線控轉(zhuǎn)向，即Steer-By-Wire，能夠無束縛地得到無人駕駛進行轉(zhuǎn)彎的指令目標(biāo)輸入和汽車的轉(zhuǎn)向輪的變化之間的關(guān)系，可以控制轉(zhuǎn)向機構(gòu)和行駛需要之間的關(guān)系，這樣能夠?qū)囕v進行調(diào)節(jié)。其直接掌控著自動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年乘用車安裝第1款現(xiàn)代意義上具備方向盤的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開始，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大致經(jīng)歷了5個階段： ?

早期的純機械轉(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)；

新一代的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；

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

1.1. 電子液壓助力轉(zhuǎn)向(EHPS)

駕駛員在方向盤上施加轉(zhuǎn)動力矩和角度； ? 方向盤帶動轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)動； ? 轉(zhuǎn)向柱通過其底部和轉(zhuǎn)向機相連的齒輪齒條機構(gòu)，將轉(zhuǎn)向柱的轉(zhuǎn)動變?yōu)檗D(zhuǎn)向機齒條的橫向直線運動； ? 轉(zhuǎn)向扭矩傳感器檢測到駕駛員輸入了方向盤扭矩； ? 根據(jù)駕駛員輸入的扭矩，以及車速等信息，ECU計算并控制電動機帶動轉(zhuǎn)向助力泵轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生高壓液體； ? 液壓通過轉(zhuǎn)向油管傳遞到液壓助力轉(zhuǎn)向機上，液壓推動液壓助力轉(zhuǎn)向機上的雙作用液壓缸的活塞，產(chǎn)生壓力，對齒條的橫向直線運動進行助力； ? 轉(zhuǎn)向機兩端的轉(zhuǎn)向橫拉桿，通過推動或拉動轉(zhuǎn)向節(jié)來改變車輪的方向； ? 車輪與地面間產(chǎn)生橫向力，車輛轉(zhuǎn)向。

1.2. 電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)

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

1.3. 線控轉(zhuǎn)向(SBW)

狹義上說，SBW系統(tǒng)特指沒有機械連接的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這是從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上進行的一個區(qū)分。但著眼于功能，從廣義說，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為電機可能安裝位置，而⑤為電磁離合器。電磁離合器提供機械冗余，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤與車輪的機械解耦。根據(jù)有無⑤，SBW系統(tǒng)可以分為保留機械軟連接的 SBW系統(tǒng)和無機械連接的 SBW系統(tǒng)2大類。由此，人們研究雙電機安全冗余線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該方案包括轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(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)的機械轉(zhuǎn)向與電子控制技術(shù)緊密結(jié)合起來，線傳主動轉(zhuǎn)向與機械操縱轉(zhuǎn)向兩種模式通過電磁離合器可任意切換，而且通過故障識別，機械操縱轉(zhuǎn)向可以作為線傳主動轉(zhuǎn)向備份，提升安全性。 ?

2. 線控轉(zhuǎn)向主要研究內(nèi)容

當(dāng)前，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究主要集中在 3 個方面：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)取消了方向盤和轉(zhuǎn)向車輪之間的機械連接，通過轉(zhuǎn)向角信號和轉(zhuǎn)向電機控制車輪轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致路感無法直接反饋給駕駛員，這從駕駛安全性角度考慮是絕對不允許的。 ? 針對這個問題，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向盤總成中包含有路感模擬電機，用來產(chǎn)生作用于方向盤的阻力矩以模擬路感。路感是一個比較抽象的定義，其定義之一是指駕駛員通過方向盤得到的車輛行駛中的轉(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)值的確定是車輛設(shè)計中的一個難題，通常由經(jīng)驗、半經(jīng)驗、統(tǒng)計或?qū)嶒灥姆椒ǐ@得?；卣嘏c車輛前輪的受力狀態(tài)存在直接關(guān)系，而前輪受力又和車輛實時的運動狀態(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到前輪總的力傳動比近似得到的方向盤手力矩看成是路感。 ? 就當(dāng)前的研究來看，路感通常采用基于經(jīng)驗設(shè)計和基于模型設(shè)計這2種方法獲得。 ? 基于經(jīng)驗設(shè)計的方法，通常是將路感設(shè)計為方向盤轉(zhuǎn)角、車速、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，簡單高效，但是自適應(yīng)性和精度較差。 ? 基于動力學(xué)模型的方法，是通過參考傳統(tǒng)車輛路感產(chǎn)生的動力學(xué)原理建立相關(guān)的動 力學(xué)模型，根據(jù)車輛的動態(tài)響應(yīng)、駕駛員的方向盤輸入等計算與路感相關(guān)的輪胎力、摩擦力矩等，最終計算出路感。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達到期望的力矩。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)向電機執(zhí)行該指令，快速、準(zhǔn)確地達到該目標(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)驗設(shè)計的方法和基于動力學(xué)模型計算的方法這 2 大類。 ? 基于經(jīng)驗設(shè)計的方法主要是根據(jù)車輛在不同工況下對操縱穩(wěn)定性要求的不同來進行設(shè)計。在低速工況下，汽車應(yīng)具有不沉重而適度的轉(zhuǎn)向盤力與不過于大的方向盤轉(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)向盤力不宜過小而應(yīng)維持在一定數(shù)值，以給駕駛者穩(wěn)定的路感。 ? 基于動力學(xué)模型計算的方法旨在提高車輛的穩(wěn)定性。因此，也有研究人員將這種方法歸結(jié)為車輛穩(wěn)定性控制方法。其基本思路是根據(jù)當(dāng)前車輛狀態(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)計算參考前輪轉(zhuǎn)角，控制前輪轉(zhuǎn)角改變輪胎側(cè)向力，對橫擺力矩進行補償。 ?

2.3. 故障診斷與容錯控制

在線控轉(zhuǎn)向中，轉(zhuǎn)向的動力來源于電機主要包括了兩方面：用來給駕駛員提供轉(zhuǎn)向時的路感和動力。電機的可靠性是研究者們首先要考慮的因素，電機和控制器的容錯就體現(xiàn)得十分重要。實時監(jiān)測技術(shù)和設(shè)置冗余硬件是保證控制器穩(wěn)定運行的兩種手段，故而可以實現(xiàn)容錯控制，線控轉(zhuǎn)向的運行的品質(zhì)得到了保證，根據(jù)控制器與電機之間的控制關(guān)系，可以對電機出現(xiàn)故障時所需要的補償控制進行相關(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

從全球競爭格局來看，博世、采埃孚、捷太格特、NSK、耐世特等國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級自動駕駛進入量產(chǎn)將拉動線控系統(tǒng)產(chǎn)品商業(yè)化，那些率先在中國市場布局的外資企業(yè)會有先發(fā)優(yōu)勢?？v觀國內(nèi)市場，在線控技術(shù)上有所作為的中國本土企業(yè)寥寥無幾，且規(guī)模相對較小。

審核編輯：黃飛

?