像開飛機一樣操控汽車

看到標題你也許想到的是如下照片里的飛行汽車。或者是用飛行搖桿來替代方向盤。而我們今天要討論的是那些已經量產但你在開車時卻沒有明顯感覺又確確實實是基於與飛機相同原理的操控系統。那就是目前現代飛機所普遍採用的線傳操控系統（Drive By Wire）。

電傳操控系統（Drive By Wire）是將駕駛者的操縱信號，經過變換器變成電信號，通過電纜直接傳輸到控制執行器（飛機的執行器為自主式舵機，對應的汽車的執行器為油門、轉向系統和剎車）的一種系統。

1. 車輛加速：電子線控油門（E-GAS又稱Throttle By Wire）

2. 車輛轉向：電子線控轉向（Steering By Wire）

3. 車輛減速：電子線控剎車（Brake By Wire）

而線傳操控系統的特點是：

1. 提高駕駛舒適性（提供助力駕駛更輕鬆）

2. 操控更精準穩定，並可提供選擇性的操控感受

3. 減輕車身重量

4. 支持智能駕駛，未來向無人自主駕駛發展

5. 需要更多的措施提高系統安全性

為了介紹線傳駕駛系統，我們先從飛機線傳操控系統說起，看看線傳操控系統的起源和它對飛機的重要意義？

飛行線傳操控系統（又稱電傳飛操系統Fly-By-Wire）: 當萊特兄弟發明飛機的時候，飛行員的操作桿和腳蹬是和飛機機翼升降舵和垂直尾翼方向舵通過鋼索連接的。這就是早期最簡單的飛行機械式操控系統。其後，隨著飛機的尺寸和速度的增加，駕駛員再直接通過鋼索去拉動舵面感到困難。飛機的操縱系統從鋼索傳動變成了一套相當複雜的機械聯動裝置和液壓管路。飛行員操縱操縱桿和腳蹬，通過上述聯動裝置控制舵機位置，從而使飛機達到希望的姿態和航向。而電傳飛操系統出現在二戰以後，其主要開發誘因就是為了滿足超音速飛行的需要。在跨音速飛行時，作用在飛機操縱面上的力變化很大而有非常大的非線性。在這種系統中，操縱鋼索從駕駛桿直接連到作動器的伺服閥上，不再與操縱面發生直接機械聯繫。由於去掉了機械連接，電傳飛操系統不會把這種非常巨大的非線性反傳給駕駛者，因此不受跨音速飛行中非線性力的影響。電傳飛操系統一方面提供了助力使得駕駛更加輕鬆，另一方面提高了系統穩定性讓飛機可以工作在複雜的工況下。其實由於有了電傳飛操系統出色的穩定性，下面的這些飛機才有可能飛上天。如下圖為美國B2隱形轟炸機（下方中部）和2架F117隱形戰鬥轟炸機（上左和上右）組成的飛行編隊。

這兩種機型為了雷達隱形的考慮分別被設計成了無垂尾和多稜角的外形。而這種設計原來可謂是飛機設計的大忌，因為這樣的飛機外形有非常明顯的靜不穩定性。電傳飛操系統代替飛行員時時刻刻調整飛機的狀態，使得飛機恢復到一個穩定的狀態。這樣駕駛員的工作量大大降低，只需要關心具體的飛行方向和速度等參數即可。我空軍的殲10戰鬥機為了提升機動性也採用了靜不穩定和電傳飛操系統結合的設計。再來說說大家平時可能接觸到的機型，民航飛機。電傳飛操系統對於民航飛機又一個重要功能就是提供了自動駕駛功能（Auto Pilot）。也就是說現代民航飛機飛行員基本只要手動操作起飛和降落階段就行了，平飛階段幾乎完全交給了自動駕駛功能。飛行員只需要在自動駕駛系統上設置飛行高度，速度和方向等信息即可。如下為波音飛機的自動駕駛控制面板照片以及自動駕駛控制面板功能示意圖。自動駕駛控制面板功能含義自左至右分別是Flight Director飛行指引系統開關，Auto Throttle自動油門控制桿，Auto Pilot自動駕駛開關，NAV Radio 1導航無線電1，Course Knob航向設置旋鈕，Heading Select自訂航向選擇，Approach Select進場模式選擇，Indicated Air Speed Select指示空速選擇，Mach Select馬赫模式選擇，Altitude Select高度選擇，Altitude Knob高度設置旋鈕，Backcourse Select反向航道選擇，Yaw Damper Select偏航阻尼器選擇。

那麼說回到汽車，讓我們來看看線傳操控系統是怎麼在目前的汽車裡應用的。

電子線控油門（E-GAS又稱Throttle By Wire）：大家知道讓車輛加速需要踩下油門踏板。但你知道油門踏板直接控制的其實不是噴油系統而是進氣閥門嗎？所以真正意義上也許叫「氣門」踏板更合適一些，雖然聽上去比較奇怪。也許因為這個原因油門踏板學名被稱作加速踏板，這樣明顯更符合實際一下。踩下油門踏板以後，對應的進氣閥門（學名叫節氣門Throttle）就會打開讓更多的空氣進入發動機。而對應的發動機控制系統會測量進氣量並通過模型計算出合理的噴油量，然後控制噴油系統將對應噴油量的汽油噴入發動機中準備燃燒做功。早些年的節氣門是通過機械方式用鋼索將油門踏板和節氣門連接起來的。油門踏板踩多少節氣門就開多少，這點很類似早期的飛機鋼索操作方式。如下圖就是鋼索控制的節氣門系統示意圖和機械節氣門（右側為鋼索連接彈簧回位裝置，中間為節氣門閥體，左側為節氣門位置感測器和配套的怠速進氣調節步進電機）。

由於機械節氣門和油門踏板是通過機械方式連接的，因此在某些工況如果突然踩下油門踏板，對應的噴油嘴還沒有噴出對應的噴油量的情況下，出現進入發動機的空氣量過大引起燃燒不充分。相應的電控線傳油門使用電子方式控制電子節氣門就可以有效的避免這種情況，從而凈化排放降低油耗。如下圖所示電控線傳油門系統構成圖和控制框圖。電控線傳油門系統包括電子油門踏板（Accelerator Pedal），發動機電子控制單元（Engine ECU），電子節氣門（Electric Throttle Body）三部分組成。駕駛員踩下油門踏板後，油門踏板位置感測器將駕駛員的動作轉化成電信號傳輸給ECU。ECU根據當前工況計算出電子節氣門的開度目標值。然後根據開度目標值控制電子節氣門內部的電機旋轉打開節氣門。電子節氣門內部的位置感測器將開度轉換成電信號回傳給ECU做閉環反饋。

也是由於有了電子線控油門系統，才使得車輛可以實現定速巡航功能。當駕駛員設置車輛進入定速巡航功能並且設定車速後，駕駛員可以放開油門踏板。發動機電子控制單元會按照設定車速，計算對應的節氣門目標開度進行控制。這大大降低了駕駛員在高速巡航時候的疲勞程度，也可謂是最初步的智能駕駛技術。有了電子線控油門系統，車輛還可以選擇性地設置駕駛模式，比如經濟模式油門控制偏柔和優化油耗，而運動模式則油門控制相應迅速偏重性能表現。目前電子線控油門系統也是最早量產應用最廣泛的線控駕駛系統。

那麼再來說說安全性，為了防止由於電子感測器或控制器故障導致車輛非預期的加速，電子線控油門系統加入了多種安全措施。首先為了保證送入ECU的油門踏板位置信號和電子節氣門開度信號準確無誤，對應的感測器分別採用了冗餘設計。也就是說送給ECU的電子油門踏板位置信號有兩路，相互成2倍關係。而送給ECU的電子節氣門開度信號也是兩路，兩路信號的電壓總和為感測器供電電壓。這樣的冗餘信號，在ECU進行校驗後如果發現不符合對應邏輯關係，則認為感測器故障進入保護模式。而ECU自身則除了主處理器以外還設置了監控處理器。監控處理器會向主處理器發送隨機問詢指令，主處理器只有在規定的時間窗口發送對應的回應指令才說明工作正常。一旦發現主處理器工作不正常，監控處理器會複位整個系統，並關斷噴油點火和減小電子節氣門至最小開度。

電子線控轉向（Steering By Wire）：相信大家目前接觸到的車輛都是帶轉向助力的。轉向助力主要分兩大類，一類是液壓轉向助力，另一類是電子轉向助力。液壓轉向助力的一個弊端就是不管是否轉向，液壓系統都要通過發動機傳輸過來的動力位置助力油壓。因此系統複雜，且耗油。而電子轉向助力通過電機在需要轉向的時候提供助力，而不需轉向時是不耗油的。而且系統較液壓助力系統簡單很多。如下即是電子助力轉向系統的示意圖和系統構架圖。

而今天介紹的電子線控轉向系統可謂是電子轉向助力的進階版。因為電子線控轉向系統在正常工作時斷開了方向盤和轉向系統之間的機械連接，而完全靠電子信號傳輸給轉向控制器然後操控轉向執行器實現。電子線控轉向系統的代表車型就是英菲尼迪的Q50，目前該車型已經國產，稱為Q50L。由於採用了電子線控轉向系統，車輛的轉向特性可以智能的調節，比如偏沉穩還是偏輕盈靈動。並且結合駕駛輔助系統的車道識別功能還能主動的修正車輛行駛方向保持在車道中間位置行駛。下圖即為英菲尼迪Q50電子線控轉向系統的示意圖和展示照片。

那麼如果電子系統出現故障，駕駛者發現轉動方向盤完全不能控制車輛轉向的時候是一件非常恐怖的事情。因此整個系統充分考慮了安全性。當轉向系統工作在電子線控模式的時候，整個系統借鑒了飛機電傳飛操系統的多餘度安全理念。通過3個轉向控制器相互冗餘地控制轉向系統。相互之間進行校驗，保證控制信號始終和駕駛者的轉向意圖相關。下圖為轉向系統工作在電子線控模式。此時轉向系統和方向盤斷開連接，由電子控制器控制。

而當電子控制器出現故障的時候，轉向柱連接方向盤和轉向機構的離合器自動結合。此時駕駛者可以通過傳統的機械結構控制轉向，進行緊急避險。下圖為轉向系統切換為機械控制模式。此時離合器結合，轉向系統由方向盤直接控制。

目前電子線控轉向系統還沒有全面市場化，僅在少數車型上出現。其中主要原因是前面提到的轉向特性智能調節和自動車道保持等功能在某種程度上仍可以使用傳統的電子助力轉向系統實現。那麼電子線控轉向系統的真正意義是將來系統成熟以後可以完全斷開機械連接。從而為將來的無人駕駛汽車服務。如下圖的無人駕駛概念車，車內的乘員可以直接控制方向也可以交給自動駕駛而分別躺下。方向盤位置可以靈活移動，無疑為空間的利用將更加高效。而這就需要電子線控轉向系統的支持。

電子線控剎車（Brake By Wire）：這個線傳操控系統的出現可以說最主要的誘因就是電動汽車的出現。因為傳統剎車系統需要通過發動機的工作建立制動助力所需的真空助力。是的，剎車也是需要助力的。如果大家家裡有車可以試一下，在發動機熄火的情況下，最多可以深踩3次剎車。再踩的話就會覺得剎車踏板特別硬，幾乎無法靠人力踩動。如下圖就是傳統剎車系統所需的真空助力器和傳統系統和電子線控剎車系統（又稱電子液力剎車系統EHB）系統對比圖。可以看到真空助力器是一個非常大的傢伙，你可以很容易在發動機艙內找到它。當駕駛者踩下剎車踏板時踏板連接的推桿將力傳遞到真空助力器。真空助力器是一個通過大氣壓和真空之前的壓力差將力矩放大然後傳送給液壓制動總泵進行制動的裝置。真空源是由發動機的負壓產生的（發動機吸入空氣的時候會產生負壓，但不是所有的發動機都能夠找到真空源，比如渦輪增壓發動機）。由於採用氣壓差來放大力，因此其體積必須做的很大，占空間又不容易布置。電動車或者純電行駛的插電式混合動力汽車，由於沒有發動機或者發動機不工作，無法獲得穩定的真空源。一種方法是使用電子真空泵。但是電子真空泵需要持續運轉，比較耗油。另一種更加智能的方法就是使用電子線控剎車系統。傳統的剎車系統（第2圖上半部分）駕駛者踩剎車踏板，通過推桿經過真空助力器放大力矩給到制動總泵。制動總泵驅動液壓系統傳遞剎車力到ABS/ESP剎車防抱死/電子穩定系統控制器。ABS/ESP再根據車輛狀況把剎車力分配到四個車輪。

博世 iBooster所屬新的EHB系統（上圖下半部分）將駕駛者踩剎車踏板的動作轉換成行程位置電信號，剎車助力控制器控制電機給出剎車助力所需的力矩給到制動總泵。制動總泵驅動液壓系統傳遞剎車力到ABS/ESP剎車防抱死/電子穩定系統控制器。ABS/ESC再根據車輛狀況把剎車力分配到四個車輪。

而另一大解決方案就是如下圖所示來自德國大陸汽車Continental的MK C1系統。可以看到MK C1的主要理念和博世 iBooster基本相同。但是MK C1更進一步將原來的ESC系統MK 100中的ESC控制器，真空泵，真空助力器三個部件合而為一。大大簡化了系統的複雜程度。

那麼博世iBooster在國內的一個最早的成功案例就是目前比亞迪E6所用的剎車系統。該電子線控剎車系統可以靈活的在電機能量回收制動和機械剎車片摩擦制動之間進行分配。並且當純電機能量回收制動的時候為了給駕駛者一個合理的剎車踏板力回饋，剎車助力電機還能夠反向給出一個阻力力矩。讓駕駛者感覺到合理的阻尼感受。同時電子線控剎車系統還能夠提供可選擇的剎車響應模式。比如運動模式下剎車就一踩就有，響應靈敏。而舒適模式下，剎車就顯得柔和線性，相較運動模式沒有那麼緊繃。和駕駛輔助系統結合以後，當檢測到可能的碰撞時則可以加快制動響應或者直接增加制動壓力。使得車輛能夠在更短的距離內停止下來。

說到電子線控剎車系統的安全性，更偏向一個系統級的安全方案。電子線控剎車系統中的電子剎車助力器和傳統的電子穩定系統ESC以及電子轉向助力系統EPS三者互為備份。三者中的任何一個模塊出現故障，另兩個模塊都能夠部分覆蓋故障模塊的功能。比如電子剎車助力器出現故障，電子穩定系統ESC將能建立制動液壓壓力，配合EPS將車輛安全剎停在車道內。相反如果電子穩定系統ESC出現故障，電子剎車助力器可自行建立制動液壓，配合EPS將車輛剎停在車道內。當電子助力轉向EPS失效時，電子穩定系統ESC將通過對不同側的車輪施加不同剎車力產生扭矩矢量，將車輛保持在車道的中心位置。

說完了前面提到的三大線傳操控系統-電子線控油門，電子線控轉向，電子線控剎車。那麼終極目標就是幫助車輛如上圖像飛機一樣在大部分的時間裡處在自動駕駛狀態，徹底解放駕駛者的操作強度。實際上線傳操控系統已經在車輛上得到了很多應用，並將隨著車輛電氣化的潮流越來越普及下去。讓我們拭目以待吧。

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