基于線控轉向系統的無人駕駛技術發展

李時雨

（北京理工大學）

近年來，線控轉向技術日益成熟，在市場中有越來越廣泛的應用。在線控轉向（Steering-by-Wire，簡稱SBW）中，轉向盤和轉向輪完全分開，可以通過電磁控制裝置來實現同樣的轉向動作，并保證在失效和正常運行的情況下都能給駕駛員提供一定的路感[1]，同時，又能滿足無人駕駛的需求。這改變了傳統轉向系統的固有機構，同時為運動靈活、要求更多布置空間的無人駕駛系統創造了發展的基礎。

1 線控轉向系統的結構特點

1.1 線控轉向系統的方案和構件

在線控轉向系統中，舒適性和安全性將得到進一步提升。在發生故障的情況下，具有全部功能或部分功能的冗余系統能代替原系統繼續發揮作用。冗余系統通常分為液壓系統和機械系統。圖1示出線控轉向系統方案示意圖。

圖1 線控轉向系統方案示意圖

線控方案分為2個部分，即轉向盤模塊和轉向輪模塊[2]。在轉向軸上方的轉向盤模塊包括了一個轉向盤，一些測量轉角、轉向力或轉矩的傳感器和一個將路面情況反饋給駕駛員的路感電動機。在2個模塊之間可以看到機械傳動裝置。

1.2 帶有液壓冗余系統的線控轉向

液壓的冗余系統可以取消傳統系統中連接在轉向盤和轉向輪之間的轉向軸，這也是采用線控系統的優勢[3]。此外，液壓系統非常適用于重型汽車。在轉向盤模塊中，手動泵通過軟管和管路與一個在齒條傳動裝置中集成的工作缸相連，由此組成了緊急狀態下的替代轉向系統。緊急轉向系統的開關由一個帶有彈簧的換向閥控制。圖2示出帶有液壓冗余系統的線控轉向示意圖。

圖2 帶有液壓冗余系統的線控轉向示意圖

1.3 帶有機械冗余系統的線控轉向

機械冗余系統的制造更加便捷和廉價，然而它只適用于輕型汽車。系統中，在轉向軸適當的位置配備有電控離合器，離合器在正常狀態下接通電流并打開，使得轉向盤和轉向輪失去了機械連接。而在發生錯誤時，離合器掉電，從而在復位彈簧的作用下接合。由此，在緊急狀態下使得駕駛員對轉向輪的直接操縱得以實現。圖3示出帶有機械冗余系統的線控轉向示意圖。

圖3 帶有機械冗余系統的線控轉向示意圖

但是這個方案減弱了線控轉向系統的優勢，機械機構占用了更多的空間，給布置帶來不便。英菲尼迪Q50的門禁自診斷就采用了轉向盤和轉向輪的直接機械連接作為冗余系統。

2 線控轉向系統的技術難點和優勢

2.1 線控轉向系統的技術難點

線控轉向系統需要實時地通過手柄給駕駛員盡可能準確地傳遞有關輪胎、路面和離合器嚙合情況的觸覺信號。這些信息對駕駛員來說有重要的參考意義，因為駕駛員可以據此調節合適的駕駛速度，并據此進行加速和剎車。

此外，為了保證駕駛員的安全，就必須保證更為復雜的電子系統的運算不會出錯。而在電動和混合動力汽車中，電動機直接驅動轉向輪，安裝線控系統的安全性要高于內燃機車。

2.2 線控轉向系統的優勢

2.2.1 高適應性和靈活性

通過這種方式，借助于參數化的軟件，轉向系統可以適應各種車型。由此可以調節車輛的駕駛靈敏度，實現與車型的匹配。還可以根據駕駛與那的習慣設置個性化的參數[4]，并將數據存儲下來。此外，線控轉向還可以根據速度調節傳動比、轉向幅度、轉向偏差，實現自動停車入位等，提高駕駛穩定性[5]。

2.2.2 自動轉向和新功能的實現

通過將轉向盤和轉向輪分開的方式，能實現更多功能。當車載傳感器發現駕駛員未察覺到的障礙物時，可以進行全自動的方向控制和轉向機動[6]。一個與制動、傳動系統相結合，完全實現自動化的駕駛系統將在不久的將來得以實現。

2.2.3 降低生產成本

當軟件上能完成更多的硬件任務時，就能顯著降低線控系統的成本，從而更易被市場認可。此外，每個轉向輪可以實現單獨轉向，2個前輪的轉角由軟件通過一定的算法進行計算，使得當今使用的各種懸架得到大大簡化。

3 基于線控轉向的無人駕駛技術

當今供應的無人駕駛系統只能實現短時間內的穩定駕駛。而無人駕駛模式還要時刻處在駕駛員的監控之下，駕駛員的狀態也同樣受到汽車的監控。在真正的無人駕駛系統中，應該取消對駕駛員的監控，并能夠保證系統獨自無故障地運行。盡管當今的無人駕駛系統已經能勝任簡單的路況，但是仍然有很多難點沒有得到解決。

3.1 基于線控轉向的無人車底盤技術

3.1.1 傳統式底盤

在輕型汽車中，整個底盤常常和包括供油裝置和萬向節在內的部件安裝在一起，如圖4所示。

圖4 傳統式底盤

這種解決方案使得汽車的布置和構造較為固定，并且一直延續著舊有的發展趨勢。

3.1.2 線控式底盤

汽車底盤傳動系和行駛系的一體化可以使汽車的質心更低，底板總成更平，對于汽車內部空間的布置靈活性更大。其中一項關鍵技術就是應用各種功能的線控技術并采用全電氣化的傳動方式。寶馬i3線控式底盤，如圖5所示。

圖5 線控式底盤（寶馬i3）

這種底盤可以使得布置更加靈活，取消了發動機的限制條件后可以提高工藝性、舒適性并發揮出更大的空間優勢，使得更密集的安裝得以實現[7]。這種形式的底盤在理論上可以實現無人駕駛，也可以稱作“無人駕駛底盤”。

3.2 線控轉向在無人駕駛中的發展現狀

3.2.1 國內發展現狀

我國的無人駕駛技術始于20世紀80年代，國家立項研究“遙控駕駛防核化偵察車”。之后，高等院校和科研機構陸續開展無人駕駛汽車的研究，目前大多還處在研發階段。“八五”期間，由北京理工大學和國防科技大學等5家單位聯合研制成功了ATB-1無人車，行駛速度可以達到21 km/h，這是我國第一輛能夠自主行駛的測試樣車[8]。此后，我國無人駕駛技術得到快速發展。

2015年12月,百度首次實現了城市、環路和高速道路混合路況的無人駕駛測試，最高車速達100 km/h[9]。2017年，百度無人車在線控轉向系統的基礎上，結合Road Hacker平臺實現了全球在真實道路上實現端到端模式的自動駕駛。通過對人駕駛行為的模仿，不斷學習以及算法調整，自動駕駛過程越來越穩，實現了較為平順的轉向效果。圖6示出百度無人車。

圖6 百度無人車

3.2.2 國外發展現狀

互聯網公司谷歌在街道交通中也進行了一系列測試。谷歌的第一款無人駕駛汽車原型“螢火蟲”配備了各種傳感器，包括雷達、激光測距系統、車道保持系統、紅外攝像頭和GPS/慣性導航系統等[10]。圖7示出谷歌無人車原型“螢火蟲”。

圖7 谷歌無人車原型“螢火蟲”

行車電腦將指令發送給行駛系統，通過線控系統控制無人駕駛汽車轉向。線控系統的布置使得汽車的結構更加緊湊，行駛更為平穩，從而更適宜在擁擠的城市路況中行駛。由于取消了傳統汽車中的機械傳動裝置，整車更加輕盈，更有利于提高動力學性能，對交通和路面狀況做出快速響應。

電動車制造商特斯拉同樣致力于制造實現無人駕駛的汽車。2017年底，特斯拉汽車實現了從洛杉磯到紐約的無人駕駛。現在所有的特斯拉汽車均采用8臺攝相機，代替了之前的超聲波和雷達傳感器，具有更大的視野范圍，如圖8所示。

圖8 配備有8臺攝像機的特斯拉無人駕駛傳感系統

特斯拉在線控系統的布置中，提出了更具創新性的方案。特斯拉并不提供固定的汽車底盤，只生產有更多發展空間的車載平臺，上面可以搭載不同汽車生產廠家的汽車零部件。平臺上包括大部分的汽車行駛系統，包括帶有電動機的4個車輪，鋰離子充電電池和用于轉向、制動的線控系統。圖9示出特斯拉汽車的線控底盤。

圖9 特斯拉汽車的線控底盤

這種汽車底盤可用于各種型號的汽車，從家用轎車、皮卡車到輕型載貨車。線控轉向系統使得整個汽車空間的布置更加靈活，并且與提供能源的電池制成一體，既增加了汽車內部空間，又提高了車輛行駛穩定性，所以，線控轉向系統在特斯拉電動車中成為了實現無人駕駛的必要技術保障和硬件基礎。

4 結論

通過對線控轉向系統的介紹，以及對無人駕駛技術發展的分析，可以發現線控轉向系統由于體積小、布置靈活、轉向便捷，正好能滿足無人駕駛汽車方向實時控制的要求，并給乘坐者提供較大的乘用空間，因此是實現無人駕駛技術的必要前提條件。

總的來說，目前，線控轉向系統在無人駕駛領域已經取得了巨大的進步。但是，還有很多尚未解決的技術難題，仍然存在很多不能回答的問題。一方面，線控轉向系統并未大規模地推廣，并未給無人車的發展完全鋪平道路。無人車技術仍然不是很成熟，不能大范圍地進行實際道路試驗。另一方面，社會還未完全接受無人車，還有很多法律法規需要完善。未來的無人車將對汽車智能化提出更高的要求，線控轉向系統也將日益成為無人駕駛技術的主流。可以相信，隨著線控轉向系統的普及，全自動駕駛汽車終有實現的那一天。