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線控技術於自駕巴士之應用

刊登日期：2021/04/01

摘要

自駕車發展完備關鍵要素之一即為車輛底盤必須具備低延遲、快響應與高精度之線控系統，藉由線控控制器主動操控車輛之轉向、煞車、油門、排檔以及方向燈等作動，並精確執行自駕系統之車輛行駛命令，提升自動駕駛之路徑追隨與車輛操控的準確性。本文先介紹線控技術國際發展概況，繼而簡介線控轉向、線控煞車、線控油門以及整合式線控控制器等主要線控系統之硬體與控制技術，最後以自駕巴士之線控轉向及線控煞車為例，說明典型的線控性能驗證方法。

Abstract

One of the crucial technologies in developing self-driving vehicles is a chassis featured with low latency, fast response and high precision drive-by-wire system. The accuracy of self-driving control can be enhanced through executing self-driving commands with precise control of steer, brake, throttle, gear shift and turn signal. This article first highlights the global research and development status of drive-by-wire system for automotive industry, then addresses the key technologies of steer-by-wire, brake-by-wire, throttle-by-wire and integrated drive-by-wire controller. The authors then briefly illustrate the typical by-wire validation test examples and finally conclude the work.

前言
智能化與電動化兩大趨勢已逐步推動傳統轉向系統與煞車系統線控化，隨著先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance System, ADAS)日漸普及應用於各大車廠的高階車型，諸如前方碰撞預警系統(Forward Collision Warning System, FCWS)、車道維持輔助系統(Lane Keeping Assist System, LKAS)、主動巡航控制系統(Adaptive Cruise Control, ACC)以及停車輔助系統(Parking Assist System, PAS)等提升車輛安全性的系統，此等以電子信號傳輸執行轉向控制、煞車控制與油門控制等線控技術，逐步將汽車業導向美國汽車工程師協會(SAE)自動駕駛級別 L3[1]發展。車輛線控化技術可直接驅動車輛次系統是自駕車發展的重要技術之一，理論上線控系統(drive-by-wire)可減少機械連結裝置，減輕車重，並可靈活設計車內空間；但依據ISO 26262定義的風險分類架構，車輛轉向系統、煞車系統等車輛保安件必須達到最高的車輛安全完整性等級(Automotive Safety Integrity Level, ASIL) ASIL D[2]，即系統仍必須具備容錯機制或備援裝置，以確保自駕或人駕之行車安全，此要求更彰顯安全及備援式線控技術是邁向SAE自動駕駛級別 L4及L5的關鍵。
線控動力底盤系統主要有五大子系統，包括：線控轉向(steer-by-wire)，線控油門(throttle-by-wire)，線控煞車(brake-by-wire)，線控換擋(shift-by-wire)以及線控懸吊(suspension-by-wire)。其中之線控煞車與線控轉向更被認為是實現自動駕駛中的關鍵必需且影響安全的核心技術。線控控制器(Drive-by-wire controller)則扮演集結了與車輛相關的車速、加速度、減速度、轉向角、轉向力矩、煞車壓力等通訊與控制，負責依上控自駕指令，實現車輛之操控。本文先以線控煞車與線控轉向產品之國際研發現況為切入點，概要闡述線控技術國際發展概況，進而聚焦轉向、煞車、油門以及控制器等線控系統主要之硬體與控制技術，輔以自駕巴士之線控性能驗證為例，扼要說明線控轉向與線控煞車性能典型驗證方式與結果範例。
線控技術發展概況
線控技術發展演進史是由最早期的電子油門控制應用開始，逐步進展至線控煞車、線控轉向，以期達到主動安全系統，最終以線控系統搭載自駕所需之感知、決策與控制系統而邁向自動駕駛的終極目標。目前，全球乘用車市場線控系統的供應商有Bosch、ZF (收購TRW)、Continental、Schaeffler、Mando、Nexteer與Hitachi等，線控煞車與線控轉向產品之國際研發現況彙整如表1[3]，Bosch、ZF、Nexteer與Continental是線控市場的主導廠商；全球主要的乘用車線控轉向系統廠商則包括ZF、Schaeffler與Nexteer等，其中ZF針對貨車與巴士線控轉向市場開發ReAX EPS，轉矩高達70 Nm[4]。若根據線控轉向備援設計方式分類，線控轉向可分為機械備援式(mechanical redundancy)和電控系統備援式(electronic control system backup redundancy)兩類[3]，但電控系統備援式線控轉向尚未有量產車型搭載；機械備援式線控轉向首現於Nissan Infiniti Q50 [3,5]，由Kayaba量產供應，共設計了三個電子控制單元(Electronic control unit, ECU)，以兩個ECU同時監控主ECU的工作狀態，一旦三個ECU均失效，最後仍有離合器結合回復到機械轉向自動介入，確保車輛之轉向功能。
表1之線控煞車主要針對液壓式線控煞車產品，並依據有無整合電子穩定控制(Electronic stability control, ESC)功能，區分為一體式(one-box)與分離式(two-box)等兩大類別，由於one-box產品具備ESC功能，在體積及重量上占有優勢，且其售價一般低於two-box產品，更有利於替換傳統液壓煞車系統，有望成為未來的主流技術。線控煞車產品應用以Bosch獨佔鰲頭，2017年iBooster全球出貨量為170～180萬套，依據Bosch之預估，到2025年亞太市場的iBooster需求量大約在500萬套。隨著電動車與自動駕駛的加速進展，線控煞車裝配率或將隨著電動車之銷售量以及產能的提升而有高速增長，線控煞車於2020～2025年之市場規模複合成長率預估可達23%。隨著ADAS與自駕車的雙重助力，線控煞車市場未來更有望達到百億級規模[3]。