一

引言：取消方向盘，真正被取消的是什么？

据美联社与路透社的现场报道，Cybercab Robotaxi原型车采用两门无方向盘、无踏板的座舱形态，将驾驶员从车辆运动控制链路中完全移除，转向、制动与驱动均由软件与执行器构成的闭环系统独立完成。Tesla 官方 Q3 2024 更新文件中明确提到，Cybercab和 Robovan 都是从一开始就为自动驾驶设计的车型，没有方向盘和踏板；Cybercab还将基于下一代平台打造。 这意味着，车辆横向控制不再依赖驾驶员手力、转向柱和机械中间轴，而是依赖自动驾驶系统、运动控制器、转向执行器、制动执行器和整车冗余电气架构。这一设计所带来的工程挑战，远不止于取消方向盘的视觉冲击。其本质是：车辆的横向控制中心，从机械驾驶舱迁移至中央计算平台与线控执行器。

传统车辆的转向链路可以概括为：

驾驶员 → 方向盘 → 转向柱 → 转向机 → 横拉杆 → 前轮 → 车辆横摆响应

而 Cybercab 类 Robotaxi 的链路变成：

感知系统 → 轨迹规划 → 运动控制器 → 线控转向执行器 → 前轮 → 车辆横摆响应

这不是一个简单的零部件替换，而是控制权的迁移：汽车底盘从“人操作、机械传递、轮胎响应”，进入“软件决策、电子执行、状态反馈”的新阶段。本文从控制原理、系统结构、路感重构、冗余安全与平台价值五个维度，对线控转向技术进行系统性技术解析。

二

线控转向的基本原理与传统系统对比

线控转向，英文为Steer-by-Wire，SbW。它并不是取消齿条、横拉杆、转向节和轮胎这些机械结构，而是取消方向盘与转向齿条之间的机械硬连接。

Bosch对steer-by-wire的定义非常典型：系统由方向盘执行器、转向齿条执行器和软件组成，方向盘执行器与转向齿条执行器之间不再有机械连接，信号通过电信号传递。

对于普通乘用车，线控转向通常还会保留方向盘执行器，用来采集驾驶员输入并模拟路感。Lexus RZ的 teer-by-wire系统就是这种路线：方向盘与前轮之间没有机械连接，驾驶员输入通过电信号传递，系统可根据驾驶条件自动调整转向响应。

但 Cybercab更进一步。它不是“方向盘输入电子化”，而是直接取消人工输入界面。此时，转向系统接收的不再是驾驶员手上的转角，而是自动驾驶控制器输出的目标轨迹、目标曲率和横向控制指令。

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三代转向系统的演进逻辑

如下如图所示，汽车转向系统经历了三个技术代际

传统机械/液压转向中，驾驶员施加的手力经方向盘、转向柱、万向节、转向机传递至横拉杆与前轮；路面冲击与回正力矩沿同一机械链路反向回传，形成天然的路感反馈。

电动助力转向（EPS）在保留机械连接的基础上，通过扭矩传感器采集驾驶员输入，由ECU控制助力电机叠加辅助力矩，显著降低驾驶员操纵负荷，并为主动安全干预提供接口。

线控转向（SbW）则彻底取消方向盘与转向齿条之间的机械中间轴。Bosch在其线控转向产品技术说明中给出了明确定义：SbW系统由方向盘执行器（Steering Wheel Actuator）、转向齿条执行器（Steering Rack Actuator）及控制软件构成，三者间仅有电信号传递，系统依靠冗余数据与冗余电源满足功能安全要求。

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线控转向控制的物理目标：曲率而非转角

自动驾驶控制器不以"方向盘转角"为输出单位，而是以路径曲率 κ（rad/m）作为横向运动的规划目标，再逐级转化为前轮转角指令。

在低速稳态工况下，采用单轨（自行车）模型，前轮转角与路径曲率的关系为：

其中，δf 为前轮转角（rad），L 为轴距（m），κ 为路径曲率

由此推导车辆横摆角速度 r和横向加速度 ay：

式（2）、（3）表明，在给定车速 v下，前轮转角同时决定横摆角速度与横向加速度。这是线控转向执行器控制律设计的物理基础：低速泊车工况要求大转角、高带宽响应；高速巡航工况则须压缩转角增益、降低相位滞后，以维持横摆稳定性。

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高速动态修正：二自由度模型中的转向特性

单轨模型在中高速下需引入轮胎侧偏特性。二自由度（2-DOF）车辆线性模型的状态方程为：

（4）

其中，β 为质心侧偏角，r 为横摆角速度，Cf、Cr 分别为前、后轮侧偏刚度，m 为整车质量，Iz 为绕垂直轴的转动惯量，lf、lr 分别为质心至前、后轴距离，v 为车速。

式（4）揭示了线控转向控制律设计的关键工程约束：在轮胎侧偏刚度随路面附着系数 μ变化时，相同的 δf指令将产生不同的 r和 β响应。因此，运动控制器必须实时估算或辨识 Cf、Cr 和 μ，才能输出正确的前轮转角目标值。

三

线控转向的系统架构

线控转向并非简单地将传统转向柱替换为一束线缆。对于Cybercab类无方向盘 Robotaxi 而言，它意味着传统转向柱所承担的信号传递、力矩传递、状态反馈和故障兜底功能，被分解并重新分配到中央计算平台、车辆运动控制器、转向ECU、转向执行器、电源系统和通信网络之中。方向盘和转向柱可以消失，但转向系统的工程责任并没有消失，只是从机械结构转移到了电子电气架构和控制软件之中。

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四层功能结构

如下图所示，量产级线控转向系统通常由四个功能层级构成。

第一层：运动控制层（Vehicle Motion Controller）

接收自动驾驶系统输出的参考轨迹、目标速度与避障策略，计算目标前轮转角 δref、转角速度约束及最大允许横向加速度。对Cybercab类Robotaxi而言，此层相当于"电子驾驶员"，是整个控制链路的决策入口。

第二层：转向控制ECU（Steering ECU）

将 δref转化为执行器电机的电流、转速与位置控制指令，同时承担信号合理性校验、故障诊断与冗余通道仲裁。该层需满足ISO 26262功能安全标准中的相应ASIL（Automotive Safety Integrity Level）等级要求。

第三层：转向齿条执行器（Steering Rack Actuator, SRA）

Bosch的SRA技术资料指出，该执行器接收数字转向信号并精确调整相应车轮位置，其冗余设计架构可支持自动驾驶功能。执行器通常集成双绕组电机、双逆变器与冗余位置传感器，以实现硬件层面的fail-operational能力。

第四层：机械输出端

线控转向并非取消全部机械结构，而是取消从方向盘至转向机的机械中间轴。前轮仍通过齿条、横拉杆、转向节、主销几何与轮胎侧偏力实现方向改变。主销几何（后倾角、内倾角、拖距）的设计对系统的回正力矩特性与执行器负荷有直接影响。

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控制律的完整描述

一个工程实用的线控转向闭环控制律，不仅以参考曲率为前馈输入，还必须融合车辆状态反馈：

其中，ey 为横向路径跟踪误差，eψ 为航向角误差，μ 为实时估算的路面附着系数。式（5）说明，线控转向控制的核心不在齿条机构，而在于多状态融合的控制律设计，这也是线控转向系统间差异化竞争的真正焦点所在。

四

路感的重构：从"手感"到"控制可信度"

在传统转向系统中，主销后倾角产生的回正力矩、机械拖距形成的稳定化力矩以及轮胎自回正力矩，通过转向柱以力矩形式直接作用于驾驶员，形成所谓的"路感"。这一机制天然地将轮胎工作状态反映至驾驶员操纵界面。

在SbW系统中，上述力矩不再沿机械链路直接回传，而是由传感器采集后经软件模型重建并反馈至方向盘执行器。Lexus RZ的线控转向官方技术资料指出：该系统在方向盘与车轮之间无物理连接，转向信号通过电信号传递；系统可根据车速动态调整转向传动比，并通过电信号重建路感，同时过滤不必要的振动输入；系统采用全冗余设计，每个关键部件均有备份，并配备备用电源。

Cybercab与Lexus RZ的本质区别在于：乘员不需要路感，系统需要的是状态反馈。

路面冲击、轮胎回正力矩与侧偏角变化，在Robotaxi场景下不再服务于驾驶手感，而是服务于控制可信度评估。以湿滑路面为例：若转向执行器电流、齿条位移响应与IMU横摆率之间出现超出模型预测范围的偏差，系统可据此判断轮胎附着状态是否已偏离假设工况，从而触发相应的控制降级或速度限制策略。

这实质上是一种基于物理一致性的运行设计域（Operational Design Domain, ODD）实时监控机制，其工程意义远超普通乘用车路感设计的范畴。

五

冗余架构：线控底盘的功能安全基础

取消机械硬连接后，线控系统对电气架构可靠性的依赖达到了前所未有的程度。依据ISO 26262的fail-operational要求，无人工驾驶控制件车辆的线控底盘系统必须在单点故障发生后仍能维持受控运动，直至安全停靠（Minimal Risk Condition）。

• 工程实践中，线控底盘的冗余通常覆盖以下层级：

• 电源冗余：主电源（12V/48V A路）+ 独立备用电源（B路），两路相互隔离；

• 通信冗余：CAN-FD / 车载以太网 A路 + B路双通道，独立物理链路；

• 传感器冗余：齿条位移传感器 + 电机转角传感器 + 轮速传感器 + IMU多源融合；

• 控制器冗余：主控ECU + 独立监控ECU（Monitoring ECU），实现双核互检；

• 执行器冗余：双绕组电机 + 双逆变器 + 降级控制模式（单通道运行能力）；

• 制动冗余：主制动执行器 + ESP/备用制动单元。

Bosch的act-by-wire技术资料强调：线控制动通过将制动踏板与制动系统间的机械连接替换为电信号，并配置两个独立液压制动执行器，在故障状态下by-wire执行器与ESP均可独立建立四轮制动压力，因此能够支持高度自动驾驶功能。

冗余设计的真正难点，不在于堆叠硬件，而在于故障的诊断、隔离与控制权重构。

以双通道转角信号为例：若A通道目标转角为3.0°，B通道为3.1°，属正常传感器误差范围；若A通道输出3.0°，B通道输出15.0°，系统必须在毫秒级时间内完成以下判断：哪一通道可信？是否进入降级模式？当前速度下降级运行是否安全？是否须触发最小风险停车？

这一诊断-仲裁-重构流程，本质上是系统级FMEA（故障模式与影响分析）在实时控制层的具体实现，其设计复杂度显著高于传统EPS的故障处理逻辑。

六

全线控底盘（Act-by-Wire）：Robotaxi的基础设施

严格意义上，Cybercab所需的不仅是线控转向，而是全线控底盘（Act-by-Wire），即转向、制动、驱动均可由电子信号直接控制，且无需人类驾驶员介入。

如下表格所示，这一要求与传统乘用车场景存在根本差异。

NHTSA于2022年发布的相关规则已明确关注"不具备传统人工控制件的自动驾驶车辆"的乘员保护问题，在法规层面正式承认了无方向盘、无踏板车辆的设计形态，但同时要求其达到与传统乘用车相同水平的乘员保护性能。这意味着Act-by-Wire系统的功能安全论证必须覆盖完整的运行场景矩阵，而非仅针对正常工况。

此外，NHTSA于2025年向Tesla发出的信息请求中，明确要求其说明Robotaxi在强光眩目、雾、扬尘、雨、雪等低可见度条件下保障安全的技术方案，以及系统性能指标的制定与验证方法。这再次表明：线控底盘的安全认证边界，已从执行器层面上移至感知-规划-控制-执行-监控的全链路。

七

线控转向的平台价值：线控转向为什么会改变整车开发

线控转向对Cybercab的工程价值，可从以下四个维度加以分析。

（1）整车空间重组

取消转向柱后，前舱、防火墙、仪表台及碰撞吸能结构均可重新布置，可释放显著的纵向空间。在全球化平台设计中，左右舵车型差异也可大幅缩减，因为不再需要区分方向盘位置、转向柱走向、踏板箱布置及仪表横梁开孔方案。

（2）可变转向传动比

传统机械系统中，方向盘转角与前轮转角的比值由机械传动关系决定，调整范围有限。SbW系统中，传动比由软件定义，可实现低速时小输入对应大转角（提升操纵灵活性）、高速时大输入仅对应小转角（保障稳定性）的自适应策略。Lexus RZ的线控转向资料已明确描述了这一随车速动态调整传动比的功能特性。

（3）主动安全能力提升

在检测到障碍物、路面低附着或车辆失稳趋势时，线控系统可直接生成最优前轮转角指令，无需通过辅助驾驶员"抢方向盘"或叠加助力矩等间接方式干预车辆运动，控制带宽和响应速度均显著优于EPS方案。

（4）底盘平台标准化

Bosch资料指出，SbW可促进座舱模块与底盘系统的跨平台标准化，在规模化生产条件下有望降低整体系统复杂度与成本。

八

结论

本文从控制原理、系统架构、路感重构、冗余安全与平台价值五个维度，系统分析了线控转向技术在Cybercab类Robotaxi中的工程内涵。

主要结论如下：

（1）线控转向将底盘横向运动控制从机械约束中解耦，使转向比、路感特性、避障响应与故障降级策略均可由软件定义，是实现无人工驾驶控制件车辆的必要基础架构。

（2）自动驾驶场景下，线控转向控制律的设计核心是基于车辆二自由度动力学模型的多状态融合控制，需实时融合路径误差、横摆角速度、质心侧偏角与路面附着估计，而非简单的位置闭环。

（3）路面力矩反馈在Robotaxi中从"驾驶手感信号"转变为"控制可信度评估信号"，本质上承担着实时ODD监控的功能。

（4）线控底盘的冗余设计难点不在于硬件叠加，而在于故障的实时诊断、隔离与控制权重构；其功能安全论证需覆盖感知、规划、控制、执行与监控的全链路，以满足ISO 26262 Fail-operational和NHTSA监管要求。

（5）线控化本身解决的是"如何精准执行命令"的问题，而非"命令是否正确"的问题。Cybercab能否成为成熟商业化Robotaxi，最终取决于线控底盘冗余可靠性、自动驾驶系统对复杂环境的认知能力，以及整车级安全论证能否经受监管审查、测试验证与真实道路运营的共同检验。

注：文章中引用数据和图片来源网络