緒論

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，美 國更是在 2011 年宣布未來的車輛帄均油耗標準 (Corporate Average Fuel Economy Standards, CAFÉ )[1]，內容當中提到在 2025 年後所有於美國販售的乘用車或是輕型卡車，

其燃油損耗都需達到 54.5mpg 之帄均標準(現行標準為 27.8mpg)。因此越來越多的汽車 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[2]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[2][3][4]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

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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。

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 和安全的駕駛系統很重要外，環保節能的議題近年來逐漸被大家所關注。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[5][6][7]、差動式煞車(Differential brake)轉向控制[8]、直 接橫擺力矩控制(Direct yaw moment control：DYC)[9][10][12]。在環保節能的研究中，

硬體方面的設計有可回充剎車能量的再生式剎車系統(Regenerative Braking System)[14]，

軟體方面的控制系統則有本研究所使用的統合底盤控制(Unified chassis control)[15]，都 有不錯的研究成果。

目前關於環保節能的研究，大部分著重於如何將控制器分配出的剎車力做最佳效率 的回充，藉由提升回充的能量效率，達到環保節能的目的，較少著重於如何將控制器分 配出的剎車力減少，藉由控制器設計減少需要花費在剎車上的能量，來達成環保節能的 目的。這是因為以往的控制策略研究，大多只採用一種控制輸入，控制器設計上彈性較 差，無法兼顧安全的駕駛系統和環保節能；近來多被使用的統合底盤控制則採用多種控 制輸入，在控制器設計上更具彈性，是適合用來探討兼顧安全的駕駛系統和環保節能的 控制器設計。

1.2 研究目的

本研究致力於兼顧安全和環保節能的角度控制電動車的車身質心側滑角以及橫擺 角速度，使車輛能以最節能的方式安全行駛。

本研究目的在於設計節能的車輛運動控制系統，最佳化分配出各個輪胎與路面間所 需要產生的縱向摩擦力，並由下層控制器控制輪胎動態產生所需的縱向摩擦力，使得車

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輛以節能的控制策略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縱向摩擦力分配和下層縱向摩擦力回授穩健控制器。

上層控制器根據駕駛情況用最佳化H_∞控制器權重比例分配出一H_∞控制器，該H_∞控制器 計算出車輛維持行駛路徑所需的前輪轉向角和直接橫擺力矩，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；下層控制器，控制輪內馬達的扭力大小，

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

上層控制器計算跟隨路徑所需之 前輪轉向角和直接橫擺力矩

最佳化分配出帄行胎面之 輪胎與路面間縱向摩擦力

下層控制器控制輪胎扭矩

控制的車輛





F

T

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縱向摩

擦力分配。

目前關於環保節能的研究大多著重在提升下層控制器回充的能量效率上，而本研究 則從上層控制器的設計上著手。下層控制器回充的能量效率受限於硬體方面，到一定程 度後，便難以再度提升，此時，若能搭配上本研究設計的上層控制器，除了能安全的控

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制車輛行駛外，更在節能上有所提升。

另外，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。

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