【应用案例】如何解决无人驾驶车辆的动力转向问题

埃尔朗根-纽伦堡大学名称为高能赛车运动队(High-Octane Motorsports e.V.)的学生方程式车队都设计、构建和制造具有创新意义且独特的赛车。然后，他们将参加三种不同类别的大学生方程式比赛；该项赛事中的参赛队伍来自于世界各地。

电动、无人驾驶和燃油车全部三个类别都面临巨大挑战。本文介绍这些学生如何解决无人驾驶车辆的动力转向问题。该概念描述了在转向柱上执行转向要求的全部必要力。为了确保所有相关人员，特别是驾驶人员的安全，大学生方程式比赛中的自动转向系统通常采用非常严格的规则。

由于自动驾驶赛车也必须能够在手动模式下驾驶，所以车辆具有可手动操作的方向盘，带有传统的转向柱。为了将电动机的扭矩传递到转向杆，决定集成第二个转向杆，通过钣金弯曲件连接到手动转向杆。BLDC电机连接行星齿轮箱，之后行星齿轮箱的输出轴转换到我们自主开发的转向器，其中一个小齿轮连接到齿条。

通过各种测量技术，团队能够确定转向柱上以及手动转向器的小齿轮上相对精确的扭矩，这是车辆静止时转向所必需的。由于高能赛车运动队的手动转向器中的传动比与“自动转向器”中的传动比相同，所以紧凑型驱动的输出轴上所需的扭矩与通过传感器确定的所需扭矩及转速相同。静止时所需扭矩为15 Nm。但是，该值在赛车历史上几乎没有发现过，因为在静止状态几乎没有必要进行操控。由于在驾驶时扭矩减小很多倍，所以在设计驱动时可充分考虑这一事实。

根据平均转向速度，可确定伺服电机的转速。平均值(绝对值)为403.2°/s，相当于67.2rpm。但是，对于自动驾驶汽车，平均值可设定得较低。

如上所述，速度为大约100rpm时，输出轴上要求的最大扭矩为15Nm。根据直流无刷电机的数据手册，可以假设标称扭矩为 Mnenn = 0.47Nm，得到的输出扭矩为：Mab = 0,47Nm∗ 32,72 = 15,4 Nm。此外，可以在数据手册中发现，标称转速nnenn=3500rpm出现在24V时。但是，所用电池只能提供最大16.5V的电压，因此可计算出降低后的速度大约为nred=3500 *16/24=2333rpm。根据nred，可计算出行星齿轮箱的输出轴上的转速：nab=2333rpm / 32,72=71,3rpm。计算表明，达到了电机的最大扭矩和足够的标称转速，在输出轴上产生足够的转速。此外，行星齿轮的规定最大输出扭矩为42.7Nm，最大输出速度为10913rpm，任何时间都不会过载。

在电子部件方面，已经开发了支持步进电机的功能控制和调节。但是，本赛季改为直流无刷电机(BLDC)，通常能够利用相应的减速比更快、更精确地控制转向。为了能够评估向BLDC的转变，从Nanotec公司申请了一台新型、更强大的步进电机和一台BLDC。为了能够评估这两款引擎，团队使用了TMC4671-10A70V-EV-KIT。

由于这涉及到第一块BLDC控制板，所有导体走线厚度的设计能够满足其最大峰值电流。此外，还包括更多的电机电流测量选项(相位测量和总电流测量)，便于有尽可能多的实测值可用于在第一块电路板验证整个系统。选择以上所述评估套件中提供的TMC4671-LA作为基础。

电路板的设计分为两部分。其中包括高电机电流(高达30A)的流经通路尽可能短的部分。这样可减少“接地反弹”等干扰特性或有害的小信号电子部件电压崩溃。为了使电流获得尽可能宽的流动范围，电路板采用4层设计，铜厚度为70μm。

由于电流测量非常多和原型生产的原因，电路板的测量工作变得非常大，在未来赛季将有所减少。为此，已经考虑了新的布局。此外，在将来的赛季中，该团队今年的插头问题将得以解决，所有插头将采用更小的规格集成到电路板上。

为了确保电路板能够防水、防潮地安装在无车架式车身中，高能赛车运动队设计了一种3D打印的外壳，然后通过防振蘑菇搭扣安装到无车架式车身。