转向线控改装就是要夺取EPS的控制权

转向线控改装就是要夺取EPS的控制权。在没有车厂或EPS厂家的帮助下，任何转向线控改装缺点都有很多，都不稳定，不安全，不舒适。传统厂家仍掌握绝对话语权。

通常转向线控改装采用几种方式，第一种最为简洁，效果最好，就是用dSpace的MicroAutoBox。MicroAutoBox是针对快速原型RCP设计的，可以看做一个万能的实时硬件平台，内部也包含了对电机PWM的控制。MicroAutoBox缺点是价格昂贵，并且取代了原车的EPS控制器，舒适感肯定要大打折扣，不过这已经是最好的方案。

第二种通过UDS (Unified Diagnostic Services），统一诊断服务或其他方式跳过EPS控制器直接控制EPS电机。（与OBD相比，UDS只覆盖会话层和应用层，标准为ISO14229，又叫增强型诊断）。第三种，伪装成LKA的控制器给EPS控制器发指令。第四种，伪装成自动泊车控制器给EPS控制器发指令。第五种，直接在管柱转向轴或方向盘上价格伺服电机，这种方法虽然很Low，但是是最为容易的，不过伺服电机的相应速度通常不高，伺服电机加整套伺服系统价格也不低。 最后还有一种我认为不可能的，就是用电路模拟扭矩转角传感器即TAS。伪装成一个TAS给EPS控制器发指令。

最典型的改装莫过于业内用的最多的林肯混动MKZ。林肯混动MKZ基于福特CD4混动平台，改装一般是由Dataspeed负责，AutonomousStuff负责系统集成。成立于 2008 年的 Dataspeed 正是这样一家第三方公司，他们利用 自己在福特工作时的经验，将MKZ的CAN 总线协议破解并封装成 ADAS Kit 提供于开发者。尽管如此，Dataspeed的线控转向方案也有不少缺点。 Dataspeed的线控转向指标为100Hz报文，50Hz命令，10Hz超时。而高级EPS的周期高达20KHz。Dataspeed的线控转向最大幅度为±470度，转向精度为0.1度，最高转向速度每秒500度。方向盘与转向轮的角度系数为14.8：1。EPS会设定一个最高扭矩上限，在MKZ里是3.5牛米，超过这个扭矩的指令都会被忽略，这个是无法更改的。除此之外，还有众多无法更改的限制条件，转向扭矩必须在负1.5牛米到正1.5牛米之间，转向速度在正50度每秒到负50度每秒之间，此值之外的指令可能会被忽略或降级。这就决定了车辆无法像人工那样急速转向，特别是高速时，人工可以选择急速转向，但改装车辆通常只能选择刹车，而这时往往是无法完全刹停的。此外，Dataspeed的线控转向只允许输入位置指令也就是横摆角速度，无法直接输入扭矩指令。

Dataspeed的线控转向是业内最优秀的后期改装方案，据说也得到了福特官方的支持，但是MKZ的转向EPS（可能是博世）厂家并未对Dataspeed提供支持。Dataspeed的线控转向改装极有可能是第二种方案，通过UDS。因为通常UDS的指令调度周期就是50Hz，也就是20毫秒，跟原车20KHz的周期相比顿挫感在所难免。再加上传统的PID控制算法，方向盘不仅顿挫明显，还出现明显的振荡。即便是Waymo也是无能为力的，Waymo的FCA大捷龙是特别请了大捷龙的EPS供应商Nexteer做的线控转向改装，而Nexteer在2011年被中国航空汽车工业控股公司4.5亿美元现金收购，Waymo还是离不开中国国企的。

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UDS方案

先来分析UDS方案。EPS系统有两种设计方案，一种是双MCU方案，一种是单MCU方案。

双MCU方案：这种架构的优势是物理复制安全相关和非安全相关的功能与特性。然而，这种配置非常复杂，再加上软件同步及PCB空间增加等因素，会给这种方法带来巨大的挑战和障碍。随着终端设备数量不断增加，系统功能的可靠性和可用性降低了。这种配置可能会引入如单事件诱因的瞬时故障，在这方面不会实现良好的容限。

单MCU方案：采用一个双核或三核的MCU，运行在锁步状态下，将监测功能集成到电源IC中，这种方法降低成本，减少了软件开发周期。

EPS系统所用的电机早期为BLDC直流无刷电机，但直流无刷电机的转矩波动比较大，随着EPS系统对控制精度要求越来越高，BLDC显得力不从心，于是PMSM永磁同步电机出场，PMSM在转矩波动领域相对BLDC优势十分明显，但这也带来了难题。无刷直流电机：磁钢为方波充磁，控制电压PWM也为方波，电流也为方波。一个电周期有6个空间矢量。控制简单，成本低，一般的MCU就可实现。 永磁同步电机：磁钢为正弦波充磁，反电动势也为正弦波，电流也为正弦波。一般采用矢量控制技术，一个电周期一般最少会有18个矢量（当然越多越好），需要高性能的MCU或DSP才能实现。

上图为典型的EPS 电机控制框架图。SVM为空间矢量脉宽调制，是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。VSI为电压源逆变器。EPS用PMSM通常使用SVPWM，此类控制器直接作用于电机转子磁场，因为需要计算多个坐标转换（Clark/Park转换, αβ/abc变换），每50微秒（20KHz）对两个相电流进行一次调节。

UDS的门槛也是很高的，也需要原厂支持，首先要获得原厂的诊断数据库，其次要有种子解密。UDS的26种服务中，有7种很重要。它们分别是：$10 Diagnostic Session Control（诊断会话），$14 Clear Diagnostic Information（清除诊断信息），$19 Read DTC Information，$22 Read Data By Identifier（通过ID读数据），$27 Security Access（安全访问），$2EWrite Data By Identifier（通过ID写数据），$3E Tester Present（待机握手）。ECU当中有很多数据是整车厂独有的，并不希望开放给所有客户，它需要做一个保密的设定。在读取一些特殊数据的时候，要先进行一个安全解锁。ECU上电之后是一个锁定的状态（Locked），我们通过$27服务，加上一个子服务，再加上一个钥匙，这样的服务请求可以进行解锁。比如 2n-1是一个子服务，通过首轮种子的请求，首轮ECU会返回67+01+AA+BB+CC+DD，AA~DD就是种子了。之后第二轮，诊断端会利用种子进行运算（利用整车厂的算法），生成k1（不一定是1个字节），那么发送请求，27+02+[k1]。ECU同样也会通过种子算出k2。当k1和k2匹配时，解锁（Unlocked）成功。

例子：Rx： 02 27 05 00 00 00 00 00 安全访问，05子功能

Tx： 07 67 05 08 27 11 F0 77 肯定响应，回复了对应安全级别的种子

Rx： 06 27 06 FF FF FF FF 00 发送密钥，4个FF。注意06是与05成对使用的。

Tx： 03 7F 27 78 00 00 00 00 否定响应，7F+27+NRC

Tx： 02 67 06 00 00 00 00 00 肯定响应，通过安全校验

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伪装TAS方案

再来看伪装TAS的方案。

EPS其所有基本控制模块，输入要么需要方向盘力矩信号，要么需要方向盘转角信号（方向盘转速通过转角信号计算得到），这两个信号一般来说是通过一个扭矩转角传感器TAS（Torque and Angle Sensor）来获取。TAS的扭矩检测功能，其本质上还是一个转角传感器，TAS与扭杆组装在一起构成扭矩传感器总成，方向盘转动时，扭杆与扭矩传感器的上半部分与下半部分存在一个相对偏转角，TAS就是通过检测这个相对转角来测量方向盘力矩的。在实际的应用中，还有TIS（Torque+Index Sensor）和TOS（Torque Only Sensor）两种，TIS只能提供扭矩信号和绝对转角的过零信号脉冲，系统可以结合电机角度来得到方向盘角度；TOS只能提供扭矩信号。TOS用在对EPS要求不高的场合，也有一些使用车辆电子稳定系统（ESP/ESC)里的转向角度传感器，当然这个与真实的方向盘转角可能有误差，但在讲究成本的厂家那里，这不是问题。

目前TAS主要由德国Hella、博世和法国Valeo提供，其中Hella市场占有率很高，顺便说一下，Hella最主要的业务还是汽车照明。Hella使用CIPOS技术，不仅用在TAS上，也可以用在机油液面高度传感器、废气循环传感器、变速箱位置传感器、电机位置传感器、踏板位置传感器上，累积出货量已经超过8亿个。

CIPOS原理图如上

TAS爆炸图如上，目前TAS已经在上海国产，但是关键的传感器齿轮组仍然进口。

上图为Hella的TAS内部框架图，MLX Triaxis是MELEXIS的旋转位置传感器IC。

要伪装成TAS来欺骗EPS，就需要通过目标助力力矩逆向求解管柱输入力矩，还需要逆向转角信号，这是无法做到的。因为EPS的算法太复杂了 。逆向工程可能要比整个自动驾驶系统算法还复杂。

EPS貌似主要是机电领域的工作，实际更多是算法领域的工作，据耐世特称，其EPS系统的算法代码高达430万行，而线控转向的算法代码高达1350万行。为什么会这么复杂？主要是增加了四项功能，包括方向盘稳定补偿器、转向轮振动抑制、方向盘回正控制、驾驶员重叠扭矩操作。

电动转向（EPS)系统使用电动马达， 直接耦合到转向器或转向管柱，以减少驾驶员转动方向盘所施加的力矩。为了进一步解释，在车辆的操作期间，驾驶员将力施加到转向轮（SW)以努力使车辆转向。这导致“驾驶员扭矩”施加到耦接到SW的轴。扭矩传感器检测由驾驶员施加到转向管柱的扭矩，并将此信息通信到电控制单元。电控制单元产生应用到电动马达的马达控制信号，使电动马达产生与驾驶员扭矩组合的“马达辅助扭矩”。然后，该组合的扭矩用于使车辆的“角部”转向。

第一个是方向盘稳定补偿器。

大部分EPS系统使用助力特性查找表来决定所需要的辅助扭矩，查找表可以直观做成一组线条，有时这些助力特性查找表就叫辅助图像。最为理想的一种是曲线型，该种类型的助力特性曲线对于反映出的相关信息更接近助力转向系统的理想工作状态。这在电路上是一种负反馈放大电路，负反馈系统中，有个相位裕度（phase margin，PM），亦称相位余裕的问题，相位裕度可以看作是系统进入不稳定状态之前可以增加的相位变化，相位裕度越小，系统越不稳定，可能在某一时刻阶跃响应的过冲，振荡幅度急剧增加。相位裕度越大，系统越稳定，但同时时间响应速度减慢了，因此必须要有一个比较合适的相位裕度。在不引入超前滞后矫正模块或者超前滞后矫正模块参数没有调节好的情况下，给转向盘稍微加一个激励，方向盘在可能某一位置不停震荡。滞后超前模块的引入就是为了消除这一现象而设计，有做两阶补偿的、有三阶补偿的、有四阶补偿的。这种振荡自然是在高频段。因此补偿的思路一般是在低频段尽量不影响原系统的幅频和相频特性，在中频段降低系统增益，在高频段提高系统的相频特性，以获得更大的相位裕度。因此需要高通和低通滤波器，甚至还需要一个带通滤波器。这种方法的缺点是往往增加了更高频率的增益或增加了对噪音的敏感程度，比较好的解决方法是使用齿轮角速度反馈控制，但是这需要齿轮角速度传感器，这种传感器目前还没有到量产阶段。

第二个是转向轮振动（SWV)。

当车辆以典型的公路速度(例如，45-90mph)操作时，在车辆的角部的不规则激励可能在车辆的转向轮处导致内部产生的周期扭转振动。如在此使用，术语“角部”是指在车辆的车轮位置处从横拉杆向外的部件。构成角部的部件可以包括轮胎、车轮、制动盘、轮毂轴承组件、控制臂、转向节、衬套等。振动的内部源的示例是偏心失圆或其他不规则旋转部件。例如，如果轮胎、车轮、轮毂和/或转子以偏心或失衡方式制造或者安装到车辆，则所述部件以不均勻的重量分布旋转。这继而在车辆中可产生周期或谐波振动，也就是说，具有集中（定中心）在一阶频率处的一阶分量以及集中在一阶频率的整数倍的频率处的更高阶或多阶分量的振动。周期振动的一阶分量集中在与旋转对象相同的频率，该一阶分量源于该旋转对象，并且对于转向系统，其通常具有比其高阶分量更大的幅度或强度。例如，以每秒 15转（15 Hz)旋转的车轮可以产生具有15 Hz—阶分量、30Hz 二阶分量、45 Hz三阶分量等的周期振动。一阶或15 Hz分量通常比二阶和三阶分量更强。应理解，偏心旋转部件仅是车辆中的周期振动的一个可能源，因为也存在许多其他源。 内部源引起的周期振动可以传播通过车辆，并且会引起某些车辆部件的驾驶员可注意到的不合期望的摇动或移动。例如，在车轮组件或角部产生的周期振动会结合从而对转向轮管柱组件产生动态扭矩，这引起转向轮在任何一个方向以小幅度周期地转弯。当在平面或平坦路面上发生此类事件时，对于驾驶员都更加明显，这些振动可以被车辆的驾驶员感测到，称为转向轮振动（SWV)。SWV的频率通常与轮胎旋转频率(例如，轮胎的滚动频率) 的速度和一阶谐波成比例。动态幅度是小的接近或超过0. 03度感知阈值。

解决方法有三种，第一种是机械部件级方面的努力，包括增加减震，提高部件同心性和加工精度。第二种是纯软件，依靠复杂算法提取SWV并做以补偿，抵消振动。缺点是如果出货量太低，软件分摊成本较高，还有可能干扰正常驾驶操作。第三种是软硬兼施，增加一个齿轮或齿条的瞬时角速度传感器，也可以用算法估计。使用轮胎的估计的角速度和估计的角位置（以及下面描述的其他幅度和相位调整)来确保ECU在适当频率操作，从而确保减少周期波动的角差异。这样，增益和相位补偿的马达驱动命令信号使电动马达调整马达扭矩，以动态地减小（与通过传感器感测的干扰信号相应的特定角频率的）周期电扭矩信号中的周期内容，从而减弱传送到转向轮的振动。通用握有第三种方案的专利。

第三，方向盘回正。

方向盘转动过程中，侧偏力与主销后倾距形成侧偏力回正力矩，同时还有重力力矩和纵向力力矩，合在一起叫回正自力矩。不过在低速行驶时，回正力矩不足。高速时，回正力矩过量。EPS就是要解决这个问题。增加一个回正力矩，传统算法是PID算法，不过EPS非线性系统，噪音多，为避免闭环系统产生振荡，PID的实时性很差。好点的采用滑模控制SMC，方法简单，容易实现，但要求系统模型精度较高。

第四，驾驶员重叠超控扭矩操作。

简单地说就是某些状态下，出现了重叠超控扭矩操作，驾驶员不希望EPS系统介入，EPS此时应停止介入转向操作。在具有主动扭矩重叠操作的预定EPS状态期间对一组转向动态性能进行建模，从而生成动态转向模型(DSM)，测量一组车辆操作值；处理该组车辆操作值和DSM，从而检测驾驶员介入，其中驾驶员介入对应于超控扭矩重叠操作的驾驶员意图；和当检测到驾驶员介入时自动超控扭矩重叠操作。如果检测到驾驶员的意图是要单独掌控转向，那么EPS就退出。毫无疑问，这样的系统非常复杂，通用和博世在此领域拥有不少专利。

显然，想逆向输入力矩不大可能。逆向出来的结果肯定会出现转向不足、转向过量和阶跃振荡，很不安全。

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伪装成LKA控制器

上图为典型的齿条型或齿轮型EPS，欧美车型通常都选择齿条型或齿轮型的EPS而非亚洲市场的C型EPS。大多数配备LKA功能的车型都选择齿条型或齿轮型EPS。

上图为LKA的逻辑流程，LKA目前有DLC和TLC两种，也有融合两种算法的，不过常见的还是TLC。用摄像头检测车道线并检测到率曲率，在车辆即将越过车道线前发出警告，如果驾驶员不采取转向措施，那么车辆会主动转向来避免越过车道线，通常LKA都与ACC自适应巡航联动，也就是说必须开启ACC才能启动LKA，特别是日系车。也有单独启动LKA的，相对比较少见。LDW则是可以单独启动。LKA给出期望的横摆角速度，然后由一个STM（转向扭矩管理器）来将横摆角速度转化为合适的扭矩指令给EPS系统，EPS系统再启动电机转向。

上图为STM框架图，也就是一个简单的PI控制器。

典型LKA系统的工作条件如上表，这里的自动驾驶是指检测驾驶员手离开方向盘15秒以上或在曲率半径低于1000米的弯道上行驶超过5秒。此外还包括车速必须在每小时72-180公里之间，有些是60-150公里之间。方向盘检测不到力矩，信号灯和雨刮开关都关闭。要伪装成LKA就要屏蔽掉转向信号灯和雨刮器信号，屏蔽掉方向盘重力传感器（放手驾驶），伪造一个合适的车速，伪造一个ACC启动信号。当然破解原厂CAN协议也是少不了的。奔驰宝马沃尔沃的某些车型则是FLEXRAY协议，破解难度极高，几乎不可能。

通常STM是无法更改的，而这个STM是为LKA系统而非自动驾驶设计的，通常LKA的力矩范围非常有限，毕竟LKA仅仅是要保持车辆不超过车道线的。看过LKA的人都知道，LKA动作很轻微，持续时间很短，几乎无法察觉。再有LKA只针对高速场景，高速时EPS会主动增加阻尼，但自动驾驶此时往往是在低速状态，这就导致转向不足或发生振荡，有可能不安全。

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伪装成自动泊车控制器

第四种方案与第三种类似，和LKA一样，自动泊车APA的限制条件也很多，并且更复杂，需要屏蔽的更多。任何方向盘、油门踏板、制动踏板的动作都会导致退出自动泊车状态。此外还包括档位不在倒档。跟LKA相反，自动泊车被限制在时速10公里以下，甚至更低。需要伪造一个低速情景，而低速时，EPS的助力增益是比较大的。