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嘉峪檢測網 2024-09-12 20:39
【摘要】為研究線控轉向系統的關鍵技術及其面臨的挑戰，概述了汽車轉向系統的發展軌跡，分析了線控轉向系統較傳統轉向系統的優勢，研究了國內外汽車線控轉向系統的研發及應用現狀。通過分析路感反饋控制、轉向執行控制、冗余設計3 個線控轉向關鍵技術，總結了線控轉向系統對自動駕駛技術的意義及復雜工況下技術挑戰和低成本量產挑戰。未來線控轉向系統應作為線控底盤的一部分，通過整車底盤垂向控制、縱向控制、橫向控制進行融合協調控制。
關鍵詞：線控轉向；路感反饋策略；轉向執行策略；冗余策略
引言
自動駕駛汽車是人工智能、產業互聯網、5G通信、大數據、芯片、北斗組網等新一代信息技術的重要載體，為中國汽車品牌在軟件定義汽車方面“換道超車”提供了機會。轉向系統作為汽車橫向控制的關鍵系統，是自動駕駛汽車不可或缺的組成部分。隨著轉向技術的發展，目前電動助力轉向系統已廣泛應用于自動駐車控制、車道保持輔助、抖動補償、跑偏補償、轉向扭矩補償以及駕駛員輔助等高級轉向功能，極大地提升了駕駛員的操作體驗，提供轉向輕便感和舒適感，顯著提升了駕駛員對自動駕駛系統的適應性和接受度。
轉向技術的迅速發展和進步，引起了廣泛的關注和研究，成為汽車領域的研究熱點。國內外學者對線控轉向技術的研究涵蓋了路感模擬[1-37]、可變傳動比[38-54]、冗余策略[55-77]、車輛穩定性控制[78-80]、主動前輪轉向[81-86]、四輪獨立轉向[87-92]等諸多方面，并取得了顯著成就，進一步促進了線控轉向技術的發展，但研究僅限于仿真、理論、概念車和特定場景的實車路試階段。
本文將研究國內外整車廠、轉向系統制造商對線控轉向系統的研發及應用現狀，通過分析路感反饋控制、轉向執行控制、冗余設計3種線控轉向關鍵技術在國內外的研究現狀，總結線控轉向系統對自動駕駛技的意義及面臨的復雜工況下技術挑戰和低成本量產挑戰，并展望線控轉向系統的發展前景，以期為這一領域的持續進步提供參考和啟示。
1、 線控轉向系統發展概述
1.1 汽車轉向系統發展歷程
如圖1所示，傳統的汽車轉向系統包括轉向盤、轉向管柱、中間軸、轉向器，駕駛員通過轉動轉向盤將力矩通過轉向管柱和中間軸傳遞至轉向器，轉向盤的旋轉運動轉變為轉向器齒條的直線運動，轉向器推動車輪轉動實現汽車的轉向。
圖1 轉向系統在車內的布置
隨著控制、傳感、人工智能技術的發展，汽車自動駕駛技術逐步落地，汽車轉向器從機械轉向器、液壓助力轉向器、逐步發展為電動助力轉向器，并應用于高級駕駛輔助系統（圖2）。
圖2 轉向機發展歷程
線控轉向系統由轉向執行機構和路感執行機構組成。相較于傳統轉向系統，其取消了中間軸的設計，轉向管柱與轉向器之間不存在機械連接，可實現變傳動比轉向功能，即轉向盤在中間位置時，具備較大的角傳動比，能夠增強車輛穩定性（圖3）。在轉向盤接近左右極限位置時，傳動比較小，使得車輛在大角度輸入下轉向響應更為直接，在低速行駛或泊車時轉向更靈活。奔馳、寶馬、奧迪、雷克薩斯品牌的高端車型均搭載傳動比可變的轉向系統，寶馬稱其為主動轉向系統（Active Front Steering，AFS），奧迪稱其為動態轉向系統（Audi Dynamic Steering，ADS），豐田稱其為變傳動比轉向系統（Variable-Gear-Ratio Steering，VGRS）。
圖3 線控轉向系統結構示意
2021 年，GB 17675—2021《汽車轉向系 基本要求》[93]刪除了“不得裝用全動力轉向機構”的規定，放寬了對轉向系統的設計約束。為滿足未來乘用車和商用車智能底盤技術落地要求，預計在2025年、2030年實現線控轉向的滲透率分別達到5%、30%的目標[94]。2023年，工業和信息化部、教育部、科技部、財政部、國家市場監管總局五部門聯合印發《制造業可靠性提升實施意見》，提出將圍繞制造強國、質量強國戰略目標，聚焦機械、電子、汽車等重點行業[95]，汽車行業重點聚焦線控轉向、線控制動、自動換擋、電子油門、懸掛系統等線控底盤系統。這一系列的政策意見將促使線控轉向系統快速落地。
1.2 線控轉向系統優勢分析
線控轉向系統通過其特殊結構及電氣連接方式，取代傳統轉向系統的機械設計及連接方式，其具有以下5項優勢：
（1）整車布置多樣化
由于取消了傳統的中間軸，自動駕駛狀態下可以將轉向盤和轉向管柱收起，釋放車內空間。人工駕駛狀態下可將轉向盤推出，恢復傳統的操縱配置，保留原始駕駛樂趣。
（2）提高駕乘舒適性
汽車在路面狀況差的道路上行駛時，輪胎顛簸、轉向系統振動不會傳遞到轉向盤，有效避免了路面沖擊，提高駕乘舒適性。
線控轉向系統可實現變傳動比轉向，并可定制轉向手感。在低速行駛或駐車狀態下，可以通過較小的轉向盤轉角實現較大的車輪轉向角度，使轉向操作更便捷。相反，在高速行駛時，可以通過較大的轉向盤轉角實現相對較小的車輪轉角，增強車輛穩定性。
（4）提高安全性
汽車主動安全系統對于人體安全保護至關重要，目前汽車縱向控制技術在主動安全系統中的應用已較為成熟，如在汽車防抱死系統、主動制動系統方面。然而，由于路況、車況以及環境的多樣性，緊急制動雖然能在多數情況下有效降低車速，但無法完全避免碰撞發生。線控轉向系統具有主動轉向功能，與主動制動相配合，可以在緊急碰撞工況下實現智能主動轉向，避免碰撞發生。
（5）多場景應用模式
由于線控轉向系統采用路感電機來模擬轉向手感，駕駛員可以根據駕駛偏好設置駕駛模式，如輕便模式、舒適模式、運動模式。傳統賽車游戲設備雖有較好的模擬實車功能，但真實操控體驗較差、設備占地空間大且不便攜帶，線控轉向系統可使汽車變身游戲房，在車內進行賽車游戲，減少時間和空間的約束。
1.3 線控轉向系統的整車應用現狀
線控轉向系統在乘用車市場倍受關注。2013年，英菲尼迪Q50首次搭載線控轉向系統，采用機械式的冗余備份，非真正意義上的線控轉向系統；2022 年以來，吉利汽車與海拉計劃共同開發線控轉向系統解決方案，預計于2026 年量產；蔚來汽車與德國采埃孚將合作開發線控轉向產品；豐田汽車bZ4X 車型搭載日本捷太格特的線控轉向系統計劃量產上市，但因法規問題，目前bZ4X仍然采用了機械連接轉向系統；2023年，長城的“智慧線控底盤”和特斯拉電動多用途貨車均計劃搭載線控轉向系統；2023年，上汽大眾、上汽通用、智己汽車均與博世華域合作研發線控轉向系統，奇瑞汽車也表現出合作意向；2023年之后，紅旗、蔚來均制定搭載線控轉向系統的計劃；中汽研標準所和集度、蔚來、吉利組成的標準小組，將共同推動制定中國線控轉向的行業標準。
自2010年前起，各車企就開始線控轉向系統的應用研究，近年來更多車企關注線控轉向技術，并投入研發搭載線控轉向的車型。目前，線控轉向系統尚未在乘用車市場實現量產應用。
1.4 線控轉向系統制造商的研發現狀
在國際轉向系統領域，2017 年，美國耐世特公司啟動了“靜默轉向盤”和“隨需轉向”線控轉向系統研發項目，并于2023 年上海車展展出了其創新產品“配備可收縮式轉向管柱的線控轉向”；2018年，德國博世公司展示了搭載線控轉向系統的奧迪A3 樣車，并組織了客戶封閉場內試駕活動；德國采埃孚公司計劃量產針對固定場景的線控轉向產品，如無人出租車和穿梭巴士；2023 年，采埃孚在德國國際汽車及智慧出行博覽會上展示了線控轉向產品（包括后輪轉向）；2021年，韓國萬都公司發布了線控轉向產品；2023年，德國舍弗勒集團研發Space Drive 線控技術和智能后輪轉向系統，并與智加科技簽署商用車先進轉向系統量產合作協議，預計將率先在行業內實現前裝量產智能重型載貨車線控轉向；2023 年，日本捷太格特公司獲得線控轉向系統整車廠的相關訂單。
圍繞財政部中心工作，浙江專員辦高度重視部門預算績效監管工作。轉型以來，在工作理念上，牢固樹立了以資金績效為核心的預算閉環監管理念。明確提出預算編制審核—預算執行監控—決算編制審查—預算編制審核的部門預算閉環監管體系中，資金績效是監管的核心。預算編制合規性、科學性審核，預算執行時效性、規范性、安全性監控，決算編制全面性、合規性審查最終服務于消化存量資金、提升資金績效和提升預算執行有效性的管理目標。
在國內轉向系統領域，博世華域轉向系統公司是目前國內乘用車市場占有率最高的轉向系統制造商，其自研的線控轉向系統搭載了國產芯片，于2023年在其武漢工廠開展了面向客戶的內部場地試駕活動，預計2025年下半年迎來量產；蜂巢轉向系統公司正在研發的線控轉向可支持L3 級別以上的自動駕駛，系統具備雙冗余（10FIT）設計；2022 年德科智控展出了一套線控轉向系統本土化解決方案，其電機、電源、通訊、傳感器等模塊均采用冗余設計，角度控制精度達到（±0.5）°，處于行業領先水平，可實現高精度智能化控制；2020 年，聯創電子展示了采用全冗余架構的線控轉向樣車，該架構可實現硬件可靠性備份、軟件安全性監控以且滿足小于10FIT 的安全要求；英創匯智公司自主研發了線控轉向系統的冗余電氣架構、轉向盤執行器和前輪執行器的算法架構；上海拿森科技正研發面向L4、L5版本的線控轉向系統，其線控底盤技術已達到國內領先，核心客戶包含長安深藍、長城、北汽等；清車智行2022年發布了線控轉向系統的控制組件，包括轉向執行器和路感協同執行器，并在多款配備線控底盤的實車上進行了標定驗證；浙江世寶的線控轉向系統正在研發，有一定的零部件及電控模塊技術儲備，但目前尚未有產品展出。
通過以上分析表明，國外轉向系統制造商對線控轉向技術的研發起步早，并有相關線控轉向系統樣件裝車路試，技術趨于成熟。中國本土的線控轉向系統研發正處于積極推進階段，多家企業已經取得了顯著進展，為未來高級別自動駕駛技術的應用提供了堅實的技術基礎。
2、線控轉向系統關鍵技術研究
線控轉向系統的關鍵技術包括路感反饋控制、轉向執行控制和冗余設計。路感反饋控制是指路感執行機構能夠根據駕駛意圖、車輛狀況與路況，實時輸出路感反饋力矩指令，并使路感電機實時、精確地執行路感反饋力矩指令。轉向執行控制是指轉向執行機構能夠根據車輛運動控制準則、車輛狀況與路況，實時輸出車輪轉向角指令，并使轉向電機實時、精確地執行車輪轉向角指令。冗余設計是指通過硬件和軟件冗余設計，降低轉向系統的失效風險。
2.1 路感反饋控制
路感反饋控制主要指路感反饋力矩的控制策略，路感反饋力矩一般由主反饋力矩、摩擦、阻尼、慣性補償力矩和主動回正力矩組成，是國內外科研機構和企業研究的重點（圖4）。
圖4 路感反饋力矩策略[4]
注：Ff 為輪胎側向力，im 為轉向小齒輪傳動比，J為轉向電機慣量系數，θ 為轉向電機轉角，Frack 為齒條力，Th 為轉向盤力矩，φsw 為轉向盤轉角，φ?sw 為轉向盤轉速，Tm 為路感電機轉矩
鄭宏宇等[1-2]提出了基于電機電流計算齒條力的綜合路感模擬控制算法，以及基于卡爾曼濾波技術估計齒條力的路感模擬控制策略，但其仿真僅在典型試驗工況進行，并未經過實車驗證。李林 通過構建擾動觀測器得到與實際拉壓力傳感器獲取的路面信息相匹配的負載信號，根據負載信號構建路感反饋力矩。周慶文[4]提出了一種基于轉向負載觀測的路感反饋力矩方案，觀測器對路面真實情況的觀測精度和及時性是影響路感反饋力矩的主要因素，但缺乏對極端工況的驗證和實車試驗。劉彥琳[5]通過電流傳感器得到轉向電機電流等效路面負載的方法設計路感力矩。Su等[6]利用擴展擾動觀測器估計的齒條力獲得路感力矩。
以上專家學者對路感反饋力矩的構建主要基于估算的齒條力。齒條力的變化能夠間接反映輪胎與地面的作用力情況，一定程度上為駕駛員提供了相應的觸覺反饋。然而，目前對于控制策略的驗證主要通過仿真和特定工況下實車試驗，難以覆蓋極端復雜路況，存在一定局限性。
徐飛翔[7]以消防救援車輛為研究對象，構建了路感力矩與轉向阻力、車速的函數，提出了基于分數階比例-積分-微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）算法的路感控制策略。通過搭建試驗臺架和樣車試驗，對提出的控制策略進行了驗證，其研究方法值得借鑒，但消防救援車輛的使用場景有局限性，不適用于一般乘用車的中高速工況。蘇延霞[8]建立了以車速和轉向盤轉角為變量的路感反饋算法。Liu 等[9]建立了隨車速變化的路感反饋力矩策略，采用PID 和前饋算法控制電機電流。羅蘭[10]建立了駕駛員轉向行為特性辨識模型來確定駕駛員偏好的轉向增益。通過調節路感反饋力矩模型參數和轉向增益，建立了可調路感反饋控制策略。其建立了駕駛員轉向行為特性辨識模型的方法值得借鑒，但其表征路感特性的特征參數是通過駕駛模擬器的數據獲得，缺乏實車驗證和普適性。從光好[11]利用駕駛員的試驗數據對路感力矩模型中的參數進行辨識，并采用單神經元自適應PID 控制算法對路感電機進行控制。Zheng 等[12]采用全局靈敏度分析法來識別力矩反饋模型每個參數對轉向感的影響程度以提高模型的準確性。德國凱澤斯勞滕大學的Fankem等[13]將轉向力矩的計算模塊化，通過調節參數定制轉向路感，通過臺架試驗，并根據轉向力矩梯度、反饋行為和回正能力等標準，客觀評估路感力矩模擬效果，但仍需進行復雜工況下的仿真和實車試驗。韓國首爾大學的Lee 等[14-16]對參考路感力矩圖的扭矩跟蹤算法進行了研究，以實現準確跟蹤目標轉向力矩，并進行了計算機仿真和硬件在環試驗，但缺乏實車試驗。日本捷太格特公司的Hayama等[17]采用了擬合函數的方法構建路感反饋力矩，將路感分為隨轉向盤角度、轉向電機電流以及車輛橫擺角速度和側向加速度變化的3個部分，但對復雜路況的適應性還需驗證。
以上專家學者建立了基于車輛參數的多變量路感反饋力矩模型，該模型考慮了車速、轉向盤轉角、可調參數等多種變量，通過調整這些參數，可獲得不同程度的路感反饋力矩。此方法的控制器設計雖然簡單且效率高，但其在不同路況條件下路感反饋的真實性精度較差，駕駛員難以獲得與實際路面情況相符的反饋。
陶偉南[18]分別對轉向系統的摩擦、剛度、阻尼以及慣量進行建模，搭建了精度較高的車輛參考模型來計算輪胎的回正力矩。謝立剛等[19]建立線控轉向整車模型，根據機械轉向系統轉向阻力矩產生的原理，利用動力學方法計算目標轉向阻力矩。其路感力矩的計算依賴車輛參考模型的準確性，還需經過多工況及實車驗證。韓振楊[20]從整車狀態觀測的角度獲取路感模擬算法所需要的動態特性參數，針對路面不平度干擾設計了濾波算法以改善路感。基于理想轉向盤力特性規律，參考傳統轉向系統通過助力特性設計實現理想路感的方法，對模擬路感算法進行改進。王家煒[21]參考傳統轉向系統反饋力矩的組成，對線控轉向車輛的路感反饋系統進行動力學建模，路感力矩部分，針對不同的路況估計出轉彎剛度，從而使得路況信息反映在自回正力矩中，并在不同工況下進行仿真試驗，但缺乏多工況下實車試驗。Ma 等[22]在輪胎小片滑動扭矩模型的基礎上，考慮了車輪與轉向盤間可變扭矩傳動比，提出了一種靜態轉向扭矩的估計方法，對駐車工況下的轉向力矩估計具有參考意義。Kim等[23]提出了通過車輛動力學建模和轉向系統建模估計輪胎與地面之間的扭矩，以此計算轉向扭矩的新模型，并用實際車輛參數對模型估計結果的準確性進行了驗證。Zhang等[24]結合車輛動力學建模和基于干擾觀測器的方法，提出了一種基于卡爾曼濾波器的轉向反饋力矩估計方法，能夠有效提高不同路面工況的力矩估計精度。美國斯坦福大學的Balachandran 等[25]在采用動力學模型計算路感力矩的基礎上，深入研究了各參數對轉向操作力感的影響，但實車驗證具有局限性，轉向感的判斷標準需要進一步研究。日本慶應大學的Yamaguchi等[26]通過動力學模型估計法對路感反饋策略進行了研究，提出一種基于前輪胎轉彎剛度的自適應路感控制方法，并進行了仿真測試，但缺乏多路況實車試驗。
以上專家學者通過建立車輛動力學模型在Simulink 與CarSim 聯合仿真環境下提出一種路感反饋力矩策略，為了確保該策略的有效性，在特定工況下進行實車試驗。然而，此種方法對模型的準確性要求高，且未涵蓋多種工況下的試驗情況。
姜玉瑤[27]提出了以駕駛員在理想操縱狀態下的人-車-環境閉環系統的傳遞函數來表達駕駛員理想操縱性能的量化處理方法，建立了基于動態非線性自回歸神經網絡的路感反饋力矩模型。其路感反饋力矩的設計和控制方法值得借鑒，但路感反饋力矩對駕駛員操縱性能影響的評價標準還需要深入研究及定義。譚光興[28]基于生物免疫原理與模糊理論，設計了模糊免疫PID 控制器用于路感模擬，但其僅進行了特定工況和車速的仿真驗證，還需更多工況和實車試驗。Zhao 等[29]采用人工神經網絡和高斯過程回歸建立了路感力矩反饋模型，采用K均值聚類算法對不同場景下的訓練數據集進行預聚類，提高模型準確性。
以上專家學者對路感反饋力矩策略的研究采用了智能控制算法，此種方法有較大的研究空間，但算法較復雜，還需配合仿真和實車試驗。
武漢科技大學的趙慧勇[30]采用扭轉彈簧、電機、阻尼器組成新型路感執行機構，使得路感力矩主要由扭轉彈簧、阻尼器提供，設計了非線性PID 控制算法控制進行阻尼器的變阻尼系數控制，但僅在特定工況下進行了仿真，具有一定局限性。這是一種新型的通過改變機械機構建立路感反饋力矩的方法，目前國內外研究情況較少，具有一定參考價值。
回正力矩是路感反饋力矩的重要組成部分，由于車輛在高附著路面的自回正力矩大，低附著路面的自回正力矩小，線控轉向系統的回正控制主要解決不同附著路面和復雜工況下車輛回正問題。回正策略研究，多采用魯棒性較高的滑模控制。Wang等[31]提出一種基于終端滑模控制的路感設計方法，并進行了仿真驗證。Sun等[32-33]提出了自適應滑模控制策略，通過與傳統滑模控制器和H-∞控制器進行對比，驗證了所提出的方案有更強魯棒性。Liang 等[34]也采用了自適應滑模控制來處理外部路況等干擾問題。Wang 等[35-37]提出了滑模控制策略，可使前輪轉角快速有效地跟蹤目標轉角。以上研究對路感力矩控制策略的驗證多利用Simulink與CarSim聯合仿真，或進行轉向系統臺架試驗，或進行特定工況下的實車試驗，其結果具有一定的局限性。整車參數隨車輛運行狀態、道路環境情況和駕駛員的操縱實時變化，傳感器獲取整車參數存在一定的時延，車輛狀態觀測器存在一定的誤差，同時各參數存在一定耦合性，要實現在復雜路況、復雜交通環境下獲得準確真實的路感反饋力矩，仍需進行大量實車驗證試驗。
2.2 轉向執行控制
轉向執行控制主要指變傳動比控制，變傳動比的研究方法主要有2種：（1）基于橫擺角速度增益；（2）基于橫擺角速度和側向加速度增益的融合。建立以車速、轉向盤轉角或轉向器小齒輪轉角為變量的變傳動比策略（圖5、圖6）。此方法雖能實現低速轉向靈活、高速轉向穩定的性能，但對車輛瞬態轉向性能考慮不足，難以應對突發復雜的路面狀況。
圖5 普通模式的變傳動比[44]
圖6 運動模式的變傳動比[44]
宗長富等[38]在研究中提出一種依據不同速度段特點進行調整的設計方法。高速段以側向加速度增益、中速段以橫擺角速度增益、低速段以主觀試驗為設計依據。該方法的核心是實現轉向增益與變角傳動比的動態調整，適應不同速度下的車輛操縱需求。張建成[39]提出了隨車速和轉向盤轉角變化的變傳動比統一模型，并設計了5段變角傳動比，分別為：低速、中速、高速、由低速到中速過渡和由中速到高速過渡。楊勝兵[40]提出了以橫擺角速度為系統狀態識別變量的變結構模糊變傳動比控制，設計了變結構模糊變傳動比控制器。王俊[41]以橫擺角速度增益值不變為設計依據，利用優化后的橫擺角速度增益值確定變角傳動比，并利用模糊控制修正變角傳動比。山東理工大學的田爭芳[42]綜合考慮橫擺角速度增益和側向加速度增益，設計了理想角傳動比。此類研究大多僅進行了典型工況的仿真試驗，缺乏實車試驗，存在一定局限性。
梁茹飛[43]提出了一種新的帶有力矩增益和位置增益的轉矩驅動-轉角反饋型雙向控制結構，采用曲線型力傳動比的設計方法，駕駛員輸入力矩可以直接驅動轉向電機轉向。王祥[44]提出了轉矩驅動-位置反饋型雙向控制結構，提出了具有變轉向增益的普通模式與運動模式下的變角傳動比設計方法。楊莉[45]基于雙向控制算法，設計了位置跟隨-力矩反饋型雙向控制策略及力矩跟隨-位置反饋型雙向控制策略。此傳動比的研究方法值得借鑒，但僅進行了部分路況的實車試驗，具有一定的局限性，同時，對低、中、高速的定義還需進行深入研究。吳曉東等[46]根據車輛速度和轉向盤轉角，通過補償系數對傳動比進行調整，并基于車輛橫向偏差、轉向角速度、側向加速度和側傾角的二次函數組成的客觀評價指標進行仿真，評估變傳動比車輛性能，設計了Takagi-Sugeno 模糊神經網絡用于傳動比控制，并在閉環駕駛員-車輛系統上進行了一系列對比試驗，但僅限于特定的試驗工況，缺乏實車試驗。重慶理工大學的朱亮宇[47]采用無跡卡爾曼濾波估計算法獲取路面附著系數和汽車質心側偏角參數，設計了不同路面附著系數、不同車速和轉向盤轉角的變角傳動比曲面，并進一步研究在不同駕駛條件下行駛時，不同變角傳動比曲面之間的切換方案。此種變傳動比的研究方法值得借鑒，但對估計模型的精度要求高，路面附著系數和汽車質心側偏角參數估計的準確性還需進行實車試驗。Yuan 等[48]基于模糊控制理論建立了線控轉向（Steer-By-Wire，SBW）系統的理想傳動比模型，并研究了傳動比的影響因素。Yang等[49]提出了基于自適應網絡模糊推理的變傳動比策略，并進行了仿真測試和硬件在環試驗。Zhang等[50]提出了一種基于泛布爾代數的變傳動比控制策略，并通過仿真與同參數下模糊控制策略的變傳動比相比，其轉向靈敏度和操縱性更優。Liu 等[51]基于粒子群優化算法對橫擺角速度增益進行優化，建立了手動模式下的變傳動比，基于粒子群優化算法優化不同車速下的傳動比值，建立了自動模式下的可變傳動比，并進行了硬件在環試驗。澳大利亞默多克大學的Wang 等[52]提出了一種自適應終端滑模控制策略，保證了對參數不確定性和多工況的魯棒性。韓國首爾大學Kim等[53]采用基于電機位置傳感器的自適應滑模控制策略，以保證各工況下齒條位置跟蹤性能，通過仿真和實車測試，驗證了車輛在干、濕路面及零車速下的齒條位置跟蹤性能。德國達姆施塔特工業大學Ewald Volker[54]設計了一種基于范數最小化的動態模型匹配控制器，將SBW系統與液壓助力轉向模型的動力學相匹配，并進行了臺架測試，但缺乏多工況實車試驗。
上述研究中，對于變傳動比設計的探索主要是基于車輛橫擺角度增益或側向角速度增益，或兩者的綜合，建立以車速、轉向盤轉角，或以車速、轉向器小齒輪轉角為變量的變角傳動比策略模型，在提升車輛操控性能方面取得了顯著的研究成果。隨著汽車技術的發展，主動轉向系統在多種車型上得到了應用。線控轉向系統的普及對制定有效的主動轉向策略提出了新的要求，這些策略不僅需要考慮轉向性能，還必須與車輛的感知、決策、底盤控制以及動力系統等多個控制子系統進行深度融合與協同工作，保證車輛的穩定性和系統運行的可靠性。
2.3 冗余設計
冗余設計主要包括硬件冗余和軟件冗余。硬件冗余指對易發生故障的或較為重要的部件提供備份，如傳感器、控制器、電機、電源（圖7）。軟件冗余是指針對傳感器、控制器的相關軟件進行設計（圖8），并制定故障診斷策略，提升系統整體的冗余度。
圖7 傳感器、電機、電源冗余架構
圖8 傳感器容錯控制框圖[72]
注：Mz為前輪回正力矩，δf 為前輪轉角，Tα 為作用到轉向器小齒輪上的助力矩，y為量測輸出，fs 為橫擺角速度傳感器、側向加速度傳感器及小齒輪軸轉角傳感器的故障值，yf 為故障輸出，f?s 為故障估計值，yft 為信號重構輸出，r(t)為殘差向量，U為控制輸入
蔡智凱[55]構建了一套由2 臺相同電機和2 個小齒輪轉角傳感器構成的雙余度轉向器，實現對轉角、電流等信息進行實時監控與診斷，可隔離故障并切換到單余度工作模式，發出預警信息。蔡智凱等[56]提出了包括3 狀態量多閾值的故障診斷方法，基于3 控制器的故障隔離方法和雙模式報警方法在內的余度管理方法。米峻男[57]提出了余度信息耦合的雙系統雙余度控制架構，雙電機工作時按固定比例輸出電流，避免力紛爭問題。Yao 等[58]將轉向器中2 臺電機同軸對置，用單控制器同時驅動2 臺電機，采用2 個反饋控制回路來跟蹤公共輸入，2 個反饋回路之間的角位置誤差使用同步補償器進行補償，確保系統的同步性和穩定性。何磊[59]設計了基于FlexRay 總線的雙電機系統架構，提出了FlexRay 總線靜態段與動態段時間長度的設置方法，實現了FlexRay 總線的應用層容錯控制策略。Zong 等[60]提出了一種基于FlexRay 總線的雙轉向電機協調控制方法。Zou 等[61]設計了基于混合H2/H∞魯棒控制理論橫擺角速度控制器，基于交叉耦合控制結構和滑模控制算法的滑模速度同步控制策略。He 等[62]建立了基于電機模型和自適應漸消卡爾曼濾波器的實時故障診斷策略，利用診斷結果判斷角度和力矩反饋控制是否需要修正。潘公宇等[63]提出一種可容錯的非奇異固定時間滑模控制器，以應對電機轉矩故障時線控轉向系統的轉角控制問題。此研究對電機的容錯控制具有借鑒意義。熊海洋等[64]針對雙電機驅動的轉向器，采用主從控制策略，主軸采用速度控制，從軸采用轉矩控制，從軸跟隨主軸的實時轉矩輸出而運動。美國偉世通公司Zheng 等[65]對2 臺控制器采用主-從控制策略，主從控制器同時運行，用主控制器的輸出矯正從控制器。主控制器故障時，從控制器繼續工作，在控制上避免了2 臺電機的轉矩干涉。韓國嶺南大學Hwang Hyeongjin 等[66]提出了一種主從控制下帶擾動觀測器的滑模控制器，以保證對模型不確定性和外部擾動的強大魯棒性。
以上專家學者多對采用雙電機的轉向器冗余控制進行了研究，并進行了仿真和硬件在環試驗，少有進行多工況的實車試驗，并且雙電機轉向系統的量產成本高，難以普及應用。
He 等[67]提出了基于分布式處理和異常決策機制的雙核容錯控制系統架構。田承偉[68]基于Riccati 方程和自適應卡爾曼濾波理論，提出了轉向盤模塊和轉向執行模塊的狀態估計方法和轉向執行電機的參數估計方法，基于三核控制器理論和時間觸發機制的控制器局域網技術(Time-TriggeredCAN，TTCAN)，構建控制器的容錯控制軟硬件體系。該研究對傳感器、電機及控制器的容錯控制具有借鑒意義。孫冰[69]通過無跡卡爾曼濾波算法對前輪轉角進行估計，將估計值作為前輪轉角和相關傳感器是否發生故障的評判指標。夏深遠[70]通過自適應無跡卡爾曼濾波算法對前輪轉角進行估計，設計了基于殘差與殘差序列的故障診斷策略，進一步設計了自適應加權融合的冗余容錯策略。Zhang等[71]提出了一種帶有前輪角傳感器的容錯模塊的雙向H 控制方法，在傳感器故障時將前輪角重新配置為參考值和替代值。此類研究對傳感器的容錯控制具有借鑒意義，但仍需進行多工況實車試驗。楊沁杰[72]提出了集故障檢測器、故障估計器和故障補償器于一體的主動容錯控制框架。檢測器檢測是否發生故障、估計器利用檢測器的殘差來估計傳感器故障大小和時變特性、補償器利用故障估計值和SBW 的故障輸出對故障傳感器進行容錯控制。該研究對傳感器的容錯控制具有借鑒意義，但測試工況較少，具有局限性。Xu 等[73]提出了一種帶有容錯模塊的分數階PID 方法控制控制路感電機轉矩，容錯模塊用卡爾曼濾波器算法檢測電機轉矩傳感器的故障。Bajcinca 等[74]提出了基于擴展卡爾曼濾波器的車輪摩擦力矩估算策略，并與SBW 控制系統進行信號耦合，以減小傳感器故障率。Huang等[75-76]提出了一種新的基于delta 算子的容錯模型預測控制策略以應對執行器故障。Huang 等[77]提出基于一種混沌粒子群優化算法的容錯滑模預測控制策略，在模型不確定性、擾動和執行器故障時有更好的魯棒性和跟蹤性能。
以上學者從軟件冗余角度對電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）和傳感器冗余進行了研究，設立了各種狀態觀測器，包括擾動觀測器和卡爾曼觀測器。這些方案在控制成本方面展現出顯著的優勢，并為相關領域的研究提供了有益參考。
3、 線控轉向系統發展挑戰與應對策略
3.1 線控轉向系統發展面臨的挑戰
上述線控轉向關鍵技術研究取得了顯著成果和重要突破，但線控轉向系統在實現工業化量產前仍需面對諸多挑戰。
（1）車輛參數具有動態變化特征，車輛參數隨車輛運行狀態、道路環境情況和駕駛員的操縱實時變化。傳感器在參數采集過程中往往伴隨一定時延，車輛狀態觀測器也存在一定誤差，加之各參數間的耦合性增加了數據反饋的難度。因此，確保線控轉向系統可以在復雜路況、復雜交通環境下實現自適應性和魯棒性，同時提供準確、真實的路感反饋力矩并維持車輛穩定性，是線控轉向系統實現量產需克服的挑戰之一。
（2）在應對汽車應用環境的廣泛多樣性方面，例如極端溫度、水下環境、濕滑路面以及苛刻的路面條件等，無機械連接的轉向系統尤其面臨挑戰。在這些復雜和極端的工況下，防止系統失效、確保傳感器的準確性和控制器的穩定性、制定有效的冗余容錯機制，是實現可靠轉向系統性能的關鍵挑戰。
（3）為確保系統安全性，必須實施冗余控制策略，這要求實現軟硬件的協同設計，包括對傳感器、控制器、電機數量的增加或調整、備用電源的應用、新型機械結構的設計以及冗余控制軟件的開發，這增加了控制研發和量產成本的難度。
（4）駕駛員的駕駛風格具有多樣性，這導致了對轉向舒適性和操作便捷性評價標準的差異。需在考慮人因工程的基礎上，制定一套合理的操縱舒適性評價指標，并實現一個參數可調的SBW 系統，適應不同駕駛者的需求。
（5）隨著自動駕駛技術的進步，SBW 系統必須與多種自動駕駛控制子系統（如感知、決策、制動、動力等）實現深度集成與協同工作，其系統的復雜性和可靠性成為關鍵技術挑戰。
3.2 應對策略
（1）針對路感控制的策略
由于轉向器齒條力的變化可間接反映道路情況。考慮到安裝拉壓力傳感器直接測量齒條力成本高的問題，可進行齒條力估算，建立基于估算齒條力的路感反饋主力矩，并輔以摩擦、慣量、阻尼補償力矩。同時建立主動回正控制策略，應對車輛行駛過程中的動態變化，目前已有相關理論成果，并進行了典型路況的仿真和實際道路測試，但這些成果在應對復雜且動態變化的道路條件及整車情況時存在局限性。為克服這些局限，推動量產落地，可利用轉向系統制造商豐富的轉向系統開發經驗和已有的各類傳統轉向系統的助力特性圖譜，建立基于整車調教和標定技術的路感控制策略。
（2）針對轉向執行控制的策略
可充分利用轉向系統制造商積累的數據庫，基于車輛橫擺角度增益或側向角速度增益，建立以車速、轉向盤轉角和車速為變量的分速段變角傳動比策略。可通過整車調教和標定技術進行實車試驗獲得高、中、低速段的定義。
（3）針對硬件冗余的策略
路感執行機構可采用集成雙扭矩和雙角度傳感器的配置、一體式雙微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）控制器、六相雙繞組電機。轉向執行機構可采用雙角度傳感器、一體式雙MCU 控制器、六相雙繞組電機。此外，采用雙電源供應，除了控制器局域網總線（Controller Area Network，CAN）通訊外，還建立了路感執行機構和轉向執行機構間的私CAN通訊。軟件冗余方面，可建立基于各狀態觀測器的容錯控制策略。雖然僅采用單個六相雙繞組電機，但這種設計確保了在傳感器一路信號或任一ECU 發生故障時，仍能保持50%的動力輸出，并且成本價格低，利于實現量產。
4、 結束語
線控轉向系統屬于自動駕駛的執行機構，其性能依賴于上游控制算法的準確性與及時性，并且需要電機及時準確地執行指令。控制算法的適應性、穩定性和可靠性是線控轉向系統發揮其性能的關鍵。路感反饋和轉向執行策略的制定對線控轉向系統和整車動力學模型的準確度要求高，同時，車輛在行駛過程中受多種不確定性因素影響，如路面附著系數、駕駛員極端操作、風力、路面狀況，雖然多種控制方法（如PID 控制、模糊控制，智能控制）能夠提高車輛的操縱穩定性，但不能完全解決外界不確定性因素的干擾問題。為確保線控轉向系統的安全可靠性制定的故障診斷和冗余容錯控制方案，面臨研發投入大，量產成本高的問題。因此，線控轉向系統離量產落地尚需時日。
要實現自動駕駛汽車的行駛安全性和穩定性，不能僅依賴轉向功能，還需線控油門、線控制動和線控懸架等功能共同發揮作用。目前，國內自動駕駛供應商的研究領域相對單一，具有全棧能力的機構較少，具備全棧能力和執行機構批產能力的廠商更為罕見。此外，底盤各系統制造商較為分散，整合匹配成本高，各系統的功能優化目標有所差異，迫使決策效果失配，各系統執行部件獨立受控，導致整體協調控制失穩。
線控轉向系統應作為線控底盤的一部分，通過整車底盤垂向控制、縱向控制、橫向控制進行融合控制，提高各線控機構的協調作用，提升智能化水平。雖然線控底盤的研發和量產面臨諸多挑戰，但其仍是未來發展的科研方向。
來源：期刊《汽車文摘》作者：王國超， 高森祺 博世華域轉向系統有限公司
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