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FSAE赛事数据采集系统设计开发

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【摘要】针对FSAE赛事中赛车的调教,我们设计了一套数据采集系统,通过单片机传输采集轮速,陀螺仪,线位移等传感器采集,经由数传电台发送与接受并通过上位机系统显示,最后使用MATLAB建立数据库进行分析。

【关键词】数据采集;传感器;MATLAB

大学生方程式汽车大赛(简称FSAE)是一项由世界上高等院校在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。利用数据采集系统进行赛车行驶过程的整车实时监控,通过试验反馈改进设计,不断优化赛车设计参数,可提升赛车性能。本项目提出的数据采集系统,可以对动态的赛车进行数据的实时采集、显示、记录与分析,并计算处理获得的数据曲线,研究赛车在制动、加速等极限工况下的荷载情况,以指导赛车整车性能优化

1整体架构

1.1整体架构分析

传感器部分包括三维陀螺仪(用于赛车侧倾角,俯仰角等检测)、减震器线位移传感器(用于对减震器行程检查)、踏板线位移传感器(用于踏板深度检查)、轮速传感器(利用霍尔效应原理测量轮速)、方向盘转角传感器(用于AFS,ESP等系统)及电机控制器、电池管理系统(BMS)内部的传感器等,可以通过对模拟量的采集、方波脉冲的捕捉、CAN报文的解读等,采集减震器的压缩/回弹速度、踏板的深度、轮速、方向盘转向角度,电池总电压、电流、温度、SOC等数据,将这些数据通过单片机传输到数传电台,再由电台接收数据在上位机整合显示,最后通过MATLAB分析建立数据库。

1.2整体架构优点

(1)由于采用了异步传输的方式,取消了链路的差错控制和流量控制等,这些措施提高了传输效率。(2)由于是由传感器直接传输,降低了其他干扰源干扰的可能性,从而增加了数据的真实性。(3)采用数据集成的方式,通过应用间的数据交换从而达到集成,主要解决数据的分布性和异构性的问题。

2硬件系统选型与设计

数据采集系统需要检测的传感器明细如表1所示。脉冲信号通过单片机直接采集,电压信号经过A/D转换芯片得到数字信号,单片机通过巡检的方式定时检测上述数据,经过整理打包,发送至无线电台模块。数传电台采用全双工2.4GHz无线电台,有效传输距离2100米,符合ModbusRTU协议,可实现对所需数据的传输。

3软件系统开发与分析

3.1单片机设计

为实现项目预期功能,主要调用了单片机的ADC模块、ECT模块、PIT模块、MSCAN模块及SCI模块。(1)ADC模块设置7通道12bit精度转换,转换序列的扫描周期为8us。考虑到赛车在行驶过程中,受到路面激励复杂且高频,读取ADC转换结果寄存器的频率取100Hz,即隔10ms采集一次减震器的行程或踏板的行程。(2)ECT模块使用8bit脉冲累加器对方波信号的脉冲上升沿进行计数,由于齿圈齿数(前50齿后60齿)较多、为保证车轮转速较快时仍能对上升沿进行计数而不至于重叠,选择读取脉冲累加计数寄存器的频率同样为100Hz,即每10ms对齿圈转过的齿数进行一次计数并将计数寄存器清零。(3)PIT模块主要起精确定时的作用,对该模块内的8bit和16bit计数器的值进行写入,使能PIT中断功能,设置定时时间为10ms,以满足采集的时间要求。即定时器每隔10ms触发一次定时中断,在定时中断函数中将读取AD转换结果寄存器、脉冲累加计数寄存器的程序语句写入,即实现了对采样周期的精确控制。(4)MSCAN模块用于接收电池管理系统(BMS)、方向盘转角传感器及电机控制器(MCU)发送的CAN报文。采用BOSCH2.0标准的CAN通讯协议,总线频率为250Kb/s,数据格式根据节点的不同而相应选用了标准帧和扩展帧。通过厂家提供的CAN通讯协议,解析每一帧报文的信息,得到所需的数据。(5)SCI模块使用8N1数据格式,即1位起始位,8位数据位,一位停止位,无奇偶校验。由于传输的数据量较大,应选用较大的的波特率,但是波特率过高会使得无线传输的稳定性下降,丢帧严重,所以选取折中的波特率38400,发送方式为中断发送。自定数据包格式为定长格式,包括帧头、帧长、数据域、校验和、帧尾。帧头为避免与数据重复,设为FAFF;帧长为固定的37字节,数据域内包含传感器采集到的信息及BMS、MCU内读取的信息,校验和确保数据帧传输的正确性,帧尾为FE。

3.2上位机系统设计与实现

上位机实现数据的实时显示功能,可分为串口数据接收、数据处理、数据显示、数据保存四部分。(1)串口数据接收使用LabVIEW的VISA模块,根据串口通讯的数据格式(8N1)及数据帧的协议,对VISA串口进行相应的配置如图。根据下位机发送的周期,每10ms运行一次for循环进行一帧数据的判断、接收,将数据放入“串口数据处理”子VI中进行帧头判断、校验,并提取有效的数据域输出到“帧数组”。(2)串口数据处理部分,对数据帧的帧头、帧长等进行判断,格式正确、校验通过的数据帧将被接收,否则该帧数据被丢弃。(3)数据显示部分,根据数据的类型,选择合适的显示控件如数值显示控件、量表、水平进度条等,将数据实时的显示在程序界面中,显示的数据包括SOC、输出功率、转速等等。通过数据域解析将数据域的各字节数据按照协议规定,拆分成1个字节或2个字节的数据并将字符串数据类型转为数值类型输出。输出后的部分数据需要进行相应的公式乘以比例加上偏移量才能得到需要观测的数据值。

3.3数据采集实验验证

通过赛车实际跑动采集回来的数据,应用MATLAB软件绘制赛车四避避震器压缩回弹速率所占的比例。这里的“速度”是指避震器活塞的线速度。如图1所示。一般来说,速度在较低范围,阻尼力由车身侧倾、俯仰等运动引起,轮胎、车身、车手受此速度区间的运动影响明显;速度在较高范围,主要是路面不平引起的激励;所以,区分高低速就是要将路面输入和车身运动分开控制,因为各自需要的吸收的能力和要求的响应速度是不同的。应尽可能使轮胎载荷保持恒值,以提升轮胎适从性。所以得出的结论是压缩与回弹分布尽量对称(符合正态分布);峰值、正态分布形状取决于赛道、车手等因素。此外还可以借助线位移传感器分析赛车在直线行驶中的下压力来调整空套的角度,从而获得更高的速度与更大的抓地力。此上数据分析成功验证了数据采集系统,说明该方案的可实现性

参考文献

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[2]邓召文,杨泽宇,张书乾,孟广辉,余思家.基于LabVIEW的汽车悬架无线动态数据采集系统[J].森林工程,2018,34(05):106-113.

[3]黄成,周岳斌,宋学前.FSAE赛车转向数据采集系统设计[J].装备制造技术,2018(08):96-99.

[4]胡骁.FSAE赛车动力参数匹配及电气系统设计[D].长安大学,2018.

[5]方靖,李少康,王建华,张嘉霖.PSD2.4G无线数据采集系统设计[J].电子测量技术,2018(23):55-59.

作者:彭奕超  邓植云 单位:武汉理工大学自动化学院

FSAE赛事数据采集系统设计开发责任编辑:张雨    阅读:人次