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脱离方向盘的线控转向,会是未来自动驾驶的「必选项」吗?

发布时间: 2021-12-30 14:19:15

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从汽车诞生之初,方向盘就一直是驾驶员与汽车转向的沟通窗口,通过机械装置,连接转向拉杆与方向盘,实现驾驶员的操控意图。但千禧年后,随着科技的赋能和加持,电控逐渐替代了机械连接的设计,比如电子手刹、电子换挡拨片等。如今,在全面迎接高阶自动驾驶时代的前夕,转向系统也开始倾向于由系统进行电控,我们称之为「线控转向」。

线控转向不新鲜,战斗机早就用上了

早前的战斗机也是采用液压或者拉线、拉杆式的机械连接来操纵,但是大量的机械管线布满机身,不仅增加了飞机的设计难度和飞机重量,还会降低传动灵敏度。同时,战斗机飞行员会经常做超过几个G的机动动作,此时操纵拉杆需要消耗非常多的体力,这对作战飞行并非好事。于是NASA用于航天的「线控转向」技术开始进入工程师的视野,第一批用上线控转向的设备之一,便是大名鼎鼎的F-16战斗机。

除此之外,线控转向技术还应用在大型专用车辆上,例如那些上百吨的自行矿车,或者是运载洲际导弹/运载火箭等设备的的大型车辆。由于车身尺寸太大而且车轮布局特殊,线控转向成为了更低成本,同时也更高效的选择。

回到我们今天的家用车领域,从最初的纯机械转向系统,历经机械式液压助力转向(Hydraulic Power Steering,HPS)、电液助力转向(Electro Hydraulic Power Steering,EHPS),到现在已被广泛应用的电动助力转向(Electric Power Steering,EPS),转向系统朝着操作更加灵敏、结构更加可靠和功率消耗更低的方向不断发展。

和EPS相比,线控转向的最大不同是取消了方向盘和转向轮之间的物理连接,它的转向力矩完全依靠下转向执行器来输出,而下转向执行器输出力的方向和大小依赖于控制算法给定的控制信号,这也就意味着转向完全由控制算法说了算。算法可以通过离合器耦合,执行方向盘的输入信号;也可以通过解耦,根据自动驾驶的转向要求,实现脱离方向盘的独立转向。

自动驾驶时代,线控转向或将成为趋势

通过上面的例子,我们可以发现,如果在家用车上应用线控转向,那么会有如下优点:

1.线控转向的优势是方向盘与转向机之间没有硬连接,路面震动只有很少部分传递到方向盘上,舒适性强;

2.省略车辆前舱一部分转向机械结构的占用空间,给到设计者更多地利用空间;

3.没有机械的转向管柱,大大提高车辆的碰撞后的乘员舱安全性;

4.方向盘转角和转向力矩可以由ECU独立调节,适应不同类型驾驶员对「手感」的要求。

但这些并不能让它成为自动驾驶的「必选项」。众所周知,真正意义上的自动驾驶功能的实现,需要「前端感知层」、「中央决策层」与「底部执行层」这三个层面默契的配合。

「前段感知层」包括摄像头、毫米波雷达以及激光雷达在内的感知设备负责捕捉信息,「中央决策层」通过算法,对路线规划、行车控制等给出命令信号,传导至「底部执行层」的车轮、油门、转向以及制动等方面来完成一系列的车辆控制动作。

而整个执行过程中,「底盘执行层」对执行的精度需求更高,响应需求更迅速。但传统的EPS受限于安装空间、力传递特性、角传递特性等诸多因素,不能自由设计。于是,可以「完全脱离」驾驶员实现转向控制的线控转向系统,便非常切合自动驾驶的需求,这一特性,大大提升了线控转向成为自动驾驶「必选项」的几率。

目前,我们所测试的装备传统转向系统的车辆,在L3级别自动驾驶以下,方向盘是需要随时准备接管的。

想象一下,在未来线控转向的时代,自动驾驶模式下,电控接管后,解耦的方向盘可以完全收缩,为车内提供更多的智慧空间。

70年的探索,只为更美好的未来

虽然线控转向开始被越来越多的车企注意,但在乘用车上的应用,并非一帆风顺。早在20 世纪50 年代,TRW和德国Kasselmann等就提出了车用线控转向的概念,但因为当时转向系统已非常成熟,并且受制于成本,此番设想并未落地。

就这样一直到1990年,奔驰才重拾前轮线控转向的研究,并在1996年将它开发的线控转向系统应用于概念车F200上。