眾所周知，自動駕駛的實現離不開感知、決策、控制三大系統的協同合作，其中運動控制則依賴于線控底盤技術。作為線控底盤的重要組成部分，線控轉向已經成為耳熟能詳的名詞。
那么，線控轉向技術的原理是什么？有什么優勢？目前應用情況如何？本文將進行詳細的解讀，揭開線控轉向的神秘面紗。
汽車轉向系統決定了汽車的橫向運動，傳統的轉向系統是機械系統：駕駛員操縱方向盤，通過轉向器和拉桿,將轉向意圖傳遞到轉向車輪，從而實現轉向運動。
早期的機械液壓助力轉向系統、當下普及的電液助力轉向系統和電動助力轉向系統等，都屬于基于機械部件的轉向系統。這些機械系統在進化的過程中，優化了轉向系統的力傳遞特性，為轉向控制提供了助力，提升了汽車的操縱穩定性和平順性。但是，受限于機械結構，它們無法改變轉向系統的角傳遞特性，即汽車的轉向特性，因此難以實現自動駕駛所要求的主動控制。
線控轉向系統（Steering-By-Wire），取消了方向盤和轉向車輪之間的機械連接部件，徹底擺脫了機械固件的限制，完全由電能來實現轉向。
線控轉向系統不僅具有傳統機械轉向系統的所有優點，更可以實現機械系統難以做到的，角傳遞特性的優化。在線控轉向系統中，駕駛員的操縱動作通過傳感器變成電信號，信號經分析處理后，通過導線直接傳遞到執行機構。由于不受機械結構的限制，可以實現理論上的任意轉向意圖，因此線控轉向系統被稱為目前最先進的轉向系統。
線控轉向系統主要由方向盤模塊、主控制器、執行模塊、故障處理系統，電源等部分組成。其中方向盤模塊、主控制器、執行模塊是線控轉向的3個主要部分，其他模塊屬于輔助部分。
圖2 線控轉向系統的結構
方向盤模塊是轉向意圖的輸入模塊，包括方向盤、轉角傳感器、扭矩傳感器、回正力矩電機以及相關的附件等。
方向盤模塊通過測量方向盤的轉角和轉矩，將駕駛員的轉向意圖，轉換成數字信號，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，是線控轉向的核心，相當于大腦，它決定了線控轉向的控制效果。它的主要作用是分析和處理各路信號，判斷轉向意圖和汽車的運動狀態，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，向轉向執行電機和回正力矩電機發送指令，確保兩臺電機協同工作，從而實現車輛的轉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進行實時監控，實現智能化的控制。
當系統檢測到轉向意圖不合理、系統指令出現錯誤或者汽車出現不穩定的狀態時，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定的狀態。另外，當線控轉向系統出現故障的時候，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定。
轉向執行模塊的作用是實現和執行駕駛員的轉向意圖，它由轉向執行電機、轉向電機控制器、車輪轉向組件以及車輪轉角傳感器組成。執行模塊接受主控制器的指令，通過轉向電機及其控制器，控制轉向輪的轉動，實現轉向。
另外，車輪轉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控制。
故障處理系統也是線控轉向系統的重要模塊，它包含一系列的監控與應對措施的程序。當線控轉向系統出現故障時，故障處理系統按照設定好的程序，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，電源作為供電設施，也是線控轉向系統中不可或缺的一部分。
基于線控轉向系統的結構，我們可以很容易地分析線控轉向的工作原理。
當方向盤轉動時，方向盤的轉角傳感器和扭矩傳感器分別將測量到的轉角與扭矩信息，轉變成電信號，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角和扭矩信號進行處理，并向轉向執行電機發送控制指令，實現合理的轉向。
另一方面，主控制器接收車輪轉角傳感器所采集到的車輪信息，結合車輛的狀態信息，向回正力矩電機發送相應的力矩指令。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。
當主控制器出現錯誤或故障時，故障處理模塊會根據故障的形式與等級，作出相應的處理，確保駕駛員能夠發現故障，并保持安全行駛。
從線控轉向系統的結構分析中，可以看出：方向盤和轉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向系統，具有一系列傳統機械轉向系統所不具備的優勢。
由于取消了轉向柱等機械結構，因此可以完全避免碰撞事故中，轉向柱對駕駛員的傷害。
智能化的ECU能夠根據汽車的行駛狀態，實時判斷駕駛員的操作是否合理，并做出相應的調整。當汽車處于非平穩的工況時，線控轉向系統可以自動地對汽車進行穩定性控制。對于車內人員來說，會感到更加平穩舒適。
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，線控轉向系統有一個重要的特點：傳動比可變，且可以任意設置。因此，可以讓汽車按最理想的轉向特性行駛。并且，線控轉向系統可以對隨車速變化的參數進行補償，使汽車的轉向特性不再隨車速的變化而變化，從而減輕駕駛員的負擔。
傳統的轉向系統存在大量機械結構，取消這些機械結構，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成本。
線控轉向系統是整車的一部分，線控轉向系統的控制器，可以和汽車的其他控制器交換并共享數據。由此，轉向控制器可以獲取汽車的整體運動狀態，并通過算法優化，綜合提升車輛的操縱穩定性。
然而，我們也必須意識到，線控轉向仍然存在技術上的難點。
首先，線控轉向需要保證足夠的可靠性和魯棒性。
由于取消了機械結構，所有的控制都通過電信號實現，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
主系統發生故障時，仍有另一套冗余系統可以工作，保持正常行駛。但是，冗余系統的設計、布局，以及兩套系統之間的交互，存在一定的困難。
其次，線控轉向系統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的實現還很遙遠。
此外，
線控轉向系統對轉向電機的功率要求高，相應的，轉向電機的成本也將增加。
由于線控轉向系統獨特的優勢，以及自動駕駛浪潮下的需求，目前線控轉向正在逐漸普及。
最早的量產線控轉向系統可以追溯到2015年，英菲尼迪Q50搭載了主動式的線控轉向系統。Q50的轉向系統在正常工作狀態下，方向盤和轉向器之間是沒有機械連接的，完全靠電信號實現控制和路感的模擬。當系統出現故障時下，通過離合器，將線控轉向系統變為一個機械轉向系統，這就是對于線控轉向系統的冗余。
可惜的是，后續Q50的線控轉向版本遭遇了大規模的召回，看來線控轉向的可靠性，當時沒有達到大規模量產的要求。
目前已經有多家廠商推出了自家的線控轉向概念模型，如傳統巨頭博世等，但是能夠支持高級別自動駕駛功能的完全線控轉向產品還沒有量產案例。
值得關注的是，除了博世、大陸等傳統Tier 1外，國內自主品牌也開始占據線控轉向的份額。2021年，集度、蔚來、吉利成為線控轉向技術發展和標準化研究的聯合牽頭單位，將牽頭線控轉向相關國家標準的制定；長城汽車也發布了其支持L4級別自動駕駛的線控轉向技術，號稱2023年將實現量產。
雖然還存在技術難點，但從目前的技術迭代速度和行業趨勢來看，我們相信，完全的線控轉向量產落地已經不太遠了。
