緒論

第一章、 緒論

1.1 研究背景

隨著整個地球村越來越熱絡的交通網，汽車對人類生活的重要性日益提高，儼然已 成為現代人生活的一部份。安全性則是當今汽車學最重要的議題之一，打從第一輛汽車 問世迄今，車禍等意外事故層出不窮，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重要的一個環節。

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 近失控時便以各種方式介入駕駛操控，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(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。本研究討論的為主動式安全，在像 ABS 這 類的安全控制系統中，雖然在緊急情況下避免輪胎鎖死使方向盤維持其操控性，但在快 速的轉向輸入下，駕駛者不全然能掌握並維持好車輛動態。

本研究裡考慮到車輛行進時若遇到緊急情況，駕駛者不僅難以即時操控方向盤來調 整車輛行駛路徑更無法去確保每個輪胎是否將會打滑失控，故希望藉由所設計的控制器 對於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，且 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 的摩擦力是有最大值的，為其正向力與路面摩擦係數乘積，當輪胎摩擦力到達其最大值 後(亦稱之為飽和)，表示控制器已無多餘空間作控制，反應到車輛動態在緊急情況下對 駕駛者是危險不利的。所以為了避免輪胎飽和的情況，我們控制器使用了最佳化輪胎與 路面間摩擦力分配的控制策略，而使輪胎與路面之摩擦力遠離飽和點即為最佳化的訴 求。

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在本實驗室中已有相關研究並設計出針對四輪獨立驅動車(4-wheel-independent- steering)的車輛運動控制器，不過由於所參考的四輪驅動車模型是四輪獨立轉向、獨立 驅動，控制自由度大且實際上此類車輛並不普及。本研究希望基於目前多數傳統車輛模 型：前輪轉向、後輪驅動(front-wheel-steering/rear-wheel-driving) 進而設計出車輛運動控 制器。

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[1][2][3]、差動式煞車(Differential brake)轉 向控制[4]、直接橫擺力矩控制(Direct yaw moment control：DYC)[5][6][8]，以及最佳化 輪胎摩擦力分配(Optimum tire force distribution)控制方法[18]等等，都有不錯的研究成果。

本研究所使用的控制方法如上述為最佳化輪胎摩擦力分配，優點顧名思義就是每個輪胎 所產生的摩擦力都是經由所考慮的最佳化問題最佳化產生的，但此方法延伸的困難點就 在於如何控制車輛輪胎之力矩與轉向角，使其產生控制器所計算出的最佳摩擦力。

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。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，汽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。

總結本研究將基於目前多數傳統車輛後驅的模型(前輪轉向、後輪驅動)，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，以及橫擺角速度三個方向動態的穩定控制，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。

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1.2 研究目的

本研究目的在於設計車輛運動控制系統，針對車輛的三個方向運動動態(縱向速度、

質心側滑角與橫擺角速度)作控制，使車輛能跟隨給定的參考動態，進而確保其行駛軌 跡。研究中控制器可分為三大部分：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、最佳化輪胎轉向角控制器。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兩前輪側向摩擦力，透過最佳化的目的在使各 輪胎遠離飽和點，其中後輪側向摩擦力部分因後輪無法轉向(轉向角恆為零)，並不能作 轉向來控制，故需設計控制器以估側後輪側向摩擦力；下層控制器，控制輪胎力矩大小 和車輪的轉向角度，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

後輪側向力即時估側並最佳化分配出 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角

控制車輛



X Y M

F

F

T



圖 1. 1 控制系統流程方塊圖

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1.3 研究貢獻

本研究考慮到後驅(前輪轉向、後輪獨立驅動、四輪獨立剎車)車輛系統，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演算法、後輪側 向力即時估測、下層縱向摩擦力回授穩健控制器與最佳化輪胎轉向角控制器。

對於多數最佳化問題常以疊代法得出數值解，本研究最佳化力分配演算法部分致力 於求得最佳化之解析解，使得控制器得以應用於即時控制系統(real-time control system)。

而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。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。

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，

故此時必須藉由控制器來控制車輛動態跟隨給定的參考動態(縱向速度、質心側滑角與 橫擺角速度)，由這些參考動態會反應出一條參考軌跡，使車輛行駛於安全的路徑。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，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。

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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、目的與貢獻。

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