九章智驾

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2021-06-07

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线控转向,自动驾驶的下一个标配?

  1. 自动驾驶
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作者:方世鹏

汽车转向系统是汽车上的重要构件,其性能的好坏直接决定了汽车操控性能的优劣,它随着新技术的出现不断推陈出新。

从最初的纯机械转向系统,历经机械式液压助力转向 (Hydraulic Power Steering,HPS)、电液助力转向 (Electro Hydraulic Power Steering,EHPS),到现在已被广泛应用的电动助力转向 (Electric Power Steering,EPS),转向系统朝着操作更加灵敏、结构更加可靠和功率消耗更低的方向不断发展。

随着近年来自动驾驶的兴起,要求转向系统能够不依赖人力,根据算法独立运转,同时要求响应时间更短,转向更加精准。考虑 EPS 受限于安装空间、力传递特性、角传递特性等诸多因素不能自由设计和实现的不足,一种新型的转向系统 —— 线控转向系统(Steering-By-WireSystem, SBW)应运而生。

线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接,完全由电信号实现转向的信息传递和控制。

它带来的优点很多,节省空间,轻量化,可以根据需要完全隔离路面颠簸或者部分传递路面信息,使驾驶员获得良好的路感,也可以根据驾驶员需要和喜好自由设计力传递特性和角传递特性,驾驶体验更丰富。

因为不用考虑机械连接的布局问题,所以车辆设计时更灵活,同时发生碰撞时管柱侵入的可能性降低,提高了车辆安全性。除此之外,线控转向可以完全脱离驾驶员实现转向控制,这一点非常切合自动驾驶的心意,被认为是完全自动驾驶的辅助技术之一。

EPS 和 SBW 对比

和 EPS 相比,SBW 的最大不同是取消了方向盘和转向轮之间的物理连接,它的转向力矩完全依靠下转向执行器来输出,而下转向执行器输出力的方向和大小依赖于控制算法给定的控制信号,这也就意味着转向完全由控制算法说了算,算法可以依赖方向盘的输入信号,也可以脱离方向盘根据自动驾驶的转向要求独立转向

EPS 工作原理是当驾驶员转动方向盘时,扭矩传感器精确地记录转向扭矩并传输给电控单元,电控单元计算出所需转向助力控制伺服电机工作从而实现助力。

EPS 本质上转向信号仍然来自于人,系统只是助力,但 SBW 转向信号本质上来源于算法,人的输入信号只是参考。

和同为线控家族的兄弟线控制动相比,线控转向一直显得关注度不高,和大哥线控制动自带光环(能量回收能够增加续航里程)不一样,他有点像家里内向的孩子,被人提起时总是一笔带过。

到底是什么原因让线控转向一直没有火热发展起来呢?这得从线控转向的前世今生说起。

线控转向技术由来已久

线控转向并不是个新技术,在飞机上已经得到广泛应用,由于飞机转向操作机构和执行机构(舵机)间隔非常远,利用机械结构进行远距离传动显然不合适,另外飞机对转向操作的要求在空间上是多方向的,且灵活性要求很高,线控转向便是面向这一需求而产生的。

在乘用车上,欧美企业线控转向研究起步也很早,在 20 世纪 50 年代,TRW 和德国 Kasselmann 等就提出了车用 SBW 的概念,方向盘和转向车轮之间用电信号代替原来的机械连接,但是这仅仅停留在了设想中。汽车转向装置发展到现在的电动助力转向,技术上已经非常成熟可靠,因此车企对线控转向兴趣一直不大。

如今自动驾驶飞速发展,自动驾驶技术要求能很轻松实现主动转向功能,且要实现比 EPS 更快的响应速度,这给线控转向技术实用化发展带来了契机,转向供应商和车辆制造商开始研发自己的线控转向系统。

德国奔驰公司早在 1990 年就开始了前轮线控转向的研究,并在 1996 年将它开发的线控转向系统应用于概念车 F200 上,到了 2000 年 9 月法兰克福车展上,奔驰与 ZF 联合展示了线控转向系统,2010 年车展上展出的 F400 Carving 也应用了线控转向系统。

世界各大汽车厂家、研究机构包括 Daimler-Chrysler、宝马、ZF、DELPHI、TRW、JTEKT、日本国立大学、本田汽车公司等都对汽车线控转向系统做了深入研究。

在欧洲,2001 年的第 71 届日内瓦国际汽车展览会上,意大利 Bertone 设计开发的概念车 「FILO」 采用了线控转向系统,它取消了方向盘,使用操纵杆进行转向操作。

宝马汽车公司的概念车 BMWZ22,应用了线控转向技术后,利用传动比例可调的特性,将方向盘的转动范围减少到 160 度,极大降低了紧急转向时驾驶员的操作角度。第 59 届法兰克福汽车展,雪铁龙越野概念车 「C-Crosser」 也采用了线控转向系统。

随着自动驾驶的火热,近年来各供应商都会在各种场合展示自己的线控转向样品。

2016 年 02 月 25 日日前,在瑞典阿维斯焦 (Arvidsjaur) 冬季试车场上,采埃孚 (ZF) 和天合汽车 (TRW) 合并后展示的一辆原型车上搭载了采埃孚天合的前后桥转向系统,该系统可实现纯电动操控,这种线控转向功能在原型车中还属于试验阶段。

在 2017 年 10 月的法兰克福国际汽车展览会上,蒂森克虏伯展示了 SBW 硬件,可收缩式转向管柱和无人驾驶切换概念。博世华域已与奥迪合作开发线控转向产品,并于 2018 年在国内 8 个城市进行奥迪 A3 线控转向产品全国巡回展示。

JTEKT 在 2018 年北京车展上,展示了一台线控转向演示机,赚足了眼球。2021 年上海车展,舍弗勒展示了一系列面向智能驾驶及未来城市交通出行的创新解决方案,其中就包含智能线控转向角模块(iCorner)。

日本 Koyaba(日本四大轴承生产集团之一)和日产合作也开发了线控转向系统,该系统是目前唯一应用于量产车型英菲尼迪上的线控转向系统。

线控转向技术的争论

虽然线控转向发展在提速,但是供应商对待线控转向的态度并不是完全一致的,这可以从两家转向供应商的争论中一窥一二。

作为世界排名第一的转向系统供应商丰田旗下的捷太格特(JTEKT)和排名第三的电动转向系统供应商日本精工(NSK),他们的观点不仅会左右本公司的技术路线,也会对全球其他供应商产生深刻影响。

JTEKT 公司认为,为了实现自动驾驶汽车,线控转向系统一定会取代如今的电动转向系统,这无法避免。

NSK 却认为,线控转向技术过于昂贵,如今的电动转向系统完全可以满足自动驾驶汽车的需求。就像现在常被用来测试开发自动驾驶技术的林肯 MKZ,就是使用的 EPS。

JTEKT 总裁 Tetsuo Agata 很看好这项技术,「我们正在研究线控转向技术,这对自动驾驶系统很重要,甚至可以说是必须的。」Agata 在 2015 年 7 月对 Automotive News 说道。

「喷气机已经采用了线控转向系统了。」 他说,「自动驾驶系统的推广速度正在加速。如果我们有能力摆脱方向盘间的机械连接,我们就能在汽车设计中有更多发挥。未来,线控技术将成为一种基本配置。如今,我们就在开发一款线控转向系统。」

支持线控转向技术的人士认为,这项技术将与自动驾驶一道,一起进入市场。线控转向系统无需转向柱,因此能增大空间、减轻重量、降低成本、提高转向精度,给灵活设计带来更多可能性。

在这一思想指导下,JTEKT 着力研发线控转向系统,在 2018 年 4 月 27 日开幕的北京车展上,JTEKT 以 「No.1 & Only One - 迈向更美好的未来」 为主题。携自动驾驶技术、未来转向技术、面向混动、电动汽车用的 e4WD 电机等一系列 「黑科技产品」 悉数亮相。在那次 JTEKT 展出的产品中,最引人瞩目的,当属这台 SBW 演示机。

JTEKT 展出的 SBW 演示机

该演示机取代传统的机械式连接的方式,方向盘和转向机通过电线连接,能够具备更高的驾驶自由度,实现更理想的转向体验:

1)方向盘控制更加自由;2)车辆转向指令设计更加自由;3)驾驶体验的反馈更加自由。

到了 2019 年上海国际车展,捷太格特的参展主题为 「Just take a seat. Have fun. Enjoy your ride」(乐如所思,坐乘驾驶为您带来的欢畅体验)。在这次展会上,JTEKT 通过新闻发布、现场展品向来场者展示捷太格特面向汽车 「新四化」(网联化、自动化、共享化、电动化)的努力与成果。

从中可以看出,JTEKT 着力展示 「高效能,轻量化」 的汽车转向器,EPS+SBW 共同支撑 JTEKT 在乘用车层面 「新四化」 的雄心,而且随着自动驾驶从 L3 走向 L5,JTEKT 认为线控转向会逐渐确立统治地位,这和 JTEKT 发展线控转向的思路是一以贯之的。

在本次展会上,捷太格特还展出了搭载线控转向的模型车。展示中线控转向可提升方向盘布局的自由度,通过转角控制可实现安全、舒适的转向,即使有路面冲击,也可实现自然的转向感受。

另外 JTEKT 设计了一种可伸缩管柱模块(Retractable-column module),该技术使得在自动驾驶模式下,方向盘自动收纳,为驾驶员提供更宽敞的驾驶空间。

JTEKT 展出的搭载线控转向的模型车

虽然 JTEKT 在线控转向上不断发力,但是反对者也有足够理由来质疑线控系统的优势,其中之一就是人们是否愿意或者信任将转向这么重要的操作交给人工智能

对线控转向的不信任源于对自动驾驶的怀疑,随着自动驾驶的发展,相信其高可靠性和安全性最终会赢得用户信赖,何况在可预见的将来,就算自动驾驶能够大行其道,估计车企也依然会保留手动驾驶功能。

在技术层面,英菲尼迪 Q50 搭载的线控转向系统,为了保证可靠性,保留了一套冗余机械转向系统,这引发了 NSK 的反驳。

「即使采用了线控转向系统,他们还是一样要配备一套机械系统以防万一。」NSK 公司 CEO Toshihiro Uchiyama 在一次媒体活动中表示,「除非是安全要求有了新变化,或线控转向系统的可靠性有了翻天覆地的提升。」

Uchiyama 认为如果现有技术能够满足需要,就没必要花费巨大的代价追求新技术。「我们认为线控转向并不能满足自动驾驶的需求,」Uchiyama 表示,「我们的电辅助机械系统更加可靠,而且转向感也更佳。」

一些分析人士和 NSK 的观点一致,最起码在现在的发展阶段,为了功能安全必须设计冗余系统,这会带来额外的成本,会阻碍线控转向技术的应用。

IHS 供应商业务部主管 Eric Fedewa 也表示,根据正在测试中的自动驾驶汽车,我们并非一定要拿掉金属转向柱。

据了解,目前 EPS 单价约 1,500 元,线控转向系统若以 EPS 为基础进行估价,再考虑到短期应用规模小,预计单价约 4,000 元,后期随着应用范围扩大,预计单价有望逐步降低至 3,000 元左右。几千元对于锱铢必较的车企来说,是一个无法忽视的差价。

不看好线控转向系统,还有另外一个原因,由于线控转向系统取消了机械连接,驾驶者感觉不到路面传导来的转向阻力和颠簸,会失去路感,因此需要在方向盘上施加一个力回馈来反馈路况信息

这虽然给设计者提供了更多可能,可以按照需要来过滤和传递路面信息,使驾驶者获得良好的驾驶体验,但是复杂性也会大大提高,复杂和可靠本就是一体两面,越复杂的东西,可靠性就要打折扣。不过这些影响在无人车上都不用考虑,因为无人驾驶根本不需要路感。

总的来说,以 NSK 为代表的供应商对线控转向的疑虑主要集中在两点:

一是为了保证可靠性和模拟路感,线控转向必须设计机械冗余系统或者电气冗余系统,以及路面信息回馈系统,这部分带来的额外成本会阻碍线控转向的大规模应用;

二是现有的电动辅助系统已经非常成熟可靠,且成本低廉,同时能满足自动驾驶的要求,仅仅为了减少的那几千克重量和提升的驾驶员空间而研发复杂的线控转向是否值当。

从 NSK 的态度可以看出,NSK 更多的是从工程实际以及商业应用的角度来看待线控转向。

目前无人驾驶汽车或许不需要线控系统所带来的功能,但线控转向对于无人驾驶汽车来说却好处多多。同时 EPS 在集成了 ADAS 和高级别自动驾驶之后,必然会取消方向盘和转向轮之间的机械连接,将其转换为纯电控转向。当方向盘在无人驾驶汽车当中显得毫无意义时,线控转向的地位就会凸显出来。

虽然 NSK 明确表示不支持线控转向系统,但是这种态度却不会阻碍 NSK 研发自己的 SBW,从专利网站也能查到 NSK 申请的线控转向相关专利,说明 NSK 虽然嘴上很强硬,但是腿脚还是很老实。

其他供应商和车企对待线控转向的态度则都很明确,那就是大胆研发,小心应用。博世(BOSCH)、采埃孚 (ZF)、耐斯特、舍弗勒、蒂森克虏伯等众多供应商都在研发自己的线控转向技术,并积极申请专利。

国内一些大学和科研机构也在做预研,如吉林大学、上海交通大学、同济大学、北京理工大学、青岛科技大学、江苏大学、武汉科技大学等,整车厂及零部件企业对线控转向系统的研究报道则很少。

长安汽车以长安 CX30 为平台,将传统的液压转向系统改装为 SBW 系统,是国内第一辆装备 SBW 转向系统并进行了场地试验的乘用车。

量产车型应用都很谨慎

虽然转向供应商和汽车生产商都在大力开发自己的线控转向技术,并且通过概念车等平台来展示自己的技术实力,以防在未来自动驾驶中掉队,但是在量产车型上应用线控转向技术,却都显得谨慎得多。

这方面英菲尼迪是当仁不让的第一个吃螃蟹的人,目前来看也是唯一一个吃螃蟹的。

日产和 Koyaba 合作研发和论证十多年,在 2014 年推出的英菲尼迪 Q50 上应用了线控转向技术,该套系统也称为线控主动转向(Direct Adaptive Steering, DAS)系统。作为首款搭载此项技术的量产车型,它的最大特点是改变了延续多年的汽车机械转向历史。

搭载 DAS 系统的英菲尼迪 Q50

DAS 系统的组成有三个 ECU,两个转向电机,一个用于模拟 「路感」 的反馈电机,一个获取方向盘角度信息的传感器,一个用于获取路面信息的力矩传感器,以及一套冗余机械转向机构(提高可靠性),机械转向机构是否发挥作用是通过离合器的吸合和断开来控制的。

DAS 系统的原理是,三组 ECU 根据方向盘的转动信号和路面信息生成控制信号控制三组电机,其中两组电机来控制车轮的转动角度和速度,一组电机来模拟路面的回馈力,另外还留有一组机械冗余结构以备在系统发生故障时作为备用转向。

一般情况下,离合器是断开的,但是如果管柱角度超过一定限制或转向机被堵住(如路肩)的情况下,离合器会临时吸和,转向机侧的两个电机有一个以上正常工作且管柱侧的电机正常工作时,离合器保持断开,管柱侧电机失效且转向机侧任意一个电机失效时,离合器吸和。

在正常情况下,两个 ECU + 电机并联工作,工作在转角伺服控制状态,故障模式下,离合器吸和,采集扭矩传感器信号,实现传统的 EPS 基本助力功能。

DAS 系统示意

但是在上市后一年多的时间内,DAS 系统就证明了供应商对待线控转向的谨慎是有道理的,同时也说明新技术想要走向成熟必然是一个曲折的过程。

英菲尼迪自 2016 年 7 月 4 日起,召回部分东风英菲尼迪 Q50L 以及英菲尼迪 Q50 汽车。召回通告中说道,在某些极端情况下(如低压启动),两个电机位置信号同时出现错误或未能将离合器吸和,导致误动作。

由于线控主动转向系统控制单元程序有偏差,当发动机在电瓶处于低电压状态下起动时,控制单元有可能对方向盘角度作出误判,导致方向盘和车轮的转动角度存在差异。即使方向盘转到中立位置,车轮也可能不会返回到直行位置,导致车辆不能按驾驶员意图起步前行或转向,存在安全隐患。

从通告的内容中有人猜测,问题出现的原因可能是因为转向器总成上没有安装绝对角度传感器,为了实现角度伺服功能,必须使用两个无刷电机的角度信号分别来估算齿条位置,并用这两个冗余信号进行合理性检查后来作为齿条位置传感器信号反馈。

如果两个电机位置信号得到的齿条位置信号不匹配,则输出故障,通知转向管柱侧 ECU 吸和离合器,自身工作在 EPS 模式,在某些极端情况下(如召回通告中所说的低压启动),两个电机位置信号同时出现错误或未能将离合器吸和,才导致误动作。

另外,当发动机在电瓶处于低电压状态下起动时,控制单元不能对方向盘角度做出正确判断,致使伺服控制的方向盘控制输入和车轮输出角度之间产生稳态误差,这可能是由于低电压状态下,传感器测量产生误差或者 ECU 供电出现问题,才导致即使方向盘转到中立位置,车轮也不会返回到直行位置。

在召回后,东风汽车有限公司和日产(中国)投资有限公司免费对所有对象车辆 DAS 系统控制单元程序进行了升级,以消除安全隐患。

但是据 19 年 Q50L 车主梁煦晨 Mr 反馈,这套线控转向系统仍然槽点满满,主要集中在三个方面:

一是方向盘如果方正,车子会往左走,只有向右边带一点方向,车子才能跑正,而且这种情况时而严重时而正常;

二是方向盘助力有时轻有时重,且方向不跟手,方向助力会不按照驾驶人的逻辑来助力,比如说驾驶人握着方向盘,能明显感觉到车子的助力和重心再向左偏离;

三是方向有时会突然向一个方向大幅偏离,但是能拉回来,系统会自矫正。

这位网友提到,出现的问题经过 4s 店经过多次标定后,方向回正和正常行驶会好一段时间,但是没到 1000 公里又回到老样子。

这说明 DAS 系统设计上是有不足的,起码有三个方面的问题:一是方向不正反应出标定和自学习上有问题;二是反馈逻辑不合理导致模拟路面的回馈力电机异常动作;三是转向电机存在异常转向。

其中用于反馈路感的电机会使用户产生拖拽感,试想驾驶车辆老给人一种有人抢夺方向盘的感觉,别说轻松从容的驾驶体验了,想想都挺吓人的。

这套系统在国外的一些专业车辆测评机构给出的评价貌似也不是很高。下面一段话来自 Autocar 的道路测试编辑 Matt Prior,大家可以自行感受一下:

「英菲尼迪的线控转向系统,在其基本模式下是最流畅,反应最灵敏的,如果转向很快,它就有些力不存心了。中心的路面反馈是足够的,但是角落的一些路面反馈不足,让人很难获得真实的路感,虽说这让路面的一些颠簸被过滤掉了,但是这种处理让人无法接受。

Q50 上的 DAS 系统接近同行的平均水平,但是还达不到转向系统业内的高水平。和传统转向系统相比,如果不考虑极端情况,它的转向还是准确的,但是想要更多可玩性的人估计还是不会选用这套系统,Q50 的这套转向系统几乎没有什么真正引人入胜的地方。」

上述表现似乎正在印证 NSK 的观点,人们还没有感受到线控转向带来的驾驶体验提升,倒是先体验到了它不成熟带来的各种缺陷。

但是在量产车型上发现的问题,往往是促进技术成熟的动力,技术总要经过不断的迭代才能走向成熟,从这个角度来看,英菲尼迪算是业内的先驱者,DAS 系统实际运行中出现的一些问题也会给后来者提供借鉴,有利于大家一起推进线控转向走向大规模应用,就像 DAS 系统,现在也已经升级到了第二代 DAS2.0。

线控转向发展的关键

线控转向想在未来市场取得更大的份额,除了搭上自动驾驶的顺风车,自身也得解决好 NSK 等生产商关注的痛点。

第一个就是成本,因为决定产品能否被市场接受,成本是一个很关键的因素。

目前线控转向电机和电控的可靠性不高,电子部件还没有达到机械部件那样的可靠程度,如何保证在电子部件出现故障后,系统仍能实现基本的转向功能,这在线控转向实际应用中非常重要,也就是说线控转向系统必须首先满足功能安全要求。

国际标准 ISO 26262 将功能安全定义为:「避免因电气/电子系统故障而导致的不合理风险」,该标准旨在提高道路车辆电子电气系统的可靠性。

为了满足该标准,英菲尼迪采用了一套机械冗余系统,这相当于在 EPS 的基础上额外加入了模拟路感的回馈系统,但是成本和 EPS 相比就要高出不少。

博世倡导的是电控系统备份冗余式,在博世看来,这种类型完全取消了方向盘和转向机之间的机械连接,才能算是真正的线控转向。

博世的 SBW,其方向盘处布置多个传感器以实现输入信号的冗余度,转向机构采用多个电机 + ECU 系统来实现控制冗余度,但是这种方式相当于有两套重复的转向机构,成本也会只高不低。

线控转向功能安全是一个系统性的工程,需要对转向系统做大量的冗余设计,涵盖芯片、执行机构、电源等硬件以及各类控制软件,才能不至于由于局部出现问题而导致转向整体功能失效。如何在保证功能安全的前提下减少设计制造成本的上升,是设计师们面临的一大难题

线控转向想要走向成熟,还必须解决第二个来自技术层面的难题

目前线控转向面临一个困境,就是如果要模拟路感,就需要复杂的力反馈电机,成本不仅高出 EPS 很多,模拟效果还不一定有 EPS 好。

但若真正实现 L4 级别的自动驾驶,在方向盘都显得多余的情况下,根本就没必要模拟路感,那花大力气研制一个以后不怎么用得着的功能是否合算。而且如何解决模拟路感以平衡舒适性和操控性之间的矛盾,即复杂的力反馈电机和转向执行电机的算法实现,也不是一件容易的事情。

因为根据车速及驾驶工况提供模拟的方向盘转向反馈力矩,来实现方向盘的回正以及驾驶手感等功能,要求在转向管柱与转向器没有机械连接的情况下模拟出真实的手感(中间位置、转向阻力、路况信息回馈等等),需要根据 Vehicle Dynamic 模型及转向管柱模型,控制伺服电机提供一个力反馈给驾驶员。

这一部分无论是控制策略设计、算法实现还是参数标定,技术难度都不小,也需要花功夫才能做好。

从 Q50 的驾驶员反馈来看,模拟的路感显然没有传统的机械传动来的真实,电机也无法模拟轮胎受力带来的方向回跳和小振动,就像赛车模拟器,始终无法带来真正的驾驶感受。

也许仅有的亮点就是车企宣传的那句话,「可大幅减少路面不平引起的方向盘抖动,从而消除多余路面反馈对驾驶造成的干扰,带给你自如随心的驾控感受。」 可是真实情况如何,就只有车主冷暖自知了。

随着自动驾驶的深入发展,对于 L3 及以上等级智能汽车,会部分或全部脱离驾驶员的操控,线控转向是非常贴合自动驾驶的技术,相信随着线控转向技术的逐步成熟,电子元件和芯片成本降低,可靠性和处理能力大大提高,SBW 必然会向 EPS 发起挑战,并得到井喷式的发展与使用。

当 SBW 伴随着自动驾驶轰然而至时,也许我们就该讨论方向盘到底有没有用,会不会消失?

抑或变成《机械公敌》里威尔史密斯驾驶的那辆奥迪 RSQ concept,给我们展现的伸缩收纳式方向盘,自动驾驶时收纳起来,免得像现在的自动驾驶车辆一样,方向盘在面前转来转去,不仅影响驾驶员的乘坐空间,乘坐体验也不好,只有需要手动驾驶时才伸展出来以备人工驾驶使用。

又或者变成 2020 年上映的美剧《上载新生》里所展现的那样,掏出一个手柄,插上接口,像打游戏一样驾驶车辆,这对于游戏控来说也许会乐不可支吧。总之,SBW 的到来为这些可能性奠定了技术基础,究竟方向盘的未来如何让我们拭目以待吧。

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