线控转向--自动驾驶路径与方向的精确控制

智能汽车电子与软件 2024-04-14 17:00

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线控转向，即Steer-By-Wire，能够无束缚地得到无人驾驶进行转弯的指令目标输入和汽车的转向轮的变化之间的关系，可以控制转向机构和行驶需要之间的关系，这样能够对车辆进行调节。其直接掌控着自动驾驶路径与方向的精确控制。

1. 线控转向发展历程

自1894年乘用车安装第1款现代意义上具备方向盘的转向系统开始，其转向系统大致经历了5个阶段：

早期的纯机械转向系统；
福特最早提出的液压助力转向系统；
丰田首推的电子液压助力转向系统；
新一代的电动助力转向系统；
摆脱机械连接的线控转向系统和具有主动转向功能的前轮主动转向系统等。

1.1. 电子液压助力转向(EHPS)

驾驶员在方向盘上施加转动力矩和角度；

方向盘带动转向柱转动；

转向柱通过其底部和转向机相连的齿轮齿条机构，将转向柱的转动变为转向机齿条的横向直线运动；

转向扭矩传感器检测到驾驶员输入了方向盘扭矩；

根据驾驶员输入的扭矩，以及车速等信息，ECU计算并控制电动机带动转向助力泵转动，产生高压液体；

液压通过转向油管传递到液压助力转向机上，液压推动液压助力转向机上的双作用液压缸的活塞，产生压力，对齿条的横向直线运动进行助力；

转向机两端的转向横拉杆，通过推动或拉动转向节来改变车轮的方向；

车轮与地面间产生横向力，车辆转向。

电子液压助力转向机构

1.2. 电动助力转向(EPS)

第一种是对转向柱的转矩进行助力，这种叫C -EPS (Column - EPS)；

第二种是对转向柱底端的齿轮齿条机构中的齿轮进行助力，这种叫P - EPS(Pinion - EPS)；

第三种是在转向机上对齿条的直线运动进行助力，这种叫R - EPS(Rack - EPS)；而R - EPS根据传动的方式不同，又可以分为R-EPS，DP-EPS(双小齿轮EPS)和BD-EPS(带传动EPS)。

1.3. 线控转向(SBW)

狭义上说，SBW系统特指没有机械连接的转向系统，这是从系统的结构上进行的一个区分。但着眼于功能，从广义说，任何能够将驾驶员输入和前轮转角解耦的转向系统都可以看成是 SBW系统。在此定义下，一般结构如下图。

其中① - ④为电机可能安装位置，而⑤为电磁离合器。电磁离合器提供机械冗余，可实现转向盘与车轮的机械解耦。根据有无⑤，SBW系统可以分为保留机械软连接的 SBW系统和无机械连接的 SBW系统2大类。由此，人们研究双电机安全冗余线控转向系统。该方案包括转向操纵机构、转向执行机构、电子线传控制网络、电源系统和各种辅助结构。该方案将传统的机械转向与电子控制技术紧密结合起来，线传主动转向与机械操纵转向两种模式通过电磁离合器可任意切换，而且通过故障识别，机械操纵转向可以作为线传主动转向备份，提升安全性。

2. 线控转向主要研究内容

当前，线控转向系统的研究主要集中在 3 个方面：路感反馈控策略研究、转向执行控制策略研究以及故障诊断与容错控制策略研究。

2.1. 路感反馈控制策略研究

由于线控转向系统取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接，通过转向角信号和转向电机控制车轮转向，导致路感无法直接反馈给驾驶员，这从驾驶安全性角度考虑是绝对不允许的。

针对这个问题，线控转向系统的方向盘总成中包含有路感模拟电机，用来产生作用于方向盘的阻力矩以模拟路感。路感是一个比较抽象的定义，其定义之一是指驾驶员通过方向盘得到的车辆行驶中的转向阻力矩，该阻力矩主要包含回正力矩和摩擦力矩2部分。其中，回正力矩是使车轮恢复到直线行驶位置的主要力矩之一，其数值的确定是车辆设计中的一个难题，通常由经验、半经验、统计或实验的方法获得。回正力矩与车辆前轮的受力状态存在直接关系，而前轮受力又和车辆实时的运动状态及路面附着直接相关。因此，通常把总的回正力矩除以自方向盘到前轮总的力传动比近似得到的方向盘手力矩看成是路感。

就当前的研究来看，路感通常采用基于经验设计和基于模型设计这2种方法获得。

基于经验设计的方法，通常是将路感设计为方向盘转角、车速、横摆角速度等参数的非线性函数关系式，在不同条件下为驾驶员提供不同的路感，简单高效，但是自适应性和精度较差。

基于动力学模型的方法，是通过参考传统车辆路感产生的动力学原理建立相关的动

力学模型，根据车辆的动态响应、驾驶员的方向盘输入等计算与路感相关的轮胎力、摩擦力矩等，最终计算出路感。获得期望的转向阻力矩，剩下的工作就是控制路感反馈电机达到期望的力矩。最常用的算法是PID算法。

2.2. 转向执行研究

SBW系统的转向执行控制策略可以分为上层策略和下层策略。

其中，上层策略根据当前车辆的状态和驾驶员的输入，在尽量满足控制目标和约束条件的情况下，计算出期望的前轮转角；而下层策略则是由转向控制器控制转向电机执行该指令，快速、准确地达到该目标转角。

由于线控转向系统的灵活性，衍生出很多控制算法。总体而言，算法可以总结为基于经验设计的方法和基于动力学模型计算的方法这 2 大类。

基于经验设计的方法主要是根据车辆在不同工况下对操纵稳定性要求的不同来进行设计。在低速工况下，汽车应具有不沉重而适度的转向盘力与不过于大的方向盘转角，还应具有良好的回正性能；高速、低侧向加速度工况下，汽车应具有良好的横摆角速度频率特性、直线行驶能力、回正性能和较大的转向灵敏度，且转向盘力不宜过小而应维持在一定数值，以给驾驶者稳定的路感。

基于动力学模型计算的方法旨在提高车辆的稳定性。因此，也有研究人员将这种方法归结为车辆稳定性控制方法。其基本思路是根据当前车辆状态、外界环境和驾驶员输入提出控制目标，然后根据控制目标计算参考前轮转角，控制前轮转角改变轮胎侧向力，对横摆力矩进行补偿。

2.3. 故障诊断与容错控制

在线控转向中，转向的动力来源于电机主要包括了两方面：用来给驾驶员提供转向时的路感和动力。电机的可靠性是研究者们首先要考虑的因素，电机和控制器的容错就体现得十分重要。实时监测技术和设置冗余硬件是保证控制器稳定运行的两种手段，故而可以实现容错控制，线控转向的运行的品质得到了保证，根据控制器与电机之间的控制关系，可以对电机出现故障时所需要的补偿控制进行相关研究，那样就为能够在最大限度上保证线控转向的可靠性提供了可能。

3.3. 线控转向的应用

从全球竞争格局来看，博世、采埃孚、捷太格特、NSK、耐世特等国际巨头有成熟的线控转向产品和技术，但在商业化方面仍然遇到了瓶颈。

2020年以后，L3级自动驾驶进入量产将拉动线控系统产品商业化，那些率先在中国市场布局的外资企业会有先发优势。纵观国内市场，在线控技术上有所作为的中国本土企业寥寥无几，且规模相对较小。

来源:ATC汽车底盘

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