Design and implementation of full system monitoring for a prototype Hyperloop pod

Abstract

Målet med prosjektet er å lage et komplett overvåkingssystem for en Hyperloop prototype fartøy i samarbeid med studentorganisasjonen Shift Hyperloop. På grunn av Covid-19 pandemien ble fjorårets system ikke ferdig, og alt som ble produsert var en grov revisjon 1 av et kretskort for datainnsamling. Det ble ikke gjennomført mye testing, og det lille av data som var samlet inn gikk tapt da organisasjonens lagringsserver krasjet. Det meste av dokumentasjon gikk også tapt som følge av dette. Hovedkilden til informasjon ble derfor enkeltmedlemmer, så mye arbeid var derfor nødvendig for å danne et solid grunnlag for videreutvikling. Enkelte sensorer som allerede var anskaffet, men forblitt ubrukt ble vurdert og inkludert i prosjektgruppens design. Kretskortdesign, valg av analoge grensesnitt, kode og valg av tilleggssensorikk ble gjort fra bunnen av for denne oppgaven.

Prosjektgruppen startet med å konstruere det generelle konseptet for systemet, en prosess som innebar å kartlegge hvilke systemer som trengte overvåking og hvilke krav de stilte. Dette inkluderte både mekaniske og elektroniske sytemer. Felles krav for alle elektroniske systemer var at de måtte bruke Atmel SAMV71Q21 mikrokontolleren, og systemet måtte kommunisere via CAN-bus. Prosjektgruppen valgte en løsning med to separate kretskort for datainnsamling og signalbehandling. Dette for å håndtere det anslåtte antall sensorer og for å redusere lengden på analoge signalkabler.

Videre jobbing med design inkluderte kretssimulering og kretskortdesign. Sensorbehovene til flere tekniske systemer endret seg gjennom hele prosessen, noe som førte til at sensorvalg og design på analoge grensesnitt ikke ble bestemt før revisjon 2. Grunnet dette vil det være lite fokus på revisjon 1 i denne rapporten.

Komponentene til de ulike elektriske systemene ble bestilt svært sent, så det ble lite tid til testing av revisjon 2. Testene som har blitt foretatt hittil har vært lovende, da de fleste analoge grensesnittkretsene fungerte som forventet og store deler av koden kjører på mikrokontrolleren. Hver sensor er blitt testet enkeltvis, men det har ikke vært tid til å teste i kombinasjon med våre egne kretskort og kode. Ytterligere testing vil være nødvendig for å verifisere funksjonaliteten til det fulle systemet. Ettersom dette skyldes forsinkelser i hovedprosjektet så anses dette som en akseptabel mangel i denne rapporten. Prosjektgruppens medlemmer er også medlemmer i Shift Hyperloop og vil fortsette og jobbe for hovedprosjektet med sensorsystemet fram til European Hyperloop Week, som vil finne sted i Valencia i midten av juli

The purpose of this project is to design and implement full system monitoring on a prototype Hyperloop pod in collaboration with the student organization Shift Hyperloop. Due to halted progress because of the Covid-19 pandemic in the previous project year, such a system did not yet exist other than a crude revision 1 of a custom data acquisition circuit board. Not much testing had been done, and any gathered data and most documentation had been lost in a storage server crash. Individual members were therefore the primary source of information, so much work was needed to build a solid foundation for future improvements and iterations. Some sensor selection choices were kept because those sensors were acquired, but not used. In terms of printed circuit board (PCB) design, interface circuitry, and code, everything was designed from scratch for this thesis.

The project group began with constructing the overall concept for the system, an interdisciplinary process which meant discussing needs and requirements of other technical systems on the pod. A requirement for all electronic systems was that we had to use the Atmel SAMV71Q21 microcontroller unit (MCU) and the system had to communicate via CAN-bus. It was decided on a solution with two separate custom PCBs for data acquisition and signal processing to handle the expected number of sensors, and to reduce the length of signal cable routing.

Design progression continued with circuit simulations and PCB design. Measurement needs of the subsystems kept changing throughout the process, therefore specific sensor selections and interface circuitry were not ready until revision 2. Because of this, there will be less focus on revision 1 in this report.

There have been little time for testing of revision 2, as PCB components for all systems were ordered very late. Preliminary testing have shown promising results, as most interface circuits are working and most of the code will run on our customized MCU board. Each individual sensor have been tested for function and calibration, but there have not been time to test sensors in combination with custom PCBs and code. Further testing will be necessary to verify the functionality of the complete system, however, this is considered acceptable since the progress of the main project is in sync with this progress. With the project group members being a part of the Shift Hyperloop project as well, we will continue working on the system towards the European Hyperloop event in Valencia, Spain, this July.