面向方程式賽車(chē)的高性能電子設(shè)備

Author(s):
Abhi Mittal - University of Manchester

Industry:
Research, Automotive

Products:
Multisim, CompactRIO, LabVIEW

The Challenge:
   實(shí)現(xiàn)一套面向曼徹斯特大學(xué)方程式學(xué)生單座位賽車(chē)的便攜式的、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它可以測(cè)試多種車(chē)輛。

The Solution:
  利用Multisim和LabVIEW軟件，以及NI CompactRIO可編程自動(dòng)化控制器（PAC），仿真車(chē)輛、采集數(shù)據(jù)并利用該數(shù)據(jù)建立定制的報(bào)警信號(hào)。

   我們正在創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)并顯示汽車(chē)是否按照IMechE安全規(guī)則行駛。該系統(tǒng)將使得設(shè)計(jì)人員洞悉車(chē)輛動(dòng)力學(xué)，以支持未來(lái)面向賽道故障檢測(cè)的實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)決策，并以記錄數(shù)據(jù)的形式用于將來(lái)參考。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是便攜式且可擴(kuò)展的，以便在工作間或動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（動(dòng)力計(jì)）容納多種汽車(chē)或車(chē)輛的多個(gè)獨(dú)立部件。

  利用Multisim，我們可以在購(gòu)買(mǎi)任何組件或PCB前，仿真車(chē)輛的整個(gè)接線器和功率分配電路，從而節(jié)省時(shí)間和不必要的成本。CompactRIO為我們提供了一個(gè)能夠從多個(gè)傳感器接收輸入的、堅(jiān)固的、可重新編程的數(shù)據(jù)記錄器。利用LabVIEW和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的WiFi路由器，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無(wú)線遙測(cè)系統(tǒng)，它處理約20個(gè)通道的模擬數(shù)據(jù)，以及其他18個(gè)通道的CAN總線數(shù)據(jù)。利用LabVIEW，我們可以以正確的格式察看數(shù)據(jù)并創(chuàng)建定制的報(bào)警信號(hào)。

    機(jī)械工程師學(xué)會(huì)的方程式學(xué)生競(jìng)賽要求工程專業(yè)的學(xué)生們利用小型的方程式風(fēng)格的賽車(chē)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制造和競(jìng)爭(zhēng)。這些賽車(chē)經(jīng)過(guò)一年時(shí)間的構(gòu)造，然后被帶到銀石賽道與來(lái)自世界各地的其他競(jìng)爭(zhēng)者評(píng)判和比較。在2008年有95支團(tuán)隊(duì)主要在車(chē)輛類別和低排放車(chē)輛類別方面參與了競(jìng)爭(zhēng)。

虛擬接線器
   Multisim中的接線器仿真通過(guò)允許我們檢查各種安全斷流器的操作，確保該系統(tǒng)功能依照安全規(guī)則進(jìn)行工作。我們可以仿真電流，以評(píng)估電池的性能并在UltiBoard內(nèi)優(yōu)化PCB以處理那些負(fù)載，尤其是用于啟動(dòng)電機(jī)電流的非常寬的線路。利用機(jī)械CAD工具，可以確保我們的電路將封裝在外殼內(nèi)。

數(shù)據(jù)采集與遙測(cè)
   汽車(chē)車(chē)架、懸掛、冷卻和駕駛培訓(xùn)是一些重要的方面，其中，基于真實(shí)數(shù)據(jù)分析的設(shè)計(jì)驗(yàn)證非常關(guān)鍵。通過(guò)CAD軟件包的簡(jiǎn)單仿真，很難發(fā)現(xiàn)薄弱之處或有待優(yōu)化之處。數(shù)據(jù)不僅用于車(chē)輛的設(shè)計(jì)階段，還用于懸掛和冷卻系統(tǒng)中的賽道調(diào)整。

    CompactRIO為我們提供一個(gè)一體化的數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在輸入類型和數(shù)據(jù)察看方面具有無(wú)與倫比的靈活性。512 MB的板上存儲(chǔ)使得高精度數(shù)據(jù)捕獲成為可能。它提供了一個(gè)比絕大多數(shù)的其他解決方案（甚至專為運(yùn)動(dòng)摩托車(chē)設(shè)計(jì)的解決方案）高得多的通道密度（輸入通道數(shù)與尺寸的比值）。由于一個(gè)簡(jiǎn)單的WiFi連接，我們甚至不必?fù)碛幸粋€(gè)用于遙測(cè)的射頻許可證書(shū)。可移除的、選擇范圍廣泛的C-系列模塊使得CompactRIO成為可持續(xù)的選擇。我們可以在我們的需求增長(zhǎng)或我們發(fā)現(xiàn)新的測(cè)量領(lǐng)域時(shí)改變配置。它還支持較寬的工作電壓，這對(duì)于引擎頻繁重啟（此時(shí)電壓下降可能多達(dá)25%）的汽車(chē)供能非常重要。

    我們與NI現(xiàn)場(chǎng)工程師們緊密合作，以裁減硬件使其適合我們的目的。我們的單元是一個(gè)8-模塊機(jī)箱，配有NI 9237同步橋模塊、NI 9205模擬輸入模塊、NI 9411數(shù)字輸入模塊、NI 9211熱電偶模塊、面向IEPE測(cè)量的NI 9233動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊和NI 9853高速CAN輸入模塊。CAN輸入支持我們監(jiān)測(cè)來(lái)自與ECU相連的傳感器的數(shù)據(jù)，如RPM、汽油溫度和汽油壓力。這樣避免了重復(fù)裝配傳感器或制造傳感器緩存電路?？焖僦匦戮幊毯蛦蝹€(gè)單元的便攜性的組合，意味著我們可以方便地在汽車(chē)或動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用CompactRIO，以獲取更為詳細(xì)的引擎相關(guān)的測(cè)量結(jié)果。它僅涉及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳合適的VI和傳感器的連接。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)
  實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的能力高低對(duì)于能否在產(chǎn)生嚴(yán)重后果之前就發(fā)現(xiàn)問(wèn)題非常重要。在測(cè)試過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)可以在不停止車(chē)輛的情況下檢查引擎是否處于恒定的溫度。當(dāng)團(tuán)隊(duì)能夠做好在車(chē)輛仍在行駛過(guò)程中改變懸掛的準(zhǔn)備，測(cè)試會(huì)話會(huì)更加富有成效，這意味著駕駛?cè)藛T可以獲得更多掌控方面的實(shí)踐。

   給駕駛?cè)藛T提供即時(shí)反饋也是一種改進(jìn)其駕駛風(fēng)格的有效方式。一名優(yōu)秀的賽車(chē)手必須始終掌控其車(chē)輛，恰好在牽引力的極限之內(nèi)。通過(guò)在駕駛過(guò)程中觀察油門(mén)位置、剎車(chē)壓力和方向盤(pán)角度數(shù)據(jù)，一名駕駛?cè)藛T獲知其技術(shù)中需要改進(jìn)的方面。

車(chē)輛動(dòng)力學(xué)
   利用線性和選擇電位計(jì)，可以以可量化的方式觀測(cè)車(chē)輛的重量轉(zhuǎn)移特性。通過(guò)測(cè)量懸掛與轉(zhuǎn)向角度，我們可以觀測(cè)到車(chē)輛在拐彎處如何傾斜。然后，可以調(diào)節(jié)減震器以最大限度減少滑行和增加抓地力。

   在駕駛一輛賽車(chē)時(shí)，觀察四只車(chē)輪的狀況至關(guān)重要。我們利用一個(gè)安裝于右上方的霍爾傳感器測(cè)量每只車(chē)輪的速率。當(dāng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這些傳感器被置于制動(dòng)盤(pán)后面的一個(gè)專門(mén)設(shè)計(jì)的齒輪盤(pán)觸發(fā)。它們提供了一個(gè)與晶體管-晶體管邏輯（TTL）兼容的開(kāi)關(guān)輸出。利用NI 9411數(shù)字輸入模塊和LabVIEW中的一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的定時(shí)循環(huán)，我們可以確保以足夠高的采樣率對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采樣。該車(chē)輪速率數(shù)據(jù)以及來(lái)自方向盤(pán)角度傳感器的預(yù)期方向數(shù)據(jù)，被用于了解和驗(yàn)證限滑差速器、牽引力控制和起跑控制的工作。引擎控制單元（ECU）提供了對(duì)于后兩項(xiàng)的越限的調(diào)整控制。通過(guò)測(cè)量在拐彎處或偏離起跑線時(shí)的車(chē)輪速率，我們可以找到最佳設(shè)置。

   我們利用NI 9237橋模塊讀取置于懸掛臂和底盤(pán)管上的應(yīng)變計(jì)讀數(shù)。雖然對(duì)于已建造的車(chē)輛上的這一數(shù)據(jù)，我們所能做的工作是微乎其微，但在設(shè)計(jì)未來(lái)車(chē)輛時(shí)，這一數(shù)據(jù)將非常有用。例如，如果部件所承受的壓力低于最初的預(yù)測(cè)，可以重新設(shè)計(jì)部件以減輕重量。

  NI 9233模塊具有四路同時(shí)采樣的24-位輸入，以支持與加速度計(jì)的簡(jiǎn)單的2-線連接。可以量化橫向加速度，并將其與不同車(chē)輪外傾角和輪胎壓力的組合相比較。在獲得這些正確方式后，我們的汽車(chē)可以以更高的速率高速通過(guò)更緊急的彎角。

總結(jié)
  NI軟硬件支持我們開(kāi)放試驗(yàn)和快速納用，這對(duì)于汽車(chē)的開(kāi)發(fā)非常重要。該方程式學(xué)生團(tuán)隊(duì)每年完成一輛新款賽車(chē)（這與任一支專業(yè)賽車(chē)團(tuán)隊(duì)非常相似），因此，“變幻莫測(cè)”的能力非常關(guān)鍵。絕大多數(shù)現(xiàn)成可用的汽車(chē)數(shù)據(jù)記錄器并沒(méi)有提供CompactRIO的廣泛的連接性，尤其是對(duì)于類似應(yīng)變計(jì)的無(wú)源傳感器。預(yù)計(jì)2009年7月完成的MAN09賽車(chē)是我們的第一款載有CompactRIO的車(chē)輛。該首批數(shù)據(jù)將加深我們對(duì)汽車(chē)設(shè)計(jì)的認(rèn)知。

  CompactRIO業(yè)已被重點(diǎn)用于未來(lái)的控制器以及錄入裝置。其基于FPGA的操作將非常適合主動(dòng)制導(dǎo)懸架系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)和混合駕駛培訓(xùn)管理等應(yīng)用。