Instrumentation haute vitesse : Applications de course avec NI CompactRIO et LabVIEW

Lucas B. Graham, université Brigham Young

« La flexibilité du CompactRIO et les délais de développement courts de la programmation LabVIEW continuent d’améliorer les performances du véhicule de course jusqu’à la compétition. La qualité des équipements et des procédures de test a permis à la BYU d’atteindre son objectif de première place. »

- Lucas B. Graham, université Brigham Young

Le défi :

Développer un système de test et d’acquisition de données fiable pour les véhicules de course afin d’acquérir et d’analyser les données des points critiques pour améliorer les performances et réduire le temps de réglage du véhicule de compétition de Formule SAE de l’université Brigham Young.

La solution :

Utilisation d’un système CompactRIO à huit modules pour l’acquisition de données conjointement avec plus de 20 capteurs pour des mesures en temps réel. Ajout d’un simple routeur sans fil standard utilisé pour la communication télémétrique avec un ordinateur portable National Instruments compatible avec LabVIEW pour la surveillance en temps réel.

La Society of Automotive Engineers organise chaque année le concours de conception des étudiants Formule SAE. Cette année, 70 équipes concevront, construiront et piloteront un véhicule de course monoplace à roues découvertes. La Formule SAE est considérée comme la compétition universitaire d’ingénierie la plus prestigieuse au monde. Cette année, pour la première fois, une équipe d’étudiants de premier cycle de la BYU participera à la compétition de Formule SAE.

 

 

Système d’acquisition de données de véhicule

Les tests constituent un élément essentiel du processus de conception. En fabriquant un prototype de véhicule, l’équipe a identifié les systèmes à améliorer avant de construire le véhicule de course final. Pour valider la conception, nos tests et expériences s’appuient sur l’instrumentation, l’acquisition de données embarquées et l’analyse statistique.

 

Nous avons choisi un système NI CompactRIO principalement pour sa flexibilité de configuration et sa densité de voies d’entrée (rapport voie d’entrée/poids). Il est représenté monté sur le véhicule de test à la figure 1. Le CompactRIO fournit une solution qu’aucun autre périphérique n’offrait. Les différents modules disponibles pour le CompactRIO offrent une flexibilité dans le choix des capteurs. Les capacités de mise en réseau du contrôleur offrent une option de télémétrie sans fil nécessaire à la surveillance à distance des véhicules de course. Les options de boucle déterministe permettent une acquisition haute vitesse précise et une faible consommation d’énergie est essentielle pour préserver l’alimentation auxiliaire.

 

Le système pèse moins de 4 kg, peut être configuré avec jusqu’à 64 voies d’entrée analogique et fonctionne à moins de 24 watts. Notre CompactRIO est configuré avec deux modules de thermocouple NI cRIO-9211, un module d’entrée numérique NI cRIO-9421, un module de sortie numérique NI cRIO-9472 et quatre modules d’entrée analogique NI cRIO-9201. Nous avons écrit des programmes d’instruments virtuels dans LabVIEW pour recueillir des données, représenter les vitesses et les accélérations, afficher les températures et enregistrer des informations. La télémétrie sans fil a été établie en reliant la connexion TCP/IP du CompactRIO à un routeur sans fil standard. Nous avons utilisé un simple convertisseur CC-CC de 12 volts à 5 volts pour alimenter le routeur avec la batterie du véhicule. Grâce à la connexion sans fil, nous pouvons interpréter les données en temps réel, ce qui simplifie considérablement le processus d’analyse des données et permet aux membres de l’équipe de se préparer à modifier le moteur ou la suspension avant que la voiture n’entre dans les stands. Nous disposons de 27 capteurs pour mesurer l’accélération, la vitesse des roues, la température de l’air, la température du carburant, la température des pneus, la pression, la position du papillon des gaz, la position des freins, la position de la direction et le déplacement de la suspension.

 

Mesures de température précises

La température des pneus affecte considérablement la traction et, par conséquent, les temps de passage. Nous disposons de trois capteurs de température infrarouge montés sur un support en porte-à-faux à l’avant de chaque pneu. Au fur et à mesure que les pneus chauffent, leur capacité d’adhérence augmente jusqu’à ce qu’ils atteignent leurs performances maximales, après quoi une augmentation de la température réduit leur capacité d’adhérence. Grâce à la précision de 24 bits de la carte de thermocouple cRIO-9211, nous pouvons détecter la moindre augmentation de température. Notre processus de test se déroule en trois étapes :

  • Dans un premier temps, nous ajustons le carrossage statique de la suspension et la pression des pneus jusqu’à ce que les pneus chauffent uniformément sur la bande de roulement.
  • Couplé à un accéléromètre latéral, LabVIEW nous aide à déterminer le coefficient de frottement en fonction de la température. Cette information permet de déterminer la température à laquelle l’adhérence du pneu atteint son maximum.
  • Enfin, nous expérimentons les réglages de la suspension (pincement et carrossage) pour maintenir au plus près la température maximale.

 

Mesures haute vitesse

En raison du parcours technique de Formule SAE, une accélération rapide et des vitesses élevées dans les virages sont essentielles pour réussir en compétition. Nous avons utilisé un accéléromètre à trois axes dans nos tests de conduite pour quantifier la capacité de prise de virage. L’accélération latérale est influencée par le carrossage statique, la pression des pneus et leur température. Une expérience factorielle permet de déterminer les réglages optimaux pour le carrossage et la pression des pneus. Le test est répété avec plusieurs pilotes.

 

Un capteur à effet Hall est monté sur l’un des montants avant pour mesurer la vitesse des roues. Nous avons percé des trous à intervalles réguliers dans le rotor de frein pour les utiliser comme cibles. Le capteur ne produit pas un signal de tension suffisamment fort pour modifier l’état d’un module d’entrée numérique. Nous avons donc utilisé le module d’entrée analogique cRIO-9201 pour lire les données analogiques du capteur et en déduire la vitesse de la roue en kilomètres par heure. Avec 12 trous par rotation et une vitesse de roue pouvant atteindre 24 tours par seconde, une fréquence d’échantillonnage minimale de 576 Éch./s est nécessaire. Nous avons utilisé une boucle cadencée haute priorité dans LabVIEW pour nous assurer que ces données sont échantillonnées à une fréquence suffisante.

 

En minimisant le transfert de masse dans les virages, notre véhicule est plus prévisible et plus facile à contrôler. Des potentiomètres linéaires montés sur les amortisseurs sont utilisés pour mesurer le débattement de la suspension lors des manœuvres en virage. Au fur et à mesure des ajustements de la suspension, nous déterminons les réglages qui minimisent le débattement tout en maintenant l’adhérence.

 

Formation des pilotes

La traction des pneus détermine une limite d’accélération latérale et de freinage. Un pilote expérimenté conduit juste dans cette limite d’accélération maximale. Avec un accéléromètre à trois axes, nous pouvons mesurer l’amplitude de l’accélération du véhicule. Un capteur de position du papillon des gaz, des transducteurs de pression de freinage et un potentiomètre d’angle de braquage sont utilisés pour identifier les caractéristiques des bons pilotes. La communication radio est utilisée pour relayer ces informations au pilote. Un feedback immédiat permet au pilote de comprendre les limites du véhicule, ce qui est bénéfique pour la préparation à la compétition.

 

À l’heure où nous écrivons ces lignes, la compétition de Formule SAE aura lieu dans trois mois. Avec plus de 200 heures de tests prévues, les ingénieurs de course de la BYU dépendent toujours du matériel National Instruments. La flexibilité du CompactRIO et les délais de développement courts de la programmation LabVIEW continuent d’améliorer les performances du véhicule de course jusqu’à la compétition. La qualité des équipements et des procédures de test a permis à la BYU d’atteindre son objectif de première place.

 

Informations sur l’auteur :

Lucas B. Graham
Université Brigham Young
Provo, UT
États-Unis
Tél. : (801) 494-9520
Fax : s/o
Lucas.Graham@gmail.com

Figure 1. CompactRIO est monté directement sur le châssis du véhicule de test, du côté droit du pilote. Remarquez les capteurs de température des pneus sur les roues avant.