NI CompactRIO和LabVIEW，現(xiàn)實賽車測試數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)測

挑戰(zhàn)：開發(fā)一套可靠的賽車測試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，來采集并分析賽車關(guān)鍵點的數(shù)據(jù)，從而提升Brigham Young University SAE 方程式賽車的性能，縮短它的調(diào)整時間

方案：使用一個八模塊的NI CompactRIO 系統(tǒng)來進行數(shù)據(jù)采集，該系統(tǒng)上還連接有二十幾個用于實時測量的傳感器。我們還添加了一個市面上可買到的簡單的無線路由器，用于與一臺裝有NI LabVIEW 的筆記本電腦進行遙測通信，以實現(xiàn)實時監(jiān)測

美國汽車工程師協(xié)會每年都會主辦方程式SAE 學(xué)生設(shè)計競賽。今年，七十支參賽隊伍將設(shè)計、建造一輛限乘一人、開輪式公路賽車，并用其進行比賽。方程式SAE競賽被認(rèn)為是世界上最有聲譽的大學(xué)工程類設(shè)計競賽。今年，第一次有Brigham Young University 的本科生參加方程式SAE 競賽。

對于汽車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，測試是設(shè)計過程中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。通過制作一個模型汽車，我們在確定賽車的最終方案之前明確了需要改進的系統(tǒng)。為了驗證設(shè)計，我們的測試和實驗需要用到儀器、板上數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計分析。

我們之所以選擇NI CompactRIO（可重復(fù)配置的輸入/ 輸出）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，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上。cRIO系統(tǒng)提供了其他設(shè)備不能提供的解決方案。cRIO系統(tǒng)上的各種可用模塊為傳感器的選擇提供了靈活性。控制器的網(wǎng)絡(luò)功能為遠程賽車監(jiān)測提供了無線遙測選項。確定性回路選項使得系統(tǒng)精確而高速地采集數(shù)據(jù)，同時低功耗的特點對維持備用電源來說也是至關(guān)重要。

這個系統(tǒng)的重量不超過九磅，可以配置成高達64路的模擬輸入通道，并且運行時功率低于24 瓦。我們的cRIO 系統(tǒng)配置有兩個cRIO-9211 熱電偶模塊、一個CRIO-9421 數(shù)字輸入模塊、一個cRIO-9472數(shù)字輸出模塊和四個cRIO-9201模擬輸入模塊。我們在LabVIEW中編寫虛擬儀器程序來采集數(shù)據(jù)、繪制速度和加速度的圖表、顯示溫度并記錄信息。通過在cRIO系統(tǒng)與普通的無線路由器間建立TCP/IP 連接來實現(xiàn)無線遙測。我們用一個簡易的12伏到5 伏的直流到直流轉(zhuǎn)換器通過汽車電池為路由器供電。利用無線連接，我們可以實時地解析數(shù)據(jù)，這極大地簡化了數(shù)據(jù)分析過程，并且使得我們的組員在汽車駛?cè)氚枷萋访媲翱梢蕴崆罢{(diào)整發(fā)動機或懸架。我們有27 個傳感器用來測量加速度、車輪速度、空氣溫度、燃料溫度、輪胎溫度、壓力、節(jié)流桿位置、剎車桿位置、操縱桿位置和懸架位移。

輪胎溫度會顯著地影響附著摩擦力，進而影響航跡時間。我們有三個紅外傳感器，它們被安裝在每個輪胎前的懸臂支架上。輪胎對賽道的控制能力會隨著溫度的升高而提高，直到輪胎達到最佳性能，此后，輪胎對賽道的控制能力會隨著溫度的升高而降低。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。我們的測試過程包括三個階段：

● 調(diào)整懸架的外傾角和輪胎壓力，直到輪胎沿著胎面均勻地受熱。

● 外加一個橫向加速度計，利用LabVIEW勾畫出摩擦力系數(shù)與溫度間的函數(shù)關(guān)系。這這決定了輪胎控制性能峰值的溫度。

● 對懸架設(shè)置（束角和外傾角）進行實驗，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(zhuǎn)彎速度是在競賽中取勝的關(guān)鍵。在我們的駕駛測試中，我們使用了一個三軸的加速度計來量化轉(zhuǎn)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?qū)嶒瀻椭覀冋业酵鈨A角和輪胎氣壓的最優(yōu)設(shè)置。幾個駕駛員重復(fù)進行了這個測試。

在車前的垂直端安裝有一個霍爾效應(yīng)傳感器用來測量車輪的速度。我們在剎車制動器的轉(zhuǎn)子上打下均勻間隔的孔作為目標(biāo)。一周 12個孔，而車輪的速度高達每秒24轉(zhuǎn)，所以最小采樣速率為576 S/s是必需的。我們在LabVIEW中使用了一個高優(yōu)先級的定時環(huán)路，以確保足夠快的速率來采集這個數(shù)據(jù)。

在轉(zhuǎn)彎時最小程度地移動重心可使得汽車具有更強的可預(yù)測性和更容易的操控性。安裝在減震器上的線性電位計可以測量汽車轉(zhuǎn)彎時懸梁的位移是多大。懸梁調(diào)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(shè)置。

輪胎的附著摩擦力限制了橫向加速度和制動加速度。一個熟練的駕駛員可以在這個最大加速度的極限內(nèi)駕駛。利用一個三軸的加速度計，我們可以測量汽車加速度的大小。駕駛員可以利用節(jié)氣閥位置傳感器、制動壓力變換器和操縱角度電位計來確定賽車的運動趨勢。利用無線電通信，可以將上述信息傳播給駕駛員。即時反饋可以幫助駕駛員了解汽車的限制，這在競賽準(zhǔn)備的訓(xùn)練中是很有益的。

Brigham Young University的賽車設(shè)計工程師依靠NI 公司的硬件優(yōu)化了賽車性能，利用NI CompactRIO系統(tǒng)的靈活性和LabVIEW軟件編程的高效性，使得賽車的性能在競賽前不斷提升。質(zhì)量測試設(shè)備和流程最終幫助Brigham Young大學(xué)取得了第一名的好成績。