FSAE-E 循跡控制 (TC) 系統開發與驗證計畫

這份筆記旨在規劃一套循跡控制系統 (Traction Control System, TC) 的開發與驗證流程，主要參考 Pengcheng Ji 的碩士論文（UTAS, 2020）中所提出的方法。

https://repositorio-aberto.up.pt/bitstream/10216/152698/2/640636.pdf

1. 作法 (Methodology) - 核心技術理論

本計畫的 TC 系統是基於滑移率控制 (Slip Ratio Control)。核心作法是限制馬達輸出扭矩，使驅動輪的滑移率維持在一個「最佳抓地力」的目標區間。

參考論文的關鍵技術包含：

• 控制架構：
  • 高階控制器 (High-Level)： 計算「目標滑移率」，並根據當前滑移率，決定需要介入多少 (例如：使用 PID 控制器)。
  • 低階控制器 (Low-Level)： 負責執行高階控制器的扭矩指令。
• 馬達控制 (Motor Control)：
  • 永磁同步馬達 (PMSM) 為控制目標。
  • 採用直接轉矩控制 (DTC) 或其他向量控制技術，以實現「精確且快速」的扭矩響應。
  • 研究 MTPA (最大轉矩電流比) 和弱磁控制，以確保馬達在全速域都能高效輸出。
• 車輛建模 (Modelling)：
  • 輪胎模型： 使用 Magic Formula (MF) 來描述滑移率與摩擦力之間的非線性關係（這是 TC 演算法的靈魂）。
  • 車輛模型： 至少使用四分之一車輛模型來模擬縱向動態。

[!] 關鍵前提： 此方法最佳適用於「後輪獨立馬達獨立驅動」的架構。 此 TC 只能進行「總扭矩」限制，無法處理左/右輪的獨立打滑。

2. 階段 (Phases) - 開發流程

將整個開發案切分為四大階段：

階段一：硬體盤點與參數確認

• 參數蒐集 (必要)：
  • 車輛參數：車重、軸距、重心高。
  • 輪胎參數：(最難但最重要) 透過實驗取得 Magic Formula 的係數，或至少取得輪胎靜摩擦係數。
• 感測器確認： 具備 4 顆輪速感測器 (Wheel Speed Sensors)、IMU (G值/偏航速率)。

階段二：模擬 (Simulation)

• 環境建立： 在 MATLAB/SIMULINK 中重現論文的模擬環境。
• 模型建立： 建立自己的馬達、控制器和車輛模型。
• 參數替換： 將階段一蒐集到的「自家車輛參數」輸入模型。
• 演算法開發： 在 SIMULINK 中設計你的高低階 TC 控制器。
• 模擬驗證： 跑模擬，確認 TC 演算法能有效將滑移率控制在目標值。

階段三：實作 (Implementation)

• 程式碼轉換： 將 SIMULINK 模型轉換為 C/C++ 程式碼 (例如使用 Embedded Coder)，或手動編寫。
• 控制器整合： 將 TC 演算法燒錄至 VCU (車輛控制器)。
• CAN Bus 設定： 確保 VCU 能高頻 (建議 100Hz+) 讀取 4 顆輪速、油門踏板，並能即時「覆蓋」駕駛的扭矩請求，向馬達控制器 (Inverter) 發送「限制後的扭矩指令」。
• 數據紀錄 (Logging) 設定： 確保階段三：驗證流程所需的所有數據都能被即時紀錄。

階段四：驗證與調校 (Validation & Tuning)

• 參照下方的「驗證流程」進行 A/B Test。
• 調校 (Tuning)： * 目標滑移率： 調整你的 Target_Slip_Ratio (例如 10%? 15%?)，找到最佳平衡點。
  • PID 調校： 調整 TC 控制器的 Kp, Ki, Kd 值，改善 TC 介入的「體感」。
    • 太「粗暴 (Harsh)」：介入太快，車輛會頓挫。
    • 太「軟弱 (Soft)」：介入太慢，輪胎仍在空轉，TC 沒效果。

3. 驗證流程 (Validation Process)

驗證的核心是 A/B Test：在相同條件下，比較 TC 開啟 (ON) vs TC 關閉 (OFF)。

3.1 用數據說話 (Data Logging)

[目標] 證明 TC 確實「介入」，並且「有效控制」了滑移率。

[必錄數據 (100Hz+)]

• TCS_Active (布林值): TC 是否正在介入 (1=介入, 0=待機)
• Slip_Ratio_RL, Slip_Ratio_RR: (計算值) 左/右後輪滑移率
• Target_Slip_Ratio: (演算法目標值)
• Requested_Torque: (來自油門) 駕駛想要的扭矩
• Commanded_Torque: (TC 輸出) 演算法「實際」發給馬達的扭矩
• Wheel_Speed_FL, FR, RL, RR: 四輪輪速
• Longitudinal_G: (來自 IMU) 縱向 G 值 (加速度)
• Yaw_Rate: (來自 IMU) 偏航速率 (打轉速度)

[測試情境]

1. 直線起步 (0-60kph 加速測試)

   • TC OFF (對照組)：
     • 會看到：Slip_Ratio 瞬間飆升、Wheel_Speed_RR 遠高於 Wheel_Speed_FR、Commanded_Torque = Requested_Torque。
   • TC ON (實驗組)：
     • 必須看到： TCS_Active 變為 1 -> Commanded_Torque < Requested_Torque -> Slip_Ratio 被抑制在 Target_Slip_Ratio 附近。
     • 成功指標： 0-60kph 加速時間更短，Longitudinal_G 曲線更飽滿。

2. 出彎 (Corner Exit) 測試

   • TC OFF (對照組)：
     • 會看到：出彎補油 -> 失去抓地力，輪速飆高 -> Yaw_Rate 劇烈變化 -> 車輛打轉 (Spin)。
   • TC ON (實驗組)：
     • 必須看到： TCS_Active 啟動 -> 輸出扭矩被限制 -> Yaw_Rate 保持平穩 -> 車輛穩定出彎。

3.2 眼見為憑 (Video Recording)

[目標] 直觀展示 TC 效果，並輔助數據分析。

• [必拍角度 1] GoPro 對準「驅動輪」用慢速攝影：
  • TC OFF： 輪胎瘋狂空轉。
  • TC ON： 輪胎仍會滑移（這是必要的），但被控制住，車輛明顯在「前進」而非「原地刨」。
• [必拍角度 2] GoPro 對準「駕駛與儀表板」：
  • 確認車輛行駛方向。
  • 確認儀表板上的「TC 啟動燈」是否如預期閃爍。
• [必拍角度 3] 車外側錄：
  • TC OFF： 車尾劇烈擺動 (Fishtail)。
  • TC ON： 車身動態穩定。

3.3 [進階] 空拍機鳥瞰 (Drone View)

[目標] 驗證 TC 對「側向滑移 (Sideslip)」的 間接 的幫助。

• TC OFF： 空拍機將拍到車輛（尤其在出彎時）的「指向」和「行進軌跡」不一致，車尾向外甩，即「側滑角」過大。
• TC ON： 空拍機將拍到 TC 透過防止「縱向空轉」，進而成功抑制了「側向滑移」的發生。車輛軌跡非常乾淨，車身指向與行進方向一致。