一、概述

  新(xin)能源汽車在智能化進(jin)程中，線控轉向係統（Steering By Wire，SBW）的應用在其中扮(ban)演著重要角色，它(ta)徹(che)底改變(bian)了傳統汽車的機械轉向方式(shi)，通過(guo)摒(bing)棄機械連杆結構，實現了從(cong)方向盤到(dao)車輪(lun)轉向執行機構間的信號傳輸和控製完(wan)全依靠電子信號來完(wan)成。該技術是汽車電氣(qi)化和智能化的重要組成部分，尤(you)其對(dui)自動駕(jia)駛汽車來說(shuo)，更是不(bu)可或缺(que)的關鍵(jian)技術。

二、原理與架構

  在SBW係統中，其主要涉及的節點(dian)按功能可分為感知層、控製層和執行層三部分。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(ju)功能如下：

   1）方向盤轉角傳感器：用於監測方向盤的轉動角度和轉速，以反映駕(jia)駛員的轉向意圖；

2）扭矩傳感器：測量(liang)駕(jia)駛員施加在方向盤上的力矩，用於模(mo)擬路感反饋(kui)；

3）車速傳感器：提供車輛當前的速度信息，用於計算合適的轉向助(zhu)力和動態響應；

4）加速度傳感器和角速度傳感器：提供車輛動態信息，如側(ce)向加速度、橫(heng)擺角速度等，幫助(zhu)控製係統理解車輛狀態；

5）其他：提供車輛狀態、道路等信息。

      SBW的控製層即控製單元，它(ta)負責接(jie)收所(suo)有(you)傳感器的數據(ju)，並將其進(jin)行預(yu)處(chu)理和融合，以確保(bao)數據(ju)的準確性和完(wan)整性，基於數據(ju)結果，根(gen)據(ju)車輛狀態、駕(jia)駛員輸入和其他係統信息，計算出最(zui)優(you)的轉向角度和速度指令(ling)，並在係統運行過(guo)程中處(chu)理故障診斷(duan)與執行冗餘(yu)控製策(ce)略。

      SBW的執行層可將其分為轉向執行總成與路感模(mo)擬裝(zhuang)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裝(zhuang)置構成，其主要工(gong)作過(guo)程是通過(guo)轉向電機接(jie)收控製單元發出的指令(ling)，並執行相應的電機扭矩輸出，減速機構和轉向傳動裝(zhuang)置將電機的旋(xuan)轉運動轉化為前輪(lun)的轉向動作，從(cong)而(er)實現車輛的轉向操作。

  路感模(mo)擬裝(zhuang)置是在方向盤處(chu)安(an)裝(zhuang)的力反饋(kui)機構，它(ta)根(gen)據(ju)控製單元的指令(ling)提供真實路感的模(mo)擬，以確保(bao)駕(jia)駛員能夠感知到(dao)轉向阻(zu)力和路麵(mian)反饋(kui)。

  基於上述基本原理，整理SBW的架構示意如下：

图1 SBW架構示意

三、係統工(gong)作流程

      SBW功能實現的主要過(guo)程可分為數據(ju)采(cai)集與輸入、係統控製、係統執行以及反饋(kui)模(mo)擬四個階段。當駕(jia)駛員轉動方向盤時，內置的角度傳感器和扭矩傳感器會(hui)實時捕捉(zhuo)到(dao)方向盤的動作幅度、旋(xuan)轉速度以及作用在其上的力度，並將這(zhe)些物理量(liang)轉換(huan)成電信號。同時車身各處(chu)的狀態傳感器將會(hui)實時為係統提供車輛位置、速度、運動姿態和道路等信息。

  控製單元在接(jie)收到(dao)上述傳感器的實時數據(ju)後，會(hui)結合車輛的行駛狀態、道路條件、駕(jia)駛員行為習慣以及可能激活的主動安(an)全功能進(jin)行綜合分析。為使後續的計算過(guo)程準確無誤，在收到(dao)原始(shi)數據(ju)後，控製單元會(hui)對(dui)其進(jin)行預(yu)處(chu)理，即對(dui)這(zhe)些數據(ju)進(jin)行濾波、平滑處(chu)理等處(chu)理，以消(xiao)除不(bu)必要的幹擾，確保(bao)數據(ju)的質量(liang)和準確性。

  對(dui)處(chu)理後的數據(ju)進(jin)行融合時，會(hui)再(zai)提取各個傳感器的互(hu)補信息，以進(jin)一步(bu)減少不(bu)確定性和錯(cuo)誤影響。如，如果同時使用了多個角度傳感器，我們可能會(hui)采(cai)用卡爾曼濾波、貝葉斯(si)估計等方法(fa)，結合它(ta)們的測量(liang)結果，估算出最(zui)可信的轉向角度。對(dui)於狀態信息的融合，會(hui)結合車輛動力學(xue)模(mo)型，將不(bu)同來源的信息綜合起來，如將駕(jia)駛員的轉向意願與車輛實際行駛狀態（車身姿態、速度、輪(lun)胎抓(zhua)地力等）結合起來，以確定最(zui)佳(jia)轉向響應。同時，過(guo)程中還需要對(dui)每一條數據(ju)進(jin)行有(you)效性檢(jian)查，如有(you)異常或超(chao)出合理範(fan)圍的數據(ju)，將進(jin)行剔除或采(cai)用備用數據(ju)源。

  根(gen)據(ju)融合後的數據(ju)結果，控製單元會(hui)根(gen)據(ju)預(yu)定控製邏輯(ji)和實時工(gong)況(kuang)、狀態進(jin)行決策(ce)，如在自動駕(jia)駛模(mo)式(shi)下，依據(ju)路線規劃、障礙(ai)物檢(jian)測結果等因素，決定是否需要調整轉向指令(ling)。

  根(gen)據(ju)以上分析結果，控製單元將計算出理想的轉向角度、轉向速率或轉向力矩，並生成相應的控製指令(ling)，再(zai)通過(guo)通信接(jie)口傳遞給(gei)係統的執行機構。在係統運行過(guo)程中，控製單元會(hui)不(bu)斷(duan)監控執行機構的響應情況(kuang)，並通過(guo)反饋(kui)機製對(dui)控製指令(ling)進(jin)行實時調整，確保(bao)係統達到(dao)預(yu)期的控製效果，同時也為駕(jia)駛員提供仿(fang)真或增強的真實駕(jia)駛感受(shou)反饋(kui)。

  對(dui)此(ci)數據(ju)處(chu)理及控製過(guo)程的流程進(jin)行示意，如下：

圖2 SBW數據(ju)處(chu)理與控製示意

  在決策(ce)與控製階段，為了確保(bao)計算出的轉向角、轉向速率等參數與實際需求(qiu)相符，通常係統會(hui)執行多項關鍵(jian)步(bu)驟：首先基於車輛相關模(mo)型，預(yu)測車輛對(dui)於不(bu)同轉向指令(ling)的響應，確保(bao)計算出的控製參數能引(yin)導車輛按照預(yu)期軌(gui)跡行駛，同時使用相關控製策(ce)略，根(gen)據(ju)係統當前狀態和目標(biao)狀態，快速、準確地計算出控製量(liang)，使車輛在各種(zhong)工(gong)況(kuang)下都能保(bao)持良好(hao)的穩定性及跟蹤(zong)性能。

  在係統運行過(guo)程中，考慮到(dao)傳感器數據(ju)可能存(cun)在誤差(cha)，會(hui)采(cai)用數據(ju)融合技術和傳感器誤差(cha)補償算法(fa)來提高測量(liang)精度，從(cong)而(er)使得(de)基於這(zhe)些數據(ju)計算出的控製指令(ling)更為可靠。並通過(guo)閉(bi)環(huan)控製係統，實時監測實際車輛狀態與期望狀態之間的偏差(cha)，根(gen)據(ju)偏差(cha)信息不(bu)斷(duan)調整控製指令(ling)，形成一個迭代(dai)優(you)化的過(guo)程，直至達到(dao)或者接(jie)近(jin)預(yu)設的目標(biao)狀態。

  對(dui)此(ci)提高計算結果的過(guo)程示意如下：

圖3 SBW決策(ce)與控製計算過(guo)程示意

  最(zui)後控製單元將計算出的轉向指令(ling)轉化為驅(qu)動信號，再(zai)傳輸給(gei)位於轉向係統的電動機，電動機在接(jie)受(shou)到(dao)信號後，將產生相應的驅(qu)動力，通過(guo)齒輪(lun)或其他傳動機構改變(bian)前輪(lun)的實際轉向角度，從(cong)而(er)實現車輛的轉向控製。

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