線控轉向技術：自動駕駛中路徑與方向的精準駕馭

線控轉向，即Steer-By-Wire，能夠無束縛地得到無人駕駛進行轉彎的指令目標輸入和汽車的轉向輪的變化之間的關系，可以控制轉向機構和行駛需要之間的關系，這樣能夠對車輛進行調節。其直接掌控著自動駕駛路徑與方向的精確控制。

1. 線控轉向發展歷程 ? 自1894年乘用車安裝第1款現代意義上具備方向盤的轉向系統開始，其轉向系統大致經歷了5個階段： ?

早期的純機械轉向系統；

福特最早提出的液壓助力轉向系統；

豐田首推的電子液壓助力轉向系統；

新一代的電動助力轉向系統；

擺脫機械連接的線控轉向系統和具有主動轉向功能的前輪主動轉向系統等。

1.1. 電子液壓助力轉向(EHPS)

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

1.2. 電動助力轉向(EPS)

第一種是對轉向柱的轉矩進行助力，這種叫C -EPS (Column - EPS)； ? 第二種是對轉向柱底端的齒輪齒條機構中的齒輪進行助力，這種叫P - EPS(Pinion - EPS)； ? 第三種是在轉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. 線控轉向(SBW)

狹義上說，SBW系統特指沒有機械連接的轉向系統，這是從系統的結構上進行的一個區分。但著眼于功能，從廣義說，任何能夠將駕駛員輸入和前輪轉角解耦的轉向系統都可以看成是 SBW系統。在此定義下，一般結構如下圖。 ?

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，可實現轉向盤與車輪的機械解耦。根據有無⑤，SBW系統可以分為保留機械軟連接的 SBW系統和無機械連接的 SBW系統2大類。由此，人們研究雙電機安全冗余線控轉向系統。該方案包括轉向操縱機構、轉向執行機構、電子線傳控制網絡、電源系統和各種輔助結構。該方案將傳統的機械轉向與電子控制技術緊密結合起來，線傳主動轉向與機械操縱轉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，機械操縱轉向可以作為線傳主動轉向備份，提升安全性。 ?

2. 線控轉向主要研究內容

當前，線控轉向系統的研究主要集中在 3 個方面：路感反饋控策略研究、轉向執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

由于線控轉向系統取消了方向盤和轉向車輪之間的機械連接，通過轉向角信號和轉向電機控制車輪轉向，導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，線控轉向系統的方向盤總成中包含有路感模擬電機，用來產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到直線行駛位置的主要力矩之一，其數值的確定是車輛設計中的一個難題，通常由經驗、半經驗、統計或實驗的方法獲得。回正力矩與車輛前輪的受力狀態存在直接關系，而前輪受力又和車輛實時的運動狀態及路面附著直接相關。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。 ? 就當前的研究來看，路感通常采用基于經驗設計和基于模型設計這2種方法獲得。 ? 基于經驗設計的方法，通常是將路感設計為方向盤轉角、車速、橫擺角速度等參數的非線性函數關系式，在不同條件下為駕駛員提供不同的路感，簡單高效，但是自適應性和精度較差。 ? 基于動力學模型的方法，是通過參考傳統車輛路感產生的動力學原理建立相關的動力學模型，根據車輛的動態響應、駕駛員的方向盤輸入等計算與路感相關的輪胎力、摩擦力矩等，最終計算出路感。獲得期望的轉向阻力矩，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. 轉向執行研究

SBW系統的轉向執行控制策略可以分為上層策略和下層策略。 ? 其中，上層策略根據當前車輛的狀態和駕駛員的輸入，在盡量滿足控制目標和約束條件的情況下，計算出期望的前輪轉角；而下層策略則是由轉向控制器控制轉向電機執行該指令，快速、準確地達到該目標轉角。 ? 由于線控轉向系統的靈活性，衍生出很多控制算法。總體而言，算法可以總結為基于經驗設計的方法和基于動力學模型計算的方法這 2 大類。 ? 基于經驗設計的方法主要是根據車輛在不同工況下對操縱穩定性要求的不同來進行設計。在低速工況下，汽車應具有不沉重而適度的轉向盤力與不過于大的方向盤轉角，還應具有良好的回正性能；高速、低側向加速度工況下，汽車應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向靈敏度，且轉向盤力不宜過小而應維持在一定數值，以給駕駛者穩定的路感。 ? 基于動力學模型計算的方法旨在提高車輛的穩定性。因此，也有研究人員將這種方法歸結為車輛穩定性控制方法。其基本思路是根據當前車輛狀態、外界環境和駕駛員輸入提出控制目標，然后根據控制目標計算參考前輪轉角，控制前輪轉角改變輪胎側向力，對橫擺力矩進行補償。 ?

2.3. 故障診斷與容錯控制

在線控轉向中，轉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得十分重要。實時監測技術和設置冗余硬件是保證控制器穩定運行的兩種手段，故而可以實現容錯控制，線控轉向的運行的品質得到了保證，根據控制器與電機之間的控制關系，可以對電機出現故障時所需要的補償控制進行相關研究，那樣就為能夠在最大限度上保證線控轉向的可靠性提供了可能。 ?

3.3. 線控轉向的應用

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向產品和技術，但在商業化方面仍然遇到了瓶頸。