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【應用案例】如何解決無人駕駛車輛的動力轉向問題?

【應用案例】如何解決無人駕駛車輛的動力轉向問題?

每年埃爾朗根-紐倫堡大學名稱為高能賽車運動隊(High-Octane Motorsports e。V。)的學生方程式車隊都設計、構建和製造具有創新意義且獨特的賽車。然後,他們將參加三種不同類別的大學生方程式比賽;該項賽事中的參賽隊伍來自於世界各地。電動、無人駕駛和燃油車全部三個類別都面臨巨大挑戰。本文介紹這些學生如何解決無人駕駛車輛的動力轉向問題。該概念描述了在轉向柱上執行轉向要求的全部必要力。為了確保所有相關人員,特別是駕駛人員的安全,大學生方程式比賽中的自動轉向系統通常採用非常嚴格的規則。

由於自動駕駛賽車也必須能夠在手動模式下駕駛,所以車輛具有可手動操作的方向盤,帶有傳統的轉向柱。為了將電動機的扭矩傳遞到轉向杆,決定整合第二個轉向杆,透過鈑金彎曲件連線到手動轉向杆。BLDC電機連線行星齒輪箱,之後行星齒輪箱的輸出軸轉換到我們自主開發的轉向器,其中一個小齒輪連線到齒條。

【應用案例】如何解決無人駕駛車輛的動力轉向問題?

透過各種測量技術,團隊能夠確定轉向柱上以及手動轉向器的小齒輪上相對精確的扭矩,這是車輛靜止時轉向所必需的。由於高能賽車運動隊的手動轉向器中的傳動比與“自動轉向器”中的傳動比相同,所以緊湊型驅動的輸出軸上所需的扭矩與透過感測器確定的所需扭矩及轉速相同。靜止時所需扭矩為15 Nm。但是,該值在賽車歷史上幾乎沒有發現過,因為在靜止狀態幾乎沒有必要進行操控。由於在駕駛時扭矩減小很多倍,所以在設計驅動時可充分考慮這一事實。

根據平均轉向速度,可確定伺服電機的轉速。平均值(絕對值)為403。2°/s,相當於67。2rpm。但是,對於自動駕駛汽車,平均值可設定得較低。

如上所述,速度為大約100rpm時,輸出軸上要求的最大扭矩為15Nm。根據直流無刷電機的資料手冊,可以假設標稱扭矩為 Mnenn = 0。47Nm,得到的輸出扭矩為:Mab = 0,47Nm ∗ 32,72 = 15,4 Nm。此外,可以在資料手冊中發現,標稱轉速nnenn=3500rpm出現在24V時。但是,所用電池只能提供最大16。5V的電壓,因此可計算出降低後的速度大約為nred=3500 *16/24=2333rpm。根據nred,可計算出行星齒輪箱的輸出軸上的轉速:nab=2333rpm / 32,72=71,3rpm。計算表明,達到了電機的最大扭矩和足夠的標稱轉速,在輸出軸上產生足夠的轉速。此外,行星齒輪的規定最大輸出扭矩為42。7Nm,最大輸出速度為10913rpm,任何時間都不會過載。

【應用案例】如何解決無人駕駛車輛的動力轉向問題?

在電子部件方面,已經開發了支援步進電機的功能控制和調節。但是,本賽季改為直流無刷電機(BLDC),通常能夠利用相應的減速比更快、更精確地控制轉向。為了能夠評估向BLDC的轉變,從Nanotec公司申請了一臺新型、更強大的步進電機和一臺BLDC。為了能夠評估這兩款引擎,團隊使用了TMC4671-10A70V-EV-KIT。

由於這涉及到第一塊BLDC控制板,所有導體走線厚度的設計能夠滿足其最大峰值電流。此外,還包括更多的電機電流測量選項(相位測量和總電流測量),便於有儘可能多的實測值可用於在第一塊電路板驗證整個系統。選擇以上所述評估套件中提供的TMC4671-LA作為基礎。

【應用案例】如何解決無人駕駛車輛的動力轉向問題?

電路板的設計分為兩部分。其中包括高電機電流(高達30A)的流經通路儘可能短的部分。這樣可減少“接地反彈”等干擾特性或有害的小訊號電子部件電壓崩潰。為了使電流獲得儘可能寬的流動範圍,電路板採用4層設計,銅厚度為70μm。

由於電流測量非常多和原型生產的原因,電路板的測量工作變得非常大,在未來賽季將有所減少。為此,已經考慮了新的佈局。此外,在將來的賽季中,該團隊今年的插頭問題將得以解決,所有插頭將採用更小的規格整合到電路板上。

為了確保電路板能夠防水、防潮地安裝在無車架式車身中,高能賽車運動隊設計了一種3D列印的外殼,然後透過防振蘑菇搭扣安裝到無車架式車身。