基于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的無人駕駛技術(shù)發(fā)展

李時雨

（北京理工大學(xué)）

近年來，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)日益成熟，在市場中有越來越廣泛的應(yīng)用。在線控轉(zhuǎn)向（Steering-by-Wire，簡稱SBW）中，轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪完全分開，可以通過電磁控制裝置來實現(xiàn)同樣的轉(zhuǎn)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(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有機構(gòu)，同時為運動靈活、要求更多布置空間的無人駕駛系統(tǒng)創(chuàng)造了發(fā)展的基礎(chǔ)。

1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點

1.1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案和構(gòu)件

在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，舒適性和安全性將得到進一步提升。在發(fā)生故障的情況下，具有全部功能或部分功能的冗余系統(tǒng)能代替原系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)揮作用。冗余系統(tǒng)通常分為液壓系統(tǒng)和機械系統(tǒng)。圖1示出線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案示意圖。

圖1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案示意圖

線控方案分為2個部分，即轉(zhuǎn)向盤模塊和轉(zhuǎn)向輪模塊[2]。在轉(zhuǎn)向軸上方的轉(zhuǎn)向盤模塊包括了一個轉(zhuǎn)向盤，一些測量轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向力或轉(zhuǎn)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(tǒng)的線控轉(zhuǎn)向

液壓的冗余系統(tǒng)可以取消傳統(tǒng)系統(tǒng)中連接在轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的轉(zhuǎn)向軸，這也是采用線控系統(tǒng)的優(yōu)勢[3]。此外，液壓系統(tǒng)非常適用于重型汽車。在轉(zhuǎn)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(tài)下的替代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。緊急轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開關(guān)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(tǒng)的線控轉(zhuǎn)向示意圖。

圖2 帶有液壓冗余系統(tǒng)的線控轉(zhuǎn)向示意圖

1.3 帶有機械冗余系統(tǒng)的線控轉(zhuǎn)向

機械冗余系統(tǒng)的制造更加便捷和廉價，然而它只適用于輕型汽車。系統(tǒng)中，在轉(zhuǎn)向軸適當(dāng)?shù)奈恢门鋫溆须娍仉x合器，離合器在正常狀態(tài)下接通電流并打開，使得轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪失去了機械連接。而在發(fā)生錯誤時，離合器掉電，從而在復(fù)位彈簧的作用下接合。由此，在緊急狀態(tài)下使得駕駛員對轉(zhuǎn)向輪的直接操縱得以實現(xiàn)。圖3示出帶有機械冗余系統(tǒng)的線控轉(zhuǎn)向示意圖。

圖3 帶有機械冗余系統(tǒng)的線控轉(zhuǎn)向示意圖

但是這個方案減弱了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)勢，機械機構(gòu)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(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪的直接機械連接作為冗余系統(tǒng)。

2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)難點和優(yōu)勢

2.1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)難點

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要實時地通過手柄給駕駛員盡可能準(zhǔn)確地傳遞有關(guān)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(jù)此調(diào)節(jié)合適的駕駛速度，并據(jù)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(fù)雜的電子系統(tǒng)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(qū)動轉(zhuǎn)向輪，安裝線控系統(tǒng)的安全性要高于內(nèi)燃機車。

2.2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)勢

2.2.1 高適應(yīng)性和靈活性

通過這種方式，借助于參數(shù)化的軟件，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以適應(yīng)各種車型。由此可以調(diào)節(jié)車輛的駕駛靈敏度，實現(xiàn)與車型的匹配。還可以根據(jù)駕駛與那的習(xí)慣設(shè)置個性化的參數(shù)[4]，并將數(shù)據(jù)存儲下來。此外，線控轉(zhuǎn)向還可以根據(jù)速度調(diào)節(jié)傳動比、轉(zhuǎn)向幅度、轉(zhuǎn)向偏差，實現(xiàn)自動停車入位等，提高駕駛穩(wěn)定性[5]。

2.2.2 自動轉(zhuǎn)向和新功能的實現(xiàn)

通過將轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪分開的方式，能實現(xiàn)更多功能。當(dāng)車載傳感器發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)向機動[6]。一個與制動、傳動系統(tǒng)相結(jié)合，完全實現(xiàn)自動化的駕駛系統(tǒng)將在不久的將來得以實現(xiàn)。

2.2.3 降低生產(chǎn)成本

當(dāng)軟件上能完成更多的硬件任務(wù)時，就能顯著降低線控系統(tǒng)的成本，從而更易被市場認(rèn)可。此外，每個轉(zhuǎn)向輪可以實現(xiàn)單獨轉(zhuǎn)向，2個前輪的轉(zhuǎn)角由軟件通過一定的算法進行計算，使得當(dāng)今使用的各種懸架得到大大簡化。

3 基于線控轉(zhuǎn)向的無人駕駛技術(shù)

當(dāng)今供應(yīng)的無人駕駛系統(tǒng)只能實現(xiàn)短時間內(nèi)的穩(wěn)定駕駛。而無人駕駛模式還要時刻處在駕駛員的監(jiān)控之下，駕駛員的狀態(tài)也同樣受到汽車的監(jiān)控。在真正的無人駕駛系統(tǒng)中，應(yīng)該取消對駕駛員的監(jiān)控，并能夠保證系統(tǒng)獨自無故障地運行。盡管當(dāng)今的無人駕駛系統(tǒng)已經(jīng)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(zhuǎn)向的無人車底盤技術(shù)

3.1.1 傳統(tǒng)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(jié)在內(nèi)的部件安裝在一起，如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)式底盤

這種解決方案使得汽車的布置和構(gòu)造較為固定，并且一直延續(xù)著舊有的發(fā)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(zhì)心更低，底板總成更平，對于汽車內(nèi)部空間的布置靈活性更大。其中一項關(guān)鍵技術(shù)就是應(yīng)用各種功能的線控技術(shù)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(fā)動機的限制條件后可以提高工藝性、舒適性并發(fā)揮出更大的空間優(yōu)勢，使得更密集的安裝得以實現(xiàn)[7]。這種形式的底盤在理論上可以實現(xiàn)無人駕駛，也可以稱作“無人駕駛底盤”。

3.2 線控轉(zhuǎn)向在無人駕駛中的發(fā)展現(xiàn)狀

3.2.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國的無人駕駛技術(shù)始于20世紀(jì)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(gòu)陸續(xù)開展無人駕駛汽車的研究，目前大多還處在研發(fā)階段?！鞍宋濉逼陂g，由北京理工大學(xué)和國防科技大學(xué)等5家單位聯(lián)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(shù)得到快速發(fā)展。

2015年12月,百度首次實現(xiàn)了城市、環(huán)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(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合Road Hacker平臺實現(xiàn)了全球在真實道路上實現(xiàn)端到端模式的自動駕駛。通過對人駕駛行為的模仿，不斷學(xué)習(xí)以及算法調(diào)整，自動駕駛過程越來越穩(wěn)，實現(xiàn)了較為平順的轉(zhuǎn)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(fā)展現(xiàn)狀

互聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)、車道保持系統(tǒng)、紅外攝像頭和GPS/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)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(fā)送給行駛系統(tǒng)，通過線控系統(tǒng)控制無人駕駛汽車轉(zhuǎn)向。線控系統(tǒng)的布置使得汽車的結(jié)構(gòu)更加緊湊，行駛更為平穩(wěn)，從而更適宜在擁擠的城市路況中行駛。由于取消了傳統(tǒng)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(xué)性能，對交通和路面狀況做出快速響應(yīng)。

電動車制造商特斯拉同樣致力于制造實現(xiàn)無人駕駛的汽車。2017年底，特斯拉汽車實現(xiàn)了從洛杉磯到紐約的無人駕駛?，F(xiàn)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(tǒng)

特斯拉在線控系統(tǒng)的布置中，提出了更具創(chuàng)新性的方案。特斯拉并不提供固定的汽車底盤，只生產(chǎn)有更多發(fā)展空間的車載平臺，上面可以搭載不同汽車生產(chǎn)廠家的汽車零部件。平臺上包括大部分的汽車行駛系統(tǒng)，包括帶有電動機的4個車輪，鋰離子充電電池和用于轉(zhuǎn)向、制動的線控系統(tǒng)。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(zhuǎn)向系統(tǒng)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(nèi)部空間，又提高了車輛行駛穩(wěn)定性，所以，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在特斯拉電動車中成為了實現(xiàn)無人駕駛的必要技術(shù)保障和硬件基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

通過對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的介紹，以及對無人駕駛技術(shù)發(fā)展的分析，可以發(fā)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于體積小、布置靈活、轉(zhuǎn)向便捷，正好能滿足無人駕駛汽車方向?qū)崟r控制的要求，并給乘坐者提供較大的乘用空間，因此是實現(xiàn)無人駕駛技術(shù)的必要前提條件。

總的來說，目前，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在無人駕駛領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大的進步。但是，還有很多尚未解決的技術(shù)難題，仍然存在很多不能回答的問題。一方面，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并未大規(guī)模地推廣，并未給無人車的發(fā)展完全鋪平道路。無人車技術(shù)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(guī)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(zhuǎn)向系統(tǒng)也將日益成為無人駕駛技術(shù)的主流?？梢韵嘈?，隨著線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的普及，全自動駕駛汽車終有實現(xiàn)的那一天。