基于STM32的無人駕駛電動方程式賽車整車控制器設計

閆豐雨 楊善卿

摘 要：使用STM32芯片、通訊芯片和電子開關器件完成整車控制器硬件設計，然后使用Matlab/Simulink完成整車控制器硬基礎接口模塊進行設計，最后通過STM公司的stm32MX cube編譯軟件直接生成可以滿足控制器使用的應用層代碼。而且該控制器配備了EBS模塊，用于滿足整個無人駕駛方程式賽車在執行無人任務時，保證整車安全。

關鍵詞：無人駕駛;電動方程式;整車控制器

0 引言

整車控制器是整個純電動無人駕駛方程式賽車的核心控制部件，整車控制器主要功能為運行智能算法，通過CAN總線通訊、RS485通訊、RS232串口通訊以及普通IO口通訊對整車的執行部件進行智能控制。EBS（緊急制動系統）則是通過監測整車的通訊狀態、運行狀態以及硬件的工作狀態后對整車進行安全狀態判斷，做出主動處理，實現緊急制動，確保整車以及駕駛員的安全。整車控制器采用意法半導體的STM32F4系列的芯片STM32F405RGT6，內核為ARM Cortex-M4。內核處理速度高，車輛信息處理迅速。該芯片不僅內核主頻高，而且還具有非常豐富的外設。例如有bxcan控制器，nvic中斷控制器，串口，DMA，SPI，IIC，GPIO等。針對控制器的要求會使用的功能主要集中在CAN通訊，串口通訊及DMA，GPIO等開關量控制。

1 硬件設計

1.1 通用I/O接口設計

豐富的輸入輸出接口增加了控制器的功能性。對整車的開關部件控制、傳感器數據的采集、開關量數據的采集以及對PWM信號控制的舵機進行精準控制。

（1）輸入接口主要包括模擬量輸入與開關量輸入，主要為了采集外部開關信號與模擬量的大小，滿足整車控制信息采集與監測。

（2）輸出接口主要為模擬量輸出、開關量輸出與PWM輸出方式，為滿足無人駕駛賽車的指示燈與開關控制，并且PWM信號可以滿足無人駕駛方程式賽車上的制動舵機控制。

1.2 通訊模塊設計

CAN通訊、485通訊和232通訊，多種通訊方式可以提高控制器的兼容性，方便匹配各種通訊方式的其他控制器來對整車進行控制。

1.3 緊急制動模塊設計

（1）邏輯處理單元。主要由兩個74系列或非門芯片對整車的供電狀態進行監控，當發生故障時，該芯片通過邏輯判斷出故障設備，并直接通過輸出電平變化來驅動繼電器控制電磁閥開關。直接觸發緊急制動機械系統實現停車。電路原理圖如圖3所示：

（2）狀態鎖存單元。該裝置不僅可以對故障進行判斷處理，而且還可以將故障狀態鎖存住，只有將整車關閉后，修復故障，才可以解除安全狀態。主要實現由三個雙路繼電器搭成的鎖存電路，如圖所示：

（3）自身供電保護單元。如果處于無人駕駛狀態期間，EBS自身供電出現故障，將無法監測整車的安全狀態。所以這種危險我們一定要進行處理。因此在該裝置上添加了自身供電自檢，并通過電容放電的方式來給EBS提供足夠的能量實現整車斷電并執行緊急停車。

（4）機械氣缸制動驅動單元。當邏輯單元對故障判斷后，會輸出相應的錯誤電平控制繼電器電平變化，驅動電磁閥觸發氣缸，實現緊急停車。

有人駕駛時，該裝置不參與緊急制動的控制，完全由人對整車的制動狀態進行控制。所以通過繼電器來將有人與無人駕駛狀態區分開，防止該裝置緊急停車后，對駕駛員的操縱性影響。

（5）EBS裝置的特性。實時性：該裝置從整車進入無人駕駛狀態，實時對整車的硬件電路、通訊狀態進行監控。快速性：機械部分采用高壓氣體帶動氣缸工作，硬件部分使用電磁閥控制開關。保證了該裝置的實時性。安全性：為防止硬件板自身供電故障，加入了自身安全檢查，當自身故障時同時可以實現緊急停車，大大提高了該裝置的安全性。機械執行機構：緊急制動系統的機械部分，由高壓氣瓶提供制動的能量，氣缸作為執行機構，拉動制動踏板瞬間抱死四個車輪實現緊急制動。

1.4 數據采集模塊設計

數據采集模塊主要是為了滿足我們無人駕駛賽車正常行駛過程中的數據記錄，方便整個車輛控制算法的驗證與調試。

本設計采用Nand Flash存儲器K9F1G08UOB芯片，我們使用FAT文件系統進行存儲數據。

存儲的數據在車輛運行結束后，使用USB接口將數據傳輸到電腦上位機中，也可以將數據存儲在內存中，通過excel表格的形式存儲。然后我們直接從內存中調取表格中的數據，在電腦中顯示。

2 軟件設計

基礎軟件接口模塊設計主要根據硬件要求，使用MATLAB/Simulink封裝成simulink基礎模塊并且安裝在simulink庫中，接口主要包括通用輸入輸出接口、串行通訊接口、CAN通訊接口。

我們使用STM32MX cube和Simulink聯合生成控制器標準代碼，首先我們在STM32MX cube軟件中將芯片的各個引腳功能定義完成，接下來配置時鐘模塊，根據系統工作要求我們選用72MHZ的最大時鐘頻率。整個功能配置完成之后我們使用simulink加載配置文件，然后使用simulink將各個引腳封裝成基礎模塊。最后直接通過存庫的方式將這些基礎模塊封裝成庫安裝在simulink中方便用戶使用。我們還為EBS、數據采集與USB通訊設計了幾個直接可以調用的基礎模塊，這樣方便后期使用，縮短開發周期。

3 結束語

（1）該控制器在滿足無人駕駛方程式賽車的整車控制功能以外，還將EBS功能與數據采集功能集成在一個控制器內部，這樣設計節省了空間，提高了控制器性能。

（2）數據采集功能為調車工作提供了大量的數據支持，通過采集到的數據，我們可以快速定位算法的問題所在，并且解決它。

參考文獻：

[1]付文杰.基于自動代碼生成的低速柴油機電控系統軟件設計[D].哈爾濱工程大學，2019.

[2]陳攀，張承瑞，羅映.利用MATLAB/RTW的嵌入式代碼自動生成與整合[J].小型微型計算機系統，2018，39（04）：738-741.

[3]洪曉君，朱磊.基于MATLAB/RTWEC自動代碼生成技術整車控制器快速原型開發[J].機電一體化，2014，20（08）：47-52.

[4]熊宇舟，劉平，楊嘉陵.新的基于全自動代碼模型設計的整車控制器軟件開發方法[J].電子測量技術，2018，41（24）：127-133.

[5]許保同，楊國亮，吳奇.基于Simulink的純電動汽車VCU控制策略設計方法[J].汽車工程師，2016（05）：19-21.

作者簡介：閆豐雨（1995-），男，黑龍江克山人，研究生在讀，研究方向：純電動汽車控制與驅動控制。