基于STM32的無人駕駛電動方程式賽車整車控制器設(shè)計

閆豐雨 楊善卿

摘 要：使用STM32芯片、通訊芯片和電子開關(guān)器件完成整車控制器硬件設(shè)計，然后使用Matlab/Simulink完成整車控制器硬基礎(chǔ)接口模塊進行設(shè)計，最后通過STM公司的stm32MX cube編譯軟件直接生成可以滿足控制器使用的應(yīng)用層代碼。而且該控制器配備了EBS模塊，用于滿足整個無人駕駛方程式賽車在執(zhí)行無人任務(wù)時，保證整車安全。

關(guān)鍵詞：無人駕駛;電動方程式;整車控制器

0 引言

整車控制器是整個純電動無人駕駛方程式賽車的核心控制部件，整車控制器主要功能為運行智能算法，通過CAN總線通訊、RS485通訊、RS232串口通訊以及普通IO口通訊對整車的執(zhí)行部件進行智能控制。EBS（緊急制動系統(tǒng)）則是通過監(jiān)測整車的通訊狀態(tài)、運行狀態(tài)以及硬件的工作狀態(tài)后對整車進行安全狀態(tài)判斷，做出主動處理，實現(xiàn)緊急制動，確保整車以及駕駛員的安全。整車控制器采用意法半導(dǎo)體的STM32F4系列的芯片STM32F405RGT6，內(nèi)核為ARM Cortex-M4。內(nèi)核處理速度高，車輛信息處理迅速。該芯片不僅內(nèi)核主頻高，而且還具有非常豐富的外設(shè)。例如有bxcan控制器，nvic中斷控制器，串口，DMA，SPI，IIC，GPIO等。針對控制器的要求會使用的功能主要集中在CAN通訊，串口通訊及DMA，GPIO等開關(guān)量控制。

1 硬件設(shè)計

1.1 通用I/O接口設(shè)計

豐富的輸入輸出接口增加了控制器的功能性。對整車的開關(guān)部件控制、傳感器數(shù)據(jù)的采集、開關(guān)量數(shù)據(jù)的采集以及對PWM信號控制的舵機進行精準(zhǔn)控制。

（1）輸入接口主要包括模擬量輸入與開關(guān)量輸入，主要為了采集外部開關(guān)信號與模擬量的大小，滿足整車控制信息采集與監(jiān)測。

（2）輸出接口主要為模擬量輸出、開關(guān)量輸出與PWM輸出方式，為滿足無人駕駛賽車的指示燈與開關(guān)控制，并且PWM信號可以滿足無人駕駛方程式賽車上的制動舵機控制。

1.2 通訊模塊設(shè)計

CAN通訊、485通訊和232通訊，多種通訊方式可以提高控制器的兼容性，方便匹配各種通訊方式的其他控制器來對整車進行控制。

1.3 緊急制動模塊設(shè)計

（1）邏輯處理單元。主要由兩個74系列或非門芯片對整車的供電狀態(tài)進行監(jiān)控，當(dāng)發(fā)生故障時，該芯片通過邏輯判斷出故障設(shè)備，并直接通過輸出電平變化來驅(qū)動繼電器控制電磁閥開關(guān)。直接觸發(fā)緊急制動機械系統(tǒng)實現(xiàn)停車。電路原理圖如圖3所示：

（2）狀態(tài)鎖存單元。該裝置不僅可以對故障進行判斷處理，而且還可以將故障狀態(tài)鎖存住，只有將整車關(guān)閉后，修復(fù)故障，才可以解除安全狀態(tài)。主要實現(xiàn)由三個雙路繼電器搭成的鎖存電路，如圖所示：

（3）自身供電保護單元。如果處于無人駕駛狀態(tài)期間，EBS自身供電出現(xiàn)故障，將無法監(jiān)測整車的安全狀態(tài)。所以這種危險我們一定要進行處理。因此在該裝置上添加了自身供電自檢，并通過電容放電的方式來給EBS提供足夠的能量實現(xiàn)整車斷電并執(zhí)行緊急停車。

（4）機械氣缸制動驅(qū)動單元。當(dāng)邏輯單元對故障判斷后，會輸出相應(yīng)的錯誤電平控制繼電器電平變化，驅(qū)動電磁閥觸發(fā)氣缸，實現(xiàn)緊急停車。

有人駕駛時，該裝置不參與緊急制動的控制，完全由人對整車的制動狀態(tài)進行控制。所以通過繼電器來將有人與無人駕駛狀態(tài)區(qū)分開，防止該裝置緊急停車后，對駕駛員的操縱性影響。

（5）EBS裝置的特性。實時性：該裝置從整車進入無人駕駛狀態(tài)，實時對整車的硬件電路、通訊狀態(tài)進行監(jiān)控?？焖傩裕簷C械部分采用高壓氣體帶動氣缸工作，硬件部分使用電磁閥控制開關(guān)。保證了該裝置的實時性。安全性：為防止硬件板自身供電故障，加入了自身安全檢查，當(dāng)自身故障時同時可以實現(xiàn)緊急停車，大大提高了該裝置的安全性。機械執(zhí)行機構(gòu)：緊急制動系統(tǒng)的機械部分，由高壓氣瓶提供制動的能量，氣缸作為執(zhí)行機構(gòu)，拉動制動踏板瞬間抱死四個車輪實現(xiàn)緊急制動。

1.4 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊主要是為了滿足我們無人駕駛賽車正常行駛過程中的數(shù)據(jù)記錄，方便整個車輛控制算法的驗證與調(diào)試。

本設(shè)計采用Nand Flash存儲器K9F1G08UOB芯片，我們使用FAT文件系統(tǒng)進行存儲數(shù)據(jù)。

存儲的數(shù)據(jù)在車輛運行結(jié)束后，使用USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上位機中，也可以將數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中，通過excel表格的形式存儲。然后我們直接從內(nèi)存中調(diào)取表格中的數(shù)據(jù)，在電腦中顯示。

2 軟件設(shè)計

基礎(chǔ)軟件接口模塊設(shè)計主要根據(jù)硬件要求，使用MATLAB/Simulink封裝成simulink基礎(chǔ)模塊并且安裝在simulink庫中，接口主要包括通用輸入輸出接口、串行通訊接口、CAN通訊接口。

我們使用STM32MX cube和Simulink聯(lián)合生成控制器標(biāo)準(zhǔn)代碼，首先我們在STM32MX cube軟件中將芯片的各個引腳功能定義完成，接下來配置時鐘模塊，根據(jù)系統(tǒng)工作要求我們選用72MHZ的最大時鐘頻率。整個功能配置完成之后我們使用simulink加載配置文件，然后使用simulink將各個引腳封裝成基礎(chǔ)模塊。最后直接通過存庫的方式將這些基礎(chǔ)模塊封裝成庫安裝在simulink中方便用戶使用。我們還為EBS、數(shù)據(jù)采集與USB通訊設(shè)計了幾個直接可以調(diào)用的基礎(chǔ)模塊，這樣方便后期使用，縮短開發(fā)周期。

3 結(jié)束語

（1）該控制器在滿足無人駕駛方程式賽車的整車控制功能以外，還將EBS功能與數(shù)據(jù)采集功能集成在一個控制器內(nèi)部，這樣設(shè)計節(jié)省了空間，提高了控制器性能。

（2）數(shù)據(jù)采集功能為調(diào)車工作提供了大量的數(shù)據(jù)支持，通過采集到的數(shù)據(jù)，我們可以快速定位算法的問題所在，并且解決它。

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作者簡介：閆豐雨（1995-），男，黑龍江克山人，研究生在讀，研究方向：純電動汽車控制與驅(qū)動控制。