自駕車所需之線控系統
摘要
近年來隨著科技的演進以及各個車廠對於自動與自主駕駛應用開發的努力下，當今車輛皆已經具備一定程度的線控化得以配備駕駛輔助系統。而對於全自動駕駛系統的情境，以及開發過程中的各種需求，線控設計也會變得更為要求。本文將以工研院自動駕駛車輛發展歷，來探討線控技術，並且在各種線控方法、優勢及其應用進行介紹。
With the technology and the efforts to develop safety applications, vehicles are already equipped with a certain degree of drive-by-wire system for using driver assistance systems. However, for self-driving system, drive by wire should be designed for more critical scenario. This article will discuss the drive by wire technology based on the development of the self-driving vehicle of ITRI, and introduce throttle by wire, brake by wire, shift by wire, steer by wire and their advantages and applications, respectively.
關鍵詞(Keywords)線控技術、自動駕駛、線控改裝 Drive-By-Wire System, Self-Driving Vehicle, Drive-by-wire modification
前言
近年來隨著科技的演進以及各個車廠對於自動駕駛應用開發的努力下，當今市面上都已經可以購買到具備許多駕駛輔助功能的車輛，包含具備自動換擋與油門控制的自動停車系統、整合ACC與方向盤控制的車道置中維持輔助系統、碰撞預防系統、自動換道等等。而依美國汽車工程師協會(SAE)自動化程度來定義[1]，這皆已算是Lv2～Lv3階段，從此可見各家車廠與系統廠在線控技術的提供和應用已逐漸成熟，使一般車輛可以變得更加安全更加方便。以一般車輛的使用情境來說，當今市售車輛所用的線控技術，可以滿足那些日常所用的輔助駕駛，大大降低駕駛者操控上的負擔，但對於全自動駕駛來說，使用的情境更為複雜，衍伸的應用需求也更為多變，線控技術的性能表現也會變得更加要求。
線控技術是什麼？
Drive By Wire也被稱之為線控技術，是指依靠電子元件作為驅動來操控車輛上的各種元件，取代了傳統上透過機械原理作為直接操縱，控制車輛的行進。這些與車輛運動相關的硬體主要包含了有油門、煞車、檔位以及轉向系統，對應的線控系統也被稱為線控油門，線控煞車，線控轉向以及線控換檔。相對於傳統車輛，自動駕駛車輛其核心為駕駛決策，是根據感測器收集實際交通情況而運算識別得出的決策結果，而要將決策結果以電訊號控制車輛，車輛必須具有可控性，需將傳統車輛底盤進行線控改造以適用自動駕駛系統。
1.線控油門
與傳統透過機械元件將油門踏板與節氣門連接的形式不同，線控油門主要由油門踏板，踏板位置感測器，ECU，CAN bus，節氣門驅控總成組成，電子油門使用一系列的電子感測器和控制器，將油門踏板感測器所得的位置訊號發送至運算電腦，並根據當前車輛的狀態與情境來決定節氣門的開合大小以及噴油量、噴油時間間隔。當前主要供應商有Bosch，Delphi，Continental，DENSO，Magneti Marelli，SKF等，經過這麼多年的發展，線控油門使車輛更具備功能性與安全性，而當今市售車輛最基本的定速控制都是以線控油門應用的功能，相較於其他的線控技術來說，線控油門已經發展得相當穩定成熟。
2.線控煞車
線控煞車指的是將傳統油壓煞車的真空倍力器等硬體大幅地簡化，由電子線組、電子元件取代，煞車踏板將不需驅動幫浦，轉為電門開關的角色來控制煞車，優點除了重量、零件數量都能簡化許多外，對於縮短煞車距離、縮短煞車響應時間都有大幅幫助。除了機構上的優勢外，線控煞車可以擁有與 ABS、BAS、TCS 等安全系統更高的整合性，也可以為駕駛量身訂做煞車踏板行程、煞車踏板的回饋感。
線控煞車系統可分為兩種類型，第一種是EHB（Electro Hydraulic Brake ），系統的控制單元及執行機構設計的比較集中，且使用液態的介質作為動力傳遞媒介，具有液壓備份系統，發展也相對成熟；而另一種是EMB（Electro Mechanical Brake），採用電子機械裝置代替液壓管路，執行元件通常直接安裝在輪邊。現今以EHB較為常見，如Bosch的iBooster為例，通過集成的差速行程感測器檢測煞車踏板的作動位置，並將此訊號發送至控制單元，控制單元在確定電動機的控制信號後，三級齒輪箱將電動機的扭矩轉換為必要的增壓功率，在標準主制動缸中轉換為液壓，助力大小從4.5kN到8kN，可以用在9座小型客車上[2]，如圖 1所示。當前以此為設計導向的目的在於，必要時系統可以獨立建立壓力，無需駕駛者踩下制動踏板，另外在一般使用下，依然可以提供駕駛者最佳的踏板感覺。
圖 1 Bosch iBooster系統 資料來源：Bosch
3.線控轉向
線控轉向的發展可以說是從EPS (Electric Power Steering)發展而來，但相較於傳統EPS轉向架構，線控轉向系統還需具備其他功能，例如角度控制模組與扭力控制模組，透過訊號輸入取代駕駛者操作方向盤的行為來達到相同的駕駛目的。而常見的線控轉向系統有以下幾種特徵：第一種是取消方向盤與轉向機構的機械連接，直接利用電訊號通過多個驅控馬達和控制器調整底盤機構與輪胎角；第二種是在方向盤與轉向機構之間增加一個離合器，但方向盤角度命令仍為直接透過電訊號驅動底盤機構，其離合器的功能只有電訊號系統失效時才介入轉向系統；而第三種則是如傳統EPS，在轉向機構前配備驅控器、扭矩感測器與角度感測器，方向盤與底盤機構同時受控。以上第一種與第二種的優勢在於轉向系統接受外部命令控制時，可以避免機械結構旋轉時造成的反扭矩干擾，但在第三種轉向系統上並沒辦法避免，較容易在駕駛者介入方向盤的時機點產生些微頓挫感。而這三種線控系統目的都在於方便控制車輛的側向動態，並推進自動駕駛發展。
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