1. 线控底盘和自动驾驶-辅助汽车相互依赖

实现自动驾驶，首先依靠传感器收集道路周围的环境信息，包括摄像头、激光雷达、毫米波雷达和超声波，收集到的数据传输到中央计算单元进行计算，识别车辆周围的障碍物和可行区域，规划和控制路线，最后，制定方向盘转角、速度等信息，传输到底盘执行机构，并按指令准确执行。

在整个控制过程中，底盘执行机构行机构的功能，提高系统响应和精度。如果将自动驾驶车辆与人进行比较，底盘执行机构是我们通常意义上的手脚，用于控制执行。它是自动驾驶控制技术的核心部件，对整个底盘系统有很高的要求。

最直观的体现是控制车辆方向的线路控制转向。在避险回退过程中，自动换道往往回退过多，甚至偏离车道，导致不安全，然后系统通过较大的回调扭矩将车辆拉回车道中央。在自动驾驶对中或驾驶员控制换道过程中，当驾驶员慢慢施加扭矩控制方向盘时，系统很容易抓住方向盘。

这些切实存在的问题，严重影响自动驾驶控制精度，延长着陆时间。对于自动驾驶，需要结合实际问题提供相应的解决方案，不断协调线路控制底盘与控制器之间的交互，改进线路控制底盘技术，这无疑将大大促进线路控制底盘技术。

无疑，线控底盘是自动驾驶的必要条件。

智能汽车简单的系统架构

同样，智能化和大数据网络化为线控底盘的发展带来了新的机遇。

其一，智能汽车需要大量的、精确的底盘系统信号。底盘传感器种类繁多，信号模式和处理方法各不相同，大量传感器信号汇入控制器，对信号实时处理提出了更高的要求。因此，迫切需要研究实时处理、验证和解决多源传感器信号的新底盘域控制器。

二是智能汽车直接前馈预瞄准控制需要精确的车辆模型，接近真实车辆动力学状态。底盘车辆和轮胎动力学具有复杂的非线性特性，迫切需要深入研究车辆复杂动力学模型的精确解决机制，促进智能汽车动力学应用的发展。

第三，智能汽车在复杂场景下需要精确的感知状态，以确保驾驶员的视角。因此，迫切需要研究底盘动力学域控制在复杂交通场景下对车辆动力学状态的精确感知和瞄准技术，探索车辆运行动力学稳定边界的精确定量机制，消除高度复杂和动态交通环境的不确定性。

毫无疑问，自动驾驶是线控底盘的充分条件。

2. 列表：线控底盘概述

线控技术（X-By-Wire）它起源于飞机的控制系统，通过控制器将飞行员的操作命令转换为电信号来控制飞机飞行。

线路控制汽车采用相同的控制方式，可以使用传感器感知驾驶员的驾驶意图，并通过导线输送到控制器，控制器控制执行机构，实现转向、制动、驱动等功能，取代传统汽车通过机械或液压传输控制信号。

线控底盘主要有五大系统，分别为线控转向、线控制动、线控换挡、线控油门、线控悬挂。从执行端来看，线控油门、线控换挡、线控空气悬挂虽然技术都很成熟了，但最为关键的转向和制动系统目前还没有一套可以适用于L4驾驶稳定量产品。

汽车底盘线控技术特点如下：

• 操作机构和执行机构没有机械连接和机械能量传递；
• 操作指令由传感器元件感知，网络以电信号的形式传输给电子控制器和执行机构；
• 由电子控制器监控和控制执行机构使用外部能源完成操作指令和相应任务。

3. 二进宫：线控转向

线控转向，即Steer-By-Wire，无人驾驶转弯指令目标输入与汽车转向轮变化的关系，可以控制转向机构与驾驶需求的关系，从而调整车辆。它直接控制自动驾驶路径和方向的精确控制。

3.1. 线控转向发展过程

自1894年乘用车安装第一个现代方向盘转向系统以来，它转向系统大致经历了五个阶段：

• 早期纯机械转向系统；
• 福特最早提出的液压动力转向系统；
• 丰田首推的电子液压助力转向系统；
• 新一代电动助力转向系统；
• 具有主动转向功能的线控转向系统和前轮主动转向系统。

3.1.1. 电子液压助力转向(EHPS)

• 驾驶员在方向盘上施加旋转扭矩和角度；
• 方向盘驱动转向柱旋转；
• 转向柱通过与转向机相连的齿轮齿条机构将转向柱的转向转向机齿条的横向直线运动；
• 转向扭矩传感器检测到驾驶员输入方向盘扭矩；
• 根据驾驶员输入的扭矩和速度，ECU计算和控制电机驱动转向动力泵旋转，产生高压液体；
• 液压通过转向油管传输到液压动力转向机。液压推动液压动力转向机上液压缸活塞的双作用，产生压力，帮助齿条的横向直线运动；
• 转向机两端的转向横拉杆通过推动或拉动转向节来改变车轮的方向；
• 车轮与地面产生横向力，车辆转向。

3.1.2. 电动助力转向(EPS)

• 第一种是帮助转向柱的扭矩，称为C -EPS (Column - EPS)；
• 第二种是对转向柱底端的齿轮齿条机构中的齿轮进行助力，这种叫P - EPS(Pinion - EPS)；
• 第三种是在转向机上帮助齿条的直线运动，称为R - EPS(Rack - EPS)；而R - EPS根据传动方式的不同，可分为R-EPS，DP-EPS(双小齿轮EPS)和BD-EPS(带传动EPS)。

3.1.3. 线控转向(SBW)

狭义上说，SBW系统特别是指从系统结构上区分无机械连接的转向系统。但关注功能，从广义说，任何能够解耦驾驶员输入和前轮转角的转向系统都可以看作是 SBW系统。在此定义下，一般结构如下图所示。

其中① - ④可以为电机安装位置，⑤为电磁离合器。电磁离合器提供机械冗余，可实现转向盘和车轮的机械解耦。根据是否存在⑤，SBW该系统可分为保留机械软连接 SBW与无机械连接的系统 SBW系统2类。因此，人们研究双电机安全冗余线控转向系统。该方案包括转向操作机构、转向执行机构、电子线路传输控制网络、电源系统和各种辅助结构。该方案将传统的机械转向与电子控制技术紧密结合。线传输主动转向和机械操作转向可通过电磁离合器任意切换，机械操作转向可作为线传输主动转向备份，提高安全性。

3.2. 线控转向主要研究内容

目前，线控转向系统的研究主要集中在 3 个方面：路感反馈控制策略研究、转向执行控制策略研究、故障诊断和容错控制策略研究。

3.2.1. 研究路感反馈控制策略

由于线路控制转向系统取消了方向盘与转向轮之间的机械连接，通过转向角信号和转向电机控制车轮转向，从驾驶安全的角度绝对不允许将路感直接反馈给驾驶员。

针对这一问题，线控转向系统的方向盘总成包含路感模拟电机，以产生作用于方向盘的阻力矩来模拟路感。路感是一个抽象的定义，其定义之一是指驾驶员通过方向盘获得的车辆行驶中的转向阻力矩，主要包括回正力矩和摩擦力矩。其中，正转矩是将车轮恢复到直线行驶位置的主要转矩之一。其值的确定是车辆设计中的一个难题，通常通过经验、半经验、统计或实验获得。正转矩直接关系到车辆前轮的应力状态，前轮的应力直接关系到车辆的实时运动状态和路面附着力。因此，从方向盘到前轮的总力传动比得到的方向盘手力矩通常被视为道路感。

就目前的研究而言，路感通常被使用基于经验设计和模型设计获得这两种方法。

基于经验设计的方法，路感通常设计为方向盘转角、速度、水平摆角速度等参数的非线性函数关系，为驾驶员提供不同的路感，简单高效，但自适应性和精度差。

基于动力学模型的方法，通过参考传统车辆路感产生的动力学原理，建立相关学

机械模型，根据车辆的动态响应和驾驶员的方向盘输入计算与路感相关的轮胎力和摩擦力矩，最终计算出路感。获得预期的转向阻力矩，剩余的工作是控制路感反馈电机以达到预期的扭矩。最常用的算法是PID算法。

3.2.2. 转向执行研究

SBW该系统的转向执行控制策略可分为上层战略和下层战略。

其中，上层策略根据当前车辆状态和驾驶员输入计算预期的前轮转角，尽可能满足控制目标和约束条件；下层策略由转向控制器控制转向电机执行指令，快速准确地实现目标转角。

由于线控转向系统的灵活性，衍生出许多控制算法。总的来说，法可以总结为基于经验设计的方法和基于动力学模型计算的方法这 2 大类。

基于经验设计的方法主要是根据车辆在不同工况下对操纵稳定性要求的不同来进行设计。在低速工况下，汽车应具有不沉重而适度的转向盘力与不过于大的方向盘转角，还应具有良好的回正性能；高速、低侧向加速度工况下，汽车应具有良好的横摆角速度频率特性、直线行驶能力、回正性能和较大的转向灵敏度，且转向盘力不宜过小而应维持在一定数值，以给驾驶者稳定的路感。

基于动力学模型计算的方法旨在提高车辆的稳定性。因此，也有研究人员将这种方法归结为车辆稳定性控制方法。其基本思路是根据当前车辆状态、外界环境和驾驶员输入提出控制目标，然后根据控制目标计算参考前轮转角，控制前轮转角改变轮胎侧向力，对横摆力矩进行补偿。

3.2.3. 故障诊断与容错控制

在线控转向中，转向的动力来源于电机主要包括了两方面：用来给驾驶员提供转向时的路感和动力。电机的可靠性是研究者们首先要考虑的因素，电机和控制器的容错就体现的十分重要。实时监测技术和设置冗余硬件是保证控制器稳定运行的两种手段，故而可以实现容错控制，线控转向的运行的品质得到了保证，根据控制器与电机之间的控制关系，可以对电机出现故障时所需要的补偿控制进行相关研究，那样就为能够在最大限度上保证线控转向的可靠性提供了可能。

3.3. 线控转向的应用

从全球竞争格局来看，博世、采埃孚、捷太格特、NSK、耐世特等国际巨头有成熟的线控转向产品和技术，但在商业化方面仍然遇到了瓶颈。

2020年以后，L3级自动驾驶进入量产将拉动线控系统产品商业化，那些率先在中国市场布局的外资企业会有先发优势。纵观国内市场，在线控技术上有所作为的中国本土企业寥寥无几，且规模相对较小。

4. 三顾茅庐：线控制动

线控制动，即Brake-By-Wire，在线控底盘技术中是难度最高的，但也是最关键的技术。线控制动系统掌控着自动驾驶的底盘安全性和稳定控制，只有拥有足够好的制动性能（包括响应速度快、平顺性好等），才能为我们的安全提供良好保障。

4.1. 线控制动发展历程

乘用车的线控系统自威廉·迈巴赫于1900 年发明鼓式制动器起，至今已有120年的历史，期间诞生了多种形式的制动系统，其发展大致可以划分为以下5 个阶段：

• 采用人力的纯机械制动和液压制动系统；
• 兼用人力和发动机动力作为制动力源的伺服制动系统；
• 发动机提供所有制动力源的动力制动系统；
• 以ABS、TCS、ESC等为代表的成熟的电液制动系统；
• 以电子驻车制动系统 (electric parking brake, EPB)、电控液压制动 (electric hydraulic brake, EHB)、电子机械制动系统 (electric mechanical brake, EMB) 等为代表的 BBW系统。

4.1.1. 电子驻车制动系统(EPB)

• 驾驶员拉起EPB开关;
• EPB控制器接收到指令，控制制动卡钳上的Actuator中的电机，电机通过传动机构推动Spindle;
• Spindle推动活塞，产生压力，将摩擦片压紧到制动盘上;
• 摩擦片在垂直压力下，和制动盘间产生静摩擦力，保持车辆静止。

4.1.2. 电控液压制动系统(EHB)

EHB 没有了真空助力器，结构更简单紧凑；电动驱动，响应也更加迅速；方便实现四轮制动分别控制；容易集成ABS (Anti-lock Braking System), TCS (Traction Control System) 以及 ESC (Electric Stability Control)等辅助功能，兼容性强；踏板解耦，能够主动制动以及能量回收。EHB系统仍保留了传统的液压管路部分，是电子和液压相结合的产物。

典型带有E-Booster的EHB系统如图所示。踏板位移和踏板力经电子传感器传导给电子 ECU，然后经过不同的助力形式，如电动液压泵高压蓄能器或者直流电机等推动建立起液压，液压再分配给四个制动轮缸。

工作过程为：

• 驾驶员踩下制动踏板，输入机械力；
• E-Booster通过电机和泵对驾驶员的输入进行助力(boost)；
• 制动主缸将驾驶员的输入力和E-Booster的助力转化成制动系统液压；
• 主缸液压通过制动硬管和软管传递至每一个车轮的制动卡钳轮缸；
• 液压推动轮缸的活塞，产生压力，将摩擦片压紧到旋转的制动盘上；
• 摩擦片在垂直压力的作用下，产生摩擦力和制动力矩，对整车进行制动。

4.1.3. 电子机械制动系统 (EMB)

电子机械制动 EMB 系统结构显得更简洁了，取消了制动系统的液压备份部分，踏板信号与执行器之间完全靠电子信号传输，与 ABS、TCS、ESC 等模块配合实现车辆底盘的集成控制， 是真正的线控制动系统。EMB 结构精简，能够降低整车质量，易于维护，便于安装调试；完全解耦，制动响应更加迅速；便于底盘域控制及智能驾驶技术发展。

踏板信号以及车辆信号首先传导到 ECU，决策后再向4个车轮制动模块发出制动指令。车轮制动模块上的电机驱动制动摩擦材料块，然后实现摩擦制动。每一个车轮都有一个制动模块，可以单独分别控制，每个模块的驱动电机也都有单独的电机控制器。4个模块作用下，实现制动力分配，制动稳定性控制等功能。

4.2. 线控制动主要研究内容

当前，线控制动系统的研究主要集中在 3 个方面：踏板模拟、主动制动和制动能量回收。

4.2.1. 踏板模拟

BBW系统取消了踏板和主缸之间的机械连接，踏板力需要用通过模拟器或算法模拟的方式提供给驾驶员，踏板力模拟的好坏决定了 BBW系统品质的优劣。目前主要的研究集中在实验方法，一般是通过对大量的实验数据进行分析归纳，得到踏板力与踏板行程和车辆状态之间的关系，通过弹簧或作动器对踏板力进行模拟。

4.2.2. 主动制动

上层策略根据当前车辆状态和驾驶员操作，向 BBW系统发出制动请求，BBW系统则需要准确、快速地响应这个请求。主动制动旨在提高车辆的稳定性和安全性，高级驾驶辅助系统(ADAS)、紧急制动系统 (AEB)及自动驾驶等都使用到了这一功能。目前，所有关于主动制动的研究基本分为基于经验设计的方法和基于动力学模型计算的方法。几乎所有常见的控制算法都可以其中找到应用，如PID算法、最优控制、鲁棒控制、滑模控制、模糊控制、神经网络控制、模型预测控制。

4.2.3. 制动能量回收

制动能量回收系统的中协调分配电制动力矩和制动力矩是关键技术之一， 控制策略的研究基本围绕这一点展开。

4.3. 线控制动系统应用

目前 EHB 有着不同的实现形式，按照是否集成ESC、ABS 等功能的一体化形式，分为 One-Box 形式和 Two-Box 形式。One-Box 为EHB集成了ABS/ESP，只有一个ECU。而Two-Box需要协调EHB ECU和ESP ECU的关系。

5. 第四遭：线控驱动

线控驱动，即Throttle-By-Wire,作为最成熟的线控技术之一，可通过直接扭矩通讯、伪油门安装、节气门调节等方法实现。针对开放发动机和电机扭矩通信接口协议的车辆，线控驱动控制器直接通过控制器局域网络 (CAN) 向发动机或者电机发送目标扭矩请求，实现整车加速度控制。此种方案无需进行机械改装，结构简单可靠。

针对不开放扭矩通信接口协议的车辆，安装节气门调节机构或者伪油门也可实现线控驱动功能。控制器根据车辆状态、加速踏板开度及其变化速率，利用内部算法程序预判驾驶员需求功率或转矩，然后通过电信号控制执行电机的动作，调节发动机节气门开度，进而改变发动机输出扭矩和功率。