工程師的搖籃 聊FSEC/FSAC賽車前沿技術

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有這樣一群大學生，白天上完繁重的課后，拖著疲憊的身體在實驗室里造賽車。他們愿意放棄周末、寒暑假，甚至把每一分鐘都浪費在路上，在實驗室里吃飯睡覺。也許你會問他們為什么而戰。我覺得百位fscer/FSACer的答案是:“青春、夢想、速度和激情，奪冠”。今天，筆者來到珠海國際航展中心，這里聚集了49支FSEC隊和10支FSAC隊，目的沒有別的——做一個夢，賽車夢。讓我們用我的鏡頭來看看他們在自制賽車中使用了哪些前沿汽車技術。

●寫在前面。

●三電技術實現了“消音獸”

談論電動方程式賽車的尖端技術，其實是關于他們的“三電技術”。以2021年FSEC亞軍遼寧工業大學萬德電氣隊為例。他們全車最大可用功率80 kW，最大電機轉速6000 rpm，0-75米加速時間約4.3秒...所有這些數據最終都取決于“三電”。

那么什么是“三電”技術呢？事實上，電動汽車領域的“三大動力”是指:動力電池、驅動電機和車輛電控。事實上，不僅在方程式賽車領域，在新能源汽車領域，三大電動技術同樣重要。

動力電池

動力電池系統主要由電池組、電池管理系統和電池盒組成。電池組由單個電池和由它們連接的電池模塊組成。它的主要任務是儲存電能，以滿足汽車動力和行駛里程的需求。純電動車動力電池給人續航里程低、安全性差的印象，其實已經過時了。如今的電池已經發展成為固態電池。雖然最初的產量很小，最早應用于數碼產品，但未來應用于汽車只是時間問題。畢竟固態電池的電池能量密度翻倍，可以大大提升純電動汽車的續航能力，甚至超越燃油車，值得期待。

電池管理系統由各種傳感器、執行器、控制器和信號線等組成。其主要任務是保證電池組在安全范圍內工作，提供車輛控制所需的電池信息，在異常情況下采取干預措施；根據環境溫度、電池狀態和車輛需求，確定電池的充放電功率，盡可能延長電池的使用壽命。

傳動馬達

電機主要由轉子、定子繞組、轉速傳感器、機殼、冷卻等部分組成。在新能源汽車領域，永磁同步電機應用廣泛。所謂永磁是指在電機轉子的制造中加入永磁體，從而可以進一步提高電機的性能。所謂同步是指轉子的轉速始終與定子繞組的電流頻率一致。因此，通過控制電機定子繞組的輸入電流頻率，最終將控制電動汽車的速度。如何調節電流頻率是電控部分即電控中電機控制系統需要解決的問題。

與其他類型的電機相比，永磁同步電機最大的優點是具有更高的功率密度和扭矩密度。說白了，與其他類型的電機相比，在同等質量和體積下，永磁同步電機可以為新能源汽車提供最大的功率輸出和加速。這也是在對空和自重要求極高的新能源汽車行業，永磁同步電機成為廣大汽車廠商首選的主要原因。

除了永磁同步電機，異步電機也受到特斯拉的廣泛關注。與同步電機相比，電機轉子的轉速始終小于旋轉磁場的轉速。因此，轉子和定子繞組的電流頻率總是“不一致”，這就是為什么它被稱為異步電機的原因。

與永磁同步電機相比，異步電機具有成本低、工藝簡單的優點。當然，它的缺點是功率密度和轉矩密度都低于永磁同步電機。特斯拉Model S（查成交價|參配|優惠政策）為什么選擇異步電機而不是永磁同步電機，除了成本控制的主要原因外，更大的Model S車身能夠有足夠的空間距相對較大的異步電機也是一個非常重要的因素。

除了同步電機和異步電機，輪轂電機也是新能源汽車電機應用的熱點。當然，在電機的同步控制、涉水密封等方面還有很多問題需要解決。

整車電控

電控是指整車控制器，但新能源汽車的“電控”很多，還有電機控制器和電池管理系統，通過CAN總線進行通信。整車控制器通俗易懂，主要是采集油門、剎車踏板等各種信號，做出相應的判斷并給出指令，協調新能源汽車中各控制器的通訊；電機控制器的功能主要是接收車輛控制器的扭矩信息指令，進而控制驅動電機的轉速和方向。此外，在能量回收過程中，電機控制器還負責對驅動電機二次轉矩產生的交流電進行整流，并將其充回動力電池。與前兩種控制器相比，電池管理系統相對年輕，其主要功能包括:電池物理參數實時監測、在線診斷預警、充放電和預充電控制、平衡管理和熱管理等。

●沒有司機的賽車

以北京理工大學純電動方程式賽車隊的“戰車（查成交價|參配|優惠政策）”FSAC冠軍為例。事實上，無人駕駛方程式賽車的研發大多基于電動方程式賽車。你可以把FSAC看作是FSEC的高級版本，也就是我們常說的“從FSEC到FSAC”。

簡單來說，就是學生給電動方程式賽車增加三個系統——環境感知、智能決策和執行控制，讓方程式賽車按照設定的路線自行行駛。

我覺得最有意思的是環境感知系統，相當于賽車的“眼睛”，由激光雷達、攝像頭和高精度GPS組成。智能決策系統相當于賽車的“大腦”，處理“眼睛”接收到的信息，然后進行分析處理；執行控制系統相當于“四肢”，用于橫向和縱向控制。

激光雷達測距精度高。基于采集到的原始點云信息，劃分處理區域，使得最終需要處理的數據量遠低于原始值。在此基礎上，采用點云庫方法進行后續處理，對原始數據進行濾波、離群點去除、投影、聚類、中心選擇等一系列處理，最終提取出圓錐筒在坐標系中的坐標。

看到這，有網友可能會奇怪，為什么車前的傳感器只有一個激光雷達。其他的，比如超聲波雷達和毫米波雷達，都沒有裝在公交車上。針對這些問題，筆者咨詢了吉林大學集智無人駕駛方程式賽車隊隊長。他說，一方面超聲波的傳播速度容易受到天氣條件和方程式賽車速度的影響，在處理測距時可能跟不上車輛的實時變化；另一方面，超聲波散射角大，導致方向性差，不利于其在方程式賽車中的應用。

攝像頭主要識別紅色錐筒和黃色錐筒來控制汽車的轉彎和停車。首先采集車前圖像，采用中值濾波方法，極大地保留了圖像的邊緣信息，有效去除了各種小噪聲。此外，采用了HSV顏色空，方便了顏色空之間的轉換。我們劃分圖像的閾值范圍，以便保留所需的顏色。其次，對閾值分割后的圖像進行形態學開閉運算，得到錐桶區域和接近錐桶形狀的區域。最后，利用區域的面積、方向和圓度特征，對紅錐桶和黃錐桶進行精確分離。

在高精度GPS的幫助下，賽車可以記錄每一次行駛的軌跡，并按照之前的路徑高速行駛。在此基礎上，基于機器人操作系統開發了決策系統。對于每一場比賽，都用C++編程語言設計編寫相應的控制程序，封裝在同一個ROS包中。通過運行不同的節點，可以快速啟動和運行不同的控制序列、數據傳輸和處理速度。

總結:

也是大學生方程式系列賽。與FSCC相比，FSEC是一個先進的種族。它要求參賽選手掌握更高的技術，主要來自電源管理系統、電池技術、電控系統的綜合設計與控制。即使在高校和企業，技術也沒有完全成熟，競賽參與者需要邊做邊學。與FSEC相比，FSAC又向前邁進了一步。畢竟無人駕駛技術具有先進性和跨界性的雙重特征，還沒有哪家車企有時間對這項技術進行完整的布局。我想，隨著參賽人員經驗的積累和不斷的學習探索，或許這次比賽確實是一位年輕工程師的“搖籃”，為祖國輸送了一批專業人才。

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