线控转向，自动驾驶称霸路上的右膀

　　现在追忆起来，生命里第一次对转向留下深刻印象的时间应该是在小学三四年级。那时，邻居家有一台犁地用的手扶拖拉机。农忙时节，这台手扶拖拉机总是被临时停在他家门前的空地上，以便可以随时征战黄土地。而休息中的手扶拖拉机就成了周围孩子们眼中的＂变形金刚＂，它除了充当我们各种游戏的道具外，还充当了我们双手和衣服上的机油肇事者。
　　其中有一个游戏就是借助它比谁的力气大，比拼的方法就是看谁通过掰动车把手能将车头转动更大的角度。游戏开始后，大家排好队，便开始了一轮轮毫无技巧地生拉硬拽。但那时我们可以掰动的幅度实在有限，以至于当裁判的小朋友都无法明辨到底谁掰的角度更大一点。最后无可奈何，裁判只能将胜利者给了今天请他吃辣条的小朋友。这可能也是我所经历的最早的黑哨了。
　　（图片来源网络）
　　上了大学之后，阴差阳错地读了车辆工程专业，汽车转向系统的构造和原理变成了考试的内容。成了社畜之后，新一代线控转向系统又成了你钉耙型知识结构绕不去的坎，内卷同事不可多得的好知识。想起了小时候的手扶拖拉机，冥冥之中，缘分早已在15年前安排好，垂死挣扎也是逃不掉的。
　　线控底盘系列第二期，我就来挖掘下线控转向系统的花边新闻，科普一下内卷同事的硬核知识。
　　传统转向系统
　　汽车转向系统在各大学《汽车构造》这本书中的定义大致如下：用来改变或者恢复汽车行驶方向的专设机构，保证汽车能按驾驶员的意愿进行直线或转向行驶。但在辅助驾驶和自动驾驶入侵后，后半句可能要改成＂保证汽车能按驾驶员的意愿或智驾域控制器的意愿进行直线或转向行驶＂。
　　汽车转向系统也如汽车制动系统一样，做大做强之后开始招聘行政秘书来分担日常工作，行政秘书的要求也由踏实稳重变成机灵活泼。基于这个套路，经过上百年的缓慢演进，汽车转向系统由无助力的机械转向系统（MS）逐渐发展出有助力的机械液压助力转向系统（HPS，Hydraulic Power Steering）、电液助力转向系统（EHPS，Electro Hydraulic Power Steering）和电动助力转向系统（EPS，Electric Power Steering）三种动力转向系统。
　　MS已经功成身退，但它的原理永远回荡在车辆工程专业的课堂中，它的优秀代表也顺利进入大小汽车博物馆供后人参观。HPS、EHPS、EPS作为动力转系统的三杰，因各有千秋，截至当前，谁都没能消灭谁，一同活跃在各自合适的舞台。HPS和EHPS由于动力十足、价格低廉，一同统治着商用车的江山。EPS由于体积小、耗电少、轻便灵活，是乘用车市场的土皇帝。
　　下文我们逐一对上述四种汽车转向系统做一个简单介绍。
　　一、机械转向系统（MS）
　　MS可以称得上是汽车转向帝国的开国将军，在20世纪50年代动力转向系统成熟之前，一直承担着汽车帝国的开疆拓土。在MS中，转向轮所需要的力必须全部由驾驶员通过转动方向盘来提供，中间所有传递力的构件都是机械的。
　　下图是古董级的红旗CA7220桥车上的机械转向系统，是大学《汽车构造》课本里的常驻嘉宾，虽说仅代表一种机械转向系统结构，但对理解转向系统的工作原理足矣。由下图看出，MS主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。
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　　（1）转向操纵机构。和驾驶员接触最亲密的部分，主要由方向盘、转向轴、转向管柱等组成，主要作用是将驾驶员转动方向盘的力传递给转向器。
　　（2）转向器。将转向操纵机构传递过来的旋转运动转换为直线运动，同时承担着减速增扭的作用。转向器的结构五花八门，经典结构有齿轮齿条式、循环球式和蜗杆滚轮式，哥仨占据转向器市场90%以上的份额。
　　我就拿最简单的齿轮齿条式转向器举例，来简单说明下转向器的原理。如下图所示，转向操作机构带动上面齿轮旋转，上面旋转齿轮带动下面齿条左右移动，就是这么一个简单原理。虽看着贼简单，但针对某一款车进行齿轮齿条转向器参数设计，可是车辆工程专业本科毕业设计绕不过去的难题。
　　(图片来源网络)
　　（3）转向传动机构。转向传动机构主要包括转向横拉杆、转向节臂等组成，作用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，驱动两侧转向轮偏转，且使两个转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。
　　MS饱受诟病的最大缺点就是费力，而且路况越复杂，转向越费力，这可能也是那个年代女司机非常少的原因之一。
　　二、机械液压助力转向系统（HPS）
　　HPS是最早被应用的动力转向系统，诞生于1902年，比第一辆汽车发明的时间1886年，仅晚了十几年，由此可见，省力的诉求自汽车诞生之初便被提了出来。但直到1951年，克莱斯勒才将验证充分、成熟可靠的HPS作为选配装置装配在其Imperial车系上。半个世纪的打磨，一代汽车人青丝变白发。
　　HPS在MS的基础上主要增加液压助力泵、油壶等助力装置，其中液压助力泵直接与发动机输出相连。在转向过程中，发动机会输出部分动力驱动助力泵给液压油加压，再由液压油将动力传递给转向助力装置，为驾驶员提供助力。这与机械液压制动利用发动机进气歧管的负压有异曲同工之妙，难怪发动机被称为汽车的＂心脏＂，转向、制动全与其息息相关。
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　　优点：方向盘与转向轮之间全部机械连接，不仅操控精准、而且路感反馈清晰；转向助力的动力源头为发动机，因此可以利用的转向动力澎湃且源源不断；技术成熟，可靠性高，即使助力系统失效，转向系统依然可以依靠机械连接进行无助力转向。难怪即使在今天，还是商用车领域的＂宠儿＂。
　　缺点：只要发动机启动，无论车是否转向，发动机都带着液压助力泵玩，做了很多无用功，整体能耗较高；复杂的液压管路结构、繁多的油液控制阀门，导致整体结构比较复杂，装配空间要求较大；整套油路经常保持高压状态，寿命会受到影响，且存在液压油泄漏而污染环境的风险。
　　三、电液助力转向系统（EHPS）
　　EHPS是基于HPS升级而来，基本转向原理类似于HPS，主要升级的是HPS源源不断消耗发动机动力的问题。在EHPS中，液压助力泵不再使用发动机驱动，而是由新增的电机驱动。电控单元收集轮速传感器等数据，经过综合处理后控制液压阀的开启程度来改变油液压力，从而实现转向助力力度的大小调节。
　　优点：继承了HPS操控精准、路感反馈清晰的优势；与HPS相比，大幅降低了能耗；且转向助力可以根据转角、车速等参数自行调节，反应更加灵敏。
　　缺点：增加了较多的电子单元，导致整体结构复杂度增加，成本略有上升，可靠性不如HPS；且液压油泄漏的问题依旧存在。
　　四、电动助力转向系统（EPS）
　　EPS是目前乘用车上应用最广泛的动力转向系统。EPS完全抛弃时不时来个液压油小泄露从而污染环境的液压系统，完全改由电机提供转向助力。
　　EPS主要由力矩传感器、EPS控制单元、带有电机位置传感器的电机、减速器、转向器等组成，下图展示了一种典型EPS结构。
　　（图片来源：https://mp.weixin.qq.com/s/Klw_WwtyTg26RUZmrH2WdA）
　　转向过程中，驾驶员转动方向盘的力矩大小，转向柱、转向齿轮和转向轮的准确位置都被传感器采集并传输至EPS控制单元，EPS控制单元经过汗流浃背的运算后，得出需要施加多大的助力。并启动和控制电动机来帮助转向柱或转向齿轮随着方向盘的转速而更快地转动，以此来实现转向助力。
　　EPS还会结合轮速传感器信号，以便在低速行驶时提供较大的转向助力，在高速行驶时则会减少转向助力。
　　EPS有两种实现方式，一种是对转向柱施加助力，是将助力电机经减速增扭后直接连接在转向柱上，电机输出的辅助扭矩直接施加在转向柱上，相当于电机直接帮助我们转动方向盘。另一种是对转向拉杆施加助力，是将助力电机安装在转向拉杆上，直接用助力电机推动拉杆使车轮转向。后者结构更为紧凑、便于布置，目前使用比较广泛。
　　优点：只在转向过程消耗电力，整体能耗较低；可以很轻易地实现助力效果与车速相匹配，能够兼顾低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性，回正性能好；结构简单，质量轻，易于布置，易于装配，易于维修；彻底解决了液压油泄漏问题，顺应了＂碳中和＂的潮流。
　　缺点：依靠控制单元模拟转向手感和力度，会因此损失部分路感；电子部件较多，系统稳定性、可靠性总体不如机械部件。
　　小结：这些机械系统在进化的过程中，优化了转向系统的力传递特性，为转向控制提供了助力，提升了汽车的操纵稳定性和平顺性。但是，受限于机械结构，它们无法改变转向系统的角传递特性，即汽车的转向特性，因此难以实现自动驾驶所要求的主动控制。
　　线控转向系统 （SBW）
　　辅助驾驶和自动驾驶的入侵，打破了动力转向系统建立的围墙。转向系统中的执行机构不能只听方向盘的指挥，还需要能够随时听从智驾域控制器中算法的安排。驾驶员操作和转向执行器解耦成为传统转向系统下一步升级不得不克服的难题。
　　另一方面，算法基于环境感知给出对转向更细腻的控制策略，如果执行结构响应不够及时，控制精度不够准确，那么整车转向过程会有一种心有余而力不足的挫败感。而这种心有余而力不足在紧急转向情况下将会被无限放大，成为影响驾乘人员的生命安全问题。
　　基于以上际遇，一种可以响应算法安排、响应时间更短、转向更加准确的线控转向系统（SBW，Steering-By-Wire System）快速走红。在SBW中，转向力矩完全依靠转向执行器来输出，而控制指令既可以来自方向盘传感器输出的电信号，也可以来自智驾域控制器算法输出的电信号，深刻诠释了有奶便是娘的含义。
　　而在SBW走红之前，其实他已经默默成长了半个多世纪。20世纪50年代时，美国TRW公司提出了SBW的概念，但受限于电子控制技术，直到20世纪90年代，SBW技术才有了较大突破，各种汽车展会上开始出现了一些采用SBW的概念车。
　　高光时刻是在2014年，英菲尼迪的Q50上装配了和Koyaba合作研发的线控主动转向（Direct Adaptive Steering，DAS），成为第1款应用线控转向技术的量产车型，每篇SBW介绍文章都不得不提的时间、地点和事件。但是Q50的线控转向并没有获得市场欢迎，甚至在初期还发生过多次缺陷召回，可以说不仅是先驱，还是先烈。
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　　该线控转向系统由路感反馈总成、转向执行机构和3个电控单元组成，其中双转向电机的电控单元互相实现备份，可保证系统的冗余性能，转向柱与转向机间的离合器能够在线控转向系统出现故障时自动接合，保证紧急工况下依然可实现对车辆转向的机械操纵。
　　而最近上市的丰田bZ4X纯电动车型搭载线控转向则可以说意义重大。因为它首次在量产车型中完全取消了方向盘和转向轴之间的机械连接，同时它也会随着丰田的纯电动整车平台迅速在集团内的多款车型上大面积推广应用。
　　SBW最显著的特征就是解雇了转向盘到转向执行器之间笨重但忠诚可靠的机械连接先生，聘任了灵巧但不够稳重的电信号姑娘来实现转向信息的传递和控制，整套系统主要由路感反馈总成、转向执行总成、控制器以及相关传感器组成。
　　（1）路感反馈总成。主要包括转向盘、路感电机、减速器和扭矩转角传感器。驱动路感电机实现控制器给出的反馈力矩指令，对驾驶员施加合适的路感。
　　（2）转向执行总成。主要由转向电机、转向器和转向拉杆等部件组成。该部分工作原理为驱动转向电机快速、准确地执行控制器给出的转向角指令，实现车辆的转向功能。
　　（3）线控转向控制器。功能包括路感反馈控制策略和线控转向执行控制策略。路感反馈控制策略根据驾驶意图、车辆状况与路况，过滤不必要的振动，实时输出路感反馈力矩指令。线控转向执行控制策略依据车辆运动控制准则，提供良好的操纵稳定性，实时输出车轮转向角指令。考虑到可靠性，保证车辆在任何工况下均不失去转向能力，线控转向执行控制的冗余防错功能至关重要。
　　优点：采用电机直接控制车辆转向，使其更容易与车辆其他主动安全控制子系统进行通讯和集成控制，可以为自动驾驶汽车实现自主转向提供了良好的硬件基础。由于不受机械结构的限制，可以实现理论上的任意转向意图，增大了转向力传递特性和角传递特性的设计自由度，更方便与自动驾驶其它子系统实现集成，在改善汽车主动安全性能、驾驶特性、操纵性以及驾驶员路感方面具有显著优势。
　　缺点：经济性可能并不会更好，因为线控需要部署冗余装置。其次安全性可能有所降低，毕竟机械连接在人们的心目中还是更安全的存在。
　　写在最后
　　线控转向和线控制动作为高级别制动驾驶的基石，必将于无声处听惊雷，必将成为自动驾驶崛起路上的左臂右膀。
　　参考资料：
　　电动VS液压，转向助力哪家强？
　　https://mp.weixin.qq.com/s/YpEJKPkDpVL18hPVmimUfA
　　上海交大：汽车线控转向系统研究进展综述
　　https://mp.weixin.qq.com/s/2UTEanUH1WWPeN1RpmJ94g