为 SAE Baja 挑战赛赛车构建基于树莓派的数据采集（DAQ）系统
SAE Baja 挑战赛让工程专业学生走出课堂，接受更深层次的实践考验。参赛团队的任务是设计、制造并驾驶一款坚固耐用的单座越野车，使其能够应对陡坡攀爬、崎岖地形、泥泞路段、涉水路况以及高强度冲击着地等严苛挑战。由于所有车辆均采用同款发动机，因此胜负往往取决于工程设计决策，而非单纯的马力大小。
对于巴克内尔大学（Bucknell University）的Baja车队而言，在整个设计过程中，有一个问题始终萦绕在心头：一旦驶出车库，这辆车在实际运行中的表现究竟如何？
车手虽能描述车辆的驾驶感受，但仅凭主观感受无法揭示车辆在剧烈着地时车架承受的应力大小、无级变速器（CVT）在高负荷下是否存在打滑现象，也无法获知关键部件距离其工作极限还有多大余量。为了解答这些问题，团队开发了一套定制的数据采集（DAQ）系统，能够记录并存储车辆行驶过程中的实时测量数据。
该系统基于树莓派（Raspberry Pi）和两块 MCC 128 模拟输入 HAT 构建，能够持续记录分布在车辆各处的 16 个传感器的数据。这些传感器负责监测车架应变、加速度、发动机转速、变速箱转速以及 CVT 温度。每次测试运行结束后，系统都会保存采集到的数据以供详细分析，从而为团队提供关于车辆性能的客观洞察，并指导未来的设计决策。
当车辆在崎岖地形上行驶时，数据采集（DAQ）系统会持续对各传感器进行采样，并将测量数据存储到本地 SD 卡中。测试完成后，可将数据导出为 CSV 格式，以便利用 MATLAB 等工具进行进一步分析。
MCC 128 平台的一大优势在于其可扩展性。单台树莓派（Raspberry Pi）上最多可堆叠八块该型号板卡，这使得团队能够在未来出现新的测量需求时对系统进行扩展。此外，MCC 128 具备高速扫描能力，能够近乎同步地采集传感器读数，从而更便于关联车辆各处的事件数据。
衡量至关重要的事物
车架承受多大的压力？
该团队的主要目标之一，是了解车架在实际比赛工况下所承受的应力大小。在此项目之前，从未测量过车架的峰值应力，因此难以确定车架关键构件的受力状况距离其设计极限还有多大余量。
为了确定预期的测量范围，团队利用 COMSOL Multiphysics 对车架进行了建模，并估算了运行过程中可能出现的最大应力。随后，这些应力值被转换为应变，从而使学生能够设计出一套能够捕捉预期载荷全范围变化的测量系统。
车辆各处的关键车架构件上安装了八个应变计。每个应变计构成惠斯通电桥电路的一部分，该电路可产生与应变成正比的微小差分电压。由于电桥输出仅为几毫伏，因此需利用仪表放大器将信号放大至适合数据采集的水平。随后，放大后的信号通过位于控制器附近的低通滤波器。该滤波器有助于降低电气噪声，并在信号被数据采集（DAQ）系统记录之前对其进行进一步的信号调理。
通过记录车辆在实际运行过程中的应变情况，团队能够识别车架上的高负荷区域，验证仿真结果，并为未来的底盘设计做出基于数据的决策。
运行期间的影响有多严重？
出于与测量车架应力相似的诸多原因，团队也希望了解悬挂系统吸收冲击的效能。为此，他们在车辆的每个角落都安装了MEMS加速度计。之所以选用ADI公司的ADLX326，是考虑到其成本优势以及与MCC 128电压输入接口的兼容性。相比之下，其他类型的加速度计往往需要兼容IEPE传感器的专用输入接口，或者采用数字接口。ADLX326不仅易于获取，而且量程达到±16 g。在初步测试中，受限于MCC 128的输入通道数量，仅记录了X轴的输出数据；若需在后续测试中同时监测Y轴和Z轴，则可增设另一台MCC 128模块。
通过将加速度数据与车架应变测量相关联，团队可以更好地了解冲击如何通过底盘传播，并确定悬架调整或结构变化可以提高车辆耐用性的区域。
变速箱运行效率高吗？
无级变速器（CVT）将发动机动力传递至传动系统，同时使发动机保持在最佳转速范围内运行。如果变速器出现打滑或过热现象，车辆性能可能会受到严重影响。为了评估变速器的性能，团队会在运行过程中监测发动机转速、CVT转速以及变速器温度。
发动机和CVT的转速通过磁电式传感器进行测量，这些传感器产生频率与转速成正比的脉冲序列。德州仪器（Texas Instruments）生产的LM2907频率-电压转换器将频率转换为模拟电压，以便MCC 128数据采集系统进行测量。通过比较运行过程中的发动机转速与CVT转速，学生能够识别出变速器可能发生打滑的工况。
系统利用安装在车架上并对准CVT总成的红外传感器来监测温度。其中，传动带是重点监测对象，因为在剧烈驾驶工况下，其温度可能会显著升高。传动带温度过高可能意味着摩擦增大、效率降低，或者存在可能缩短传动带使用寿命的运行工况。
通过综合分析转速（RPM）和温度数据，团队能够更全面地了解变速箱的性能表现。例如，若皮带温度升高且发动机转速与CVT转速之间的差值增大，这可能表明变速箱出现了打滑现象。这些测量数据为评估传动系统在实际工况下的表现提供了宝贵见解，并有助于指导未来的调校与设计改进。
校准与验证
在车辆驶上赛道之前，学生们会核查各个测量通道并记录传感器偏差。这一标定过程确保了所记录的数据反映的是车辆的实际动态，而非源于传感器或电路的误差。
学到了什么？
初步测试证实，应变计系统对施加的载荷做出了预期响应，且加速度计成功捕捉到了冲击事件。转速测量结果显示，两个转速计通道均能准确追踪转速；温度测量结果则表明，该系统具备监测CVT（无级变速器）工作温度快速变化的能力。尽管数据采集工作仍在进行中，但该系统已为理解车辆运行特性提供了宝贵见解，并为后续测试及设计改进奠定了基础。
现场实测，数据成型
巴克内尔大学（Bucknell）Baja 赛车队的数据采集（DAQ）系统将赛车变成了一座移动的工程实验室。通过整合应变计、加速度计、转速传感器、温度监测装置以及基于树莓派（Raspberry Pi）的数据采集平台，学生们能够摆脱凭直觉行事的局限，依据实测数据做出设计决策。
随着测试的持续进行，该系统将帮助未来的团队更好地了解车辆在实际工况下的表现，识别改进之处，并验证设计变更。更重要的是，它为学生提供了在传感器集成、信号调理、嵌入式软件、数据分析及系统级工程方面的实践经验。
当车辆结束行驶、浑身沾满泥土归来时，它也带回了同样宝贵的东西：打造更出色的巴哈（Baja）赛车所需的数据。
团队介绍
该项目由巴克内尔大学（Bucknell University）SAE Baja 团队的成员开发，他们负责了完整数据采集系统的设计、集成、测试与验证工作。
从左至右： Gardy Philogene, John Murphy, Keenan LaMontagne, Trevor Lamb, Josh Wickert, Sean Kucic, Robert English, and Davidson Theomsy.
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