Tire slip angle
- 又稱: slip angle, lateral slip angle
- 類別: Control › Locomotion control
- 標籤: vehicle-dynamics, tire-models, autonomous-driving, friction, wheeled-robots
車輪所指方向與其接地面實際移動方向之間的夾角；它是決定輪胎產生多少側向力的主要變數。
定義
輪胎滑移角（tire slip angle）是車輪朝向（也就是車輪平面在地面上的投影線）與輪胎接地面實際行進方向之間的夾角。車輛過彎時，輪胎並不會完全朝它所指的方向移動：橡膠與胎體會變形，接地面相對於車輪有一部分側向移動，而正是這種變形產生讓車輛轉彎的側向力。滑移角小時，側向力大致與滑移角成正比，其斜率稱為過彎剛性。隨著滑移角增加，側向力逐漸持平，達到由摩擦與法向負載決定的峰值；超過峰值後，接地面有更多部分滑動，側向力維持不變或下降。
在自行車模型中，滑移角依車輛的運動逐軸計算。對前軸而言，滑移角等於轉向角減去前軸速度的方向角，後者取決於縱向速度、側向速度，以及偏航角速度乘以質心到該車軸的距離；後軸的形式相同，只是沒有轉向項。不同教科書與標準的正負號慣例各不相同，而且這些公式要除以縱向速度，因此在接近靜止時會變得沒有良好定義；模擬器與估測器因此會加入低速處理。Pacejka 魔術公式或刷子模型等非線性輪胎模型，把滑移角、法向負載與摩擦映射為側向力；複合滑移模型則在輪胎同時煞車或加速時，降低可用的側向力。
滑移角是兩種滑移量之一。縱向滑移（即滑移率）比較車輪的滾動速度與前進速度，決定牽引力與煞車力；滑移角則決定過彎力。兩者都不同於車輛的側滑角，也就是整輛車的朝向與其質心處速度之間的夾角。有滑移角也不代表輪胎正在打滑：在小角度時，接地面大部分都抓住路面，這個角度主要來自變形。
為何重要
輪胎力決定輪式載具實際上能做什麼，而滑移角是支配側向抓地力的變數。自駕車、極限操控系統與甩尾的控制器，都需要估測滑移角，並把它保持在輪胎力可預測的範圍內，或刻意讓它超出這個範圍。
主要應用
- 動力學自行車模型與四輪車輛模型
- 從行駛資料鑑別輪胎模型
- 電子穩定控制與極限操控控制
- 自主甩尾與賽車控制器
- 車輛側滑角與輪胎力估測
實際應用
一個開發自主甩尾控制器的團隊，在測試場上記錄速度、偏航角速度、轉向角與車輛側滑角，其中側滑角來自雙天線 GNSS 與慣性系統。他們由這些訊號在每個時間步計算前、後軸的滑移角，為每根車軸畫出側向力對滑移角的曲線，並擬合一個輪胎模型，可以是魔術公式曲線，也可以是學習而得的模型。在持續甩尾中，後輪胎運作在遠超過其力峰值的區域，前輪胎則保持在峰值附近，控制器利用擬合出的曲線選擇能維持這種平衡的轉向與油門。極低速的資料會被捨棄，因為滑移角公式在那裡並不可靠。
常見誤解
- 滑移角不為零代表輪胎在打滑 — 在小滑移角時，接地面大部分都抓住路面，這個角度來自輪胎變形
- 輪胎滑移角與車輛側滑角是同一回事 — 側滑角描述整輛車的速度相對於其朝向的偏離，而滑移角是針對每個輪胎或車軸定義的
- 側向力會隨滑移角一直增加 — 它會達到峰值，接著隨輪胎飽和而持平或下降
- 滑移角涵蓋了所有輪胎滑移 — 縱向滑移（即滑移率）是另一個獨立的量，決定牽引力與煞車力，兩者在複合滑移下會相互影響
誰需要了解
- 車輛動力學與自駕車工程師
- 研究極限操控與甩尾的控制研究人員
- 為輪式機器人建立模擬器的工程師
- 開發高速輪式平台的野外機器人開發人員
相關技術
- Pacejka 魔術公式（Pacejka Magic Formula）
- 刷子輪胎模型（Brush Tire Model）
- 電子穩定控制（Electronic Stability Control）
- GNSS/慣性組合導航（GNSS-Inertial Navigation）
- 摩擦圓（Friction Circle）
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