線控轉(zhuǎn)向，即Steer-By-Wire，能夠無(wú)束縛地得到無(wú)人駕駛進(jìn)行轉(zhuǎn)彎的指令目標(biāo)輸入和汽車(chē)的轉(zhuǎn)向輪的變化之間的關(guān)系，可以控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和行駛需要之間的關(guān)系，這樣能夠?qū)?chē)輛進(jìn)行調(diào)節(jié)。其直接掌控著自動(dòng)駕駛路徑與方向的精確控制。

1. 線控轉(zhuǎn)向發(fā)展歷程 ? 自1894年乘用車(chē)安裝第1款現(xiàn)代意義上具備方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開(kāi)始，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大致經(jīng)歷了5個(gè)階段： ?

早期的純機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；

福特最早提出的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；

豐田首推的電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；

新一代的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；

擺脫機(jī)械連接的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和具有主動(dòng)轉(zhuǎn)向功能的前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。

1.1. 電子液壓助力轉(zhuǎn)向(EHPS)

駕駛員在方向盤(pán)上施加轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和角度； ? 方向盤(pán)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)動(dòng)； ? 轉(zhuǎn)向柱通過(guò)其底部和轉(zhuǎn)向機(jī)相連的齒輪齒條機(jī)構(gòu)，將轉(zhuǎn)向柱的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)檗D(zhuǎn)向機(jī)齒條的橫向直線運(yùn)動(dòng)； ? 轉(zhuǎn)向扭矩傳感器檢測(cè)到駕駛員輸入了方向盤(pán)扭矩； ? 根據(jù)駕駛員輸入的扭矩，以及車(chē)速等信息，ECU計(jì)算并控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向助力泵轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生高壓液體； ? 液壓通過(guò)轉(zhuǎn)向油管傳遞到液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)上，液壓推動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)上的雙作用液壓缸的活塞，產(chǎn)生壓力，對(duì)齒條的橫向直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行助力； ? 轉(zhuǎn)向機(jī)兩端的轉(zhuǎn)向橫拉桿，通過(guò)推動(dòng)或拉動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)來(lái)改變車(chē)輪的方向； ? 車(chē)輪與地面間產(chǎn)生橫向力，車(chē)輛轉(zhuǎn)向。

1.2. 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)

第一種是對(duì)轉(zhuǎn)向柱的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行助力，這種叫C -EPS (Column - EPS)； ? 第二種是對(duì)轉(zhuǎn)向柱底端的齒輪齒條機(jī)構(gòu)中的齒輪進(jìn)行助力，這種叫P - EPS(Pinion - EPS)； ? 第三種是在轉(zhuǎn)向機(jī)上對(duì)齒條的直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行助力，這種叫R - EPS(Rack - EPS)；而R - EPS根據(jù)傳動(dòng)的方式不同，又可以分為R-EPS，DP-EPS(雙小齒輪EPS)和BD-EPS(帶傳動(dòng)EPS)。 ?

1.3. 線控轉(zhuǎn)向(SBW)

狹義上說(shuō)，SBW系統(tǒng)特指沒(méi)有機(jī)械連接的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這是從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的一個(gè)區(qū)分。但著眼于功能，從廣義說(shuō)，任何能夠?qū)Ⅰ{駛員輸入和前輪轉(zhuǎn)角解耦的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都可以看成是 SBW系統(tǒng)。在此定義下，一般結(jié)構(gòu)如下圖。 ?

其中① - ④為電機(jī)可能安裝位置，而⑤為電磁離合器。電磁離合器提供機(jī)械冗余，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤(pán)與車(chē)輪的機(jī)械解耦。根據(jù)有無(wú)⑤，SBW系統(tǒng)可以分為保留機(jī)械軟連接的 SBW系統(tǒng)和無(wú)機(jī)械連接的 SBW系統(tǒng)2大類(lèi)。由此，人們研究雙電機(jī)安全冗余線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該方案包括轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電子線傳控制網(wǎng)絡(luò)、電源系統(tǒng)和各種輔助結(jié)構(gòu)。該方案將傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向與電子控制技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)，線傳主動(dòng)轉(zhuǎn)向與機(jī)械操縱轉(zhuǎn)向兩種模式通過(guò)電磁離合器可任意切換，而且通過(guò)故障識(shí)別，機(jī)械操縱轉(zhuǎn)向可以作為線傳主動(dòng)轉(zhuǎn)向備份，提升安全性。 ?

2. 線控轉(zhuǎn)向主要研究?jī)?nèi)容

當(dāng)前，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究主要集中在 3 個(gè)方面：路感反饋控策略研究、轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制策略研究以及故障診斷與容錯(cuò)控制策略研究。 ?

2.1. 路感反饋控制策略研究

由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了方向盤(pán)和轉(zhuǎn)向車(chē)輪之間的機(jī)械連接，通過(guò)轉(zhuǎn)向角信號(hào)和轉(zhuǎn)向電機(jī)控制車(chē)輪轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致路感無(wú)法直接反饋給駕駛員，這從駕駛安全性角度考慮是絕對(duì)不允許的。 ? 針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向盤(pán)總成中包含有路感模擬電機(jī)，用來(lái)產(chǎn)生作用于方向盤(pán)的阻力矩以模擬路感。路感是一個(gè)比較抽象的定義，其定義之一是指駕駛員通過(guò)方向盤(pán)得到的車(chē)輛行駛中的轉(zhuǎn)向阻力矩，該阻力矩主要包含回正力矩和摩擦力矩2部分。其中，回正力矩是使車(chē)輪恢復(fù)到直線行駛位置的主要力矩之一，其數(shù)值的確定是車(chē)輛設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題，通常由經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)或?qū)嶒?yàn)的方法獲得?；卣嘏c車(chē)輛前輪的受力狀態(tài)存在直接關(guān)系，而前輪受力又和車(chē)輛實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及路面附著直接相關(guān)。因此，通常把總的回正力矩除以自方向盤(pán)到前輪總的力傳動(dòng)比近似得到的方向盤(pán)手力矩看成是路感。 ? 就當(dāng)前的研究來(lái)看，路感通常采用基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和基于模型設(shè)計(jì)這2種方法獲得。 ? 基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，通常是將路感設(shè)計(jì)為方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、車(chē)速、橫擺角速度等參數(shù)的非線性函數(shù)關(guān)系式，在不同條件下為駕駛員提供不同的路感，簡(jiǎn)單高效，但是自適應(yīng)性和精度較差。 ? 基于動(dòng)力學(xué)模型的方法，是通過(guò)參考傳統(tǒng)車(chē)輛路感產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)原理建立相關(guān)的動(dòng) 力學(xué)模型，根據(jù)車(chē)輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、駕駛員的方向盤(pán)輸入等計(jì)算與路感相關(guān)的輪胎力、摩擦力矩等，最終計(jì)算出路感。獲得期望的轉(zhuǎn)向阻力矩，剩下的工作就是控制路感反饋電機(jī)達(dá)到期望的力矩。最常用的算法是PID算法。 ?

2.2. 轉(zhuǎn)向執(zhí)行研究

SBW系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制策略可以分為上層策略和下層策略。 ? 其中，上層策略根據(jù)當(dāng)前車(chē)輛的狀態(tài)和駕駛員的輸入，在盡量滿足控制目標(biāo)和約束條件的情況下，計(jì)算出期望的前輪轉(zhuǎn)角；而下層策略則是由轉(zhuǎn)向控制器控制轉(zhuǎn)向電機(jī)執(zhí)行該指令，快速、準(zhǔn)確地達(dá)到該目標(biāo)轉(zhuǎn)角。 ? 由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靈活性，衍生出很多控制算法?？傮w而言，算法可以總結(jié)為基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法和基于動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的方法這 2 大類(lèi)。 ? 基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法主要是根據(jù)車(chē)輛在不同工況下對(duì)操縱穩(wěn)定性要求的不同來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在低速工況下，汽車(chē)應(yīng)具有不沉重而適度的轉(zhuǎn)向盤(pán)力與不過(guò)于大的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，還應(yīng)具有良好的回正性能；高速、低側(cè)向加速度工況下，汽車(chē)應(yīng)具有良好的橫擺角速度頻率特性、直線行駛能力、回正性能和較大的轉(zhuǎn)向靈敏度，且轉(zhuǎn)向盤(pán)力不宜過(guò)小而應(yīng)維持在一定數(shù)值，以給駕駛者穩(wěn)定的路感。 ? 基于動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的方法旨在提高車(chē)輛的穩(wěn)定性。因此，也有研究人員將這種方法歸結(jié)為車(chē)輛穩(wěn)定性控制方法。其基本思路是根據(jù)當(dāng)前車(chē)輛狀態(tài)、外界環(huán)境和駕駛員輸入提出控制目標(biāo)，然后根據(jù)控制目標(biāo)計(jì)算參考前輪轉(zhuǎn)角，控制前輪轉(zhuǎn)角改變輪胎側(cè)向力，對(duì)橫擺力矩進(jìn)行補(bǔ)償。 ?

2.3. 故障診斷與容錯(cuò)控制

在線控轉(zhuǎn)向中，轉(zhuǎn)向的動(dòng)力來(lái)源于電機(jī)主要包括了兩方面：用來(lái)給駕駛員提供轉(zhuǎn)向時(shí)的路感和動(dòng)力。電機(jī)的可靠性是研究者們首先要考慮的因素，電機(jī)和控制器的容錯(cuò)就體現(xiàn)得十分重要。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)置冗余硬件是保證控制器穩(wěn)定運(yùn)行的兩種手段，故而可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，線控轉(zhuǎn)向的運(yùn)行的品質(zhì)得到了保證，根據(jù)控制器與電機(jī)之間的控制關(guān)系，可以對(duì)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)所需要的補(bǔ)償控制進(jìn)行相關(guān)研究，那樣就為能夠在最大限度上保證線控轉(zhuǎn)向的可靠性提供了可能。 ?

3.3. 線控轉(zhuǎn)向的應(yīng)用

從全球競(jìng)爭(zhēng)格局來(lái)看，博世、采埃孚、捷太格特、NSK、耐世特等國(guó)際巨頭有成熟的線控轉(zhuǎn)向產(chǎn)品和技術(shù)，但在商業(yè)化方面仍然遇到了瓶頸。

? 2020年以后，L3級(jí)自動(dòng)駕駛進(jìn)入量產(chǎn)將拉動(dòng)線控系統(tǒng)產(chǎn)品商業(yè)化，那些率先在中國(guó)市場(chǎng)布局的外資企業(yè)會(huì)有先發(fā)優(yōu)勢(shì)?？v觀國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，在線控技術(shù)上有所作為的中國(guó)本土企業(yè)寥寥無(wú)幾，且規(guī)模相對(duì)較小。

審核編輯：黃飛

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