Instrumentation haute vitesse : la course avec CompactRIO et LabVIEW de National Instruments

Lucas B. Graham, Brigham Young University

"La souplesse du CompactRIO et la rapidité de développement de la programmation LabVIEW permettent d’optimiser les performances du véhicule jusqu’à la compétition."

- Lucas B. Graham, Brigham Young University

Le défi:

Développer un système fiable d’acquisition de données et de test de véhicules de course pour acquérir et analyser les données provenant des points critiques afin d’améliorer les performances et diminuer les temps de réglages sur le véhicule de course Formule SAE de l’Université de Brigham Young.

La solution​:

Utiliser un système CompactRIO à huit modules pour l’acquisition de données avec plus de 20 capteurs pour la mesure en temps réel. Ajouter un routeur sans fil standard utilisé pour la communication télémétrique avec un ordinateur portable équipé de NI LabVIEW pour un contrôle en direct.

La Société des Ingénieurs Automobiles accueille le concours annuel de conception pour les élèves de Formule SAE. Cette année, 70 équipes vont concevoir, construire et conduire un véhicule routier en formule roues ouvertes à un seul conducteur. La Formule SAE est considérée comme le concours de conception technique universitaire le plus prestigieux au monde. Cette année pour la première fois, une équipe d’étudiants de l’université, pas encore diplômés, va participer à la compétition de Formule SAE.

 

 

Système d’acquisition de données embarquée

Le test est une étape essentielle du processus de conception. En fabriquant un prototype de véhicule, l’équipe a identifié les systèmes à améliorer avant la construction du véhicule de course final. Pour valider la conception, nos tests et nos expériences reposent sur l’instrumentation, sur l’acquisition de données embarquée et sur l’analyse statistique.

 

Nous avons choisi le système d’acquisition de données National Instruments CompactRIO (E/S reconfigurables) principalement pour sa souplesse de configuration et la densité des voies d’entrée (rapport poids/voie d’entrée). La Figure n°1 le présente monté sur le véhicule de test. Le cRIO offre une solution qui n’était pas envisageable avec un autre matériel. Les différents modules disponibles pour le cRIO offrent une vraie souplesse dans le choix des capteurs. Les fonctionnalités de gestion de réseau du contrôleur proposent une option de télémétrie sans fil nécessaire pour le contrôle déporté de véhicules de course. Les options de boucles logicielles déterministes permettent une acquisition haute vitesse précise et une consommation faible en puissance, essentielle pour préserver la puissance auxiliaire.


Le système pèse moins de cinq kilos, peut se configurer avec un maximum de 64 voies d’entrées analogiques et fonctionne avec moins de 24 watts. Notre cRIO est configuré avec deux modules thermocouples cRIO-9211, un module d’entrée numérique cRIO-9421, un module de sortie numérique cRIO-9472 et quatre modules d’entrées analogiques cRIO-9201. Nous avons écrit des programmes d’instrumentation virtuelle dans LabVIEW 8 pour rassembler des données, tracer des vitesses et des accélérations, afficher des températures et enregistrer des informations. La télémétrie sans fil a été établie en liant la connexion TCP/IP sur le cRIO vers un routeur sans fil standard. Nous avons utilisé un convertisseur DC/DC de 12 volts vers 5 volts pour alimenter le routeur avec la batterie du véhicule. Avec la connexion sans fil, nous pouvons interpréter les données en temps réel, ce qui simplifie grandement 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 de ravitaillement. Nous disposons de 27 capteurs pour mesurer l’accélération, la vitesse des roues, la température de l’air, la température de l’essence, la température des pneus, la pression, la position du papillon des gaz, la position des freins, la position du braquage et le déplacement de la suspension.

 

Mesures de températures précises

La température des pneus a des répercutions sur la traction, et donc sur les temps en piste. Nous disposons de trois capteurs de température à infra-rouge 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 au sol augmente jusqu’à ce qu’ils atteignent le pic de performances maximales, après quoi une augmentation de température réduit l’adhérence des pneus. Avec la précision de 24 bits de la carte thermocouple cRIO-9211, nous pouvons détecter la moindre augmentation de température. Notre processus de test se décompose en trois étapes :

  • Initialement, nous ajustons le carrossage statique de la suspension ainsi que la pression des pneus jusqu’à ce qu’ils chauffent de façon égale sur la bande de roulement
  • Couplé à un accéléromètre latéral, LabVIEW nous aide à tracer le coefficient de friction sous la forme d’une fonction de température. Ces informations déterminent la température à laquelle l’adhérence des pneus est au maximum.
  • Finalement, nous réglons les paramètres de suspension (pincement et carrossage) pour conserver étroitement le pic de température.

 

Mesures haute vitesse

À cause de la nature technique de la course Formule SAE, les accélérations rapides et les vitesses en virages élevées sont cruciales pour remporter cette compétition. Nous avons utilisé un accéléromètre à trois axes dans nos essais en piste pour quantifier la capacité en dérive. L’accélération latérale est affectée par le carrossage statique, la pression et la température des pneus. Une expérimentation factorielle aide à trouver les paramètres optimaux pour le carrossage et la pression des pneus. Ce test est renouvelé avec plusieurs pilotes. Un capteur à effet Hall est monté sur l’un des montants frontaux pour mesurer la vitesse des roues. Nous avons perforé le disque de frein à égale distance pour établir des repères. Comme le capteur ne produit pas un signal de tension suffisamment fort pour changer l’état de l’entrée numérique d’un module, nous avons utilisé le module d’entrée analogique cRIO-9201 pour lire les tensions analogiques depuis le capteur et en déduire la vitesse des roues en kilomètres/heure. Avec 12 trous par révolution et une vitesse maximale des roues de 24 révolutions par seconde, une vitesse d’échantillonnage minimale de 576 éch./s s’impose. Nous avons utilisé une boucle temporisée avec une priorité haute dans LabVIEW pour veiller à ce que les données soient échantillonnées à une vitesse suffisante. Minimiser le transfert de masses pour la dérive rend notre véhicule plus prévisible et plus facile à contrôler. Des potentiomètres linéaires montés sur les absorbeurs de chocs servent à mesurer la façon dont la suspension se déplace au fur et à mesure que la voiture manoeuvre en virage. À mesure que la suspension est ajustée, nous trouvons les paramètres qui minimisent sa course tout en maintenant l’adhérence.


L’entraînement des conducteurs

L’adhérence des pneus détermine une limite en accélération latérale et en freinage. Un conducteur expérimenté conduit juste dans l’enveloppe maximale de cette accélération. Avec un accéléromètre trois axes, nous pouvons mesurer la magnitude d’accélération du véhicule. Un capteur de position du papillon des gaz, des capteurs de pression du freinage et un potentiomètre d’angle de conduite sont utilisés pour identifier les comportements des conducteurs les plus habiles. La communication radio
sert à relayer ces informations au conducteur. Un retour d’informations immédiat aide le conducteur à comprendre les limites du véhicule, ce qui est bénéfique pour l’entraînement à la compétition. Nous avons écrit cet article trois mois avant que la compétition Formule SAE n’ait lieu. Avec plus de 200 heures d’essais prévus, les ingénieurs de conception de la course BYU continuent d’avoir besoin du matériel National Instruments. La souplesse du CompactRIO et la rapidité de développement de la programmation LabVIEW permettent d’optimiser les performances du véhicule jusqu’à la compétition. L’équipement de test sur la qualité et les procédures aident l’Université Brigham Young à atteindre son objectif initial qui est de finir premier de la course.

 

Janvier 2007

Informations sur l’auteur:

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.