FSC賽車發展現狀與未來趨勢分析

梁紹臻 陽林 劉高輝 陳日東 陳德升

（廣東工業大學，機電工程學院，廣州 510006）

主題詞：FSAE FSC 大學生賽車 發展現狀 趨勢分析

1 前言

FSAE自20世紀70年代末起，由國際汽車工程師學會（SAE International）開辦，已經有40年的歷史。該賽事面向高校在讀學生團隊，要求各支隊伍在一年時間內，設計出高性能且穩定的小型方程式賽車，同時留出足夠的空間讓學生團隊進行創新性設計。此賽事不僅僅涉及方程式賽車的設計和制造，還要考慮營銷、設計、成本等靜態項目，因此需要不同學科的人才組建車隊并共同完成賽車的研發[1]。至今，FSAE已發展為風靡全世界的年度學科競賽，在不同國家都有開展比賽，較著名的包括德國賽、美國賽、日本賽及中國賽。為了完成中國汽車強國的崛起，2010年中國汽車工程學會開辦第一屆中國大學生方程式汽車大賽FSC（Formula Student of China）比賽。創辦至今，已經有9年歷史，參賽高校隊伍超過100多支，系列賽事不斷豐富，賽事包括了油車、電車和無人車。對于未曾參加國內相關賽事的高校車隊來說，了解國內現階段情況，將有利于車隊的組建和賽車的研發。對于傳統國內車隊，為保證車隊實力穩居全國前列，不僅要了解國外車隊情況，同時要提前做好未來規劃，并爭取在國外賽事取得好成績。下文將對比國內外情況，分別介紹油車、電車和無人車的現階段賽事。之后，對FSC賽事未來趨勢進行分析，有助于讀者正確認識FSAE賽車。

2 方程式賽事現狀

2.1 燃油賽車發展現狀

FSC開辦之初，只設立了油車組FSC（Formula Stu?dent Combustion）的比賽，第一屆賽事吸引了中國二十所大學參加，隨著對汽車人才培養的不斷重視，國內各大知名汽車企業紛紛贊助和支持高校車隊的建設賽事規模不斷壯大，參賽隊伍也越來越多。2019年是FSCC賽事的第十年，今年總共有66支車隊參與角逐（圖1）。同時，國內車隊也積極參與國外賽事，豐富賽車研發經驗。油車組的賽事測試項目基本維持賽事成立初的狀態，具體包括：賽車技術檢驗、成本分析、營銷報告、設計報告、單項性能測試、耐久測試、燃油經濟性。

圖1 2019年FSCC賽事

FSC傳統強隊包括了同濟大學，吉林大學，哈爾濱工業大學，華南理工大學廣州學院等高校隊伍，各支車隊都在每年的賽事中展開了激烈的競爭。2018年吉林大學引入通風盤式制動器和單缸機械增壓動力總成等其他新技術，奪得了該年FSC總成績第一名，同時該賽車憑借碳纖維復合車身的優勢奪得了輕量化大獎第一名。18年FSC，第二、第三名分別是廣西科技大學和湖北汽車工業學院。18年吉林大學油車采用了新發動機，最大功率可達60 kW，在2 500～6 000 r/min的廣闊轉速范圍內保持82 N·m的有效轉矩輸出，全負荷最小有效燃油消耗率低于270 g/kW·h，總重量比上一代降低了20 kg以上，同時滿足了動力性和輕量化的需要。值得注意的是，比賽規則調整，發動機排量要被控制在710 cm3以下，這迫使國內其他高校適時地進行技術創新。

國外的FSAE起步較早，1981年在美國德克薩斯大學舉行第一屆FSAE比賽，實際參賽隊伍僅4支。如今美國賽已發展為每年都有接近200支隊伍參與的大型FSAE比賽。在2007年，美國塞耶工程學院舉辦了第一屆混合動力方程式比賽Formula Hybrid，在油車賽事基礎上做出了些修改，同時對燃油效率提出更高的要求。另外，德國賽FSG（Formula Student Germa?ny）、日本賽都是國際上較著名FSAE油車賽事，賽事要求和裁判水平也是頗高的。

2.2 燃油賽車發展現狀

“油電分離”后，首屆中國大學生電動方程式汽車大賽FSEC（Formula Student Electric China）在2015年11月3-7日在上海F1賽道舉辦[2]。FSEC每年吸引了吉林大學、哈爾濱工業大學、同濟大學等高校參加，并且2019年吸引了64所院校在線報名參加，最終確認了56支電動車隊為2019FSEC“報名車隊”。相比較2018最終確認了51支電動車隊為2018 FSEC“報名車隊”，增幅達到了10%。

2018年的珠海賽中，廣西科技大學鹿山學院、遼寧工業大學和哈爾濱工業大學分別獲得了FSEC的總成績前三名。鹿山學院是繼15年奪冠后的再次登頂，鹿山學院同時囊獲了輕量化大獎。FSG的電動方程式賽事起步比中國稍早，規則跟中國賽類似，但更完善，要求也更高。到2019年，FSG共計吸引了來自全球各地的39支大學生電動方程式FSE在線注冊車隊，其中包括德累斯頓工業大學、隆德大學、維戈大學等國際知名學校。近幾年越來越多有實力的中國高校車隊都有報名參加德國賽。

2.3 無人車國內外狀況

隨著無人駕駛技術不斷受到汽車業界的關注，2017年，中國汽車工程學會創辦第一屆無人駕駛方程式汽車大賽 FSAC（Formula Student Autonomous Chi?na），首屆比賽有7支隊伍參加比賽，北京理工大學強勢獲得當年的總冠軍。2018年，北京理工大學成功衛冕FSAC總冠軍，哈爾濱工業大學和遼寧工業大學分別奪得總成績的二、三名。第二屆的賽事共吸引了清華大學，北京理工大學等9支高校車隊參賽，車隊水平有了普遍提高。

根據規則，FSAC比賽可分為半自主循跡比賽和自主駕駛比賽兩類項目，無人賽車需要掌握識別錐桶，路徑決策和路徑規劃，以及軌跡跟蹤控制等關鍵技術，這也是各支高校車隊需要探索的地方[3]。北京理工大學是國內無人賽車研發實力最強的車隊之一，連續兩年獲得了FSAC的總冠軍。據報道，19年北理工無人賽車采用了雙電機后輪驅動，中置復合材料鋪層電池箱，可調式傳感器布置，基于深度神經網絡實時監測的視覺獨立感知，基于幾何分布的長短期記憶網絡的雷達獨立感知，無級可調式線控制動[4]。另外，哈爾濱工業大學，吉林大學和遼寧工業大學等高校車隊，在學院師生和商家贊助的支持下，積極進行無人駕駛方程式賽車的研發探索。還有不少有豐富FSEC參賽經驗的高校車隊正進行無人賽車的研究，有意在未來參加比賽。

德國也是第一批開辦無人駕駛方程式比賽的國家之一，2017年開辦第一屆比賽，比賽規模較中國賽的大，有部分是來自世界高校的參賽隊伍，其中包括了北京理工大學。該賽事共包括了4個動態和4個靜態的項目，要求賽車能夠完全的無人自主駕駛。fluela driverless表現突出，贏得了第一屆賽事的冠軍[5]。該屆比賽的參賽隊伍有不同的建立無人賽車的思路，有的偏向于動力學控制，有的更注重即時定位與地圖構建(Simultaneous Localization And Mapping,SLAM)和狀態估計，不同無人賽車的構建思路都值得我們參考和思量。

3 未來趨勢分析

FSAE賽車賽事的前景跟汽車業界、學術領域的發展密切相關。汽車工業上來看，傳統的汽車企業已經逐漸減少燃油車的研發投入，重點放在電動汽車，同時加大無人車的研發。學術領域的變化也類似，但不明顯，而且學術領域的研究一般具有超前性。下面將針對FSC，進行未來趨勢分析。

隨著各國對碳排放的重視，燃油車的市場占有率將逐漸降低。同樣的，燃油車組的比賽也會有類似的趨勢。學生團隊提高發動機的效率，提升油車動力性、經濟性的能力有限，可發揮創意的空間不多，很容易就遇到設計瓶頸。因此，各高校逐漸減少參加油車比賽是可預見的。

電動賽車的比賽情況將與油車的截然相反，預計將有越來越多的高校加入電車賽事中。距離理想的電動汽車還有一定的距離，以德國卡爾斯魯厄理工學院電工研究所為例，他們將永磁同步電機和凸極同步電機結合到一個新的混合設計中，設計并制造了直徑僅8 cm，長度僅12 cm，質量4.1 kg，卻能產生30 kW的連續功率和50 kW峰值功率的電機，使車隊在2016年贏得了世界錦標賽，但在電機、電池和電控等方面還有很多提升空間。國內車隊需要加大電機和賽車穩定性多下功夫，以保證電動賽車有良好的賽車駕駛性能。另外，隨著硬件性能的提升，電車賽事難度會增加，更注重考察賽車的電池續航、電控等能力。

無人賽車比賽項目是近兩年新興起的項目，未來在賽車要求、比賽項目等還有很多探索空間。無人賽車不可以簡單理解為電動賽車加上若干傳感設備和工業控制計算機，許多軟件框架需要車隊去搭建和完善，傳感器和其他硬件的融合也需要車隊深入探索。無人車的開發是在典型的汽車電子系統的開發（圖2）的基礎上形成的。德國無人賽車第一年的冠軍fluela driverless利用3D LiDAR和自主研發的慣性-視覺立體攝像系統進行環境感知，通過速度傳感器、集成了IMU(Inertial Measurement Unit)的慣性導航系統和GPS共同完成狀態估計的任務，無人駕駛情況可以達到時速90 km/h和10 m/s2的加速度。國內目前許多高校都在摩拳擦掌，研發其無人駕駛方程式賽車，未來中國FSAC的比賽將會出現群雄逐鹿的情況。

圖2 汽車電子系統開發流程

4 結束語

FSAE是汽車行業未來的風向標，是高校的學術交流平臺，更是創新人才的培育平臺。油車、電車及無人賽車都有其各自不同的現狀和未來發展趨勢，作為經歷著這一變化的當事人，高校師生應該根據自身情況做出選擇，為迎接未來中國成為汽車強國做好準備。