系統模型建構

第 三 章

系統模型建構

本研究以超車作為研究情境，具有超車功能的車輛模型作為系統測試函數，

感測不確定性為設計變數，環境設定及車輛參數為系統參數，以量化後的超車軌 跡為系統輸出。以下小節將詳細介紹超車情境設定及系統測試函數架構。

3.1 超車規則及情境設定

超車是一項複雜的駕駛任務，指的是車輛從原本車道移動到另一車道，並在 另一車道超越前方障礙車，最後移動回原車道的行為。超車在涉及車輛的橫向和 縱向運動的同時，要避免與障礙車的碰撞 [50]，通常用於超越在同車道上停止或 速度較慢的車輛 [51]。本研究選用超車作為探討的情境有以下五點重要考量：

1. 由於現實中超車行為發生頻繁，且車禍機率高，有研究的重要性。

2. 有一系列的行為需求，並包含與其他車輛互動，需要透過感測器偵測其他車 輛狀態。

3. 車輛同時包含明顯的縱向運動與橫向運動，車輛控制較為複雜。

4. 有明確的引發意圖，其中的判斷邏輯是根據對外界環境理解後做出的行為，

可以建立成書穴模型。

5. 行為的開始及結束容易觀察，並且可以在短時間內完成整個過程，在分析及 量化時可以明確的擷取。

圖 3.1 說明本研究設定超車情境中車輛的相對位置關係與符號定義。以 Car S 作為主要分析對象，其所在車道為原車道，相鄰車道為超車道，Car F 為原車道上 的障礙車，透過兩車間的相對速度，引發車輛 Car S 的超車意圖，假使 Car S 偵測 到 Car F 的行駛速度比自身的速度小，那 Car S 就會開始進行超車準備。整個超車 行為可以分解為三個動作包含 Car S 由原車道變換至超車道，在超車道上前進超 越 Car F，最後由超車道變換回原車道。

Car S Car F

1

2

3

圖 3.1: 超車情境說明

3.2 系統架構

本研究欲分析的系統函數由感測誤差模型、系統控制策略及車輛與道路模型 所組成。感測誤差模型將理想的車輛狀態及環境資訊加入感測誤差，以模擬實際 的感測情況。系統控制策略利用 MATLAB/Simulink 編寫，由多個功能模組組成，

負責判斷、指令計算與對車輛下達命令。車輛與道路模型利用 CarSim 建立，模擬 車輛各系統及環境間的相互作用，以表現車輛動態行為。系統架構如圖 3.2。車輛 運動狀態及障礙車輛設定經由感測誤差模型處理後輸入控制策略作為決策及控制 依據，判斷加速、減速或超車，並輸出加速、煞車及轉向控制命令。接收控制命 令的車輛模型根據道路環境設定及車輛各系統參數設定，計算車輛運動狀態並輸 出。Simulink 與 CarSim 透過 S­Function 連結，CarSim 將模擬條件及車輛模型參數 建立成 Simulink S­Function，成為 Simulink 中的一個函數，可以接收系統控制策 略的控制指令，並輸出車輛動態。

Obstacle vehicle setting

Sensing Error Model

Control Strategy

Road environment Setting

Vehicle Dynamic Model

CarSim Obstacle vehicle setting

Sensing Error Model

Road environment Setting

Vehicle Dynamic Model

MATLAB/Simulink Control Strategy

Strategy required Vehicle Motion States

Throttle/Brake/Steer Control Command

圖 3.2: 系統架構

3.3 車輛與道路模型

本研究以工研院建置的 CPEV 自主駕駛車為車輛原型，在 CarSim 中建立車 輛模型，如圖 3.3。CarSim 可以模擬及分析車輛在不同道路環境下，對行車控制 指令的反應。建立車輛模型的各項系統參數由實驗取得數據，包含幾何尺寸、轉 向系統、煞車系統及輪胎懸吊系統，CPEV 車輛規格如表 3.1，這些參數在李則 霖 [52] 的研究中透過實驗方法驗證並校正，可對模型準確性有信心。CarSim 中除 了車輛系統之外，亦可設定道路環境如路面形狀、摩擦係數、道路標線與路面障 礙等環境條件，設定介面如圖 3.4，設定道路環境為乾燥路面，路面摩擦係數為 0.85。

圖 3.3: CarSim 車輛模型

圖 3.4: CarSim 道路環境設定介面

表 3.1: CPEV 車輛規格

車輛規格

車長/車寬/車高 (m) 4.090/1.570/1.950 軸距/前輪距後輪距 (m) 2.615/1.370/1.370

空車載重 (kg) 1576

AC 三相電壓 (Voltage) 324 最大功率 (kw)@ 轉速 (RPM) 50@8000

馬達扭力與功率對轉速之 特性曲線

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

0

3.4 系統控制策略

系統控制策略由多個功能模組組成，以蔡松霖 [53] 在 MATLAB/Simulink 環 境下所建立的主動安全控制策略為基礎，改變策略中的路徑規劃方式。圖 3.5 顯 示了包含控制策略的內部結構及其在系統整體架構內扮演的角色。感知系統 (Perception System) 接收周圍環境和自身車輛狀態的感測數據並將其處理成決策所 需資訊以提供給決策系統，本研究中感測數據會經由感測誤差模型處理後才輸入 感知系統。決策系統 (Decision­Making System ) 確定車輛的行為，並由其中的控制 子系統 (Control Subsystem) 計算控制命令並輸出。在決策系統中，包括行為規劃 及軌跡規劃功能。行為規劃功能根據感知系統提供的資訊來檢查超車行為中第一

Control Strategy

Perception System

Sensing Data Processing

Throttle/Brake/Steer Control Command

Vehicle Dynamic Model

Decision-Making System

Trajectory Planning Behavior Planning

Control Subsystem

Lane

Processed Information

Sensing Error Model

Vehicle States Feedback

超車可行性的判斷門檻，繪製如圖 3.6。車輛首先檢測前方是否有障礙車。如果前 方有障礙車，且障礙車移動速度小於自身車輛的目標速度，開始進行超車可行性 判斷。判斷兩車相對距離以決定車輛行為。如果在合適避障區間內，則開始執行 超車。如果已進入安全區間，則進行速度規畫及車道保持控制，滑行緩速並跟隨 障礙車，等待超車時機。如果進入警戒區間，表示與前車距離已小於安全距離，

碰撞風險增大，開始含煞車減速直到距離回到安全區間。另外，當在危險區間中 檢測到障礙車時，自身車輛將緊急煞車以避免碰撞，直到障礙車離開危險區域才 繼續行駛。下面列出超車可行性判斷門檻的名詞定義及計算方式。

危險區間 執行主動緊急煞車

等待啟動時機 緩衝區間

含煞車減速 安全區間

控制速度 等待超車時機 合適避障區間

計算軌跡 開始超車

D_Avoid D_Safety D_Danger 圖 3.6: 超車可行性判斷

1. 危險區間

當車輛進入此區間，判斷不可前行並執行主動緊急煞車 (Auto Emerency Brake, AEB) 避免碰撞。當兩車相對距離小於危險距離 D_Danger，即表示車輛 位於危險區間，危險距離 D_Danger 為車輛在各速度煞停所需距離。表 3.2 為 本車輛在各速度區段下緊急煞停後，能與障礙車保持 3 公尺以上的煞車需求 距離。此值透過 CarSim 執行緊急煞停模擬取得。

表 3.2: 各起始速度煞停需求距離 時速 (kph) 10 20 30 40 50 60 70

DDanger(m) 4 6 7 13 16 22 29

2. 警戒區間

警戒區間為安全區間與危險區間之間的緩衝區域，當進入此區間，車輛開始 含煞車減速直到車輛回到安全區間。

3. 安全區間

當車輛進入此區間，將放開電門滑行緩速，進行速度規畫，調節車輛速度，

並繼續車道保持控制，保持車輛行駛穩定，直到車輛回到合適避障區間。當 兩車相對距離大於安全距離 D_{Saf ety}，即表示車輛位於安全區間，安全距離

D_{Saf ety} 計算規則如式 3.2，其中 V_SF 為兩車相對速度，為目前駕駛車速 V_S

減去障礙車速 V_F，如式 3.1；T T C 為碰撞反應時間，本研究設定為 2 秒；

C_V 為增加安全距離的車輛速度分界，本研究設定為 50 kph。由於駕駛的反 應距離隨駕駛速度呈非線性成長 [54]，且駕駛車速超過 60 kph 後，煞車距 離更長。因此設定當駕駛車速超過 50 kph，安全距離增長，車輛能提早以較 小的煞車力減速，減緩煞車過程不適。

V_SF = V_S − VF (3.1)

{ D_{Saf ety} = T T C× VSF , V_S ≤ CV

D_{Saf ety} = T T C× VSF + T T C× (VS− Cv) , V_S > C_V (3.2) 4. 合適避障區間

當車輛進入此區間表示車輛有足夠的空間可以採用舒適且安全的方式避開 前車進行變換車道，本研究設定此區間縱向大小為 10 公尺。當兩車相對距 離大於合適避障距離 D_Avoid，即表示車輛位於合適避障區間，合適避障距離

D_Avoid 為該車速下之安全距離 D_{Saf ety} 與最小變換車道縱向距離 D_{Comf ort} 之

合，如式 3.3。最小變換車道縱向距離 DComf ort 根據車輛及行駛車速不同而 有差別，會影響變換車道過程中橫向加速度大小，本研究定義此須符合 ISO 2631­1 乘車舒適度規範 [55]，乘客最多感受到＂輕微不舒服＂，即橫向加速 度小於 0.1 g 或 1 m/s²。透過 CarSim 模擬取得各速度區段的最小變換車道縱 向距離之數值如表 3.4。

D_Avoid = D_{Saf ety} + D_{Comf ort} (3.3)

表 3.3: ISO 2631­1 舒適度評估指標 加速度均方根值 (m/s²) 舒適程度

<0.315 無不舒服

0.315−0.63 一點不舒服 0.5−1 輕微不舒服 0.8−1.6 不舒服 1.25−2.5 非常不舒服

>2 極為不舒服

表 3.4: 各速度區間下的最小變換車道縱向距離

時速 (kph) 10 20 30 40 50

D_{Comf ort}(m) 35 45 52 65 75

3.4.2 軌跡規畫功能

當行為規畫功能確定超車可行之後，軌跡規劃功能規畫變換車道預期軌跡。

首先確定變換車道的起點及終點，即變換車道後預期的縱向位移及橫向位移，接 著規劃參考軌跡，計算規則解說如下。

1. 縱向位移

縱向位移 X_Bezier 表示為式 3.4。D_x 為兩車相對縱向距離，V_SF 為兩車相對 速度，為本車輛速度減去障礙車速，T T C 為碰撞時間。本研究設定為 2 秒。

XBezier = Dx− DSaf ety (3.4)

2. 橫向位移

橫向位移 Y_Bezier 表示為式 3.5，其中 D_y 為兩車相對橫向距離，而 W_r 為單 一車道寬度，本研究設為 3 公尺。可以根據兩輛車的橫向間距調整變換車道 橫向位移，獲得最短且有效率的路徑。

Y_Bezier = W_r− Dy (3.5)

3. 參考軌跡

前述計算確定變換車道起終點，下一步決定如何連接。當變換車道軌跡與直 行的軌跡以 G2 曲率連續性連接，可以減少循跡轉向時的橫向加速度，意即 提高乘車舒適度 [56]。本研究為了能將預期軌跡設為可調整系統參數，使用 三次貝茲曲線規劃參考軌跡，連接變換車道的起終點。貝茲曲線是一種參數 化曲線，並且可以藉由調整控制點來定義整條曲線，以 t 為參數，三次貝茲 曲線函數 B(t) 如式 3.6。此外，若如圖 3.7所示，三次貝茲曲線有四個控制 點 P0, P1, P2, P3，P0 與 P3 為變換車道的起終點，將與直行軌跡連接，限制 控制點 P1 與 P2 僅能在 x 方向上調整，即車輛行駛之縱向方向，在 y 方向即 車輛行駛之橫向方向上，則分別與 P₀ 與 P₃ 對齊，可使軌跡以 G2 連續性連 接。本研究設定 d₁ 與 d₂ 為軌跡參數，不同的 d₁ 與 d₂ 組合可以產生不同軌 跡，作為可調整的系統參數，進而代表不同的超車策略或者駕駛風格 [57]。

前述計算確定變換車道起終點，下一步決定如何連接。當變換車道軌跡與直 行的軌跡以 G2 曲率連續性連接，可以減少循跡轉向時的橫向加速度，意即 提高乘車舒適度 [56]。本研究為了能將預期軌跡設為可調整系統參數，使用 三次貝茲曲線規劃參考軌跡，連接變換車道的起終點。貝茲曲線是一種參數 化曲線，並且可以藉由調整控制點來定義整條曲線，以 t 為參數，三次貝茲 曲線函數 B(t) 如式 3.6。此外，若如圖 3.7所示，三次貝茲曲線有四個控制 點 P0, P1, P2, P3，P0 與 P3 為變換車道的起終點，將與直行軌跡連接，限制 控制點 P1 與 P2 僅能在 x 方向上調整，即車輛行駛之縱向方向，在 y 方向即 車輛行駛之橫向方向上，則分別與 P₀ 與 P₃ 對齊，可使軌跡以 G2 連續性連 接。本研究設定 d₁ 與 d₂ 為軌跡參數，不同的 d₁ 與 d₂ 組合可以產生不同軌 跡，作為可調整的系統參數，進而代表不同的超車策略或者駕駛風格 [57]。