一、概述
新能源汽車在智能化進(jìn)程中，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steering By Wire，SBW）的應(yīng)用在其中扮演著重要角色，它徹底改變了傳統(tǒng)汽車的機(jī)械轉(zhuǎn)向方式，通過摒棄機(jī)械連桿結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了從方向盤到車輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)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(dòng)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(diǎn)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(dòng)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(dāng)前的速度信息，用于計(jì)算合適的轉(zhuǎn)向助力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)；
4）加速度傳感器和角速度傳感器：提供車輛動(dòng)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(fù)責(zé)接收所有傳感器的數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行預(yù)處理和融合，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(jì)算出最優(yōu)的轉(zhuǎn)向角度和速度指令，并在系統(tǒng)運(yùn)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(jī)、減速機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置構(gòu)成，其主要工作過程是通過轉(zhuǎn)向電機(jī)接收控制單元發(fā)出的指令，并執(zhí)行相應(yīng)的電機(jī)扭矩輸出，減速機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為前輪的轉(zhuǎn)向動(dòng)作，從而實(shí)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(jī)構(gòu)，它根據(jù)控制單元的指令提供真實(shí)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(shí)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(gè)階段。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，內(nèi)置的角度傳感器和扭矩傳感器會(huì)實(shí)時(shí)捕捉到方向盤的動(dòng)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(shí)車身各處的狀態(tài)傳感器將會(huì)實(shí)時(shí)為系統(tǒng)提供車輛位置、速度、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和道路等信息。
控制單元在接收到上述傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，會(huì)結(jié)合車輛的行駛狀態(tài)、道路條件、駕駛員行為習(xí)慣以及可能激活的主動(dòng)安全功能進(jìn)行綜合分析。為使后續(xù)的計(jì)算過程準(zhǔn)確無誤，在收到原始數(shù)據(jù)后，控制單元會(huì)對其進(jìn)行預(yù)處理，即對這些數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhǔn)確性。
對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合時(shí)，會(huì)再提取各個(gè)傳感器的互補(bǔ)信息，以進(jìn)一步減少不確定性和錯(cuò)誤影響。如，如果同時(shí)使用了多個(gè)角度傳感器，我們可能會(huì)采用卡爾曼濾波、貝葉斯估計(jì)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(huì)結(jié)合車輛動(dòng)力學(xué)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(shí)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(yīng)。同時(shí)，過程中還需要對每一條數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢查，如有異常或超出合理范圍的數(shù)據(jù)，將進(jìn)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(huì)根據(jù)預(yù)定控制邏輯和實(shí)時(shí)工況、狀態(tài)進(jìn)行決策，如在自動(dòng)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(jì)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(yīng)的控制指令，再通過通信接口傳遞給系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，控制單元會(huì)不斷監(jiān)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)情況，并通過反饋機(jī)制對控制指令進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，確保系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的控制效果，同時(shí)也為駕駛員提供仿真或增強(qiáng)的真實(shí)駕駛感受反饋。
對此數(shù)據(jù)處理及控制過程的流程進(jìn)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(jì)算出的轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向速率等參數(shù)與實(shí)際需求相符，通常系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行多項(xiàng)關(guān)鍵步驟：首先基于車輛相關(guān)模型，預(yù)測車輛對于不同轉(zhuǎn)向指令的響應(yīng)，確保計(jì)算出的控制參數(shù)能引導(dǎo)車輛按照預(yù)期軌跡行駛，同時(shí)使用相關(guān)控制策略，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)，快速、準(zhǔn)確地計(jì)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(yùn)行過程中，考慮到傳感器數(shù)據(jù)可能存在誤差，會(huì)采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)和傳感器誤差補(bǔ)償算法來提高測量精度，從而使得基于這些數(shù)據(jù)計(jì)算出的控制指令更為可靠。并通過閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)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(gè)迭代優(yōu)化的過程，直至達(dá)到或者接近預(yù)設(shè)的目標(biāo)狀態(tài)。
對此提高計(jì)算結(jié)果的過程示意如下：
圖3 SBW決策與控制計(jì)算過程示意
最后控制單元將計(jì)算出的轉(zhuǎn)向指令轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)信號，再傳輸給位于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)在接受到信號后，將產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力，通過齒輪或其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改變前輪的實(shí)際轉(zhuǎn)向角度，從而實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向控制。
轉(zhuǎn)自覺知汽車
