Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Tým CTU CarTech pokračuje ve stavbě závodní formule

V únorovém vydání časopisu (Automa 2/2009, str. 58) byla čtenářům představena soutěž Formula Student/SAE a tým CTU CarTech pocházející z ČVUT v Praze, kde je zapojena Fakulta strojní i Fakulta elektrotechnická. Se svým vozem bude tým letos v srpnu soutěžit v Německu na soutěži Formula Student Germany na okruhu Hockenheim Ring. První velkou událostí od té doby bylo představení projektu CTU CarTech včetně vozu ve velmi pokročilé fázi stavby na veletrhu Amper 2009.
 

Amper 2009

 
První postavení vozu FS.01 na kola, první prezentace před veřejností, první velký zážitek. Takto lze v krátkosti charakterizovat čtyřdenní exhibici na veletrhu Amper 2009. Veletrh byl pro univerzitní tým CTU CarTech závazným termínem dovést vůz do podoby vhodné pro představení veřejnosti. Bylo zapotřebí dokončit práce na svařovaném rámu, vyrobit velkou část komponent, otestovat a připravit pro prezentaci elektrotechniku, zprovoznit elektropneumatický systém řazení a rovněž připravit sklolaminátovou karoserii, jejíž výroba zabrala dva měsíce, kdy se pracovalo sedm dní v týdnu a někdy i 24 hodin denně. To vše poskládat dohromady a vůz převést na výstaviště v Praze-Letňanech (obr. 1).
 
Díky závaznému termínu se za pár měsíců udělalo tolik práce, která by běžným tempem trvala půl roku.
 

Výstavní panel elektroniky vozu CarTech FS.01

 
Ve stánku Cartech na veletrhu Amper byly hlavní elektronické systémy použité ve voze předvedeny na panelu (obr. 2). Elektronika vozu je tvořena jako distribuovaný systém a jednotlivé moduly mezi sebou komunikují prostřednictvím dvou sběrnic CAN. Všechny moduly jsou řízeny 32bitovým mikrokontrolérem NXP LPC 2129 s jádrem ARM7 (obr. 3), s výjimkou diagnostické jednotky, která je založena na procesoru MPC5200, využívajícím architekturu PowerPC. Na panelu byl prezentován systém elektropneumatického řazení, systém řízení trakce, diagnostický systém a řídicí jednotka volantu. Panel byl vyroben pro prezentaci, ale zároveň umožnil vyzkoušet, zda spolu jednotlivé elektronické moduly budou správně spolupracovat.
 

Multifunkční volant

 
Vůz byl osazen multifunkčním volantem (obr. 4) s vestavěnou řídicí jednotkou, která má fungovat především jako uživatelské rozhraní pro pilota. Na volantu je umístěno několik LED a několik tlačítek k ovládání elektronicky řízených systémů vozu, např. pro zařazení neutrálu, ovládání systému řízení trakce a pro regulaci jasu displeje. Systém řazení rychlostních stupňů je možné ovládat pádly pod volantem nebo tlačítky po stranách volantu. Na volantu je mimo jiné zobrazován zařazený rychlostní stupeň a otáčky motoru. Na volantu je také signalizován vhodný okamžik pro přeřazení na vyšší rychlostní stupeň. Výhledově budou doplněny další funkce, jako např. rádiové spojení pilota s týmovou základnou nebo omezování výkonu motoru k přizpůsobení dané situaci.
 

Elektropneumatické řazení

 
Řídicí jednotka elektropneumatického řazení (obr. 5) přijímá pokyny k přeřazení a další nezbytné údaje ze sběrnic CAN, ovládá elektromagnetické ventily a snímá polohu pístu. Vlastní systém řazení je sestaven z komponent od firmy Festo. Převodovka vozu, stejně jako motor, pochází z motocyklu Yamaha YZF-R6. Řazení neutrálu je vyřešeno pomocí zarážky ovládané servomotorem, která omezuje pohyb pístu. Elektropneumatické řazení bylo na veletrhu Amper prezentováno na modelu motoru připevněném na panelu (obr. 2). Systém řazení bylo možné ovládat buď z volantu umístěného na panelu, nebo přímo z volantu ve voze.
 
Systém řízení trakce, který má zamezit chybám řidiče, byl předveden na dvou ozubených kotoučích pocházejících ze zadní nápravy vozu; jejich rychlost měří snímače pracující na principu Hallova jevu. Jestliže je rozdíl naměřených rychlostí kotoučů větší než stanovená hranice (dochází k prokluzu), na volantu se rozbliká signalizační LED. Záměrem je využít ve voze propracovanější algoritmus využívající k rozhodnutí, zda je třeba omezit výkon motoru, i údaje z dalších senzorů ve voze.
 
Diagnostická jednotka shromažďuje veškeré dostupné údaje z obou sběrnic CAN a následně je ukládá na disk USB Flash a zároveň je odesílá prostřednictvím WiFi do osobního počítače. Pro PC byl vytvořen program, který analyzuje uložené hodnoty a následně zobrazuje dostupné údaje. Získané údaje je možné využít ke snazší identifikaci problémů, nalezení optimálního nastavení vozu a obecně při vývoji vozu.
 

Řídicí jednotka motoru

 
V současné době je k řízení motoru používána programovatelná řídicí jednotka zapalování a vstřikování určená pro závodní motocykly od firmy Ignitech. Pro další ročník (v roce 2010) má tým v plánu doplnit motor o přeplňování. Protože tato jednotka neumožňuje adaptivní regulaci klepání, která je u přeplňovaného motoru zapotřebí, uvažují studenti o vývoji vlastní řídicí jednotky. V první fázi budou využity produkty firmy National Instruments, a to softwarová platforma LabView a autonomní modulární měřicí a řídicí systému CompactRIO. Volba padla na tento systém proto, že dovoluje zjednodušit hledání optimálního řídicího řetězce pro použitý motocyklový motor tím, že není třeba pro první vzorek zároveň navrhovat vlastní hardware řídicí jednotky a řešit její případné hardwarové chyby. Pro návrh systému řízení a jeho vyzkoušení na běžícím motoru se používá univerzální řídicí hardware. Poté lze ve druhé fázi navrhnout jednoúčelový řídicí hardware a software (podle použité platformy) fungující na již ověřeném systému řízení použitém ve funkčním vzorku, kde již jsou vyřešeny problémy chodu motoru a lze se zaměřit pouze na jeho přizpůsobení nově konstruované elektronice.
 
Nyní vzniká nultý návrh řízení motoru, přičemž cílem je přizpůsobit ho funkcím zakoupené řídicí jednotky. V případě zdárného nahrazení původní jednotky bude možné začít s úpravami potřebnými pro další vývoj motoru, tedy jeho přeplňování. Návrh využívá dvouúrovňovou logiku systému CompactRIO, kde k vstupně-výstupním modulům přistupuje mikroprocesor přes pole FPGA, které provede základní výpočty na základě vstupních impulzů čidel a ty předá mikroprocesoru. Ten rozhodne o akčním zásahu podle naprogramovaných hodnot, který předá zpět poli FPGA. Pole se již postará o časování otevírání vstřikovačů a zapalování jednotlivých válců, protože jde, stejně jako u zpracování vstupů z čidel motoru, o časově prioritní jednoduché úlohy, které lze v poli FPGA naprogramovat.
 

Závěr

 
V současné době je již výroba vozu u konce a během června se uskutečnil první „ostrý“ test na letištní ploše poblíž Prahy. Elektrotechnická skupina dolaďuje navržené elektronické jednotky a celý systém, aby spolehlivě fungoval ve všech možných okolních podmínkách. Také konstrukční a motorářská skupina dokončuje poslední maličkosti, aby vůz mohl bez větších problémů projít prvním testem a podařilo se ho připravit na další zkoušky už na vykonstruovaných tratích podle modelu FSAE, kde budou studentům nápomocny profesionální české závodní týmy. Poslední prezentace týmu CTU CarTech se konala na Autosalonu Brno 2009 a nyní ho již čeká pouze pečlivé testování a ladění celého vozu, aby mohl bez problémů reprezentovat Českou republiku v závodě Formula Student Germany 2009.
 
Jan Sobotka, Jindřich Hruška,
Pavel Hesterini
 
Obr. 1. Na voze FS.01 se pracovalo sedm dní v týdnu a někdy i 24 hodin denně, aby byl vůz včas připraven k představení veřejnosti na veletrhu Amper
Obr. 2. Hlavní elektronické systémy použité ve voze byly na veletrhu Amper 2009 demonstrovány na panelu
Obr. 3. Řídicí jednotka s 32bitovým mikrokontrolérem NXP LPC 2129 řídí většinu modulů elektroniky vozu
Obr. 4. Multifunkční volant s vestavěnou řídicí jednotkou
Obr. 5. Řídicí jednotka elektropneumatického řazení