中國機械工程學會第三十三屆全國學術研討會論文集 國立臺灣大學 台北 中華民國一百零五年十二月三、四日 工業技術研究院 新竹

行動裝置之車輛動態控制與研究

吳建勳 1*、曾柏凱 2、盧釔辰 2、田政弘 2 1 國立虎尾科技大學車輛工程系

2 財團法人車輛研究測試中心研究發展處 （MOST 105-2221-E-150-059, 產學計畫編號：105AZ03）

＊Email: chwu@nfu.edu.tw

摘要 本研究將建立Android Studio開發環境，以發展

手機APP程式，為了後續車輛動態控制與研究，將利用Matlab/Simulink®建構自走車直線運動模型，包含：行車型態模組、駕駛人模組、驅動馬達模組、鋰

電池動態模組與整車動態模組，結合學理分析與相關

實驗數據整合，完成開發自走車模擬平台。

關鍵字： 手機APP、系統建模、電動自走車

1. 前言 本研究主要利用手機上建立控制介面，並可利

用此介面以無線遠端控制車輛之方向盤、油門、煞

車、檔位等控制功能，並利用已知之固定路徑條件

下，進行車輛動態路徑追隨技術發展。其中，車輛動

態路徑追隨技術與車輛導航技術有關，對於車輛導航

系統相關技術發展衛星導航有關，衛星導航的前身是

地面LORAN(遠距離無線電導航系統) 與 Omega系統(Omega為美國開發，LORAN由英國GEE為美國開發)，它們是利用發長波無線電，由數個地面上無線電接收，判定目標與各電台的距離[1]。因此全球衛星導航系統(GPS)可以提供地球表面絕大部分地區提供準確的定位、測速和高精度的時間標準，並有以下特

點(1)全天候不受任何天氣的影響；(2)全球覆蓋(高達98%)；(3)三維定點定速定時高精度；(4)快速、省時、高效率；(5)應用廣泛、多功能；(6)可移動定位[2]。

最新的GPS應用自2010年起，國內車輛中心(ARTC)發展出自動停車系統(Auto-Parking System, APS)以及自動輔助駕駛系統之開發，因此開發停車場域自動輔助駕駛系統，利用用無線通訊技術選取可停

車之空間，用以取代舊有之人工影像選擇方式，因此

可於特定之停車場入口將車輛交由自動輔助駕駛系

統執行自動停車與取車之功能[3]。國外相關車廠主要建構先進智慧停車動態導航資訊輔助系統 (Smart Parking Information Assist System Service，ASPIAS)，主要分為四大類：(1)點對點的停車與線上停車預約服務；(2)停車基礎與軟硬體的提供者；(3)行動裝置停車付款；(4)停車管理系統，以及原有停車運營服務商搭配組成[4]。國內發展智慧車輛與相關應用需要多產業的整合，如汽車業、通訊服務業、基礎建設，透過

感測器、停車儀表、軟體以累積大數據的靜態、實時、

動態的資訊[5]，運用行動裝置或車載資通訊系統提供即時動態資訊並進行車資訊搜尋、導引一體化作業程

序，隨著車聯網、雲端技術、資通訊技術日漸成熟，

如此台灣將非常有機會成為這個項目的領先者。 因此，針對本研究希望以自走車為例，建立一

套行動裝置之車輛動態控制軟體平台，分別建立手機

APP程式與自走車模擬平台，其中自走車選用瑞帝電通-HBE-SmartCar，ATmega2560微處理晶片為控制核心，透過所建立自走車動態模型，進而評估自走車駕

駛行為的性能影響，並以低速行車型態模擬不同次系

統性能影響，後續將可以提供自走車實際驗證用。

2. Android Studio開發環境建立 開發Android®應用程式需要的JDK與Android

Studio開發工具軟體，可以在Oracle(甲骨文 )與Android開發人員網站免費下載，目前開發Android應用程式的軟體可以在這些作業系統運作[6]：

- Microsoft Windows(XP與之後的版本) - Mac OS X 10.5.8與之後的版本(Intel處理器) - Linux(包含GNU C Library 2.7或之後的版本) 開發Android應用程式時，建議先在Android模擬

裝置中執行與測試應用程式，最後再安裝到實體的裝

置中進行最後的測試工作。目前已經有JDK8，但是建議還是先用JDK7的版本，以免出現相容性的問題[7]。

-建立手機APP程式操作介面，目前整合Android Studio與Java®軟體。

-建立手機APP軟體相關功能：後續將利用此介面以WiFi無線網路/藍牙遠端控制車輛之方向盤、油門、煞車、檔位(包含影像監控功能)，如圖一所示。

圖一：手機APP軟體開發示意圖

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執行手機APP軟體操作步驟如圖二所示，首先先

打開自走車電源，並確認自走車電池電量是否高於

12V﹔接下來安裝APP程式後，開啟APP程式﹔本程式是以藍牙通訊設定，因此未連結前中間圖示為紅

色，先以手指連點圖示後，選擇目前藍牙端自走車通

訊位置。如圖三所示，當與藍牙端自走車通訊位置連

線確認時，中間圖示為黃色，連線成功時會顯示藍

色﹔目前功能上會以數字顯示目前自走車資訊、並可

手動啟動量測按鈕與感知器按鈕，目前主要操控上以

方向盤、速度控制為主。

圖二：手機APP軟體操作流程(1)

圖三：手機APP軟體操作流程(2)

如圖四所示，主要操控上以方向盤、速度控制

為主，包含基本前進、後退、左右轉的控制，當以手

指按在兩邊方向盤位置時，會以逐步增加轉向角方式

旋轉。首先觸發藍牙通訊設定，如圖5(a)所示；若連線成功顯示為藍色，如圖5(b)所示；若同時是往上或往右下拖曳時，自走車會以同時旋轉方向加上前進，

如圖5(c)所示，或向右旋轉方式移動，如圖5(d)所示。

圖四：手機APP軟體操控示意圖

(a) (b)

(c) (d)

圖五：手機APP介面與自走車實際操控展示圖

3. 直線運動模型建立 本研究利用Matlab/Simulink®圖控式模擬分析

軟體，建構自走車相關模組，以預測自走車性能之自

走車直線運動系統之模型。並利用所建構行車型態模

組、駕駛人模組、驅動馬達模組、鋰電池動態模組與

整車動態模組等控制元件所組成[8]，利用ECE40行車型態為範例修改為自走車可操控範圍來進行模擬和

分析，系統模擬架構如圖六所示。

圖六：自走車直線運動系統之軟體架構圖

3.1 行車型態模組 依據目前電動車輛測試規範，常用的行車型態

有美國法規FTP和歐盟法規ECE40兩種，目前採用行車型態資料是ECE40為範本進行修改，因本自走車模擬車速最高為3km/hr，自走車直線運動系統之模擬條件，如圖七所示。

圖七：自走車直線運動系統之行車型態軟體架構圖

3.2 駕駛人模組 駕駛人模組模擬油門把手與煞車把手操作與反

應，此控制方法利用PI控制器，將車速誤差當作輸入，所需馬達扭力命令與煞車制動扭力命令當作輸出

來調整動力需求，駕駛人軟體架構如圖八所示。

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tVtVtV

VdtIVPCMD

CMDa

brkpedal

%/ (1)

其中， %/ brkpedalCMD 為油門/煞車控制命令； P 為PI控制器中的比例增益常數； I 為PI控制器中的積分增益常數； V 為車速誤差； aV 為實際車速； CMDV 為需求車速。

圖八：自走車直線運動系統之駕駛人軟體架構圖

3.3 驅動馬達模組 驅動馬達模組是使用直流無刷馬達來做為自走

車直線運動系統動力來源，依不同馬達扭力與轉速特

性建立效率曲線圖(Look-up Table查表方式)。如圖九所示，分別建立馬達效率與馬達發電效率的關係，另

外也限制了馬達的輸入輸出功率，符合實際馬達的需

求。

mmmmm

mmm

VTIttTft

/,

(2)

其中， m 為驅動馬達系統效率； mT 為驅動馬達輸出扭力； m 為驅動馬達轉速； mI 為驅動馬達系統輸入電流； mV 為驅動馬達系統輸入電壓。

圖九：自走車直線運動系統之驅動馬達軟體架構圖

3.4 鋰電池動態模組 鋰電池性能計算是採用內電阻法，系統為一階

系統動態，其理論電壓輸入會經過電池內電阻輸出，

輸出電流透過實際功率與電池內電阻計算，並依據實

際量測電池內電阻與不同充放電下電阻的量測結

果，利用一般電池的通用公式計算得到鋰電池特性關

係[9]，如圖十所示。由每一取樣時間之輸出入功率，可求得輸出入電流，經由時間積分，便可求出電池之

殘電量。其中，還包含考慮充放電電流、充放電功率

與SOC上下界的保護。

b

bbococb

bbocbb

RPRVV

i

RiViP

242

2

(3)

tot

tt b

i Q

dtiSOCSOC

f 0 (4)

其中， bP 為鋰電池輸出功率； bi 為鋰電池輸出電流；

ocV 為鋰電池開路電壓； bR 為鋰電池等效電阻； iSOC為起始電量； totQ 為鋰電池總電量。

圖十：自走車直線運動系統之鋰電池動態軟體架構圖 3.5 整車動態模組

整車動態模組架構需計算動態行駛阻力，亦即

自走車直線運動系統行駛作用於與行進方向相反力

之總合。整車行駛中會受到主要的負載為滾動阻力、

爬坡阻力、空氣阻力的影響，因此假設坡度為零，以

評估整車在滾動阻力、空氣阻力為主的負載對於行車

的影響。其中，因只有最終減速比的關係，故假設整

體傳動效率為90％。此部分建立自走車直線運動系統之加減速模型，同時包含傳動系統減速後之驅動力、

路面阻抗、爬坡阻抗與風阻，其一階動態模塊如圖十

一所示。

brk

vfdaw

ffvv

Fmgmg

VACR

Tdt

dVm

sincos21 2

(5)

其中，m為整車質量； wR 為輪胎半徑； f 為傳動系

統總效率； 為滾動阻力係數；g 為重力加速度； dC為空氣阻力係數； fA 為自走車前投影面積； a 為空氣密度； brkF 為剎車力； vV 為車體速度； 為爬坡坡度。

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圖十一：自走車直線運動系統之整車輛動態軟體架構

圖

4. 模擬結果與討論 利用自走車直線運動系統之數學模型，並利用

現有自走車相關參數如表一所示，將進行初步行車型

態分析，其結果如圖十二～十六所示。 表一：自走車之規格表 項目 參數 車重(含鋰電池) 5 kg 輪胎半徑 0.04 m 空氣阻力係數 0.275 迎風面積 0.1m 2 滾動阻力係數 0.01 馬達規格 0.13Nm/168rpm(減速比1/30) 鋰電池規格 12V / 5.2Ah

如圖十二(上)所示為行車型態車速分佈圖，其

中，藍色實線為需求車速，為紅色虛線實際車速；由

圖十二(中)觀察兩者車速誤差最高在0.22 km/hr的車速誤差，較大車速誤差剛好發生於自走車直線運動於

急加速時，需較大驅動力的狀態；另外，如圖十二(下)所示，由經此行車型態下，自走車進行直線運動所需

油門開度關係，最大開度發生急加速時，大約20％油門開度。

圖十二：特定行車型態下需求車速、實際車速、車速

誤差與油門開度關係圖

如圖十三(上)所示，鋰電池SOC隨著負載變化持續消耗，在此行車型態下累積消耗約0.0115%；另外，如圖十三(中)所示，鋰電池電流受到驅動馬達負載變化影響，驅動馬達負載越大鋰電池SOC變化量也越大，鋰電池電流輸出也越高，最大輸出電流為0.06A；

由圖十三(下)鋰電池電壓受到驅動馬達負載變動影響，其電壓變化趨勢與鋰電池輸出電流呈反比，鋰電

池最低電壓約11.95V。

圖十三：自走車直線運動系統之整車輛動態模組軟體

架構圖

如圖十四所示，鋰電池消耗功率最大發生約在

33秒時，共需約0.805W輸出功率，在這個時間點下，對照驅動馬達輸入電功消耗功率約為0.8W，驅動馬達輸出功率為0.59W，因此驅動馬達輸出功率分別與驅動馬達輸入電功、鋰電池消耗功率相較下，功率增

進率分別提升35.59％與36.44％。相較於驅動馬達效率與鋰電池放電效率範圍，此結果為合理範圍。

圖十四：特定行車型態下馬達輸出功率、馬達輸入電

功與鋰電池消耗功率關係圖

如圖十五所示，驅動力與驅動馬達輸出功率成

線性關係，最大值發生約在10秒時，驅動力約為0.68N；爬坡阻力因本測試條件中，因坡度為0，因此爬坡阻力為零；滾動阻力與車重、重力加速度、滾阻

係數有關，其結果顯示為一個固定輸出值，約為

0.49N；空氣阻力與空氣阻力係數、自走車前投影面積、空氣密度、車體速度有關，因車速最高只有

3km/hr，因此在此行車型態條件下，空氣阻力幾乎可以忽略，最高發生在約40秒時，空氣阻力0.15N。如圖十六所示，驅動馬達操作區域符合在馬達物理限制

內，此結果為合理範圍。

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圖十五：特定行車型態下驅動力、爬坡阻力、滾動阻

力與空氣阻力關係圖

圖十六：特定行車型態下馬達效率、馬達扭力物理限

制、馬達操作點關係圖

5. 結論 本研究已初步利用Android Studio開發環境，建

立APP程式，並利用Matlab/Simulink建構自走車模擬平台，具有以下特點： 1. 完成初步APP程式，提供自走車基本操控功能。 2. 完成自走車直線運動模型，以評估相關自走車相

關性能評估與控制命令關係。 3. 完成自走車直線運動模型各次系統包含：行車型

態模組、駕駛人模組、驅動馬達模組、鋰電池動

態模組與整車動態模組。 4. 未來利用以上相關軟體平台，將提供開發與研究

人員在自走車或實車載具上測試前，先透過訓練

平台測試，並減少不必要人事成本與時間。 未來會將以Matlab/Simulink所建構之自走車模

擬平台，建立相關車輛操控參數，包含已知車輛行駛

軌跡、車速等資訊，提供給手機APP進行實車動態控制，目的是以最低耗能的操控行為達成已知車輛行駛

路徑，因此目前實車控制還沒遇到雜訊與命令解析度

的問題，後續將加入相關演算法，將會進行相關分析

與研究。

6. 誌謝 本 研 究 感 謝 科 技 部 ( 計 畫 編 號 ： MOST

105-2221-E-150-059)與車輛測試中心產學計畫(計畫編號：105AZ03)的支持，使本研究得以順利進行，特此致上感謝之意。

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