各國智慧車之配備分析

實驗車的各種配備與研究的目標息息相關，在本節中，我們深入了解世界各 國的同類型研究，分析他們使用的配備與研究方向。

在世界各國以家庭房車為實驗車的研究中，依照實驗車所使用的感測方式，

可分為兩大類：第一類以美國 PATH 計畫為代表，第二類則以義大利 ARGO 計畫與 俄亥俄州立大學的 OSU 計畫為代表。

第一類的實驗車，必需搭配基礎建設(Infrastructure)才能取得車輛狀態。

例如 PATH 計畫所改裝的別客(Buick)配有磁場感測器，如圖 2.1 中編號一的元 件，感測器能感應埋在車道中的磁石，藉以判斷車輛與車道的相對位置或速度。

在 1997 年聖地牙哥的實地演練中，PATH 計畫實現了自動化高速公路系統 (Automated Highways)，八輛改裝過的轎車排成一列，以時速約 104 公里自動駕 駛，每輛車的間距卻只有短短的 6.5 公尺[5]。該計畫在一條特製的高速公路，

每間隔一公尺埋進一個磁石。

圖 2.1：PATH 計畫使用的實驗車，圖中編號一的元件為磁場感測器 有別於需要搭配基礎建設的實驗車，在第二類的研究中，實驗車被設計為可 以在一般車道上行駛，不需要依靠道路端(roadside)傳來的資訊。這類的實驗 車，仿造人眼視覺感測方式，以影像偵測為主，再搭配雷達或紅外線感測器，偵

測車

lane change 執行任務

law P Control Time-optimal Control 車體模型：線性腳踏車

特別為 ARGO 定製的配備[6]。

圖 2.2(a)：ARGO 計畫之內裝配備

一個步進馬達，藉著傳送帶 圖 2.2(b)：ARGO 計畫之實驗車配備

在致動器方面，由於 ARGO 的目標在於跟車，路徑的曲率半徑則規劃為大曲 率半徑，不考慮直角轉彎的狀況。因此，ARGO 團隊並沒有加裝縱向的致動器來 控制車速，例如油門與煞車，車速信號對 ARGO 來說，只作為調整控制器的參考 信號。ARGO 的自動轉向功能以機械結構來達成，由

的方

統感測並且重建道路資訊，找出目前路徑與目標路徑的差值 e，並調整控制器。

式帶動方向盤的轉向柱(steering column)。

ARGO 團隊的專長為影像處理，在成果發表中，也多專注於道路資訊取得與 重建，因此，他們在控制法則方面採取相對簡單的作法，控制器目標是準確的跟 隨前導車前進，系統方塊圖如圖 2.3。其中，控制器使用的是比例控制器(gain proportional controller)，而控制輸出信號是前輪轉角δ。ARGO 藉由視覺系

車 可 執 行 車 道 保 持 (lane keeping) 與 車 道 變 換 圖 2.3：ARGO 的控制機制

相 對 於 專 精 在 影 像 處 理 的 ARGO ， 美 國 俄 亥 俄 州 立 大 學 (Ohio State University)的 OSU 計畫，則以實現控制理論為導向。OSU 使用一台 1996 Honda Accord LX＇s 為實驗車，這台實驗車由 Honda 提供，並且配備了縱向與橫向的 致動器，包含電子轉向系統(Steer by Wire, SBW)，與電子驅動系統(Drive by Wire ,DBW)。在電子驅動系統中，不僅有油門致動器，更有煞車致動器。如圖 2.4，除了致動器之外，在車前與車後有雷達測距裝置，再加上前視攝影機。藉 由 這 些 配 備 ， OSU 實 驗

(lane-changing) [8]。

慮大幅度的轉向，而在執行變換車道的功能時，則不考慮大幅度的 加速

方式來加裝轉向機制，以不破壞原始 配備為原則，可以作為本研究的借鏡。

圖 2.4：OSU 計畫實驗車配備

綜合上述觀察，在實驗車控制領域中，橫向與縱向控制力是被分開來實作 的，ARGO 只使用方向盤來自動控制轉向角度，而油門與煞車則由駕駛人工控制。

OSU 計畫雖然同時配備了電子轉向系統與電子驅動系統，但是在執行車道保持功 能時，則不考

減速。

另外，對非車輛背景的研究者來說，貿然改裝車輛內部架構，一但破壞車體 機械結構，可能會嚴重影響行車安全，而 OSU 能夠取得 Honda 原廠改裝電子致動 器的車輛，實屬難得。ARGO 則是以附加的

2.1.

提供的車體參數如表2.2，圖2.5則是以車輛模擬軟體Carsim所表示的車體資訊。

表 2.2

7 人座特仕車型 2 實驗車：TAIWAN iTS-1結構參數與原始配備

本研究承蒙中華汽車捐贈了一台SAVRIN作為實驗車，SAVRIN為國產轎式休旅 車，本研究所獲贈的則是日本原裝進口原型車，車殼為白色。根據SAVRIN原廠所

: SAVRIN 相關資訊

引擎 L4 DOHC 16V VVT +DMM 可變汽門正時系統

排氣量 (cc) 1997

最大馬力 ps/rpm 150/6250 最大扭力 kg-m/rpm 19.2/3000

變速系統 INVECS-II SPORTS-MODE 4 A/T

最小迴轉半徑(m) 5.5

油箱容量(l) 63

圖 2.5：SAVRIN 車體結構數據

在最初取得這台實驗車的時候，本研究的實驗車如同一般市售的SAVRIN，並 沒有內建電子轉向系統(Steer by Wire, SBW)，與電子驅動系統(Drive by Wire ,DBW)，也缺少可以提供車速資訊的行車電腦，距離本研究的初步目標～「以 電子方式控制車輛行動」，的確有很長的路要走。所幸，SAVRIN的內部空間很大，

在加裝電子配備的考量上，給我們很大的自由度；而中華汽車所提供的車體資 訊，

的資源，累積車輛控制的經 驗，進而發展成能與其他實驗車並駕齊驅的成果。

也给我們很大的幫助。

對比PATH計畫所擁有的龐大人力與財力，與OSU實驗車內建完整的電子裝 置，本研究將從小而美的任務開始發展，運用從現有

類似站立的人 圖 2.6：TAIWAN iTS-1 外觀

本研究將這台實驗車命名為TAIWAN iTS-1，如圖2.6，是台灣在智慧型運輸 系統(Intelligent Transportation System, ITS )研究中，第一台實車驗證平 台，其中小寫的i，不僅有智慧(intelligent)的意涵，也取其形狀

類，代表TAIWAN iTS-1以人為本，發展人性化的智慧型房車。

汽車產業常用的一套研發流程稱為 V-Cycle，如圖 2.7，V-Cycle 是 dSPACE 公司所提的一套電子控制單元(Electronic Control Unit, ECU)完整的研發

dSPACE 公司出產 V-Cycle 所需要的軟硬體，且被許多汽車公司採用。

在 V-Cycle 的左邊中間部分，表示在實現控制器的時候，需要快速雛形建置 (Rapid Control Prototyping)的硬體，由於控制器會時常修正，這個硬體需要 具備快速的修改方法。在 V-Cycle 右邊的部份，則代表在電子控制單元的迴路測 試(Hardware in the Loop, HIL)階段，需要有另一套軟硬體，模擬真實車輛的 物理模形，包含真實負載的模擬與各種可能產生的故障

統，以便在實車測試之前過濾可能發生的問題。

天 合 汽 車 集 團 (TRW Automotive Holdings Corp.) 在 發 展 電 子 轉 向 系 統

(Steer-by-Wire)時，即採用如圖 2.8 左上方的中央 MicroAutoBox 來完成控制器 的快速雛形建置(Rapid Control Prototyping) [6]。

圖 2.7：車用電子系統發展的 V-Cycle

圖 2.8：天合汽車集團研發電子轉向系統的雛形

由以上資訊可以得知，一個完整的車輛用電子控制單元(ECU)發展過程，是 需要重覆的測試與驗證，而重複性這個特點，則暗示了電子控制單元必須能被快

速的修正。因此，這將是我們選擇電子控制單元的主要考量。

第三章

主控制器功能與設計

前一章確立了實驗車測試平台的走向，本章將介紹整個測試平台的另外一個 主要元件～主控制器，包含主控制器的選擇，軟體與硬體測試，以及測試過程所 遇到的問題與解決方式。

3.1 以 MicroAutoBox 為主控制器

實驗車平台必須提供高度的彈性，以配合各個子計畫所提供的各種子系統，

包含各種致動器與感測器，因此，在考慮主控制器時，高速的運算能力與多樣化 的輸入輸出資源，是第一個重點。

本研究的控制理論研究團隊，已開發出各種不同的車輛控制方法，為了測試 這些不同的方法，控制器的軟體部分，需要具備簡易且快速的修改功能。另外，

控制器除了在實驗車上使用，也必須在實驗室先進行分離測試，也就是控制器的 硬體必須體積小且可攜性高。此外，為了增加可靠度，與提升研究的可行性，廠 商的經驗與售後服務也是一大考量要點。

基於以上的需求，我們選擇了由 dSPACE 公司所生產的 MicroAutoBox 為主控 制器。dSPACE 的各種快速雛形建置器(Rapid Control Prototyper)廣為車輛產 業界使用，而在台灣也有工研院採用 MicroAutoBox 來進行機車引擎的研究。

MicroAutoBox 的體積大約等於一包 A4 影印紙，20(寬) x 22.5(長) x 5(高) 公分，可攜性相當高[12]。如圖 3.1，我們將透過左下方的圓孔與筆記型電腦連 接，電腦只要加裝 PCMCIA 轉接卡，就可以由電腦端執行程式下載、數據監測等 功能。而中間下方的黑色部份，則是總共 156 個腳位的連接器，用來跟其他裝置 連接，如圖 3.2。

圖3.1：MicroAutoBox外觀

圖3.2：MicroAutoBox與其他裝置連接示意圖

表 3.1 為 MicroAutoBox 配備的信號介面，主要包含電源、類比到數位信號 轉換器（ADC）、數位到類比信號轉換器（DAC）、車用電子信號主流規格 CAN-Bus

（Controller Area Network ,CAN）、並列式數位信號輸入輸出介面（DIO）、

序列式輸入輸出介面（Serial Interface）。

表 3.1： MicroAutoBox 配備的信號介面 MicroAutoBox 配備的信號介面

Base Board Digital I/O Subsystem CAN Subsystem

ADC Unit Type 1 Bit I/O Unit CAN Support, Interface 1 DAC Unit DIO ADC Unit CAN Support, Interface 2 ECU Interface

Unit Drives Control Edge Aligned Serial Interface Flash Memory

Access Drives Control Center Aligned

PWM Generation with a Variable

Period (PWM_VP)

Matlab 是控制領域最常使用的設計軟體，而 dSPACE 公司所提供的一整套控 制系統軟硬體研發工具，能夠和我們的研發環境～Matlab/Simulink 完美的結 合，讓控制團隊在 MATLAB 上的研發成果，能夠快速的得到驗證。

除了可與電腦快速溝通之外，MicroAutoBox 也可以獨立運作。在程式下載 之後，MicroAutoBox 在下次開機時，不須與電腦連線，僅需 12 伏特的直流電壓，

即可獨立運作，執行控制功能。

3.2MicroAutoBox 程式設計與問題解決

MicroAutoBox 是一套獨特的系統，雖然它能很方便的與 Matlab 串連，但是，

在讓它工作之前，還需要先學習如何使用專門的硬體與軟體。

在硬體方面，除了接線裝置、電源的安排、還要考量信號線的規格與推力。

軟體方面，需要學習兩套相關的軟體，第一套是 dSPACE 公司在 Matlab/Simulink 中附加的各種元件方塊，第二套是 ControlDesk，這是用來下載程式、監控信號、

與管理 MicroAutoBox 的軟體。本節將簡單介紹這些軟體與硬體的使用，並討論 相關問題。

3.2.1 MicroAutoBox 程式設計

圖 3.3：dSPACE 在 Matlab/Simulink 新增的元件

在安裝了 MicroAutoBox 之後，在 Matlab 作業環境下，會發現如圖 3.3 所示 的元件被新增到 Simulink 中，圖中的 DS1401 Base Board 指的是 MicroAutoBox 內的基版型號，而圖中的 DS1401 STANDARD I/O 模組，則提供所有的輸入輸出方

在安裝了 MicroAutoBox 之後，在 Matlab 作業環境下，會發現如圖 3.3 所示 的元件被新增到 Simulink 中，圖中的 DS1401 Base Board 指的是 MicroAutoBox 內的基版型號，而圖中的 DS1401 STANDARD I/O 模組，則提供所有的輸入輸出方