FSAC賽車整車控制器硬件設計

廖興華　甘樺福

摘 要：本文針對FSAC（中國大學生無人駕駛方程式大賽）賽車在賽場等特定場景下比賽設計了一款整車控制器。旨在保障賽車能圓滿完成比賽任務。通過對控制需求分析設計了電源電路、輸入輸出接口、驅動芯片電路等，設計的整車控制器最后進行實車驗證。結果表明，所設計的控制器具有良好的穩定性，可靠性，滿足比賽要求。

關鍵詞：FSAC 無人車 整車控制器

Hardware Design of Vehicle Controller for FSAC Racing Car

Liao Xinghua Gan Huafu

Abstract：In this paper， a vehicle controller is designed for FSAC （Formular Student Autonomous China） racing car in the stadium and other specific scenes. To ensure that the car can successfully complete the task of the race. Through the analysis of the control requirements， the power supply circuit， input and output interface， drive chip circuit and so on， the design of the vehicle controller is finally verified in practice. The results show that the designed controller has good stability， reliability and meets the requirements of the competition.

Key words：FSAC; Driverless vehicles; Vehicle controller;

1 引言

在疫情期間，以無人車開展無人快遞、無人配送發揮了重要的作用。加上今年政府工作報告明確提出2030年實現碳達峰，2060年實現碳中和的具體時間要求[1]。無人車的研發越來越受到相關企業和研究機構的重視，無人車大多是在新能源汽車基礎上改造而來，對減少環境污染帶來積極促進作用。作為無人車中核心關鍵零部件的整車控制器的開發也成為關注的重點。

2 FSAC賽車架構

FSAC（中國大學生無人駕駛方程式大賽）由中國汽車工程學會從2017年開始舉辦，由于疫情影響至今舉辦了3屆。FSAC賽車是由各高校大學生自行設計、制造、開發完成需滿足大賽規則的賽車。[2]-[3]。目的是讓學生理論聯系實際，全方位鍛煉學生能力。

2.1 FSAC賽車系統組成

FSAC賽車包括感知系統、決策控制系統、底層控制系統三部分組成，如圖1所示。

感知系統包括攝像頭、激光雷達、GPS。感知系統和決策系統之間通過串口通信。決策系統與底層控制系統之間通過CAN總線通訊[3]。底層控制系統實現車輛線控轉向、線控驅動和線控制動。

2.2 FSAC賽車整車控制器設計

賽車整車控制器的硬件設計根據大賽規則和控制需求包括電源模塊設計、輸入輸出接口設計、驅動電路設計、CAN總線通訊設計等。設計的目標是能實現車輛的數據采集，對數據進行處理，輸出控制信號實現車輛線控驅動、線控制動和線控轉向[4]-[5]。最后能圓滿完成比賽任務。

根據《中國大學生方程式大賽規則》[2]，繪制了整車控制器硬件功能框圖，如圖2所示，主要包括無線模塊、駕駛模式選擇、上層控制器、AMI（無人駕駛系統任務指示器）、安全回路、報警指示燈、電機、傳感器、電池管理系統等[4]。底層車載傳感器包括位移傳感器、方向盤傳感器、車速傳感器等。傳感器信號通過CAN總線與整車控制器通訊。

無線模塊用于對車輛進行遙控控制，采用2.4GHZ通訊模塊。上層控制器是對激光雷達、攝像頭等進行控制，控制信號通過CAN總線反饋給整車控制器，整車控制器再控制車輛運動。轉向和制動的電機采用直流伺服電機，可以實現精準控制。轉向電機用于控制車輛轉向，制動電機用于推動制動主缸從而控制車輛減速。驅動電機控制車輛前進的速度。AMI（無人駕駛系統任務指示器）根據規則用于選擇賽車進行項目測試的狀態。安全回路用于當賽車出現規則規定的情況，如：故障、漏電等時斷開高壓電。設計的整車控制器如圖 3所示。

1 主芯片 2 遙控急停電路 3 電源電路 4 CAN總線電路 5 ADDA電路 6 啟動蜂鳴器電路 7 高邊驅動電路 8 可視性檢查電路

3 主芯片選擇

由于無人方程式賽車控制需求復雜，需要一款性能優良的芯片。因此采用意法半導體公司的高端芯片STM32F767型號，如圖4所示。它的硬件資源十分豐富，包括110個IO口，多路串口、2路CAN通信、自帶AD/DA轉換，完全可以滿足要求。[6]：

4 電源模塊

無人車上所需電源有12V，5V，3.3V。其中12V電壓用于報警指示燈、電源開關、制動電機等用電設備。5V電壓用于制動位移傳感器、轉向角度傳感器等供電。由于控制器的主控芯片采用意法半導體公司的STM32F7芯片，是3.3V供電。采用電壓轉換芯片LM2596把12V轉換成5V，電源設計采用常用LC濾波電路，2級管保護電路。用AMS1085-3.3V將5V轉換成單片機所需的3.3V電壓，外圍電路根據經驗采用一個100uF的極性電容儲能濾低頻波和三個瓷片電容來濾高頻波。如圖5所示。

5 I/O接口

I/O接口必須預留足夠，以便后期增減，根據大賽規則，整理的圖2中的控制器功能框圖可知，整車控制器的I/O接口包括，轉向的角度傳感器信號輸入和輸出轉向角度需要一個輸入和輸出即2個接口，制動位移傳感器信號輸入，輸出制動距離2個接口，油門傳感器輸入，輸出速度2個接口，傳感器的接地接口3個。安全回路輸入和輸出2個接口，AMI（無人駕駛系統任務指示器）包括直線加速測試、8字繞環測試、高速循跡追蹤測試、緊急制動系統測試、檢測5個接口。無人指示燈狀態控制需要3個接口，12V、5V、3.3V電源的接口每個留2個正負接口需要12個接口。兩路CAN通訊接口，駕駛模式選擇3個接口，共需要34個接口，設計時至少預留40個接口。

6 AD/DA模塊

油門信號、制動信號是通過油門傳感器、位移傳感器發送模擬量至整車控制器，然后控制器經過AD/DA轉換成模擬信號控制賽車加速和制動。AD轉換部分電路如圖6所示：

將12V電源的信號如指示燈轉換成單片機可接收的3.3V信號，然后經過單片機自帶ADC轉換成數字信號給控制器。最后控制器經過DAC輸出信號。DA轉換用DAC7512芯片，如圖7所示。

7 CAN通訊模塊

VCU應該至少設計兩路CAN通訊接口，CAN通訊接口可以實現VCU和MCU、BMS的通信。因為無人車相比純電動車多了環境感知的信號，控制功能復雜。

CAN芯片采用常用的TJA1050芯片，本控制器設置了兩路CAN，CAN1用于各種傳感器數據讀取和監測，CAN2用于車輛的運動控制，將轉向角度，制動距離、車速數據通過CAN通訊傳輸控制。

其電路原理圖如圖8所示。TJA1050 的RXD和TXD分別接芯片的PA11和 PA12引腳，CANH和CANL采用電感和電阻濾波，加上120歐終端電阻CAN總線就能正常工作了。賽車的轉向柱上安裝有轉角傳感器，傳感器采用CAN總線通訊方式，當發生轉向時就能檢測到轉動的角度信息發送給整車控制器[3]。

8 高邊驅動

所有需要VCU控制輸出12V電源的采用高邊驅動實現。比如指示燈等。高邊驅動芯片選擇BTS724G芯片，它有四個輸入和輸出端口，可以同時控制4路輸入輸出，每路輸出都設計了一個穩壓二極管保證輸出電壓穩定。如圖9所示。

9 其他電路

9.1 RES（遙控急停）電路

根據規則，無人車需要具備斷電觸發和遙控急停功能，即當車輛在無人駕駛狀態下，RES 發生意外斷電或者當遙控急停按鈕被按下時，車輛將自動觸發安全回路斷開高壓電。電路設計由一個繼電器、一個二極管和一個NPN型三極管組成。根據規則，RES必須串聯進安全回路才能當RES被觸發時斷開高壓電。電路中標號AQHLJ和AQHLC分別表示安全回路輸入和輸出引腳。電路的工作原理是當RES被按下或斷電時，RELEASE引腳輸出高電平，三極管導通，繼電器線圈通電，則原來的常閉觸點斷開即安全回路斷開，常開觸點閉合，從而實現斷開安全回路的目的，如圖10所示。

9.2 可視性檢查電路

根據規則，當無人車打開低壓開關時，IMD（絕緣檢測）和AMS（電池管理系統）指示燈必須亮1-3秒進行可視性檢查。電路設計采用一個固態繼電器G3VM21HR和兩個電阻實現，ZPA3接單片機引腳。電路工作原理是當低壓開關打開，程序控制單片機引腳ZPA3輸出高電平3秒給固態繼電器1號腳，5號腳輸出5V給可視性檢查供電。如圖11所示。

9.3 啟動蜂鳴器電路

根據規則，進入待行駛狀態后，蜂鳴器必須響1-3秒發出提醒。電路設計采用555定時器、光耦和固態繼電器完成。如圖12所示。工作原理是當12VSTART 引腳為高電平時，經過光耦，光耦的三極管導通，定時器2號引腳被拉低，當拉低到1/3電壓時，3號引腳輸出高電平給固態繼電器，繼電器輸出給蜂鳴器FMQ，從而實現蜂鳴器發出響聲，此時電容也開始充電，6號引腳電壓開始上升，當電容充電到2/3電壓時，6號引腳電壓上升到2/3電壓，3號引腳輸出低電平，蜂鳴器停止。蜂鳴器啟動的時間根據公式，電路中，，所以蜂鳴器啟動2.2S后停止。

10 實車驗證

對設計的整車控制器進行了實車驗證，驗證的場地選取和賽場相似的良好水泥路面，驗證賽車在低速情況下行駛S路徑的跟蹤效果。結果顯示所設計的控制器能快速準確地響應控制需求，賽車在低速下跟蹤良好，滿足設計要求。如13所示。

基金項目：2021年廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目（2021KY1400）。

參考文獻：

[1]人民日報評論員：確保如期實現碳達峰碳中和[EB/OL].? https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1714534731061107637&wfr=spider&for=pc

[2]中國汽車工程學會.2019中國大學生無人駕駛方程式大賽規則[EB/OL].2019.03. http：//www.formulastudent.com.cn/

[3]廖興華.基于MPC的FSAC賽車橫向控制策略研究[D].成都：西華大學汽車與交通學院，2020

[4]任佳偉.基于802.11p的智能車載終端研發[D].成都：西華大學汽車與交通學院，2019

[5]陳慧巖，熊光明，龔建偉，等. 無人駕駛汽車概論[M].北京：北京理工大學出版社，2014.

[6]正點原子. Stm32f767中文參考手冊[EB/OL].http：//www.openedv.com/