朱永強，宋瑞琦，劉 賀，姚俊明，劉 碩

(1.青島理工大學機械與汽車工程學院，青島 266520；2.清華大學車輛與運載學院，北京 100080)

轉向的舒適性推動了汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展，液壓助力轉向系統(tǒng)最早替代了操縱繁重的機械轉向系統(tǒng)，得益于電力電子技術的發(fā)展，電動助力轉向系統(tǒng)(electric power steering system，EPS)又進一步替代了液壓助力轉向系統(tǒng)。然而液壓助力轉向和電動助力轉向均是隨駕駛員施加的手力矩被動提供轉向助力，無法主動執(zhí)行轉向功能，從而難以滿足汽車智能化的發(fā)展趨勢。車輛的主動安全技術以及自動駕駛技術推動了主動轉向技術的發(fā)展，主動前輪轉向和線控轉向可以根據(jù)駕駛員的指令和當前車輛狀態(tài)，同時控制轉向力矩和車輪轉角[1-3]。其中線控轉向作為下一代轉向技術，具有諸多無可比擬的優(yōu)點。

在車輛的操縱穩(wěn)定性方面，線控轉向可根據(jù)駕駛需求提供不同的手感，同時線控轉向由于取消了轉向管柱以及中間軸，轉向指令執(zhí)行模塊與路感反饋模塊分開，通過方向盤轉角與車輪轉角的傳動比控制，可以提高低速行駛的靈活性以及高速行駛的穩(wěn)定性。在車輛的生產(chǎn)制造方面，線控轉向可以減小轉向系統(tǒng)的傳動空間，便于動力裝置的布置，左駕駛車型與右駕駛車型的通用性也更加容易實現(xiàn)，搭載線控轉向系統(tǒng)的車輛更加容易裝配，此外線控轉向系統(tǒng)的模塊化，使得同一套轉向系統(tǒng)可以搭載在不同的車型上，減少了轉向系統(tǒng)設計和制造成本。在車輛被動安全方面，搭載線控轉向系統(tǒng)的車輛由于沒有轉向管柱，從而大大提高車輛碰撞時的被動安全性[4-5]。對汽車智能化發(fā)展而言，線控轉向可以對人機界面進行自定義，以適應駕駛員期望的轉向操縱性，實現(xiàn)定制化的需求，線控轉向技術可以更好地服務于高級駕駛輔助系統(tǒng)，如自動泊車功能，車道保持功能，緊急避障功能等，此外線控轉向同線控驅(qū)動、線控制動和主動懸架協(xié)同控制，可進一步提高底盤的安全性、穩(wěn)定性和舒適性，隨著自動駕駛技術的發(fā)展，線控轉向與線控制動是實現(xiàn)軌跡跟蹤和緊急避撞的關鍵技術。

將梳理歸納當前線控轉向系統(tǒng)中的關鍵技術，并對線控轉向技術的未來發(fā)展趨勢進行探討。

1 線控轉向結構組成

線控技術最早用于飛控系統(tǒng)，自20世紀90年代之后，各大整車廠以及零部件廠商逐漸設計出線控轉向系統(tǒng)的原型進而推出搭載線控轉向系統(tǒng)的概念車。2000年，美國德爾福公司提出線控轉向的系統(tǒng)安全設計過程。2004年，德國采埃孚公司與寶馬公司共同設計了一款基于行星齒輪的主動前輪轉向系統(tǒng)。同年，美國天合汽車集團提出了線控轉向解決方案的兩個階段，第一個階段是保留機械備份，第二階段是研究高可靠的容錯冗余架構，摒棄機械備份以保留線控轉向的被動安全優(yōu)勢。2007年，美國偉世通公司設計基于雙轉向執(zhí)行電機的線控轉向系統(tǒng)。2013年，英菲尼迪推出搭載線控轉向系統(tǒng)的量產(chǎn)車Q50，此套系統(tǒng)含有3組電子控制單元、電磁離合器，雙轉向電機。為了提高安全性，英菲尼迪提供了機械備份，當發(fā)生嚴重故障，電控單元控制電磁離合器，使得轉向器的小齒輪與方向盤接合，恢復機械轉向連接，退化到電動助力轉向功能或機械轉向功能。2017年，耐世特汽車系統(tǒng)公司研制出隨需轉向系統(tǒng)和靜默方向盤系統(tǒng)，在模擬真實路感的同時，可為駕駛員提供能夠適配從運動型到豪華型等各類車型的轉向手感，同時實現(xiàn)自動緊急轉向功能，提高車輛的操縱穩(wěn)定性和安全性。2018年，博世在奧迪A3安裝線控轉向系統(tǒng)進行繞樁試驗以及U型彎道試驗，試驗過程中采用可變傳動比，轉向快速而直接，驗證線控轉向可以大大提高車輛轉向的靈活性[6-7]。

線控轉向系統(tǒng)組成如圖1[8]所示。線控轉向系統(tǒng)在工作的過程中，轉向盤和轉向執(zhí)行器之間沒有機械連接，根據(jù)轉向功能可以劃分為路感模擬子系統(tǒng)，轉向執(zhí)行子系統(tǒng)，控制器及線束子系統(tǒng)，電源子系統(tǒng)4個部分。

圖1 線控轉向系統(tǒng)組成[8]Fig.1 Steer-by-wire system layout[8]

路感模擬子系統(tǒng)由方向盤、路感反饋電機、扭桿、轉矩轉角傳感器和蝸輪蝸桿減速器組成；轉向執(zhí)行子系統(tǒng)主要包括轉向執(zhí)行電機、齒輪齒條減速器、齒條位置傳感器和轉向拉桿；控制器及線束子系統(tǒng)主要包括路感反饋控制器、轉向執(zhí)行控制器、通訊總線線束及相關傳感器線束。路感反饋控制器獲取車輛運動狀態(tài)信息(如車速、橫擺角速度和輪速信號等)、轉向執(zhí)行控制器信息(齒條位置和轉向電機電流等)、方向盤轉角和方向盤轉矩信號，通過控制路感反饋作動器實現(xiàn)路感反饋功能、方向盤主動回正功能以及更高級的行車功能(如車道保持功能)；轉向控制器接受方向盤轉向指令和車輛狀態(tài)信息，對車輛行駛狀態(tài)和駕駛員指令進行判斷，可以實現(xiàn)隨動轉向功能，在智能化較高的車輛上，可以實現(xiàn)緊急避障功能、自動泊車和主動前輪轉向等高級功能。在功能安全方面，在各個控制器中都要實現(xiàn)故障診斷、冗余切換和傳感器信息診斷功能[9]。

線控轉向系統(tǒng)的設計需要在舒適性、安全性以及成本上均衡，從而提出多種系統(tǒng)構型。典型構型可以根據(jù)是否有機械備份、轉向執(zhí)行電機的數(shù)量、路感反饋作動器的選擇，轉向輪的布置和電機的繞組數(shù)量進行分類。機械備份是采用電磁離合器實現(xiàn)的，主要有兩個功能，一是安全冗余的功能，二是方向盤零位對正的功能。為了提高轉向的功能安全級別，目前有兩種提高轉向電機安全性的方法，第一種利用雙電機轉向器替換當前的單電機轉向器，另一種方法是增加單電機的繞組數(shù)，利用六相永磁同步電機替換當前的三相永磁同步電機。近年來，為了提高車輛的動力學性能和安全性，提出多種轉向形式，包括前輪獨立轉向[10]、后輪隨動轉向[11]、四輪獨立轉向[12]以及差動轉向[13]。

2 路感反饋控制策略

路感反饋控制策略分為反饋力矩計算和主動回正兩個部分。反饋力矩計算分為路感反饋力矩計算和力矩控制兩層；主動回正包括回正邏輯判斷和回正過程控制。

2.1 反饋力矩計算

路感反饋控制的目的是讓駕駛員轉向操縱輕松且穩(wěn)定，同時讓駕駛員感受到車輛的行駛狀態(tài)和路面情況,以便于駕駛員做出更佳的轉向策略。轉向系統(tǒng)經(jīng)過多年發(fā)展，機械轉向最真實但不舒適，液壓轉向和電動助力轉向保留部分真實路感，通過設計助力曲線讓轉向變得更加舒適。線控轉向路感反饋需要一定的保真模型以保證轉向的真實性和舒適性。得益于電力電子技術的發(fā)展，電機的響應帶寬和控制精度大大提高，使得模擬出上述的路感是完全可行的[14]。路感反饋控制策略可以分為兩層，第一層是路感反饋力矩計算，第二層是路感反饋作動器閉環(huán)控制。電機電流閉環(huán)控制的方案相對成熟，路感反饋力矩計算一直是研究的重點。路感反饋力矩計算需要多方面的考慮，如信號計算的實時性、快速性、降低手感波動和反映真實路況等。路感反饋力矩由3個部分組成，理想路感反饋力矩、機械系統(tǒng)補償力矩和主動回正力矩。理想路感反饋力矩計算方法主要包括4種。

第一種是傳感器測量的方法，通過傳感器測量齒條力大小，齒條力中包括路面條件、回正力矩以及輪胎特性等信息，從而保證路感的真實性[15-17]，然而力傳感器的價格昂貴，轉向系統(tǒng)的成本增加。

第二種是參數(shù)擬合的方法，有直接構建反饋力矩關于方向盤轉角或者是方向盤轉角和方向盤轉速的MAP圖，常常用于駕駛模擬器等簡單的應用場景[18]。也可以選取車速信號和方向盤轉角信號兩個參數(shù)，定義反饋力矩和方向盤轉角存在可變剛度，同時把反饋力矩設計成車速的多項式函數(shù)，形成反饋力矩關于車速和方向盤角度的MAP圖，達到轉向低速輕便性和高速穩(wěn)定性的效果[19]。反饋力矩計算還可以模塊化，由主要反饋力矩，摩擦力矩，阻尼力矩，慣量力矩以及主動回正力矩組成：主要反饋力矩由齒條力、車速信號和轉向模式得到，其中轉向模式分為舒適模式、運動模式以及正常模式；摩擦力矩，阻尼力矩，慣量力矩和主動回正力矩由轉向系統(tǒng)的方向盤轉角轉速以及駕駛員力矩得到，這種分模塊疊加得到反饋力矩的方法，有利于對手感的調(diào)節(jié)[20]。參數(shù)擬合的方法計算簡單，實時性高，但缺乏路面信息和真實工況的反饋。

第三種是車輛動力學計算法，通過獲取車輛運動狀態(tài)信息，計算得到反饋力矩。部分學者估算輪胎回正力矩及設計助力系數(shù)計算得到反饋力矩[21]。估算回正力矩主要存在2類方法，第1類通過質(zhì)心側偏角估計，結合車輛橫擺角速度、車速和方向盤轉角信號得到輪胎側偏角，利用經(jīng)驗輪胎模型得到輪胎回正力矩；第2類是通過多體動力學軟件與MATLAB/Simulink聯(lián)合建模，利用懸架和輪胎的彈性動力學計算得到輪胎回正力矩，再結合轉向系統(tǒng)的動力學模型計算出反饋力矩[22]。

第四種是齒條力估計法，采用齒條力估計法有兩個原因，單純由車速信號和方向盤轉角信號或者是車輛狀態(tài)信息得到的反饋力矩，駕駛員無法從手感中判斷路面信息，甚至是碰到減速帶和路緣，駕駛員也無法做出正確的判斷；另一方面是力傳感器的成本較高，采用電流傳感器和齒條位置傳感器成本較低，用轉向執(zhí)行電機電流和齒條位置估算齒條力可以達到齒條力觀測精度和快速性需求，然后結合電動助力轉向的助力策略計算出反饋力矩[23]。齒條力估計法，可以反映真實路面，實時性較好。

2.2 路感評價

轉向路感客觀評價一直是重要的挑戰(zhàn)，有學者將轉向過程分為駕駛員主導的轉向階段和車輛主導的轉向階段。對應上述兩個轉向階段，設置了四個準則[24]。前兩個準則設定在駕駛員主導轉向階段，反饋力矩應在駕駛員打算轉彎時告知駕駛員線控系統(tǒng)被激活；當駕駛員進入穩(wěn)定的彎道轉向，反饋力矩應當告知駕駛員轉向過程完成；第三個準則產(chǎn)生于車輛主導轉向的過程，反饋力矩應始終如一地引導駕駛員返回直線行駛狀態(tài)；最后的準則設定轉向的所有過程，即反饋力矩在任何駕駛條件下，不能影響駕駛員的轉向操縱感[25]。除了上述相對定性的客觀評價，定量的客觀評價包括轉向靈敏度、回正能力、中心位置感覺，轉向力矩線性度、有效力矩剛度和最大轉向力矩[26-28]。

路感反饋作動器扭矩控制的評價標準是反饋力矩的跟隨性及路感模擬子系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性。為了提高反饋力矩的跟隨性，主要有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種方法，如圖2所示，開環(huán)控制利用方向盤轉角和轉矩信號產(chǎn)生前饋補償力矩，用以補償機械系統(tǒng)固有摩擦力矩、阻尼力矩和轉動過程引起的慣量力矩[3]。閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計要更加復雜，轉向力矩傳感器比較靈敏，作為反饋容易使轉向系統(tǒng)震蕩。扭矩閉環(huán)的控制方法多采用比例積分控制方法，結合前饋控制實現(xiàn)更好的控制效果[16]；也有采用滑模控制方法實現(xiàn)期望扭矩跟蹤。扭矩閉環(huán)系統(tǒng)由兩個環(huán)路組成，一個是執(zhí)行器扭矩閉環(huán)，另一個是駕駛員決策閉環(huán)。有研究者考慮駕駛員的神經(jīng)肌肉力學，建立基于肌肉力學模型的駕駛員模型，設計出符合人因工程學的反饋手感[29-30]。在線控轉向系統(tǒng)中，方向盤轉角和方向盤轉矩是解耦的，定義方向盤轉矩到方向盤轉角的傳遞函數(shù)為輸入阻抗，可以利用輸入阻抗的相頻特性和幅頻特性進一步判斷反饋力矩的穩(wěn)定性和品質(zhì)。

圖2 手力矩閉環(huán)與開環(huán)控制Fig.2 Steer feeling closed-loop and open-loop control

2.3 主動回正邏輯設計

主動回正邏輯如圖3所示，車輛低速行駛時，反饋力矩小，車輛趨于回正不足；在高速行駛時，車輛橫擺阻尼減小，車輛趨于回正超調(diào)[31]。

轉向系統(tǒng)具備回正功能，可以減少駕駛員的轉向負荷，回正功能包括回正邏輯判斷和回正過程控制[32]?；卣壿嬇袛嘁鬁蚀_，滯后小，回正判斷條件包括駕駛員手力變化、方向盤轉角大小及轉速方向，分為撒手回正和手扶方向盤回正?；卣^程要求平順、快速，高速行駛不能回正超調(diào)，低速行駛避免回正不足。在改善車輛的回正性能下，確保不影響駕駛員操縱手感。有研究者采用擴展Kalan濾波對車輛的附著系數(shù)進行實時估計，從而根據(jù)路面附著情況精細的調(diào)節(jié)回正電流，進行回正控制[33]。

3 轉向執(zhí)行控制策略

3.1 位置伺服控制

轉向執(zhí)行控制器轉角指令來自駕駛員和車輛穩(wěn)定性控制器，駕駛員轉動方向盤實現(xiàn)循跡的目標，車輛穩(wěn)定性控制器為實現(xiàn)可變傳動比和主動前輪轉向的功能，修正駕駛員的轉角指令。然后轉向執(zhí)行控制器控制轉向作動器實現(xiàn)轉角伺服的功能。乘用車轉向作動器的選擇包括直流電機、直流無刷電機、永磁同步電機[34]。

永磁同步電機的功率密度高、扭矩波動小及輸出扭矩大，逐漸成為轉向執(zhí)行器的第一選擇，為滿足所有工況，轉向電機的功率需在500～1 000 W。位置跟蹤控制是相對成熟的技術，但是車輛是高速運動物體，情況復雜，導致轉向負載變化較大，位置跟蹤控制器需有較高的魯棒性及自適應能力。常見的控制方法仍然是比例-積分-微分控制(proportional-integral-derivative control,PID)，為了提高位置跟蹤的精度和快速性，部分研究者在PID控制的基礎上引入負載觀測器[35-37]。位置跟蹤控制通常包括位置-轉速-電流三環(huán)。為了進一步提高位置跟蹤的性能，眾多研究者采用滑模控制、自適應控制、自適應滑?？刂?、模糊控制、模型預測控制、魯棒控制及神經(jīng)網(wǎng)絡等智能控制方法[38-45]。智能控制算法用以提高系統(tǒng)的魯棒性、穩(wěn)定性、準確性以及快速性。如圖4所示，其中基于模型的智能控制方法為降低反饋增益及減小外部模型的干擾，增加負載觀測器充當前饋通道。觀測器的設計采用魯棒觀測器、滑模觀測器、卡爾曼濾波、擴展卡爾曼濾波以及最常用的低通濾波和高通濾波方法[46-48]。

圖4 基于觀測器的轉角閉環(huán)控制Fig.4 Steering control loop based an observer

3.2 雙電機協(xié)同控制

在線控轉向系統(tǒng)中，方向盤與輪胎之間沒有機械連接，傳感器和作動器發(fā)生錯誤可能會導致轉向失敗。有些研究者采用雙電機框架來提高轉向系統(tǒng)的安全性。雙電機轉向系統(tǒng)，可以在單點故障時候，繼續(xù)維持轉向系統(tǒng)；另外雙電機協(xié)同工作可以提供更大的扭矩，可以用于輕型商用車[49]。雙電機的控制策略分為兩種，第一種是主從控制(master-slave)的形式[50]，當主電機失效，從電機可以快速準確的接管，從電機干預時間遠小于駕駛員反應時間，對駕駛員的操縱感覺影響較?。坏诙N是雙電機協(xié)同控制，協(xié)同控制的難點是速度同步。利用兩執(zhí)行電機的速度偏差得到偏差電流疊加到雙電機執(zhí)行器上，從而實現(xiàn)良好的速度同步效果[51-53]。雙電機的控制邏輯如圖5所示。

圖5 雙電機協(xié)同控制Fig.5 Synchronization control of dual-motor system

轉角執(zhí)行跟蹤的評價方法主要有時域和頻域兩種評價方法。在時域上，包括穩(wěn)態(tài)誤差、最大轉角速度、上升時間等參數(shù)。在頻域上，包括帶寬、剪切頻率、穩(wěn)定裕度以及穩(wěn)態(tài)幅值增益等參數(shù)[54]。

4 主動前輪轉向控制策略

在電動助力轉向中，方向盤和前輪之間存在機械連接，主動轉向控制和駕駛員的轉向操縱之間存在干擾；在線控轉向中，駕駛員轉向操縱與前輪轉向分開，易于實現(xiàn)主動前輪轉向的功能。相對于直接橫擺力矩控制，主動前輪轉向在不影響縱向運動的同時改變側向和橫擺運動，可以提高駕駛的舒適性。主動前輪轉向是基于駕駛員意圖的提前主動控制策略，如在對開路面制動，可以減小制動距離、減小側向距離偏移、減小橫擺角的殘留及降低駕駛員的操作負擔。主動前輪轉向可以用于優(yōu)化輪胎側向力，以保證在緊急轉向中更多輪胎附著力可以用于縱向運動控制，從而提高車輛在緊急工況下的穩(wěn)定性[9]。主動前輪轉向主要存在于緊急工況，體現(xiàn)于瞬態(tài)過程。為了提高正常工況的操縱性，可變傳動比也是一種重要的轉向策略。

4.1 可變傳動比

當車輛傳動比幾乎是固定值，在車輛低速行駛時，較大的方向盤角度會增加駕駛員的工作量，特別是在方向角變化較大的操縱(如泊車)情況下；在高速行駛時，相對較小的轉向角輸入會產(chǎn)生較大的側向加速度，而較大的側向加速度增益需要駕駛員進行更為細致的轉向操作，以維持車輛的直線行駛和換道行為，增加精神上的負擔。在線控轉向系統(tǒng)中，轉向系統(tǒng)的傳動比被設計隨車速變化，可以提高車輛在低速和高速行駛下的操縱性?？勺儌鲃颖鹊脑O計要參考方向盤轉角大小，在恒定行駛車速下，橫擺角速度增益隨著方向盤轉角的增大而減小，會降低轉彎時的操縱性，從而傳動比的設計也要隨方向盤轉角動態(tài)變化[55-59]。圖6[60]為可變傳動比的MAP圖。

圖6 可變傳動比MAP圖[60]Fig.6 Variable steering ratio MAP[60]

4.2 車輛穩(wěn)定性控制

車輛穩(wěn)定性控制分為三步：一是參考模型的選取，二是被控參數(shù)的選取，三是控制方法。

參考模型的選取主要是線性二自由度模型，為了提高參考模型在輪胎非線性的真實性，有學者提出基于經(jīng)驗輪胎模型的非線性二自由度模型和多自由度非線性模型。為了提高被控參數(shù)跟蹤的平順性，在參考模型輸出后加上一階慣性環(huán)節(jié)或者二階阻尼環(huán)節(jié)。被控參數(shù)選取一般為橫擺角速度，質(zhì)心側偏角和側向加速度[61-63]。為了應對復雜行駛工況、參數(shù)時變及被控對象的不確定性，越來越多的控制方法用于側向穩(wěn)定性控制中。Yoon等[64]采用主動前輪轉向和主動側傾力矩控制，同時控制橫擺運動和側傾運動，提高側向運動的穩(wěn)定性和防側翻的能力。Ataei等[65]提出了一種基于四輪獨立線控轉向的控制架構，通過單通道設計方法將多輸入多輸出解耦成橫擺角速度和質(zhì)心側偏角的單獨控制過程。Ding等[66]、Zhang等[67]、Zhao等[68]采用李雅普諾夫直接法設計控制系統(tǒng)，將主動前輪轉向和直接橫擺力矩自適應集成控制，利用側偏剛度的自適應變化，確保集成控制器的魯棒性，最后用仿真證明集成控制可以提高低附路面行駛和緊急避撞情景下的車輛穩(wěn)定性。Kritayakirana等[69]提出了虛擬中心點的概念(center of percussion，COP)，用以簡化后輪的動態(tài)，從而簡化前饋轉向控制器的設計并提高控制器魯棒性，利用李雅普諾夫方法驗證系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性，確保車輛的側向穩(wěn)定性以及軌跡跟蹤的能力。文獻[70-72]將四輪獨立驅(qū)動和線控轉向系統(tǒng)結合，考慮執(zhí)行器的實際動態(tài)性，分析運動控制器在線性和非線性區(qū)域的性能表現(xiàn)，通過轉向控制器和滑移率控制器協(xié)同控制縱向運動和橫擺運動。文獻[73-75]在線控轉向、線控驅(qū)動及線控驅(qū)動集成系統(tǒng)中，采用增益調(diào)度H∞控制，以應對轉向系統(tǒng)干擾和車速以及輪胎側偏剛度時變的問題，改善參考橫擺角速度的跟蹤性能。圖7[76]為集成控制。

圖7 集成控制[76]Fig.7 Integrated control[76]

隨著底盤一體化概念的提出，如圖8所示，車輛穩(wěn)定性控制不再是轉向或制動一個系統(tǒng)的責任，轉向-制動-懸架協(xié)同控制逐漸被用于車輛穩(wěn)定性控制策略中，協(xié)同控制可以進一步車輛的操縱性和極限工況下的穩(wěn)定性。

5 功能安全架構設計

汽車線控轉向系統(tǒng)雖然有諸多優(yōu)勢，但是安全可靠性是制約其大規(guī)模實際應用的關鍵問題之一，線控轉向系統(tǒng)的突發(fā)失效會導致嚴重的行車安全事故。ISO26262 道路功能安全標準 ISO.Road vehicles Functional safety：ISO 26262提出汽車電子電氣系統(tǒng)的汽車安全完整性等級要求(automotive safety integrity level，ASIL)，ASIL 共分為 A、B、C、D 4個等級，ASIL-D對隨機硬件故障率的要求為小于10FIT[77]。線控轉向系統(tǒng)屬于與汽車安全高度相關的系統(tǒng)，要達到 ASIL-D級別，這對線控轉向系統(tǒng)的安全性將是巨大的挑戰(zhàn)。線控轉向系統(tǒng)的功能安全架構需要復雜完整的過程，首先需要進行危害分析，可以根據(jù)危害發(fā)生頻率和嚴重程度兩個維度對不同危害進行分類；然后是建模與仿真、故障樹分析、失效模式與影響分析(failure modes and effects analysis)和故障注入測試等。

線控轉向功能安全架構設計分為兩個方面，冗余架構設計、故障診斷及應對。冗余架構設計取決于故障及危害分析，可以進行定性和定量分析。定性分析包括失效模式及影響分析，分析方法包括事件樹分析和故障樹分析兩種；定量分析包括可靠性框圖分析、馬爾科夫過程分析和動態(tài)故障樹分析3種方法。冗余方案包括被動冗余和主動冗余兩種方案，被動冗余方案中的冗余部分作為備份，只有系統(tǒng)出現(xiàn)故障時才工作；主動冗余方案中的冗余部分與系統(tǒng)并行工作。冗余分為硬件冗余和軟件冗余，硬件冗余包括執(zhí)行器冗余、傳感器冗余、電子控制單元冗余、通信總線冗余、電源冗余、機械系統(tǒng)備份；軟件冗余主要容錯控制算法和軟件層面的冗余[78-80]。執(zhí)行器冗余在路感反饋上采用雙路感反饋作動器，在轉向執(zhí)行上采用雙轉向電機；傳感器冗余有多個并行傳感器或者觀測算法與傳感器冗余，如車輛運動狀態(tài)觀測器、無傳感器矢量控制算法等；電子控制單元冗余有兩種形式：一種是伴隨著執(zhí)行器冗余的伺服控制器冗余，第二種是單板中的冗余設計，包括多核主芯片、Stand-by芯片、雙電源芯片和雙驅(qū)動電路；通信總線冗余，通常是兩路總線設計或者多種總線(CAN，F(xiàn)lexRay)設計；電源冗余包括多電源模塊或者多種電壓系統(tǒng)(12 V/48 V電壓)[81-82]。

6 線控轉向系統(tǒng)關鍵技術展望

線控轉向是線控底盤和自動駕駛的關鍵技術，為了進一步促進線控轉向技術的發(fā)展，可在以下4個方面進行進一步的研究。

(1)真實舒適。路感規(guī)劃力求將路面及車輛行駛狀態(tài)的真實信息傳遞給駕駛員，車輛行駛狀態(tài)信息可以由車輛自身的傳感器測量得到，路面信息(甚至是碰到減速帶和路緣)準確獲取是路感模擬真實可靠的關鍵所在，如何建立更加精確的車輛動力學模型，進而提高路面信息反饋的有效性和準確性。同時線控轉向路感反饋策略需要大規(guī)模的驗證和調(diào)校，從而形成一套真實舒適的路感反饋算法架構。

(2)精準快速。為提高轉角跟蹤控制的快速性和穩(wěn)定性，設計基于模型的智能控制算法是提高轉角跟蹤穩(wěn)定性的重要途徑；雙電機速度同步控制技術需要進一步完善，以提升高速行駛下轉角跟蹤穩(wěn)定性；線控轉向的可變傳動比，通過設計駕駛員轉角輸入與前輪轉角輸出的對應關系，進而發(fā)揮線控轉向設計靈活的特點。

(3)安全可靠。為了達到ASIL-D的功能安全級別，在硬件上，需采用雙轉向電機或六相電機提高轉向系統(tǒng)的容錯能力，同時，芯片性能、電機控制技術和傳感器精度的提高，也為線控轉向系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提供強大的硬件基礎。在軟件上，需要研發(fā)出高效的工具鏈，提高代碼的規(guī)范性和安全性。

(4)集成控制。在底盤一體化的趨勢下，需要重新定義轉向系統(tǒng)的功能及轉向和制動、驅(qū)動及懸架系統(tǒng)的關系，以提高車輛動力學的邊界，底盤集成控制可以進一步提高車輛的操縱性和極限工況下的穩(wěn)定性。

7 結論

針對線控轉向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和關鍵技術進行了簡要概述，并從線控轉向的發(fā)展概況談起，之后分別針對線控轉向系統(tǒng)關鍵軟硬件技術進行了歸納整理，包括對比分析了4種路感反饋策略、智能算法在位置閉環(huán)的應用及雙電機協(xié)同控制策略等轉角閉環(huán)控制、基于線控轉向中主動前輪轉向的車輛穩(wěn)定性控制研究、面向功能安全方面的軟件冗余方案和硬件冗余方案進行了詳細的介紹與分析。最后對線控轉向系統(tǒng)的關鍵技術進行展望，指出線控轉向系統(tǒng)將朝著真實舒適、精準快速、安全可靠和集成控制的方向發(fā)展。