FSAE賽車可調尾翼控制系統樣機開發

鄧召文,高　偉,吳　超,李　鵬,陳美兵

(湖北汽車工業學院 汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室，湖北 十堰　442002)

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FSAE賽車可調尾翼控制系統樣機開發

鄧召文,高偉,吳超,李鵬,陳美兵

(湖北汽車工業學院 汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室，湖北 十堰442002)

摘要:可調尾翼控制系統是一項提高賽車彎道操控性和直道極速能力的最新技術。文章在賽車尾翼基礎上基于比賽工況確定尾翼攻角組合,根據尾翼運動行程實現執行機構設計;基于嵌入式技術,實現可調尾翼控制系統的軟硬件開發,通過車載傳感器獲取不同工況下車速及制動狀態信息;通過控制器計算及邏輯判斷,驅動舵機工作,使執行機構帶動尾翼實現不同尾翼攻角,達到提升空氣動力學性能、實現尾翼智能可調的目的。通過系統樣機試驗測試表明,根據給定工況的信號變化,系統樣機能順利實現3種尾翼攻角組合變換。FSAE賽車可調尾翼控制系統樣機的開發具有一定的應用價值。

關鍵詞:可調尾翼系統;嵌入式開發;舵機;空氣動力學;彎道操控性

可調尾翼系統是針對現代汽車最新開發的一款提升車輛行駛穩定性的裝置之一,由于該裝置具有提升汽車彎道操控性和直道極速能力的優勢,所以可調尾翼系統最早應用在賽車設計上。目前,汽車用可調尾翼技術的發展和應用還處在初級階段,僅僅只有一些相對高級的超級跑車或賽車才裝備可調尾翼系統,以適應汽車不同的行駛路況,增加汽車行駛時的操縱穩定性和行駛安全性。國外部分FSAE方程式賽車隊已經開始嘗試應用這一技術來提升賽車性能,通過對賽車空氣動力學套件的主動控制,使賽車獲得最佳單圈速度,極大地提升了比賽成績,如德國GFR賽車隊、奧地利TU-G車隊、德國KIT車隊、澳大利亞的Monash車隊等。目前國內關于可調尾翼控制系統的研究較少,但北京理工大學FSAE車隊、華南理工大學FSAE車隊已開始相關技術嘗試。由于可調尾翼系統涉及機械、電子一體化提升的問題,導致該裝置的開發難度較大,其中控制器的開發更是制約著可調尾翼系統的發展[1]。目前應用的可調式尾翼控制形式可分為2種:① 主要依靠安裝在方向盤或者其他部位的開關控制,駕駛員根據路況和需要在不同時刻啟用或者關閉可調尾翼開關,以此來實現尾翼可調;② 依靠車載傳感器接收汽車行駛時的各種狀態數據,通過ECU進行數據分析判斷,電機驅動執行機構工作,最終通過變換尾翼不同的高度和角度來滿足汽車不同行駛工況的空氣動力需求。

本文在賽車尾翼的基礎上,基于比賽工況確定尾翼攻角組合,根據尾翼運動行程實現執行機構設計;基于嵌入式技術,實現可調尾翼控制系統軟硬件開發,通過車載傳感器獲取不同工況車速及制動狀態信息,通過控制器計算及邏輯判斷,驅動舵機工作,使執行機構帶動尾翼實現不同尾翼攻角,達到提升空氣動力學性能、實現尾翼智能可調的目的。通過樣機試驗測試,根據給定工況的信號變化,系統樣機能順利實現3種尾翼攻角組合變換。該FSAE賽車可調尾翼控制系統樣機工作穩定,效果較好,基本滿足樣機開發要求,具有一定的應用價值。

1尾翼攻角組合及執行機構設計

1.1尾翼攻角組合設計

本文設計的FSAE賽車尾翼為多翼片疊加形式,由主翼、第1襟翼和第2襟翼組成,如圖1所示,所設計的可變尾翼控制系統通過控制第1襟翼和第2襟翼的協調轉動,產生可變誘導氣流并使其加速遠離賽車尾部,實現賽車不同工況下理想的空氣動力學性能[1]。為了滿足賽車不同工況對下壓力的需求,根據不同工況設計相應的尾翼攻角組合。根據襄陽賽道賽車比賽工況車速范圍集中在40～70 km/h之間的特點,要求賽車既要有足夠的下壓力又要實現盡量小的阻力,必須保證賽車在這個速度區間整車升阻比最大;當賽車速度高于70 km/h時,一方面高速行駛的賽車需要有更大的下壓力使其能更穩定地行駛,另一方面賽道彎道較多,高速狀態過程較短,賽車隨時會制動減速,那么在此速度區間,需要空氣套件為賽車提供較大的下壓力和較大的阻力,這就要求空氣套件處在略微失速狀態;當賽車速度低于40 km/h時,空氣套件所起到的作用很小,需要盡量減小空氣套件的阻力,降低油耗。

圖1　尾翼模型

根據賽車實際行駛工況將可調尾翼攻角確定為3種不同組合狀態。通過CFD方法計算3種尾翼攻角組合下空氣動力學參數,見表1所列。其中在組合3工況下,尾翼受力最大,并將此工況受力條件作為舵機選型及執行機構校核的依據。

表1　3種尾翼攻角組合下空氣動力學參數

1.2執行機構設計

根據各翼片之間的相對位置和襟翼運動行程,需要設計2組四連桿機構來驅動整個裝置的運動。連桿機構設計的基本問題是根據給定的要求選定機構的形式,確定各構件的尺寸,同時還需要滿足結構條件、動力條件和運動連續條件等要求[2]。對于四連桿機構來說當其鉸鏈中心位置確定之后,各桿的長度也就確定了。用作圖法進行設計,即利用各鉸鏈之間的相對運動的幾何關系,通過作圖確定各鉸鏈的位置,從而確定各桿的長度。最終確定2組四連桿機構模型如圖2所示。第1組連接驅動部分與第1襟翼,其作用是將舵機產生的力矩傳遞給后面的翼片機構;第2組連接2片襟翼,其作用是保證2片襟翼協調運動,并保證第1襟翼和第2襟翼運動角度近似為1∶2的關系。

圖2　執行機構

為了減小機構尺寸,根據安裝位置空間要求,初步確定驅動搖臂EF長度為60 mm,為了避免出現死點等現象,其初始位置必須滿足EF垂直于水平方向。利用CATIA草圖對四連桿機構進行運動校核,確定四連桿機構各桿長度分別為:EF=60.0 mm,EB=157.9 mm,AB=60.0 mm,AC=162.5 mm,CD=52.0 mm。

2系統軟硬件設計

控制器是賽車可調尾翼控制系統的核心部件,它接收來自傳感器的各種信號,經過計算和邏輯判斷,決定執行機構的工作并控制外圍輔助設備的工作狀態。

賽車可調尾翼控制器的開發包括硬件和軟件2個部分,兩者的開發相互聯系同時又各有其獨立性[2]。結合控制器的硬件開發過程進行軟件開發,以滿足軟件能夠應用于特定硬件的目的[3]。賽車可調尾翼控制器需要實現車速計算、制動信號識別、控制舵機、舵機狀態檢測等功能。

2.1系統硬件設計

系統總電路原理圖如圖3所示。

圖3　系統電路總原理圖

系統采用模塊化設計,包括電源模塊、串口模塊、接口模塊、單片機模塊和信號采集模塊。

電源模塊采用12 V的車載供電電源,電源管理模塊需要對電池進行電壓調節,為各個模塊提供準確、可靠的工作電壓；主控制模塊、電壓檢測模塊以及車速傳感器模塊需要提供5 V電源,為了提高舵機可靠度，同時保證其能夠提供足夠的力矩,舵機選用6 V供電；電源模塊采用LM2575系列開關穩壓集成電路,電源模塊整體電源電路設計包括防反接電路、浪涌保護與輸入端濾波電路、電壓轉換芯片電路、輸出端濾波電路、電源狀態燈與保險電路等。串口模塊是計算機工業控制中常用的數字接口之一,傳感器采集模擬信號,對信號進行處理,通過串口模塊將處理后的信號發送到單片機；MAX232芯片是美信(MAXIM)公司專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片,使用+5 V單電源供電。接口模塊可以實現串口模塊數據信號電平轉換,完成不同信號不同速度的匹配,改變數據傳送的方式。單片機模塊通過采集到的數據及信號的轉化,由單片機來調節PWM的脈寬以控制舵機偏轉角度,實現尾翼執行機構的驅動。選用MC9S12X128系列,它由16位中央處理單元(CPU12X)、128 kB程序Flash(P-Flash)、8 kB RAM、8 kB數據Flash(D-Flash)組成片內存儲器；同時還包括2個串行外設接口(SPI)、2個異步串行通信接口(SCI)、16通道12位A/D轉化器(ADC)、1個8通道輸入捕捉/輸出比較(IC/OC)定時器模塊(TIM)和1個8通道脈沖寬度調制模塊(PWM)[4]。信號采集模塊通過傳感器采集輸入的車速信號以及制動信號,送到上位機分析處理,從而使單片機進行計算,輸出相應的控制方式。

2.2單片機程序設計

系統程序也采用模塊化設計,將每個功能模塊作為一個子程序,在應用系統中并不是每個功能模塊都調用,需要時才調用相應的模塊[5]。

系統主控制程序內容包括:

(1)系統初始化。對單片機底層初始化,初始化變量,初始化鎖相環、SCI、PWM、脈沖累加器等功能模塊。

(2)多次采集制動傳感器位置信號,填滿濾波緩存,為之后數據處理做準備。

(3)調用延時程序,等待系統穩定,開PIT中斷,使能PIT中斷,開始進行車速數據采集。

(4)采集車速信號,并進行數據處理,通過串口發送數據到外部顯示終端,以進行車速數據的實時監測。

(5)采集制動位置傳感器的信號,并進行濾波處理,以濾除雜波,得到可靠的制動位置信息。

(6)根據制動位置信息判斷是否已進行制動,在判斷出進行制動后,驅動電機到位置1(尾翼攻角組合3,尾翼攻角最大,產生最大下壓力和阻力,縮短賽車制動距離。

(7)在判斷沒有進行制動時,繼續再判斷車速是否在低速區(賽車速度低于40 km/h),判斷成功后,驅動電機到位置2(尾翼攻角組合1,尾翼攻角最小,產生最小下壓力,縮短加速距離)。

(8)在判斷沒有在低速區時,繼續再判斷車速是否在中速區(賽車速度為40～70 km/h),判斷成功后,驅動電機到位置3(尾翼攻角組合2,尾翼攻角中間位置,產生的下壓力和阻力適中,升阻比最大,適應賽車穩定行駛)；判斷失敗后,驅動電機到位置4(尾翼攻角組合3,尾翼攻角最大,產生最大下壓力和阻力,適應賽車高速行駛(賽車速度高于70 km/h))。

(9)調用延時,等待電機到位,再次采集車速和制動信息。

2.3PWM模塊

MC9S12X128內置的PWM模塊框圖如圖4所示。

它具有8路8位獨立PWM通道,通過相應設置可以變為4個16位PWM通道,每個PWM通道由獨立運行的8位通道計數器PWMCNT、2個比較寄存器等組成。通過對各寄存器的參數設置,確定PWM波形的輸出周期和占空比,還可以通過通道極性寄存器PWMPOL和居中對齊使能寄存器 PWMCAE設置PWM輸出脈沖波形的極性和對齊方式。

圖4　PWM模塊框圖

2.4PWM模塊對舵機的控制

根據國外FSAE車隊可調尾翼系統設計經驗,選用伺服舵機型號為Savox SA-1283SG,輸出扭矩為30 kg·cm,滿足尾翼最大受力工況扭矩要求。

舵機機械結構如圖5所示。

圖5　控制系統舵機機械結構

伺服電機的輸出轉角與輸入PWM控制信號的占空比關系如圖6所示。

PWM模塊對舵機的控制原理如下：

(1)PWM信號輸出作用到控制電路板上的信號調制芯片,獲得一個直流偏置電壓,在伺服電機的控制電路板上有一個內部基準電路,該電路可以產生一個周期為20 ms、寬度為15 ms的基準信號,獲得的直流偏置電壓與電位器的當前電壓進行比較,產生一個輸出電壓差。

(2)輸出電壓差的正值或負值輸入到控制電路板上確定小型直流電機的正轉或反轉,當小型直流電動機轉速一定時,通過級聯的變速齒輪組帶動可調電位器旋轉,最終使得輸出電壓差為0,此時小型直流電動機轉動到某一位置,并保持該位置停止轉動[6-8]。

圖6舵機輸出轉角與輸入PWM占空比的關系

3樣機試驗測試

樣機試驗測試過程如圖7所示。

圖7　工程樣機測試過程

通過函數發生器模擬賽車各種車速信號、線性滑動變阻器模擬制動信號,以選取典型車速和制動狀態信號作為輸入量,送入控制器進行分析計算,控制舵機運動,通過執行機構驅動尾翼樣機轉動,通過示波器監測PWM的占空比,調整舵機轉角輸出,試驗測試結果見表2所列。

通過樣機試驗測試,系統軟硬件工作穩定,根據給定工況信號變化,系統能順利進行3種尾翼攻角組合變換,其效果較好,基本滿足開發目標要求,系統樣機3種尾翼攻角變換如圖8所示。

表2　樣機試驗測試結果

圖8　工程樣機3種尾翼攻角組合變換

4結論

本文在賽車尾翼基礎上,基于比賽工況確定了尾翼攻角組合,根據尾翼運動行程完成了執行機構設計；基于嵌入式技術,實現了可調尾翼控制系統的軟硬件開發,設計了電源模塊、串口模塊、接口模塊、單片機模塊和信號采集模塊,編寫了單片機控制程序；通過尾翼工程樣機試驗測試,根據給定工況信號變化,系統能順利進行3種尾翼攻角組合變換,系統樣機軟硬件工作穩定,效果較好,基本滿足開發目標要求；系統只實現了開環控制,后期仍需要進一步改進測試,引入更多車輛狀態信息,實現閉環控制,以滿足精確控制要求。

[參考文獻]

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(責任編輯胡亞敏)

Development of drag reduction control system prototype for FSAE racing car

DENG Zhao-wen,GAO Wei,WU Chao,LI Peng,CHEN Mei-bing

(Hubei Key Laboratory of Automotive Power Train and Electronic Control，Hubei University of Automotive Technology，Shiyan 442002，China)

Abstract:Drag reduction control system is a modern technology to improve the car corners handling and straight speed ability up to the minute.Based on the rear tail，the combination of tail’s attack angle was determined based on the conditions of the competition，and the executing agency was designed according to the sports travel of rear tail.The hardware and software of the drag reduction control system were developed based on the embedded technology，and the messages of different working speed and braking state were gained by sensor.Through the calculation and logic judgment by controller，the steering engine was driven，and different wings’attack angles were executed by the executing agency，so as to improve the aerodynamic performance and achieve the intelligent drag reduction control.The results of the prototype test show that the system prototype can successfully achieve the combination transformation of three wings’attack angles according to the signal changes of given condition.The development of drag reduction control system for FSAE racing car has better application value.

Key words:drag reduction system;embedded development;steering engine;aerodynamics;corner handling

收稿日期：2015-08-08；修回日期：2015-10-23

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51375151);湖北省自然科學基金重點資助項目(2013CFA134);湖北省重點實驗室資助項目(ZDK1201504)和東風公司橫向課題資助項目(2013003)

作者簡介：鄧召文(1979-),男,山東安丘人,湖北汽車工業學院講師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.04.003

中圖分類號:U469.696;U471.23

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)04-0445-06