NI CompactRIO和LabVIEW在赛车测试中的应用

挑战：开发一套可靠的赛车测试和数据采集系统，来采集并分析赛车关键点的数据，从而提升Brigham Young University SAE 方程式赛车的性能，缩短它的调整时间

方案：使用一个八模块的NI CompactRIO 系统来进行数据采集，该系统上还连接有二十几个用于实时测量的传感器。我们还添加了一个市面上可买到的简单的无线路由器，用于与一台装有NI LabVIEW 的笔记本电脑进行遥测通信，以实现实时监测

美国汽车工程师协会每年都会主办方程式SAE 学生设计竞赛。今年，七十支参赛队伍将设计、建造一辆限乘一人、开轮式公路赛车，并用其进行比赛。方程式SAE竞赛被认为是世界上最有声誉的大学工程类设计竞赛。今年，第一次有Brigham Young University 的本科生参加方程式SAE 竞赛。

对于汽车数据采集系统来说，测试是设计过程中至关重要的一个环节。通过制作一个模型汽车，我们在确定赛车的最终方案之前明确了需要改进的系统。为了验证设计，我们的测试和实验需要用到仪器、板上数据采集和统计分析。

我们之所以选择NI CompactRIO（可重复配置的输入/ 输出）数据采集系统，主要是因为它配置的灵活性和输入通道的密度（输入通道的密度等于输入通道/ 重量）。在图中，可以看到它被安装在测试赛车上。cRIO系统提供了其他设备不能提供的解决方案。cRIO系统上的各种可用模块为传感器的选择提供了灵活性。控制器的网络功能为远程赛车监测提供了无线遥测选项。确定性回路选项使得系统精确而高速地采集数据，同时低功耗的特点对维持备用电源来说也是至关重要。

这个系统的重量不超过九磅，可以配置成高达64路的模拟输入通道，并且运行时功率低于24 瓦。我们的cRIO 系统配置有两个cRIO-9211 热电偶模块、一个CRIO-9421 数字输入模块、一个cRIO-9472数字输出模块和四个cRIO-9201模拟输入模块。我们在LabVIEW中编写虚拟仪器程序来采集数据、绘制速度和加速度的图表、显示温度并记录信息。通过在cRIO系统与普通的无线路由器间建立TCP/IP 连接来实现无线遥测。我们用一个简易的12伏到5 伏的直流到直流转换器通过汽车电池为路由器供电。利用无线连接，我们可以实时地解析数据，这极大地简化了数据分析过程，并且使得我们的组员在汽车驶入凹陷路面前可以提前调整发动机或悬架。我们有27 个传感器用来测量加速度、车轮速度、空气温度、燃料温度、轮胎温度、压力、节流杆位置、刹车杆位置、操纵杆位置和悬架位移。

轮胎温度会显著地影响附着摩擦力，进而影响航迹时间。我们有三个红外传感器，它们被安装在每个轮胎前的悬臂支架上。轮胎对赛道的控制能力会随着温度的升高而提高，直到轮胎达到最佳性能，此后，轮胎对赛道的控制能力会随着温度的升高而降低。利用24 位精度的cRIO-9211 热电偶模块，我们甚至可以检测到最轻微的温度上升。我们的测试过程包括三个阶段：

● 调整悬架的外倾角和轮胎压力，直到轮胎沿着胎面均匀地受热。

● 外加一个横向加速度计，利用LabVIEW勾画出摩擦力系数与温度间的函数关系。这这决定了轮胎控制性能峰值的温度。

● 对悬架设置（束角和外倾角）进行实验，使轮胎温度最接近地保持在控制性能峰值的温度附近。

由于方程式SAE竞赛的技术性本质，快速的加速度和高速转弯速度是在竞赛中取胜的关键。在我们的驾驶测试中，我们使用了一个三轴的加速度计来量化转弯性能。横向加速度受静态外倾角、轮胎气压和轮胎温度影响。析因实验帮助我们找到外倾角和轮胎气压的最优设置。几个驾驶员重复进行了这个测试。

在车前的垂直端安装有一个霍尔效应传感器用来测量车轮的速度。我们在刹车制动器的转子上打下均匀间隔的孔作为目标。一周 12个孔，而车轮的速度高达每秒24转，所以最小采样速率为576 S/s是必需的。我们在LabVIEW中使用了一个高优先级的定时环路，以确保足够快的速率来采集这个数据。

在转弯时最小程度地移动重心可使得汽车具有更强的可预测性和更容易的操控性。安装在减震器上的线性电位计可以测量汽车转弯时悬梁的位移是多大。悬梁调整后，我们就可以找到在保持控制性能的前提下最小化悬梁位移的设置。

轮胎的附着摩擦力限制了横向加速度和制动加速度。一个熟练的驾驶员可以在这个最大加速度的极限内驾驶。利用一个三轴的加速度计，我们可以测量汽车加速度的大小。驾驶员可以利用节气阀位置传感器、制动压力变换器和操纵角度电位计来确定赛车的运动趋势。利用无线电通信，可以将上述信息传播给驾驶员。即时反馈可以帮助驾驶员了解汽车的限制，这在竞赛准备的训练中是很有益的。

Brigham Young University的赛车设计工程师依靠NI 公司的硬件优化了赛车性能，利用NI CompactRIO系统的灵活性和LabVIEW软件编程的高效性，使得赛车的性能在竞赛前不断提升。质量测试设备和流程最终帮助Brigham Young大学取得了第一名的好成绩。

作者信息：
B. Newill
美国Brigham Young University

NI公司供稿