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眾所周知，自動駕駛的實現(xiàn)離不開感知、決策、控制三大系統(tǒng)的協(xié)同合作，其中運動控制則依賴于線控底盤技術(shù)。作為線控底盤的重要組成部分，線控轉(zhuǎn)向已經(jīng)成為耳熟能詳?shù)拿~。

 

那么，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的原理是什么？有什么優(yōu)勢？目前應用情況如何？本文將進行詳細的解讀，揭開線控轉(zhuǎn)向的神秘面紗。

 

圖1 線控轉(zhuǎn)向

線控轉(zhuǎn)向VS傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向

 

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)決定了汽車的橫向運動，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機械系統(tǒng)：駕駛員操縱方向盤，通過轉(zhuǎn)向器和拉桿,將轉(zhuǎn)向意圖傳遞到轉(zhuǎn)向車輪，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向運動。

 

早期的機械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、當下普及的電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等，都屬于基于機械部件的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這些機械系統(tǒng)在進化的過程中，優(yōu)化了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力傳遞特性，為轉(zhuǎn)向控制提供了助力，提升了汽車的操縱穩(wěn)定性和平順性。但是，受限于機械結(jié)構(gòu)，它們無法改變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳遞特性，即汽車的轉(zhuǎn)向特性，因此難以實現(xiàn)自動駕駛所要求的主動控制。

 

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steering-By-Wire），取消了方向盤和轉(zhuǎn)向車輪之間的機械連接部件，徹底擺脫了機械固件的限制，完全由電能來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的所有優(yōu)點，更可以實現(xiàn)機械系統(tǒng)難以做到的，角傳遞特性的優(yōu)化。在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，駕駛員的操縱動作通過傳感器變成電信號，信號經(jīng)分析處理后，通過導線直接傳遞到執(zhí)行機構(gòu)。由于不受機械結(jié)構(gòu)的限制，可以實現(xiàn)理論上的任意轉(zhuǎn)向意圖，因此線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)被稱為目前最先進的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

 

表1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匯總

 

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

 

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由方向盤模塊、主控制器、執(zhí)行模塊、故障處理系統(tǒng)，電源等部分組成。其中方向盤模塊、主控制器、執(zhí)行模塊是線控轉(zhuǎn)向的3個主要部分，其他模塊屬于輔助部分。

 

 圖2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

 

方向盤模塊是轉(zhuǎn)向意圖的輸入模塊，包括方向盤、轉(zhuǎn)角傳感器、扭矩傳感器、回正力矩電機以及相關(guān)的附件等。

方向盤模塊通過測量方向盤的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩，將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并傳遞給主控制器；同時，方向盤模塊接收主控制器反饋的力矩信號，產(chǎn)生方向盤的回正力矩，為駕駛員提供對應的路感。

 

主控制器，即ECU，是線控轉(zhuǎn)向的核心，相當于大腦，它決定了線控轉(zhuǎn)向的控制效果。它的主要作用是分析和處理各路信號，判斷轉(zhuǎn)向意圖和汽車的運動狀態(tài)，并輸出相應的控制指令。

主控制器一方面對采集到的信號進行分析處理，向轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機和回正力矩電機發(fā)送指令，確保兩臺電機協(xié)同工作，從而實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向運動和路感的模擬。另一方面，主控制器保持對駕駛員的操作和車輛的狀態(tài)進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)智能化的控制。

當系統(tǒng)檢測到轉(zhuǎn)向意圖不合理、系統(tǒng)指令出現(xiàn)錯誤或者汽車出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)時，主控制器能夠及時屏蔽錯誤的指令，并以合理的方式自動控制車輛，使汽車盡快恢復到穩(wěn)定的狀態(tài)。另外，當線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時候，主控制器能夠及時的采取措施，進行補救，保證行車的安全和穩(wěn)定。

 

轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊的作用是實現(xiàn)和執(zhí)行駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖，它由轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機、轉(zhuǎn)向電機控制器、車輪轉(zhuǎn)向組件以及車輪轉(zhuǎn)角傳感器組成。執(zhí)行模塊接受主控制器的指令，通過轉(zhuǎn)向電機及其控制器，控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

 

另外，車輪轉(zhuǎn)角傳感器將測得的車輪位置信號同步反饋給主控制器，用于計算分析和閉環(huán)控制。

 

故障處理系統(tǒng)也是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要模塊，它包含一系列的監(jiān)控與應對措施的程序。當線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，故障處理系統(tǒng)按照設(shè)定好的程序，采取對應的處理措施，以避免或減輕該故障帶來的危害，最大程度地保證汽車的行駛安全。

此外，電源作為供電設(shè)施，也是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中不可或缺的一部分。

 

線控轉(zhuǎn)向的原理

基于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，我們可以很容易地分析線控轉(zhuǎn)向的工作原理。

 

當方向盤轉(zhuǎn)動時，方向盤的轉(zhuǎn)角傳感器和扭矩傳感器分別將測量到的轉(zhuǎn)角與扭矩信息，轉(zhuǎn)變成電信號，傳輸給主控制器；同時，主控制器接收相應傳感器采集到的車輪運動狀態(tài)信號，如車速、縱向加速度、橫擺角速度等。基于上述信號，主控制器對方向盤的轉(zhuǎn)角和扭矩信號進行處理，并向轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機發(fā)送控制指令，實現(xiàn)合理的轉(zhuǎn)向。

另一方面，主控制器接收車輪轉(zhuǎn)角傳感器所采集到的車輪信息，結(jié)合車輛的狀態(tài)信息，向回正力矩電機發(fā)送相應的力矩指令。回正力矩電機模擬出路面反饋的信息，從而向駕駛員提供實時的路感。

當主控制器出現(xiàn)錯誤或故障時，故障處理模塊會根據(jù)故障的形式與等級，作出相應的處理，確保駕駛員能夠發(fā)現(xiàn)故障，并保持安全行駛。

 

  圖3 線控轉(zhuǎn)向的工作原理

 

線控轉(zhuǎn)向的優(yōu)勢與技術(shù)難點

 

從線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析中，可以看出：方向盤和轉(zhuǎn)向車輪之間的機械連接不復存在，取而代之的是電線電纜之間的信號連接。這種基于純電信號控制的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，具有一系列傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢。

 

第一，更安全。

由于取消了轉(zhuǎn)向柱等機械結(jié)構(gòu)，因此可以完全避免碰撞事故中，轉(zhuǎn)向柱對駕駛員的傷害。

 

第二，更舒適。

智能化的ECU能夠根據(jù)汽車的行駛狀態(tài)，實時判斷駕駛員的操作是否合理，并做出相應的調(diào)整。當汽車處于非平穩(wěn)的工況時，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以自動地對汽車進行穩(wěn)定性控制。對于車內(nèi)人員來說，會感到更加平穩(wěn)舒適。

 

消除機械連接的同時，駕駛員的腿部活動空間得以增大。同時，地面的橫縱向不平順，不會直接傳遞到駕駛員的手上，路感信息由回正力矩電機模擬生成，會過濾無用的信息，只向駕駛員提供有用的信息，從而改善駕駛的舒適性。

另外，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有一個重要的特點：傳動比可變，且可以任意設(shè)置。因此，可以讓汽車按最理想的轉(zhuǎn)向特性行駛。并且，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以對隨車速變化的參數(shù)進行補償，使汽車的轉(zhuǎn)向特性不再隨車速的變化而變化，從而減輕駕駛員的負擔。

第三，更經(jīng)濟。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在大量機械結(jié)構(gòu)，取消這些機械結(jié)構(gòu)，可以顯著降低汽車的重量，并因此減少耗油量或耗電量。同時，取消這些機械連接，也降低了汽車的零件生產(chǎn)成本。

第四，更智能。

 

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是整車的一部分，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制器，可以和汽車的其他控制器交換并共享數(shù)據(jù)。由此，轉(zhuǎn)向控制器可以獲取汽車的整體運動狀態(tài)，并通過算法優(yōu)化，綜合提升車輛的操縱穩(wěn)定性。

然而，我們也必須意識到，線控轉(zhuǎn)向仍然存在技術(shù)上的難點。

 

首先，線控轉(zhuǎn)向需要保證足夠的可靠性和魯棒性。 由于取消了機械結(jié)構(gòu)，所有的控制都通過電信號實現(xiàn)，因此必須保證復雜的程序運算不會出錯，否則將導致嚴重的駕駛事故。

 

目前的做法是一方面提升計算程序的性能，另一方面提供冗余備份，使得當

主系統(tǒng)發(fā)生故障時，仍有另一套冗余系統(tǒng)可以工作，保持正常行駛。但是，冗余系統(tǒng)的設(shè)計、布局，以及兩套系統(tǒng)之間的交互，存在一定的困難。

 

其次，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要實時地模擬路面的路感，以便駕駛員的合理駕駛。 這也對計算程序的性能提出了較高的要求。當然，如果是L5級的自動駕駛，完全取消方向盤，則沒有這個問題，但是L5的實現(xiàn)還很遙遠。

此外， 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對轉(zhuǎn)向電機的功率要求高，相應的，轉(zhuǎn)向電機的成本也將增加。

 

線控轉(zhuǎn)向的應用現(xiàn)狀

 

由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)獨特的優(yōu)勢，以及自動駕駛浪潮下的需求，目前線控轉(zhuǎn)向正在逐漸普及。

最早的量產(chǎn)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以追溯到2015年，英菲尼迪Q50搭載了主動式的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。Q50的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下，方向盤和轉(zhuǎn)向器之間是沒有機械連接的，完全靠電信號實現(xiàn)控制和路感的模擬。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時下，通過離合器，將線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變?yōu)橐粋€機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這就是對于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的冗余。

 

圖4 英菲尼迪Q50的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

 

可惜的是，后續(xù)Q50的線控轉(zhuǎn)向版本遭遇了大規(guī)模的召回，看來線控轉(zhuǎn)向的可靠性，當時沒有達到大規(guī)模量產(chǎn)的要求。

 

目前已經(jīng)有多家廠商推出了自家的線控轉(zhuǎn)向概念模型，如傳統(tǒng)巨頭博世等，但是能夠支持高級別自動駕駛功能的完全線控轉(zhuǎn)向產(chǎn)品還沒有量產(chǎn)案例。

 

值得關(guān)注的是，除了博世、大陸等傳統(tǒng)Tier 1外，國內(nèi)自主品牌也開始占據(jù)線控轉(zhuǎn)向的份額。2021年，集度、蔚來、吉利成為線控轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展和標準化研究的聯(lián)合牽頭單位，將牽頭線控轉(zhuǎn)向相關(guān)國家標準的制定；長城汽車也發(fā)布了其支持L4級別自動駕駛的線控轉(zhuǎn)向技術(shù)，號稱2023年將實現(xiàn)量產(chǎn)。

 

雖然還存在技術(shù)難點，但從目前的技術(shù)迭代速度和行業(yè)趨勢來看，我們相信，完全的線控轉(zhuǎn)向量產(chǎn)落地已經(jīng)不太遠了。