FSAC賽車整車控制器硬件設(shè)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(shè)計了一款整車控制器。旨在保障賽車能圓滿完成比賽任務(wù)。通過對控制需求分析設(shè)計了電源電路、輸入輸出接口、驅(qū)動芯片電路等，設(shè)計的整車控制器最后進行實車驗證。結(jié)果表明，所設(shè)計的控制器具有良好的穩(wěn)定性，可靠性，滿足比賽要求。

關(guān)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(fā)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(xiàn)碳達峰，2060年實現(xiàn)碳中和的具體時間要求[1]。無人車的研發(fā)越來越受到相關(guān)企業(yè)和研究機構(gòu)的重視，無人車大多是在新能源汽車基礎(chǔ)上改造而來，對減少環(huán)境污染帶來積極促進作用。作為無人車中核心關(guān)鍵零部件的整車控制器的開發(fā)也成為關(guān)注的重點。

2 FSAC賽車架構(gòu)

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(shè)計、制造、開發(fā)完成需滿足大賽規(guī)則的賽車。[2]-[3]。目的是讓學生理論聯(lián)系實際，全方位鍛煉學生能力。

2.1 FSAC賽車系統(tǒng)組成

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

感知系統(tǒng)包括攝像頭、激光雷達、GPS。感知系統(tǒng)和決策系統(tǒng)之間通過串口通信。決策系統(tǒng)與底層控制系統(tǒng)之間通過CAN總線通訊[3]。底層控制系統(tǒng)實現(xiàn)車輛線控轉(zhuǎn)向、線控驅(qū)動和線控制動。

2.2 FSAC賽車整車控制器設(shè)計

賽車整車控制器的硬件設(shè)計根據(jù)大賽規(guī)則和控制需求包括電源模塊設(shè)計、輸入輸出接口設(shè)計、驅(qū)動電路設(shè)計、CAN總線通訊設(shè)計等。設(shè)計的目標是能實現(xiàn)車輛的數(shù)據(jù)采集，對數(shù)據(jù)進行處理，輸出控制信號實現(xiàn)車輛線控驅(qū)動、線控制動和線控轉(zhuǎn)向[4]-[5]。最后能圓滿完成比賽任務(wù)。

根據(jù)《中國大學生方程式大賽規(guī)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(tǒng)任務(wù)指示器）、安全回路、報警指示燈、電機、傳感器、電池管理系統(tǒng)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(zhuǎn)向和制動的電機采用直流伺服電機，可以實現(xiàn)精準控制。轉(zhuǎn)向電機用于控制車輛轉(zhuǎn)向，制動電機用于推動制動主缸從而控制車輛減速。驅(qū)動電機控制車輛前進的速度。AMI（無人駕駛系統(tǒng)任務(wù)指示器）根據(jù)規(guī)則用于選擇賽車進行項目測試的狀態(tài)。安全回路用于當賽車出現(xiàn)規(guī)則規(guī)定的情況，如：故障、漏電等時斷開高壓電。設(shè)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(qū)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(yōu)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(zhuǎn)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(guān)、制動電機等用電設(shè)備。5V電壓用于制動位移傳感器、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換芯片LM2596把12V轉(zhuǎn)換成5V，電源設(shè)計采用常用LC濾波電路，2級管保護電路。用AMS1085-3.3V將5V轉(zhuǎn)換成單片機所需的3.3V電壓，外圍電路根據(jù)經(jīng)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(jù)大賽規(guī)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(zhuǎn)向的角度傳感器信號輸入和輸出轉(zhuǎn)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(tǒng)任務(wù)指示器）包括直線加速測試、8字繞環(huán)測試、高速循跡追蹤測試、緊急制動系統(tǒng)測試、檢測5個接口。無人指示燈狀態(tài)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(shè)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(fā)送模擬量至整車控制器，然后控制器經(jīng)過AD/DA轉(zhuǎn)換成模擬信號控制賽車加速和制動。AD轉(zhuǎn)換部分電路如圖6所示：

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

7 CAN通訊模塊

VCU應(yīng)該至少設(shè)計兩路CAN通訊接口，CAN通訊接口可以實現(xiàn)VCU和MCU、BMS的通信。因為無人車相比純電動車多了環(huán)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(shè)置了兩路CAN，CAN1用于各種傳感器數(shù)據(jù)讀取和監(jiān)測，CAN2用于車輛的運動控制，將轉(zhuǎn)向角度，制動距離、車速數(shù)據(jù)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(zhuǎn)向柱上安裝有轉(zhuǎn)角傳感器，傳感器采用CAN總線通訊方式，當發(fā)生轉(zhuǎn)向時就能檢測到轉(zhuǎn)動的角度信息發(fā)送給整車控制器[3]。

8 高邊驅(qū)動

所有需要VCU控制輸出12V電源的采用高邊驅(qū)動實現(xiàn)。比如指示燈等。高邊驅(qū)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(shè)計了一個穩(wěn)壓二極管保證輸出電壓穩(wěn)定。如圖9所示。

9 其他電路

9.1 RES（遙控急停）電路

根據(jù)規(guī)則，無人車需要具備斷電觸發(fā)和遙控急停功能，即當車輛在無人駕駛狀態(tài)下，RES 發(fā)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(fā)安全回路斷開高壓電。電路設(shè)計由一個繼電器、一個二極管和一個NPN型三極管組成。根據(jù)規(guī)則，RES必須串聯(lián)進安全回路才能當RES被觸發(fā)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(xiàn)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(jù)規(guī)則，當無人車打開低壓開關(guān)時，IMD（絕緣檢測）和AMS（電池管理系統(tǒng)）指示燈必須亮1-3秒進行可視性檢查。電路設(shè)計采用一個固態(tài)繼電器G3VM21HR和兩個電阻實現(xiàn)，ZPA3接單片機引腳。電路工作原理是當?shù)蛪洪_關(guān)打開，程序控制單片機引腳ZPA3輸出高電平3秒給固態(tài)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(jù)規(guī)則，進入待行駛狀態(tài)后，蜂鳴器必須響1-3秒發(fā)出提醒。電路設(shè)計采用555定時器、光耦和固態(tài)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(jīng)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(tài)繼電器，繼電器輸出給蜂鳴器FMQ，從而實現(xiàn)蜂鳴器發(fā)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(jù)公式，電路中，，所以蜂鳴器啟動2.2S后停止。

10 實車驗證

對設(shè)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(jié)果顯示所設(shè)計的控制器能快速準確地響應(yīng)控制需求，賽車在低速下跟蹤良好，滿足設(shè)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(chǔ)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(xiàn)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(guī)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(fā)[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/