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挑戰：開(kāi)發(fā)一套可靠的賽車(chē)測試和數據采集系統，來(lái)采集并分析賽車(chē)關(guān)鍵點(diǎn)的數據，從而提升Brigham Young University SAE 方程式賽車(chē)的性能，縮短它的調整時(shí)間 方案：使用一個(gè)八模塊的NI CompactRIO 系統來(lái)進(jìn)行數據采集，該系統上還連接有二十幾個(gè)用于實(shí)時(shí)測量的傳感器。我們還添加了一個(gè)市面上可買(mǎi)到的簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)路由器，用于與一臺裝有NI LabVIEW 的筆記本電腦進(jìn)行遙測通信，以實(shí)現實(shí)時(shí)監測 美國汽車(chē)工程師協(xié)會(huì )每年都會(huì )主辦方程式SAE 學(xué)生設計競賽。今年，七十支參賽隊伍將設計、建造一輛限乘一人、開(kāi)輪式公路賽車(chē)，并用其進(jìn)行比賽。方程式SAE競賽被認為是世界上最有聲譽(yù)的大學(xué)工程類(lèi)設計競賽。今年，第一次有Brigham Young University 的本科生參加方程式SAE 競賽。 對于汽車(chē)數據采集系統來(lái)說(shuō)，測試是設計過(guò)程中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節。通過(guò)制作一個(gè)模型汽車(chē)，我們在確定賽車(chē)的最終方案之前明確了需要改進(jìn)的系統。為了驗證設計，我們的測試和實(shí)驗需要用到儀器、板上數據采集和統計分析。 我們之所以選擇NI CompactRIO（可重復配置的輸入/ 輸出）數據采集系統，主要是因為它配置的靈活性和輸入通道的密度（輸入通道的密度等于輸入通道/ 重量）。在圖中，可以看到它被安裝在測試賽車(chē)上。cRIO系統提供了其他設備不能提供的解決方案。cRIO系統上的各種可用模塊為傳感器的選擇提供了靈活性�？刂破鞯木W(wǎng)絡(luò )功能為遠程賽車(chē)監測提供了無(wú)線(xiàn)遙測選項。確定性回路選項使得系統精確而高速地采集數據，同時(shí)低功耗的特點(diǎn)對維持備用電源來(lái)說(shuō)也是至關(guān)重要。 這個(gè)系統的重量不超過(guò)九磅，可以配置成高達64路的模擬輸入通道，并且運行時(shí)功率低于24 瓦。我們的cRIO 系統配置有兩個(gè)cRIO-9211 熱電偶模塊、一個(gè)CRIO-9421 數字輸入模塊、一個(gè)cRIO-9472數字輸出模塊和四個(gè)cRIO-9201模擬輸入模塊。我們在LabVIEW中編寫(xiě)虛擬儀器程序來(lái)采集數據、繪制速度和加速度的圖表、顯示溫度并記錄信息。通過(guò)在cRIO系統與普通的無(wú)線(xiàn)路由器間建立TCP/IP 連接來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)遙測。我們用一個(gè)簡(jiǎn)易的12伏到5 伏的直流到直流轉換器通過(guò)汽車(chē)電池為路由器供電。利用無(wú)線(xiàn)連接，我們可以實(shí)時(shí)地解析數據，這極大地簡(jiǎn)化了數據分析過(guò)程，并且使得我們的組員在汽車(chē)駛入凹陷路面前可以提前調整發(fā)動(dòng)機或懸架。我們有27 個(gè)傳感器用來(lái)測量加速度、車(chē)輪速度、空氣溫度、燃料溫度、輪胎溫度、壓力、節流桿位置、剎車(chē)桿位置、操縱桿位置和懸架位移。 輪胎溫度會(huì )顯著(zhù)地影響附著(zhù)摩擦力，進(jìn)而影響航跡時(shí)間。我們有三個(gè)紅外傳感器，它們被安裝在每個(gè)輪胎前的懸臂支架上。輪胎對賽道的控制能力會(huì )隨著(zhù)溫度的升高而提高，直到輪胎達到最佳性能，此后，輪胎對賽道的控制能力會(huì )隨著(zhù)溫度的升高而降低。利用24 位精度的cRIO-9211 熱電偶模塊，我們甚至可以檢測到最輕微的溫度上升。我們的測試過(guò)程包括三個(gè)階段： ● 調整懸架的外傾角和輪胎壓力，直到輪胎沿著(zhù)胎面均勻地受熱。 ● 外加一個(gè)橫向加速度計，利用LabVIEW勾畫(huà)出摩擦力系數與溫度間的函數關(guān)系。這這決定了輪胎控制性能峰值的溫度。 ● 對懸架設置（束角和外傾角）進(jìn)行實(shí)驗，使輪胎溫度最接近地保持在控制性能峰值的溫度附近。 由于方程式SAE競賽的技術(shù)性本質(zhì)，快速的加速度和高速轉彎速度是在競賽中取勝的關(guān)鍵。在我們的駕駛測試中，我們使用了一個(gè)三軸的加速度計來(lái)量化轉彎性能。橫向加速度受靜態(tài)外傾角、輪胎氣壓和輪胎溫度影響。析因實(shí)驗幫助我們找到外傾角和輪胎氣壓的最優(yōu)設置。幾個(gè)駕駛員重復進(jìn)行了這個(gè)測試。 在車(chē)前的垂直端安裝有一個(gè)霍爾效應傳感器用來(lái)測量車(chē)輪的速度。我們在剎車(chē)制動(dòng)器的轉子上打下均勻間隔的孔作為目標。一周 12個(gè)孔，而車(chē)輪的速度高達每秒24轉，所以最小采樣速率為576 S/s是必需的。我們在LabVIEW中使用了一個(gè)高優(yōu)先級的定時(shí)環(huán)路，以確保足夠快的速率來(lái)采集這個(gè)數據。 在轉彎時(shí)最小程度地移動(dòng)重心可使得汽車(chē)具有更強的可預測性和更容易的操控性。安裝在減震器上的線(xiàn)性電位計可以測量汽車(chē)轉彎時(shí)懸梁的位移是多大。懸梁調整后，我們就可以找到在保持控制性能的前提下最小化懸梁位移的設置。 輪胎的附著(zhù)摩擦力限制了橫向加速度和制動(dòng)加速度。一個(gè)熟練的駕駛員可以在這個(gè)最大加速度的極限內駕駛。利用一個(gè)三軸的加速度計，我們可以測量汽車(chē)加速度的大小。駕駛員可以利用節氣閥位置傳感器、制動(dòng)壓力變換器和操縱角度電位計來(lái)確定賽車(chē)的運動(dòng)趨勢。利用無(wú)線(xiàn)電通信，可以將上述信息傳播給駕駛員。即時(shí)反饋可以幫助駕駛員了解汽車(chē)的限制，這在競賽準備的訓練中是很有益的。 Brigham Young University的賽車(chē)設計工程師依靠NI 公司的硬件優(yōu)化了賽車(chē)性能，利用NI CompactRIO系統的靈活性和LabVIEW軟件編程的高效性，使得賽車(chē)的性能在競賽前不斷提升。質(zhì)量測試設備和流程最終幫助Brigham Young大學(xué)取得了第一名的好成績(jì)。 作者信息： B. Newill 美國B(niǎo)righam Young University NI公司供稿 |
