第一章、 緒論
1.1 研究背景
近年來環保意識抬頭，能源危機和全球氣候暖化變遷的議題不斷地被各界討論，許 多企業也都持續於發表與開發新的綠色環保產品和概念。
在汽車工業方面，越來越多的國內外汽車大廠都紛紛投入發展電動車或是油電混合 動力車的行列，像是國內廠商中納智捷發表的智慧型電動車 Lexgen M7、美國電動車廠 商特斯拉(Tesla)的 純 電 動 跑 車 TESLA Roadster、德國賓士推出的 Mini E、三菱量產 的 i-MiEV，以及日本汽車廠商 TOYOTA 的 Prius 油電混合動力車等等，都是希望能以 電能取代傳統汽油能源達到節能的目的，並且減少行駛時廢氣的排放。加上先進國家近 年來均積極促進電動車產業發展，推動多項補助政策，預期電動車在未來的市佔率將會 有所提升。
在電動車研究與控制上，Yoichi Hori[1]在論文中提到電動車發展與研究的價值，是 適合在電動車上應用”先進的運動控制(Advanced motion control)”技術；電動車使用馬達 或者是輪內馬達(In-wheel motor)作為車輛的動力，可以總結出三項優點：(1)電動馬達可 以快速且準確的產生出扭力。回授控制器可以在駕駛者對車輛動態作改變前，對車輛作 控制。 (2)馬達可以安裝在兩個或四個輪內。將馬達安裝到每一個輪胎，可以讓左右兩 側的輪胎產生不同方向的扭力，實現控制策略。 (3)馬達的扭力容易量測。馬達的扭力 可以從量測馬達的電流得知，或者是用扭力感測器(Torque sensor)也可以量測。利用量 測到扭力的資訊，設計簡單的輪胎與路面間縱向摩擦力估測器，就可以估測出加速或減 速時摩擦力的大小。在 Yoichi Hori、Peng He[1][2][3]的論文中，所研究的車輛是他們改 造 Nissan March 所設計的電動車：UOT (University of Tokyo) Electric March II，在車輛 四個輪胎內都有安裝輪內馬達，能夠獨立控制每個輪內馬達的扭力。此外，國內研究單 位也有不錯的電動車研究成果展現，像是工研院所研發的四輪電動車 e-buggy，也展現 了未來綠能動力電動車發展的可能性。
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當越來越多駕駛者選擇駕駛電動車當作日常代步工具時，車輛本身駕駛上的舒適性，
以及目前所關注的環保節能的問題上很重要外，安全的駕駛系統一直以來也都是一個非 常重要的議題。在車輛轉向的穩定性控制已經有很多學者做這方面的研究，且提出不同 的 控制 策略；像 是四輪轉向 (Four-wheel steering：4WS)控制[4][5][6]、差動式煞車 (Differential brake) 轉 向 控 制 [7] 、 直 接 橫 擺 力 矩 控 制 (Direct yaw moment control ： DYC)[8][9][11] ， 以 及 本 研 究 所 使 用 的 最 佳 化 輪 胎 摩 擦 力 分 配 (Optimum tire force distribution)控制方法[21]等等，都有不錯的研究成果。
一般車輛在道路上行駛，路面的狀況會直接影響到車輛輪胎與路面間的受力，而輪 胎與路面間的受力又會影響到車輛的動態，所以如果可以估測車輛輪胎與路面間摩擦力，
控制器可以利用此資訊更有效的控制輪胎動態，讓車輛在不同的路面狀況下都能保持安 全與穩定地行駛。例如：車輛某側輪胎行駛過一水灘，控制器就必頇控制使車輛保持原 行駛路徑，避免打滑；車輛在作轉向時，有效平均分配車輛輪胎與路面間摩擦力作控制，
保持轉向的穩定安全；此外，控制器若能即時得知此時輪胎與路面間摩擦力大小，也可 以控制輪胎扭力或轉角避免輪胎鎖死或打滑。因此，電動車若具有估測路面摩擦力的系 統，判斷路面與輪胎間的摩擦力，回授設計控制器作控制，將有助於控制車輛的行駛動 態。
本研究致力於如何將估測的摩擦力回授設計控制器，並且建立車輛運動控制系統，
包含車輛縱向速度、車身質心側滑角，以及橫擺角速度的穩定控制，透過最佳化輪胎摩 擦力的分配，更有效且安全的控制車輛的行駛。
1.2 研究目的
本研究目的在於設計車輛運動控制系統，最佳化分配出各個輪胎與路面間所需要產 生的摩擦力，並由下層控制器控制輪胎動態產生所需的摩擦力，使得車輛達到我們所希 望的動態運動。在此研究中控制器可分為三個部分：上層控制器、最佳化輪胎與路面間
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摩擦力分配和下層縱向摩擦力回授穩健控制器、輪胎側滑角控制器。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的總和，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摩擦力與側向摩擦力；下層控制器，控制輪內 馬達的扭力大小和車輪的轉向角度，使得輪胎和路面間產生上層控制器分配出來的摩擦 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
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矩與轉角
控制車輛
X Y M
F adi F bdi
T mi i
圖 1. 1 控制系統流程方塊圖
1.3 研究貢獻
本研究設計出的車輛運動控制系統，包含上層控制器、最佳化輪胎與路面間摩擦力
分配和下層縱向摩擦力回授穩健控制器、輪胎側滑角控制器。
一般傳統控制器對輪胎模型的假設為線性輪胎模型，沒有考慮輪胎的非線性特性，
故在車輛側向加速度較大時，會因為輪胎非線性的特性，使得輪胎飽和，造成控制器不 再能保證車輛側向與橫擺運動的穩定。而本研究設計的下層控制器有考慮輪胎非線性之 特性，在控制器中假設一非線性輪胎模型，並考慮其動態以及與真實輪胎間模型不確定 性(Model uncertainty)的問題，設計控制策略避免輪胎鎖死或打滑的情況發生，進而提升 車輛運動控制的穩定性。
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此外，若在緊急情況下，一般駕駛者通常無法輕易地自行操控車輛修正行駛路徑，
使車輛依然可以行駛於安全的行駛路徑，故此時必頇藉由控制器來控制車輛動態跟隨給 定的參考軌跡，行駛於安全的路徑。然而在緊急狀況下，駕駛者會下達較大的轉向命令，
車輛側向加速度也較大，故一般傳統控制器將無法保證車輛側向與橫擺運動的穩定，而 本研究設計的控制器則依然可以控制車輛跟隨給定的參考路徑。
1.4 論文架構
論文各章節的編排如下
第一章 緒論：描述研究背景、動機與目的。
第二章 相關研究：介紹各種不同車輛轉向控制的控制方法，然後簡介本研究使用的控