第一章、 緒論
1.1 研究背景
第一章、 緒論
1.1 研究背景
近年來汽車的發明與普及，便利了現代人的生活，卻也因此意外事故頻傳，車輛的 安全性一直是最值得探討的議題。隨著人們對於車輛的要求日益提高，國內外汽車大廠 對於車輛安全系統也越來越重視，為了保護車輛駕駛者的行車安全，使其獲得保障，車 輛安全系統已經是汽車設計工業不可或缺的環節。
車輛安全系統分為主動式安全和被動式安全。主動式安全與被動式安全的差別在於 主動式安全是指車輛發生撞擊、打滑等危險之前所啟動的輔助裝置，這些裝置在車輛接 近失控時便希望利用機械及電子裝置，保持車輛的操控狀態，常見的如防鎖死煞車系統 (Antilock-Braking System：ABS)；被動式安全則是指車輛已經失控的情況下，對於乘坐 人員進行被動的保護作用，希望利用結構上的導引與潰縮，盡量吸收撞擊的力量，確保 車內乘員的安全，典型的例子就是安全帶。本研究希望改善的為主動式安全系統之控制 效能，在像 ABS 這類的安全控制系統中，若能即時得知輪胎與路面間摩擦資訊，就能 讓 ABS 系統依照當下路面狀況決定輪胎受力，使車輛有效的達到駕駛者預期之行為。
本研究考慮到車輛行駛中，常會遇到各種不同的路面狀況，其路面狀況會直接影響 車輛輪胎與路面間的受力，因此可藉由輪胎與路面間受力情況不同，判斷目前車輛行駛 路面的變化。然而，輪胎與路面間摩擦係數會影響輪胎縱向力與側向力的產生，也因此 摩擦係數在車輛安全控制系統的分析與設計上便非常重要。透過摩擦係數的估測，即時 得知輪胎與路面間資訊，對於控制器在遭遇不同路況時，其控制效能能夠有所提升，例 如車輛在行經水坑時，控制器能夠保持車輛穩定不發生打滑，並有效的控制輪胎動態。
又或者車輛在轉向時，讓路面提供輪胎較大的摩擦力，使得轉彎半徑能夠縮小達到最有 效率的轉向，這些行駛狀況都跟輪胎與路面間資訊有相當大的關係，因此輪胎摩擦力與 摩擦係數的估測能讓安全控制系統更準確且有效的控制好輪胎動態。
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在輪胎側向力估測方面，已有許多學者做這方面的研究，且有不錯的成果；像是利 用卡爾曼濾波器(Kalman Filter：KF)[1]、無味卡爾曼濾波器(Unscented Kalman Filter：
UKF) 估 測 [2][3] 等等 ； 而 摩擦 係 數 估測部 分 ，則大 部份採用遞 迴最小 平方 演 算 法 (Recursive least square：RLS)，配合不同之參數化方法估測[1][4][5][6][7]。本研究首先以 無味卡爾曼濾波器分別估測四個輪胎之側向摩擦力，並根據輪胎模型的差異，提出修正 的輪胎側向模型參數化表示法，再利用 RLS 估測法分別估測得四個輪胎之摩擦係數。
其困難點在於克服輪胎模型不準確性(Model uncertainty)，分別且即時估測四個輪胎參數，
以及如何提高估測準確度。
關於車輛安全控制系統，本實驗室已設計出基於多數傳統車輛模型：前輪轉向、後 輪驅動(front-wheel-steering/rear-wheel-driving)的車輛運動控制器[8][9][10]。控制器架構 可分為：上層控制器、最佳化輪胎與路面間摩擦力分配和下層控制器。上層控制器計算 出車輛維持行駛路徑所需的縱向、側向合力以及橫擺力矩總和，然後經由最佳化分配出 車輛四個輪胎與路面間所需要產生的縱向與側向摩擦力，其中因後輪無法轉向(轉向角 恆為零)，並不能作轉向來控制，故需設計控制器以估測後輪側向摩擦力；下層控制器 部分，則控制輪胎扭矩大小和輪胎的轉向角度，使得輪胎和路面間產生最佳化分配出來 的摩擦力，如圖 1.1 流程說明。
駕駛人下達轉向命令
上層控制器計算路徑跟隨所需之縱向、側向合力與 橫擺力矩總和
後輪側向力即時估測並最佳化分配出平行與垂直胎 面之輪胎與路面間摩擦力
下層控制器控制輪胎扭力與轉向角
控制車輛
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i圖 1.1 控制系統流程圖
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此最佳化輪胎力量分配控制器，會針對車輛的三個方向運動動態(縱向、側向、橫 擺)進行控制，以確保車輛行進軌跡能跟隨給定之參考軌跡，並希望獲得輪胎與路面間 產生的摩擦力資訊，來掌握好各輪胎運動動態。每個輪胎所產生的摩擦力最大值為其正 向力與路面摩擦係數乘積，當輪胎摩擦力到達最大值時(亦稱為飽和)，表示控制器再無 多餘空間作控制，反應到車輛動態在緊急狀況下對駕駛者是危險不利的，所以為了避免 輪胎飽和的情況，其控制策略為最佳化輪胎與路面間摩擦力分配控制，而使輪胎與路面 之摩擦力遠離飽和點即為最佳化的訴求。
然而，此控制器在摩擦係數部分則當作已知常數運用，但對於實際車輛行駛於路面 時，輪胎與路面間摩擦係數會隨著路面狀況而有所改變，在無法即時得知路況改變的情 形下，可能造成最佳化輪胎力量分配的效率降低，可能導致輪胎打滑或無法有效率的讓 車輛達到駕駛者預期。此外，在下層控制器中，對於輪胎側向力控制部分，因無理想的 估測結果只能以開迴路形式設計最佳化轉向角控制器。
本研究希望基於此最佳化輪胎力量分配控制器，致力於即時估測輪胎與路面間摩擦 資訊，並回授至控制器作運用，提高最佳化輪胎力量分配的效率，改善其控制效能，使 車輛行經不同的路面狀況時，能夠有效的分配輪胎摩擦力且安全的控制車輛行駛。
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常數，所以我們分別利用無味卡爾曼濾波器(Unscented Kalman Filter：UKF)與遞迴最小 平方估測法(Recursive Least Square：RLS)即時估測四個輪胎之側向摩擦力以及摩擦係數，並致力於提高估測準確性與參數收斂速度。