1. 線控底盤與自動駕駛——輔車相依

自動駕駛的實現，首先依賴感知傳感器對道路周邊環境信息進行采集，包括攝像頭、激光雷達、毫米波雷達和超聲波等，采集的數據傳輸出到中央計算單元進行計算，用來識別車輛周邊障礙物和可行駛區域，進行路線規劃和控制，最后制定方向盤轉角和速度等信息，傳輸到底盤執行機構，按照指令進行精確執行。

在整個控制過程中，底盤執行機構的功能要完善，系統響應和精度要高。如果把自動駕駛車輛比作人，那么底盤執行機構就是我們通常意義上的手和腳，用來做控制執行，是自動駕駛控制技術的核心部件，這對整個底盤系統的要求非常高。

最直觀的體現，便是用于控制車輛方向的線控轉向。自動換道在避險回退過程中，常常出現回退過度甚至偏出本車道導致不安全，繼而系統又通過較大的回調力矩將車輛拉回車道中央。在自動駕駛對中或駕駛員控制換道過程中，駕駛員緩慢施加力矩進行方向盤控制時，容易出現系統搶奪方向盤。

這些切實存在的問題，嚴重影響自動駕駛控制精度，延長落地的時間。對于自動駕駛而言，需要結合實際存在的問題給出相應的解決方案，不斷協調線控底盤和控制器之間的交互問題，改進線控底盤技術，這無疑會大大促進線控底盤的技術。

無疑，線控底盤是自動駕駛的必要條件。

智能汽車的簡單系統架構

同樣，智能化、大數據網聯化給線控底盤發展帶來新的契機。

其一，智能汽車需要大量的、精確的底盤系統信號。而種類繁多的底盤傳感器，信號模式和處理方法各異，且大量傳感器信號匯入控制器對信號實時處理提出更高要求，因此亟需研究新型底盤域控制器，對多源傳感器信號實時處理、校驗與解算理論。

其二，智能汽車直接前饋預瞄控制需要精確的車輛模型，逼近真實車輛動力學狀態。而底盤車輛及輪胎動力學呈現復雜非線性特性，因此亟需深入研究車輛復雜動力學模型精確解算機制，促進智能汽車的動力學應用發展。

其三，智能汽車在復雜場景下需要精度的感知狀態，保證類駕駛員視角。因此亟需研究復雜交通場景下底盤動力學域控制對車輛動力學狀態的精確感知與預瞄技術，探索車輛運行動力學穩定邊界精確量化機制，消除高復雜、動態交通環境的不確定性。

無疑，自動駕駛是線控底盤的充分條件。

2. 一覽：線控底盤概述

線控技術（X-By-Wire）源于飛機的控制系統，其將飛行員的操縱命令轉化成電信號通過控制器控制飛機飛行。

線控汽車采用同樣的控制方式，可利用傳感器感知駕駛人的駕駛意圖，并將其通過導線輸送給控制器，控制器控制執行機構工作，實現汽車的轉向、制動、驅動等功能，從而取代傳統汽車靠機械或液壓來傳遞操縱信號的控制方式。

線控底盤主要有五大系統，分別為線控轉向、線控制動、線控換擋、線控油門、線控懸掛。從執行端來看，線控油門、線控換擋、線控空氣懸掛雖然技術都很成熟了，但最為關鍵的轉向和制動系統目前還沒有一套可以適用于L4駕駛的穩定的量產產品。

汽車底盤線控技術特征如下:

• 操縱機構和執行機構沒有機械聯結和機械能量的傳遞；
• 操縱指令由傳感元件感知，以電信號的形式由網絡傳遞給電子控制器及執行機構；
• 執行機構使用外來能源完成操縱指令及相應的任務，其執行過程和結果受電子控制器的監測和控制。

3. 二進宮：線控轉向

線控轉向，即Steer-By-Wire，能夠無束縛地得到無人駕駛進行轉彎的指令目標輸入和汽車的轉向輪的變化之間的關系，可以控制轉向機構和行駛需要之間的關系，這樣能夠對車輛進行調節。其直接掌控著自動駕駛路徑與方向的精確控制。

3.1. 線控轉向發展歷程

自1894年乘用車安裝第1款現代意義上具備方向盤的轉向系統開始，其轉向系統大致經歷了5個階段：

• 早期的純機械轉向系統；
• 福特最早提出的液壓助力轉向系統；
• 豐田首推的電子液壓助力轉向系統；
• 新一代的電動助力轉向系統；
• 擺脫機械連接的線控轉向系統和具有主動轉向功能的前輪主動轉向系統等。

3.1.1. 電子液壓助力轉向(EHPS)

• 駕駛員在方向盤上施加轉動力矩和角度；
• 方向盤帶動轉向柱轉動；
• 轉向柱通過其底部和轉向機相連的齒輪齒條機構，將轉向柱的轉動變為轉向機齒條的橫向直線運動；
• 轉向扭矩傳感器檢測到駕駛員輸入了方向盤扭矩；
• 根據駕駛員輸入的扭矩，以及車速等信息，ECU計算并控制電動機帶動轉向助力泵轉動，產生高壓液體；
• 液壓通過轉向油管傳遞到液壓助力轉向機上，液壓推動液壓助力轉向機上的雙作用液壓缸的活塞，產生壓力，對齒條的橫向直線運動進行助力；
• 轉向機兩端的轉向橫拉桿，通過推動或拉動轉向節來改變車輪的方向；
• 車輪與地面間產生橫向力，車輛轉向。

電子液壓助力轉向機構

3.1.2. 電動助力轉向(EPS)

• 第一種是對轉向柱的轉矩進行助力，這種叫C -EPS (Column - EPS)；
• 第二種是對轉向柱底端的齒輪齒條機構中的齒輪進行助力，這種叫P - EPS(Pinion - EPS)；
• 第三種是在轉向機上對齒條的直線運動進行助力，這種叫R - EPS(Rack - EPS)；而R - EPS根據傳動的方式不同，又可以分為R-EPS，DP-EPS(雙小齒輪EPS)和BD-EPS(帶傳動EPS)。

3.1.3. 線控轉向(SBW)

狹義上說，SBW系統特指沒有機械連接的轉向系統，這是從系統的結構上進行的一個區分。但著眼于功能，從廣義說，任何能夠將駕駛員輸入和前輪轉角解耦的轉向系統都可以看成是 SBW系統。在此定義下，一般結構如下圖。

其中① - ④為電機可能安裝位置，而⑤為電磁離合器。電磁離合器提供機械冗余，可實現轉向盤與車輪的機械解耦。根據有無⑤，SBW系統可以分為保留機械軟連接的 SBW系統和無機械連接的 SBW系統2大類。由此，人們研究雙電機安全冗余線控轉向系統。該方案包括轉向操縱機構、轉向執行機構、電子線傳控制網絡、電源系統和各種輔助結構。該方案將傳統的機械轉向與電子控制技術緊密結合起來，線傳主動轉向與機械操縱轉向兩種模式通過電磁離合器可任意切換，而且通過故障識別，機械操縱轉向可以作為線傳主動轉向備份，提升安全性。

3.2. 線控轉向主要研究內容

當前，線控轉向系統的研究主要集中在 3 個方面：路感反饋控策略研究、轉向執行控制策略研究以及故障診斷與容錯控制策略研究。

3.2.1. 路感反饋控制策略研究

由于線控轉向系統取消了方向盤和轉向車輪之間的機械連接，通過轉向角信號和轉向電機控制車輪轉向，導致路感無法直接反饋給駕駛員，這從駕駛安全性角度考慮是絕對不允許的。

針對這個問題，線控轉向系統的方向盤總成中包含有路感模擬電機，用來產生作用于方向盤的阻力矩以模擬路感。路感是一個比較抽象的定義，其定義之一是指駕駛員通過方向盤得到的車輛行駛中的轉向阻力矩，該阻力矩主要包含回正力矩和摩擦力矩2部分。其中，回正力矩是使車輪恢復到直線行駛位置的主要力矩之一，其數值的確定是車輛設計中的一個難題，通常由經驗、半經驗、統計或實驗的方法獲得。回正力矩與車輛前輪的受力狀態存在直接關系，而前輪受力又和車輛實時的運動狀態及路面附著直接相關。因此，通常把總的回正力矩除以自方向盤到前輪總的力傳動比近似得到的方向盤手力矩看成是路感。

就當前的研究來看，路感通常采用基于經驗設計和基于模型設計這2種方法獲得。

基于經驗設計的方法，通常是將路感設計為方向盤轉角、車速、橫擺角速度等參數的非線性函數關系式，在不同條件下為駕駛員提供不同的路感，簡單高效，但是自適應性和精度較差。

基于動力學模型的方法，是通過參考傳統車輛路感產生的動力學原理建立相關的動

力學模型，根據車輛的動態響應、駕駛員的方向盤輸入等計算與路感相關的輪胎力、摩擦力矩等，最終計算出路感。獲得期望的轉向阻力矩，剩下的工作就是控制路感反饋電機達到期望的力矩。最常用的算法是PID算法。

3.2.2. 轉向執行研究

SBW系統的轉向執行控制策略可以分為上層策略和下層策略。

其中，上層策略根據當前車輛的狀態和駕駛員的輸入，在盡量滿足控制目標和約束條件的情況下，計算出期望的前輪轉角；而下層策略則是由轉向控制器控制轉向電機執行該指令，快速、準確地達到該目標轉角。

由于線控轉向系統的靈活性，衍生出很多控制算法。總體而言，算法可以總結為基于經驗設計的方法和基于動力學模型計算的方法這 2 大類。

基于經驗設計的方法主要是根據車輛在不同工況下對操縱穩定性要求的不同來進行設計。在低速工況下，汽車應具有不沉重而適度的轉向盤力與不過于大的方向盤轉角，還應具有良好的回正性能；高速、低側向加速度工況下，汽車應具有良好的橫擺角速度頻率特性、直線行駛能力、回正性能和較大的轉向靈敏度，且轉向盤力不宜過小而應維持在一定數值，以給駕駛者穩定的路感。

基于動力學模型計算的方法旨在提高車輛的穩定性。因此，也有研究人員將這種方法歸結為車輛穩定性控制方法。其基本思路是根據當前車輛狀態、外界環境和駕駛員輸入提出控制目標，然后根據控制目標計算參考前輪轉角，控制前輪轉角改變輪胎側向力，對橫擺力矩進行補償。

3.2.3. 故障診斷與容錯控制

在線控轉向中，轉向的動力來源于電機主要包括了兩方面：用來給駕駛員提供轉向時的路感和動力。電機的可靠性是研究者們首先要考慮的因素，電機和控制器的容錯就體現的十分重要。實時監測技術和設置冗余硬件是保證控制器穩定運行的兩種手段，故而可以實現容錯控制，線控轉向的運行的品質得到了保證，根據控制器與電機之間的控制關系，可以對電機出現故障時所需要的補償控制進行相關研究，那樣就為能夠在最大限度上保證線控轉向的可靠性提供了可能。

3.3. 線控轉向的應用

從全球競爭格局來看，博世、采埃孚、捷太格特、NSK、耐世特等國際巨頭有成熟的線控轉向產品和技術，但在商業化方面仍然遇到了瓶頸。

2020年以后，L3級自動駕駛進入量產將拉動線控系統產品商業化，那些率先在中國市場布局的外資企業會有先發優勢。縱觀國內市場，在線控技術上有所作為的中國本土企業寥寥無幾，且規模相對較小。

4. 三顧茅廬：線控制動

線控制動，即Brake-By-Wire，在線控底盤技術中是難度最高的，但也是最關鍵的技術。線控制動系統掌控著自動駕駛的底盤安全性和穩定控制，只有擁有足夠好的制動性能（包括響應速度快、平順性好等），才能為我們的安全提供良好保障。

4.1. 線控制動發展歷程

乘用車的線控系統自威廉·邁巴赫于1900 年發明鼓式制動器起，至今已有120年的歷史，期間誕生了多種形式的制動系統，其發展大致可以劃分為以下5 個階段：

• 采用人力的純機械制動和液壓制動系統；
• 兼用人力和發動機動力作為制動力源的伺服制動系統；
• 發動機提供所有制動力源的動力制動系統；
• 以ABS、TCS、ESC等為代表的成熟的電液制動系統；
• 以電子駐車制動系統?(electric parking brake, EPB)、電控液壓制動?(electric hydraulic brake, EHB)、電子機械制動系統?(electric mechanical brake, EMB) 等為代表的 BBW系統。

4.1.1. 電子駐車制動系統(EPB)

• 駕駛員拉起EPB開關;
• EPB控制器接收到指令，控制制動卡鉗上的Actuator中的電機，電機通過傳動機構推動Spindle;
• Spindle推動活塞，產生壓力，將摩擦片壓緊到制動盤上;
• 摩擦片在垂直壓力下，和制動盤間產生靜摩擦力，保持車輛靜止。

電子駐車制動系統

4.1.2. 電控液壓制動系統(EHB)

EHB 沒有了真空助力器，結構更簡單緊湊；電動驅動，響應也更加迅速；方便實現四輪制動分別控制；容易集成ABS (Anti-lock Braking System), TCS (Traction Control System) 以及 ESC (Electric Stability Control)等輔助功能，兼容性強；踏板解耦，能夠主動制動以及能量回收。EHB系統仍保留了傳統的液壓管路部分，是電子和液壓相結合的產物。

典型帶有E-Booster的EHB系統如圖所示。踏板位移和踏板力經電子傳感器傳導給電子 ECU，然后經過不同的助力形式，如電動液壓泵高壓蓄能器或者直流電機等推動建立起液壓，液壓再分配給四個制動輪缸。

工作過程為：

• 駕駛員踩下制動踏板，輸入機械力；
• E-Booster通過電機和泵對駕駛員的輸入進行助力(boost)；
• 制動主缸將駕駛員的輸入力和E-Booster的助力轉化成制動系統液壓；
• 主缸液壓通過制動硬管和軟管傳遞至每一個車輪的制動卡鉗輪缸；
• 液壓推動輪缸的活塞，產生壓力，將摩擦片壓緊到旋轉的制動盤上；
• 摩擦片在垂直壓力的作用下，產生摩擦力和制動力矩，對整車進行制動。

電控液壓制動系統

4.1.3. 電子機械制動系統?(EMB)

電子機械制動 EMB 系統結構顯得更簡潔了，取消了制動系統的液壓備份部分，踏板信號與執行器之間完全靠電子信號傳輸，與 ABS、TCS、ESC 等模塊配合實現車輛底盤的集成控制， 是真正的線控制動系統。EMB 結構精簡，能夠降低整車質量，易于維護，便于安裝調試；完全解耦，制動響應更加迅速；便于底盤域控制及智能駕駛技術發展。

踏板信號以及車輛信號首先傳導到 ECU，決策后再向4個車輪制動模塊發出制動指令。車輪制動模塊上的電機驅動制動摩擦材料塊，然后實現摩擦制動。每一個車輪都有一個制動模塊，可以單獨分別控制，每個模塊的驅動電機也都有單獨的電機控制器。4個模塊作用下，實現制動力分配，制動穩定性控制等功能。

電子機械制動系統

4.2. 線控制動主要研究內容

當前，線控制動系統的研究主要集中在 3 個方面：踏板模擬、主動制動和制動能量回收。

4.2.1. 踏板模擬

BBW系統取消了踏板和主缸之間的機械連接，踏板力需要用通過模擬器或算法模擬的方式提供給駕駛員，踏板力模擬的好壞決定了 BBW系統品質的優劣。目前主要的研究集中在實驗方法，一般是通過對大量的實驗數據進行分析歸納，得到踏板力與踏板行程和車輛狀態之間的關系，通過彈簧或作動器對踏板力進行模擬。

4.2.2. 主動制動

上層策略根據當前車輛狀態和駕駛員操作，向 BBW系統發出制動請求，BBW系統則需要準確、快速地響應這個請求。主動制動旨在提高車輛的穩定性和安全性，高級駕駛輔助系統(ADAS)、緊急制動系統 (AEB)及自動駕駛等都使用到了這一功能。目前，所有關于主動制動的研究基本分為基于經驗設計的方法和基于動力學模型計算的方法。幾乎所有常見的控制算法都可以其中找到應用，如PID算法、最優控制、魯棒控制、滑模控制、模糊控制、神經網絡控制、模型預測控制。

4.2.3. 制動能量回收

制動能量回收系統的中協調分配電制動力矩和制動力矩是關鍵技術之一， 控制策略的研究基本圍繞這一點展開。

4.3. 線控制動系統應用

目前 EHB 有著不同的實現形式，按照是否集成ESC、ABS 等功能的一體化形式，分為 One-Box 形式和 Two-Box 形式。One-Box 為EHB集成了ABS/ESP，只有一個ECU。而Two-Box需要協調EHB ECU和ESP ECU的關系。

5. 第四遭：線控驅動

線控驅動，即Throttle-By-Wire,作為最成熟的線控技術之一，可通過直接扭矩通訊、偽油門安裝、節氣門調節等方法實現。針對開放發動機和電機扭矩通信接口協議的車輛，線控驅動控制器直接通過控制器局域網絡 (CAN) 向發動機或者電機發送目標扭矩請求，實現整車加速度控制。此種方案無需進行機械改裝，結構簡單可靠。

針對不開放扭矩通信接口協議的車輛，安裝節氣門調節機構或者偽油門也可實現線控驅動功能。控制器根據車輛狀態、加速踏板開度及其變化速率，利用內部算法程序預判駕駛員需求功率或轉矩，然后通過電信號控制執行電機的動作，調節發動機節氣門開度，進而改變發動機輸出扭矩和功率。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的线控底盘技术的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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