像开飞机一样操控汽车

lindem

看到标题你也许想到的是如下照片里的飞行汽车。或者是用飞行摇杆来替代方向盘。而我们今天要讨论的是那些已经量产但你在开车时却没有明显感觉又确确实实是基于与飞机相同原理的操控系统。那就是目前现代飞机所普遍采用的线传操控系统（Drive By Wire）。

电传操控系统（Drive By Wire）是将驾驶者的操纵信号，经过变换器变成电信号，通过电缆直接传输到控制执行器（飞机的执行器为自主式舵机，对应的汽车的执行器为油门、转向系统和刹车）的一种系统。



今天我们要介绍的汽车线传操控系统包括了车辆驾驶最核心的三个功能：
1.  车辆加速：电子线控油门（E-GAS又称Throttle By Wire）
2.  车辆转向：电子线控转向（Steering By Wire）
3.  车辆减速：电子线控刹车（Brake By Wire）
而线传操控系统的特点是：
1.  提高驾驶舒适性（提供助力驾驶更轻松）
2.  操控更精准稳定，并可提供选择性的操控感受
3.  减轻车身重量
4.  支持智能驾驶，未来向无人自主驾驶发展
5.  需要更多的措施提高系统安全性
为了介绍线传驾驶系统，我们先从飞机线传操控系统说起，看看线传操控系统的起源和它对飞机的重要意义？
飞行线传操控系统（又称电传飞操系统Fly-By-Wire）: 当莱特兄弟发明飞机的时候，飞行员的操作杆和脚蹬是和飞机机翼升降舵和垂直尾翼方向舵通过钢索连接的。这就是早期最简单的飞行机械式操控系统。其后，随着飞机的尺寸和速度的增加，驾驶员再直接通过钢索去拉动舵面感到困难。飞机的操纵系统从钢索传动变成了一套相当复杂的机械联动装置和液压管路。飞行员操纵操纵杆和脚蹬，通过上述联动装置控制舵机位置，从而使飞机达到希望的姿态和航向。而电传飞操系统出现在二战以后，其主要开发诱因就是为了满足超音速飞行的需要。在跨音速飞行时，作用在飞机操纵面上的力变化很大而有非常大的非线性。在这种系统中，操纵钢索从驾驶杆直接连到作动器的伺服阀上，不再与操纵面发生直接机械联系。由于去掉了机械连接，电传飞操系统不会把这种非常巨大的非线性反传给驾驶者，因此不受跨音速飞行中非线性力的影响。电传飞操系统一方面提供了助力使得驾驶更加轻松，另一方面提高了系统稳定性让飞机可以工作在复杂的工况下。其实由于有了电传飞操系统出色的稳定性，下面的这些飞机才有可能飞上天。如下图为美国B2隐形轰炸机（下方中部）和2架F117隐形战斗轰炸机（上左和上右）组成的飞行编队。


这两种机型为了雷达隐形的考虑分别被设计成了无垂尾和多棱角的外形。而这种设计原来可谓是飞机设计的大忌，因为这样的飞机外形有非常明显的静不稳定性。电传飞操系统代替飞行员时时刻刻调整飞机的状态，使得飞机恢复到一个稳定的状态。这样驾驶员的工作量大大降低，只需要关心具体的飞行方向和速度等参数即可。我空军的歼10战斗机为了提升机动性也采用了静不稳定和电传飞操系统结合的设计。再来说说大家平时可能接触到的机型，民航飞机。电传飞操系统对于民航飞机又一个重要功能就是提供了自动驾驶功能（Auto Pilot）。也就是说现代民航飞机飞行员基本只要手动操作起飞和降落阶段就行了，平飞阶段几乎完全交给了自动驾驶功能。飞行员只需要在自动驾驶系统上设置飞行高度，速度和方向等信息即可。如下为波音飞机的自动驾驶控制面板照片以及自动驾驶控制面板功能示意图。自动驾驶控制面板功能含义自左至右分别是Flight Director飞行指引系统开关，Auto Throttle自动油门控制杆，Auto Pilot自动驾驶开关，NAV Radio 1导航无线电1，Course Knob航向设置旋钮，Heading Select自订航向选择，Approach Select进场模式选择，Indicated Air Speed Select指示空速选择，Mach Select马赫模式选择，Altitude Select高度选择，Altitude Knob高度设置旋钮，Backcourse Select反向航道选择，Yaw Damper Select偏航阻尼器选择。




那么说回到汽车，让我们来看看线传操控系统是怎么在目前的汽车里应用的。
电子线控油门（E-GAS又称Throttle By Wire）：大家知道让车辆加速需要踩下油门踏板。但你知道油门踏板直接控制的其实不是喷油系统而是进气阀门吗？所以真正意义上也许叫“气门”踏板更合适一些，虽然听上去比较奇怪。也许因为这个原因油门踏板学名被称作加速踏板，这样明显更符合实际一下。踩下油门踏板以后，对应的进气阀门（学名叫节气门Throttle）就会打开让更多的空气进入发动机。而对应的发动机控制系统会测量进气量并通过模型计算出合理的喷油量，然后控制喷油系统将对应喷油量的汽油喷入发动机中准备燃烧做功。早些年的节气门是通过机械方式用钢索将油门踏板和节气门连接起来的。油门踏板踩多少节气门就开多少，这点很类似早期的飞机钢索操作方式。如下图就是钢索控制的节气门系统示意图和机械节气门（右侧为钢索连接弹簧回位装置，中间为节气门阀体，左侧为节气门位置传感器和配套的怠速进气调节步进电机）。




由于机械节气门和油门踏板是通过机械方式连接的，因此在某些工况如果突然踩下油门踏板，对应的喷油嘴还没有喷出对应的喷油量的情况下，出现进入发动机的空气量过大引起燃烧不充分。相应的电控线传油门使用电子方式控制电子节气门就可以有效的避免这种情况，从而净化排放降低油耗。如下图所示电控线传油门系统构成图和控制框图。电控线传油门系统包括电子油门踏板（Accelerator Pedal），发动机电子控制单元（Engine ECU），电子节气门（Electric Throttle Body）三部分组成。驾驶员踩下油门踏板后，油门踏板位置传感器将驾驶员的动作转化成电信号传输给ECU。ECU根据当前工况计算出电子节气门的开度目标值。然后根据开度目标值控制电子节气门内部的电机旋转打开节气门。电子节气门内部的位置传感器将开度转换成电信号回传给ECU做闭环反馈。




也是由于有了电子线控油门系统，才使得车辆可以实现定速巡航功能。当驾驶员设置车辆进入定速巡航功能并且设定车速后，驾驶员可以放开油门踏板。发动机电子控制单元会按照设定车速，计算对应的节气门目标开度进行控制。这大大降低了驾驶员在高速巡航时候的疲劳程度，也可谓是最初步的智能驾驶技术。有了电子线控油门系统，车辆还可以选择性地设置驾驶模式，比如经济模式油门控制偏柔和优化油耗，而运动模式则油门控制相应迅速偏重性能表现。目前电子线控油门系统也是最早量产应用最广泛的线控驾驶系统。
那么再来说说安全性，为了防止由于电子传感器或控制器故障导致车辆非预期的加速，电子线控油门系统加入了多种安全措施。首先为了保证送入ECU的油门踏板位置信号和电子节气门开度信号准确无误，对应的传感器分别采用了冗余设计。也就是说送给ECU的电子油门踏板位置信号有两路，相互成2倍关系。而送给ECU的电子节气门开度信号也是两路，两路信号的电压总和为传感器供电电压。这样的冗余信号，在ECU进行校验后如果发现不符合对应逻辑关系，则认为传感器故障进入保护模式。而ECU自身则除了主处理器以外还设置了监控处理器。监控处理器会向主处理器发送随机问询指令，主处理器只有在规定的时间窗口发送对应的回应指令才说明工作正常。一旦发现主处理器工作不正常，监控处理器会复位整个系统，并关断喷油点火和减小电子节气门至最小开度。
电子线控转向（Steering By Wire）：相信大家目前接触到的车辆都是带转向助力的。转向助力主要分两大类，一类是液压转向助力，另一类是电子转向助力。液压转向助力的一个弊端就是不管是否转向，液压系统都要通过发动机传输过来的动力位置助力油压。因此系统复杂，且耗油。而电子转向助力通过电机在需要转向的时候提供助力，而不需转向时是不耗油的。而且系统较液压助力系统简单很多。如下即是电子助力转向系统的示意图和系统构架图。




而今天介绍的电子线控转向系统可谓是电子转向助力的进阶版。因为电子线控转向系统在正常工作时断开了方向盘和转向系统之间的机械连接，而完全靠电子信号传输给转向控制器然后操控转向执行器实现。电子线控转向系统的代表车型就是英菲尼迪的Q50，目前该车型已经国产，称为Q50L。由于采用了电子线控转向系统，车辆的转向特性可以智能的调节，比如偏沉稳还是偏轻盈灵动。并且结合驾驶辅助系统的车道识别功能还能主动的修正车辆行驶方向保持在车道中间位置行驶。下图即为英菲尼迪Q50电子线控转向系统的示意图和展示照片。




那么如果电子系统出现故障，驾驶者发现转动方向盘完全不能控制车辆转向的时候是一件非常恐怖的事情。因此整个系统充分考虑了安全性。当转向系统工作在电子线控模式的时候，整个系统借鉴了飞机电传飞操系统的多余度安全理念。通过3个转向控制器相互冗余地控制转向系统。相互之间进行校验，保证控制信号始终和驾驶者的转向意图相关。下图为转向系统工作在电子线控模式。此时转向系统和方向盘断开连接，由电子控制器控制。


而当电子控制器出现故障的时候，转向柱连接方向盘和转向机构的离合器自动结合。此时驾驶者可以通过传统的机械结构控制转向，进行紧急避险。下图为转向系统切换为机械控制模式。此时离合器结合，转向系统由方向盘直接控制。


目前电子线控转向系统还没有全面市场化，仅在少数车型上出现。其中主要原因是前面提到的转向特性智能调节和自动车道保持等功能在某种程度上仍可以使用传统的电子助力转向系统实现。那么电子线控转向系统的真正意义是将来系统成熟以后可以完全断开机械连接。从而为将来的无人驾驶汽车服务。如下图的无人驾驶概念车，车内的乘员可以直接控制方向也可以交给自动驾驶而分别躺下。方向盘位置可以灵活移动，无疑为空间的利用将更加高效。而这就需要电子线控转向系统的支持。




电子线控刹车（Brake By Wire）：这个线传操控系统的出现可以说最主要的诱因就是电动汽车的出现。因为传统刹车系统需要通过发动机的工作建立制动助力所需的真空助力。是的，刹车也是需要助力的。如果大家家里有车可以试一下，在发动机熄火的情况下，最多可以深踩3次刹车。再踩的话就会觉得刹车踏板特别硬，几乎无法靠人力踩动。如下图就是传统刹车系统所需的真空助力器和传统系统和电子线控刹车系统（又称电子液力刹车系统EHB）系统对比图。可以看到真空助力器是一个非常大的家伙，你可以很容易在发动机舱内找到它。当驾驶者踩下刹车踏板时踏板连接的推杆将力传递到真空助力器。真空助力器是一个通过大气压和真空之前的压力差将力矩放大然后传送给液压制动总泵进行制动的装置。真空源是由发动机的负压产生的（发动机吸入空气的时候会产生负压，但不是所有的发动机都能够找到真空源，比如涡轮增压发动机）。由于采用气压差来放大力，因此其体积必须做的很大，占空间又不容易布置。电动车或者纯电行驶的插电式混合动力汽车，由于没有发动机或者发动机不工作，无法获得稳定的真空源。一种方法是使用电子真空泵。但是电子真空泵需要持续运转，比较耗油。另一种更加智能的方法就是使用电子线控刹车系统。传统的刹车系统（第2图上半部分）驾驶者踩刹车踏板，通过推杆经过真空助力器放大力矩给到制动总泵。制动总泵驱动液压系统传递刹车力到ABS/ESP刹车防抱死/电子稳定系统控制器。ABS/ESP再根据车辆状况把刹车力分配到四个车轮。





那么EHB系统基于电机的电子刹车助力器到底是什么样子的呢？我们就基于市场上的两大解决方案举个例子。首先要说的就是如下图所示的来自德国博世BOSCH的iBooster系统。
博世 iBooster所属新的EHB系统（上图下半部分）将驾驶者踩刹车踏板的动作转换成行程位置电信号，刹车助力控制器控制电机给出刹车助力所需的力矩给到制动总泵。制动总泵驱动液压系统传递刹车力到ABS/ESP刹车防抱死/电子稳定系统控制器。ABS/ESC再根据车辆状况把刹车力分配到四个车轮。




而另一大解决方案就是如下图所示来自德国大陆汽车Continental的MK C1系统。可以看到MK C1的主要理念和博世 iBooster基本相同。但是MK C1更进一步将原来的ESC系统MK 100中的ESC控制器，真空泵，真空助力器三个部件合而为一。大大简化了系统的复杂程度。




那么博世iBooster在国内的一个最早的成功案例就是目前比亚迪E6所用的刹车系统。该电子线控刹车系统可以灵活的在电机能量回收制动和机械刹车片摩擦制动之间进行分配。并且当纯电机能量回收制动的时候为了给驾驶者一个合理的刹车踏板力回馈，刹车助力电机还能够反向给出一个阻力力矩。让驾驶者感觉到合理的阻尼感受。同时电子线控刹车系统还能够提供可选择的刹车响应模式。比如运动模式下刹车就一踩就有，响应灵敏。而舒适模式下，刹车就显得柔和线性，相较运动模式没有那么紧绷。和驾驶辅助系统结合以后，当检测到可能的碰撞时则可以加快制动响应或者直接增加制动压力。使得车辆能够在更短的距离内停止下来。
说到电子线控刹车系统的安全性，更偏向一个系统级的安全方案。电子线控刹车系统中的电子刹车助力器和传统的电子稳定系统ESC以及电子转向助力系统EPS三者互为备份。三者中的任何一个模块出现故障，另两个模块都能够部分覆盖故障模块的功能。比如电子刹车助力器出现故障，电子稳定系统ESC将能建立制动液压压力，配合EPS将车辆安全刹停在车道内。相反如果电子稳定系统ESC出现故障，电子刹车助力器可自行建立制动液压，配合EPS将车辆刹停在车道内。当电子助力转向EPS失效时，电子稳定系统ESC将通过对不同侧的车轮施加不同刹车力产生扭矩矢量，将车辆保持在车道的中心位置。


说完了前面提到的三大线传操控系统-电子线控油门，电子线控转向，电子线控刹车。那么终极目标就是帮助车辆如上图像飞机一样在大部分的时间里处在自动驾驶状态，彻底解放驾驶者的操作强度。实际上线传操控系统已经在车辆上得到了很多应用，并将随着车辆电气化的潮流越来越普及下去。让我们拭目以待吧。
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