張澤楷 張海濤 劉恩成 梁振昊 郝胤辰 范成杰*

(1.上海交通大學機械與動力工程學院， 2.上海交通大學學生創(chuàng)新中心， 3.上海交通大學賽車隊 上海 200240)

0 引言

中國大學生方程式大賽自2017年加入了無人駕駛方程式賽項。無人駕駛賽車相較于傳統(tǒng)油驅(qū)動賽車最大的不同除了供能方式之外，便是其控制方式不再限于有人駕駛，而相應地，線控底盤的誕生便為無人駕駛的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段，主流無人駕駛車輛的線控底盤都已經(jīng)精簡了底盤的機械結(jié)構(gòu)，更多地依賴電子控制，但是為了設(shè)計一輛符合FSAC賽事規(guī)則的無人駕駛方程式賽車，依舊需要設(shè)計機械傳動的線控底盤。本文將從動力傳動機構(gòu)、線控轉(zhuǎn)向、線控制動以及整車ECU控制四個方面來介紹整車的線控底盤設(shè)計。

1 動力傳動

1.1 傳動比優(yōu)化與大鏈輪設(shè)計

采用OptimumLap和理論計算結(jié)合的方式，確定傳動比。OptimumLap仿真需要的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 OptimumLap仿真主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文使用的輪胎是大陸23英寸熱熔胎，其相關(guān)參數(shù)可以在官網(wǎng)上獲得。動力參數(shù)方面，電機EMRAX-228的外特性曲線也可以通過官網(wǎng)獲得[5]，并設(shè)置傳動效率為95%。

需要優(yōu)化參數(shù)是傳動比。因為車輛設(shè)計為單極減速，在軟件中只設(shè)置了一個擋位，并將傳動比設(shè)置為1，而將終傳比設(shè)置為需要優(yōu)化的參數(shù)。將一圈高速避障作為仿真時間，希望通過改變傳動比優(yōu)化縮短單圈時間，得到圖1所示單圈時間和傳動比之間的依賴關(guān)系。

圖1 單圈時間和傳動比關(guān)系

從中可以看到，傳動比為4.4為最優(yōu)參數(shù)，單圈時間最短。

另一方面，考慮了通過控制在起步時的動力計算傳動比[6-7]。由于地面提供的附著力是有限的，如果起步時的動力輸出超過了地面附著力，不僅不能提高起步速度，還會造成車手控制車輛的困難，并且浪費了燃料。首先根據(jù)車重和重心位置，起步加速度和輪胎性能分析得出地面的典型附著力最大值在2 500 N左右。賽車動力可由下式計算出：

其中Te是引擎的輸出扭矩。EMRAX-228的峰值扭矩為230 N，但只能維持幾秒，持續(xù)扭矩為120 N，所以起步過程中扭矩定義為兩者的均值，為175 N。if為終傳比，也就是要優(yōu)化的傳動比。ca為差速器理論縮進扭矩百分比，為0.88，ηT為傳動效率，取為95%，r為輪胎半徑。計算得到傳動比的上限為4.02。實際情況由于電機的輸出特性，地面的附著系數(shù)可能發(fā)生變化，傳動比設(shè)計在這個范圍附近都可以接受。

最后，綜合考慮了以上兩種分析方法，并結(jié)合車輛后部實際空間大小，考慮到大小鏈輪齒數(shù)互質(zhì)等原則，最終確定傳動比為3.91，大鏈輪41齒。

有了以上參數(shù)就可以計算出大鏈輪上總的傳動力：

Fms=2Te·i0·nT·K/D

其中K為安全系數(shù)，考慮到承受沖擊力，故取為1.4。D為大鏈輪直徑。其余參數(shù)同上定義。計算后得出大鏈輪上的力總和為11 000 N。雖然鏈輪與鏈條接觸的齒數(shù)很多，可達20個齒左右，但是由于鏈條加工的不均勻性，實際受力的齒僅為11個左右，所以之后的仿真分析取11個齒受力，每個受力1 000 N左右。

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)。在ANSYS中采用“Static Structural”，“topological optimization”模塊進行拓撲優(yōu)化。采用7075-T6鋁合金作為材料，其具有較高的強度和較輕的重量，可以在滿足設(shè)計受力需求同時減輕車輛后部重量。在材料信息中輸入7075鋁合金楊氏模量7.1 GPa，泊松比0.33，抗拉極限強度572 MPa，抗拉屈服強度503 MPa。在固定孔施加“fix support”，在連續(xù)的11個齒面施加1 000 N的力。網(wǎng)格劃分采用2 mm大小的四面體網(wǎng)格。調(diào)節(jié)拓撲優(yōu)化的質(zhì)量目標參數(shù)大小使得在優(yōu)化后能看出大體結(jié)構(gòu)骨架。設(shè)置拓撲優(yōu)化的對稱約束為6重對稱，最終得到的分析結(jié)果為圖2。參考剩余的零件質(zhì)量分布設(shè)計零件，并再次進行結(jié)構(gòu)分析。最大應力為276 MPa，小于材料屈服強度，最大型變量為0.3 mm左右，滿足設(shè)計要求。

圖2 應力云圖

1.2 鏈條擋板和發(fā)動機保護罩設(shè)計

由于采用的電機是轉(zhuǎn)子電機，根據(jù)規(guī)則，必須設(shè)計電機保護罩。與此同時，還要按照規(guī)則設(shè)計鏈條保護罩。然而，安放電機的單體殼后部，還要安裝各類控制器，空間緊張。因此，將電機保護罩和電機支架連接，而另一端連接在單體殼內(nèi)的鏈條保護罩上。電機保護罩通過一塊鋁板鈑金制成，在端點處將兩端合并并用螺栓固定，減少焊接等復雜工藝。鏈條保護罩一端連接電機保護罩，而另一端連接在單體殼上，由于其材料為2 mm厚鋼板，本身剛性足夠。通過這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得保護罩連為一體，減少了安裝孔位，在保證結(jié)構(gòu)強度的同時，也減輕了保護罩整體的重量。

2 線控轉(zhuǎn)向

2.1 電子助力轉(zhuǎn)向EPS與離合線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

由于無人駕駛方程式賽車需要在手動轉(zhuǎn)向模式與自動轉(zhuǎn)向模式之間實現(xiàn)非手動切換，并且為了避免轉(zhuǎn)向電機的堵轉(zhuǎn)力矩對手動轉(zhuǎn)向的干擾，與手動轉(zhuǎn)向強行扭動電機時對電機的損壞，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中需要使用離合器。離合器用于在手動轉(zhuǎn)向模式下實現(xiàn)方向盤與轉(zhuǎn)向電機的機械連接分離，避免手動模式下的彼此干擾。參考目前較為成熟的各種EPS，可以看到最大的不同在于電機助力位置的區(qū)別，即助力電機位置的區(qū)別。根據(jù)電機的布置位置，EPS可以分為轉(zhuǎn)向軸助力式、齒條助力式、齒輪助力式。轉(zhuǎn)向軸助力式的電機作用于轉(zhuǎn)向軸，可以與轉(zhuǎn)向軸一體化設(shè)計，但有時布置位置較高，空間占用相對較大。齒條助力式的電機作用于轉(zhuǎn)向齒條，助力更加直接，節(jié)省空間，但需要改造常見的齒條轉(zhuǎn)向器管柱。齒輪助力式的電機作用于轉(zhuǎn)向齒輪，位置較低，設(shè)計較為簡單，但占用的空間相對齒條式更大。綜合考慮FSAC設(shè)計難度與性能要求，帶離合的齒輪助力式的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有較大優(yōu)勢。這種帶有離合的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與基本的手動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在設(shè)計上彼此獨立，設(shè)計上難度較小。但是這也依然面臨著許多問題，最重要的問題在于離合器的使用。FSAC上轉(zhuǎn)向電機與離合器的選購相對獨立，系統(tǒng)的支架配合設(shè)計上會面臨著比較大的難題。并且市面上能滿足性能要求的電磁離合器體積與重量相對較大，而在FSAC賽車中，由于車體空間較小，設(shè)計較為緊湊，電磁離合器的使用顯著地影響了空間的使用，并且離合器與支架額外的重量也影響了車輛的性能?；谶@些問題，不需要離合器就能實現(xiàn)模式切換的線控轉(zhuǎn)向會成為更好的選擇。而主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)AFS給予了設(shè)計這種無離合線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向。

2.2 主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)AFS與無離合線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

AFS的設(shè)計初衷是為了車輛能夠在不同的速度區(qū)間擁有靈活的轉(zhuǎn)向比從而提升轉(zhuǎn)向的實用性。比如車輛在低速區(qū)間行駛時，可以通過AFS系統(tǒng)增加轉(zhuǎn)向比提升轉(zhuǎn)向效率；在高速區(qū)間行駛時，則可以適當減小轉(zhuǎn)向比增加轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。目前主流的AFS系統(tǒng)主要有兩種，一種是奧迪主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[2]，一種是寶馬主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[3]。奧迪的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理是使用了彈性鋼圈,利用鋼圈形變改變轉(zhuǎn)向比。而寶馬主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用了雙行星齒輪機構(gòu)與電機助力系統(tǒng)。通過雙行星齒輪機構(gòu)的使用，寶馬AFS能夠?qū)崿F(xiàn)助力電機轉(zhuǎn)角與方向盤轉(zhuǎn)角的疊加，從而改變方向盤與車輪的轉(zhuǎn)向比。除此之外，該系統(tǒng)還可以通過雙行星齒輪機構(gòu)實現(xiàn)了電機、方向盤力矩的獨立傳遞。

1.蝸桿; 2.蝸輪; 3.電機; 4.輸入軸; 5，9.太陽輪;6，10.行星齒輪; 7，11.內(nèi)齒圈; 8.行星架; 12.輸出軸

這正是無離合線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要實現(xiàn)的核心功能。方向盤的力矩與轉(zhuǎn)動從4輸入軸輸入，助力電機的力矩與轉(zhuǎn)動從11內(nèi)齒圈輸入。雙行星齒輪機構(gòu)的使用使得轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無需離合就能實現(xiàn)：在手動轉(zhuǎn)向模式下方向盤的轉(zhuǎn)動不會干擾斷電電機或者受到斷電電機的干擾。基于雙行星齒輪結(jié)構(gòu)的AFS是無離合線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一種雛形。在舵機與方向盤上各添加一個電磁鎖止鞘后，可以通過控制電磁鎖止鞘的狀態(tài)實現(xiàn)無人轉(zhuǎn)向與手動轉(zhuǎn)向的模式切換。處于自動轉(zhuǎn)向模式時，鎖止方向盤，使得電機扭矩可以單獨作用于車輪；處于手動轉(zhuǎn)向模式時，鎖止電機，可以使得方向盤扭矩單獨作用于車輪。如果電機助力通過蝸桿實現(xiàn)，由于蝸桿的單向性，可以省去電機的電磁鎖止鞘。這樣，參考行星齒輪機構(gòu)AFS的無離合線控系統(tǒng)就不需要離合來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向模式的切換。相對有離合線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電磁鎖止鞘相對電磁離合器更加小巧方便，能夠節(jié)省出電磁離合器所占有的空間與重量。行星齒輪結(jié)構(gòu)也可以直接與轉(zhuǎn)向柱的設(shè)計統(tǒng)一協(xié)調(diào)起來，增強系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性。該系統(tǒng)的助力電機的布置可以參考EPS中的轉(zhuǎn)向柱助力式，將舵機布置在轉(zhuǎn)向柱下端，便于固定并且降低重心。

3 線控制動

整個線控制動系統(tǒng)放置于薄板上，系統(tǒng)的元件包括伺服電機、壓縮氣瓶、主缸油壺以及傳力機構(gòu)。要求利用伺服電機和壓縮氣瓶提供的力來擠壓主缸，使得油從油壺噴出最終流入車的前輪處，實現(xiàn)剎車的功能。另外，常規(guī)情況下由伺服電機來實現(xiàn)剎車，僅僅在緊急制動時需要用到壓縮氣瓶。因此，壓縮氣瓶與伺服電機的關(guān)系相當于兩者并聯(lián)。也就是說，兩者需要分別作用于主缸而不能相互干涉，尤其在需要緊急制動時，伺服電機不能妨礙壓縮氣瓶工作，導致緊急制動無法進行。

設(shè)計過程中的主要任務(wù)包括：為主缸和壓縮氣瓶設(shè)計支架，使其固定于薄板上；設(shè)計傳力機構(gòu)，將壓縮氣瓶和伺服電機提供的推/拉力傳遞到制動主缸，同時要綜合考慮氣瓶和電機的行程以及主缸工作需要被擠壓的位移；薄板最終固定于車體，保證線控制動系統(tǒng)不與其他系統(tǒng)發(fā)生空間上的干涉。

由于薄板固定于車體，所以有尺寸限制，考慮主缸、氣瓶、電機之間平行放置?；谌叩南鄬ξ恢?，選擇杠桿作為傳力機構(gòu)。由于氣瓶和電機所能提供的力要小于將主缸壓縮所需的力，而且氣瓶和電機的行程均大于主缸被擠壓所需的位移，所以主缸需放置于接近轉(zhuǎn)軸處，而電機和氣瓶放置于相對遠離轉(zhuǎn)軸處。從而決定杠桿沿著薄板長度布置，主缸、電機、氣瓶置于杠桿同側(cè)，且沿著杠桿依次放置。

圖4 制動系統(tǒng)模型

電機和氣瓶與杠桿的連接采用U型連接件與杠桿上凹槽的方式實現(xiàn)。U型件的螺紋孔與氣瓶和電機的軸連接，氣瓶和電機的軸向移動轉(zhuǎn)換為連接件的前后移動。U型件的凸緣與凹槽撞擊，帶動杠桿旋轉(zhuǎn)，從而擠壓主缸。杠桿的凹槽也能夠?qū)崿F(xiàn)電機與氣瓶互不干涉的功能，當電機工作時氣瓶的連接件會在凹槽內(nèi)移動，從而不影響電機的工作，反之亦然。

在細節(jié)設(shè)計上主要矛盾的是尺寸問題。首先，根據(jù)各元件的力和行程求解，初步確定三個元件的具體相對位置。再根據(jù)元件的寬度，在保證元件平行放置時不會有干涉的情況下縮小解集，確定最終位置。

除去尺寸問題外的主要問題是轉(zhuǎn)軸處的設(shè)計。由于轉(zhuǎn)軸垂直于薄板，所以只有一端能固定于薄板。此時轉(zhuǎn)軸就相當于垂直于薄板的一根梁，承受杠桿對它的載荷。為了確保轉(zhuǎn)軸不易因桿的撞擊發(fā)生明顯的彎曲，需要設(shè)計一個支撐裝置。將轉(zhuǎn)軸串于一個U型的支架有助于防止其發(fā)生明顯彎曲。

4 ECU控制系統(tǒng)

純電動汽車控制系統(tǒng)的核心是整車控制器，即ECU，通過對ECU程序的編寫，開發(fā)者可以完成對車輛響應行為、運動邏輯的測定，其主要功能如下[1]：

(1)應答與處理接收駕駛員的指令，對指令進行處理，向其他控制器發(fā)出控制指令，協(xié)調(diào)處理各個控制模塊的反饋信息。

(2)能源管理：在純電動汽車中，實時反饋蓄電池的工作狀態(tài)。保證汽車的正常行駛并同時反饋電量信息給駕駛員。

(3)機構(gòu)驅(qū)動：純電動汽車整車控制器控制驅(qū)動電機、電子助力轉(zhuǎn)向等行駛機構(gòu)，對其模擬狀態(tài)量進行連續(xù)采集并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，供其他模塊處理與使用。

(4)狀態(tài)判斷：對純電動汽車出現(xiàn)的故障進行判斷與存儲，動態(tài)地采集與檢測狀態(tài)信息，并進行記錄。

(5)自動保護：對純電動汽車出現(xiàn)的故障進行分級，根據(jù)故障程度進行分級保護與自動處理，保證電動汽車的安全性。

在FSAE比賽中，上述功能均需通過ECU進行控制實現(xiàn)。ECU的核心是NXP公司的MPC5674 MCU，運行頻率為264 Hz，具有4 MB閃存，256 KB RAM帶ECC，帶30KSRAM的64通道雙路eTPU2。整車ECU具有3路高速CAN，輸入包括21路analog，9路開關(guān)量以及16路頻率量；輸出包括12路并行控制PWM以及16路并行控制開關(guān)。

ECU的控制程序主要由MATLAB以及Simulink編寫并生成。Simulink模塊支持多種單片機，易于進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。通過其中圖形化編程環(huán)境，設(shè)計者可以按照預先指定的控制邏輯完成程序的編寫，并通過ECUCoder進行自動代碼生成。生成的代碼可以通過Freescale Codewarrior燒寫至ECU中。通過接收并處理各傳感器信號，ECU可以讀取并實現(xiàn)控制邏輯。其輸出主要包括開關(guān)量，CAN通信以及pwm。編寫的ECU程序可以控制驅(qū)動電機，轉(zhuǎn)向電機，電壓驅(qū)動，制動系統(tǒng)，指示燈等模塊。在完成程序燒寫后，ECU可以自動完成整車的簡單邏輯控制。通過CAN總線以不同速度向各控制部分傳輸信號，可以確保車輛在有人或無人駕駛情況下平穩(wěn)安全運行。

圖5 ECU控制邏輯

控制邏輯主要包括有人駕駛模式與無人駕駛模式。

在有人駕駛模式下，ECU需要讀取APPS(加速度踏板傳感器)上的數(shù)據(jù)，完成對電機轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩的控制。同時，制動踏板傳感器也需被讀取，以完成有人模式下的起步與制動。在控制邏輯中，必須考慮加速度與制動踏板傳感器的順位與沖突，以保證同時踏下踏板時的安全性。此時，車輛內(nèi)置的感知模塊不發(fā)生作用，由車手來控制整車的姿態(tài)變化。

在無人駕駛模式中，控制車輛姿態(tài)的決策層由車手變?yōu)檐囕v內(nèi)置的計算機。車輛通過讀取Intel Realsense雙目攝像頭的感知信號，通過工控機完成對場景的識別與掃描，進行環(huán)境感知，實時路徑規(guī)劃等任務(wù)，如方位角、高、低位轉(zhuǎn)角等指令經(jīng)由高速CAN-A信道傳送至ECU中。ECU再將經(jīng)過處理的控制信號通過CAN-B下發(fā)傳輸至轉(zhuǎn)向舵機，驅(qū)動電機中，控制具體執(zhí)行器件完成目標動作。

圖6 整車控制邏輯

在整車控制邏輯中，最重要的就是無人駕駛底盤控制。筆者運用 Module Predictive Control(MPC)方法完成路徑規(guī)劃，底層的PID控制邏輯，在Simulink中完成整車的動力參數(shù)仿真。通過采用二自由度線性模型，筆者計算得出汽車運動的微分方程為：

(1)

寫成狀態(tài)方程總式如下：

(2)

式(2)包含了汽車質(zhì)量與輪胎側(cè)偏剛度兩方面參數(shù)，能夠反映汽車曲線運動基本特征。

圖7 汽車理論模型

根據(jù)中國大學生無人駕駛方程式大賽(2020)的規(guī)則，無人駕駛模式下車輛應具有五種狀態(tài)，分別是無人駕駛系統(tǒng)準備、無人駕駛系統(tǒng)行駛、無人駕駛系統(tǒng)完成、緊急制動和無人駕駛系統(tǒng)關(guān)閉。當前狀態(tài)由位于車身或者儀表盤的無人駕駛模式指示燈ASSI的黃色和藍色顯示。為了使程序便于編寫，依次將無人駕駛狀態(tài)關(guān)閉、無人駕駛狀態(tài)準備、無人駕駛狀態(tài)行駛、無人駕駛狀態(tài)完成、緊急制動依次命名為狀態(tài)1～5，并用Simulink內(nèi)置的stateflow模塊進行當前車輛狀態(tài)的判定。藍燈與黃燈依靠兩級低端功率驅(qū)動進行控制。在藍燈與黃燈進入工作狀態(tài)前，采用邏輯判斷，判斷車輛是否處于無人駕駛狀態(tài)，若處于無人駕駛狀態(tài)，則將輸出0給第一級低端功率驅(qū)動，令其進入工作狀態(tài)，之后由stateflow模塊的輸入量確定車輛當前所屬的狀態(tài)決定是否觸發(fā)藍燈以及黃燈的地段功率驅(qū)動，其閃爍則可通過輸出周期為0.2 s，占空比為50%的開關(guān)量實現(xiàn)。

5 總結(jié)

為了能符合FSAC賽事的規(guī)則，對整車的線控底盤設(shè)計主要以機械機構(gòu)為主，設(shè)計了動力傳動機構(gòu)、線控轉(zhuǎn)向以及線控制動系統(tǒng)。為了實現(xiàn)無人算法算出的運動軌跡，通過ECU進行整車控制，并針對FSAC賽事規(guī)則編譯了六種狀態(tài)，以期保障整車無人駕駛和有人駕駛功能的實現(xiàn)。