第 六 章
車輛動態估測系統－車輛模型／參數未知
本章節將會提出一個適用於當車輛模型／參數未知時的車輛動態估測系統，其優 點在於不需要任何車輛數學模型與相關車輛參數，單純採用感測器的量測資訊運用感 測器混合系統（Sensor Fusion System）來獲得目前車輛動態資訊與道路角度資訊，並且 利用 濾波器（Alpha-beta Filter）來獲得車輛動態的一次微分資訊，用以降低積分 雜訊誤差。此方法的估測精度主要取決於裝設於車輛上的感測器量測精度。
6.1 一般車用感測器混合系統
感測器混合系統主要是用來調節來自於各種感測器的量測資訊，以便獲得品質較 佳的量測資訊。一般而言，運用於車輛的感測器混合系統主要是用來調節全球衛星定 位系統與三軸加速度感測器的量測訊號[24]-[28]，例如修正加速度量測偏壓、同步量測 訊號以及最佳化雜訊精度。
6.1.1 基礎運動學（Kinematics）模型
為了調節來自於感測器的量測資訊，首先必須要有一運動學模型用以描述角度、
位置或速度。假設安裝慣性量測單元（包含三軸角速度感測器與三軸加速度感測器）在 車體重心用以量測角速度與加速度，可以利用下述之一階與兩階動態模型分別描述角 速度與加速度與感測器量測量之間的關係，角速度的動態模型列於方程式（6.1），經過 一次積分後可以獲得角度；加速度的動態模型列於方程式（6.2），經過一次及兩次積分 後可以獲得速度與位置：
1 ang ang
3 3
ang ang ang ang ang
u C x 0
u B x A x
(6.1)
Tang g,g,g x
別獲得角度、位置與速度，其精度將會取決於感測器的雜訊特性與偏移量（Offset）。
選用加速度感測器與全球衛星定位系統來做感測器混合系統主要是因為兩者感測 器擁有互補的特性，以加速度感測器來講，其利用質量塊來感測慣性加速度訊號，從 感測訊號產生到輸出都是發生在封裝晶片內部，不易受到外在環境因素影響，因而感 測精度較高且取樣頻率較高（＞100 Hz），但是最嚴重的缺點在於經過長時間的積分之 後，其位置誤差會因為雜訊積分而越來越大；相對地，全球衛星定位系統需要接收從 太空傳送而來的衛星訊號，會受到電離層、對流層與多路徑效應等等環境因素的影 響，因而感測精度較低且取樣頻率較低（＜10 Hz），但是由於是直接獲得位置資訊並 沒有透過積分運算，因此能夠提供長時間的位置資訊而精準度保持在一定的範圍內。
為了同時獲得這兩種感測器的優點，整合全球衛星定位系統與加速度感測器的感測器 混合系統是較為常用的方法。
雖然上述這兩個運動學模型已經被大量地運用來獲得相對於地球座標的車輛動態 資訊，然而卻無法分辨相對於道路座標的車輛動態資訊及道路角度資訊。因此後續章 節將會增加感測器，並修改此運動學模型以適用於行駛於斜坡路面的車輛動態行為。
Inertial Measurement
Units Global Positioning
Systems Vehicle
Positions, velocities and angles
Accelerations and angular rates
Filter error
－
＋
State estimation
Inertial Measurement
Units Global Positioning
Systems Vehicle
Positions, velocities and angles
Accelerations and angular rates
Filter error
－
＋
State estimation
＋ －
a)
b)
圖 6.1 感測器混合系統：a) 開迴路設計；b) 閉迴路設計
全球衛星定位系統 天線接收器
圖 6.2 裝設於車輛上的具有三根天線之全球衛星定位系統