第一章 緒論
1.1. 研究動機與背景
目前汽車市場最重視的就是整合主動式跟被動式的安全配備，所以 汽車製造業就把防止車輛翻覆成為重要的課題，譬如把傳統汽車底盤的 相關控制系統，加入車輛循跡控制系統(Traction control systems)跟防鎖死 煞車系統，將可大大降低車輛翻覆。美國於1978 年特別針對新車出廠執 行一套評價計畫(NCAP, New Car Assessment Program)，讓消費者在選擇 車輛有個參考依據，裡面包含側撞跟前撞的各項安全檢驗數據。而美國 國 家 公 路 交 通 安 全 管 理 局(NHTSA, National Highway Traffic Safety Administration) 也針對會造成車輛翻覆的因素，研究一套系統，此五顆 星的積分系統稱之為(RRR, Rollover Resistance Raring) [1]，其宗旨就是保 護生命、防止傷害、減少車輛撞擊。
為了提升車輛在行駛過程中受行駛彎道過快、彎道緊急煞車和突然 閃避障礙物…等影響翻覆之因素。各大車廠配備了許多電子化系統，包 括Adaptive Cruise Control (ACC)、Anti-lock Braking System (ABS)、 Lane Departure Warning、Electronic Safety Program (ESP) 、Electronic Stability Control (ESC)…等 [2]-[4]，其目的在於提高駕駛與乘客之安全。車輛在 行進彎道因離心力影響，為了有效防止傾覆，系統可藉由估測系統對車 輛偏航角(Yaw angle)、車輛側滑角(Sideslip angle)、道路坡度(Road angle) 、 車輛側傾角(Roll angle)和車輛側傾角速度(Yaw rate)等相關數據估測，並 將相關估測結果傳送至控制器，以便適時調整與控制。
本論文研究動機是嘗試利用車輛動態模型和未知信號估測技巧，藉
2
由車輛量測系統，將車輛側滑角(Sideslip angle)、車輛偏航角(Yaw angle)、
道路坡度(Road angle)、車輛側傾角(Roll angle)和車輛側傾角速度(Yaw rate) 等系統未知參數精確估測出來，以便控制器能據以利用並做相關適當處 置，以達到預防車輛翻覆的最終目標。
1.2. 研究目的
近幾年來，車輛設計越來越好且馬力越來越大，使得駕駛行為往往 會間接影響車輛的行駛安全，特別是車輛行駛在具有道路坡度及過彎路 面時，由於車輛會產生側傾現象，因此會發生車輛行駛不穩的情形，若 不及時且適當加以處置，極易產生車輛打滑或車輛翻覆危險。車輛翻覆 行為牽涉著複雜之車輛動力學，且與車輛偏航角、車輛側滑角、車輛側 傾角、車輛側傾角速度及未知駕駛環境干擾因素（如車輛參數不確定性 及道路坡度）等車輛系統參數息息相關。如何建構車輛模型及研究車輛 安全相關議題，一直是汽車產業及學術界最夯的研究課題之一[5-10]，也 是近年各大車廠研究車輛工程之重要課題，不同防傾覆控制系統也陸續 被提出[11-14]。
本論文研究之主要目的在於利用車輛建模技巧來描述車輛動力學，
並透過估測系統軟體來精確預估會影響車輛翻覆之重要車輛系統參數
（如偏航角、側滑角、側傾角、側傾角速度、參數誤差及道路坡度），以
便車輛控制系統能精準掌握車輛行進動態，並做出正確的判斷與制動行 為，以達到即時仰制翻覆的目的。由於車輛傾覆行為包含了許多未知訊 號的交互影響，因此本論文嘗試利用未知信號估測技術來設計車輛系統 所需的估測法則，並藉助MATLAB 軟體來進行模擬驗證。
3
1.3. 文獻回顧
車輛動態之車輛安全是現今駕駛及乘客相當重視的問題，(Marine、
Wirth and Thomas)[15]，我們可以使輪胎轉向角以及輪胎轉速(運用雙輸入 模式)，讓車輛動態模型程式當作車輛測試的駕駛當中，行駛在道路途中 若是遇到突發狀況而造成車輛側傾的翻覆情形，然而我們可以運用車輛 動態模型，讓感測器參數回訊給控制器，即可改變車輛側傾角(Roll angle) 的車輛懸吊側傾之角度。
另外，市場對於那些高重心、長軸距跟短輪距的高危險的車輛族群 們，對於這些因素將會造成車輛側傾的穩定度跟操控性能之側傾行為更 是有著相當重要的原因，(Hasegawa、Kusahara and Watanabe)[16]，可以 藉由頻率響應來觀察車輛扭力的剛度以及車輛側傾穩定的狀況，同時可 查證車輛側傾的剛度、車輛側傾角以及車輛扭力的剛度彼此的相關性。
以往，被動式的側傾放式也是被大眾所常用的另一種防範方法之一，
當我們車輛高速駛進彎道又或者駛進大角度的道路路面的瞬間，一般駕 駛通常會有二個方式選擇，來達到降低車輛本身側傾的角度。然而，
Carlson and Chen 建議可以採用線傳式轉向以及差動式齒輪煞車方式降低 車輛側傾以及翻覆的狀況產生[17-18]。Wielenga and Chace 則提倡一種反 翻車煞車系統(ARB, Anti Rollover Braking)[19]，藉由同樣的路徑之下跟同 樣的轉向角度二個方式，來模擬測試在有沒有(ARB, Anti Rollover Braking) 的情況之下所產生的結果，此模擬證明若是車輛側傾角度過大即將造成 車輛翻覆的立即性危險，駕駛使用(ARB, Anti Rollover Braking)模式來控 制，確實會讓車輛側傾的狀況降低許多。對於Karnopp…等，把關於車輛 內傾相關的模式[20]，我們可以區分成主動式控制跟轉向控制這二種，駕
4
駛則可以利用這種操控方法，來調整車輛本身的側傾角，對於這二個操 控模式的優缺點跟不同之處，可以好好了解一番跟比較。當然，也有學 者把慣性導航系統(INS, Inertial Navigation System)結合全球定位性統 (GPS, Global Positioning System) [21]，可經過一套運算法則，對行駛車輛 中之數據做分析，即可準確的得到車輛側傾角(Roll angle)以及車輛側滑角 (Sideslip angle)相關參數。為了達到防止車輛傾覆，防翻覆系統需符合即 時(Real-time)並且精準的估測車輛動態穩定的相關數據，才能達到車輛穩 定動態的判斷。而現今部份學者會在四個輪胎開始放置感測儀器[22]，測 量所受應力並分析和車輛側滑角(Sideslip angle)的關係。
在參數估測領域，最常被拿來估測系統狀態的方法仍屬卡門濾波器 (Kalman Filter) [23]，其特別適合具高斯雜訊以及線性動態模型。關於無 法直接量測之車輛參數，譬如輪胎力、車輛側滑角及車輛側傾角，我們 皆可藉助卡門濾波器(Kalman Filter)來設計相關之車輛動態估測器[24-25]
來取得。然而，卡門濾波器需假設未知信號模型已知，否則其估測效能 會大打折扣。
車輛在行駛過程當中，常會受到許多外來的未知因素干擾，譬如像 是輪胎磨差力、道路坡度或車輛元件老化等干擾。然而，這些未知因素 的數學模型往往較難取得。因而，車輛系統可視為是一個具未知信號的 動態系統，而其參數估測問題可稱為未知輸入估測問題(Unknown Inputs Filtering)。近年來，未知輸入估測問題被廣泛討論，且有許多重要研究成 果被提出[26-29]。
本論文最主要研究目的是針對具具未知信號的車輛系統，嘗試利用 文獻[26]所提出的未知信號估測技術，在不需要取得未知信號數學模型情
5
況下，仍能正確預估車輛系統的重要參數值，以便車輛控制系統可以運 用，以達到預防車輛翻覆之終極目的。
1.4. 論文架構
本論文共分為七個章節，分別為：
第一章 緒論：描述本論文研究背景動機、文獻、目的及方法。
第二章 雙級卡門估測器介紹：將本論文針對未知信號估測所採用的估