一級方程式賽車(chē)

　　The Challenge:

　　實(shí)現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、可擴展的數據采集系統，它可以測試多種車(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、采集數據并利用該數據建立定制的報警信號。

　　"NI軟硬件允許我們開(kāi)放地試驗和快速納用，這對于汽車(chē)的開(kāi)發(fā)非常重要。"

　　我們正在創(chuàng )建一個(gè)系統，采集數據并顯示汽車(chē)是否按照IMechE安全規則行駛。該系統將使得設計人員洞悉車(chē)輛動(dòng)力學(xué)，以支持未來(lái)面向賽道故障檢測的實(shí)時(shí)設計決策，并以記錄數據的形式用于將來(lái)參考。該數據采集系統應當是便攜式且可擴展的，以便在工作間或動(dòng)力實(shí)驗室（動(dòng)力計）容納多種汽車(chē)或車(chē)輛的多個(gè)獨立部件。

　　利用Multisim，我們可以在購買(mǎi)任何組件或PCB前，仿真車(chē)輛的整個(gè)接線(xiàn)器和功率分配電路，從而節省時(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、堅固的、可重新編程的數據記錄器。利用LabVIEW和一個(gè)標準的WiFi路由器，我們實(shí)現了一個(gè)無(wú)線(xiàn)遙測系統，它處理約20個(gè)通道的模擬數據，以及其他18個(gè)通道的CAN總線(xiàn)數據。利用LabVIEW，我們可以以正確的格式察看數據并創(chuàng )建定制的報警信號。

　　機械工程師學(xué)會(huì )的方程式學(xué)生競賽要求工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生們利用小型的方程式風(fēng)格的賽車(chē)構思、設計、制造和競爭。這些賽車(chē)經(jīng)過(guò)一年時(shí)間的構造，然后被帶到銀石賽道與來(lái)自世界各地的其他競爭者評判和比較。在2008年有95支團隊主要在車(chē)輛類(lèi)別和低排放車(chē)輛類(lèi)別方面參與了競爭。

　　虛擬接線(xiàn)器

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

　　數據采集與遙測

　　汽車(chē)車(chē)架、懸掛、冷卻和駕駛培訓是一些重要的方面，其中，基于真實(shí)數據分析的設計驗證非常關(guān)鍵。通過(guò)CAD軟件包的簡(jiǎn)單仿真，很難發(fā)現薄弱之處或有待優(yōu)化之處。數據不僅用于車(chē)輛的設計階段，還用于懸掛和冷卻系統中的賽道調整。

　　CompactRIO為我們提供一個(gè)一體化的數據采集與實(shí)時(shí)監測系統，該系統在輸入類(lèi)型和數據察看方面具有無(wú)與倫比的靈活性。512 MB的板上存儲使得高精度數據捕獲成為可能。它提供了一個(gè)比絕大多數的其他解決方案（甚至專(zhuān)為運動(dòng)摩托車(chē)設計的解決方案）高得多的通道密度（輸入通道數與尺寸的比值）。由于一個(gè)簡(jiǎn)單的WiFi連接，我們甚至不必擁有一個(gè)用于遙測的射頻許可證書(shū)?？梢瞥?、選擇范圍廣泛的C-系列模塊使得CompactRIO成為可持續的選擇。我們可以在我們的需求增長(cháng)或我們發(fā)現新的測量領(lǐng)域時(shí)改變配置。它還支持較寬的工作電壓，這對于引擎頻繁重啟（此時(shí)電壓下降可能多達25%）的汽車(chē)供能非常重要。

　　我們與NI現場(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-模塊機箱，配有NI 9237同步橋模塊、NI 9205模擬輸入模塊、NI 9411數字輸入模塊、NI 9211熱電偶模塊、面向IEPE測量的NI 9233動(dòng)態(tài)信號采集模塊和NI 9853高速CAN輸入模塊。CAN輸入支持我們監測來(lái)自與ECU相連的傳感器的數據，如RPM、汽油溫度和汽油壓力。這樣避免了重復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(zhù)我們可以方便地在汽車(chē)或動(dòng)力實(shí)驗室內使用CompactRIO，以獲取更為詳細的引擎相關(guān)的測量結果。它僅涉及通過(guò)網(wǎng)絡(luò )上傳合適的VI和傳感器的連接。

　　現場(chǎng)監測

　　實(shí)時(shí)監測數據的能力高低對于能否在產(chǎn)生嚴重后果之前就發(fā)現問(wèn)題非常重要。在測試過(guò)程中，該團隊可以在不停止車(chē)輛的情況下檢查引擎是否處于恒定的溫度。當團隊能夠做好在車(chē)輛仍在行駛過(guò)程中改變懸掛的準備，測試會(huì )話(huà)會(huì )更加富有成效，這意味著(zhù)駕駛人員可以獲得更多掌控方面的實(shí)踐。

　　給駕駛人員提供即時(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。通過(guò)在駕駛過(guò)程中觀(guān)察油門(mén)位置、剎車(chē)壓力和方向盤(pán)角度數據，一名駕駛人員獲知其技術(shù)中需要改進(jìn)的方面。

　　車(chē)輛動(dòng)力學(xué)

　　利用線(xiàn)性和選擇電位計，可以以可量化的方式觀(guān)測車(chē)輛的重量轉移特性。通過(guò)測量懸掛與轉向角度，我們可以觀(guān)測到車(chē)輛在拐彎處如何傾斜。然后，可以調節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(guān)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量每只車(chē)輪的速率。當車(chē)輪轉動(dòng)時(shí)，這些傳感器被置于制動(dòng)盤(pán)后面的一個(gè)專(zhuān)門(mén)設計的齒輪盤(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數字輸入模塊和LabVIEW中的一個(gè)高優(yōu)先級的定時(shí)循環(huán)，我們可以確保以足夠高的采樣率對傳感器信號進(jìn)行采樣。該車(chē)輪速率數據以及來(lái)自方向盤(pán)角度傳感器的預期方向數據，被用于了解和驗證限滑差速器、牽引力控制和起跑控制的工作。引擎控制單元（ECU）提供了對于后兩項的越限的調整控制。通過(guò)測量在拐彎處或偏離起跑線(xiàn)時(shí)的車(chē)輪速率，我們可以找到最佳設置。

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

　　NI 9233模塊具有四路同時(shí)采樣的24-位輸入，以支持與加速度計的簡(jiǎn)單的2-線(xiàn)連接?？梢粤炕瘷M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

　　NI軟硬件支持我們開(kāi)放試驗和快速納用，這對于汽車(chē)的開(kāi)發(fā)非常重要。該方程式學(xué)生團隊每年完成一輛新款賽車(chē)（這與任一支專(zhuān)業(yè)賽車(chē)團隊非常相似），因此，“變幻莫測”的能力非常關(guān)鍵。絕大多數現成可用的汽車(chē)數據記錄器并沒(méi)有提供CompactRIO的廣泛的連接性，尤其是對于類(lèi)似應變計的無(wú)源傳感器。預計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。該首批數據將加深我們對汽車(chē)設計的認知。

　　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)制導懸架系統、防抱死制動(dòng)和混合駕駛培訓管理等應用。