一文读懂线控转向技术

智驾最前沿 2022-04-05 08:00

工程师调试电路的秘密武器 从电机控制到光伏逆变器：电流传感器的跨领域设计考量

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众所周知，自动驾驶的实现离不开感知、决策、控制三大系统的协同合作，其中运动控制则依赖于线控底盘技术。作为线控底盘的重要组成部分，线控转向已经成为耳熟能详的名词。

那么，线控转向技术的原理是什么？有什么优势？目前应用情况如何？本文将进行详细的解读，揭开线控转向的神秘面纱。

图1 线控转向

线控转向VS传统转向

汽车转向系统决定了汽车的横向运动，传统的转向系统是机械系统：驾驶员操纵方向盘，通过转向器和拉杆,将转向意图传递到转向车轮，从而实现转向运动。

早期的机械液压助力转向系统、当下普及的电液助力转向系统和电动助力转向系统等，都属于基于机械部件的转向系统。这些机械系统在进化的过程中，优化了转向系统的力传递特性，为转向控制提供了助力，提升了汽车的操纵稳定性和平顺性。但是，受限于机械结构，它们无法改变转向系统的角传递特性，即汽车的转向特性，因此难以实现自动驾驶所要求的主动控制。

线控转向系统（Steering-By-Wire），取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接部件，彻底摆脱了机械固件的限制，完全由电能来实现转向。线控转向系统不仅具有传统机械转向系统的所有优点，更可以实现机械系统难以做到的，角传递特性的优化。在线控转向系统中，驾驶员的操纵动作通过传感器变成电信号，信号经分析处理后，通过导线直接传递到执行机构。由于不受机械结构的限制，可以实现理论上的任意转向意图，因此线控转向系统被称为目前最先进的转向系统。

表1 转向系统汇总

线控转向系统的结构

线控转向系统主要由方向盘模块、主控制器、执行模块、故障处理系统，电源等部分组成。其中方向盘模块、主控制器、执行模块是线控转向的3个主要部分，其他模块属于辅助部分。

图2 线控转向系统的结构

方向盘模块是转向意图的输入模块，包括方向盘、转角传感器、扭矩传感器、回正力矩电机以及相关的附件等。

方向盘模块通过测量方向盘的转角和转矩，将驾驶员的转向意图，转换成数字信号，并传递给主控制器；同时，方向盘模块接收主控制器反馈的力矩信号，产生方向盘的回正力矩，为驾驶员提供对应的路感。

主控制器，即ECU，是线控转向的核心，相当于大脑，它决定了线控转向的控制效果。它的主要作用是分析和处理各路信号，判断转向意图和汽车的运动状态，并输出相应的控制指令。

主控制器一方面对采集到的信号进行分析处理，向转向执行电机和回正力矩电机发送指令，确保两台电机协同工作，从而实现车辆的转向运动和路感的模拟。另一方面，主控制器保持对驾驶员的操作和车辆的状态进行实时监控，实现智能化的控制。

当系统检测到转向意图不合理、系统指令出现错误或者汽车出现不稳定的状态时，主控制器能够及时屏蔽错误的指令，并以合理的方式自动控制车辆，使汽车尽快恢复到稳定的状态。另外，当线控转向系统出现故障的时候，主控制器能够及时地采取措施，进行补救，保证行车的安全和稳定。

转向执行模块的作用是实现和执行驾驶员的转向意图，它由转向执行电机、转向电机控制器、车轮转向组件以及车轮转角传感器组成。执行模块接受主控制器的指令，通过转向电机及其控制器，控制转向轮的转动，实现转向。

另外，车轮转角传感器将测得的车轮位置信号同步反馈给主控制器，用于计算分析和闭环控制。

故障处理系统也是线控转向系统的重要模块，它包含一系列的监控与应对措施的程序。当线控转向系统出现故障时，故障处理系统按照设定好的程序，采取对应的处理措施，以避免或减轻该故障带来的危害，最大程度地保证汽车的行驶安全。

此外，电源作为供电设施，也是线控转向系统中不可或缺的一部分。

线控转向的原理

基于线控转向系统的结构，我们可以很容易地分析线控转向的工作原理。

当方向盘转动时，方向盘的转角传感器和扭矩传感器分别将测量到的转角与扭矩信息，转变成电信号，传输给主控制器；同时，主控制器接收相应传感器采集到的车轮运动状态信号，如车速、纵向加速度、横摆角速度等。基于上述信号，主控制器对方向盘的转角和扭矩信号进行处理，并向转向执行电机发送控制指令，实现合理的转向。

另一方面，主控制器接收车轮转角传感器所采集到的车轮信息，结合车辆的状态信息，向回正力矩电机发送相应的力矩指令。回正力矩电机模拟出路面反馈的信息，从而向驾驶员提供实时的路感。

当主控制器出现错误或故障时，故障处理模块会根据故障的形式与等级，作出相应的处理，确保驾驶员能够发现故障，并保持安全行驶。

图3 线控转向的工作原理

线控转向的优势与技术难点

从线控转向系统的结构分析中，可以看出：方向盘和转向车轮之间的机械连接不复存在，取而代之的是电线电缆之间的信号连接。这种基于纯电信号控制的转向系统，具有一系列传统机械转向系统所不具备的优势。

第一，更安全

由于取消了转向柱等机械结构，因此可以完全避免碰撞事故中，转向柱对驾驶员的伤害。

第二，更舒适

智能化的ECU能够根据汽车的行驶状态，实时判断驾驶员的操作是否合理，并做出相应的调整。当汽车处于非平稳的工况时，线控转向系统可以自动地对汽车进行稳定性控制。对于车内人员来说，会感到更加平稳舒适。

消除机械连接的同时，驾驶员的腿部活动空间得以增大。同时，地面的横纵向不平顺，不会直接传递到驾驶员的手上，路感信息由回正力矩电机模拟生成，会过滤无用的信息，只向驾驶员提供有用的信息，从而改善驾驶的舒适性。

另外，线控转向系统有一个重要的特点：传动比可变，且可以任意设置。因此，可以让汽车按最理想的转向特性行驶。并且，线控转向系统可以对随车速变化的参数进行补偿，使汽车的转向特性不再随车速的变化而变化，从而减轻驾驶员的负担。

第三，更经济

传统的转向系统存在大量机械结构，取消这些机械结构，可以显著降低汽车的重量，并因此减少耗油量或耗电量。同时，取消这些机械连接，也降低了汽车的零件生产成本。

第四，更智能

线控转向系统是整车的一部分，线控转向系统的控制器，可以和汽车的其他控制器交换并共享数据。由此，转向控制器可以获取汽车的整体运动状态，并通过算法优化，综合提升车辆的操纵稳定性。

然而，我们也必须意识到，线控转向仍然存在技术上的难点。

首先，线控转向需要保证足够的可靠性和鲁棒性。由于取消了机械结构，所有的控制都通过电信号实现，因此必须保证复杂的程序运算不会出错，否则将导致严重的驾驶事故。

目前的做法是一方面提升计算程序的性能，另一方面提供冗余备份，使得当

主系统发生故障时，仍有另一套冗余系统可以工作，保持正常行驶。但是，冗余系统的设计、布局，以及两套系统之间的交互，存在一定的困难。

其次，线控转向系统需要实时地模拟路面的路感，以便驾驶员的合理驾驶。这也对计算程序的性能提出了较高的要求。当然，如果是L5级的自动驾驶，完全取消方向盘，则没有这个问题，但是L5的实现还很遥远。

此外，线控转向系统对转向电机的功率要求高，相应的，转向电机的成本也将增加。

线控转向的应用现状

由于线控转向系统独特的优势，以及自动驾驶浪潮下的需求，目前线控转向正在逐渐普及。

最早的量产线控转向系统可以追溯到2015年，英菲尼迪Q50搭载了主动式的线控转向系统。Q50的转向系统在正常工作状态下，方向盘和转向器之间是没有机械连接的，完全靠电信号实现控制和路感的模拟。当系统出现故障时下，通过离合器，将线控转向系统变为一个机械转向系统，这就是对于线控转向系统的冗余。

图4 英菲尼迪Q50的线控转向系统

可惜的是，后续Q50的线控转向版本遭遇了大规模的召回，看来线控转向的可靠性，当时没有达到大规模量产的要求。

目前已经有多家厂商推出了自家的线控转向概念模型，如传统巨头博世等，但是能够支持高级别自动驾驶功能的完全线控转向产品还没有量产案例。

值得关注的是，除了博世、大陆等传统Tier 1外，国内自主品牌也开始占据线控转向的份额。2021年，集度、蔚来、吉利成为线控转向技术发展和标准化研究的联合牵头单位，将牵头线控转向相关国家标准的制定；长城汽车也发布了其支持L4级别自动驾驶的线控转向技术，号称2023年将实现量产。

虽然还存在技术难点，但从目前的技术迭代速度和行业趋势来看，我们相信，完全的线控转向量产落地已经不太远了。

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