面向方程式赛车的高性能电子设备

Author(s):
Abhi Mittal - University of Manchester

Industry:
Research, Automotive

Products:
Multisim, CompactRIO, LabVIEW

The Challenge:
   实现一套面向曼彻斯特大学方程式学生单座位赛车的便携式的、可扩展的数据采集系统，它可以测试多种车辆。

The Solution:
  利用Multisim和LabVIEW软件，以及NI CompactRIO可编程自动化控制器（PAC），仿真车辆、采集数据并利用该数据建立定制的报警信号。

   我们正在创建一个系统，采集数据并显示汽车是否按照IMechE安全规则行驶。该系统将使得设计人员洞悉车辆动力学，以支持未来面向赛道故障检测的实时设计决策，并以记录数据的形式用于将来参考。该数据采集系统应当是便携式且可扩展的，以便在工作间或动力实验室（动力计）容纳多种汽车或车辆的多个独立部件。

  利用Multisim，我们可以在购买任何组件或PCB前，仿真车辆的整个接线器和功率分配电路，从而节省时间和不必要的成本。CompactRIO为我们提供了一个能够从多个传感器接收输入的、坚固的、可重新编程的数据记录器。利用LabVIEW和一个标准的WiFi路由器，我们实现了一个无线遥测系统，它处理约20个通道的模拟数据，以及其他18个通道的CAN总线数据。利用LabVIEW，我们可以以正确的格式察看数据并创建定制的报警信号。

    机械工程师学会的方程式学生竞赛要求工程专业的学生们利用小型的方程式风格的赛车构思、设计、制造和竞争。这些赛车经过一年时间的构造，然后被带到银石赛道与来自世界各地的其他竞争者评判和比较。在2008年有95支团队主要在车辆类别和低排放车辆类别方面参与了竞争。

虚拟接线器
   Multisim中的接线器仿真通过允许我们检查各种安全断流器的操作，确保该系统功能依照安全规则进行工作。我们可以仿真电流，以评估电池的性能并在UltiBoard内优化PCB以处理那些负载，尤其是用于启动电机电流的非常宽的线路。利用机械CAD工具，可以确保我们的电路将封装在外壳内。

数据采集与遥测
   汽车车架、悬挂、冷却和驾驶培训是一些重要的方面，其中，基于真实数据分析的设计验证非常关键。通过CAD软件包的简单仿真，很难发现薄弱之处或有待优化之处。数据不仅用于车辆的设计阶段，还用于悬挂和冷却系统中的赛道调整。

    CompactRIO为我们提供一个一体化的数据采集与实时监测系统，该系统在输入类型和数据察看方面具有无与伦比的灵活性。512 MB的板上存储使得高精度数据捕获成为可能。它提供了一个比绝大多数的其他解决方案（甚至专为运动摩托车设计的解决方案）高得多的通道密度（输入通道数与尺寸的比值）。由于一个简单的WiFi连接，我们甚至不必拥有一个用于遥测的射频许可证书。可移除的、选择范围广泛的C-系列模块使得CompactRIO成为可持续的选择。我们可以在我们的需求增长或我们发现新的测量领域时改变配置。它还支持较宽的工作电压，这对于引擎频繁重启（此时电压下降可能多达25%）的汽车供能非常重要。

    我们与NI现场工程师们紧密合作，以裁减硬件使其适合我们的目的。我们的单元是一个8-模块机箱，配有NI 9237同步桥模块、NI 9205模拟输入模块、NI 9411数字输入模块、NI 9211热电偶模块、面向IEPE测量的NI 9233动态信号采集模块和NI 9853高速CAN输入模块。CAN输入支持我们监测来自与ECU相连的传感器的数据，如RPM、汽油温度和汽油压力。这样避免了重复装配传感器或制造传感器缓存电路。快速重新编程和单个单元的便携性的组合，意味着我们可以方便地在汽车或动力实验室内使用CompactRIO，以获取更为详细的引擎相关的测量结果。它仅涉及通过网络上传合适的VI和传感器的连接。

现场监测
  实时监测数据的能力高低对于能否在产生严重后果之前就发现问题非常重要。在测试过程中，该团队可以在不停止车辆的情况下检查引擎是否处于恒定的温度。当团队能够做好在车辆仍在行驶过程中改变悬挂的准备，测试会话会更加富有成效，这意味着驾驶人员可以获得更多掌控方面的实践。

   给驾驶人员提供即时反馈也是一种改进其驾驶风格的有效方式。一名优秀的赛车手必须始终掌控其车辆，恰好在牵引力的极限之内。通过在驾驶过程中观察油门位置、刹车压力和方向盘角度数据，一名驾驶人员获知其技术中需要改进的方面。

车辆动力学
   利用线性和选择电位计，可以以可量化的方式观测车辆的重量转移特性。通过测量悬挂与转向角度，我们可以观测到车辆在拐弯处如何倾斜。然后，可以调节减震器以最大限度减少滑行和增加抓地力。

   在驾驶一辆赛车时，观察四只车轮的状况至关重要。我们利用一个安装于右上方的霍尔传感器测量每只车轮的速率。当车轮转动时，这些传感器被置于制动盘后面的一个专门设计的齿轮盘触发。它们提供了一个与晶体管-晶体管逻辑（TTL）兼容的开关输出。利用NI 9411数字输入模块和LabVIEW中的一个高优先级的定时循环，我们可以确保以足够高的采样率对传感器信号进行采样。该车轮速率数据以及来自方向盘角度传感器的预期方向数据，被用于了解和验证限滑差速器、牵引力控制和起跑控制的工作。引擎控制单元（ECU）提供了对于后两项的越限的调整控制。通过测量在拐弯处或偏离起跑线时的车轮速率，我们可以找到最佳设置。

   我们利用NI 9237桥模块读取置于悬挂臂和底盘管上的应变计读数。虽然对于已建造的车辆上的这一数据，我们所能做的工作是微乎其微，但在设计未来车辆时，这一数据将非常有用。例如，如果部件所承受的压力低于最初的预测，可以重新设计部件以减轻重量。

  NI 9233模块具有四路同时采样的24-位输入，以支持与加速度计的简单的2-线连接。可以量化横向加速度，并将其与不同车轮外倾角和轮胎压力的组合相比较。在获得这些正确方式后，我们的汽车可以以更高的速率高速通过更紧急的弯角。

总结
  NI软硬件支持我们开放试验和快速纳用，这对于汽车的开发非常重要。该方程式学生团队每年完成一辆新款赛车（这与任一支专业赛车团队非常相似），因此，“变幻莫测”的能力非常关键。绝大多数现成可用的汽车数据记录器并没有提供CompactRIO的广泛的连接性，尤其是对于类似应变计的无源传感器。预计2009年7月完成的MAN09赛车是我们的第一款载有CompactRIO的车辆。该首批数据将加深我们对汽车设计的认知。

  CompactRIO业已被重点用于未来的控制器以及录入装置。其基于FPGA的操作将非常适合主动制导悬架系统、防抱死制动和混合驾驶培训管理等应用。