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挑戰：開發一套可靠的賽車測試和數據采集系統，來采集并分析賽車關鍵點的數據，從而提升Brigham Young University SAE 方程式賽車的性能，縮短它的調整時間 方案：使用一個八模塊的NI CompactRIO 系統來進行數據采集，該系統上還連接有二十幾個用于實時測量的傳感器。我們還添加了一個市面上可買到的簡單的無線路由器，用于與一臺裝有NI LabVIEW 的筆記本電腦進行遙測通信，以實現實時監測 美國汽車工程師協會每年都會主辦方程式SAE 學生設計競賽。今年，七十支參賽隊伍將設計、建造一輛限乘一人、開輪式公路賽車，并用其進行比賽。方程式SAE競賽被認為是世界上最有聲譽的大學工程類設計競賽。今年，第一次有Brigham Young University 的本科生參加方程式SAE 競賽。 對于汽車數據采集系統來說，測試是設計過程中至關重要的一個環節。通過制作一個模型汽車，我們在確定賽車的最終方案之前明確了需要改進的系統。為了驗證設計，我們的測試和實驗需要用到儀器、板上數據采集和統計分析。 我們之所以選擇NI CompactRIO（可重復配置的輸入/ 輸出）數據采集系統，主要是因為它配置的靈活性和輸入通道的密度（輸入通道的密度等于輸入通道/ 重量）。在圖中，可以看到它被安裝在測試賽車上。cRIO系統提供了其他設備不能提供的解決方案。cRIO系統上的各種可用模塊為傳感器的選擇提供了靈活性。控制器的網絡功能為遠程賽車監測提供了無線遙測選項。確定性回路選項使得系統精確而高速地采集數據，同時低功耗的特點對維持備用電源來說也是至關重要。 這個系統的重量不超過九磅，可以配置成高達64路的模擬輸入通道，并且運行時功率低于24 瓦。我們的cRIO 系統配置有兩個cRIO-9211 熱電偶模塊、一個CRIO-9421 數字輸入模塊、一個cRIO-9472數字輸出模塊和四個cRIO-9201模擬輸入模塊。我們在LabVIEW中編寫虛擬儀器程序來采集數據、繪制速度和加速度的圖表、顯示溫度并記錄信息。通過在cRIO系統與普通的無線路由器間建立TCP/IP 連接來實現無線遙測。我們用一個簡易的12伏到5 伏的直流到直流轉換器通過汽車電池為路由器供電。利用無線連接，我們可以實時地解析數據，這極大地簡化了數據分析過程，并且使得我們的組員在汽車駛入凹陷路面前可以提前調整發動機或懸架。我們有27 個傳感器用來測量加速度、車輪速度、空氣溫度、燃料溫度、輪胎溫度、壓力、節流桿位置、剎車桿位置、操縱桿位置和懸架位移。 輪胎溫度會顯著地影響附著摩擦力，進而影響航跡時間。我們有三個紅外傳感器，它們被安裝在每個輪胎前的懸臂支架上。輪胎對賽道的控制能力會隨著溫度的升高而提高，直到輪胎達到最佳性能，此后，輪胎對賽道的控制能力會隨著溫度的升高而降低。利用24 位精度的cRIO-9211 熱電偶模塊，我們甚至可以檢測到最輕微的溫度上升。我們的測試過程包括三個階段： ● 調整懸架的外傾角和輪胎壓力，直到輪胎沿著胎面均勻地受熱。 ● 外加一個橫向加速度計，利用LabVIEW勾畫出摩擦力系數與溫度間的函數關系。這這決定了輪胎控制性能峰值的溫度。 ● 對懸架設置（束角和外傾角）進行實驗，使輪胎溫度最接近地保持在控制性能峰值的溫度附近。 由于方程式SAE競賽的技術性本質，快速的加速度和高速轉彎速度是在競賽中取勝的關鍵。在我們的駕駛測試中，我們使用了一個三軸的加速度計來量化轉彎性能。橫向加速度受靜態外傾角、輪胎氣壓和輪胎溫度影響。析因實驗幫助我們找到外傾角和輪胎氣壓的最優設置。幾個駕駛員重復進行了這個測試。 在車前的垂直端安裝有一個霍爾效應傳感器用來測量車輪的速度。我們在剎車制動器的轉子上打下均勻間隔的孔作為目標。一周 12個孔，而車輪的速度高達每秒24轉，所以最小采樣速率為576 S/s是必需的。我們在LabVIEW中使用了一個高優先級的定時環路，以確保足夠快的速率來采集這個數據。 在轉彎時最小程度地移動重心可使得汽車具有更強的可預測性和更容易的操控性。安裝在減震器上的線性電位計可以測量汽車轉彎時懸梁的位移是多大。懸梁調整后，我們就可以找到在保持控制性能的前提下最小化懸梁位移的設置。 輪胎的附著摩擦力限制了橫向加速度和制動加速度。一個熟練的駕駛員可以在這個最大加速度的極限內駕駛。利用一個三軸的加速度計，我們可以測量汽車加速度的大小。駕駛員可以利用節氣閥位置傳感器、制動壓力變換器和操縱角度電位計來確定賽車的運動趨勢。利用無線電通信，可以將上述信息傳播給駕駛員。即時反饋可以幫助駕駛員了解汽車的限制，這在競賽準備的訓練中是很有益的。 Brigham Young University的賽車設計工程師依靠NI 公司的硬件優化了賽車性能，利用NI CompactRIO系統的靈活性和LabVIEW軟件編程的高效性，使得賽車的性能在競賽前不斷提升。質量測試設備和流程最終幫助Brigham Young大學取得了第一名的好成績。 作者信息： B. Newill 美國Brigham Young University NI公司供稿 |
