Racing a Solar-Powered Car 3,000 km Across Australia Using CompactRIO and LabVIEW

Alisdair McClymont, Cambridge University Eco Racing

"지금까지 자동차 제어와 원격 측정에 CompactRIO와 LabVIEW를 이용한 결과 100 퍼센트 안정적이었습니다"

- Alisdair McClymont, Cambridge University Eco Racing

과제:

원격 데이터 분석 및 원격 측정을 이용하여 태양에너지 자동차의 전기 시스템을 안정적으로 모니터링하고 제어

솔루션:

NI CompactRIO 하드웨어를 자동차용 임베디드 컨트롤러로 사용하여 자동차 CAN 버스와 인터페이스함으로써 NI LabVIEW 소프트웨어에서 프로그래밍된 자동차 컨트롤 알고리즘을 구현하고 원격 측정 라디오를 통해 데이터를 송수신합니다.

 

대학교 공학부 학생들로 이루어진 팀인 Cambridge University Eco Racing (CUER)은 태양에너지 자동차를 설계, 구축 및 운전하였습니다. 이 팀의 목적은 세계 태양에너지 자동차 대회 중 메이저에 속하는 World Solar Challenge에서 우승하는 것입니다. 이 대회는 호주 전역에서 3,000 km 코스를 경주하여 효율성과 안정성의 한계를 체험하게 됩니다. CUER은 2009년에 처음으로 이 대회에 Endeaver라고 하는 자동차로 참가하였습니다. 이 대회에서 이 자동차는 70 kmph 이상의 평균 속도와 최대 121 kmph의 속도를 달성하였습니다. 하지만 안정성 문제로 인해 14위로 경주를 끝냈습니다. 이를 계기로 이 팀은 내쇼날인스트루먼트 제품으로 구축된 대안 솔루션을 찾게 되었습니다.

 

태양에너지 자동차의 전기 시스템

태양에너지 자동차의 핵심 전기 구성요소는 간단합니다. 구성요소로는 배터리, 솔라 어레이 모듈과 모터입니다. 배터리 관리 시스템 (BMS)은 각 배터리 셀의 상태를 모니터링합니다. 이 모터는 고효율 3상 인버터 (모터 컨트롤러)를 통해 고전압 버스에 연결되며 각 솔라 어레이 모듈은 고효율 스위치-모드 컨버터 (MPPT: Maximum Power Point Tracker라고 함)를 통해 고전압 버스에 연결됩니다. 이 디바이스 각각은 CAN 인터페이스를 갖추고 있으며 전류, 전압, 속도, 온도 및 에러와 같은 전기 디바이스 관련 출력 정보를 가지고 있습니다.

 

자동차 컨트롤

모터 컨트롤러가 활발히 자동차를 제어합니다. 이 컨트롤러는 고전압 버스와 모터 속도로부터 인출된 전류를 제한할 수 있습니다. 따라서 모터 컨트롤러는 CAN을 통해 “바람직한 속도”와 “허용 전류”가 필요합니다. 이 메시지는 on-vehicle 프로세서가 전송하며, 운전자 입력과 기타 전기 시스템의 상태를 모니터링하고, 모터 컨트롤러에 전송할 값들을 결정합니다. 초기에는 학생이 만든 디바이스를 이용하여 태스크를 수행했습니다. 이 디바이스가 작동하기는 했지만 안정적이지 않았고 2009년 대회에서 실패하는 경험을 겪게 되었습니다. 보다 안정적인 솔루션이 향후 성공을 위해 필수적이라고 판단을 내렸습니다.

 

CompactRIO를 이용한 자동차 제어

CUER의 주 스폰서인 내쇼날인스트루먼트는 태양에너지 자동차에 쓰일 CompactRIO 제품들을 제공했습니다. 2포트 고속 CAN 모듈을 이용하여 CAN 버스에 연결하여 CompactRIO는 모터 컨트롤러, BMS, MPPT 및 운전자 입력으로부터 정보를 수신할 수 있었습니다. 이 정보 처리와 모터 컨트롤러에 컨트롤 메시지를 전송하고 운전자 디스플레이에 압축 정보를 전송하는 프로그램은 LabVIEW에서 작성하였습니다.

 

NI-CAN driver를 이용하여 네트워크상에 있는 각 디바이스가 전송하는 모든 CAN 메시지의 데이터베이스를 빠르고 쉽게 구축하였습니다. 그 다음 프로그램은 Channel Conversion Library에 CAN Frame을 요청하여 메시지를 해독하고 인코딩했습니다. 이는 CAN 버스에서 정보를 처리하는 빠르고 안정적인 방식을 제공했습니다.

 

컨트롤 프로그램은 보다 쉬운 코드의 모듈화, 유지관리 이해를 위해 객체 지향 구조를 사용하여 LabVIEW에서 작성했습니다. 버스상의 각 디바이스를 위한 클래스 (이 디바이스를 위한 메시지를 해독하고 인코딩하는 함수 포함)를 생성하였습니다.

 

모터 컨트롤러에 전송되는 메시지 특성의 결정에는 상태차트를 이용했습니다. 자동차의 모드에는 다음이 포함됩니다. “일반” 운전 모드는 모터 컨트롤러가 인출하는 전류를 운전자의 액셀러레이터가 제어하고, “크루즈 컨트롤” 모드는 자동차가 일관된 속도를 유지하며, “리버싱” 또는 “제동” 모드는 모터 컨트롤러가 회생식 제동을 이용하여 에너지 손실을 최소화합니다. LabVIEW 상태차트를 이용하여 각 모드에서 수행된 동작과 상태간의 전환에 대한 요구사항을 쉽게 정의할 수 있습니다. 가장 중요한 것은 자동차 제어를 구현하는 안정적인 방식이라는 것입니다. 이 팀이 마지막으로 원하는 것은 운전자의 조작으로 모터를 최대한 가속시키는 것이었습니다.

 

LabVIEW 이용의 분명한 장점은 여러 처리 루프를 병렬로 쉽게 실행할 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 하나의 루프는 컨트롤 메시지를 일관적인 속도로 모터 컨트롤러에 전송할 수 있으며, 시스템이 언제든 CAN 메시지를 바로 처리할 수 있습니다.

 

원격 측정

자동차와 추격 자동차 (경주 동안 자동차를 따라감)간의 안정적인 원격 측정 시스템은 필수적입니다. 운전자는 자동차 내부에서 제한적인 디스플레이를 보게 되기 때문에 추격 자동차의 팀 구성원들은 상세 데이터를 모니터링하여 어떠한 결함이나 차선의 성능을 반드시 찾아야 합니다.

 

CompactRIO는 이 시스템 구현을 위해 간단한 솔루션을 제공했습니다. 원격 측정 라디오를 CompactRIO 모듈의 시리얼 포트에 연결했고, 컨트롤 프로그램은 시리얼 포트를 통해 패키징된 데이터를 간단히 전송했습니다. 추격 차량의 두 번째 원격 측정 라디오는 이 데이터를 수신하고 노트북의 LabVIEW를 이용하여 처리되었습니다. 이 시스템은 이 데이터를 제공하여 운영자가 자동차 상태의 에러나 기타 중요한 변경사항을 빠르게 감지할 수 있습니다.

 

또한 원격 측정 시스템을 이용하여 태양 에너지 자동차에 최고의 크루즈 컨트롤 속도를 전송합니다. 최고 속도는 LabVIEW에서 복합 최적 알고리즘을 이용하여 계산되어 보드 상의 기상 기계와 추격 자동차를 직접 통합하였습니다.

 

테스트

지금까지 자동차 제어와 원격 측정에 CompactRIO와 LabVIEW를 이용한 결과, 100 퍼센트 안정적이었습니다. 이는 자동차의 다른 시스템의 효율성을 개선 (MPPT와 배터리 전압이 실행하는 알고리즘을 수정)하는데 집중할 수 있음을 의미합니다. 내쇼날인스트루먼트 덕분에 2011 World Solar Challenge에서 훨씬 개선된 성능을 기대할 수 있게 되었습니다.

 

필자 정보:

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
The team cross the finish line in Victoria Square, Adelaide