FSC賽車發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢分析

梁紹臻 陽林 劉高輝 陳日東 陳德升

（廣東工業(yè)大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006）

主題詞：FSAE FSC 大學(xué)生賽車 發(fā)展現(xiàn)狀 趨勢分析

1 前言

FSAE自20世紀(jì)70年代末起，由國際汽車工程師學(xué)會（SAE International）開辦，已經(jīng)有40年的歷史。該賽事面向高校在讀學(xué)生團(tuán)隊，要求各支隊伍在一年時間內(nèi)，設(shè)計出高性能且穩(wěn)定的小型方程式賽車，同時留出足夠的空間讓學(xué)生團(tuán)隊進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計。此賽事不僅僅涉及方程式賽車的設(shè)計和制造，還要考慮營銷、設(shè)計、成本等靜態(tài)項目，因此需要不同學(xué)科的人才組建車隊并共同完成賽車的研發(fā)[1]。至今，F(xiàn)SAE已發(fā)展為風(fēng)靡全世界的年度學(xué)科競賽，在不同國家都有開展比賽，較著名的包括德國賽、美國賽、日本賽及中國賽。為了完成中國汽車強(qiáng)國的崛起，2010年中國汽車工程學(xué)會開辦第一屆中國大學(xué)生方程式汽車大賽FSC（Formula Student of China）比賽。創(chuàng)辦至今，已經(jīng)有9年歷史，參賽高校隊伍超過100多支，系列賽事不斷豐富，賽事包括了油車、電車和無人車。對于未曾參加國內(nèi)相關(guān)賽事的高校車隊來說，了解國內(nèi)現(xiàn)階段情況，將有利于車隊的組建和賽車的研發(fā)。對于傳統(tǒng)國內(nèi)車隊，為保證車隊實力穩(wěn)居全國前列，不僅要了解國外車隊情況，同時要提前做好未來規(guī)劃，并爭取在國外賽事取得好成績。下文將對比國內(nèi)外情況，分別介紹油車、電車和無人車的現(xiàn)階段賽事。之后，對FSC賽事未來趨勢進(jìn)行分析，有助于讀者正確認(rèn)識FSAE賽車。

2 方程式賽事現(xiàn)狀

2.1 燃油賽車發(fā)展現(xiàn)狀

FSC開辦之初，只設(shè)立了油車組FSC（Formula Stu?dent Combustion）的比賽，第一屆賽事吸引了中國二十所大學(xué)參加，隨著對汽車人才培養(yǎng)的不斷重視，國內(nèi)各大知名汽車企業(yè)紛紛贊助和支持高校車隊的建設(shè)賽事規(guī)模不斷壯大，參賽隊伍也越來越多。2019年是FSCC賽事的第十年，今年總共有66支車隊參與角逐（圖1）。同時，國內(nèi)車隊也積極參與國外賽事，豐富賽車研發(fā)經(jīng)驗。油車組的賽事測試項目基本維持賽事成立初的狀態(tài)，具體包括：賽車技術(shù)檢驗、成本分析、營銷報告、設(shè)計報告、單項性能測試、耐久測試、燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖1 2019年FSCC賽事

FSC傳統(tǒng)強(qiáng)隊包括了同濟(jì)大學(xué)，吉林大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，華南理工大學(xué)廣州學(xué)院等高校隊伍，各支車隊都在每年的賽事中展開了激烈的競爭。2018年吉林大學(xué)引入通風(fēng)盤式制動器和單缸機(jī)械增壓動力總成等其他新技術(shù)，奪得了該年FSC總成績第一名，同時該賽車憑借碳纖維復(fù)合車身的優(yōu)勢奪得了輕量化大獎第一名。18年FSC，第二、第三名分別是廣西科技大學(xué)和湖北汽車工業(yè)學(xué)院。18年吉林大學(xué)油車采用了新發(fā)動機(jī)，最大功率可達(dá)60 kW，在2 500～6 000 r/min的廣闊轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持82 N·m的有效轉(zhuǎn)矩輸出，全負(fù)荷最小有效燃油消耗率低于270 g/kW·h，總重量比上一代降低了20 kg以上，同時滿足了動力性和輕量化的需要。值得注意的是，比賽規(guī)則調(diào)整，發(fā)動機(jī)排量要被控制在710 cm3以下，這迫使國內(nèi)其他高校適時地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

國外的FSAE起步較早，1981年在美國德克薩斯大學(xué)舉行第一屆FSAE比賽，實際參賽隊伍僅4支。如今美國賽已發(fā)展為每年都有接近200支隊伍參與的大型FSAE比賽。在2007年，美國塞耶工程學(xué)院舉辦了第一屆混合動力方程式比賽Formula Hybrid，在油車賽事基礎(chǔ)上做出了些修改，同時對燃油效率提出更高的要求。另外，德國賽FSG（Formula Student Germa?ny）、日本賽都是國際上較著名FSAE油車賽事，賽事要求和裁判水平也是頗高的。

2.2 燃油賽車發(fā)展現(xiàn)狀

“油電分離”后，首屆中國大學(xué)生電動方程式汽車大賽FSEC（Formula Student Electric China）在2015年11月3-7日在上海F1賽道舉辦[2]。FSEC每年吸引了吉林大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等高校參加，并且2019年吸引了64所院校在線報名參加，最終確認(rèn)了56支電動車隊為2019FSEC“報名車隊”。相比較2018最終確認(rèn)了51支電動車隊為2018 FSEC“報名車隊”，增幅達(dá)到了10%。

2018年的珠海賽中，廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院、遼寧工業(yè)大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)分別獲得了FSEC的總成績前三名。鹿山學(xué)院是繼15年奪冠后的再次登頂，鹿山學(xué)院同時囊獲了輕量化大獎。FSG的電動方程式賽事起步比中國稍早，規(guī)則跟中國賽類似，但更完善，要求也更高。到2019年，F(xiàn)SG共計吸引了來自全球各地的39支大學(xué)生電動方程式FSE在線注冊車隊，其中包括德累斯頓工業(yè)大學(xué)、隆德大學(xué)、維戈大學(xué)等國際知名學(xué)校。近幾年越來越多有實力的中國高校車隊都有報名參加德國賽。

2.3 無人車國內(nèi)外狀況

隨著無人駕駛技術(shù)不斷受到汽車業(yè)界的關(guān)注，2017年，中國汽車工程學(xué)會創(chuàng)辦第一屆無人駕駛方程式汽車大賽 FSAC（Formula Student Autonomous Chi?na），首屆比賽有7支隊伍參加比賽，北京理工大學(xué)強(qiáng)勢獲得當(dāng)年的總冠軍。2018年，北京理工大學(xué)成功衛(wèi)冕FSAC總冠軍，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和遼寧工業(yè)大學(xué)分別奪得總成績的二、三名。第二屆的賽事共吸引了清華大學(xué)，北京理工大學(xué)等9支高校車隊參賽，車隊水平有了普遍提高。

根據(jù)規(guī)則，F(xiàn)SAC比賽可分為半自主循跡比賽和自主駕駛比賽兩類項目，無人賽車需要掌握識別錐桶，路徑?jīng)Q策和路徑規(guī)劃，以及軌跡跟蹤控制等關(guān)鍵技術(shù)，這也是各支高校車隊需要探索的地方[3]。北京理工大學(xué)是國內(nèi)無人賽車研發(fā)實力最強(qiáng)的車隊之一，連續(xù)兩年獲得了FSAC的總冠軍。據(jù)報道，19年北理工無人賽車采用了雙電機(jī)后輪驅(qū)動，中置復(fù)合材料鋪層電池箱，可調(diào)式傳感器布置，基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測的視覺獨立感知，基于幾何分布的長短期記憶網(wǎng)絡(luò)的雷達(dá)獨立感知，無級可調(diào)式線控制動[4]。另外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，吉林大學(xué)和遼寧工業(yè)大學(xué)等高校車隊，在學(xué)院師生和商家贊助的支持下，積極進(jìn)行無人駕駛方程式賽車的研發(fā)探索。還有不少有豐富FSEC參賽經(jīng)驗的高校車隊正進(jìn)行無人賽車的研究，有意在未來參加比賽。

德國也是第一批開辦無人駕駛方程式比賽的國家之一，2017年開辦第一屆比賽，比賽規(guī)模較中國賽的大，有部分是來自世界高校的參賽隊伍，其中包括了北京理工大學(xué)。該賽事共包括了4個動態(tài)和4個靜態(tài)的項目，要求賽車能夠完全的無人自主駕駛。fluela driverless表現(xiàn)突出，贏得了第一屆賽事的冠軍[5]。該屆比賽的參賽隊伍有不同的建立無人賽車的思路，有的偏向于動力學(xué)控制，有的更注重即時定位與地圖構(gòu)建(Simultaneous Localization And Mapping,SLAM)和狀態(tài)估計，不同無人賽車的構(gòu)建思路都值得我們參考和思量。

3 未來趨勢分析

FSAE賽車賽事的前景跟汽車業(yè)界、學(xué)術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展密切相關(guān)。汽車工業(yè)上來看，傳統(tǒng)的汽車企業(yè)已經(jīng)逐漸減少燃油車的研發(fā)投入，重點放在電動汽車，同時加大無人車的研發(fā)。學(xué)術(shù)領(lǐng)域的變化也類似，但不明顯，而且學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究一般具有超前性。下面將針對FSC，進(jìn)行未來趨勢分析。

隨著各國對碳排放的重視，燃油車的市場占有率將逐漸降低。同樣的，燃油車組的比賽也會有類似的趨勢。學(xué)生團(tuán)隊提高發(fā)動機(jī)的效率，提升油車動力性、經(jīng)濟(jì)性的能力有限，可發(fā)揮創(chuàng)意的空間不多，很容易就遇到設(shè)計瓶頸。因此，各高校逐漸減少參加油車比賽是可預(yù)見的。

電動賽車的比賽情況將與油車的截然相反，預(yù)計將有越來越多的高校加入電車賽事中。距離理想的電動汽車還有一定的距離，以德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院電工研究所為例，他們將永磁同步電機(jī)和凸極同步電機(jī)結(jié)合到一個新的混合設(shè)計中，設(shè)計并制造了直徑僅8 cm，長度僅12 cm，質(zhì)量4.1 kg，卻能產(chǎn)生30 kW的連續(xù)功率和50 kW峰值功率的電機(jī)，使車隊在2016年贏得了世界錦標(biāo)賽，但在電機(jī)、電池和電控等方面還有很多提升空間。國內(nèi)車隊需要加大電機(jī)和賽車穩(wěn)定性多下功夫，以保證電動賽車有良好的賽車駕駛性能。另外，隨著硬件性能的提升，電車賽事難度會增加，更注重考察賽車的電池續(xù)航、電控等能力。

無人賽車比賽項目是近兩年新興起的項目，未來在賽車要求、比賽項目等還有很多探索空間。無人賽車不可以簡單理解為電動賽車加上若干傳感設(shè)備和工業(yè)控制計算機(jī)，許多軟件框架需要車隊去搭建和完善，傳感器和其他硬件的融合也需要車隊深入探索。無人車的開發(fā)是在典型的汽車電子系統(tǒng)的開發(fā)（圖2）的基礎(chǔ)上形成的。德國無人賽車第一年的冠軍fluela driverless利用3D LiDAR和自主研發(fā)的慣性-視覺立體攝像系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境感知，通過速度傳感器、集成了IMU(Inertial Measurement Unit)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS共同完成狀態(tài)估計的任務(wù)，無人駕駛情況可以達(dá)到時速90 km/h和10 m/s2的加速度。國內(nèi)目前許多高校都在摩拳擦掌，研發(fā)其無人駕駛方程式賽車，未來中國FSAC的比賽將會出現(xiàn)群雄逐鹿的情況。

圖2 汽車電子系統(tǒng)開發(fā)流程

4 結(jié)束語

FSAE是汽車行業(yè)未來的風(fēng)向標(biāo)，是高校的學(xué)術(shù)交流平臺，更是創(chuàng)新人才的培育平臺。油車、電車及無人賽車都有其各自不同的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，作為經(jīng)歷著這一變化的當(dāng)事人，高校師生應(yīng)該根據(jù)自身情況做出選擇，為迎接未來中國成為汽車強(qiáng)國做好準(zhǔn)備。