第二十一屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽總決賽的調(diào)試區(qū)比我想象中要吵得多。電機(jī)嘯叫、風(fēng)扇聲、對(duì)講機(jī)聲混在一起地面上隨處是拆下來(lái)的輪轂、彈簧腿和排線。我站在英飛凌輪腿穿越組的備賽區(qū)域旁邊看一支隊(duì)伍把一個(gè)剛剛跳完障礙、還在微微發(fā)顫的輪腿機(jī)器人抬回工位開(kāi)始讀遙測(cè)日志。這是第21屆比賽里我印象最深的畫(huà)面——以前的智能車(chē)拼的是貼著地面跑的速度和穩(wěn)定性現(xiàn)在的輪腿穿越組要求你用輪子加速、用腿越過(guò)障礙等于把“車(chē)”和“機(jī)器人”兩個(gè)命題硬生生焊在了一起。這篇現(xiàn)場(chǎng)采訪筆記我想結(jié)合我在場(chǎng)邊看到的隊(duì)伍狀態(tài)、聽(tīng)到的技術(shù)討論以及我自己做電機(jī)驅(qū)動(dòng)和嵌入式開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)把輪腿穿越組背后的技術(shù)點(diǎn)拆開(kāi)講講英飛凌的TC264與AURIX開(kāi)發(fā)環(huán)境、PMSM電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案、動(dòng)態(tài)前瞻路徑跟蹤以及那些只有真到比賽現(xiàn)場(chǎng)才看得見(jiàn)的坑。不管你是正在備賽的隊(duì)員、帶隊(duì)的老師還是做輪足機(jī)器人相關(guān)項(xiàng)目的工程師這篇內(nèi)容都能幫你少走不少?gòu)澛贰?. 輪腿穿越組一場(chǎng)從“車(chē)速”到“機(jī)器人”的規(guī)則革新1.1 從平路競(jìng)速到越障穿越賽制到底改了什么全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽這些年一直在變。早期的電磁、攝像頭組說(shuō)白了就是讓車(chē)模沿著賽道高速跑考驗(yàn)的是傳感器濾波、轉(zhuǎn)向控制和極限速度下的穩(wěn)定性。但從第20屆開(kāi)始出現(xiàn)的輪腿相關(guān)組別和第二十一屆正式全面鋪開(kāi)的英飛凌輪腿穿越組規(guī)則邏輯完全換了方向車(chē)不再是四個(gè)輪子貼地跑而是采用輪腿式結(jié)構(gòu)wheel-legged在賽道中要完成上下坡、穿越障礙甚至跳躍動(dòng)作。這種規(guī)則變化背后有很現(xiàn)實(shí)的原因。平路競(jìng)速的天花板太明顯了——當(dāng)一輛車(chē)已經(jīng)能穩(wěn)定跑出很快的速度時(shí)剩下能優(yōu)化的東西反而變成了車(chē)模的機(jī)械極限而不是學(xué)生能力而加上障礙、臺(tái)階、顛簸路面之后速度只是結(jié)果真正的難點(diǎn)變成了怎么在復(fù)雜的機(jī)械動(dòng)力學(xué)條件下保持穩(wěn)定和控制。我采訪的幾支隊(duì)伍里基本沒(méi)有哪支是直接沿用上一屆代碼的全都得從機(jī)械結(jié)構(gòu)開(kāi)始重新設(shè)計(jì)。1.2 輪腿機(jī)構(gòu)的機(jī)械紅利與工程代價(jià)輪腿結(jié)構(gòu)最大的紅利是“通過(guò)性”。輪子負(fù)責(zé)快速平順地前進(jìn)腿負(fù)責(zé)在障礙物面前提供額外的自由度——可以抬起、可以彈跳、可以在落地的瞬間吸收沖擊?，F(xiàn)場(chǎng)看到的主流方案有兩種一種是后輪驅(qū)動(dòng)加前腿跳躍一種是四輪獨(dú)立懸掛里加入主動(dòng)抬腿機(jī)構(gòu)。前一種更像“能跳的車(chē)”后一種更像“帶輪子的機(jī)器人”。兩種方案對(duì)MCU實(shí)時(shí)性和電機(jī)響應(yīng)速度的要求都非常高。代價(jià)也很明顯。輪腿結(jié)構(gòu)讓整車(chē)重心比普通車(chē)模高出一截急轉(zhuǎn)彎時(shí)側(cè)傾力矩變大跳躍落地時(shí)如果姿態(tài)環(huán)跟不上很容易直接翻車(chē)。我現(xiàn)場(chǎng)看到不少隊(duì)伍的調(diào)試過(guò)程就是在反復(fù)做三件事調(diào)重心、調(diào)避震、調(diào)落地瞬間的電機(jī)力矩。機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了這臺(tái)車(chē)“能不能跳”控制算法決定它“跳完之后還能不能跑”——這兩件事在輪腿組里是強(qiáng)耦合的任何一方掉鏈子整車(chē)表現(xiàn)都會(huì)立刻露餡。2. 英飛凌AURIX平臺(tái)為什么大家都繞不開(kāi)TC2642.1 TC264的性能定位與選型邏輯輪腿穿越組指定使用英飛凌平臺(tái)這個(gè)約束本身就把技術(shù)棧拉齊了。絕大多數(shù)參賽隊(duì)伍接觸到的第一款A(yù)URIX芯片就是TC264TriCore內(nèi)核主頻200MHz片內(nèi)集成FPU和DSP指令還有專門(mén)為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的GTM定時(shí)器模塊和12位ADC。對(duì)智能車(chē)這種對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的場(chǎng)景來(lái)說(shuō)TC264的性能上限非常夠用而且很多做競(jìng)速組的隊(duì)伍本來(lái)就用它代碼和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)可以直接遷移一部分。但輪腿組和競(jìng)速組有個(gè)本質(zhì)區(qū)別競(jìng)速組主要是“讀傳感器→控制轉(zhuǎn)向→跑”輪腿組還要疊加姿態(tài)解算、步態(tài)決策、跳躍時(shí)序這些任務(wù)。TC264在跑FOC電流環(huán)加姿態(tài)環(huán)加路徑規(guī)劃時(shí)CPU占用率往往已經(jīng)超過(guò)一半。我現(xiàn)場(chǎng)聽(tīng)到一個(gè)隊(duì)伍吐槽“原來(lái)跑攝像頭組的時(shí)候TC264閑得很現(xiàn)在加了IMU解算和跳躍狀態(tài)機(jī)一看CPU Load直接飆到70%”。所以選型不是看芯片好不好而是看你有沒(méi)有把算力花在刀刃上。2.2 ADS編譯器的上手路線與常見(jiàn)坑很多隊(duì)伍從Keil或STM32轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)第一道坎就是英飛凌的開(kāi)發(fā)環(huán)境。英飛凌官方的AURIX Development StudioADS是個(gè)免費(fèi)的Eclipse IDEGCC編譯鏈不需要許可證這點(diǎn)對(duì)學(xué)生極其友好相對(duì)而言Tasking編譯器雖然性能好、代碼密度高但授權(quán)費(fèi)用不是每個(gè)學(xué)校都愿意掏。所以現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)了一圈絕大多數(shù)人用的都是ADS少數(shù)用IAR。ADS最初的坑集中在三點(diǎn)下載、工程模板、iLLD庫(kù)路徑。先說(shuō)下載ADS安裝包本身就大國(guó)內(nèi)下載速度不穩(wěn)定建議直接去英飛凌官網(wǎng)注冊(cè)后下載或者找已經(jīng)裝好的隊(duì)友拷貝整個(gè)安裝目錄。再說(shuō)模板新建工程時(shí)最好直接選“AURIX TC26x”對(duì)應(yīng)的空工程模板不要把例程里的一堆demo代碼直接拷進(jìn)來(lái)否則后面想加自己的模塊時(shí)例程里的外設(shè)初始化會(huì)和你的代碼打架。最后是iLLD建議把英飛凌的iLLD庫(kù)放在工程外部的固定目錄通過(guò)路徑引用而不是把整個(gè)LIB文件夾復(fù)制進(jìn)每個(gè)工程否則庫(kù)一更新所有工程都得重弄一遍。2.3 GTM、iLLD與MCAL底層資源怎么分配對(duì)輪腿組來(lái)說(shuō)GTM是整塊芯片里最值得花時(shí)間研究的外設(shè)。GTM不是一個(gè)簡(jiǎn)單的定時(shí)器它內(nèi)部有多個(gè)子模塊其中最常用的兩個(gè)是TOM和TIMTOM用來(lái)生成PWM波形TIM用來(lái)做輸入捕獲接編碼器或者霍爾傳感器都很方便。很多同學(xué)第一次配GTMPWM不出波大概率不是代碼寫(xiě)錯(cuò)而是忘了給CMU時(shí)鐘管理單元配置正確的時(shí)鐘源和分頻系數(shù)。GTM和普通定時(shí)器的思維模型完全不同它是“時(shí)鐘樹(shù)子模塊通道”的三層結(jié)構(gòu)建議先畫(huà)個(gè)圖再配寄存器。MCAL則代表了另一個(gè)方向。AURIX還可以用EB tresos配置AUTOSAR MCAL驅(qū)動(dòng)包這是車(chē)企做ECU的主流路線。競(jìng)賽里用MCAL的人很少因?yàn)閕LLD這種輕量級(jí)驅(qū)動(dòng)庫(kù)對(duì)單核MCU的開(kāi)發(fā)效率更高。但我建議參賽隊(duì)員至少花點(diǎn)時(shí)間了解MCAL是什么、EB tresos怎么生成代碼——因?yàn)槟惝厴I(yè)后面試做汽車(chē)電子的公司時(shí)聊AURIX加MCAL幾乎是必考題而競(jìng)賽里正好給了你接觸AURIX硬件的機(jī)會(huì)。在iLLD和MCAL之間做選擇本質(zhì)是在“快速開(kāi)發(fā)調(diào)試”和“工程化標(biāo)準(zhǔn)化”之間做取舍。3. PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輪腿機(jī)器人的動(dòng)力核心3.1 為什么輪腿組離不開(kāi)PMSM比賽現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)一圈會(huì)發(fā)現(xiàn)輪腿組的電機(jī)清一色都是PMSM永磁同步電機(jī)基本看不到傳統(tǒng)競(jìng)速組里那種直流有刷電機(jī)或者普通無(wú)刷電機(jī)。原因很直接輪腿機(jī)器人需要在極短時(shí)間內(nèi)輸出大扭矩來(lái)完成跳躍、落地緩沖、急加速度變化有刷電機(jī)的碳刷磨損和換向火花在高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下是致命問(wèn)題而PMSM的轉(zhuǎn)子是永磁體沒(méi)有換向機(jī)構(gòu)效率高、力矩密度大、調(diào)速范圍寬天生適合這種爆發(fā)力場(chǎng)景。而且英飛凌在PMSM驅(qū)動(dòng)這條鏈路上有完整方案MCU負(fù)責(zé)FOC算法門(mén)驅(qū)動(dòng)芯片負(fù)責(zé)把MCU輸出的3.3V PWM信號(hào)放大成能驅(qū)動(dòng)MOSFET的電壓三相全橋負(fù)責(zé)把母線電壓變成可控的交流電壓給電機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)很多隊(duì)伍直接采用“MCU驅(qū)動(dòng)芯片三相全橋編碼器”的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)方案成熟調(diào)試時(shí)大家互相也有參考。核心區(qū)別就在于FOC代碼是自己寫(xiě)的、用官方庫(kù)改的還是直接用帶算法集成的專用芯片——這也決定了你在場(chǎng)上的調(diào)試上限。3.2 FOC控制鏈路從電流采樣到SVPWMFOC磁場(chǎng)定向控制是PMSM驅(qū)動(dòng)的核心算法。簡(jiǎn)單說(shuō)就是把三相交流電流通過(guò)Clark變換和Park變換從靜止的abc坐標(biāo)系變換到隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系讓電流控制變成兩個(gè)直流量d軸勵(lì)磁電流和q軸轉(zhuǎn)矩電流。這樣一來(lái)電機(jī)控制的思路就退化成兩個(gè)獨(dú)立PID控制極大地簡(jiǎn)化了高動(dòng)態(tài)下的力矩控制?，F(xiàn)場(chǎng)和隊(duì)伍聊下來(lái)成熟方案基本是三環(huán)結(jié)構(gòu)電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)電流環(huán)頻率做到10kHz以上速度環(huán)1kHz以上位置環(huán)根據(jù)場(chǎng)景放在200Hz到1kHz之間。實(shí)現(xiàn)FOC的最后一公里是SVPWM空間矢量調(diào)制。它比傳統(tǒng)的SPWM電壓利用率更高同樣母線電壓下能輸出更大的相電壓幅值這對(duì)比賽來(lái)說(shuō)就是同樣的電池容量能跑出更高的速度。但SVPWM的代碼量不算小而且對(duì)PWM頻率和死區(qū)配置很敏感?，F(xiàn)場(chǎng)有個(gè)隊(duì)伍讓我看他們的相電流波形明顯帶尖峰一問(wèn)才知道是死區(qū)時(shí)間設(shè)太長(zhǎng)電流采樣窗口又正好落在死區(qū)附近采出來(lái)的電流不干凈導(dǎo)致電流環(huán)抖動(dòng)。這種問(wèn)題不是看PDF能發(fā)現(xiàn)的必須用示波器加電流探頭實(shí)測(cè)才能定位。3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)電機(jī)發(fā)熱、噪聲與PID調(diào)參經(jīng)驗(yàn)比現(xiàn)場(chǎng)更真實(shí)的是調(diào)試區(qū)的各種“病”。我注意到不少隊(duì)伍都很在意電機(jī)溫度因?yàn)檩喭葯C(jī)器人的電機(jī)經(jīng)常工作在堵轉(zhuǎn)邊緣——跳躍發(fā)力瞬間電流可以到額定值的幾倍要是電機(jī)過(guò)熱退磁力矩會(huì)斷崖式下降。一個(gè)隊(duì)員分享的實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)是先用溫度貼紙監(jiān)控電機(jī)外殼溫度連續(xù)跑10次跳躍動(dòng)作如果溫度超過(guò)80°C先別急著改PID而要先查機(jī)械阻力和電流環(huán)采樣是否正常因?yàn)榘l(fā)熱大概率是電流失控或者機(jī)械卡頓而不是PID參數(shù)不精致。PID調(diào)參方面輪腿組有一個(gè)和競(jìng)速組很不一樣的體驗(yàn)競(jìng)速組調(diào)轉(zhuǎn)向PID可以慢工出細(xì)活輪腿組的電流環(huán)如果參數(shù)不對(duì)電機(jī)立刻嘯叫?，F(xiàn)場(chǎng)聽(tīng)到一個(gè)比較實(shí)用的小技巧電流環(huán)的I分量不要一開(kāi)始就拉太高先只調(diào)P讓電流跟隨目標(biāo)值等電流波形沒(méi)有明顯超調(diào)再慢慢加I消除穩(wěn)態(tài)誤差速度環(huán)用PI就夠了D項(xiàng)在這個(gè)環(huán)節(jié)通常只會(huì)放大編碼器噪聲。調(diào)完三環(huán)之后再用前饋把姿態(tài)環(huán)和速度環(huán)的解耦做好比盲目堆高增益有效得多。4. 動(dòng)態(tài)前瞻與運(yùn)動(dòng)控制輪腿“怎么跑得穩(wěn)”的關(guān)鍵4.1 純跟蹤模型前瞻距離背后的幾何本質(zhì)動(dòng)態(tài)前瞻這個(gè)詞在智能車(chē)圈子里出現(xiàn)的頻率越來(lái)越高尤其到了有連續(xù)彎道障礙的輪腿賽道。它的本質(zhì)可以追溯到經(jīng)典的純跟蹤Pure Pursuit幾何模型從后軸中心出發(fā)在目標(biāo)路徑前方找到一個(gè)距離為L(zhǎng)d的前瞻點(diǎn)然后計(jì)算當(dāng)前車(chē)頭方向與該點(diǎn)的夾角α代入轉(zhuǎn)向公式δ atan(2L sinα / Ld) 得到需要的轉(zhuǎn)向角。其中L是軸距Ld就是最核心的調(diào)節(jié)參數(shù)。前瞻距離Ld決定了軌跡跟蹤的“激進(jìn)程度”Ld很小車(chē)會(huì)更貼路徑但在高速下容易振蕩Ld很大車(chē)會(huì)更平滑但過(guò)急彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的切彎誤差。所以工程上最常見(jiàn)的做法不是選一個(gè)固定Ld而是讓它和車(chē)速成正比Ld k * v b。低速時(shí)用較短的前瞻保證貼線精度高速時(shí)自動(dòng)拉長(zhǎng)前瞻抑制振蕩。這個(gè)思路在現(xiàn)場(chǎng)很多隊(duì)伍的代碼里都能看到區(qū)別只在系數(shù)標(biāo)定和濾波處理上。4.2 動(dòng)態(tài)前瞻的工程實(shí)現(xiàn)不能只調(diào)一個(gè)系數(shù)動(dòng)態(tài)前瞻聽(tīng)起來(lái)只是一個(gè)公式但實(shí)際落地時(shí)有三層細(xì)節(jié)。第一層是路徑輸入前瞻點(diǎn)必須在平滑后的目標(biāo)路徑上取而不是直接在原始離散路點(diǎn)里找否則誤差本身就帶噪聲。第二層是車(chē)速估計(jì)輪腿機(jī)器人跳躍前后速度變化劇烈直接用碼盤(pán)速度算Ld會(huì)在落地的瞬間把前瞻距離突然拉長(zhǎng)導(dǎo)致方向突變所以速度要先過(guò)一階低通濾波。第三層是前瞻點(diǎn)的連續(xù)性上一幀的前瞻點(diǎn)和這一幀的前瞻點(diǎn)不能跳變太大否則轉(zhuǎn)向角會(huì)抖現(xiàn)場(chǎng)隊(duì)伍普遍會(huì)在前瞻點(diǎn)坐標(biāo)上再做一次移動(dòng)平均。跳躍動(dòng)作對(duì)動(dòng)態(tài)前瞻的影響也是現(xiàn)場(chǎng)才注意到的。輪腿在跳過(guò)障礙的那幾百毫秒里輪子可能離地速度環(huán)實(shí)際是開(kāi)環(huán)的這時(shí)候路徑跟蹤如果還在算落地之后的前瞻點(diǎn)就是錯(cuò)的。比較好的做法是引入一個(gè)“跳躍狀態(tài)”跳躍前緩存落地后的目標(biāo)前瞻點(diǎn)跳躍中凍結(jié)橫向控制落地后再重新計(jì)算前瞻。這和傳統(tǒng)的連續(xù)路徑跟蹤思路不太一樣屬于輪腿組特有的工程細(xì)節(jié)。4.3 姿態(tài)環(huán)、速度環(huán)與路徑環(huán)的分層配合輪腿機(jī)器人的控制系統(tǒng)比普通車(chē)模多了一層姿態(tài)環(huán)。普通車(chē)模是二輪或四輪貼地車(chē)身姿態(tài)基本由機(jī)械結(jié)構(gòu)決定輪腿組一旦跳躍車(chē)身在空中沒(méi)有地面支撐姿態(tài)只能靠腿部和輪子的瞬時(shí)動(dòng)作來(lái)調(diào)整?，F(xiàn)場(chǎng)看到的主流方案是姿態(tài)環(huán)采用IMU數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)加速度計(jì)加陀螺儀的互補(bǔ)濾波很多隊(duì)伍用Mahony解算出俯仰角再把它作為上層控制器的輸入輸出給腿部的伸縮機(jī)構(gòu)或輪子的加速度補(bǔ)償。三層控制環(huán)的配合順序很關(guān)鍵路徑環(huán)決定車(chē)該往哪走速度環(huán)決定車(chē)該走多快姿態(tài)環(huán)決定車(chē)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中別翻。層次越低控制頻率越高優(yōu)先級(jí)也越高。很多隊(duì)伍把姿態(tài)環(huán)直接放到FOC的中斷里保證落地瞬間姿態(tài)修正不被打斷路徑環(huán)則放在主循環(huán)里低頻運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)看下來(lái)凡是姿態(tài)環(huán)和FOC耦合不好的隊(duì)伍跳躍動(dòng)作都會(huì)很生硬落地一瞬車(chē)頭亂擺耦合得好的跳完立刻能繼續(xù)走線外人看上去就像多了一個(gè)會(huì)剎車(chē)的人在幫忙扶車(chē)。5. 現(xiàn)場(chǎng)采訪實(shí)錄備賽隊(duì)伍的真實(shí)狀態(tài)與踩坑記錄5.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境與編譯調(diào)試的“隱藏陷阱”現(xiàn)場(chǎng)采訪里聊得最多的不是控制算法而是開(kāi)發(fā)環(huán)境和代碼穩(wěn)定性。輪腿穿越組用的工程規(guī)模比競(jìng)速組大得多一個(gè)工程里往往有電機(jī)控制、IMU解算、路徑規(guī)劃和上位機(jī)通信好幾套模塊同時(shí)跑。這時(shí)編譯器優(yōu)化等級(jí)的問(wèn)題就特別突出有個(gè)隊(duì)伍在O1優(yōu)化下一切正常把優(yōu)化等級(jí)改成O2之后中斷里的標(biāo)志位在主循環(huán)里死活讀不到查了半天才發(fā)現(xiàn)是沒(méi)加volatile。這種問(wèn)題在比賽調(diào)試期非常典型幾乎每一屆都有人踩。還有一支隊(duì)伍跟我講了他們的協(xié)作教訓(xùn)比賽前一周為了合并代碼三個(gè)人用同一個(gè)網(wǎng)盤(pán)目錄改代碼改到后面沒(méi)人知道當(dāng)前哪個(gè)版本能跑。最后他們現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)回退白白浪費(fèi)了大半天。所以這次比賽讓我感觸最深的一點(diǎn)是代碼版本管理不是大公司才需要的東西哪怕只是三個(gè)人的小隊(duì)用Git管理和備份也遠(yuǎn)比“最后一個(gè)人改完發(fā)群里”可靠?，F(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)下來(lái)用Git的隊(duì)伍在比賽日的緊張程度明顯低一截。5.2 機(jī)械與電子的聯(lián)調(diào)難題重心、打滑與共振輪腿組的機(jī)械結(jié)構(gòu)不是畫(huà)完CAD就完事的。采訪中一位負(fù)責(zé)機(jī)械的隊(duì)員提到他們最初設(shè)計(jì)的前腿組件用了太多鋁件和加強(qiáng)筋組裝完之后整車(chē)比預(yù)期重了將近400g直接導(dǎo)致跳躍時(shí)需要更大的力矩PMSM發(fā)熱嚴(yán)重姿態(tài)環(huán)的響應(yīng)頻率也上不去。后來(lái)被迫把腿部的結(jié)構(gòu)件換成碳纖維板重新做拓?fù)錅p重才把第一版跑起來(lái)。輪腿組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一定要把“減重”當(dāng)成和“強(qiáng)度”一樣重要的指標(biāo)因?yàn)槎喑鰜?lái)的每一克都是在給電機(jī)和電池分?jǐn)倝毫?。輪子打滑是另一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)高頻詞。輪腿跳躍落地瞬間輪子受到水平和垂直方向的同時(shí)沖擊如果輪胎抓地力不夠起步那一瞬間就會(huì)出現(xiàn)明顯的打滑導(dǎo)致編碼器測(cè)速失真速度環(huán)誤判。一個(gè)隊(duì)伍的解決方案是在輪轂外加了一層橡膠熱縮管增大摩擦系數(shù)雖然看起來(lái)有些硬湊但實(shí)測(cè)確實(shí)有效。還有一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)并不罕見(jiàn)的問(wèn)題是共振跳躍落地時(shí)車(chē)身某個(gè)頻率被持續(xù)激發(fā)姿態(tài)環(huán)越調(diào)越顛。這種時(shí)候不要急著加控制器增益先檢查機(jī)械結(jié)構(gòu)上有沒(méi)有松動(dòng)有時(shí)候只是螺絲沒(méi)擰緊。5.3 比賽當(dāng)天的穩(wěn)定性策略冗余設(shè)計(jì)與應(yīng)急方案到了決賽當(dāng)天隊(duì)伍拼的全都是“不出事”。我觀察到做得好的隊(duì)伍有幾個(gè)共性第一準(zhǔn)備了多套參數(shù)集快速賽道、復(fù)雜障礙、雨天打滑各存一套通過(guò)一個(gè)宏開(kāi)關(guān)切換第二全部關(guān)鍵外設(shè)都加了看門(mén)狗一旦程序卡死能在幾百毫秒內(nèi)自動(dòng)重啟而不是直接翻車(chē)第三車(chē)上預(yù)留了無(wú)線調(diào)試接口即使不用上位機(jī)調(diào)參也能通過(guò)藍(lán)牙模塊遠(yuǎn)程改關(guān)鍵參數(shù)避免每次都要插線重啟導(dǎo)致電池電壓波動(dòng)。還有一個(gè)細(xì)節(jié)讓我印象很深一支隊(duì)伍在候場(chǎng)區(qū)發(fā)現(xiàn)了電池電壓在跳躍時(shí)會(huì)瞬間跌落導(dǎo)致MCU復(fù)位。他們排查了一圈發(fā)現(xiàn)是跳躍瞬間電機(jī)電流過(guò)大在電池內(nèi)阻上壓降太大供電線又細(xì)觸發(fā)了芯片的欠壓復(fù)位。最后的應(yīng)急做法是把原來(lái)18AWG的電源線換成16AWG并在電源入口加了一顆大容量電解電容。這種問(wèn)題誰(shuí)也不愿意在比賽當(dāng)天遇到但它恰恰說(shuō)明了電源完整性在強(qiáng)動(dòng)態(tài)負(fù)載下有多重要——不只是選一個(gè)穩(wěn)壓芯片就完事。6. 給下一屆備賽隊(duì)伍的實(shí)操清單6.1 時(shí)間軸與團(tuán)隊(duì)分工別把FOC留到最后三個(gè)月這次現(xiàn)場(chǎng)采訪我的一個(gè)強(qiáng)烈體會(huì)是輪腿組的周期和傳統(tǒng)競(jìng)速組完全不同。傳統(tǒng)競(jìng)速組可以先把車(chē)模跑起來(lái)再慢慢調(diào)算法輪腿組從機(jī)械結(jié)構(gòu)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)再到路徑規(guī)劃每一步都依賴前一步的穩(wěn)定時(shí)間軸必須拉得很開(kāi)。建議的排期是正式備賽前三個(gè)月把機(jī)械結(jié)構(gòu)定稿并完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)驗(yàn)證賽前兩個(gè)月進(jìn)入全系統(tǒng)聯(lián)調(diào)最后一個(gè)月專門(mén)留作穩(wěn)定性測(cè)試和參數(shù)冗余。前三個(gè)月如果還在改機(jī)械結(jié)構(gòu)后面所有算法工作都會(huì)被拖著走。團(tuán)隊(duì)分工上輪腿組至少需要四個(gè)人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與減重、硬件驅(qū)動(dòng)板與電源、嵌入式FOC與底層驅(qū)動(dòng)、算法路徑規(guī)劃與上位機(jī)。如果條件允許最好是機(jī)械和嵌入式各配一名有經(jīng)驗(yàn)的隊(duì)員帶新人。我在現(xiàn)場(chǎng)采訪中聽(tīng)到最多的遺憾就是“我們算法隊(duì)友一直等到機(jī)械完全能跑之后才介入結(jié)果根本沒(méi)有時(shí)間調(diào)動(dòng)態(tài)前瞻”這種銜接問(wèn)題完全可以靠明確分工提前規(guī)避。6.2 硬件選型與冗余設(shè)計(jì)三項(xiàng)必需的前期投資硬件選型直接影響后面所有工作能不能順利推進(jìn)。首先是電機(jī)與編碼器建議直接選擇有成熟開(kāi)源驅(qū)動(dòng)的PMSM和磁編碼器避免把時(shí)間花在解一個(gè)沒(méi)資料的電機(jī)協(xié)議上其次是驅(qū)動(dòng)板要么選口碑好的成熟驅(qū)動(dòng)板要么自己畫(huà)板但一定要預(yù)留電流采樣和母線電壓檢測(cè)引腳這兩個(gè)信號(hào)對(duì)FOC調(diào)試和電源監(jiān)測(cè)都很重要第三是電源方案輪腿的電流峰值比競(jìng)速組大得多電源線徑、濾波電容、電池放電倍率都必須提前算好否則比賽當(dāng)天很容易出現(xiàn)復(fù)位和掉電。冗余設(shè)計(jì)方面一個(gè)很實(shí)用的做法是給整車(chē)做一個(gè)“保守模式”當(dāng)檢測(cè)到電池電壓低于閾值、或者IMU數(shù)據(jù)異常時(shí)自動(dòng)切換到一組低速低增益參數(shù)寧可跑得慢也不要翻車(chē)。比賽成績(jī)往往是“跑完的比跑得快但翻車(chē)的排名高”這個(gè)經(jīng)驗(yàn)在輪腿組尤其適用。6.3 軟件架構(gòu)與調(diào)試工具讓問(wèn)題可以“被觀測(cè)”輪腿系統(tǒng)復(fù)雜調(diào)試不能靠“感覺(jué)”。建議從一開(kāi)始就把軟件分成清晰的狀態(tài)機(jī)待機(jī)、啟動(dòng)、巡線、跳躍準(zhǔn)備、跳躍、落地緩沖、恢復(fù)、急停。每個(gè)狀態(tài)有獨(dú)立的進(jìn)入條件和退出條件配合一個(gè)環(huán)形日志緩存把關(guān)鍵變量電流、速度、姿態(tài)角、PWM占空比、狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)間戳按周期刷進(jìn)內(nèi)存通過(guò)串口或者藍(lán)牙在上位機(jī)里回放。沒(méi)有日志系統(tǒng)跳躍失敗就是兩眼一抹黑只能靠反復(fù)試。參數(shù)整定也是同理。多寫(xiě)幾個(gè)上位機(jī)頁(yè)面電流曲線、速度曲線、姿態(tài)角曲線、路徑跟蹤誤差曲線比任何玄學(xué)調(diào)參都有效。隊(duì)伍里最值錢(qián)的不是某個(gè)調(diào)好的PID參數(shù)而是“知道怎么把問(wèn)題定位到具體模塊”的調(diào)試流程。現(xiàn)場(chǎng)很多隊(duì)伍的設(shè)備其實(shí)都齊全差距就在有沒(méi)有把調(diào)試流程沉淀成自己的方法論。我個(gè)人在第二十一屆智能汽車(chē)競(jìng)賽總決賽現(xiàn)場(chǎng)的體會(huì)是輪腿穿越組真正難的不是某個(gè)單項(xiàng)技術(shù)而是機(jī)械、電機(jī)控制、路徑?jīng)Q策、現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定性這些事互相咬合任何一環(huán)出問(wèn)題都會(huì)在跳躍落地那一瞬間被放大。如果你正準(zhǔn)備下一屆比賽我的建議就是先把FOC調(diào)到“電流波形干凈”再把姿態(tài)環(huán)做到“跳完不晃”最后才去追求動(dòng)態(tài)前瞻跑得有多快——這個(gè)順序倒過(guò)來(lái)大概率是要在調(diào)試區(qū)熬夜的。