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作者:徐業良(2014-11-15);推薦:徐業良(2014-11-15)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2014年十二月號,史丹福專欄。

Drive by wire-當汽車操控越來越像是打電玩

在元智大學機械系教書,一轉眼已經23年了,從年輕教授交到變成「老」教授。我每年都教大學部三年級的必修課「機械設計」,傳動元件像是齒輪、鍊條、皮帶、軸承等等,總是第一學期機械設計課程的重點。學期開始面對一批新同學介紹自己,總是要「不經意地」提到自己是國內最老牌汽車專業雜誌「汽車購買指南」的專欄作者,建立一些自己「汽車專家」的形象,講課的時候便能順勢帶入一些汽車上應用的例子

上課講到齒條小齒輪(rack and pinion),最好的例子一定是汽車的轉向系統,方向盤的轉動如何透過小齒輪帶動齒條左右橫移,再透過連桿轉動前輪方向等等;講到斜齒輪(bevel gear)就一定得展示一下汽車差速器的教具,踩下油門之後,汽車引擎動力如何經由差速器方向轉90度,傳遞到兩個驅動輪。機械設計第二學期課程有個單元是油氣壓,討論油壓系統時汽車煞車的例子不能少,踩下汽車煞車踏板之後,如何推動煞車主泵中的煞車油經過底盤交叉的煞車油路,打入四個車輪上的分泵,夾緊煞車來令片

許多機械設計課本上討論傳動元件總是一大堆減速比和力學計算的公式,把工程教成了數學,上課結合汽車的例子希望有些「理論與實務兼具」的效果。不過這麼多年下來效果似乎也不十分理想,畢竟大三學生有實際開車的經驗的通常不是太多,和學生談一些轉方向盤、踩油門、煞車之類的例子,學生往往不是太有感受。倒是大學生打電玩多半經驗豐富,玩賽車電玩時,方向盤就像搖桿一樣轉來轉去,油門煞車就像電動開關,哪來的齒輪、差速器、煞車泵

大學教授得到學生最糟糕的評語常常是,一套教材講20年,我這個23年的「老」教授也該自我警惕,多學些新知識。畢竟“Drive-by-wire”技術逐漸成熟,汽車操控的原理和打電玩真的越來越像了,這個月的史丹福專欄就來談一談汽車drive-by-wire的技術。

“By-wire”技術在航空的領域其實並不陌生,早在1990年代航空器便開始使用fly-by-wire的系統,使用電子控制的方式來操作飛機。“By-wire”這個詞中文不太容易準確翻譯,有的文章直接翻譯成「線控」,難免還是會聯想到像是油門「線」(英文其實是“cable”)之類的機械控制方式。這裡的“wire”指的是傳輸訊號的電線,有些中文翻譯囉嗦一些,叫做「電傳線控」,簡單一些就翻譯成「線傳」好了。

汽車上三個主要的線傳駕駛drive-by-wire系統是線傳油門(throttle-by-wire)、線傳煞車(brake-by-wire)、和線傳轉向(steer-by-wire),電子控制取代了機械控制,油門、煞車踏板和方向盤等輸入裝置和引擎、車輪等輸出裝置之間,完全沒有機械實體零件接觸,全然是以電子訊號傳輸。

線傳油門是汽車上最廣為應用的by-wire技術,通常叫做電子油門控制(electronic throttle control)。傳統機械式的油門是用一條油門線直接連接油門踏板和油門,駕駛人踩下踏板,拉動油門線控制油門開度。電子油門控制基本上油門踏板使用感測器感測駕駛人踩踏油門深度,將訊號傳遞給引擎管理系統(基本上就是一個微電腦);接到這個訊號後,引擎管理系統驅動一個電動致動器,決定要將多少燃料噴進引擎汽缸中。

所以您知道,線傳駕駛drive-by-wire並非專屬於電動車的技術。線傳油門還是裝置在傳統駕駛人習慣踩踏油門的位置,但是當然也可以裝在方向盤或其他位置;而駕駛人踩踏油門深度,只是引擎管理系統眾多輸入參數之一,表達駕駛人加速或減速的意願,引擎管理系統還是要綜合其他感測器的數據和引擎運作狀況,即時決定最省油、最有效率、或性能最佳的供油方式。

前面提到汽車煞車油壓系統,駕駛人踩踏煞車踏板,踩踏力被放大、轉換成為四輪的煞車分泵的煞車力。線傳煞車原理和線傳油門類似,油門踏板也是使用感測器感測踩踏深度,將訊號直接傳送至四輪的電動致動器,轉換、施加適當的煞車力。

完全的線傳煞車在實際汽車應用上並不多見,只有少數車廠如ToyotaMercedes Benz在量產車上有應用,但幾乎已經是所有汽車標準配備的ABS煞車,已經有一些線傳煞車的味道。ABS煞車也是使用油壓煞車系統,但是使用電控的致動器在四輪煞車自動製造一收一放「點煞」的效果,此外如電子穩定控制、循跡控制和自動煞車系統,都和線傳煞車技術相關。

比較起來「線傳轉向(steer-by-wire)」是比較新鮮的技術,原理講起來也和線傳油門、線傳煞車很類似,方向盤上的感測器感測方向盤轉動,將訊號傳送給微電腦,驅動前軸上的致動器轉動前輪方向。

2014年的Infiniti Q50是第一部採用線傳轉向的量產汽車,Infiniti喜歡叫作「直接適應性轉向(Direct Adaptive Steering),不太聽得懂的名字。一般的概念線傳轉向開起車來就像電玩搖桿一樣,類比輸入的方向盤成了數位輸入;但早期許多車廠的開發經驗顯示,如果方向盤真的像電玩搖桿一樣,操控完全沒有力回饋或路面感覺回饋,駕駛人開車只依賴視覺回饋,甚至很難循著一條直線開車。模擬機械式轉向系統方向盤上的力回饋和路面感覺回饋,也是Infiniti線傳駕駛技術上的重點。

Infiniti這套系統方向盤位置感測器感測方向盤轉動,將訊號傳送到三個電腦(以確保一個電腦失效整體仍然安全無虞),轉向系統也沒有甚麼齒條小齒輪了,而是用兩個電動馬達轉動前輪方向。特別的是方向盤本身也連接到第三顆馬達,三個電腦分析裝在四輪感測器傳來的數據,判斷像是路面不平、有坑洞之類的狀況,利用第三顆馬達模擬產生力回饋和路面感覺回饋,經由方向盤傳回駕駛人手上。

啊,所以線傳轉向不只是電玩,還是能讓駕駛人身歷其境的虛擬實境電玩

Infiniti這套線傳轉向系統也可以彈性調整方向盤的「手感」,甚至轉彎時要打的圈數,讓駕駛人停車時方向盤比較輕手,高速時又比較「緊」。高速公路行車時,線傳轉向系統搭配攝影機辨識車道,方向盤也像有一個小吸鐵把方向盤「吸」在分道線上,偏離車道的話方向盤也會「悄悄」調整會來。

OKby-wire的汽車依賴電子控制的方式進行汽車基本操作,包括油門、煞車、轉向等等。相對於我在機械設計課程講了二十幾年的齒輪、連桿、油壓元件,線傳技術可能更精確、有效,大幅減少了機械零件數目和重量,且又不會有機械式的磨耗、維護的成本也降低。透過各種感測器和電腦的輔助,線傳技術更有潛力提升駕駛的舒適性、功能性和安全性;從節能、環保的角度來看,線傳技術也能改進汽車的省油性及廢氣排放。

線傳駕駛技術要大量應用在汽車上,最重要的障礙還是安全性的考量。儘管機械式的操控方式也有失效的可能,但是大家對電子系統的可靠度可能更不信任,畢竟如果電腦突然當機,汽車煞車失靈或者方向盤失控,都可能造成重大的事故,不是「電腦重開機」就好了。

所以線傳駕駛系統必須要像fly-by-wire的飛機一樣,建置多套失效備援裝置,像是前面提到Infiniti的線傳轉向同時用了三個電腦,此外還加裝了一套機械式的離合器,如果電子系統完全失效(例如沒電了),仍可經由離合器切換成機械式轉向操作,駕駛人至少還可以操作汽車回到路邊停車。但是建置多套失效備援裝置也會使線傳駕駛系統比傳統機械控制系統更複雜、成本更高。

不過汽車線傳駕駛技術的未來發展與應用還是十分被期待。“By-wire”之後大幅減少了機械零件,油門、煞車踏板和方向盤也不必一定要放在「傳統位置」,汽車設計的彈性將會大幅提高,未來汽車的樣貌可能有大幅改變;以Google為首的無人駕駛汽車技術開發,也必須要建立在線傳駕駛技術之上,以電傳訊號而非機械方式傳達駕駛指令;電動汽車在先天上架構上更應該是使用線傳駕駛技術,電動汽車逐漸普及,也會持續帶動電傳駕駛技術的應用。

線傳駕駛技術安全性和可靠度的問題應該逐漸會被解決、接受,畢竟Fly-by-wire在航空器上都已經是標準技術了,線傳駕駛技術預期也將成為汽車上標準技術。

到了那一天,我這個齒輪、連桿、油壓系統時代的機械系老教授,恐怕真的也該告老退休了