賽車中電子系統(tǒng)的是與非

盡管嵌入系統(tǒng)技術(shù)可以為賽車運(yùn)動(dòng)的幾乎各個(gè)方面提供改進(jìn)，但賽車官員從公正角度考慮，經(jīng)常在比賽中禁止使用這些技術(shù)。

　　要 點(diǎn)

　　為確保賽車駕駛員（而不是聰明的計(jì)算機(jī)程序）贏得勝利，有時(shí)候比賽會(huì)禁止使用嵌入電子產(chǎn)品。
　　汽車比賽為高性能車輛和針對(duì)量產(chǎn)車型的安全增強(qiáng)系統(tǒng)提供了一個(gè)測(cè)試環(huán)境。
　　當(dāng)出現(xiàn)撞車事故時(shí)，事件數(shù)據(jù)記錄器捕捉實(shí)時(shí)的傳感器信息，用于提供即時(shí)的醫(yī)療支持。
　　出于對(duì)采用嵌入系統(tǒng)公平性的考慮，有些賽車場(chǎng)計(jì)劃為賽車團(tuán)隊(duì)提供標(biāo)準(zhǔn)化的引擎控制設(shè)備。 

    電子系統(tǒng)為各種類型賽車成功與普及起著主要作用，從基本的普通小汽車到經(jīng)過(guò)大量改裝的高速賽車或 F1 賽車，它們拓展了引擎和車身底盤設(shè)計(jì)的極限。當(dāng)車迷們?cè)谫惖阑螂娨暽闲蕾p自己鐘愛(ài)的汽車比賽時(shí)，他們看到了嵌入系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)者們多年研究、數(shù)據(jù)搜集和精益求精成果的累積。從賽前的優(yōu)化到賽后的分析，賽車團(tuán)隊(duì)越來(lái)越依賴于成堆的引擎與機(jī)械數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)作精細(xì)調(diào)整，提高性能。當(dāng)出現(xiàn)碰撞事故時(shí)，嵌入式記錄儀會(huì)捕捉多個(gè)數(shù)據(jù)流，以判定是機(jī)械故障還是駕駛員的失誤。但這類電子系統(tǒng)很多是有爭(zhēng)議的，賽車官員們必須不斷更改規(guī)則，從而在駕駛員安全、車迷們欣賞和  
競(jìng)爭(zhēng)性之間取得平衡。

　　賽車運(yùn)動(dòng)已經(jīng)激勵(lì)出了許多嵌入電子創(chuàng)新，并最終會(huì)在量產(chǎn)的汽車中找到自己的位置。嵌入處理器獲取并交換信息，以控制、優(yōu)化和監(jiān)控各種功能，而在幾年前這些功能還是純機(jī)械式的。動(dòng)力系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)要實(shí)時(shí)檢查多個(gè)傳感器，調(diào)整燃料混合比、點(diǎn)火定時(shí)以及變速箱，以獲得最佳性能。設(shè)計(jì)者基于嵌入電路實(shí)現(xiàn)防死鎖剎車、牽引控制和穩(wěn)定控制系統(tǒng)。對(duì)于賽車應(yīng)用，嵌入系統(tǒng)可以針對(duì)特定賽道調(diào)整車身結(jié)構(gòu)，改進(jìn)空氣動(dòng)力學(xué)特性，調(diào)整有效懸掛系統(tǒng)。有了實(shí)時(shí)通信，后勤維修人員可以監(jiān)控并調(diào)整引擎性能，而車迷們可以看到駕駛室的視圖。不過(guò)有諷刺意味的是，幾乎沒(méi)有哪種汽車比賽允許采用車隊(duì)開(kāi)發(fā)和調(diào)整的很多先進(jìn)電子子系統(tǒng)。官方會(huì)阻止任何能補(bǔ)償或輔助駕駛員動(dòng)作的子系統(tǒng)，以保證競(jìng)賽的趣味。

　　各個(gè)認(rèn)可團(tuán)體，如 NASCAR（美國(guó)賽車聯(lián)合會(huì)）、Indy 賽車聯(lián)盟或 FIA（國(guó)際汽車聯(lián)合會(huì)），都維護(hù)著自己的規(guī)則，其中詳述了對(duì)賽車運(yùn)動(dòng)參與者的要求。NASCAR 起源于 1948 年，自稱是吸引觀眾最多的體育運(yùn)動(dòng)。它在美國(guó)已升至觀眾參與最多的 20 種賽事的第 17 位，也是全球第 2 大季節(jié)性常規(guī)電視節(jié)目，被傳播至 150 多個(gè)國(guó)家。FIA 主要定位于歐洲，但在全世界舉辦比賽；F1 或 Grand Prix 比賽采用高度定制的汽車，這種汽車專門設(shè)計(jì)用于高速比賽。設(shè)計(jì)者要在多數(shù) F1 方程式賽車上充分地配置各種儀器，向比賽團(tuán)隊(duì)、廣播商和觀眾提供汽車與駕駛員的實(shí)時(shí)信息流。Indy 賽車聯(lián)盟是另一個(gè)開(kāi)輪式、單座賽車運(yùn)動(dòng)的管理團(tuán)體，這種賽車名為 Indianapolis 500。



　　賽前優(yōu)化

　　遠(yuǎn)在賽車真正開(kāi)上賽道以前，賽車團(tuán)隊(duì)就要做很多比賽決策和調(diào)整。例如，Penske 技術(shù)集團(tuán)與賽車團(tuán)隊(duì)合作在賽事前預(yù)測(cè)車輛的性能。Pensake 提供一種計(jì)算機(jī)控制的振動(dòng)臺(tái)及分析服務(wù)，它采用 MathWorks 的軟件來(lái)確定對(duì)車輛阻尼特性的最佳調(diào)整（圖1）。振動(dòng)平臺(tái)配有七個(gè)液壓制動(dòng)器，其中四個(gè)用于道路模擬，三個(gè)直接連接到車身上，模擬側(cè)傾、轉(zhuǎn)彎和風(fēng)阻。賽車團(tuán)隊(duì)使用在賽道上預(yù)先記錄的數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)整彈簧和振動(dòng)參數(shù)，精細(xì)地調(diào)整車輛的動(dòng)力學(xué)特性。Penske 還使用 MathWorks 的 Simulink 仿真工具建立空氣動(dòng)力學(xué)負(fù)荷模型，為制動(dòng)器確定適當(dāng)?shù)南螺d力。





　　當(dāng)賽車以超過(guò) 200mph 的速度飛馳時(shí)，互相之間僅有數(shù)英寸距離，碰撞事故是難以避免的，并且會(huì)經(jīng)常發(fā)生。但是，只有在2001年賽車傳奇人物 Dale Earnhardt死后，NASCAR才開(kāi)始用 Independent Witness 的事件數(shù)據(jù)嵌入式電子記錄儀來(lái)收集實(shí)時(shí)的碰撞數(shù)據(jù)。NASCAR官方在駕駛員座椅的旁邊安裝Witness，它擁有能維持兩年的電池，是一個(gè)自動(dòng)工作的設(shè)備。該設(shè)備監(jiān)控著車輛的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)碰撞事件時(shí)，它會(huì)記錄下日期、時(shí)間、方向、撞擊及嚴(yán)重程度，以及一個(gè)三維加速度數(shù)據(jù)曲線。同樣，Indy 賽車聯(lián)盟也要求所有汽車都裝有 Delphi ADR3 事故數(shù)據(jù)記錄儀（圖 2）。ADR3 可以在事故前、期間和事故后，以 1k 采樣/秒的速率檢測(cè)并記錄下車輛的多個(gè)參數(shù)。被監(jiān)控的參數(shù)包括車輪速度、節(jié)氣門位置、轉(zhuǎn)向角度、胎壓、加速度和安全帶負(fù)載。駕駛員帶有一個(gè)耳塞式傳感器，其中的嵌入式加速度計(jì)在碰撞時(shí)立即發(fā)出 G 加速度數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)醫(yī)療人員可以快速獲得并分析碰撞數(shù)據(jù)，幫助確定駕駛者可能遭受哪種傷害，以準(zhǔn)備恰當(dāng)?shù)尼t(yī)治手段。多次事故的數(shù)據(jù)推動(dòng)在車輛中整合更多的安全功能，如對(duì)抗沖撞力的頭、頸約束等。





　　在一個(gè)采納嵌入電路的好處并維護(hù)公正性的措施中，F(xiàn)IA 為所有 F1方程式賽車團(tuán)隊(duì)規(guī)定了 2008 年起用的一種標(biāo)準(zhǔn)化 ECU（引擎控制設(shè)備）。ECU 將監(jiān)控傳動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)部分，從每輛車上的 100 多個(gè)傳感器收集數(shù)據(jù)，并向駕駛者顯示關(guān)鍵信息。一只 ECU 每秒要產(chǎn)生多達(dá) 500k 字節(jié)數(shù)據(jù)，一次 Grand Prix 賽車期間，從傳感器獲得的數(shù)據(jù)可以超過(guò) 1G 字節(jié)。高速無(wú)線遙測(cè)鏈路不斷將這種數(shù)據(jù)送回到位于每個(gè) F1 比賽團(tuán)隊(duì)修理間的系統(tǒng)中，供進(jìn)一步分析。FIA 選擇 McLaren Electronic Systems 和微軟公司作為 F1 賽車 ECU 及相關(guān)軟件的正式供應(yīng)商。 

遙測(cè)的麻煩

　　由于其特性，賽車中的實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)也存在著爭(zhēng)議。通過(guò)正確的設(shè)置，車隊(duì)人員甚至廠方專家都可以監(jiān)控比賽中的車輛傳感器，準(zhǔn)備進(jìn)站加油、策劃其它的節(jié)油策略，甚至判斷和排除引擎或機(jī)械故障。一般的遙測(cè)測(cè)量包括多軸加速度、溫度、轉(zhuǎn)速和機(jī)械偏移。通過(guò)雙向遙測(cè)方式，專家可以在比賽中實(shí)時(shí)調(diào)整引擎的性能或空氣動(dòng)力學(xué)特性。管理組織現(xiàn)在對(duì)許可的遙測(cè)數(shù)據(jù)類型和數(shù)量作了標(biāo)準(zhǔn)化，大多數(shù)禁止雙向遙測(cè)。

　　嵌入式電子系統(tǒng)和軟件在賽車中發(fā)展最快的一個(gè)方面是向車迷們送交實(shí)時(shí)賽車信息，渠道可以是電視畫面或通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)。嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)者與廣播商、賽車官員合作，設(shè)計(jì)出一些捕捉和顯示實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的概念。這類系統(tǒng)多數(shù)都需要對(duì)每輛車的精確定位信息（見(jiàn)附文“實(shí)時(shí)跟蹤：我的車在哪里？”）。NASCAR 已經(jīng)在基于訂閱的信息系統(tǒng)中處于領(lǐng)先地位，它可以使車迷們使用互聯(lián)網(wǎng)上的定制視圖，近距離地追蹤賽車動(dòng)向。例如，NASCAR PitCommand 訂閱服務(wù)是一種基于 Java 的在線多媒體功能，車迷們可以在自己的計(jì)算機(jī)上跟蹤任何一輛賽車或所有賽車的位置、速度和引擎轉(zhuǎn)速，這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)直接來(lái)自于每輛車上的遙測(cè)盒（圖 3）。RaceView 是另一個(gè) NASCAR 車迷數(shù)據(jù)提交的創(chuàng)新，它提供一種計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序，采用類似于流行賽車游戲中的三維動(dòng)畫方式（圖 4）。車迷們可以選擇一位駕駛者，或在現(xiàn)場(chǎng)所有駕駛者之間切換，跟蹤他們通過(guò)賽道和修理站、警告標(biāo)志、領(lǐng)跑交換，并觀看駕駛者數(shù)據(jù)，如落后于領(lǐng)先者的實(shí)際位置、速度和時(shí)間。每個(gè)駕駛者有三種賽車視圖，包括顯示駕駛者前方以及被追逐車輛的 Lead View；顯示上方空中視圖的 Flyover View；以及從后方顯示車輛以及駕駛者前面視野的 Draft View。PitCommand 和 RaceView 是 NASCAR 優(yōu)惠訂閱服務(wù)的一部分，每名賽車車迷的月費(fèi)是 12.95 美元。





　　雖然嵌入系統(tǒng)技術(shù)可能還存在爭(zhēng)議，有些賽道還部分禁止使用，但也有一些比賽不僅允許使用電子系統(tǒng)，而且競(jìng)賽結(jié)果還只依賴于其性能。例如，通過(guò)一場(chǎng)資格賽的前20個(gè)團(tuán)隊(duì)將競(jìng)爭(zhēng)于今年11月舉辦的 DRAPA（國(guó)防部先進(jìn)技術(shù)研究計(jì)劃署）城市挑戰(zhàn)賽，第一名可獲得200萬(wàn)美元現(xiàn)金獎(jiǎng)，第二名為100萬(wàn)美元，第三名為50萬(wàn)美元。無(wú)駕駛員的機(jī)器人汽車將在位于加州Victorville軍隊(duì)訓(xùn)練基地的一個(gè)城市道路網(wǎng)上完成模擬的供給任務(wù)。車輛必須完全自動(dòng)化，只能用 GPS（全球定位系統(tǒng)）和其自身傳感器探測(cè)的信息。另外，車輛必須采用普通型號(hào)，或有已存檔的安全記錄，并遵守加州的駕駛法。DARPA 將在比賽開(kāi)始前 24 小時(shí)提供道路網(wǎng)絡(luò)，并在比賽開(kāi)始前 5 分鐘為每個(gè)團(tuán)隊(duì)提供一個(gè)文件，其中詳細(xì)描述道路情況。


　　機(jī)器人 SUV





　　卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（匹茲堡）的 Tartan Racing 是參加城市挑戰(zhàn)賽的團(tuán)隊(duì)代表。它的參賽者名為 Boss，是一輛 Chevy Tahoe SUV，它有超過(guò) 30 萬(wàn)行代碼用于城市和道路上的自動(dòng)導(dǎo)航（圖 5）。Boss 使用感知、計(jì)劃和行為軟件推理出交通情況，并采取適當(dāng)?shù)膭?dòng)作開(kāi)向目的地。汽車裝有十幾臺(tái)激光、攝像頭和雷達(dá)，用于查看周圍情況。軟件與傳感器技術(shù)使汽車能夠遠(yuǎn)距離探測(cè)并跟蹤其它車輛、在停車場(chǎng)尋找一個(gè)位置并停好車、遵守十字路口優(yōu)先通過(guò)的規(guī)定、以一個(gè)安全距離跟隨其它車輛，以及對(duì)動(dòng)態(tài)情況做出反應(yīng)，如道路堵塞或路面壞車。







　　全球太陽(yáng)能挑戰(zhàn)賽（World Solar Challenge）是另一項(xiàng)有趣的比賽，它極大地依賴于嵌入電子系統(tǒng)。該比賽要設(shè)計(jì)并建造一輛只用太陽(yáng)光作能源而跨越澳大利亞的汽車。2005 年最后一場(chǎng)比賽中，獲勝汽車穿越了從 Darwin 和 Adelaide 之間 3021 km 的距離，用時(shí) 29 小時(shí) 11 分鐘，平均速度約 103 km/hr。這輛車名為 Nuna3，它采用高效率、三層砷化鎵太陽(yáng)能電池，這種電池一般用于為地球衛(wèi)星提供電能（圖 6）。來(lái)自荷蘭 Delft 技術(shù)大學(xué)不同學(xué)科的 11 名學(xué)生設(shè)計(jì)并建造了這輛車。2007 年的比賽于10月舉行，將采用新的規(guī)則以提高競(jìng)爭(zhēng)性。官方將參加者的太陽(yáng)能采集板限制在 6m2，駕駛者的進(jìn)出不得起輔助作用，座椅位置必須垂直。另外還有很多新的安全要求。此外，競(jìng)賽者在穿越某一部分路線時(shí)必須遵守 130 km/hr 的新速度限制。
盡管賽車并未準(zhǔn)備好接受最新的嵌入電子技術(shù)，但它為車輛性能和安全增強(qiáng)系統(tǒng)提供了一個(gè)出色的測(cè)試平臺(tái)。設(shè)計(jì)者用嵌入設(shè)備來(lái)改善車輛發(fā)電機(jī)、傳動(dòng)裝置、空氣動(dòng)力學(xué)、燃油經(jīng)濟(jì)性和安全系統(tǒng)的工作情況。無(wú)論是為了賽道上的競(jìng)賽測(cè)速、穿越沙漠的可靠性或率先開(kāi)到下一個(gè)交通信號(hào)燈的得意心情，賽車迷們都會(huì)繼續(xù)依賴于電子技術(shù)保持領(lǐng)先。 


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　　附文：實(shí)時(shí)跟蹤：我的車在哪里？

　　Sportvision 的 Racef/x 系統(tǒng)包含了高速數(shù)據(jù)通信、全球定位技術(shù)以及實(shí)時(shí)攝像頭控制，為賽車實(shí)況電視覆蓋提供了圖形化的增強(qiáng)方法。該系統(tǒng)使廣播員能夠用屏幕上的指針，識(shí)別所選擇的比賽汽車，它還有一個(gè)可選的虛擬儀表板，用來(lái)顯示關(guān)鍵統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如實(shí)時(shí)速度和位置。系統(tǒng)采用一種板載遙測(cè)系統(tǒng)，將傳感器和 GPS（全球定位系統(tǒng)）數(shù)據(jù)發(fā)送給賽道旁邊座席上的接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)。差分 GPS 技術(shù)可以將衛(wèi)星位置信號(hào)與已知的固定位置作比較，確定每輛車的位置。一些廣播攝像頭帶有遙控平掃和高低功能，可以自動(dòng)跟隨選定車輛的位置數(shù)據(jù)  
。定制軟件每秒可更新數(shù)次，同步傳輸，并收集賽道上以 200 mph 速度飛馳的多達(dá) 55 輛車統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。Sportvision 在 2006 年 Indy 賽車季時(shí)推出了自己的 Racef/x 系統(tǒng)，NASCAR（美國(guó)賽車聯(lián)合會(huì)）也在 2007 Busch 系列賽季中使用這個(gè)系統(tǒng)。這種類型的跟蹤系統(tǒng)使贊助商能夠獲得更好的收益，因?yàn)樗ㄟ^(guò)互聯(lián)網(wǎng)提交基于訂閱的數(shù)據(jù)，用戶可以追蹤自己喜愛(ài)的賽手。 
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