FSAC 賽車整車控制器硬件設(shè)計(jì)

廖興華 甘樺福

柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西柳州市 545000

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(bào)告明確提出2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和的具體時(shí)間要求。無人車的研發(fā)越來越受到相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)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(duì)減少環(huán)境污染帶來積極促進(jìn)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(diǎn)。

2 FSAC 賽車架構(gòu)

FSAC（中國大學(xué)生無人駕駛方程式大賽）由中國汽車工程學(xué)會(huì)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(xué)生自行設(shè)計(jì)、制造、開發(fā)完成需滿足大賽規(guī)則的賽車。。目的是讓學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，全方位鍛煉學(xué)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。

圖1 FSAC 賽車系統(tǒng)組成

感知系統(tǒng)包括攝像頭、激光雷達(dá)、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。底層控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛線控轉(zhuǎn)向、線控驅(qū)動(dòng)和線控制動(dòng)。

2.2 FSAC 賽車整車控制器設(shè)計(jì)

賽車整車控制器的硬件設(shè)計(jì)根據(jù)大賽規(guī)則和控制需求包括電源模塊設(shè)計(jì)、輸入輸出接口設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、CAN 總線通訊設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是能實(shí)現(xiàn)車輛的數(shù)據(jù)采集，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，輸出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)車輛線控驅(qū)動(dòng)、線控制動(dòng)和線控轉(zhuǎn)向。最后能圓滿完成比賽任務(wù)。

根據(jù)《中國大學(xué)生方程式大賽規(guī)則》，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(bào)警指示燈、電機(jī)、傳感器、電池管理系統(tǒng)等。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(hào)通過CAN 總線與整車控制器通訊。

圖2 整車控制器硬件功能框圖

無線模塊用于對(duì)車輛進(jìn)行遙控控制，采用2.4GHZ 通訊模塊。上層控制器是對(duì)激光雷達(dá)、攝像頭等進(jìn)行控制，控制信號(hào)通過CAN 總線反饋給整車控制器，整車控制器再控制車輛運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向和制動(dòng)的電機(jī)采用直流伺服電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。轉(zhuǎn)向電機(jī)用于控制車輛轉(zhuǎn)向，制動(dòng)電機(jī)用于推動(dòng)制動(dòng)主缸從而控制車輛減速。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制車輛前進(jìn)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(jìn)行項(xiàng)目測試的狀態(tài)。安全回路用于當(dāng)賽車出現(xiàn)規(guī)則規(guī)定的情況，如：故障、漏電等時(shí)斷開高壓電。設(shè)計(jì)的整車控制器如圖3 所示。

圖3 整車控制器

3 主芯片選擇

由于無人方程式賽車控制需求復(fù)雜，需要一款性能優(yōu)良的芯片。因此采用意法半導(dǎo)體公司的高端芯片STM32F767 型號(hào)，如圖4 所示。它的硬件資源十分豐富，包括110 個(gè)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。：

圖4 核心板結(jié)構(gòu)

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(bào)警指示燈、電源開關(guān)、制動(dòng)電機(jī)等用電設(shè)備。5V 電壓用于制動(dòng)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(dǎo)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(jì)采用常用LC 濾波電路，2 級(jí)管保護(hù)電路。用AMS1085-3.3V 將5V 轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所需的3.3V 電壓，外圍電路根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用一個(gè)100uF 的極性電容儲(chǔ)能濾低頻波和三個(gè)瓷片電容來濾高頻波。如圖5 所示。

圖5 電源模塊原理圖

5 I/O 接口

I/O 接口必須預(yù)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(hào)輸入和輸出轉(zhuǎn)向角度需要一個(gè)輸入和輸出即2 個(gè)接口，制動(dòng)位移傳感器信號(hào)輸入，輸出制動(dòng)距離2個(gè)接口，油門傳感器輸入，輸出速度2 個(gè)接口，傳感器的接地接口3 個(gè)。安全回路輸入和輸出2 個(gè)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(dòng)系統(tǒng)測試、檢測5 個(gè)接口。無人指示燈狀態(tài)控制需要3 個(gè)接口，12V、5V、3.3V 電源的接口每個(gè)留2 個(gè)正負(fù)接口需要12 個(gè)接口。兩路CAN 通訊接口，駕駛模式選擇3 個(gè)接口，共需要34 個(gè)接口,設(shè)計(jì)時(shí)至少預(yù)留40個(gè)接口。

6 AD/DA 模塊

油門信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)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(hào)控制賽車加速和制動(dòng)。AD 轉(zhuǎn)換部分電路如圖6 所示：

圖6 AD/DA 部分原理圖

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

圖7 DA 轉(zhuǎn)換芯片原理圖

7 CAN 通訊模塊

VCU 應(yīng)該至少設(shè)計(jì)兩路CAN 通訊接口，CAN 通訊接口可以實(shí)現(xiàn)VCU 和MCU、BMS 的通信。因?yàn)闊o人車相比純電動(dòng)車多了環(huán)境感知的信號(hào)，控制功能復(fù)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(yùn)動(dòng)控制，將轉(zhuǎn)向角度，制動(dòng)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(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí)就能檢測到轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信息發(fā)送給整車控制器。

圖8 CAN 外圍電路

8 高邊驅(qū)動(dòng)

所有需要VCU 控制輸出12V 電源的采用高邊驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。比如指示燈等。高邊驅(qū)動(dòng)芯片選擇BTS724G 芯片，它有四個(gè)輸入和輸出端口，可以同時(shí)控制4 路輸入輸出，每路輸出都設(shè)計(jì)了一個(gè)穩(wěn)壓二極管保證輸出電壓穩(wěn)定。如圖9 所示。

圖9 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

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(dāng)車輛在無人駕駛狀態(tài)下，RES 發(fā)生意外斷電或者當(dāng)遙控急停按鈕被按下時(shí)，車輛將自動(dòng)觸發(fā)安全回路斷開高壓電。電路設(shè)計(jì)由一個(gè)繼電器、一個(gè)二極管和一個(gè)NPN 型三極管組成。根據(jù)規(guī)則，RES 必須串聯(lián)進(jìn)安全回路才能當(dāng)RES被觸發(fā)時(shí)斷開高壓電。電路中標(biāo)號(hào)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(dāng)RES 被按下或斷電時(shí)，RELEASE 引腳輸出高電平，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈通電，則原來的常閉觸點(diǎn)斷開即安全回路斷開，常開觸點(diǎn)閉合，從而實(shí)現(xiàn)斷開安全回路的目的，如圖10 所示。

圖10 遙控急停電路

9.2 可視性檢查電路

根據(jù)規(guī)則，當(dāng)無人車打開低壓開關(guān)時(shí)，IMD（絕緣檢測）和AMS（電池管理系統(tǒng)）指示燈必須亮1-3 秒進(jìn)行可視性檢查。電路設(shè)計(jì)采用一個(gè)固態(tài)繼電器G3VM21HR和兩個(gè)電阻實(shí)現(xiàn),ZPA3 接單片機(jī)引腳。電路工作原理是當(dāng)?shù)蛪洪_關(guān)打開，程序控制單片機(jī)引腳ZPA3 輸出高電平3 秒給固態(tài)繼電器1 號(hào)腳，5 號(hào)腳輸出5V 給可視性檢查供電。如圖11 所示。

圖11 可視性檢查電路

9.3 啟動(dòng)蜂鳴器電路

圖12 啟動(dòng)蜂鳴器電路

10 實(shí)車驗(yàn)證

對(duì)設(shè)計(jì)的整車控制器進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證，驗(yàn)證的場地選取和賽場相似的良好水泥路面，驗(yàn)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(jì)的控制器能快速準(zhǔn)確地響應(yīng)控制需求，賽車在低速下跟蹤良好，滿足設(shè)計(jì)要求。如13 所示。

圖13 實(shí)車驗(yàn)證