[汽車之家 汽車賽事]  有這么一群大學(xué)生，他們結(jié)束白天繁重的課程后，拖著疲憊不堪的軀體披星戴月地投身到實驗室中造賽車，他們甘愿放棄周末、放棄寒暑假，甚至不愿浪費一分一秒在路上，在實驗室吃實驗室睡，或許你會問他們這么拼是為了啥，我想一百個FSECer/FSACer的回答都是：“青春、夢想、速度與激情，還有奪冠”。今天，筆者來到了珠海國際航展中心，這里聚集了49支FSEC車隊和10支FSAC車隊，目的不為別的——就是來圓夢，賽車夢。下面跟著我的鏡頭一起來看看，都有哪些前沿的汽車技術(shù)被他們用在自制的賽車上。

　　 賽事簡介：FSEC（中國大學(xué)生電動方程式大賽）是由各高校的學(xué)生在校內(nèi)海選并自行組隊，按照組委會下屬規(guī)則委員會發(fā)布的技術(shù)規(guī)則，用一年時間自行設(shè)計、驗證、制造、測試一輛賽車，并完成最終的比賽。這一賽事是非常典型的教育實踐項目，而非商業(yè)賽事，因為它注重的是人才培養(yǎng)的過程，最后的比賽只是教育效果的量化。比賽通過靜態(tài)和動態(tài)兩大類項目對造車的效果進(jìn)行綜合評估，包括：設(shè)計項目，成本分析，營銷報告，8字繞環(huán)，直線加速，高速避障，耐久賽，效率測試。

　　FSAC（中國大學(xué)生無人駕駛方程式大賽）則是在FSEC賽制的基礎(chǔ)上做出改動，主要考驗賽車的無人駕駛智能化程度以及大學(xué)生對無人駕駛研究層面的知識水平，賽制設(shè)有制動測試、高速識別追蹤測試、8字繞環(huán)調(diào)試等比賽內(nèi)容，對賽車的底盤性能、智能化程度、判斷邏輯、運算速度均有標(biāo)準(zhǔn)化評比，同時賽車的主體設(shè)計，靜態(tài)展示等環(huán)節(jié)也將按比例計入比賽成績。

　　大賽的意義在于一個過程，比成績比名次的最終目標(biāo)是要培養(yǎng)更多有激情、有夢想、有汽車情懷的汽車后備精英，提升大學(xué)生在三電技術(shù)、無人駕駛研究層面的知識水平，了解中國汽車工業(yè)未來和技術(shù)發(fā)展趨勢。

　　此前大學(xué)生方程式報道：（如果不了解，可從下面幾篇文章開始）

● 寫在前面

● 三電技術(shù)成就 “消音的野獸”

　　聊電動方程式賽車的前沿技術(shù)，其實就是要聊它們的“三電技術(shù)”。就拿2018屆FSEC亞軍——遼寧工業(yè)大學(xué)萬得電車隊的賽車來說，他們的賽車整車可用的最大功率80千瓦、電機(jī)最高轉(zhuǎn)速6000轉(zhuǎn)/分鐘、0-75米加速時間在4.3秒左右（萬得車隊的賽車FSEC直線加速成績?yōu)?3.96分）...以上這些數(shù)據(jù)最終其實都是依賴于“三電”。

　　那么“三電”技術(shù)到底是什么？其實在電動汽車領(lǐng)域的“三電”是指：動力電池、驅(qū)動電機(jī)、整車電控。其實不僅在方程式賽車上，三電技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域上也同樣重要。

動力電池

　　動力電池系統(tǒng)主要由電池組、電池管理系統(tǒng)（battery management system, BMS）以及電池箱體等組成。電池組由單體電池及由其連接而成的電池模塊組成，其主要任務(wù)是存儲電能，滿足汽車功率和續(xù)駛里程的需求。純電動車的動力電池給人們的續(xù)航里程低、安全性差的印象其實已經(jīng)過時了，如今的電池已經(jīng)發(fā)展到固態(tài)電池，雖然初期產(chǎn)量較小，且首先應(yīng)用在數(shù)碼產(chǎn)品上，但未來應(yīng)用在汽車上只是時間的問題。畢竟固態(tài)電池翻倍的電池能量密度能夠極大地增強(qiáng)純電動車的續(xù)航，甚至能夠超過燃油車，值得期待。

　　而電池管理系統(tǒng)則由各類傳感器、執(zhí)行器、控制器以及信號線等組成，其主要任務(wù)是保證電池組工作在安全區(qū)間內(nèi)，提供車輛控制需要的電池信息，在異常情況下采取干預(yù)措施；并根據(jù)環(huán)境溫度、電池狀態(tài)及車輛需求，決定電池的充放電功率，盡可能延長電池的使用壽命。

驅(qū)動電機(jī)

　　電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子、定子繞組、轉(zhuǎn)速傳感器以及外殼、冷卻等零部件組成。在新能源汽車領(lǐng)域，永磁同步電機(jī)被廣泛使用。所謂永磁，指的是在制造電機(jī)轉(zhuǎn)子時加入永磁體，使電機(jī)的性能得到進(jìn)一步的提升。而所謂同步，則指的是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子繞組的電流頻率始終保持一致。因此，通過控制電機(jī)的定子繞組輸入電流頻率，電動汽車的車速將最終被控制。而如何調(diào)節(jié)電流頻率，則是電控部分所要解決的問題，即是電控中的電機(jī)控制系統(tǒng)。

　　與其他類型的電機(jī)相比較，永磁同步電機(jī)的最大優(yōu)點就是具有較高的功率密度與轉(zhuǎn)矩密度，說白了，就是相比于其他種類的電機(jī)，在相同質(zhì)量與體積下，永磁同步電機(jī)能夠為新能源汽車提供最大的動力輸出與加速度。這也是在對空間與自重要求極高的新能源汽車行業(yè)，為什么永磁同步電機(jī)是廣大汽車制造商首選的主要原因。

　　除了永磁同步電機(jī)，異步電機(jī)也因特斯拉的使用而被廣泛關(guān)注。與同步電機(jī)相比起來，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總是小于旋轉(zhuǎn)磁場（由定子繞組電流產(chǎn)生）的轉(zhuǎn)速。因此，轉(zhuǎn)子看起來與定子繞組的電流頻率總是“不一致”，這也是其為什么叫異步電機(jī)的原因。

　　相比于永磁同步電機(jī)，異步電機(jī)的優(yōu)點是成本低，工藝簡單；當(dāng)然其缺點就是其功率密度與轉(zhuǎn)矩密度要低于永磁同步電機(jī)。而特斯拉Model S為何選用異步電機(jī)而不是永磁同步電機(jī)，除了控制成本這個主要原因之外，較大的Model S車體能夠有足夠空間放的下相對大一點的異步電機(jī)，也是一個很重要的因素。

　　除了同步電機(jī)與異步電機(jī)之外，輪轂電機(jī)（點擊查看華人運通的RE05輪轂電機(jī)）也是新能源汽車電機(jī)應(yīng)用的一個熱點。當(dāng)然，在電機(jī)的同步控制，涉水密封等方面，輪轂電機(jī)依然還有很多問題需要解決。

整車電控

　　電控指整車控制器，但是新能源汽車的“電控”較多，還有電機(jī)控制器與電池管理系統(tǒng)等，這些控制器通過CAN總線等來通信。整車控制器比較好理解，主要是采集油門、制動踏板等各種信號，并作出相應(yīng)判斷與給出指令，在新能源汽車上還要協(xié)調(diào)各個控制器的通信；電機(jī)控制器的作用主要是接收整車控制器的扭矩報文指令，進(jìn)而控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動方向，另外，在能量回收過程中，電機(jī)控制器還要負(fù)責(zé)將驅(qū)動電機(jī)副扭矩產(chǎn)生的交流電進(jìn)行整流回充給動力電池；相比前面兩個控制器，電池管理系統(tǒng)相對比較“年輕”，其主要功能包括：電池物理參數(shù)實時監(jiān)測、在線診斷與預(yù)警、充放電與預(yù)充控制、均衡管理和熱管理等。

● 沒有車手的賽車

　　以FSAC的冠軍——北京理工大學(xué)純電動方程式賽車隊的“戰(zhàn)車”為例，其實無人駕駛方程式賽車的研究開發(fā)，大多數(shù)都是建立在電動方程式賽車上的，各位可以把FSAC看成是FSEC的進(jìn)階版，也就是我們常說的“從FSEC到FSAC”。

　　簡單來說就是：學(xué)生們通過給電動方程式賽車加上——環(huán)境感知、智能決策、執(zhí)行控制三大系統(tǒng)，從而讓方程式賽車自己按設(shè)定的路線自己跑起來。

　　最有看頭的我想應(yīng)該就是環(huán)境感知系統(tǒng)了，它相當(dāng)于賽車的“眼睛”，是由激光雷達(dá)、攝像頭和高精度GPS組成；而智能決策系統(tǒng)相當(dāng)于賽車的“大腦”，處理“眼睛”接收的信息進(jìn)而分析處理；執(zhí)行控制系統(tǒng)相當(dāng)于“四肢”，用于橫縱向控制。

　　激光雷達(dá)具有很高的測距精度，基于采集的原始點云信息，進(jìn)行處理區(qū)域的劃分，使最終需要處理的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)低于原始值。在此基礎(chǔ)上采用Point Cloud Library (PCL點云庫方法做后續(xù)的處理，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去離群點、投影、聚類、取中心點等一系列流程，最終提取出錐桶在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

　　看到這里，或許有網(wǎng)友疑惑了，為什么車頭的傳感器只有一臺激光雷達(dá)？其它的諸如超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)就怎么就不裝上車？針對這些問題，筆者咨詢了吉林大學(xué)吉智無人方程式賽車隊隊長，他說一方面是因為超聲波的傳輸速度易受天氣情況和方程式賽車的車速影響，處理測距時有可能跟不上車輛的實時變化，另一方面是超聲波散射角大，導(dǎo)致方向性較差，不利于運用到方程式賽車上。

　　攝像頭主要識別紅色錐桶和黃色錐桶，以控制賽車的轉(zhuǎn)彎和停止。首先采集車前方圖像，采用中值濾波方法，極大的保留了圖像邊緣信息，有效去除了各種小噪點，此外所采用的HSV顏色空間，方便進(jìn)行顏色空間轉(zhuǎn)換，我們分割圖像的閾值范圍，從而保留需要的顏色。其次，對閾值分割后的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)開運算和閉運算，得到錐桶區(qū)域以及與錐桶形狀接近的區(qū)域。最終采用了區(qū)域的面積、方向、圓度特征，準(zhǔn)確的分離出紅色大錐桶和黃色錐桶。

　　借助高精度GPS，賽車可以記錄下每一次行駛的軌跡，并按照之前的路徑高速行駛。在此之上，決策系統(tǒng)是基于ROS（Robot Operating System）操作系統(tǒng)開發(fā)而來，針對每一比賽項目使用C++編程語言設(shè)計和編寫相應(yīng)的控制程序并封裝在同一個ROS包下。通過運行各個不同節(jié)點，可以快速啟動并且運行不同控制序、數(shù)據(jù)傳輸以及處理速度。

總結(jié)：

　　同樣是作為大學(xué)生方程式大賽的系列賽事（包含BSC巴哈賽、FSCC內(nèi)燃機(jī)賽、FSEC電動車賽、FSAC無人車賽），F(xiàn)SEC相比起FSCC，算是一次進(jìn)階，它要求賽事參與者掌握的技術(shù)更高，主要源于電源管理系統(tǒng)、電池技術(shù)、電控系統(tǒng)的綜合設(shè)計與控制，即使在大學(xué)和企業(yè)界都并非完全成熟的技術(shù)，賽事參與者需要邊學(xué)邊做。而FSAC相比起FSEC，則又是一次進(jìn)階，畢竟無人駕駛技術(shù)具有超前和跨界的雙重特點，尚無一家車企來得及對此技術(shù)做出完整布局，我想，隨著賽事參與者經(jīng)驗地累積和不斷地學(xué)習(xí)探索，或許這個賽事確實是一個青年工程師的“搖籃”，為祖國輸送一批又一批的專業(yè)性人才。（圖/文/攝 汽車之家 蘇煒祺 圖片來源：蔚來官方）

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