Entwicklung eines Prüfsystems für Rennfahrzeuge mit NI CompactRIO und LabVIEW

Lucas B. Graham, Brigham Young University

"Die Flexibilität von CompactRIO und die kurzen Entwicklungszeiten bei der LabVIEW-Programmierung verschaffen uns große Vorteile bei der Vorbereitung des Fahrzeugs auf das Rennen. Dank hochwertiger Prüfausrüstung und -methoden konnte das Team der BYU sogar sein Ziel erreichen und belegte den ersten Platz."

- Lucas B. Graham, Brigham Young University

Die Aufgabe:

Entwicklung eines zuverlässigen Prüf- und Datenerfassungssystems für ein Rennfahrzeug der Brigham Young University zur Teilnahme an der Formula SAE. Das System soll Daten an leistungskritischen Stellen des Fahrzeugs erfassen und analysieren, um letztendlich die Leistung zu steigern und den Zeitaufwand für das Tuning zu reduzieren.

Die Lösung:

Einsatz eines CompactRIO-Systems mit acht Modulen zur Datenerfassung zusammen mit über 20 Sensoren für Echtzeitmessungen. Die Live-Überwachung übernimmt ein einfacher Standard-Wireless-Router für telemetrische Kommunikation zusammen mit einem Laptop, auf dem NI LabVIEW installiert ist.

Der Designwettbewerb für Studenten, die Formula SAE, wird jedes Jahr von der Society of Automotive Engineers ausgerichtet. Dieses Jahr werden 70 Teams mit ihren selbst entworfenen und gebauten Einmann-Rennwagen antreten. Die Formula SAE ist weltweit der prestigeträchtigste Designwettbewerb für Hochschulen im Automobilbereich. Erstmals wird dieses Jahr ein Team von BYU-Studenten im Grundstudium teilnehmen.

 

 

Datenerfassungssystem für das Rennfahrzeug

Tests spielen eine wichtige Rolle im Designprozess. Mit einem Prototypen konnte unser Team herausfinden, welche Systeme vor dem Bau des endgültigen Rennwagens noch verbessert werden mussten. Bei der Validierung des Designs beruhen unsere Tests und Experimente auf Messgeräten, Onboard-Datenerfassung und statistischen Analysen..

 

Wir entschieden uns dabei für ein NI CompactRI-System, in erster Linie aufgrund der flexiblen Konfigurierbarkeit und der hohen Anzahl von Eingangskanälen (Verhältnis von Eingangskanälen und Gewicht). Abbildung 1 zeigt das am Fahrzeug montierte System. CompactRIO bietet hier eine Lösung, die kein anderes Gerät ermöglicht. Die vielfältigen Module, die für CompactRIO zur Verfügung stehen, bieten eine hohe Flexibilität bei der Auswahl von Sensoren. Die Netzwerkfähigkeiten des Controllers ermöglichen eine drahtlose Telemetrie für die dezentrale Überwachung des Rennwagens. Darüber hinaus erlauben deterministische Schleifenzyklen Datenerfassung mit hoher Geschwindigkeit und gleichzeitig niedrigem Stromverbrauch, wodurch die Leistung nicht beeinträchtigt wird.

 

Das System wiegt insgesamt weniger als 5 kg, kann mit bis zu 64 analogen Eingangskanälen konfiguriert werden und benötigt weniger als 24 Watt. Unser CompactRIO-System wird mit zwei Thermoelementen des Typs NI cRIO-9211 , einem  Digitaleingangsmodul NI cRIO-9421, einem Digitalausgangsmodul NI cRIO-9472 und vier Analogeingangsmodulen NI cRIO-9201. bestückt und konfiguriert. Virtuelle Instrumente zum Sammeln der Daten, Aufzeichnen der Geschwindigkeit und Beschleunigung, Anzeigen der Temperaturen und Speichern der Informationen wurden mit LabVIEW realisiert. Die Wireless-Telemetrie wurde durch eine Verbindung des TCP/IP-Anschlusses am CompactRIO-System mit einem Standard-Wireless-Router eingerichtet. Für den Betrieb des Routers über die Fahrzeugbatterie kommt ein einfacher DC/DC-Wandler für 12 V auf 5 V zum Einsatz. Mit der drahtlosen Verbindung können Daten in Echtzeit interpretiert werden, was die Datenanalyse erheblich vereinfacht. Darüber hinaus können sich Teammitglieder auf die Änderung der Motor- oder Radaufhängungseinstellungen vorbereiten, noch bevor das Fahrzeug in der Box eintrifft. Mit 27 Sensoren werden Beschleunigung, Radgeschwindigkeit, Luft-, Treibstoff- und Reifentemperatur, Druck, Gas-, Brems- und Steuerposition sowie Abweichungen und Veränderungen in der Radaufhängung gemessen.

 

Präzise Temperaturmessungen

Die Reifentemperatur hat erheblichen Einfluss auf die Reibung und damit auch auf die Geschwindigkeit. Deshalb haben wir drei Infrarot-Temperatursensoren an einer Konsole vor jedem Reifen angebracht. Wenn sich die Reifen erwärmen, erhöht sich ihre Haftreibung (Grip) bis hin zu einer maximalen Spitzenleistung. Steigt die Temperatur noch höher, sinkt der Grip wieder. Mit der 24-bit-Genauigkeit des Thermoelements cRIO-9211 erkennen wir selbst den kleinsten Temperaturanstieg. Unser Prüfprozess besteht aus drei Phasen:

  • Zunächst passen wir die statische Neigung der Radaufhängung und den Reifendruck an, so dass sich die Hitze gleichmäßig über das ganze Profil verteilt.
  • In Kombination mit einem lateralen Beschleunigungsmesser hilft uns LabVIEW bei der Aufzeichnung des Reibungskoeffizienten als Funktion der Temperatur. Diese Information bestimmt die Temperatur für den optimalen Reifengrip.
  • Schließlich experimentieren wir mit Einstellungen der Aufhängung, um die optimale Temperatur für die maximale Leistung so genau wie möglich zu halten.

 

Hochgeschwindigkeitsmessungen

Aufgrund der Rennstrecke bei der Formula SAE sind schnelle Beschleunigung und hohe Kurvengeschwindigkeiten maßgeblich für eine erfolgreiche Teilnahme. Um die Fahreigenschaften in der Kurve zu quantifizieren, nutzen wir beim Fahrtest einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser. Die laterale Beschleunigung wird durch den statischen Sturz, Reifendruck und -temperatur beeinflusst. Ein faktorielles Experiment hilft uns dabei, die optimalen Einstellungen für Sturz und Reifendruck zu finden. Der Test wird mit verschiedenen Fahrern wiederholt.

 

Ein Hall-Effekt-Sensor wird an einen der vorderen Abweiser montiert, um die Radgeschwindigkeit zu messen. Zur Berechnung der Geschwindigkeit wurden in gleichmäßigen Abständen Löcher in die Bremsscheibe gebohrt. Das vom Sensor erzeugte Spannungssignal ist nicht stark genug, um den Zustand eines Digitaleingangsmoduls zu schalten. Aus diesem Grund nutzen wir das Analogeingangsmodul cRIO-9201, um die analogen Daten des Sensors zu lesen und daraus die Radgeschwindigkeit in Meilen pro Stunde zu berechnen. Mit 12 Löchern pro Umdrehung und einer Reifengeschwindigkeit von bis zu 24 Umdrehungen pro Sekunde ist eine Abtastrate von mindestens 576 S/s notwendig. Um eine ausreichende Abtastgeschwindigkeit zu gewährleisten, bedienen wir uns einer zeitgesteuerten Schleife mit hoher Priorität in LabVIEW.


Eine minimale Gewichtsverlagerung in der Kurve macht das Fahrzeug berechenbarer und einfacher zu steuern. Mit an den Stoßdämpfern angebrachten linearen Potenziometern wird gemessen, wie weit sich die Aufhängung bei der Fahrt durch Kurven verschiebt. Durch die Anpassung der Aufhängung werden die Einstellungen identifiziert, die diese Verschiebung minimieren und gleichzeitig den maximalen Grip aufrechterhalten.

 

Fahrertraining

Die Reibung der Reifen legt die Obergrenze für die laterale und die Bremsbeschleunigung fest. Ein geübter Fahrer fährt knapp unterhalb dieser maximalen Beschleunigung. Mit einem dreiachsigen Beschleunigungsmesser können wir die Größenordnung der Fahrzeugbeschleunigung messen. Ein Sensor für die Gaspedalposition, Wandler für den Bremsdruck sowie ein Potenziometer für den Lenkwinkel werden genutzt, um Trends bei erfolgreichen Fahrern zu identifizieren. Diese Informationen werden dem Fahrer über Funkkommunikation mitgeteilt. Das direkte Feedback erleichtert dem Fahrer das Verständnis für die Grenzen des Fahrzeugs, was einen Vorteil beim Training darstellt.

 

Zum gegenwärtigen Zeitpunkt haben wir noch drei Monate Zeit bis zum Rennen. Da schätzungsweise noch ca. 200 Stunden Tests vor uns liegen, müssen sich die Ingenieure des BYU-Teams weiterhin auf NI-Hardware verlassen können. Die Flexibilität von CompactRIO und die kurzen Entwicklungszeiten bei der LabVIEW-Programmierung verschaffen uns große Vorteile in der Vorbereitung des Fahrzeugs auf das Rennen.

 

Nachtrag: Dank hochwertiger Prüfausrüstung und -methoden konnte das Team der BYU sogar sein Ziel erreichen und belegte den ersten Platz.

 

Informationen zum Autor:

Lucas B. Graham
Brigham Young University
Provo, UT
United States
Tel: (801) 494-9520
Fax: n/a
Lucas.Graham@gmail.com

Figure 1. CompactRIO is mounted directly to the test vehicle frame on the driver's right side. Note the tire temperature sensors on the front wheels.