什么是 By-Wire 线控技术

所谓线控技术(By-Wire),通俗来讲就是由“电线”或者电信号来传递转向控制,而不是通过机械连接装置的“硬”连接来实现操作。

 

线控技术的核心是智能机电传动装置,其起源于飞机上的电传操纵技术(Fly-By-Wire)

 

 

X-By-Wire 线控技术是无人驾驶车辆( UGV)以及先进驾驶辅助系统(ADAS)的技术,目前广泛应用于现代汽车的驾驶系统,有 Steer-by-wire,Bake-by-wire,Shift-by-wire,Park-by-wire 等等。

 

图:第一款线控驾驶汽车是奔驰在 1996 年发布的 F200 超级概念车

 

日产旗下的英菲尼迪 Q50 所搭载的线控主动转向系统 Direct Adaptive Steering(DAS)就是电控操纵技术,作为首款搭载此项技术的量产车型,其颠覆了 100 多年的汽车机械转向历史。

 

图:英菲尼迪 Direct Adaptive Steering(DAS)线控转向系统

 

线控转向系统技术重点

线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接,其角传递和力传递都是通过电传机构实现。由于物理上的完全解耦,双向的独立驱动模块给汽车转向特性带来巨大的设计空间

 

 

一般来说,线控转向技术的优势有很多:操控响应更快、操控舒适性增加、被动安全性提高、能够协同实现主动安全转向,可定制化的驾驶感受等。

 

线控转向系统的核心技术

线控转向的方向盘模块和转向机模块之间的转角和转矩耦合完全通过电控系统来完成协同,所以在模拟机械传动的转向特性时首先需要解决两个方面的问题:

 

1、前轮转向系统和方向盘输入之间的协同跟随控制

2、转向感力矩的反馈模拟控制方法。

同时作为汽车安全部件,线控系统还需要解决第三个难题:

3、转向系统冗余可靠性设计

 

图:线控转向系统机构示意图

 

线控转向转角指令跟随控制

要求转向轮迅速响应驾驶员的转向意图,解决在复杂未知路面、信号传递延时等情况下如何保持转向实时性、精确性。

 

 

转角执行系统闭环反馈控制算法(前馈+反馈+补偿)

 

 

各控制分量表达为:

 

 

转向路感的反馈模拟方法

线控系统没有机械连接,需要通过电机模拟实际的路感反馈给驾驶员,遥操作过程中路面反力的在线观测一直是研究的难点。

 

在传统转向系统中,路感是由很多要素组成:

1、轮胎回正力矩

2、机械系统惯性、阻尼和摩擦力矩

3、传统系的减速比例

4、转向助力力矩

 

要加载路感,首先需要观测转向反馈力矩,目前有三种典型的方法:

1、Model-based approach

 

 

转向反馈力矩可以基于轮胎模型,结合转向角度实时计算出回正力矩的大小:

 

 

使用此方法的问题是反馈力矩的计算依赖精确的轮胎模型,然而到目前为止,轮胎模型多是基于经验数据的拟合实现,不同情况下难以统一应用。

 

2、Torque map-based method

该方法依据大量实验数据建立经验库,最后依据行驶车速、方向盘转角等输入构建和路感力矩之间的映射关系,从而实现对手感力矩的评估。

 

 

使用此方法的问题是路感力矩经验库的构建需要大量的实车道路测试,同时也很难全面覆盖可能的车辆转向路况。

 

3、Senor-based approach

基于齿条力矩传感器或者电机电流传感器建立负载力矩的在线观测,进而评估实际的转向力矩大小。

 

使用该方法的问题是传感器的成本问题以及恶劣工况下的可靠性问题。

 

先进智能车辆线传操控技术

先进智能车辆线传操控技术能够发挥线控系统的物理解耦优势,实现驾驶操控动力学的可变传递设计。

 

线控转向可变传动优势:个性化、舒适化

1、转向角 / 力传动比优化

低速转向时传动比较小,减少转向盘转动幅度,提升车辆转向轻便性和 灵活性;

高速行驶传动比较大,降低响应灵敏度,提供车辆高度行驶稳定性和安全性。

 

2、优化车辆底盘性能:

完全电控、无机械干涉,能方便地与其他底盘动力学控制系统(ABS、4WD 等)进行集成控制,为未来的汽车底盘一体化奠定良好的基础。

 

3、转向特性个性化定制

线控向转向系统转向盘与转向轮解耦,转向特性可进行一定的个性化设计,如:普通模式、运动模式,满足不同操纵性能需求。

 

可变转向角传动比优化设计

可变转向角传动比优化设计根据角传动比随车速增大而增大、横摆角速度增益随车速增大而降低,同时依据转向灵敏度的限制和传动比上下限的限制可以得出车辆转向最优化的目标函数 J(目标函数的计算方法如图)进而得出最优转向传动比系统。

 

 

由各单项指标的加权平均可得总优化函数 J

 

 

最后对复杂路况转向行驶进行验证:

 

 

复杂行驶工况下,变传动比转向有效减小方向盘转角和角速度,降低驾驶员忙碌程度和驾驶负担。