CompactRIO und LabVIEW gehen ins Rennen: Mit einem solarbetriebenen Fahrzeug 3000 km durch Australien

Alisdair McClymont, Cambridge University Eco Racing

"Bislang hat sich der Einsatz von CompactRIO und LabVIEW für die Fahrzeugsteuerung und Telemetrie als 100 Prozent zuverlässig erwiesen."

- Alisdair McClymont, Cambridge University Eco Racing

Die Aufgabe:

Einsatz dezentraler Datenanalyse und Telemetrie zur zuverlässigen Überwachung und Steuerung des Bordnetzes eines solarbetriebenen Fahrzeugs

Die Lösung:

Nutzung der Hardware NI CompactRIO als Embedded-Controller im Fahrzeug, um eine Schnittstelle mit dem CAN-Bus des Fahrzeugs herzustellen, die Regelalgorithmen des Fahrzeugs zu implementieren, die mit der Software NI LabVIEW programmiert wurden, und Daten über Telemetriefunk zu senden und zu empfangen

Cambridge University Eco Racing (CUER), ein Studententeam aus dem Fachbereich für Ingenieurwesen der Universität, entwirft, baut und fährt solarbetriebene Fahrzeuge. Das Ziel des Teams besteht darin, die World Solar Challenge zu gewinnen, das weltweit bedeutendste Rennen für Solarfahrzeuge. Dieses Rennen über 3000 km durch Australien bringt Effizienz und Zuverlässigkeit an ihre Grenzen. CUER nahm zum ersten Mal 2009 am Rennen teil. Damals wurde das Fahrzeug „Endeavor“ eingesetzt, das eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 70 km/h und eine Spitzengeschwindigkeit von 121 km/h erreichte. Das Team wurde aufgrund von Problemen bei der Zuverlässigkeit 14. Daher suchte das Team nach einer Alternativlösung, die mit Produkten von National Instruments erstellt wurde.

 

 

Bordnetz des Solarfahrzeugs

Die wichtigsten elektrischen Komponenten eines Solarfahrzeugs sind simpel: eine Batterie, die Module der Solaranlage und ein Motor. Ein Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht den Zustand jeder Batteriezelle. Der Motor ist über einen hoch effizienten Drehstromwechselrichter (Motorsteuerung) mit dem Spannungsbus verbunden und die Solarmodule über einen leistungsstarken Solarladeregler (Maximum Power Point Tracker, MPPT). Jedes dieser Geräte besitzt eine CAN-Schnittstelle und gibt Werte wie Strom, Spannung, Geschwindigkeit und Temperatur sowie Fehler zu den entsprechenden elektrischen Geräten aus.

 

Fahrzeugsteuerung

Die Motorsteuerung steuert aktiv das Fahrzeug. Sie kann sowohl den aufgenommenen Strom vom Spannungsbus als auch die Motorgeschwindigkeit begrenzen. Deshalb benötigt die Motorsteuerung eine „gewünschte Geschwindigkeit“ und einen „zugelassenen Strom“ über CAN. Diese Nachricht wird über einen Prozessor im Fahrzeug verschickt, der die Eingaben des Fahrers und die Zustände der übrigen Bordsysteme überwacht sowie darüber entscheidet, welche Werte an die Motorsteuerung weitergeleitet werden. Anfangs nutzte das Team ein von Studenten entworfenes Gerät für diese Aufgabe. Obwohl dieses Gerät zwar funktional war, war es nicht zuverlässig und fiel zudem auch noch während des Rennens in Australien 2009 aus. Daher wurde beschlossen, dass für zukünftige Erfolge eine zuverlässigere Lösung erforderlich sei.

 

Fahrzeugsteuerung mit CompactRIO

National Instruments, ein wichtiger Sponsor des CUER, stellte CompactRIO-Produkte für das Solarfahrzeug bereit. Das Team setzte ein Hochgeschwindigkeits-CAN-Modul mit zwei Anschlüssen ein, um eine Verbindung zum CAN-Bus herzustellen, damit das CompactRIO-System Informationen von den Motorsteuerungen, dem BMS, den Solarladereglern und den Eingaben des Fahrers empfangen konnte. Zudem wurde ein LabVIEW-Programm geschrieben, um diese Informationen zu verarbeiten und Nachrichten an die Motorsteuerung sowie kompakte Informationen an das Fahrerdisplay zu verschicken.

 

Mithilfe der Treibersoftware NI-CAN konnte schnell und einfach eine Datenbank mit allen CAN-Nachrichten, die von den Gerät im Netzwerk verschickt wurden, erstellt werden. Das Programm rief dann die CAN Frame to Channel Conversion Library auf, um die Nachrichten zu ver- und entschlüsseln. Somit stand eine schnelle, zuverlässige Möglichkeit für die Verarbeitung der Informationen auf dem CAN-Bus bereit.

 

Das Steuerprogramm wurde in LabVIEW geschrieben. Dazu kam eine objektorientierte Struktur zum Einsatz, um den Programmcode leichter zu modularisieren, zu warten und nachzuvollziehen. Des Weiteren wurde eine Klasse für jedes Gerät am Bus erstellt, einschließlich der Funktionen für das Kodieren und Dekodieren der Nachrichten für das jeweilige Gerät.

 

Mit einem Zustandsdiagramm wurde die Art der Nachrichten bestimmt, die an die Motorsteuerung geschickt wurden. Das Fahrzeug bietet unterschiedliche Modi: „normal“, wobei der von der Motorsteuerung aufgenommene Strom mithilfe des Gaspedals gesteuert wird, „cruise control“, wobei das Fahrzeug eine konstante Geschwindigkeit aufrecht erhält (wird für fast das gesamte Rennen verwendet) und „revering“ oder „braking“, wobei die Motorsteuerung eine Motorbremsung zur Minimierung des Energieverlusts einsetzt. Mithilfe der LabVIEW-Zustandsdiagramme können die in jedem Modus durchgeführten Aktionen und die Anforderungen für den Wechsel zwischen den Zuständen leicht festgelegt werden. Vor allem ist dies aber ein zuverlässiger Weg, um die Fahrzeugsteuerung umzusetzen. Das Team möchte auf keinen Fall, dass das Fahrverhalten des Fahrers zu einem durchgebrannten Motor führt.

 

Ein entscheidender Vorteil des Einsatzes von LabVIEW besteht darin, dass mehrere Verarbeitungsschleifen parallel ausgeführt werden können. So kann eine Schleife beispielsweise Nachrichten mit konstanter Geschwindigkeit an die Motorsteuerung schicken. Das System verarbeitet dann CAN-Nachrichten sofort bei Eingang.

 

Telemetrie

Ein zuverlässiges Telemetriesystem zwischen Rennwagen und Begleitfahrzeug spielt eine ganz entscheidende Rolle. Der Fahrer sieht nur eine begrenzte Anzeige im Fahrzeug, darum müssen die Teammitglieder im Begleitfahrzeug genaue Datenwerte überwachen und nach Fehlern oder suboptimaler Leistung suchen.

 

CompactRIO stellt eine einfache Lösung zur Implementierung dieses Systems zur Verfügung. Dazu wurde ein Telemetriefunk mit dem seriellen Anschluss des CompactRIO-Moduls verbunden. Dann schickt das Steuerprogramm einfach komprimierte Daten über diesen Anschluss. Ein zweiter Telemetriefunk im Begleitfahrzeug empfängt diese Daten, die anschließend wieder mithilfe von LabVIEW auf einem Laptop verarbeitet werden. Das System präsentiert die Daten so, dass Bediener schnell Fehler oder andere größere Änderungen des Systemzustands finden können.

 

Das Telemetriesystem wird auch verwendet, um die optimale Tempomatgeschwindigkeit ans Solarfahrzeug zu übermitteln. Die optimale Geschwindigkeit wird mit einem komplexen Algorithmus in LabVIEW berechnet, der sich direkt in die meteorologischen Instrumente an Bord des Begleitfahrzeugs integriert.

 

Überprüfung

Bislang hat sich der Einsatz von CompactRIO und LabVIEW für die Fahrzeugsteuerung und Telemetrie als 100 Prozent zuverlässig erwiesen. Das heißt, dass wir uns auf die Verbesserung der Effizienz der anderen Systeme des Fahrzeugs konzentrieren können, wie etwa auf die Änderung der Algorithmen, die von den Solarlagenreglern ausgeführt werden, und die Batteriespannung. Mithilfe der Produkte von National Instruments freuen wir uns auf eine wesentlich bessere Leistung bei der World Solar Challenge 2011.

 

Informationen zum Autor:

Alisdair McClymont
Cambridge University Eco Racing
Cambridge University Engineering Department
Cambridge CB2 1PZ
United Kingdom
Tel: 07887488759
alisdair.mcclymont@cuer.co.uk

In the team’s workshop in Cambridge, the carbon fibre shell is fitted to the aluminium chassis for the first time
The CUER team test their solar car, Endeavour, in Darwin in the run-up to the World Solar Challenge
Endeavour speeds towards the finish line during qualifying at the Hidden Valley Raceway
Endeavour heads south out of Darwin at the start of the World Solar Challenge
Endeavour and the CUER team at the Hidden Valley Raceway in Darwin
Endeavour driving along the Stuart Highway during the World Solar Challenge
As the sun sets, the team are already preparing the car for the next day’s racing
Endeavour driving along the Stuart Highway during the World Solar Challenge
Endeavour driving along the Stuart Highway during the World Solar Challenge
Battery expert Chao scratches his head as he works out how best to fix a problem, while the solar array soaks up the sun in the background.
Endeavour driving along the Stuart Highway during the World Solar Challenge, with her support car close behind
An exhausted driver walks wearily from Endeavour at the end of a day’s racing
The CUER team prepare to trailer Endeavour to their campsite at the end of a day’s racing
Endeavour driving along the Stuart Highway during the World Solar Challenge
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