一、前言

2021年10月15-16日，由中国汽车工业协会、重庆两江新区管理委员会联合主办的“2021中国汽车供应链大会”在重庆举办，其中中国汽车工业协会副秘书长杨中平认为，线控底盘技术既是发展电动化、智能化的必经之路，同时也是未来智能汽车发展自动驾驶的必然要求，线控底盘系统取消了大量的机械连接装置及液压、气压等辅助零部件，同时还可以提升汽车能量利用效率，从而提升新能源汽车续航里程。

线控技术源于飞机的控制系统，其将飞行员的操纵命令转化成电信号通过控制器控制飞机飞行。线控汽车采用同样的控制方式，可利用传感器感知驾驶人的驾驶意图，并将其通过导线输送给控制器，控制器控制执行机构工作，实现汽车的转向、制动、驱动等功能，从而取代传统汽车靠机械或液压来传递操纵信号的控制方式。

线控技术（X-By-Wire）的核心是智能机电传动装置，这些装置将驾驶者的指令由电子信号转变为机械动作，该系统也通过电子信号向驾驶者提供动态的反馈信息。X-By-Wire的全称是“没有机械和液力后备系统的安全相关的容错系统”。“X”表示任何与安全相关的操作，包括转向、制动等。

二、x-by-wire在车辆端的应用

1.线控驱动系统（Dirve By Wire-DBW）

线控驱动的概念出现在20世纪70年代，随着电子信息技术的发展，国内外多款车型均配备了线控油门系统。丰田Lexus的LS430车型采用了全电子的线控油门系统，通过传感器冗余设计提升了行车安全性。本田开发的i-VTEC发动机配有线控技术的节气门，大大提高了燃油经济性和输出功率。中国自主研发的线控油门系统也在实车上得到应用，如一汽红旗HQ3和奇瑞旗云CVT汽车，使得线控驱动技术已然成为应用最为成熟的线控技术之一。

线控驱动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CAN通讯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。

而在不开放扭矩通信接口协议的车辆上，通过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。

天津英创汇智采取简单实用的基于伪油门线控驱动技术路径。如下图所示，控制器接收加速度请求指令，将其转化为对应油门开度的电压值输出，进而代替原车油门踏板开度传感器的电压信号。

2.线控制动系统（Brake By Wire - BBW）

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，如下图所示。

但就总体而言，其发展大致可以划分为以下5个阶段：

a.采用人力的纯机械制动和液压制动系统；

b.兼用人力和发动机动力作为制动力源的伺服制系统；

c.发动机提供所有制动力源的动力制动系统；

d.以防抱死制动系统、牵引力控制系统、电子稳定控制系统等为代表的成熟的电液制动系统；

e.以电子驻车制动系统、电控液压制动、电子机械制动系统等为代表的线控制动系统。

当前，防抱死制动系统、牵引力控制系统、电子稳定控制系统等电子制动系统已然发展成熟，极大提升了整车的安全性。然而，随着汽车电子化、智能化的发展，以及对节能环保的要求，车辆对于线控制动系统有着越来越高的需求。这一方面可以简化设计，方便与其他系统集成；另一方面，可以减少油液污染，方便制动能量回收。诸多线控制动系统中，最理想的制动莫过于电子机械制动系统，该系统直接通过电机向制动盘施加制动力对车辆进行制动，因此无需液压油或压缩空气。这不仅可省去诸多管路和传感器，且信号传递更加迅速（2014年大众在巴黎车展上展出的Passat GTE混合动力车型）。

电控液压制动系统准确来说是一种半解耦的线控制动系统，其保留了液压制动管路，但是踏板与主缸分离，改为用电机来推动主缸，实现驾驶员与制动系统解耦。这可以认为是传统液压制动系统和纯电制动系统之间的过渡产品，是当前研发的热点之一，目前也已经得到应用（2001年奔驰的SL级轿车，最近几年丰田的混合动力车型Prius，博世的iBooster，天津英创汇智的TBooster，上海拿森的NBooster等）。

近年来，集成式线控制动系统系统也是市场较为关注的一种线控制动系统系统，比如中国大陆的MK C1，天津英创汇智的OneBox等。这种线控制动系统系统将真空助力器、电子真空泵、以及传统的电子稳定控制系统等功能集成在了一起，使得整体体积和重量大大减小。

当前适用于自动驾驶的主流方案是EBooster +电子稳定控制系统的方案，集成式的线控制动系统亦是发展的一大趋势。

作为自动驾驶系统的关键执行系统之一，线控制动系统主要实现3个功能：

1）助力功能：线控制动系统控制器采集或估计踏板位移信号，向执行电机发送指令，通过电机推动主缸进行制动，再由电子稳定控制系统进行制动力分配；

2）主动制动：上层策略根据当前车辆状态和驾驶员操作，向线控制动系统发出制动请求，线控制动系统则需要准确、快速地响应这个请求；

3）能量回收：由于E-Booster 实现了踏板力与轮缸压力的解耦，适用于更大加速度的制动能量回收，而线控制动系统需要在制动工况下尽可能多地回收能量，以增加舒适性并实现节能减排。

其中由于线控制动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线控制动系统品质的优劣。而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、自动制动系统及自动驾驶等都使用到了这一功能，K. D. Kusano等在《Safety benefits of forward collision warning, brake assist, and autonomous braking systems in rear-end collisions》中通过分析了前向预警、主动制动等技术对车辆安全性的影响，经过大量实验，得出主动制动可以将事故的严重性降低14% ~ 34%，人员伤亡可以降低29% ~ 50%的结论，证明了主动制动技术的实用性。

3.线控转向系统（Steer By Wire-SBW）

自1894年乘用车安装第1款现代意义上具备方向盘的转向系统开始，其转向系统大致经历了5个阶段：

a.早期的纯机械转向系统；

b.福特最早提出的液压助力转向系统；

c.丰田首推的电子液压助力转向系统；

d.新一代的电动助力转向系统；

e.摆脱机械连接的线控转向系统和具有主动转向功能的前轮主动转向系统等。

可见，车辆转向系统一直在向着电动化、灵活化、简洁化的方向发展。特别是随着近年来自动驾驶技术的发展，电控转向系统研发水平的高低已成为一个主机厂的核心竞争力之一。

事实上，线控转向的概念20世纪50年代就被提出，至今已有近70年的历史。但是，受限于电控技术的发展，直到20世纪90年代，各个汽车企业才逐渐推出装配电控转向系统的概念车型，线控转向技术才慢慢走入公众视野。

典型的比如1999年宝马推出的BMWZ22，2001年奔驰推出的F400 Carving，2002年通用推出的GM Hy-Wire，2003年丰田推出的Lexus HPX。

其中，日产的高端品牌英菲尼迪Q50是首端搭载线控转向系统的量产车型，该车装备的线控转向系统保留了机械备份，但采用离合器进行连接。系统正常工作时，离合器断开；当系统出现故障时，离合器闭合，使得驾驶员能够对车辆进行机械操纵，以此实现冗余设计。

Q50的线控转向系统与传统转向系统区别最大的区别是正常状态下，方向盘和车轮依靠电路传送信号，并没有机械连接，该线控转向系统在保证与传统转向系统一样的精度和响应速度的同时，还可以过滤多余路面信息，有效降低驾驶者的疲劳程度。

由于采用了电子信号控制从而消除了转向力在传递过程中产生的迟滞，线控转向系统有着比传统转向更加灵敏和精准的特点，驾驶者无论在激烈驾驶或日常驾驶都能得到时时掌握车辆转向状态。

该转向系统有三个并联控制器，负责的内容各不相同，从左至右分别控制左前轮、方向盘、右前轮，并同时彼此互相检测另外两个控制器的工作情况；当一个控制器被检测到出现了问题，备用模式将立即通过一个离合器被激活，恢复至传统的机械传动转向模式，确保安全。

传统电动助力转向系统与线控转向之间的主要差异是线控转向取消了方向盘与车轮之间的机械连接，用传感器获得方向盘的转角数据，然后控制器将其换算为具体的驱动力数据，用电机推动转向机转动车轮。

线控转向系统结构图如下，

传统电动助力转向系统，

线控驱动技术、线控制动技术在车端的应用相对较为成功，而线控转向系统之前在车辆上应用的成功与否，从英菲尼迪Q50的销量成绩或许可以略看出分晓，线控转向系统的缺点就如它的优点一样非常清晰，技术是好技术，但存在的问题依然不少。

在Q50出现的各种问题中，其中关于转向系统的问题描述如下：“当发动机在电瓶处于低电压状态下启动时，控制单元有可能对方向盘角度作出误判，导致方向盘和车轮的转动角度存在差异。即使方向盘回到中间位置，车轮也可能不会返回到直行位置，导致车辆不能按照驾驶员意图起步前行或转向，存在安全隐患”，可见，系统的安全性和可靠性仍然是一个比较严峻的问题。

三、以线控转向为例的一种安全机制

容错控制（Fault Tolerant Control，FTC）是指当控制系统的执行器发生故障时，控制系统基于得到的反馈信息自动补偿故障对于控制系统带来的不利影响（反馈信息可以是多样的，可以根据问题出现范围设置对应的代码值，也可以根据具体详细参数作为修正判定条件，原有的控制中对结果进行修正，汽车软件架构中比较有代表性的e-gas架构也是该种思想，只不过e-gas是保护作用大于修正作用），以系统的稳定性和和完整性为目标，尽可能保持失效系统的执行能力。

线控驱动系统作为四轮独立线控电动车主要动力源，其容错控制研究对增强车辆的机动性和通过能力具有重要意义。容错控制大体上可分为被动容错控制（Passive FTC）和主动容错控制（Active FTC）。

当线控转向系统中的部件出现故障时，容错控制系统不仅可以检测到故障，而且还可以采用相应的容错控制方法来维持线控转向系统的转向功能或将线控转向系统的转向功能维持在可接受的范围内。

由于线控转向系统的结构与传统机械式转向系统完全不同，线控转向系统引入了传感器、电机及其控制器来对汽车进行转向操作和模拟驾驶路感，故线控转向系统需要比传统机械式转向系统更多的传感器来提供系统的运行状态，这样能够让控制器对电机施加的控制作用更为合理，从而达到比传统机械式转向系统更优异的性能。

然而，汽车在行驶过程中会遇到路面灰尘、潮湿、高温、高热、腐蚀等多变的外部环境，这会引发传感器出现多种类型的故障，比如在某个时间段内某个传感器出现卡死、增益、偏差和信号中断故障，或者在某个时间段内多个传感器同时出现故障。

此外，随着传感器使用年限的增加，由于受元器件老化、精度降低等因素的影响，传感器会在不同时间段出现故障。

线控转向系统一般采用转角传感器、横摆角速度传感器以及侧向加速度传感器的测量输出当作反馈信号来控制汽车转向，使汽车沿着驾驶者预期轨迹行驶，这是一种典型的输出反馈控制。转角传感器出现故障后，控制器将发出错误的控制命令，线控转向系统的转向控制策略的控制性能将会大打折扣，亦会使汽车姿态控制系统处于不稳定，从而引起诸多安全性问题。横摆角速度传感器和侧向加速度传感器出现故障后，汽车稳定性控制性能将会下降，使得汽车不能准确沿着驾驶者预定轨迹行驶，严重时将会引发交通事故。

当线控转向系统中发生传感器故障时，为了避免传感器传递错误的测量信息给系统，需要对线控转向系统中出现的故障进行快速的故障诊断，从而避免危害的发生。而故障诊断的第一步就是对线控转向系统进行故障检测，可以从硬件角度下手，利用硬件冗余的思想，将两个或两个以上的传感器同时测量同一系统的某一参数。如果两个或两个以上传感器的输出存在显著差异，则认为相关传感器可能损坏（但这样会增加系统硬件总数，不仅会增加系统成本，还会造成安装、布线困难）。也可以基于软件角度下手，设计基于系统数学模型的软件冗余故障检测方法，利用系统的数学模型设计滤波器或者观测器进行系统输出的预测，然后将预测的系统输出与传感器测量的系统输出进行比较，根据两者差值来判断系统中是否存在传感器故障。

除了检测系统发生故障之外，还需要进行故障辨识，确定故障的发生时刻、大小及时变特性。如果能够得到关于传感器故障方面的相关信息，就能够对故障传感器的测量输出进行及时补偿，若补偿后的信号与系统未发生故障时的测量输出信号基本一致，则能够确保系统在控制器参数不变的情况下，不受传感器故障的影响，且仍能正常工作，进而实现容错控制。

下为分享的一种线控转向系统传感器容错控制，控制框架如下图所示，主要由PID控制器、基于LMI的故障检测器、基于多目标约束的故障估计器和基于信号补偿的故障补偿器组成。线控转向系统主动容错控制由PID控制器和传感器故障检测与容错控制算法共同来实现。

PID控制线控转向系统在未发生故障时能够有合适的转向特性，PID控制器根据理想传动比和横摆角速度反馈控制确定的目标转角与转向管柱实际转角之间的差值输出控制电压，使转向电机输出理想的转矩和转角来带动齿条运动，从而实现汽车转向。

故障检测器对线控转向系统输出进行预测，随后将预测的输出结果与传感器测量到的系统输出进行比较，得到两者残差，并将残差与事先设定的阈值进行比较，以此来判断线控转向系统是否存在故障。

多目标约束故障估计器利用故障检测过程中得到的残差，运用有界实定理和区域极点配置来设计故障估计算法，以此来确定故障的发生时间、大小和时变特性。故障补偿器利用故障估计值与传感器测量得到的系统输出对故障传感器进行故障补偿，这样可使发生传感器故障的线控转向系统的转向性能与无故障线控转向系统的转向性能相接近，从而实现容错。

四、总结

新能源汽车智能驾驶线控底盘技术的应用就是高精度的电子控制技术，顺应软件定义汽车的当下主流观点，是未来智能驾驶不断发展的重要技术组成。和过去的传统控制比起来，线控底盘技术运用的突出优势表现在：一是对过去传统的机械结构进行优化，让新能源汽车具备更为灵活的系统结构布局；二是依靠电机当作执行器有效降低整车质量，促进行驶里程数提升；三是线控底盘技术应用之后可以更加便利地实施二次开发，提供更加多元化的定制功能；四是能够为智能驾驶系统的研发与更新带来充分保障。

在现代科学技术不断发展的新形势下，为促进新能源汽车自身性能的不断增加，汽车控制技术必然会朝着更为精准的线控系统、全矢量线控底盘等方向迈进。

从将来高级别自动驾驶汽车实现规模应用（国务院办公厅发布的《新能源汽车产业发展规划（2020-2035年）》中体现），和行业现在有一个共识“无线控，不自动驾驶”，充分体现了线控底盘技术在新能源自动驾驶领域的核心地位，有望迎来规模爆发期。