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一級方程式賽車

　　The Challenge:

　　實現(xiàn)一套面向曼徹斯特大學(xué)方程式學(xué)生單座位賽車的便攜式的、可擴展的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它可以測試多種車輛。

　　The Solution:

　　利用Multisim和LabVIEW軟件，以及NI CompactRIO可編程自動化控制器（PAC），仿真車輛、采集數(shù)據(jù)并利用該數(shù)據(jù)建立定制的報警信號。

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

　　我們正在創(chuàng)建一個系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)并顯示汽車是否按照IMechE安全規(guī)則行駛。該系統(tǒng)將使得設(shè)計人員洞悉車輛動力學(xué)，以支持未來面向賽道故障檢測的實時設(shè)計決策，并以記錄數(shù)據(jù)的形式用于將來參考。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是便攜式且可擴展的，以便在工作間或動力實驗室（動力計）容納多種汽車或車輛的多個獨立部件。

　　利用Multisim，我們可以在購買任何組件或PCB前，仿真車輛的整個接線器和功率分配電路，從而節(jié)省時間和不必要的成本。CompactRIO為我們提供了一個能夠從多個傳感器接收輸入的、堅固的、可重新編程的數(shù)據(jù)記錄器。利用LabVIEW和一個標(biāo)準(zhǔn)的WiFi路由器，我們實現(xiàn)了一個無線遙測系統(tǒng)，它處理約20個通道的模擬數(shù)據(jù)，以及其他18個通道的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)建定制的報警信號。

　　機械工程師學(xué)會的方程式學(xué)生競賽要求工程專業(yè)的學(xué)生們利用小型的方程式風(fēng)格的賽車構(gòu)思、設(shè)計、制造和競爭。這些賽車經(jīng)過一年時間的構(gòu)造，然后被帶到銀石賽道與來自世界各地的其他競爭者評判和比較。在2008年有95支團隊主要在車輛類別和低排放車輛類別方面參與了競爭。

　　虛擬接線器

　　Multisim中的接線器仿真通過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)則進行工作。我們可以仿真電流，以評估電池的性能并在UltiBoard內(nèi)優(yōu)化PCB以處理那些負(fù)載，尤其是用于啟動電機電流的非常寬的線路。利用機械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

　　汽車車架、懸掛、冷卻和駕駛培訓(xùn)是一些重要的方面，其中，基于真實數(shù)據(jù)分析的設(shè)計驗證非常關(guān)鍵。通過CAD軟件包的簡單仿真，很難發(fā)現(xiàn)薄弱之處或有待優(yōu)化之處。數(shù)據(jù)不僅用于車輛的設(shè)計階段，還用于懸掛和冷卻系統(tǒng)中的賽道調(diào)整。

　　CompactRIO為我們提供一個一體化的數(shù)據(jù)采集與實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在輸入類型和數(shù)據(jù)察看方面具有無與倫比的靈活性。512 MB的板上存儲使得高精度數(shù)據(jù)捕獲成為可能。它提供了一個比絕大多數(shù)的其他解決方案（甚至專為運動摩托車設(shè)計的解決方案）高得多的通道密度（輸入通道數(shù)與尺寸的比值）。由于一個簡單的WiFi連接，我們甚至不必?fù)碛幸粋€用于遙測的射頻許可證書。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或我們發(fā)現(xiàn)新的測量領(lǐng)域時改變配置。它還支持較寬的工作電壓，這對于引擎頻繁重啟（此時電壓下降可能多達(dá)25%）的汽車供能非常重要。

　　我們與NI現(xiàn)場工程師們緊密合作，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(shù)字輸入模塊、NI 9211熱電偶模塊、面向IEPE測量的NI 9233動態(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(jiān)測來自與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。快速重新編程和單個單元的便攜性的組合，意味著我們可以方便地在汽車或動力實驗室內(nèi)使用CompactRIO，以獲取更為詳細(xì)的引擎相關(guān)的測量結(jié)果。它僅涉及通過網(wǎng)絡(luò)上傳合適的VI和傳感器的連接。

　　現(xiàn)場監(jiān)測

　　實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的能力高低對于能否在產(chǎn)生嚴(yán)重后果之前就發(fā)現(xiàn)問題非常重要。在測試過程中，該團隊可以在不停止車輛的情況下檢查引擎是否處于恒定的溫度。當(dāng)團隊能夠做好在車輛仍在行駛過程中改變懸掛的準(zhǔn)備，測試會話會更加富有成效，這意味著駕駛?cè)藛T可以獲得更多掌控方面的實踐。

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

　　車輛動力學(xué)

　　利用線性和選擇電位計，可以以可量化的方式觀測車輛的重量轉(zhuǎn)移特性。通過測量懸掛與轉(zhuǎn)向角度，我們可以觀測到車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。

　　在駕駛一輛賽車時，觀察四只車輪的狀況至關(guān)重要。我們利用一個安裝于右上方的霍爾傳感器測量每只車輪的速率。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動時，這些傳感器被置于制動盤后面的一個專門設(shè)計的齒輪盤觸發(fā)。它們提供了一個與晶體管-晶體管邏輯（TTL）兼容的開關(guān)輸出。利用NI 9411數(shù)字輸入模塊和LabVIEW中的一個高優(yōu)先級的定時循環(huán)，我們可以確保以足夠高的采樣率對傳感器信號進行采樣。該車輪速率數(shù)據(jù)以及來自方向盤角度傳感器的預(yù)期方向數(shù)據(jù)，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(diào)整控制。通過測量在拐彎處或偏離起跑線時的車輪速率，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管上的應(yīng)變計讀數(shù)。雖然對于已建造的車輛上的這一數(shù)據(jù)，我們所能做的工作是微乎其微，但在設(shè)計未來車輛時，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，可以重新設(shè)計部件以減輕重量。

　　NI 9233模塊具有四路同時采樣的24-位輸入，以支持與加速度計的簡單的2-線連接。可以量化橫向加速度，并將其與不同車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，我們的汽車可以以更高的速率高速通過更緊急的彎角。

　　總結(jié)

　　NI軟硬件支持我們開放試驗和快速納用，這對于汽車的開發(fā)非常重要。該方程式學(xué)生團隊每年完成一輛新款賽車（這與任一支專業(yè)賽車團隊非常相似），因此，“變幻莫測”的能力非常關(guān)鍵。絕大多數(shù)現(xiàn)成可用的汽車數(shù)據(jù)記錄器并沒有提供CompactRIO的廣泛的連接性，尤其是對于類似應(yīng)變計的無源傳感器。預(yù)計2009年7月完成的MAN09賽車是我們的第一款載有CompactRIO的車輛。該首批數(shù)據(jù)將加深我們對汽車設(shè)計的認(rèn)知。

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