一、概述
新能源汽車在智能化進程中，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steering By Wire，SBW）的應用在其中扮演著重要角色，它徹底改變了傳統(tǒng)汽車的機械轉(zhuǎn)向方式，通過摒棄機械連桿結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了從方向盤到車輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)間的信號傳輸和控制完全依靠電子信號來完成。該技術(shù)是汽車電氣化和智能化的重要組成部分，尤其對自動駕駛汽車來說，更是不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。
二、原理與架構(gòu)
在SBW系統(tǒng)中，其主要涉及的節(jié)點按功能可分為感知層、控制層和執(zhí)行層三部分。其中感知層主要包括方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、扭矩傳感器、車速傳感器、加速度傳感器以及角速度傳感器等。各傳感器為SBW提供的數(shù)據(jù)功能如下：
1）方向盤轉(zhuǎn)角傳感器：用于監(jiān)測方向盤的轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)速，以反映駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖；
2）扭矩傳感器：測量駕駛員施加在方向盤上的力矩，用于模擬路感反饋；
3）車速傳感器：提供車輛當前的速度信息，用于計算合適的轉(zhuǎn)向助力和動態(tài)響應；
4）加速度傳感器和角速度傳感器：提供車輛動態(tài)信息，如側(cè)向加速度、橫擺角速度等，幫助控制系統(tǒng)理解車輛狀態(tài)；
5）其他：提供車輛狀態(tài)、道路等信息。
SBW的控制層即控制單元，它負責接收所有傳感器的數(shù)據(jù)，并將其進行預處理和融合，以確保數(shù)據(jù)的準確性和完整性，基于數(shù)據(jù)結(jié)果，根據(jù)車輛狀態(tài)、駕駛員輸入和其他系統(tǒng)信息，計算出最優(yōu)的轉(zhuǎn)向角度和速度指令，并在系統(tǒng)運行過程中處理故障診斷與執(zhí)行冗余控制策略。
SBW的執(zhí)行層可將其分為轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成與路感模擬裝置兩部分，其中轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成由轉(zhuǎn)向電機、減速機構(gòu)與轉(zhuǎn)向傳動裝置構(gòu)成，其主要工作過程是通過轉(zhuǎn)向電機接收控制單元發(fā)出的指令，并執(zhí)行相應的電機扭矩輸出，減速機構(gòu)和轉(zhuǎn)向傳動裝置將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為前輪的轉(zhuǎn)向動作，從而實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向操作。
路感模擬裝置是在方向盤處安裝的力反饋機構(gòu)，它根據(jù)控制單元的指令提供真實路感的模擬，以確保駕駛員能夠感知到轉(zhuǎn)向阻力和路面反饋。
基于上述基本原理，整理SBW的架構(gòu)示意如下：
圖1 SBW架構(gòu)示意
三、系統(tǒng)工作流程
SBW功能實現(xiàn)的主要過程可分為數(shù)據(jù)采集與輸入、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)執(zhí)行以及反饋模擬四個階段。當駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤時，內(nèi)置的角度傳感器和扭矩傳感器會實時捕捉到方向盤的動作幅度、旋轉(zhuǎn)速度以及作用在其上的力度，并將這些物理量轉(zhuǎn)換成電信號。同時車身各處的狀態(tài)傳感器將會實時為系統(tǒng)提供車輛位置、速度、運動姿態(tài)和道路等信息。
控制單元在接收到上述傳感器的實時數(shù)據(jù)后，會結(jié)合車輛的行駛狀態(tài)、道路條件、駕駛員行為習慣以及可能激活的主動安全功能進行綜合分析。為使后續(xù)的計算過程準確無誤，在收到原始數(shù)據(jù)后，控制單元會對其進行預處理，即對這些數(shù)據(jù)進行濾波、平滑處理等處理，以消除不必要的干擾，確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準確性。
對處理后的數(shù)據(jù)進行融合時，會再提取各個傳感器的互補信息，以進一步減少不確定性和錯誤影響。如，如果同時使用了多個角度傳感器，我們可能會采用卡爾曼濾波、貝葉斯估計等方法，結(jié)合它們的測量結(jié)果，估算出最可信的轉(zhuǎn)向角度。對于狀態(tài)信息的融合，會結(jié)合車輛動力學模型，將不同來源的信息綜合起來，如將駕駛員的轉(zhuǎn)向意愿與車輛實際行駛狀態(tài)（車身姿態(tài)、速度、輪胎抓地力等）結(jié)合起來，以確定最佳轉(zhuǎn)向響應。同時，過程中還需要對每一條數(shù)據(jù)進行有效性檢查，如有異常或超出合理范圍的數(shù)據(jù)，將進行剔除或采用備用數(shù)據(jù)源。
根據(jù)融合后的數(shù)據(jù)結(jié)果，控制單元會根據(jù)預定控制邏輯和實時工況、狀態(tài)進行決策，如在自動駕駛模式下，依據(jù)路線規(guī)劃、障礙物檢測結(jié)果等因素，決定是否需要調(diào)整轉(zhuǎn)向指令。
根據(jù)以上分析結(jié)果，控制單元將計算出理想的轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向速率或轉(zhuǎn)向力矩，并生成相應的控制指令，再通過通信接口傳遞給系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。在系統(tǒng)運行過程中，控制單元會不斷監(jiān)控執(zhí)行機構(gòu)的響應情況，并通過反饋機制對控制指令進行實時調(diào)整，確保系統(tǒng)達到預期的控制效果，同時也為駕駛員提供仿真或增強的真實駕駛感受反饋。
對此數(shù)據(jù)處理及控制過程的流程進行示意，如下：
圖2 SBW數(shù)據(jù)處理與控制示意
在決策與控制階段，為了確保計算出的轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向速率等參數(shù)與實際需求相符，通常系統(tǒng)會執(zhí)行多項關(guān)鍵步驟：首先基于車輛相關(guān)模型，預測車輛對于不同轉(zhuǎn)向指令的響應，確保計算出的控制參數(shù)能引導車輛按照預期軌跡行駛，同時使用相關(guān)控制策略，根據(jù)系統(tǒng)當前狀態(tài)和目標狀態(tài)，快速、準確地計算出控制量，使車輛在各種工況下都能保持良好的穩(wěn)定性及跟蹤性能。
在系統(tǒng)運行過程中，考慮到傳感器數(shù)據(jù)可能存在誤差，會采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)和傳感器誤差補償算法來提高測量精度，從而使得基于這些數(shù)據(jù)計算出的控制指令更為可靠。并通過閉環(huán)控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測實際車輛狀態(tài)與期望狀態(tài)之間的偏差，根據(jù)偏差信息不斷調(diào)整控制指令，形成一個迭代優(yōu)化的過程，直至達到或者接近預設(shè)的目標狀態(tài)。
對此提高計算結(jié)果的過程示意如下：
圖3 SBW決策與控制計算過程示意
最后控制單元將計算出的轉(zhuǎn)向指令轉(zhuǎn)化為驅(qū)動信號，再傳輸給位于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電動機，電動機在接受到信號后，將產(chǎn)生相應的驅(qū)動力，通過齒輪或其他傳動機構(gòu)改變前輪的實際轉(zhuǎn)向角度，從而實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向控制。
轉(zhuǎn)自覺知汽車
