基于FSAC赛车的VCU整车控制策略开发.pdf
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1、第 61 卷 第 8 期Vol.61 No.82023 年 8 月August 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.08.035基于 FSAC 赛车的 VCU 整车控制策略开发李柯志,徐延海,李美斌,陈芃里,李嘉蕤(610039四川省成都市西华大学汽车与交通学院)摘要 在中国大学生无人驾驶方程式大赛(FSAC)中,整车控制器是纯电动赛车底层运动控制的核心,负责根据规划决策层的指令以及赛车实时状态,实现赛车运动控制、整车能量管理、比赛任务选择及故障处理等功
2、能。为满足 FSAC 赛事规则,针对 FSAC 赛车进行 VCU 整车控制策略的开发。基于 Simulink 软件搭建整车控制策略模型,并实现代码的自动生成,将生成的代码烧写至赛车的整车控制器;将赛车安全系统融入无人系统的各个状态,保证了系统的完整性。不考虑环境感知层和规划决策层的搭建和调试,最后的实验验证基于搭载完整的无人驾驶系统的 FSAC 赛车进行,测试数据充分验证了整车控制策略的有效性和赛车安全系统的可靠性。关键词 FSAC 赛车;整车控制器;整车控制策略;软件系统开发 中图分类号 U463.6 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)08-0170-07引用格式:李柯
3、志,徐延海,李美斌,等.基于 FSAC 赛车的 VCU 整车控制策略开发,2023,61(8):170-176.Development of VCU vehicle control strategy based on FSAC racing carLIKezhi,XUYanhai,LIMeibin,CHENPengli,LIJiarui(SchoolofAutomotiveandTransportation,XihuaUniversity,Chengdu610039,Sichuan,China)AbstractIntheFormulaStudentAutonomousofChina(FSAC)
4、,thevehiclecontrollerunitwasthecoreoftheunderlyingmotioncontrolofthepureelectricracingcar,responsibleformotioncontrol,wholevehicleenergymanagement,racetaskselectionandfaulthandlingoftheracingcaraccordingtotheoperationinstructionoftheplanninganddecisionlevelaswellasthereal-timestatusoftheracingcar.In
5、ordertocomplywithFSACrules,theentirevehiclecontrolstrategyofVCUwasdevelopedforFSACracingcars,theentirevehiclecontrolmodelwasconstructedbasedonSimulinksoftware,andautomaticcodegenerationwasimplemented.Thegeneratedcodewasthenburnedintothevehiclecontrollerunitoftheracecar,andtheracingsafetysystemwasint
6、egratedintothevariousstatesoftheautonomoussystem,ensuringtheintegrityofthesystem.Disregardingthebuildinganddebuggingoftheenvironmentsensinglayerandtheplanninganddecisionlayer,thefinalexperimentalvalidationwasconductedbasedontheFSACracingcarequippedwithacompleteautonomoussystem,andthetestdatafullyver
7、ifiedtheeffectivenessofthewholevehiclecontrolstrategyandthereliabilityoftheracingcarsafetysystem.Key wordsFSACracingcar;vehiclecontrollerunit;vehiclecontrolstrategy;softwaresystemdevelopment0 引言自中国大学生方程式系列大赛(FSC)的燃油车赛于 2010 年成功举办以来,大赛的发展趋向汽车行业的新四化(电动化、智能化、网联化、共享化)方向。FSAC 是其中汽车相关技术水平要求最高的赛事,涉及较多的专业学科
8、,包括汽车理论、机械基础、计算机技术等,其本质是一场关于汽车设计与制造的比赛,参赛队伍主要由高等院校的车辆工程或汽车相关专业的在校大学生组成。在纯电动无人赛车中,整车控制器(VCU)是电控系统的核心,可以根据规划决策层的操作指令以及车辆实时状态,实现赛车的运动控制、比赛任务选择、整车能量管理及故障处理等功能。为使赛车顺利通过赛事电气检查环节,并按照无人系统上层指令进行车辆运动控制,完成无人驾驶比赛任务,按照2021 中国大学生无人驾驶方程式大赛规则要求,开发出一套基于 FSAC 赛车的 VCU 整车控制策略,并按照规则要求将赛车安全系统写入 VCU 整车控制策略中。1 FSAC 赛车概述FSA
9、C 赛车保留电动赛车的基础机构和电气功能,加入了一套完整的无人驾驶智能控制系统。赛车的无人驾驶系统由环境感知层、规划决策层组成,其中,环境感知层包括差分 GPS、高清摄像头和激光雷达。摄像头录入的实时图像数据和激光雷收稿日期:2022-06-18171第 61 卷第 8 期达采集的实时点云数据分别通过 USB 和网络的通讯方式到达感知层信息处理系统,并进行数据融合,GPS 数据通过串口到达决策控制系统。规划决策层通过CAN总线把命令发送给车辆底层控制层,FSAC 赛车的无人驾驶系统结构如图 1 所示。车辆底层控制系统中,硬件与 VCU 的信息交互均通过 CAN 通信实现,包括转向角度传感器、加
10、速踏板传感器、制动踏板传感器、轮速传感器等底层车载传感器的数据经过处理也通过 CAN 总线将实际参数信息发送给 VCU,VCU 再按照目标数值分别对转向电机、驱动电机、制动电机进行输出控制与调节。按照赛事规则要求,赛车必须考虑到安全系统的介入,安全系统同样通过 CAN 通信与VCU 进行信息交互,包含 RES(遥控急停系统)和 EBS(紧急制动系统)。2 整车控制器概述整车控制器硬件选用了华海科技 RapidECU 整车快速控制原型,RapidECU-U2,ECUCoder 是基于 MATLAB/Simulink 的全自动代码生成工具,用于配置基础软件模型与 ECU 控制算法模型,并实现产品代
11、码的自动生成。支持意法、NXP/飞思卡尔等知名厂商的汽车电控系统主流芯片。ECUCoder 提 供 了 功 能 强 大 的 基 础 软 件Simulink 模块库,可以直观地配置基础软件参数并由 Simulink 模型自动生成基础软件代码。由于软件可以灵活、深层次地访问并配置基础软件参数,因此模型生成的基础软件代码可以支持控制器快速原型及产品开发 2 个阶段。RapidECU 的硬件资源为:主频为 80MHz 的 MPC5554 芯片,支持 3 路高速 CAN 通讯,系统供电电压为 932V,支持 4 路传感器供电输出;输入部分,支持 21 路模拟量输入、10 路高有效开关量输入、9 路低有效
12、输入、16 路频率量输入;输出部分,提供 4 路并行控制高端 PWM输出、8 路并行控制低端 PWM 输出,12 路并行控制低端开关量输出以及 4 路并行控制高端开关。3 整车控制策略开发VCU 整车控制策略主要由 MATLAB/Simulink编写生成。而 Simulink 模块支持多种单片机,适合进行嵌入式系统开发。通过其中图形化编程环境,可以按照预先指定的控制逻辑完成程序的编写,并通过 ECUCoder 进行自动代码生成,生成的代码可以通过 FreescaleCodewarrior 烧写至 VCU 中。本文在 MATLAB/Simulink 搭建整车控制模型是开发的中心环节,并着重考虑模
13、型架构问题,提高模型的可读性和延展性。如图 2 所示,整车控制模型的每个模块布局清晰、分工明确。RapidECUSetting 模块用于 CAN 通道的选择、波特率的大小设置等。VCU_KL_Read 模块进行赛车各个传感器数据读取。Controller 模块负责无人系统状态机、转向电机控制、制动电机控制和驱动电机控制。TASK_SCHEDULE 模块为任务调度模块。VCU_CAN_Read 模块用于接收上层 CAN 报文指令以及各传感器和各电机之间信息传递。InPut_Process 模块将读取到的传感器数据进行统一的运算处理。DIAG 模块用于诊断整车异常信息。CAN_SEND 模块用于向
14、各个执行机构发送 CAN 报文以及向上层反馈当前车辆状态信息。Signal_OutPut 模块主要用于 I/O 口的输出,控制蜂鸣器、灯、继电器的通断。基于 FSAC 赛车的 VCU 的开发主要采用“V”模式,所有控制策略与仿真模型都使用框图化的基本模块建立,主要包括控制方案的设计、离线仿真、快速控制原型、产品代码自动生成以及集成、硬件在环仿真测试与标定,如图 3 所示。首先充分理解赛事规则,提出需求;在此基础上设计整车控制策略,并实现代码自动生成,烧写至赛车的 VCU;利用上位机软件快速标定;通过Simulink 与 CarSim 联合仿真评估控制策略可行性;图 1 无人驾驶系统结构Fig.
15、1 Autonomous system structure图 2 整车控制模型Fig.2 Vehicle control model李柯志等:基于 FSAC 赛车的 VCU 整车控制策略开发172农业装备与车辆工程 2023 年最后通过实车比赛项目实验进行验证。本文采用的 Simulink 版本为 R2014a32 位,编译后自动生成标准的 A2L 文件,经过简单设置就可利用各种常见的上位机软件对 RapidECU 进行实时在线标定。本文选用的标定软件为 MeCa,是通用的 VCU 测量标定工具,可以实时采集和显示VCU 内部数据,同时可对 VCU 内部参数进行在线调整。此外,MeCa 还提供
16、自动测量与标定功能,VCU 程序刷写与升级功能等。MeCa 支持基于 CAN的 CCP 协议,以此实现上下位机之间的通信。通过接收并处理各种传感器信号,VCU 可以实现完整的整车控制逻辑。其输出主要包括模拟量、开关量、PWM、CAN 通信等。按照 FSAC 大赛赛事规则编写完成的 VCU 程序可以对驱动电机、转向电机、制动电机、电压驱动、指示灯等模块进行控制。在完成程序烧写后,VCU可以自动完成整车的简单控制逻辑。通过 CAN 总线以不同速度向各控制部分传输信号,能够实现赛车在有人模式或无人驾驶模式下安全平稳运行。在 有 人 驾 驶模 式 下,VCU 需要读取 APPS(加速踏板传感器)的数据
17、,完成对电机转速以及转矩的控制。同时,制动踏板传感器的数据也需要被读取,以完成有人模式下的起步与制动。在控制逻辑中,必须考虑加速度传感器与制动踏板传感器的顺位与冲突,以保证同时踩下踏板时的安全性。此时,车辆装配的感知模块不发生作用,由车手来控制整车的姿态变化。在无人驾驶模式下,控制车辆姿态的决策层由车手变为车辆内置的工控机。车辆通过读取摄像头与激光雷达的感知信号,通过工控机完成对场景的识别与扫描,进行环境感知、实时路径规划等任务,如方位角,高、低位转角等指令经由高速 CAN-A信道传送至 VCU。VCU 再将处理的控制信号分别通过 CAN-A 下发传输至转向电机,制动电机,通过 CAN-B 下
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