一、概述
新能源汽車在智能化進程中，線控轉向系統（Steering By Wire，SBW）的應用在其中扮演著重要角色，它徹底改變了傳統汽車的機械轉向方式，通過摒棄機械連桿結構，實現了從方向盤到車輪轉向執行機構間的信號傳輸和控制完全依靠電子信號來完成。該技術是汽車電氣化和智能化的重要組成部分，尤其對自動駕駛汽車來說，更是不可或缺的關鍵技術。
二、原理與架構
在SBW系統中，其主要涉及的節點按功能可分為感知層、控制層和執行層三部分。其中感知層主要包括方向盤轉角傳感器、扭矩傳感器、車速傳感器、加速度傳感器以及角速度傳感器等。各傳感器為SBW提供的數據功能如下：
1）方向盤轉角傳感器：用于監測方向盤的轉動角度和轉速，以反映駕駛員的轉向意圖；
2）扭矩傳感器：測量駕駛員施加在方向盤上的力矩，用于模擬路感反饋；
3）車速傳感器：提供車輛當前的速度信息，用于計算合適的轉向助力和動態響應；
4）加速度傳感器和角速度傳感器：提供車輛動態信息，如側向加速度、橫擺角速度等，幫助控制系統理解車輛狀態；
5）其他：提供車輛狀態、道路等信息。
SBW的控制層即控制單元，它負責接收所有傳感器的數據，并將其進行預處理和融合，以確保數據的準確性和完整性，基于數據結果，根據車輛狀態、駕駛員輸入和其他系統信息，計算出最優的轉向角度和速度指令，并在系統運行過程中處理故障診斷與執行冗余控制策略。
SBW的執行層可將其分為轉向執行總成與路感模擬裝置兩部分，其中轉向執行總成由轉向電機、減速機構與轉向傳動裝置構成，其主要工作過程是通過轉向電機接收控制單元發出的指令，并執行相應的電機扭矩輸出，減速機構和轉向傳動裝置將電機的旋轉運動轉化為前輪的轉向動作，從而實現車輛的轉向操作。
路感模擬裝置是在方向盤處安裝的力反饋機構，它根據控制單元的指令提供真實路感的模擬，以確保駕駛員能夠感知到轉向阻力和路面反饋。
基于上述基本原理，整理SBW的架構示意如下：
圖1 SBW架構示意
三、系統工作流程
SBW功能實現的主要過程可分為數據采集與輸入、系統控制、系統執行以及反饋模擬四個階段。當駕駛員轉動方向盤時，內置的角度傳感器和扭矩傳感器會實時捕捉到方向盤的動作幅度、旋轉速度以及作用在其上的力度，并將這些物理量轉換成電信號。同時車身各處的狀態傳感器將會實時為系統提供車輛位置、速度、運動姿態和道路等信息。
控制單元在接收到上述傳感器的實時數據后，會結合車輛的行駛狀態、道路條件、駕駛員行為習慣以及可能激活的主動安全功能進行綜合分析。為使后續的計算過程準確無誤，在收到原始數據后，控制單元會對其進行預處理，即對這些數據進行濾波、平滑處理等處理，以消除不必要的干擾，確保數據的質量和準確性。
對處理后的數據進行融合時，會再提取各個傳感器的互補信息，以進一步減少不確定性和錯誤影響。如，如果同時使用了多個角度傳感器，我們可能會采用卡爾曼濾波、貝葉斯估計等方法，結合它們的測量結果，估算出最可信的轉向角度。對于狀態信息的融合，會結合車輛動力學模型，將不同來源的信息綜合起來，如將駕駛員的轉向意愿與車輛實際行駛狀態（車身姿態、速度、輪胎抓地力等）結合起來，以確定最佳轉向響應。同時，過程中還需要對每一條數據進行有效性檢查，如有異常或超出合理范圍的數據，將進行剔除或采用備用數據源。
根據融合后的數據結果，控制單元會根據預定控制邏輯和實時工況、狀態進行決策，如在自動駕駛模式下，依據路線規劃、障礙物檢測結果等因素，決定是否需要調整轉向指令。
根據以上分析結果，控制單元將計算出理想的轉向角度、轉向速率或轉向力矩，并生成相應的控制指令，再通過通信接口傳遞給系統的執行機構。在系統運行過程中，控制單元會不斷監控執行機構的響應情況，并通過反饋機制對控制指令進行實時調整，確保系統達到預期的控制效果，同時也為駕駛員提供仿真或增強的真實駕駛感受反饋。
對此數據處理及控制過程的流程進行示意，如下：
圖2 SBW數據處理與控制示意
在決策與控制階段，為了確保計算出的轉向角、轉向速率等參數與實際需求相符，通常系統會執行多項關鍵步驟：首先基于車輛相關模型，預測車輛對于不同轉向指令的響應，確保計算出的控制參數能引導車輛按照預期軌跡行駛，同時使用相關控制策略，根據系統當前狀態和目標狀態，快速、準確地計算出控制量，使車輛在各種工況下都能保持良好的穩定性及跟蹤性能。
在系統運行過程中，考慮到傳感器數據可能存在誤差，會采用數據融合技術和傳感器誤差補償算法來提高測量精度，從而使得基于這些數據計算出的控制指令更為可靠。并通過閉環控制系統，實時監測實際車輛狀態與期望狀態之間的偏差，根據偏差信息不斷調整控制指令，形成一個迭代優化的過程，直至達到或者接近預設的目標狀態。
對此提高計算結果的過程示意如下：
圖3 SBW決策與控制計算過程示意
最后控制單元將計算出的轉向指令轉化為驅動信號，再傳輸給位于轉向系統的電動機，電動機在接受到信號后，將產生相應的驅動力，通過齒輪或其他傳動機構改變前輪的實際轉向角度，從而實現車輛的轉向控制。
轉自覺知汽車
