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工程师的摇篮 聊FSEC/FSAC赛车前沿技术

2018-12-04
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  [沈阳爱车网 汽车赛事]  有这么一群大学生,他们结束白天繁重的课程后,拖着疲惫不堪的躯体披星戴月地投身到实验室中造赛车,他们甘愿放弃周末、放弃寒暑假,甚至不愿浪费一分一秒在路上,在实验室吃实验室睡,或许你会问他们这么拼是为了啥,我想一百个FSECer/FSACer的回答都是:“青春、梦想、速度与激情,还有夺冠”。今天,笔者来到了珠海国际航展中心,这里聚集了49支FSEC车队和10支FSAC车队,目的不为别的——就是来圆梦,赛车梦。下面跟着我的镜头一起来看看,都有哪些前沿的汽车技术被他们用在自制的赛车上。

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   赛事简介:FSEC(中国大学生电动方程式大赛)是由各高校的学生在校内海选并自行组队,按照组委会下属规则委员会发布的技术规则,用一年时间自行设计、验证、制造、测试一辆赛车,并完成最终的比赛。这一赛事是非常典型的教育实践项目,而非商业赛事,因为它注重的是人才培养的过程,最后的比赛只是教育效果的量化。比赛通过静态和动态两大类项目对造车的效果进行综合评估,包括:设计项目,成本分析,营销报告,8字绕环,直线加速,高速避障,耐久赛,效率测试。

  FSAC(中国大学生无人驾驶方程式大赛)则是在FSEC赛制的基础上做出改动,主要考验赛车的无人驾驶智能化程度以及大学生对无人驾驶研究层面的知识水平,赛制设有制动测试、高速识别追踪测试、8字绕环调试等比赛内容,对赛车的底盘性能、智能化程度、判断逻辑、运算速度均有标准化评比,同时赛车的主体设计,静态展示等环节也将按比例计入比赛成绩。

  大赛的意义在于一个过程,比成绩比名次的最终目标是要培养更多有激情、有梦想、有汽车情怀的汽车后备精英,提升大学生在三电技术、无人驾驶研究层面的知识水平,了解中国汽车工业未来和技术发展趋势。


  此前大学生方程式报道:(如果不了解,可从下面几篇文章开始)

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● 写在前面

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● 三电技术成就 “消音的野兽”

  聊电动方程式赛车的前沿技术,其实就是要聊它们的“三电技术”。就拿2018届FSEC亚军——辽宁工业大学万得电车队的赛车来说,他们的赛车整车可用的最大功率80千瓦、电机最高转速6000转/分钟、0-75米加速时间在4.3秒左右(万得车队的赛车FSEC直线加速成绩为53.96分)...以上这些数据最终其实都是依赖于“三电”。

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  那么“三电”技术到底是什么?其实在电动汽车领域的“三电”是指:动力电池驱动电机整车电控。其实不仅在方程式赛车上,三电技术在新能源汽车领域上也同样重要。

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动力电池

  动力电池系统主要由电池组、电池管理系统(battery management system, BMS)以及电池箱体等组成。电池组由单体电池及由其连接而成的电池模块组成,其主要任务是存储电能,满足汽车功率和续驶里程的需求。纯电动车的动力电池给人们的续航里程低、安全性差的印象其实已经过时了,如今的电池已经发展到固态电池,虽然初期产量较小,且首先应用在数码产品上,但未来应用在汽车上只是时间的问题。毕竟固态电池翻倍的电池能量密度能够极大地增强纯电动车的续航,甚至能够超过燃油车,值得期待。

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  而电池管理系统则由各类传感器、执行器、控制器以及信号线等组成,其主要任务是保证电池组工作在安全区间内,提供车辆控制需要的电池信息,在异常情况下采取干预措施;并根据环境温度、电池状态及车辆需求,决定电池的充放电功率,尽可能延长电池的使用寿命。

驱动电机

  电机主要由转子、定子绕组、转速传感器以及外壳、冷却等零部件组成。在新能源汽车领域,永磁同步电机被广泛使用。所谓永磁,指的是在制造电机转子时加入永磁体,使电机的性能得到进一步的提升。而所谓同步,则指的是转子的转速与定子绕组的电流频率始终保持一致。因此,通过控制电机的定子绕组输入电流频率,电动汽车的车速将最终被控制。而如何调节电流频率,则是电控部分所要解决的问题,即是电控中的电机控制系统。

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  与其他类型的电机相比较,永磁同步电机的最大优点就是具有较高的功率密度与转矩密度,说白了,就是相比于其他种类的电机,在相同质量与体积下,永磁同步电机能够为新能源汽车提供最大的动力输出与加速度。这也是在对空间与自重要求极高的新能源汽车行业,为什么永磁同步电机是广大汽车制造商首选的主要原因。

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  除了永磁同步电机,异步电机也因特斯拉的使用而被广泛关注。与同步电机相比起来,电机转子的转速总是小于旋转磁场(由定子绕组电流产生)的转速。因此,转子看起来与定子绕组的电流频率总是“不一致”,这也是其为什么叫异步电机的原因。

  相比于永磁同步电机,异步电机的优点是成本低,工艺简单;当然其缺点就是其功率密度与转矩密度要低于永磁同步电机。而特斯拉Model S为何选用异步电机而不是永磁同步电机,除了控制成本这个主要原因之外,较大的Model S车体能够有足够空间放的下相对大一点的异步电机,也是一个很重要的因素。

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  除了同步电机与异步电机之外,轮毂电机(点击查看华人运通的RE05轮毂电机)也是新能源汽车电机应用的一个热点。当然,在电机的同步控制,涉水密封等方面,轮毂电机依然还有很多问题需要解决。

整车电控

  电控指整车控制器,但是新能源汽车的“电控”较多,还有电机控制器与电池管理系统等,这些控制器通过CAN总线等来通信。整车控制器比较好理解,主要是采集油门、制动踏板等各种信号,并作出相应判断与给出指令,在新能源汽车上还要协调各个控制器的通信;电机控制器的作用主要是接收整车控制器的扭矩报文指令,进而控制驱动电机的转速与转动方向,另外,在能量回收过程中,电机控制器还要负责将驱动电机副扭矩产生的交流电进行整流回充给动力电池;相比前面两个控制器,电池管理系统相对比较“年轻”,其主要功能包括:电池物理参数实时监测、在线诊断与预警、充放电与预充控制、均衡管理和热管理等。

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● 没有车手的赛车

  以FSAC的冠军——北京理工大学纯电动方程式赛车队的“战车”为例,其实无人驾驶方程式赛车的研究开发,大多数都是建立在电动方程式赛车上的,各位可以把FSAC看成是FSEC的进阶版,也就是我们常说的“从FSEC到FSAC”。

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  简单来说就是:学生们通过给电动方程式赛车加上——环境感知、智能决策、执行控制三大系统,从而让方程式赛车自己按设定的路线自己跑起来。

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  最有看头的我想应该就是环境感知系统了,它相当于赛车的“眼睛”,是由激光雷达摄像头高精度GPS组成;而智能决策系统相当于赛车的“大脑”,处理“眼睛”接收的信息进而分析处理;执行控制系统相当于“四肢”,用于横纵向控制。

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  激光雷达具有很高的测距精度,基于采集的原始点云信息,进行处理区域的划分,使最终需要处理的数据量远低于原始值。在此基础上采用Point Cloud Library (PCL点云库方法做后续的处理,对原始数据进行滤波、去离群点、投影、聚类、取中心点等一系列流程,最终提取出锥桶在坐标系中的坐标。

  看到这里,或许有网友疑惑了,为什么车头的传感器只有一台激光雷达?其它的诸如超声波雷达、毫米波雷达就怎么就不装上车?针对这些问题,笔者咨询了吉林大学吉智无人方程式赛车队队长,他说一方面是因为超声波的传输速度易受天气情况和方程式赛车的车速影响,处理测距时有可能跟不上车辆的实时变化,另一方面是超声波散射角大,导致方向性较差,不利于运用到方程式赛车上。

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  摄像头主要识别红色锥桶和黄色锥桶,以控制赛车的转弯和停止。首先采集车前方图像,采用中值滤波方法,极大的保留了图像边缘信息,有效去除了各种小噪点,此外所采用的HSV颜色空间,方便进行颜色空间转换,我们分割图像的阈值范围,从而保留需要的颜色。其次,对阈值分割后的图像进行形态学开运算和闭运算,得到锥桶区域以及与锥桶形状接近的区域。最终采用了区域的面积、方向、圆度特征,准确的分离出红色大锥桶和黄色锥桶。

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  借助高精度GPS,赛车可以记录下每一次行驶的轨迹,并按照之前的路径高速行驶。在此之上,决策系统是基于ROS(Robot Operating System)操作系统开发而来,针对每一比赛项目使用C++编程语言设计和编写相应的控制程序并封装在同一个ROS包下。通过运行各个不同节点,可以快速启动并且运行不同控制序、数据传输以及处理速度。

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总结:

  同样是作为大学生方程式大赛的系列赛事(包含BSC巴哈赛、FSCC内燃机赛、FSEC电动车赛、FSAC无人车赛),FSEC相比起FSCC,算是一次进阶,它要求赛事参与者掌握的技术更高,主要源于电源管理系统、电池技术、电控系统的综合设计与控制,即使在大学和企业界都并非完全成熟的技术,赛事参与者需要边学边做。而FSAC相比起FSEC,则又是一次进阶,毕竟无人驾驶技术具有超前和跨界的双重特点,尚无一家车企来得及对此技术做出完整布局,我想,随着赛事参与者经验地累积和不断地学习探索,或许这个赛事确实是一个青年工程师的“摇篮”,为祖国输送一批又一批的专业性人才。(图/文/摄 汽车之家 苏炜祺 图片来源:蔚来官方)

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