一、概述

  新能源汽車在智能化進程中，線控轉向系統(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)汽車的機械轉向方式，通過摒棄機械連桿結構，實現了從方向盤到車輪轉向執(zhí)行機構間的信號傳輸和控制完全依靠電子信號來完成。該技術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，更是不可或缺的關鍵技術。

二、原理與架構

  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提供的數據功能如下：

   1）方向盤轉角傳感器：用于監(jiān)測方向盤的轉動角度和轉速，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據，并將其進行預處理和融合，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)行層可將其分為轉向執(zhí)行總成與路感模擬裝置兩部分，其中轉向執(zhí)行總成由轉向電機、減速機構與轉向傳動裝置構成，其主要工作過程是通過轉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，減速機構和轉向傳動裝置將電機的旋轉運動轉化為前輪的轉向動作，從而實現車輛的轉向操作。

  路感模擬裝置是在方向盤處安裝的力反饋機構，它根據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(tǒng)工作流程

      SBW功能實現的主要過程可分為數據采集與輸入、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)執(zhí)行以及反饋模擬四個階段。當駕駛員轉動方向盤時，內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據后，會結合車輛的行駛狀態(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，在收到原始數據后，控制單元會對其進行預處理，即對這些數據進行濾波、平滑處理等處理，以消除不必要的干擾，確保數據的質量和準確性。

  對處理后的數據進行融合時，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，會結合車輛動力學模型，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）結合起來，以確定最佳轉向響應。同時，過程中還需要對每一條數據進行有效性檢查，如有異?；虺龊侠矸秶臄祿?，將進行剔除或采用備用數據源。

  根據融合后的數據結果，控制單元會根據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，依據路線規(guī)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，再通過通信接口傳遞給系統(tǒng)的執(zhí)行機構。在系統(tǒng)運行過程中，控制單元會不斷監(jiān)控執(zhí)行機構的響應情況，并通過反饋機制對控制指令進行實時調整，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。

  對此數據處理及控制過程的流程進行示意，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際需求相符，通常系統(tǒng)會執(zhí)行多項關鍵步驟：首先基于車輛相關模型，預測車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輛按照預期軌跡行駛，同時使用相關控制策略，根據系統(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，考慮到傳感器數據可能存在誤差，會采用數據融合技術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據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，根據偏差信息不斷調整控制指令，形成一個迭代優(yōu)化的過程，直至達到或者接近預設的目標狀態(tài)。

  對此提高計算結果的過程示意如下：

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向指令轉化為驅動信號，再傳輸給位于轉向系統(tǒng)的電動機，電動機在接受到信號后，將產生相應的驅動力，通過齒輪或其他傳動機構改變前輪的實際轉向角度，從而實現車輛的轉向控制。

轉自覺知汽車