Wie Sensoren an Formel-1-Wagen mit jeder Kurve Daten erzeugen

Moderne Rennwagen der Formel 1 (F1) sind vernetzte, verbundene, intelligente Maschinen, die Hunderte von Sensoren und annähernd 1,5 km Kabel enthalten können. Diese Sensoren liefern Milliarden von Datenpunkten für die Analyse, die den Teams helfen, die Konkurrenz auszustechen – wie beispielsweise die Daten aus dem F1-Wagen von Mercedes-AMG Petronas, die dem Team zu spektakulären Siegen verhelfen.

Wo befinden sich all diese Sensoren, welche Daten werden von ihnen erfasst, und wie werden diese Daten von den Ingenieuren und Fahrern genutzt? Werfen wir einmal einen genaueren Blick auf die schlanken, intelligenten Datenfabriken in modernen F1-Wagen.

Welche Sensoren befinden sich in einem F1-Wagen und welche Daten sammeln sie?

Ohne zu sehr ins Detail der Fahrzeugkonstruktion zu gehen: Es gibt verschiedene Systeme – Motor, Auspuffanlage, Getriebe, Differential und Aerodynamik –, die miteinander kommunizieren. Das Motorsteuergerät (ECU) ist das Zentrum des Fahrzeugsystems, und das standardisierte Motorsteuergerät (SECU) ist ein kleiner, leistungsstarker Computer innerhalb des Motorsteuergeräts. Das SECU wurde 2008 eingeführt und fungiert als zentrale Daten-Storage-Einheit im Rennwagen. Es ist für die Verarbeitung und Übermittlung der Daten vom Rennwagen an das Team verantwortlich.

Darüber hinaus gibt es eine Antriebsstrangsteuerung (PCM), eine Master Control Unit (MCU) für den Datenlogger und das Lenkrad, das auch als Remote-Datenschnittstelle für Fahrer dient.

Schließlich sind noch Sensoren an verschiedenen Stellen im Auto angebracht. Die Sensoren sind in drei unterschiedliche Kategorien unterteilt:

• Messgerätesensoren, B. Druck- und Kraftstoffdurchflusssensoren.
• Überwachungssensoren, die Datenkanäle über den Zustand der Fahrzeugsysteme senden.
• Steuersensoren,die Bedienungen des Fahrers im Fahrzeug umsetzen (z. B. Beschleunigung oder Zündung).

Sie können magnetisch, optisch und sogar lasergesteuert sein. Es gibt beispielsweise folgende spezifische Sensoren:

• Temperatursensoren, darunter Motor- und Airbox-Temperatursensoren, sowie berührungslose Temperatursensoren, die die Reibung zwischen Teilen mit Infrarotenergie messen. Wärmebildkameras können ebenfalls eine berührungslose Wärmeerkennung bieten.
• Beschleunigungssensoren, die die bei Kurvenfahrten oder beim Bremsen auftretenden Fliehkräfte messen.
• Drucksensoren, die hydraulische Systeme messen.
• Dual-Achsen-Sensoren, die Brems- und Lenkvorgänge messen.
• Reifensensoren, die Abnutzung, Haftung, Temperatur und Druck messen, um den Ingenieuren mitzuteilen, in welchem Zustand sich die Reifen befinden oder wie sie die Stabilität des Autos beeinflussen.
• Pitot-Rohre, bei denen es sich um kleine Rohre mit Sensoren handelt, die die Luftströmungsgeschwindigkeit messen – dieselbe Art von Sensoren, die auch in Verkehrsflugzeugen verwendet werden.
• Ultraschall-Durchflusssensoren, die die Kraftstoffleistung überwachen.
• Laser, die den Abstand zwischen Wagen und Boden messen.
• Dämpfer-Potentiometer, die die Federkompression und das Schlingerverhalten des Fahrwerks messen.

Und nicht zu vergessen die „Black Box“ des F1-Wagens – der Unfalldatenschreiber (ADR), der ebenfalls Sensordaten sammelt und bei einem Unfall sofort Alarm schlägt.

Wie gelangen die Sensordaten vom Fahrzeug zum Team?

Sensoren und andere Komponenten an Bord des Fahrzeugs übermitteln Daten untereinander über ein im Fahrzeug eingebautes Netzwerk. Diese Daten sind auf einem Onboard-Server protokolliert. Diese Daten werden dann verschlüsselt und über eine am Fahrzeug montierte Antenne per Funk an die Teams gesendet. All dies geschieht in Bruchteilen von Sekunden.

Dies ist jedoch nicht irgendeine Funkfrequenz. Auf Rennstrecken in Ballungszentren wie Singapur kann es schwierig sein, am Renntag Funkstörungen zu umgehen. Das Formula One Management (FOM) hat ein standardisiertes Kommunikationsnetzwerk geschaffen, das Glasfaserverbindungen und gemeinsame Zugangspunkte nutzt, die eine verschlüsselte Kommunikation für jedes Team zwischen Rennwagen und Box bieten. Damit werden kleine Datenpakete in Echtzeit von der Strecke aus gesendet, und die Fahrzeuge können während eines Boxenstopps auch einen Mikrowellen-Burst an größeren Datenpaketen aussenden, wenn sie in Reichweite der Box sind.

Was geschieht mit den vom Fahrzeug gesammelten Sensordaten?

In einem Artikel, der sich damit befasst,  wie Formel-1-Teams flexible Daten in der Peripherie erhalten, haben wir bereits beleuchtet, wie Daten vom Mercedes F1-Team unter Verwendung mobiler Rechenzentren powered by Pure Storage® erfasst, verarbeitet und gespeichert werden. Aber wie werden diese Daten von den Ingenieuren genutzt?

Im Race Support Room werden die Daten verarbeitet und mit Audio- und Videodaten kombiniert, um für folgende Bereiche ein klareres Bild zu erhalten:

• Tests vor dem Rennen. Ähnlich wie ein Pilot vor dem Flug eine Checkliste abarbeitet, werden von einem Datentechniker vor dem Rennen Sensortests durchgeführt, einschließlich Kalibrierungsprüfungen und Abstimmung auf die Bedingungen der jeweiligen Strecke. Jede Rennstrecke ist einzigartig, was diese Messungen vor und während des Rennens so wichtig macht.
• Überwachung während des Rennens. Am Tag des Rennens können die Ingenieure dank der Überwachung Probleme erkennen, sodass der Fahrer in Sekundenbruchteilen reagieren kann. Angenommen, ein Fahrer ist einem Konkurrenten dicht auf den Fersen und möchte ihn unbedingt überholen. Der Auspuff eines Formel-1-Wagens – mit Temperaturen zwischen 950 und 1.000 Grad – kann so heiß sein, als würde man das Auto in einen Backofen stellen. Wenn die Motortemperaturen auf ein gefährliches Niveau ansteigen, können die Ingenieure den Fahrer anweisen, sich zurückzuhalten, bis der Motor abgekühlt ist.¹ Die Daten der Reifensensoren halfen auch bei der Entwicklung einer Strategie für den zweiten Boxenstopp beim Großen Preis von Barcelona, die Mercedes und Lewis Hamilton auf Anhieb einen Vorsprung verschaffte.
• Einhaltung von Vorschriften. Die Federation Internationale de l’Automobile (FIA), der Dachverband der Formel 1, hat streng geregelt, welche Technologien an Bord erlaubt sind. Diese werden anhand der Sensordaten genauestens überwacht. Die Rechenzentren aller Teams sind direkt mit der FIA verbunden.
• Strategische Intelligenz. Die Daten aus dem Fahrzeug werden nicht nur nach einem Rennen gespeichert, sondern auch in ergänzter Form in zukünftigen Saisons weiterverarbeitet. Die Daten der Konkurrenz spielen ebenfalls eine wichtige Rolle. Die Sensordaten eines Rennwagens können isoliert oder zusammen mit den Daten der Konkurrenz analysiert werden. Nehmen wir beispielsweise Kurven. Dies ist ein idealer Anwendungsfall für die Überlagerung von Sensordaten mit Daten von Konkurrenten, um zwei Linien in derselben Kurve zu vergleichen und zu sehen, wessen Scheitelpunkt der beste ist.
• Sensoren generieren nicht nur Telemetrie- und Protokolldaten aus dem Fahrzeug selbst, sondern sie überwachen auch das Verhalten des Fahrers. Diese Daten sind ein wertvolles Instrument für die Teams, um den Fahrern messbares Feedback zu geben, wie sie ihr Fahrverhalten verbessern können. Zu den Fahrermetriken gehört, wie viel Prozent einer Runde ein Fahrer mit Vollgas fährt, wie er die Bremsen einsetzt und wie er die Kurven fährt.

Mercedes-AMG Petronas F1: Gesteuert durch Daten

Moderne Formel-1-Wagen sind unglaublich beeindruckende, komplexe Systeme, die im Laufe der Jahre immer ausgefeilter geworden sind und den Ingenieuren (und Fahrern) mehr Verantwortung, aber auch mehr Einblick geben. Heutzutage ist der Sieg eine erfolgreiche Kombination aus beidem: Instinkt und Daten.

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1. https://www.mclaren.com/racing/inside-the-mtc/f1s-fantastical-facts/#:~:text=4.,aluminium%20(660%C2%B0C).