FSAC賽車(chē)整車(chē)控制器硬件設(shè)計(jì)

廖興華　甘樺福

摘 要：本文針對(duì)FSAC（中國(guó)大學(xué)生無(wú)人駕駛方程式大賽）賽車(chē)在賽場(chǎng)等特定場(chǎng)景下比賽設(shè)計(jì)了一款整車(chē)控制器。旨在保障賽車(chē)能圓滿(mǎn)完成比賽任務(wù)。通過(guò)對(duì)控制需求分析設(shè)計(jì)了電源電路、輸入輸出接口、驅(qū)動(dòng)芯片電路等，設(shè)計(jì)的整車(chē)控制器最后進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制器具有良好的穩(wěn)定性，可靠性，滿(mǎn)足比賽要求。

關(guān)鍵詞：FSAC 無(wú)人車(chē) 整車(chē)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(wú)人車(chē)開(kāi)展無(wú)人快遞、無(wú)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[1]。無(wú)人車(chē)的研發(fā)越來(lái)越受到相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的重視，無(wú)人車(chē)大多是在新能源汽車(chē)基礎(chǔ)上改造而來(lái)，對(duì)減少環(huán)境污染帶來(lái)積極促進(jìn)作用。作為無(wú)人車(chē)中核心關(guān)鍵零部件的整車(chē)控制器的開(kāi)發(fā)也成為關(guān)注的重點(diǎn)。

2 FSAC賽車(chē)架構(gòu)

FSAC（中國(guó)大學(xué)生無(wú)人駕駛方程式大賽）由中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)從2017年開(kāi)始舉辦，由于疫情影響至今舉辦了3屆。FSAC賽車(chē)是由各高校大學(xué)生自行設(shè)計(jì)、制造、開(kāi)發(fā)完成需滿(mǎn)足大賽規(guī)則的賽車(chē)。[2]-[3]。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(chē)系統(tǒng)組成

FSAC賽車(chē)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(dá)、GPS。感知系統(tǒng)和決策系統(tǒng)之間通過(guò)串口通信。決策系統(tǒng)與底層控制系統(tǒng)之間通過(guò)CAN總線(xiàn)通訊[3]。底層控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛線(xiàn)控轉(zhuǎn)向、線(xiàn)控驅(qū)動(dòng)和線(xiàn)控制動(dòng)。

2.2 FSAC賽車(chē)整車(chē)控制器設(shè)計(jì)

賽車(chē)整車(chē)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(xiàn)通訊設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是能實(shí)現(xiàn)車(chē)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(chē)輛線(xiàn)控驅(qū)動(dòng)、線(xiàn)控制動(dòng)和線(xiàn)控轉(zhuǎn)向[4]-[5]。最后能圓滿(mǎn)完成比賽任務(wù)。

根據(jù)《中國(guó)大學(xué)生方程式大賽規(guī)則》[2]，繪制了整車(chē)控制器硬件功能框圖，如圖2所示，主要包括無(wú)線(xiàn)模塊、駕駛模式選擇、上層控制器、AMI（無(wú)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[4]。底層車(chē)載傳感器包括位移傳感器、方向盤(pán)傳感器、車(chē)速傳感器等。傳感器信號(hào)通過(guò)CAN總線(xiàn)與整車(chē)控制器通訊。

無(wú)線(xiàn)模塊用于對(duì)車(chē)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(guò)CAN總線(xiàn)反饋給整車(chē)控制器，整車(chē)控制器再控制車(chē)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(chē)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(chē)輛減速。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制車(chē)輛前進(jìn)的速度。AMI（無(wú)人駕駛系統(tǒng)任務(wù)指示器）根據(jù)規(guī)則用于選擇賽車(chē)進(jìn)行項(xiàng)目測(cè)試的狀態(tài)。安全回路用于當(dāng)賽車(chē)出現(xiàn)規(guī)則規(guī)定的情況，如：故障、漏電等時(shí)斷開(kāi)高壓電。設(shè)計(jì)的整車(chē)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(xiàn)電路 5 ADDA電路 6 啟動(dòng)蜂鳴器電路 7 高邊驅(qū)動(dòng)電路 8 可視性檢查電路

3 主芯片選擇

由于無(wú)人方程式賽車(chē)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(mǎn)足要求。[6]：

4 電源模塊

無(wú)人車(chē)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(kāi)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(lái)濾高頻波。如圖5所示。

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(chē)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(mén)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(wú)人駕駛系統(tǒng)任務(wù)指示器）包括直線(xiàn)加速測(cè)試、8字繞環(huán)測(cè)試、高速循跡追蹤測(cè)試、緊急制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試、檢測(cè)5個(gè)接口。無(wú)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(mén)信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)是通過(guò)油門(mén)傳感器、位移傳感器發(fā)送模擬量至整車(chē)控制器，然后控制器經(jīng)過(guò)AD/DA轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)控制賽車(chē)加速和制動(dòng)。AD轉(zhuǎn)換部分電路如圖6所示：

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(guò)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(guò)DAC輸出信號(hào)。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(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(wú)人車(chē)相比純電動(dòng)車(chē)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(cè)，CAN2用于車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)控制，將轉(zhuǎn)向角度，制動(dòng)距離、車(chē)速數(shù)據(jù)通過(guò)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(xiàn)就能正常工作了。賽車(chē)的轉(zhuǎn)向柱上安裝有轉(zhuǎn)角傳感器，傳感器采用CAN總線(xiàn)通訊方式，當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí)就能檢測(cè)到轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信息發(fā)送給整車(chē)控制器[3]。

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。

9 其他電路

9.1 RES（遙控急停）電路

根據(jù)規(guī)則，無(wú)人車(chē)需要具備斷電觸發(fā)和遙控急停功能，即當(dāng)車(chē)輛在無(wú)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(chē)輛將自動(dòng)觸發(fā)安全回路斷開(kāi)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(kāi)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(xiàn)圈通電，則原來(lái)的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)即安全回路斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，從而實(shí)現(xiàn)斷開(kāi)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(dāng)無(wú)人車(chē)打開(kāi)低壓開(kāi)關(guān)時(shí)，IMD（絕緣檢測(cè)）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_(kāi)關(guān)打開(kāi)，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。

9.3 啟動(dòng)蜂鳴器電路

根據(jù)規(guī)則，進(jìn)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(jì)采用555定時(shí)器、光耦和固態(tài)繼電器完成。如圖12所示。工作原理是當(dāng)12VSTART 引腳為高電平時(shí)，經(jīng)過(guò)光耦，光耦的三極管導(dǎo)通，定時(shí)器2號(hào)引腳被拉低，當(dāng)拉低到1/3電壓時(shí)，3號(hào)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(shí)現(xiàn)蜂鳴器發(fā)出響聲，此時(shí)電容也開(kāi)始充電，6號(hào)引腳電壓開(kāi)始上升，當(dāng)電容充電到2/3電壓時(shí)，6號(hào)引腳電壓上升到2/3電壓，3號(hào)引腳輸出低電平，蜂鳴器停止。蜂鳴器啟動(dòng)的時(shí)間根據(jù)公式，電路中，，所以蜂鳴器啟動(dòng)2.2S后停止。

10 實(shí)車(chē)驗(yàn)證

對(duì)設(shè)計(jì)的整車(chē)控制器進(jìn)行了實(shí)車(chē)驗(yàn)證，驗(yàn)證的場(chǎng)地選取和賽場(chǎng)相似的良好水泥路面，驗(yàn)證賽車(chē)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(chē)在低速下跟蹤良好，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。如13所示。

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

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