Instrumentierung bei hohen Geschwindigkeiten: Rennanwendungen mit NI CompactRIO und LabVIEW

Die Society of Automotive Engineers veranstaltet die jährlichen Formula SAE Student Design Competition. In diesem Jahr werden 70 Teams einen Ein-Mann-Rennwagen mit offenen Rädern entwerfen, bauen und mit ihm schließlich Rennen fahren. Die Formula SAE gilt als der weltweit renommierteste Wettbewerb für technische Konstruktionen an Universitäten. In diesem Jahr wird zum ersten Mal ein Team von Bachelor-Studierenden der BYU am Formula SAE-Wettbewerb teilnehmen.

Fahrzeug-Datenerfassungssystem

Das Testen ist ein wichtiger Aspekt beim Entwurf von Systemen. Durch die Herstellung eines Fahrzeugprototyps hat das Team ermittelt, welche Systeme vor dem Bau des endgültigen Rennfahrzeugs verbessert werden müssen. Um das Design zu validieren, stützen sich unsere Tests und Experimente auf die Instrumentierung, die Datenerfassung an Bord und die statistische Analyse.

Wir haben uns für das NI CompactRIO-System in erster Linie aufgrund seiner Konfigurationsflexibilität und Eingangskanaldichte (Verhältnis zwischen Eingangskanälen und Gewicht) entschieden. Es ist in Bild 1 am Testfahrzeug montiert dargestellt. Das CompactRIO ermöglicht eine Lösung, die bei keinem anderen Gerät verfügbar war. Die vielfältigen Module für CompactRIO bieten Flexibilität bei der Sensorauswahl. Die Netzwerkfunktionen des Controllers bieten eine drahtlose Telemetrie-Option für die Fernüberwachung von Rennfahrzeugen. Deterministische Schleifenoptionen ermöglichen eine genaue Hochgeschwindigkeitserfassung, und ein geringer Stromverbrauch ist entscheidend, um Hilfsenergie zu sparen.

Das System wiegt weniger als neun Pfund, kann mit bis zu 64 analogen Eingangskanälen konfiguriert werden und arbeitet mit einer Energieaufnahme von weniger als 24 Watt. Unser CompactRIO ist mit zwei Thermoelementmodulen des Typs NI cRIO-9211, einem digitalen Eingangsmodul des Typs NI cRIO-9421, einem digitalen Ausgangsmodul des Typs NI cRIO-9472 und vier Analogeingangsmodulen des Typs NI cRIO-9201 konfiguriert. Wir haben Programme für virtuelle Instrumente in LabVIEW geschrieben, um Daten zu sammeln, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen grafisch darzustellen, Temperaturen anzuzeigen und Informationen aufzuzeichnen. Drahtlose Telemetrie wurde eingerichtet, indem die TCP/IP-Verbindung auf dem CompactRIO mit einem handelsüblichen drahtlosen Router verbunden wurde. Wir haben einen einfachen 12-Volt- auf 5-Volt-Gleichspannungswandler verwendet, um den Router über die Fahrzeugbatterie zu versorgen. Mit der drahtlosen Verbindung können wir die Daten in Echtzeit interpretieren, was den Datenanalyseprozess erheblich vereinfacht und es den Teammitgliedern ermöglicht, sich darauf vorzubereiten, den Motor oder die Aufhängung zu modifizieren, bevor das Auto in die Box fährt. Wir haben 27 Sensoren zur Messung von Beschleunigung, Raddrehzahl, Lufttemperatur, Kraftstofftemperatur, Reifentemperatur, Druck, Drosselklappenstellung, Bremsstellung, Lenkstellung und Federweg.

Genaue Temperaturmessungen

Die Reifentemperatur wirkt sich erheblich auf die Traktion und folglich auf die Streckenzeiten aus. An der Vorderseite jedes Reifens befinden sich drei Infrarot-Temperatursensoren. Wenn sich die Reifen erwärmen, nimmt ihre Haftung auf der Strecke zu, bis sie ihre Höchstleistung erreichen, wonach ein Temperaturanstieg die Haftung der Reifen verringert. Mit der 24-Bit-Genauigkeit der Thermoelementkarte cRIO-9211 können wir auch den kleinsten Temperaturanstieg erkennen. Unser Testprozess besteht aus drei Phasen:

• Zuerst passen wir die statische Federkammer und den Reifendruck so lange an, bis sich die Reifen gleichmäßig entlang der Lauffläche erwärmen.
• In Verbindung mit einem Querbeschleunigungsmesser hilft uns LabVIEW dabei, den Reibungskoeffizienten als Funktion der Temperatur darzustellen. Diese Information bestimmt die Temperatur, bei der die Reifenhaftung ihren Höhepunkt erreicht.
• Schließlich experimentieren wir mit Federungseinstellungen (Spur und Sturz), um die Spitzentemperatur genau zu halten.

Messungen bei hohen Geschwindigkeiten

Aufgrund der technischen Natur des Formula SAE-Kurses sind schnelle Beschleunigung und hohe Kurvengeschwindigkeiten entscheidend für den Erfolg im Wettbewerb. Wir haben in unseren Fahrtests einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser verwendet, um die Kurvenfähigkeit zu quantifizieren. Die Querbeschleunigung wird durch statischen Sturz, Reifendruck und Reifentemperatur beeinflusst. Ein faktorielles Experiment hilft, die optimalen Einstellungen für Sturz und Reifendruck zu finden. Der Test wird mit mehreren Fahrern wiederholt.

Ein Hall-Effekt-Sensor ist an einem der vorderen Achsschenkel montiert, um die Radgeschwindigkeit zu messen. Wir bohrten gleichmäßig beabstandete Löcher in den Bremsrotor, die als Ziele verwendet werden sollen. Der Sensor erzeugt kein ausreichend starkes Spannungssignal, um den Zustand eines digitalen Eingangsmoduls umzuschalten, also haben wir das analoge Eingangsmodul cRIO-9201 verwendet, um die analogen Daten vom Sensor zu lesen und die Radgeschwindigkeit in Meilen pro Stunde abzuleiten. Bei 12 Löchern pro Umdrehung und einer Radgeschwindigkeit von bis zu 24 Umdrehungen pro Sekunde ist eine minimale Sample-Rate von 576 S/s erforderlich. Wir haben in LabVIEW eine zeitgesteuerte Schleife mit hoher Priorität verwendet, um sicherzustellen, dass diese Daten mit einer ausreichenden Rate abgetastet werden.

Die Minimierung der Gewichtsverlagerung in Kurven macht unser Fahrzeug berechenbarer und leichter zu kontrollieren. Lineare Potentiometer, die an den Stoßdämpfern montiert sind, werden verwendet, um zu messen, wie weit sich die Aufhängung bewegt, wenn das Auto durch Kurven manövriert. Wenn Anpassungen an der Aufhängung vorgenommen werden, finden wir die Einstellungen, die den Federweg minimieren und gleichzeitig den Grip beibehalten.

Fahrertraining

Die Traktion der Reifen bestimmt eine Begrenzung der Quer- und Bremsbeschleunigung. Ein geübter Fahrer fährt gerade noch innerhalb dieses Bereichs der maximalen Beschleunigung. Mit einem dreiachsigen Beschleunigungsmesser können wir das Ausmaß der Beschleunigung des Fahrzeugs messen. Ein Drosselklappenstellungssensor, Bremsdruckwandler und ein Lenkwinkelpotentiometer werden verwendet, um Trends bei erfolgreichen Fahrern zu erkennen. Per Funkkommunikation werden diese Informationen an den Fahrer weitergegeben. Sofortiges Feedback hilft dem Fahrer, die Grenzen des Fahrzeugs zu verstehen, was beim Training für den Wettkampf von Vorteil ist.

Zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels sind es noch drei Monate bis zum Formula SAE-Wettbewerb. Mit noch mehr als 200 geplanten Teststunden vor sich verlassen sich die Renndesign-Ingenieure der BYU weiterhin auf Hardware von National Instruments. Die Flexibilität des CompactRIO und die kurzen Entwicklungszeiten der LabVIEW-Programmierung kommen der Performance des Rennfahrzeugs gegenüber der Konkurrenz weiterhin zugute. Die hochwertigen Testgeräte und -prozeduren haben der BYU beim Erreichen ihres Ziels, als Gewinner ins Ziel zu kommen, geholfen.

Informationen zum Autor:

Lucas B. Graham
Brigham Young University
Provo, UT
USA
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