梁紹臻 陽(yáng)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(shì)分析

1 前言

FSAE自20世紀(jì)70年代末起，由國(guó)際汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE International）開(kāi)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(duì)，要求各支隊(duì)伍在一年時(shí)間內(nèi)，設(shè)計(jì)出高性能且穩(wěn)定的小型方程式賽車，同時(shí)留出足夠的空間讓學(xué)生團(tuán)隊(duì)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。此賽事不僅僅涉及方程式賽車的設(shè)計(jì)和制造，還要考慮營(yíng)銷、設(shè)計(jì)、成本等靜態(tài)項(xiàng)目，因此需要不同學(xué)科的人才組建車隊(duì)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(jìng)賽，在不同國(guó)家都有開(kāi)展比賽，較著名的包括德國(guó)賽、美國(guó)賽、日本賽及中國(guó)賽。為了完成中國(guó)汽車強(qiáng)國(guó)的崛起，2010年中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)開(kāi)辦第一屆中國(guó)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(duì)伍超過(guò)100多支，系列賽事不斷豐富，賽事包括了油車、電車和無(wú)人車。對(duì)于未曾參加國(guó)內(nèi)相關(guān)賽事的高校車隊(duì)來(lái)說(shuō)，了解國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段情況，將有利于車隊(duì)的組建和賽車的研發(fā)。對(duì)于傳統(tǒng)國(guó)內(nèi)車隊(duì)，為保證車隊(duì)實(shí)力穩(wěn)居全國(guó)前列，不僅要了解國(guó)外車隊(duì)情況，同時(shí)要提前做好未來(lái)規(guī)劃，并爭(zhēng)取在國(guó)外賽事取得好成績(jī)。下文將對(duì)比國(guó)內(nèi)外情況，分別介紹油車、電車和無(wú)人車的現(xiàn)階段賽事。之后，對(duì)FSC賽事未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行分析，有助于讀者正確認(rèn)識(shí)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(kāi)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(guó)二十所大學(xué)參加，隨著對(duì)汽車人才培養(yǎng)的不斷重視，國(guó)內(nèi)各大知名汽車企業(yè)紛紛贊助和支持高校車隊(duì)的建設(shè)賽事規(guī)模不斷壯大，參賽隊(duì)伍也越來(lái)越多。2019年是FSCC賽事的第十年，今年總共有66支車隊(duì)參與角逐（圖1）。同時(shí)，國(guó)內(nèi)車隊(duì)也積極參與國(guó)外賽事，豐富賽車研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。油車組的賽事測(cè)試項(xiàng)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(yàn)、成本分析、營(yíng)銷報(bào)告、設(shè)計(jì)報(bào)告、單項(xiàng)性能測(cè)試、耐久測(cè)試、燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖1 2019年FSCC賽事

FSC傳統(tǒng)強(qiáng)隊(duì)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(duì)伍，各支車隊(duì)都在每年的賽事中展開(kāi)了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。2018年吉林大學(xué)引入通風(fēng)盤式制動(dòng)器和單缸機(jī)械增壓動(dòng)力總成等其他新技術(shù)，奪得了該年FSC總成績(jī)第一名，同時(shí)該賽車憑借碳纖維復(fù)合車身的優(yōu)勢(shì)奪得了輕量化大獎(jiǎng)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(dòng)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(shí)滿足了動(dòng)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(dòng)機(jī)排量要被控制在710 cm3以下，這迫使國(guó)內(nèi)其他高校適時(shí)地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

國(guó)外的FSAE起步較早，1981年在美國(guó)德克薩斯大學(xué)舉行第一屆FSAE比賽，實(shí)際參賽隊(duì)伍僅4支。如今美國(guó)賽已發(fā)展為每年都有接近200支隊(duì)伍參與的大型FSAE比賽。在2007年，美國(guó)塞耶工程學(xué)院舉辦了第一屆混合動(dòng)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(shí)對(duì)燃油效率提出更高的要求。另外，德國(guó)賽FSG（Formula Student Germa?ny）、日本賽都是國(guó)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(guó)大學(xué)生電動(dòng)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(bào)名參加，最終確認(rèn)了56支電動(dòng)車隊(duì)為2019FSEC“報(bào)名車隊(duì)”。相比較2018最終確認(rèn)了51支電動(dòng)車隊(duì)為2018 FSEC“報(bào)名車隊(duì)”，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(jī)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(shí)囊獲了輕量化大獎(jiǎng)。FSG的電動(dòng)方程式賽事起步比中國(guó)稍早，規(guī)則跟中國(guó)賽類似，但更完善，要求也更高。到2019年，F(xiàn)SG共計(jì)吸引了來(lái)自全球各地的39支大學(xué)生電動(dòng)方程式FSE在線注冊(cè)車隊(duì)，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(guó)際知名學(xué)校。近幾年越來(lái)越多有實(shí)力的中國(guó)高校車隊(duì)都有報(bào)名參加德國(guó)賽。

2.3 無(wú)人車國(guó)內(nèi)外狀況

隨著無(wú)人駕駛技術(shù)不斷受到汽車業(yè)界的關(guān)注，2017年，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)創(chuàng)辦第一屆無(wú)人駕駛方程式汽車大賽 FSAC（Formula Student Autonomous Chi?na），首屆比賽有7支隊(duì)伍參加比賽，北京理工大學(xué)強(qiáng)勢(shì)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(jī)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(duì)參賽，車隊(duì)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(xiàng)目，無(wú)人賽車需要掌握識(shí)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(duì)需要探索的地方[3]。北京理工大學(xué)是國(guó)內(nèi)無(wú)人賽車研發(fā)實(shí)力最強(qiáng)的車隊(duì)之一，連續(xù)兩年獲得了FSAC的總冠軍。據(jù)報(bào)道，19年北理工無(wú)人賽車采用了雙電機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)，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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的視覺(jué)獨(dú)立感知，基于幾何分布的長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)的雷達(dá)獨(dú)立感知，無(wú)級(jí)可調(diào)式線控制動(dòng)[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(duì)，在學(xué)院師生和商家贊助的支持下，積極進(jìn)行無(wú)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(yàn)的高校車隊(duì)正進(jìn)行無(wú)人賽車的研究，有意在未來(lái)參加比賽。

德國(guó)也是第一批開(kāi)辦無(wú)人駕駛方程式比賽的國(guó)家之一，2017年開(kāi)辦第一屆比賽，比賽規(guī)模較中國(guó)賽的大，有部分是來(lái)自世界高校的參賽隊(duì)伍，其中包括了北京理工大學(xué)。該賽事共包括了4個(gè)動(dòng)態(tài)和4個(gè)靜態(tài)的項(xiàng)目，要求賽車能夠完全的無(wú)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(duì)伍有不同的建立無(wú)人賽車的思路，有的偏向于動(dòng)力學(xué)控制，有的更注重即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(Simultaneous Localization And Mapping,SLAM)和狀態(tài)估計(jì)，不同無(wú)人賽車的構(gòu)建思路都值得我們參考和思量。

3 未來(lái)趨勢(shì)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(lái)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(diǎn)放在電動(dòng)汽車，同時(shí)加大無(wú)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(duì)FSC，進(jìn)行未來(lái)趨勢(shì)分析。

隨著各國(guó)對(duì)碳排放的重視，燃油車的市場(chǎng)占有率將逐漸降低。同樣的，燃油車組的比賽也會(huì)有類似的趨勢(shì)。學(xué)生團(tuán)隊(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，提升油車動(dòng)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(jì)瓶頸。因此，各高校逐漸減少參加油車比賽是可預(yù)見(jiàn)的。

電動(dòng)賽車的比賽情況將與油車的截然相反，預(yù)計(jì)將有越來(lái)越多的高校加入電車賽事中。距離理想的電動(dòng)汽車還有一定的距離，以德國(guó)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(gè)新的混合設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)并制造了直徑僅8 cm，長(zhǎng)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(duì)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(guó)內(nèi)車隊(duì)需要加大電機(jī)和賽車穩(wěn)定性多下功夫，以保證電動(dòng)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(huì)增加，更注重考察賽車的電池續(xù)航、電控等能力。

無(wú)人賽車比賽項(xiàng)目是近兩年新興起的項(xiàng)目，未來(lái)在賽車要求、比賽項(xiàng)目等還有很多探索空間。無(wú)人賽車不可以簡(jiǎn)單理解為電動(dòng)賽車加上若干傳感設(shè)備和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，許多軟件框架需要車隊(duì)去搭建和完善，傳感器和其他硬件的融合也需要車隊(duì)深入探索。無(wú)人車的開(kāi)發(fā)是在典型的汽車電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)（圖2）的基礎(chǔ)上形成的。德國(guó)無(wú)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(jué)立體攝像系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境感知，通過(guò)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(jì)的任務(wù)，無(wú)人駕駛情況可以達(dá)到時(shí)速90 km/h和10 m/s2的加速度。國(guó)內(nèi)目前許多高校都在摩拳擦掌，研發(fā)其無(wú)人駕駛方程式賽車，未來(lái)中國(guó)FSAC的比賽將會(huì)出現(xiàn)群雄逐鹿的情況。

圖2 汽車電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

4 結(jié)束語(yǔ)

FSAE是汽車行業(yè)未來(lái)的風(fēng)向標(biāo)，是高校的學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，更是創(chuàng)新人才的培育平臺(tái)。油車、電車及無(wú)人賽車都有其各自不同的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，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(lái)中國(guó)成為汽車強(qiáng)國(guó)做好準(zhǔn)備。