車輛在高速過彎或緊急避障時，常會失控打滑造成偏轉，危及駕駛者及其他用路人安全。車輛控制系統藉由車上感測器獲得車身運動狀態，並主動地調整輪胎轉向角、剎車與引擎轉矩，使車身保持穩定以提高行車安全性。常見的車輛控制系統包括防鎖死剎車系統 (anti-lock braking system, ABS)、電子車身穩定系統 (electronics stability control, ESC)、循跡控制系統 (traction control system, TCS) 等等。此外，車輛控制系統亦可協助駕駛人在正常狀況下的車輛操作，減輕駕駛人負擔。例如適應巡航控制系統 (adaptive cruise control, ACC) 與現在愈來愈多車輛配備的自動駕駛系統等等。

        為增進行車安全，提高車輛操控性，本實驗室開發了階層式車輛控制架構，如圖1所示。首先根據駕駛者的命令，如方向盤轉角、油門或剎車踏板角度等，以及車輛的預期行進軌跡產生車體質心縱向 (longitudinal) 與側向 (lateral) 的參考位置或速度，以及參考橫擺角速度 (yaw rate)，然後上層控制器 (upper controller) 計算跟隨參考軌跡所需的車身縱向力 (X) 、側向力 (Y) 與橫擺力矩 (M)，將其交由最佳化輪胎力量分配演算法計算每個輪胎所應提供的縱向力與側向力。最佳化輪胎力量分配演算法根據車輛的驅動 (前輪/後輪/四輪驅動) 與轉向 (前輪/四輪轉向) 模式決定輪胎力量分配方式。又因為輪胎力量受到正向力與路面摩擦係數影響，故使用輪胎力量與路面摩擦係數估測器獲得所需的資訊。當決定了每個輪胎應提供的力量後，下層控制器 (lower controller) 藉由改變輪胎力矩 (T) 與輪胎轉向角 (δ) 使實際輪胎力量追隨預期的輪胎力量。

        階層式控制器的優點包括

    (1) 上層控制器僅考慮車身動態，且車身縱向、側向與橫擺方向的運動分別由車身縱向力、側向力與橫擺力矩控制，故三個自由度的運動可獨立控制，大幅簡化控制器設計。

    (2) 車輛的任何操控動作，包括加減速與轉向，最終都需藉由輪胎與路面的摩擦力來達成。一旦輪胎打滑鎖死，即便增大引擎出力或輪胎轉向角，亦無法改變車輛運動。最佳化輪胎力量分配演算法的目的在於避免輪胎力量飽和，使車輛在極限操駕的情況下仍能保持穩定。

    (3) 下層控制器進行輪胎力量伺服控制，可精準地追隨輪胎力量分配的結果，使車身獲得上層控制器所需的力量與力矩。

以下將介紹本實驗室發展的輪胎縱向力控制、路面摩擦係數估測以及在自製的四輪獨立驅動移動平台實驗驗證。

       考慮一後輪驅動的車輛，使用本實驗室開發的縱向力控制器調節後輪輪胎轉矩以跟隨縱向力命令。以14個自由度的車輛模型模擬車輛運動，並假設僅使用後輪提供加速與剎車力量。模擬的駕駛情境如圖2所示，圖2包括車輛質心的側向位移，前輪轉向角、車輛質心側向加速度、預期車輛質心縱向速度與路面摩擦係數，其中前輪轉向角是由駕駛人模型根據預期車輛質心軌跡產生。圖2的駕駛情境可分為以下5個事件：