一、概述
新能源汽車(chē)在智能化進(jìn)程中，線(xiàn)控轉向系統（Steering By Wire，SBW）的應用在其中扮演著(zhù)重要角色，它徹底改變了傳統汽車(chē)的機械轉向方式，通過(guò)摒棄機械連桿結構，實(shí)現了從方向盤(pán)到車(chē)輪轉向執行機構間的信號傳輸和控制完全依靠電子信號來(lái)完成。該技術(shù)是汽車(chē)電氣化和智能化的重要組成部分，尤其對自動(dòng)駕駛汽車(chē)來(lái)說(shuō)，更是不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。
二、原理與架構
在SBW系統中，其主要涉及的節點(diǎn)按功能可分為感知層、控制層和執行層三部分。其中感知層主要包括方向盤(pán)轉角傳感器、扭矩傳感器、車(chē)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提供的數據功能如下：
1）方向盤(pán)轉角傳感器：用于監測方向盤(pán)的轉動(dòng)角度和轉速，以反映駕駛員的轉向意圖；
2）扭矩傳感器：測量駕駛員施加在方向盤(pán)上的力矩，用于模擬路感反饋；
3）車(chē)速傳感器：提供車(chē)輛當前的速度信息，用于計算合適的轉向助力和動(dòng)態(tài)響應；
4）加速度傳感器和角速度傳感器：提供車(chē)輛動(dòng)態(tài)信息，如側向加速度、橫擺角速度等，幫助控制系統理解車(chē)輛狀態(tài)；
5）其他：提供車(chē)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據，并將其進(jìn)行預處理和融合，以確保數據的準確性和完整性，基于數據結果，根據車(chē)輛狀態(tài)、駕駛員輸入和其他系統信息，計算出最優(yōu)的轉向角度和速度指令，并在系統運行過(guò)程中處理故障診斷與執行冗余控制策略。
SBW的執行層可將其分為轉向執行總成與路感模擬裝置兩部分，其中轉向執行總成由轉向電機、減速機構與轉向傳動(dòng)裝置構成，其主要工作過(guò)程是通過(guò)轉向電機接收控制單元發(fā)出的指令，并執行相應的電機扭矩輸出，減速機構和轉向傳動(dòng)裝置將電機的旋轉運動(dòng)轉化為前輪的轉向動(dòng)作，從而實(shí)現車(chē)輛的轉向操作。
路感模擬裝置是在方向盤(pán)處安裝的力反饋機構，它根據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向阻力和路面反饋。
基于上述基本原理，整理SBW的架構示意如下：
圖1 SBW架構示意
三、系統工作流程
SBW功能實(shí)現的主要過(guò)程可分為數據采集與輸入、系統控制、系統執行以及反饋模擬四個(gè)階段。當駕駛員轉動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，內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(pán)的動(dòng)作幅度、旋轉速度以及作用在其上的力度，并將這些物理量轉換成電信號。同時(shí)車(chē)身各處的狀態(tài)傳感器將會(huì )實(shí)時(shí)為系統提供車(chē)輛位置、速度、運動(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)數據后，會(huì )結合車(chē)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(dòng)安全功能進(jìn)行綜合分析。為使后續的計算過(guò)程準確無(wú)誤，在收到原始數據后，控制單元會(huì )對其進(jìn)行預處理，即對這些數據進(jìn)行濾波、平滑處理等處理，以消除不必要的干擾，確保數據的質(zhì)量和準確性。
對處理后的數據進(jìn)行融合時(shí)，會(huì )再提取各個(gè)傳感器的互補信息，以進(jìn)一步減少不確定性和錯誤影響。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、貝葉斯估計等方法，結合它們的測量結果，估算出最可信的轉向角度。對于狀態(tài)信息的融合，會(huì )結合車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，將不同來(lái)源的信息綜合起來(lái)，如將駕駛員的轉向意愿與車(chē)輛實(shí)際行駛狀態(tài)（車(chē)身姿態(tài)、速度、輪胎抓地力等）結合起來(lái)，以確定最佳轉向響應。同時(shí)，過(guò)程中還需要對每一條數據進(jìn)行有效性檢查，如有異?；虺龊侠矸秶臄祿?，將進(jìn)行剔除或采用備用數據源。
根據融合后的數據結果，控制單元會(huì )根據預定控制邏輯和實(shí)時(shí)工況、狀態(tài)進(jìn)行決策，如在自動(dòng)駕駛模式下，依據路線(xiàn)規劃、障礙物檢測結果等因素，決定是否需要調整轉向指令。
根據以上分析結果，控制單元將計算出理想的轉向角度、轉向速率或轉向力矩，并生成相應的控制指令，再通過(guò)通信接口傳遞給系統的執行機構。在系統運行過(guò)程中，控制單元會(huì )不斷監控執行機構的響應情況，并通過(guò)反饋機制對控制指令進(jìn)行實(shí)時(shí)調整，確保系統達到預期的控制效果，同時(shí)也為駕駛員提供仿真或增強的真實(shí)駕駛感受反饋。
對此數據處理及控制過(guò)程的流程進(jìn)行示意，如下：
圖2 SBW數據處理與控制示意
在決策與控制階段，為了確保計算出的轉向角、轉向速率等參數與實(shí)際需求相符，通常系統會(huì )執行多項關(guān)鍵步驟：首先基于車(chē)輛相關(guān)模型，預測車(chē)輛對于不同轉向指令的響應，確保計算出的控制參數能引導車(chē)輛按照預期軌跡行駛，同時(shí)使用相關(guān)控制策略，根據系統當前狀態(tài)和目標狀態(tài)，快速、準確地計算出控制量，使車(chē)輛在各種工況下都能保持良好的穩定性及跟蹤性能。
在系統運行過(guò)程中，考慮到傳感器數據可能存在誤差，會(huì )采用數據融合技術(shù)和傳感器誤差補償算法來(lái)提高測量精度，從而使得基于這些數據計算出的控制指令更為可靠。并通過(guò)閉環(huán)控制系統，實(shí)時(shí)監測實(shí)際車(chē)輛狀態(tài)與期望狀態(tài)之間的偏差，根據偏差信息不斷調整控制指令，形成一個(gè)迭代優(yōu)化的過(guò)程，直至達到或者接近預設的目標狀態(tài)。
對此提高計算結果的過(guò)程示意如下：
圖3 SBW決策與控制計算過(guò)程示意
最后控制單元將計算出的轉向指令轉化為驅動(dòng)信號，再傳輸給位于轉向系統的電動(dòng)機，電動(dòng)機在接受到信號后，將產(chǎn)生相應的驅動(dòng)力，通過(guò)齒輪或其他傳動(dòng)機構改變前輪的實(shí)際轉向角度，從而實(shí)現車(chē)輛的轉向控制。
轉自覺(jué)知汽車(chē)
