打造資料擷取和遙測系統加速學生方程式賽車開發

十月 26, 2017
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愛爾蘭都柏林理工學院使用 NI LabVIEW 和 Single-Board RIO 設計出 Formula Student 賽車的資料擷取和遙測系統
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Formula Student 賽車準備上場!

學生方程式大賽(Formula Student )是一項由 IMechE 主辦的國際競賽,可供大專院校的學生設計、建置、測試單座賽車。 這是年輕工程師的試驗場,最頂尖的賽車隊伍和汽車業者都在這裡挖掘優秀的選手。 每一年世界各地有將近 120 個隊伍在英國的銀石賽道一較高下,他們的賽車可以在不到 4 秒的時間內從 0 加速到 60 mph,並且達到 80 mph 的極速。 都柏林理工學院(DIT)組成了 FormulaDIT 隊伍,過去三年都參加了英國 Class 1 的活動。 這個隊伍的進步神速,在短短三年內從 42 名進步到 21 名。 2013 年,DIT 隊伍成為英國和愛爾蘭的前四強。 他們從 NI CompactRIO 硬體開始,逐漸開發出一個遙測系統; 最近則改用更輕巧、功能更多的 NI Single-Board RIO 平臺。
2013 年,FormulaDIT 隊伍開始透過 CompactRIO 進一步開發現有系統,主要目的是減少重量、改善功能。 基於 Formula Student 活動的特性,加速度、轉彎和車輛操控都是贏得比賽的重要指標。 因此,我們必須在參賽前先行測試,並且在車上加裝全方位的資料擷取系統,以便量測車輛操控的狀況,例如懸吊位移、加速度和轉向角度。

資料擷取採用 sbRIO-9636 之後,立即減少了 1kg 以上的重量,此外還透過 RIO Mezzanine Card 額外安裝兩個訊號處理 C 系列模組,即可保有大型 CompactRIO 的所有功能。

加速規和應變規都需要專門的訊號處理功能,包含激發、放大和過濾,才能夠準確讀取量測結果。 NI 9234 模組和 NI 9235 模組具有內建的訊號處理功能,提供了簡單、準確又便於實作的解決方案,有助於收集這類感測器的資料。 我們使用兩個 PCB Piezotronic 單軸 IEPE 加速規來量測車輛在軌道上的橫向與縱向加速力量。 安裝至懸吊系統的應變規則可協助隊伍評估壓力造成的變形狀況。

運用​控制​與​機電​整合​軟​硬體​和​課程​軟體​構成​的​生態​系統,​讓​學生​以​更​快​的​速度​了解​概念,​並建​置​與​業界​應用​連結​的​解決​方案。了解更多
如要準確掌握車輛效能,必須對照不同的情境,檢驗所有的量測結果。 只要透過類比線性電位計和加速度同時執行懸吊位移量測,即可找出車體側搖、橫向加速度、懸吊叉臂和推桿對各種負載的反應狀況之間的關聯。

只要比較類比電壓轉向角度感測器和橫向加速度壓力的量測結果,即可評估轉向不足和過度轉向的狀況;縱向加速度則可和煞車壓力比較,藉此評估煞車效能。 如果能找出煞車壓力和前/後懸吊位移之間的關聯,就能了解煞車時的重量轉移,以及調整煞車偏向的方式以補償此狀況。

我們使用 sbRIO 的數位輸入埠,即可持續監控每個車輪上霍爾效應感測器的訊號,提供車輪鎖住或旋轉的相關資料,以及車輛可涵蓋的範圍。 車輪過度旋轉代表懸吊設定不足,車輪容易鎖住則代表煞車系統的調整不良。

可​攜​式​學​生​裝​置​是​一​款​多​功​能​的​資​料​擷​取​與​控​制​儀​器,​可​協​助​學​生​隨​時​隨​地​量​測​與​分​析​即​時​訊​號,​並​設​計​實​際​可​用​的​複​雜​系統。
車輛 ECU 和 Power Distribution Module 的銜接作業則是使用耐用的 CAN 匯流排網路,sbRIO-9636 可直接控制通訊功能,而不是以前 CompactRIO 設定時的另一個 C 系列模組,藉此減少重量。 此外還有一個 Wi-Fi 路由器透過乙太網路埠連接至 sbRIO,這樣一來即可無線遙測感測器讀數,以便在車輛架設期間執行即時分析作業。
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透過 NI Diadem 分析實體感測器讀數,即可找到重要的資料,協助駕駛評估車輛效能

分析第一步驟就是收集效能資料,不過要妥善利用這些資料,就需要詳細的分析和專業能力,才能迅速發現問題。 實際上 Microsoft Excel 用於許多工程應用的資料分析作業,FormulaDIT 以前也採用此工具。 然而,NI DIAdem 軟體提供了更有效的解決方案,不但整合了數學功能和分析工具,還可以同步化 GoPro 相機連續鏡頭影片和資料紀錄。 該隊伍可透過 Diadem 分析實體感測器讀數,找到重要的資料,協助駕駛評估車輛效能。

結論NI 軟硬體提供優異的彈性,可協助我們開發 Formula Student 賽車的遙測系統。 我們取得了懸吊資料和其他參數,務必藉此在前往銀石賽道之前,在測試期間優化車輛設定。

參與此專案的學生趁著這次機會接觸到 NI 軟硬體,因此擁有絕佳的就職機會。 目前學生正透過 LabVIEW 開發 Valeo Imaging Systems 適用的軟體,這是一種以 Galway 為基礎、創新的汽車視覺應用程式。

未來我們希望能夠繼續運用 NI Single-Board RIO 裝置的感測器連接選項和 CAN 匯流排功能,透過 LabVIEW 探索更多汽車監控的可能。

作者資訊:
Gerry Woods
Dublin Institute of Technology 
gerry.woods@dit.ie 


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