--領取《汽車駕駛自動化分級》（GB/T 40429-2021）--
衆所周知，自動駕駛的實作離不開感覺、決策、控制三大系統的協同合作，其中運動控制則依賴于線控底盤技術。作為線控底盤的重要組成部分，線控轉向已經成為耳熟能詳的名詞。
那麼，線控轉向技術的原理是什麼？有什麼優勢？目前應用情況如何？本文将進行詳細的解讀，揭開線控轉向的神秘面紗。
圖1 線控轉向
線控轉向VS傳統轉向
汽車轉向系統決定了汽車的橫向運動，傳統的轉向系統是機械系統：駕駛員操縱方向盤，通過轉向器和拉杆,将轉向意圖傳遞到轉向車輪，進而實作轉向運動。
早期的機械液壓助力轉向系統、當下普及的電液助力轉向系統和電動助力轉向系統等，都屬于基于機械部件的轉向系統。這些機械系統在進化的過程中，優化了轉向系統的力傳遞特性，為轉向控制提供了助力，提升了汽車的操縱穩定性和平順性。但是，受限于機械結構，它們無法改變轉向系統的角傳遞特性，即汽車的轉向特性，是以難以實作自動駕駛所要求的主動控制。
線控轉向系統（Steering-By-Wire），取消了方向盤和轉向車輪之間的機械連接配接部件，徹底擺脫了機械固件的限制，完全由電能來實作轉向。線控轉向系統不僅具有傳統機械轉向系統的所有優點，更可以實作機械系統難以做到的，角傳遞特性的優化。線上控轉向系統中，駕駛員的操縱動作通過傳感器變成電信号，信号經分析處理後，通過導線直接傳遞到執行機構。由于不受機械結構的限制，可以實作理論上的任意轉向意圖，是以線控轉向系統被稱為目前最先進的轉向系統。
表1 轉向系統彙總
線控轉向系統的結構
線控轉向系統主要由方向盤子產品、主要制器、執行子產品、故障處理系統，電源等部分組成。其中方向盤子產品、主要制器、執行子產品是線控轉向的3個主要部分，其他子產品屬于輔助部分。
圖2 線控轉向系統的結構
方向盤子產品是轉向意圖的輸入子產品，包括方向盤、轉角傳感器、扭矩傳感器、回正力矩電機以及相關的附件等。
方向盤子產品通過測量方向盤的轉角和轉矩，将駕駛員的轉向意圖，轉換成數字信号，并傳遞給主要制器；同時，方向盤子產品接收主要制器回報的力矩信号，産生方向盤的回正力矩，為駕駛員提供對應的路感。
主要制器，即ECU，是線控轉向的核心，相當于大腦，它決定了線控轉向的控制效果。它的主要作用是分析和處理各路信号，判斷轉向意圖和汽車的運動狀态，并輸出相應的控制指令。
主要制器一方面對采集到的信号進行分析處理，向轉向執行電機和回正力矩電機發送指令，確定兩台電機協同工作，進而實作車輛的轉向運動和路感的模拟。另一方面，主要制器保持對駕駛員的操作和車輛的狀态進行實時監控，實作智能化的控制。
當系統檢測到轉向意圖不合理、系統指令出現錯誤或者汽車出現不穩定的狀态時，主要制器能夠及時屏蔽錯誤的指令，并以合理的方式自動控制車輛，使汽車盡快恢複到穩定的狀态。另外，當線控轉向系統出現故障的時候，主要制器能夠及時地采取措施，進行補救，保證行車的安全和穩定。
轉向執行子產品的作用是實作和執行駕駛員的轉向意圖，它由轉向執行電機、轉向電機控制器、車輪轉向元件以及車輪轉角傳感器組成。執行子產品接受主要制器的指令，通過轉向電機及其控制器，控制轉向輪的轉動，實作轉向。
另外，車輪轉角傳感器将測得的車輪位置信号同步回報給主要制器，用于計算分析和閉環控制。
故障處理系統也是線控轉向系統的重要子產品，它包含一系列的監控與應對措施的程式。當線控轉向系統出現故障時，故障處理系統按照設定好的程式，采取對應的處理措施，以避免或減輕該故障帶來的危害，最大程度地保證汽車的行駛安全。
此外，電源作為供電設施，也是線控轉向系統中不可或缺的一部分。
線控轉向的原理
基于線控轉向系統的結構，我們可以很容易地分析線控轉向的工作原理。
當方向盤轉動時，方向盤的轉角傳感器和扭矩傳感器分别将測量到的轉角與扭矩資訊，轉變成電信号，傳輸給主要制器；同時，主要制器接收相應傳感器采集到的車輪運動狀态信号，如車速、縱向加速度、橫擺角速度等。基于上述信号，主要制器對方向盤的轉角和扭矩信号進行處理，并向轉向執行電機發送控制指令，實作合理的轉向。
另一方面，主要制器接收車輪轉角傳感器所采集到的車輪資訊，結合車輛的狀态資訊，向回正力矩電機發送相應的力矩指令。回正力矩電機模拟出路面回報的資訊，進而向駕駛員提供實時的路感。
當主要制器出現錯誤或故障時，故障處理子產品會根據故障的形式與等級，作出相應的處理，確定駕駛員能夠發現故障，并保持安全行駛。
圖3 線控轉向的工作原理
線控轉向的優勢與技術難點
從線控轉向系統的結構分析中，可以看出：方向盤和轉向車輪之間的機械連接配接不複存在，取而代之的是電線電纜之間的信号連接配接。這種基于純電信号控制的轉向系統，具有一系列傳統機械轉向系統所不具備的優勢。
第一，更安全
由于取消了轉向柱等機械結構，是以可以完全避免碰撞事故中，轉向柱對駕駛員的傷害。
第二，更舒适
智能化的ECU能夠根據汽車的行駛狀态，實時判斷駕駛員的操作是否合理，并做出相應的調整。當汽車處于非平穩的工況時，線控轉向系統可以自動地對汽車進行穩定性控制。對于車内人員來說，會感到更加平穩舒适。
消除機械連接配接的同時，駕駛員的腿部活動空間得以增大。同時，地面的橫縱向不平順，不會直接傳遞到駕駛員的手上，路感資訊由回正力矩電機模拟生成，會過濾無用的資訊，隻向駕駛員提供有用的資訊，進而改善駕駛的舒适性。
另外，線控轉向系統有一個重要的特點：傳動比可變，且可以任意設定。是以，可以讓汽車按最理想的轉向特性行駛。并且，線控轉向系統可以對随車速變化的參數進行補償，使汽車的轉向特性不再随車速的變化而變化，進而減輕駕駛員的負擔。
第三，更經濟
傳統的轉向系統存在大量機械結構，取消這些機械結構，可以顯著降低汽車的重量，并是以減少耗油量或耗電量。同時，取消這些機械連接配接，也降低了汽車的零件生産成本。
第四，更智能
線控轉向系統是整車的一部分，線控轉向系統的控制器，可以和汽車的其他控制器交換并共享資料。由此，轉向控制器可以擷取汽車的整體運動狀态，并通過算法優化，綜合提升車輛的操縱穩定性。
然而，我們也必須意識到，線控轉向仍然存在技術上的難點。
首先，線控轉向需要保證足夠的可靠性和魯棒性。由于取消了機械結構，所有的控制都通過電信号實作，是以必須保證複雜的程式運算不會出錯，否則将導緻嚴重的駕駛事故。
目前的做法是一方面提升計算程式的性能，另一方面提供備援備份，使得當
主系統發生故障時，仍有另一套備援系統可以工作，保持正常行駛。但是，備援系統的設計、布局，以及兩套系統之間的互動，存在一定的困難。
其次，線控轉向系統需要實時地模拟路面的路感，以便駕駛員的合理駕駛。這也對計算程式的性能提出了較高的要求。當然，如果是L5級的自動駕駛，完全取消方向盤，則沒有這個問題，但是L5的實作還很遙遠。
此外，線控轉向系統對轉向電機的功率要求高，相應的，轉向電機的成本也将增加。
線控轉向的應用現狀
由于線控轉向系統獨特的優勢，以及自動駕駛浪潮下的需求，目前線控轉向正在逐漸普及。
最早的量産線控轉向系統可以追溯到2015年，英菲尼迪Q50搭載了主動式的線控轉向系統。Q50的轉向系統在正常工作狀态下，方向盤和轉向器之間是沒有機械連接配接的，完全靠電信号實作控制和路感的模拟。當系統出現故障時下，通過離合器，将線控轉向系統變為一個機械轉向系統，這就是對于線控轉向系統的備援。
圖4 英菲尼迪Q50的線控轉向系統
可惜的是，後續Q50的線控轉向版本遭遇了大規模的召回，看來線控轉向的可靠性，當時沒有達到大規模量産的要求。
目前已經有多家廠商推出了自家的線控轉向概念模型，如傳統巨頭博世等，但是能夠支援進階别自動駕駛功能的完全線控轉向産品還沒有量産案例。
值得關注的是，除了博世、大陸等傳統Tier 1外，國内自主品牌也開始占據線控轉向的份額。2021年，集度、蔚來、吉利成為線控轉向技術發展和标準化研究的聯合牽頭機關，将牽頭線控轉向相關國家标準的制定；長城汽車也釋出了其支援L4級别自動駕駛的線控轉向技術，号稱2023年将實作量産。
雖然還存在技術難點，但從目前的技術疊代速度和行業趨勢來看，我們相信，完全的線控轉向量産落地已經不太遠了。
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