後驅賽車 TC 實作指南（STM32F446 實機版）
後驅賽車 TC 實作指南（STM32F446 實機版）
0. 目標與整體架構
0.1 目標
- 車輛：後驅賽車，電動或引擎皆可（此處假設有「驅動扭矩命令」介面）。
- 晶片：STM32F446（180 MHz, FPU）。
- 功能：
- 四輪輪速 + IMU + 方向盤轉角 + 馬達扭矩 → 即時計算後輪 slip。
- 使用 方向盤轉角為主 的 Target Slip（避免 IMU 雜訊）。
- PI 控制後輪扭矩（只限扭，不主動煞車）。
- 三種模式：直線 / 繞 8 / 賽道；只允許在「靜止」時切換。
- 感測器錯誤偵測 → TC 自動關閉（Fail-safe）。
- 積分重置邏輯（Anti-windup）。
- 簡易路面 μ 估測 → 自適應 Kp。
0.2 主要檔案結構（建議）
Core/Src/main.c：系統進入點、TIM/CAN 中斷。Core/Inc/tc_types.h：共用資料結構與 enum。Core/Inc/tc_controller.h/Core/Src/tc_controller.c：TC 核心演算法。Core/Inc/tc_fault.h/Core/Src/tc_fault.c：感測器錯誤偵測 & 硬體安全。Core/Inc/tc_mode.h/Core/Src/tc_mode.c：模式管理（直線/繞8/賽道）。Core/Inc/tc_io.h/Core/Src/tc_io.c：CAN 解析 / 封包 + 按鈕處理。Core/Inc/tc_params.h：可調參數（Kp, Ki, slip 目標等）。
1. 共用型別與模式定義（tc_types.h）
#ifndef TC_TYPES_H
#define TC_TYPES_H
#include "stdint.h"
#include "stdbool.h"
/* ---- 模式 ---- */
typedef enum {
TC_MODE_STRAIGHT = 0, // 直線加速
TC_MODE_FIGURE8 = 1, // 繞 8 / skidpad
TC_MODE_TRACK = 2 // 賽道
} TC_Mode_t;
/* ---- TC 狀態 ---- */
typedef enum {
TC_STATUS_OFF = 0, // 關閉
TC_STATUS_NORMAL = 1, // 正常控制
TC_STATUS_SAFETY = 2, // 安全限扭
TC_STATUS_FAULT = 3 // 錯誤關閉
} TC_Status_t;
/* ---- 錯誤旗標 ---- */
typedef enum {
FAULT_NONE = 0,
FAULT_WHEEL = 1 << 0,
FAULT_IMU = 1 << 1,
FAULT_STEER = 1 << 2,
FAULT_CAN_TIMEOUT = 1 << 3,
FAULT_TORQUE = 1 << 4
} TC_FaultFlags_t;
/* ---- 單次迴圈輸入（10 ms） ---- */
typedef struct {
/* 原始感測器 + 指令（從 CAN 或 ADC 來） */
float omega_fl, omega_fr; // 前輪輪速 rad/s
float omega_rl, omega_rr; // 後輪輪速 rad/s
float ax_imu; // 縱向加速度 m/s2
float ay_imu; // 橫向加速度（目前可不必用）
float psi_dot; // yaw rate rad/s
float steer_deg_raw; // 方向盤轉角 deg（未濾波）
float T_driver; // 駕駛要求扭矩 Nm
/* 系統時間（ms） */
uint32_t timestamp_ms;
} TC_Input_t;
/* ---- 單次迴圈輸出 ---- */
typedef struct {
float v_mps; // 車速 m/s
float slip_L, slip_R, slip_avg;
float steer_deg_f; // 濾波後方向盤 deg
float lambda_target; // 目標 slip
float delta_T; // PI 輸出比例（無單位）
float T_cmd; // 實際下發扭矩 Nm
TC_Status_t tc_status;
uint32_t fault_flags;
} TC_Output_t;
#endif
2. 可調參數與輪胎參數（tc_params.h）
#ifndef TC_PARAMS_H
#define TC_PARAMS_H
/* 輪胎半徑 */
#define R_FRONT 0.32f
#define R_REAR 0.32f
/* TC 主迴圈週期 */
#define TC_DT_SEC 0.01f // 10 ms, 100 Hz
/* 方向盤濾波係數（低通） */
#define STEER_ALPHA 0.92f // 越接近 1 越慢，約 3 Hz
/* Slip 安全閾值 */
#define SLIP_SINGLE_MAX 0.40f // 單輪 > 0.4 視為嚴重打滑
/* 低速關閉 TC 門檻 */
#define V_TC_OFF_KMH 3.0f
/* 積分上限（Anti-windup） */
#define INTEGRAL_MAX 1.0f
/* ---- 三種模式基線參數 ---- */
/* 直線模式 */
#define KP_STRAIGHT 4.2f
#define KI_STRAIGHT 0.35f
#define LAMBDA_BASE_STRAIGHT 0.20f
#define STEER_SENS_STRAIGHT 0.4f // 方向盤敏感度較低
#define MIN_TQ_RATIO_STRAIGHT 0.55f // 最小 55% 扭矩
/* 繞 8 模式 */
#define KP_FIGURE8 3.1f
#define KI_FIGURE8 0.42f
#define LAMBDA_BASE_F8 0.16f
#define STEER_SENS_F8 1.0f
#define MIN_TQ_RATIO_F8 0.40f
/* 賽道模式 */
#define KP_TRACK 2.8f
#define KI_TRACK 0.50f
#define LAMBDA_BASE_TRACK 0.14f
#define STEER_SENS_TRACK 1.3f
#define MIN_TQ_RATIO_TRACK 0.30f
#endif
3. 模式管理（tc_mode.h / tc_mode.c）
3.1 標頭檔（tc_mode.h）
#ifndef TC_MODE_H
#define TC_MODE_H
#include "tc_types.h"
#include "tc_params.h"
typedef struct {
TC_Mode_t current_mode; // 目前實際模式
TC_Mode_t target_mode; // 車手選擇的模式
bool change_pending; // 是否等待靜止後切換
float Kp, Ki;
float lambda_base;
float steer_sens;
float min_tq_ratio; // 最低扭矩比例
} TC_ModeState_t;
void TC_Mode_Init(TC_ModeState_t *m);
void TC_Mode_RequestChange(TC_ModeState_t *m, TC_Mode_t new_mode, float v_kmh);
void TC_Mode_ApplyIfStopped(TC_ModeState_t *m, float v_kmh);
#endif
3.2 實作（tc_mode.c）
#include "tc_mode.h"
static void TC_Mode_ApplyParams(TC_ModeState_t *m, TC_Mode_t mode) {
m->current_mode = mode;
switch (mode) {
case TC_MODE_STRAIGHT:
m->Kp = KP_STRAIGHT;
m->Ki = KI_STRAIGHT;
m->lambda_base = LAMBDA_BASE_STRAIGHT;
m->steer_sens = STEER_SENS_STRAIGHT;
m->min_tq_ratio= MIN_TQ_RATIO_STRAIGHT;
break;
case TC_MODE_FIGURE8:
m->Kp = KP_FIGURE8;
m->Ki = KI_FIGURE8;
m->lambda_base = LAMBDA_BASE_F8;
m->steer_sens = STEER_SENS_F8;
m->min_tq_ratio= MIN_TQ_RATIO_F8;
break;
case TC_MODE_TRACK:
default:
m->Kp = KP_TRACK;
m->Ki = KI_TRACK;
m->lambda_base = LAMBDA_BASE_TRACK;
m->steer_sens = STEER_SENS_TRACK;
m->min_tq_ratio= MIN_TQ_RATIO_TRACK;
break;
}
}
void TC_Mode_Init(TC_ModeState_t *m) {
m->current_mode = TC_MODE_FIGURE8; // 建議預設繞 8 模式
m->target_mode = m->current_mode;
m->change_pending = false;
TC_Mode_ApplyParams(m, m->current_mode);
}
/* 車手按按鈕後呼叫：若靜止就立即切，若在跑就設成 pending */
void TC_Mode_RequestChange(TC_ModeState_t *m, TC_Mode_t new_mode, float v_kmh) {
m->target_mode = new_mode;
if (v_kmh < 1.0f) { // < 1 km/h 視為靜止，直接切
TC_Mode_ApplyParams(m, new_mode);
m->change_pending = false;
} else {
m->change_pending = true;
}
}
/* 每次迴圈呼叫：若 pending 且已靜止 → 套用新模式 */
void TC_Mode_ApplyIfStopped(TC_ModeState_t *m, float v_kmh) {
if (m->change_pending && v_kmh < 1.0f) {
TC_Mode_ApplyParams(m, m->target_mode);
m->change_pending = false;
}
}
4. 錯誤偵測與硬體保護（tc_fault.h / tc_fault.c）
4.1 標頭檔（tc_fault.h）
#ifndef TC_FAULT_H
#define TC_FAULT_H
#include "tc_types.h"
typedef struct {
uint32_t flags;
uint32_t wheel_err_count;
uint32_t imu_err_count;
uint32_t steer_err_count;
uint32_t torque_err_count;
uint32_t can_timeout_count;
float omega_prev[4];
float steer_prev;
} TC_FaultState_t;
void TC_Fault_Init(TC_FaultState_t *f);
void TC_Fault_Update(const TC_Input_t *in, TC_FaultState_t *f);
bool TC_Fault_IsSafeToRun(const TC_FaultState_t *f);
#endif
4.2 實作（tc_fault.c）
#include "tc_fault.h"
#include "math.h"
#define OMEGA_MIN -1.0f
#define OMEGA_MAX 200.0f
#define OMEGA_JUMP_MAX 50.0f
#define AX_MAX 20.0f
#define STEER_JUMP_MAX 15.0f // deg/10ms
#define FAULT_COUNT_MAX 3
void TC_Fault_Init(TC_FaultState_t *f) {
f->flags = FAULT_NONE;
f->wheel_err_count = 0;
f->imu_err_count = 0;
f->steer_err_count = 0;
f->torque_err_count= 0;
f->can_timeout_count = 0;
for (int i = 0; i < 4; i++) f->omega_prev[i] = 0.0f;
f->steer_prev = 0.0f;
}
void TC_Fault_Update(const TC_Input_t *in, TC_FaultState_t *f) {
/* 1. 輪速範圍 + 跳動 */
float omegas[4] = { in->omega_fl, in->omega_fr, in->omega_rl, in->omega_rr };
bool wheel_fault = false;
for (int i = 0; i < 4; i++) {
if (omegas[i] < OMEGA_MIN || omegas[i] > OMEGA_MAX) {
wheel_fault = true;
}
float diff = fabsf(omegas[i] - f->omega_prev[i]);
if (diff > OMEGA_JUMP_MAX) {
wheel_fault = true;
}
f->omega_prev[i] = omegas[i];
}
if (wheel_fault) {
if (++f->wheel_err_count >= FAULT_COUNT_MAX) {
f->flags |= FAULT_WHEEL;
}
} else {
f->wheel_err_count = 0;
}
/* 2. IMU 範圍 */
if (fabsf(in->ax_imu) > AX_MAX) {
if (++f->imu_err_count >= FAULT_COUNT_MAX) {
f->flags |= FAULT_IMU;
}
} else {
f->imu_err_count = 0;
}
/* 3. 方向盤跳動 */
float steer_diff = fabsf(in->steer_deg_raw - f->steer_prev);
if (steer_diff > STEER_JUMP_MAX) {
if (++f->steer_err_count >= FAULT_COUNT_MAX) {
f->flags |= FAULT_STEER;
}
} else {
f->steer_err_count = 0;
}
f->steer_prev = in->steer_deg_raw;
/* 4. 扭矩範圍（依車輛實際調整上限） */
if (in->T_driver < 0.0f || in->T_driver > 1000.0f) {
f->flags |= FAULT_TORQUE;
}
}
bool TC_Fault_IsSafeToRun(const TC_FaultState_t *f) {
/* 有關鍵錯誤就不允許跑 TC */
if (f->flags & (FAULT_WHEEL | FAULT_TORQUE | FAULT_CAN_TIMEOUT)) {
return false;
}
return true;
}
5. TC 核心控制（tc_controller.h / tc_controller.c）
5.1 標頭檔（tc_controller.h）
#ifndef TC_CONTROLLER_H
#define TC_CONTROLLER_H
#include "tc_types.h"
#include "tc_mode.h"
typedef struct {
/* 內部狀態 */
float integral; // PI 積分
float v_imu_est; // 從 IMU 積分的速度估計
float steer_deg_f; // 濾波後方向盤 deg
float ax_peak; // 用於 μ 估測的加速度峰值
uint32_t integral_reset_count;
} TC_Internal_t;
void TC_Controller_Init(TC_Internal_t *s);
void TC_Controller_Update(
const TC_Input_t *in,
const TC_ModeState_t *mode,
TC_Internal_t *state,
TC_Output_t *out
);
#endif
5.2 主要運作邏輯
- 由前輪輪速估算車速 (v)。
- 後輪 slip ratio： (\lambda_L = (\omega_{RL} R_{rear} - v) / v)、(\lambda_R) 類似。
- 方向盤轉角低通濾波。
- 根據模式參數 + 濾波後轉角 + 車速，算出 Target Slip (\lambda^*)。
- 計算誤差 (e = \lambda^* - \bar{\lambda})。
- PI 控制（含積分 Anti-windup + 重置邏輯）。
- 安全邏輯（低速、嚴重 slip、錯誤）覆蓋一切。
- 最後輸出 T_cmd。
5.3 實作（tc_controller.c）
#include "tc_controller.h"
#include "tc_params.h"
#include "math.h"
void TC_Controller_Init(TC_Internal_t *s) {
s->integral = 0.0f;
s->v_imu_est = 0.0f;
s->steer_deg_f = 0.0f;
s->ax_peak = 0.0f;
s->integral_reset_count = 0;
}
/* 車速估計（簡化版：先只用前輪） */
static float TC_EstimateSpeed(const TC_Input_t *in) {
float v = (in->omega_fl + in->omega_fr) * 0.5f * R_FRONT;
if (v < 0.1f) v = 0.1f;
return v;
}
/* Slip Ratio */
static void TC_ComputeSlip(const TC_Input_t *in, float v,
float *slip_L, float *slip_R, float *slip_avg) {
float v_safe = (v > 0.1f) ? v : 0.1f;
*slip_L = (in->omega_rl * R_REAR - v_safe) / v_safe;
*slip_R = (in->omega_rr * R_REAR - v_safe) / v_safe;
*slip_avg = (*slip_L + *slip_R) * 0.5f;
}
/* 方向盤低通濾波 */
static float TC_FilterSteer(float raw_deg, TC_Internal_t *s) {
s->steer_deg_f = STEER_ALPHA * s->steer_deg_f +
(1.0f - STEER_ALPHA) * raw_deg;
return s->steer_deg_f;
}
/* 簡易 μ 估測，用 ax 峰值分級 → 回傳倍數 0.5~1.0 */
static float TC_EstimateMu(TC_Internal_t *s, const TC_Input_t *in) {
float ax_abs = fabsf(in->ax_imu);
/* 指數平滑追蹤峰值 */
s->ax_peak = fmaxf(s->ax_peak * 0.95f + ax_abs * 0.05f, ax_abs);
if (s->ax_peak > 8.5f) return 1.0f; // 高 μ
if (s->ax_peak > 5.5f) return 0.8f; // 中 μ
if (s->ax_peak > 3.5f) return 0.65f; // 低 μ
return 0.5f;
}
/* 方向盤為主的 Target Slip（模式 + steer_sens） */
static float TC_ComputeTargetSlip(
float steer_deg_f,
float v,
const TC_ModeState_t *mode)
{
float d = fabsf(steer_deg_f);
float k_steer;
/* 分段線性：可把斜率乘上 mode->steer_sens 調整靈敏度 */
if (d < 4.0f) {
k_steer = 1.0f;
} else if (d < 20.0f) {
float slope = 0.018f * mode->steer_sens;
k_steer = 1.0f - slope * (d - 4.0f); // 直到中彎
} else {
float slope2 = 0.01f * mode->steer_sens;
k_steer = 0.65f - slope2 * (d - 20.0f);
}
if (k_steer < 0.4f) k_steer = 0.4f;
/* 速度補償（高速略放寬） */
float speed_factor = fminf(v * 3.6f / 40.0f, 1.0f) * 0.03f + 0.97f;
float lambda = mode->lambda_base * k_steer * speed_factor;
if (lambda < 0.08f) lambda = 0.08f;
return lambda;
}
/* 積分重置邏輯（你之前討論的「防飽和」） */
static void TC_IntegralResetLogic(const TC_Input_t *in,
const TC_ModeState_t *mode,
TC_Internal_t *s,
float v_mps)
{
float v_kmh = v_mps * 3.6f;
/* 1) 低速：直接清零，起步最安全 */
if (v_kmh < 2.0f) {
if (s->integral != 0.0f) {
s->integral = 0.0f;
s->integral_reset_count++;
}
return;
}
/* 2) 駕駛幾乎沒踩油門：快速衰減 */
if (fabsf(in->T_driver) < 2.0f) {
s->integral *= 0.1f;
return;
}
/* 3) 模式剛剛切換（因為你只在靜止時切換，這裡可省略或保留） */
(void)mode; // 目前不需要特別判斷，保留介面
}
/* 主控制：不含 Safety（Safety 放在 main.c） */
void TC_Controller_Update(
const TC_Input_t *in,
const TC_ModeState_t *mode,
TC_Internal_t *state,
TC_Output_t *out)
{
/* 1. 車速 & slip */
out->v_mps = TC_EstimateSpeed(in);
TC_ComputeSlip(in, out->v_mps, &out->slip_L, &out->slip_R, &out->slip_avg);
/* 2. 方向盤濾波 */
out->steer_deg_f = TC_FilterSteer(in->steer_deg_raw, state);
/* 3. 目標 slip（模式 + 方向盤） */
out->lambda_target = TC_ComputeTargetSlip(out->steer_deg_f, out->v_mps, mode);
/* 4. 積分重置邏輯 */
TC_IntegralResetLogic(in, mode, state, out->v_mps);
/* 5. 自適應 Kp by μ */
float mu_scale = TC_EstimateMu(state, in);
float Kp_eff = mode->Kp * mu_scale;
float Ki_eff = mode->Ki; // 也可以乘 mu_scale，看你喜好
/* 6. PI 計算 */
float error = out->lambda_target - out->slip_avg;
float p_term = Kp_eff * error;
state->integral += error * TC_DT_SEC;
if (state->integral > INTEGRAL_MAX) state->integral = INTEGRAL_MAX;
if (state->integral < -INTEGRAL_MAX) state->integral = -INTEGRAL_MAX;
float i_term = Ki_eff * state->integral;
out->delta_T = p_term + i_term;
}
6. Main Loop + Safety + CAN（main.c 範例）
6.1 核心邏輯（TIM2 10 ms 中斷）
#include "main.h"
#include "tc_types.h"
#include "tc_mode.h"
#include "tc_fault.h"
#include "tc_controller.h"
#include "tc_io.h" // 你自己實作：CAN 收發, 按鈕處理
TC_ModeState_t g_mode;
TC_FaultState_t g_fault;
TC_Internal_t g_state;
TC_Input_t g_in;
TC_Output_t g_out;
/* 初始化 */
void TC_SystemInit(void) {
TC_Mode_Init(&g_mode);
TC_Fault_Init(&g_fault);
TC_Controller_Init(&g_state);
}
/* 10 ms 定時中斷 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
if (htim->Instance == TIM2) {
/* 1. 讀取 CAN / ADC → 填 g_in */
TC_IO_ReadInputs(&g_in); // 需要你自己實作
/* 2. 錯誤偵測 */
TC_Fault_Update(&g_in, &g_fault);
/* 3. 模式在靜止時套用 */
float v_kmh_fake = 0.0f; // 這裡可以直接用上次 g_out.v_mps 轉 km/h
v_kmh_fake = g_out.v_mps * 3.6f;
TC_Mode_ApplyIfStopped(&g_mode, v_kmh_fake);
/* 4. 判斷是否允許跑 TC */
bool safe = TC_Fault_IsSafeToRun(&g_fault);
if (!safe) {
/* 4-1. 發生嚴重錯誤 → 關閉 TC，扭矩交回駕駛或安全模式 */
g_out.tc_status = TC_STATUS_FAULT;
g_out.T_cmd = 0.0f; // 或者 0.3 * g_in.T_driver，看你的需求
} else {
/* 4-2. 正常執行控制（含 PI，但不含最外層 Safety） */
TC_Controller_Update(&g_in, &g_mode, &g_state, &g_out);
float v_kmh = g_out.v_mps * 3.6f;
/* 5. 最外層 Safety 覆蓋 */
if (v_kmh < V_TC_OFF_KMH) {
g_out.T_cmd = g_in.T_driver;
g_out.tc_status = TC_STATUS_OFF;
}
else if (fabsf(g_out.slip_L) > SLIP_SINGLE_MAX ||
fabsf(g_out.slip_R) > SLIP_SINGLE_MAX) {
g_out.T_cmd = 0.5f * g_in.T_driver;
g_out.tc_status = TC_STATUS_SAFETY;
}
else if (fabsf(g_out.steer_deg_f) > 30.0f) {
g_out.T_cmd = g_in.T_driver * g_mode.min_tq_ratio;
g_out.tc_status = TC_STATUS_SAFETY;
}
else {
/* 正常 PI 輸出 + 飽和 */
float T_raw = g_in.T_driver * (1.0f + g_out.delta_T);
float T_min = g_in.T_driver * g_mode.min_tq_ratio;
float T_max = g_in.T_driver;
if (T_raw < T_min) T_raw = T_min;
if (T_raw > T_max) T_raw = T_max;
g_out.T_cmd = T_raw;
g_out.tc_status = TC_STATUS_NORMAL;
}
}
g_out.fault_flags = g_fault.flags;
/* 6. 透過 CAN 發送：T_cmd, 狀態, 模式, fault */
TC_IO_SendOutputs(&g_in, &g_out, &g_mode, &g_fault);
}
}
7. 與車手互動與模式切換（tc_io.h / tc_io.c 概念）
你可以：
- 用 GPIO 按鈕改
g_mode.target_mode：- 短按 MODE：
STRAIGHT → FIGURE8 → TRACK → STRAIGHT... - 呼叫
TC_Mode_RequestChange(&g_mode, new_mode, v_kmh)。
- 短按 MODE：
- 由 CAN 顯示：
- 目前模式
g_mode.current_mode。 g_out.tc_status（OFF / NORMAL / SAFETY / FAULT）。- 扭矩限縮比例
g_out.T_cmd / g_in.T_driver。 - μ 等級（可以從
g_state.ax_peak推估）。
- 目前模式
你可以自行定義 0x200 ~ 0x20F 做儀表板訊息。
8. 調參建議（實戰流程）
- 先鎖在「繞 8 模式」，在乾地繞 8 練習，調整：
LAMBDA_BASE_F8先從 0.16 → 看實際 slip 波形。KP_FIGURE83.1 若太慢可到 3.5；若抖就往下。
- 直線模式：在直線起步測
LAMBDA_BASE_STRAIGHT0.20 是否太滑 / 太鈍。 - 賽道模式：上賽道後，再微調
LAMBDA_BASE_TRACK和STEER_SENS_TRACK，讓大轉角出彎更穩。
9. 心智模型小結
- 模式：決定「基準 λ*、Kp/Ki、最低扭矩比例」。
- 方向盤：決定「當下允許的縱向抓地比例 (k_{steer})」。
- μ 估測：決定「Kp 要多兇」。
- 積分重置：保證起步、收油、模式切換時不會被舊積分害死。
- Safety：永遠在最外層，隨時可以一刀切斷 PI 的輸出。
照這份 .md 建專案與檔案，功能會跟我們前面討論的一樣齊全，你可以先把這整段貼進 HackMD，之後要補圖（流程圖、波形）可以在各章下面加上自己的實測截圖。