores industriales (ver Ref. 1) con los que poder analizar grandes volúmenes de datos en espacios de tiempo relativamente cortos.

Tal es el caso del fabricante alemán de automóviles BMW, que compró a la californiana Intel un superordenador, bautizado como Albert2, con una memoria principal (no confundir con almacenamiento en disco duro) de 2048 GB y caché de 4GB entre todas las CPU; lo que le permite realizar 12.288 Giga Flops/segundo, que traducido “al cristiano” supone 12.288.000.000.000 operaciones por segundo. Posteriormente, Renault adquirió el Xtreme-X1 Supercomputer, basado en tecnología Intel Xeon (ver Ref. 3), tres veces más potente capaz de realizar 38.000 Giga Flops/segundo gracias a sus 128 CPUs y 6TB de memoria principal. Siendo ambos miles de veces más potentes que los computadores personales de los que podemos disponer.

Fig. 1 Súper-Computador Albert2 de BMW SAUBER. © BMW SAUBER

Por ello, a lo largo del texto veremos cómo evoluciona la información registrada por los sensores hasta que es visualizada por los ingenieros desde el box del equipo o desde el volante del piloto.

Fig. 2 Ingenieros del equipo Williams F1 analizando la Telemetría. © Williams F1 Team

2. El camino de la información

Desde que un sensor mide una magnitud física, hasta que ésta es visualizada en el volante del piloto o en los computadores de los ingenieros, es necesario seguir una serie de pasos que componen el proceso llamado Adquisición de Datos. El esquema general a seguir el siguiente:

Fig. 3 Camino de Datos en la F1

2.1 Transductor

Un dispositivo llamado transductor o sensor se encarga de medir una cantidad, magnitud física o propiedad, a dicha magnitud o propiedad la llamamos input o entrada. Pero claro está, la información que manejan los dispositivos electrónicos se basa en la representación de señales eléctricas. Es por ello, que dichos sensores proporcionan una salida u output que es una señal eléctrica a interpretar.

Fig. 4 Sensor de humedad y temperatura. © McLaren Electronics

Los hay de muchos tipos: captadores, sondas (inmersos en un fluido, por ej.: gasolina), -metros (caudalímetros, tacómetros etc.). Pero casi todos ellos presentan un pequeño problema: la salida que producen estos sensores (ver Fig. 4), es una señal analógica (función matemática continua que puede variar su amplitud y su período en función del tiempo), y los computadores usados en la F1 se basan en circuitos digitales que solo saben interpretar 1s y 0s (señal digital).

Fig. 4 Señal analógica de salida producida por sensor de velocidad

Además, la señal producida por un sensor puede no ser limpia (ver Fig. 5), bien debido a la contaminación electromagnética o a una vibración mecánica producida por algún mecanismo del monoplaza (imaginemos las vibraciones que produce en el monocasco un motor V8 de 800CV girando a 19000 rpm, además de la sensibilidad de los sensores de F1).

Por tanto, es necesario algún tipo de ingenio que transforme la señal analógica a digital (conversión AD) y que elimine (ver Fig. 5) el ruido indeseable (filtrado). También hay que tener en cuenta el problema del Aliasing, es decir, que estemos muestreando una señal a una frecuencia menor del doble de la máxima frecuencia de la señal muestreada (Teorema de Nyquist), y por tanto la señal reconstruida que obtengamos sea una señal deformada.

Fig. 5 Señales con ruido (arriba) y aliasing (abajo)

Incluso disponiendo de dispositivos que nos ayuden a conseguir información más fiable (como se verá en el siguiente sub-apartado), es importantísimo el mantenimiento de los dispositivos que actúan como medidores de señal, a los que hay que evitarles exposición al calor excesivo (un motor de F1 se encuentra en estado de incandescencia funcionando a altos regímenes de giro), a la suciedad (imaginemos el hollín que se acumula en las pinzas de freno), rango de tensión de funcionamiento adecuado para el sensor etc. y toda recomendación marcada por el fabricante; precauciones sin las cuales no importa los mecanismos para salvar estas fuentes de distorsión de señal. De hecho, fruto de este ambiente de trabajo en las condiciones más extremas, es necesario que los materiales empleados sean de primerísima calidad; de hecho, para sensores provenientes de fabricantes reputados (Bosch, McLaren Electronics, Magnetti Marelli…), es raro encontrar costes de adquisición inferiores a los 300€ por unidad.

2.2 Acondicionamiento de la señal

El problema anterior queda resuelto, en parte, con los acondicionadores de señal que nos permiten manipular la señal en un formato donde la información es limpia (filtrada) y computable por un ordenador (ya en formato digital). Esta transformación se produce gracias a unos dispositivos llamados DSP (Digital Signal Processor o Procesador Digital de Señal (ver Ref. 12)), que tienen la siguiente actuación (ver Fig. 6):

Fig. 6 Procesado digital de la señal llevado a cabo por un DSP © Alberto Sáenz Gonzalo

i) El sensor ha registrado una determinada magnitud y se encarga de proporcionarla como entrada al DSP en formato analógico, el DSP la codifica a formita digital (recordemos, binario 1s y 0s) muestrea (toma pequeños trocitos de la señal, siempre con una frecuencia dos veces mayor al ancho de banda de la señal (ver Ref. 7)) y filtra aquel ruido que no deseamos y que pueda distorsionar nuestra señal.

ii) Una vez que hemos hecho la conversión analógico-digital, ya tenemos un pedazo de información que ya podemos suministrar a la ECU. Cada paquete de datos suministrado a la ECU suele tener una resolución de 12 bits.

iii) Además un procesador digital de señal, puede devolver nuevamente la señal de entrada, en formato analógico, a través de una salida nuevamente en formato analógico, pero ahora libre de imperfecciones. (Conversión Digital/Analógico)

Estas DSP suelen estar integradas dentro de la ECU o en unidades intermedias llamadas interfaces. Las razones por las que se utilizan los DSPs como unidades intermedias entre los sensores y las unidades computacionales de la ECU son principalmente tres:

i) Debido a la gran cantidad de información que registran los sensores es innecesario sobrecargar los dispositivos de almacenamiento de información (memoria SRAM de 1MB y memoria flash de 1GB) de la ECU con información que no necesita ser procesada por ésta y que directamente puede ser enviada a dispositivos de visualización como el volante (velocidad, revoluciones…). Incluso pueden existir unidades extra de almacenamiento de datos llamados Data Loggers a los que se les va enviando datos a lo largo de la carrera para ir liberando los recursos de almacenamiento de la unidad principal.

ii) Además de no saturar los mecanismos de almacenamiento de la ECU, tampoco es necesario saturar su procesador con información (2 procesadores con arquitectura PowerPC de 40Mhz, para control de dispositivos y adquisición de datos, y para comunicaciones respectivamente), porque al interrumpir el trabajo realizado por la CPU para enviarle información, además de la carga de trabajo que se acumula, supone una penalización en el tiempo de cálculo perdido; y en una disciplina como los Sistemas en Tiempo Real, donde la administración de un recurso como el transcurrir del tiempo es algo valiosísimo, es necesario cuidar este tipo de aspectos y, todavía más si su aplicación es la Fórmula 1.

iii) Debido a la variedad de dispositivos y protocolos asociados a ellos, las interfaces son muy importantes para cambiar el rango de tensión de salida de cada señal para distintos aparatos y unificar un mismo tipo de señal de entrada para ser procesada por la Unidad de Control Electrónico. La mayoría de las ECUs tienen como entrada señales comprendidas en el rango [0-5] Voltios (ver Ref. 13), pero es probable que otros equipos electrónicos funcionen en franjas diferentes.

Fig. 7 Unidad intermedia sensores-ECU SIU-400 © McLaren Electronics

Para adecuar el gobierno de los recursos limitados de la ECU, se dispone de un Sistema Operativo de Tiempo Real (RTOS) TAGOS 32 bit que realiza múltiples tareas ya de por sí costosas y que no necesita ser sobrecargado: controlar un motor con disposición V8, una caja de cambios que funciona bajo control electrónico y que cambia de marcha en cuestión de centésimas, sistema hidráulico… Todas las unidades electrónicas del vehículo se encuentran conectadas mediante un CAN-BUS (tipo de conexionado de componentes electrónicos (ver Ref. 9)) que permite una tasa de transferencia entre componentes de hasta 1Mbps. De esta manera el camino general seguido por la información es el indicado en la figura 8.

Fig. 8 Camino de la información entre dispositivos

Para comunicarse con el exterior vía cable (ver Fig. 9), la actual ECU estándar de la F1, fabricada por el departamento de electrónica de la británica McLaren y obligatoria para todos los equipos participantes en el Mundial de F1, posee un puerto de salida tipo Ethernet (tasa máxima de 100Mbps), un puerto RS-232 (tasa máxima de 230 Kbps) y dos puertos CAN-BUS 2.0B (tasa de máxima de 1Mbps); también existe la posibilidad de comunicación de forma inalámbrica vía antena. Como fuente de información, la Unidad de Control Electrónico posee 32 entradas analógicas (En este caso la DSP se encuentra integrada) y 10 digitales.

2.3 Visualización de la señal

El último paso a dar, es hacer la información manejada entendible para los seres humanos, ya que no tendrían ningún sentido todos los pasos anteriores, si con ellos no pudiésemos hacer los datos recogidos interpretables por el piloto o ingeniero de turno. Al piloto se le ha de mostrar información relativa a la conducción sobre velocidad, revoluciones, cambio de marcha, tiempos por vuelta…en su volante instalado en el cockpit.

Fig. 10 Volante del BMW-Sauber F1.09

Para los ingenieros, más interesados en parámetros técnicos, existe una serie de herramientas software (como el software de telemetría Atlas de McLaren Electronics) que permiten visualizar datos relacionados con la presión del aceite, temperatura del motor, nivel de combustible…en todo momento, para saber cuál es la mejor estrategia a tomar, y también para prevenir averías futuras. Es por ello, que los sistemas de de información instalados en un F1 disponen de puertos donde conectar sistemas de almacenamiento de información (puertos RS-232 o conexiones parar tarjetas extraíbles SD, USB etc.) con los que los especialistas puedan portar los datos para su análisis posterior, fruto del código generado por la ECU. Por otra parte, a través del software se pueden calibrar los sensores o introducir órdenes a la ECU mediante lenguajes de programación como SPARK (versión “empotrada” de ADA, lenguaje usado en los cohetes por la NASA y por la USAF en sus cazas) o Simulink (entorno de programación visual de Matlab).

Fig. 11 Ingenieros de Renault analizando la telemetría de Fernando Alonso. © Renault F1

Próximamente la segunda entrega de este maravilloso artículo…

Autor: Alberto Sáenz Gonzalo