8.2.3.1 嵌入式线控转向系统的需求

尽管EPS在汽车动力转向应用上取得了巨大成功，但汽车控制系统正向电子化、自动化方向发展，传统的汽车机械操纵系统将变成通过高速容错通信总线与高性能CPU相连的电气系统，出现了线控（X-By-Wire）技术，如线控驾驶、线控制动、线控油门和线控悬架等；于是，国际上汽车动力转向技术又兴起了线控转向研究的热潮。

源于航天领域的线控技术的本质，是用电子控制机器运行并取代机械直接控制；采用线控技术的飞机线控系统（Fly-By-Wire）采集由各种传感器组成的驾驶员操纵手柄、以及操纵面板的各种指令及数据，并将其转换成电信号，利用计算机控制飞机飞行，这种控制方式引入到汽车技术上就产生了线控转向（Drive-By-Wire，Steer-By-Wire）、线控制动（Brake-By-Wire）等，统称为线控技术（X-By-Wire）。

开发线控转向主要有以下需求：

（1）安全因素

在车祸中，被方向盘撞击是驾驶员最易受到的伤害。当车辆在高速行驶发生碰撞或紧急制动时，巨大的惯性会使驾驶员与方向盘、挡风玻璃等剧烈碰撞，造成严重伤害。线控转向不仅取消了方向盘转向柱机械连接，使用个性化的操作手柄，消除了车祸时与方向盘直接撞击的根源，还给驾驶室提供了更多的空间，方便汽车外形设计和安全气囊的改进与安装，提高了汽车驾驶的被动安全性。

（2）智能化和信息化

汽车智能化和信息化一直是汽车工程师们研究开发的热点，如自适性巡航控制系统、夜视系统和智能化动力转向系统等。通过该系统，汽车可同前面的车辆保持安全距离，即使是雾天或夜晚也不会发生追尾事故；在装配GPRS系统后，当长途驾驶或外出旅行时，也不必担心方向和路径，预先抽入的指令将保证汽车按最佳路线行驶。嵌入式线控转向正顺应了这一发展趋势，使汽车转向控制可完全信息化和智能化，并且提高了汽车驾驶的主动安全性。如丰田的概念车PM车载可视通信系统可让此车与另一辆PM车保持联系，共享信息，可达到“聊天”的目的，还可“集体行动”，一辆车带头，另外的车能在安全距离内紧随其后，唯一要做的是在前车导航系统里设置好目的地。

8.2.3.2 线控转向系统结构及原理

如图8-3所示线控转向结构示意图，驾驶者不再通过传统的转动转向盘，将作用力和助力装置助力一起通过机械传动作用到转向齿条，而是操作模拟转向盘或手柄、电子制动踏板、电控油门等电控装置，电控装置将感应的电子信号通过数据总线传送至转向控制单元ECU，ECU再根据各组件信号，包括转向盘角度传感器、小齿轮角度传感器、汽车车速及负载等信号，进行分析计算得出转向控制信号和模拟转向盘反馈电动机控制信号，通过数据总线传送至电子驱动装置，如图中的ECU3和ECU5，驱动转向机构和反馈电动机，完成转向控制。

与图8-1相比，线控转向与电动助力转向的最大区别是：

1）取消了转向盘与助力机构机械连接，采用由组件及控制单元通过数据总线连接。

2）转向盘不再是传统意义上的转向装置，取而代之的是模拟转向装置，如转向手柄、模拟转向盘，其输出信号为数字信号。

3）制动装置及油门等组件也相应数字化。

图8-3 SBW结构示意图

8.2.3.3 线控转向系统的发展

线控转向可追溯到20世纪60年代末，当时德国Kasselinann等人试图将转向盘与转向车轮之间通过导线连接，由于电子和控制技术的制约无法在实车上实现；到1990年左右，世界上各大汽车厂商、研发机构等先后对SBW深入研究。在2000年9月法兰克福卡车展览会上，德国奔驰（BENZ）和ZF公司展示了其线控转向系统，SKF公司在2001年日内瓦汽车展览会展出的Bertone-SKFFILO概念车上也配备了SBW，在紧接着2002年11月在德国慕尼黑进行的TTA组织论坛上，美国DELPHI公司也展示了其Audi S8线控转向系统。丰田在2003东京国际车展中展出的PM（Personal Mobility）和Fine-N concept概念车，以及日本Calsonic在2004东京车展上展示的驾驶席模块概念模型——“E11 Cockpit Module Concept”，SKF在2004年在上海展出的概念车Bertone-SKF Novanta均采用了SBW技术。线控转向预示着未来汽车动力转向的发展方向。

8.2.3.4 线控转向系统关键技术

线控转向系统除需解决动力转向的功能性要求外，还需解决倍受关注的系统安全性和可靠性设计，其关键技术主要有如下方面：

（1）安全性设计

有专家指出，未来几年内，汽车上高新技术应用的重点对象不是提高汽车的舒适性，而是汽车的安全性。最大化的可靠性和安全性是线控装置中数据传输系统的最重要特征；线控转向安全性设计不仅体现在其数据传输及处理、转向驱动等主动安全性方面，还体现在其数据纠错、可靠性、容错技术等被动安全性方面。(www.daowen.com)

（2）总线通信技术

在安全至上（Safety-critical）的自动化领域中，特别是在硬实时嵌入式操作系统和安全至上的自动控制系统中，安全可预测的调度算法显得尤为重要。大量研究表明当需要高度可靠的系统操作时，时间触发（Time Division Multiple Ac-cess，TDMA）解决方案更好一些。适用于汽车线控系统基于时间触发的TTP/C（Time-Triggered Protocol Class C）协议由SAE（The Society of Automotive Engi-neers，汽车工程师协会）定义，由Vienna理工大学的H.Kopetz教授领导小组研发的，并作为一个被欧洲委员会资助的项目进一步开发为一种汽车自动驾驶应用系统；它是以开发硬实时高可靠容错的嵌入式应用需求为目标而设计的，可用于设计高可靠嵌入式应用系统。目前，基于TTP/C的汽车线控转向和线控制动系统均已在概念汽车上装配。TTP/C网络结构如图8-4所示。

图8-4 TTP/C网络结构

一个TTP/C总线结点由主机、通信网络接口（CNI）、TTP/C通信控制器、被控对象I/O接口及TTP/C驱动器组成；控制对象I/O接口指主机与被控制部件的数据接口。系统控制信号起源于时间进程，它通过一个全局时钟进行驱动，系统的行为不仅在功能上是确定的，而且在时间上也是确定的，其各结点的事件都是预先安排好的，每个结点都在自己的时间槽内完成相应的任务，虽然显得不够灵活，但具有较高的可预测性和较为简便的及时测试功能，整个系统是可靠的，它适用于要求硬实时性高、可靠性高的场合。

（3）容错技术

线控转向必须具有较高的容错技术。在线控转向中，容错技术包括有：

1）TTP/C网络采用两条总线进行互联，其中一条是冗余通道，保证系统在一个通道失效的情况下仍能继续工作。

2）时序干扰的容错机制：如图8-4所示，位于主机和通信控制器之间的通信网络接口CNI是一个双端口的RAM除双向传输及缓冲数据外，还起到临时时间防火墙作用。当数据双向传输时，CNI有效地脱离了主机与协议控制器的时序行为，消除网络和主机间的时序干扰。

3）线控转向硬件冗余可靠设计：与线控飞行系统类似，线控转向所有安全系统都应有内置的冗余和备用电源。图8-3中所示的是硬件上没有冗余的系统结构图。设计时，将控制核心转向控制单元ECU、各组件电子控制单元ECU X（X表示图8-3中1～6）及转向电动机驱动部分、转向电动机设计成并联冗余结构；当系统某一组件或控制单元失效时，其冗余结构能继续工作，防止事故发生。

4）系统控制算法的容错处理；当发生撞车等交通事故时，存在如驾驶员紧张误踩油门等操作，由于系统控制全数字化，驾驶员误操作不会直接施加到组件，系统容错处理算法可纠正驾驶员误操作，提高驾驶被动安全性。

8.2.3.5 线控转向系统特点

线控转向与传统液压及电动转向相比更有其自身优点，包括有：

1）系统控制算法上的优势。采用数字化控制容易实现变传动比动力转向，可通过在线修改参数调整系统助力曲线，实现最佳的动力转向。

2）可方便实现驾驶员驾驶个性化调整。通过软件参数调整驾驶员转向、制动和加速时的“手感”和“感觉”，对汽车驾驶进行个性化设置。

3）取消了转向盘转向柱机械连接和脚踏板，消除了驾驶员车祸撞击转向盘危险，为驾驶室提供了更大的设计空间，提高了驾驶员的被动安全性。

4）控制精确、经济性好。采用线控油门比传统方式更精确，发动机能够根据汽车的各种行驶状态信息，精确调节进入汽缸的燃油空气混合气，改善发动机的燃烧状况，从而大大提高了汽车的动力性和经济性。

5）结构紧凑、质量轻、性能高、响应快，采用稳固的电子接口取代传统机械连接。

6）系统模块化结构，安装、测试及调整简单快捷。

7）线控系统更加环保。