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調校與測試#

測試、調校與校正車輛控制系統的實用指南。

快速測試程序#

先決條件#

  • 車輛已上電
  • PCA9685 PWM 板已連接（I2C 介面）
  • ROS 2 環境已來源（source install/setup.bash）

1. 啟動基本控制#

# Launch minimal control system (no planning, no localization)
make play-basic-control

這會啟動： - 車輛介面（透過 I2C 的 PCA9685 PWM 通訊） - 控制節點（橫向 + 縱向控制） - 基本訂閱者/發布者

預期輸出： 

[vehicle_interface_node]: Connected to PCA9685 on I2C bus
[trajectory_follower_node]: Lateral controller started
[longitudinal_controller_node]: Longitudinal controller started

2. 啟動 PlotJuggler#

在新終端機中： 

# Launch PlotJuggler for real-time visualization
make plot-test

要監控的主題： - /vehicle/status/control_mode - 控制模式（手動/自動） - /vehicle/status/velocity_status - 當前速度 - /control/command/control_cmd - 控制指令（油門、煞車、轉向） - /control/current_gate_mode - 控制閘門模式

PlotJuggler 設定： 1. 視窗自動開啟 2. 從左側面板選擇主題 3. 拖曳主題至繪圖區域 4. 觀察即時資料

3. 驗證系統狀態#

# Check control mode
ros2 topic echo /vehicle/status/control_mode
# Should show: mode: AUTO

# Verify control commands
ros2 topic echo /control/command/control_cmd
# Should show incoming commands

# Check PCA9685 connection
sudo i2cdetect -y 1
# Should show device at address 0x40 (default PCA9685 address)

# Verify vehicle interface node running
ros2 node list | grep vehicle_interface

手動控制測試#

使用控制器 GUI 測試手動控制（安全方法）。

啟動控制器 GUI#

# Launch controller GUI
make run-controller

# Controls:
# W - Forward
# S - Backward
# A - Left
# D - Right
# Space - Brake/Stop
# Q - Quit

為什麼要使用控制器 GUI？ - 安全：放開按鍵時指令停止 - 防止失控：GUI 關閉時車輛停止 - 視覺回饋：查看當前控制狀態

驗證： - 車輛立即回應指令 - 放開 A/D 時轉向回中 - 煞車（Space）平順停止車輛 - 無意外移動

⚠️ 警告：請勿使用 ros2 topic pub 直接發送控制指令。Actuator 會記住最後的指令，車輛會持續移動。務必使用控制器 GUI。

自動化測試情境#

control_test 套件提供自動化測試情境，可安全驗證控制系統效能。

測試 1：速度追蹤#

目標：驗證速度控制器追蹤目標速度。

# Terminal 1: Launch basic control
make play-basic-control

# Terminal 2: Launch PlotJuggler
make plot-test

# Terminal 3: Run velocity tracking test
ros2 launch control_test velocity_tracking.launch.py

此測試會自動： - 將速度從 0 斜升至 2 m/s - 保持在 2 m/s 五秒 - 斜降至 0

PlotJuggler 中的預期結果：平順的速度曲線匹配指令軌跡，穩定在 ±0.2 m/s 內。

測試 2：轉向回應#

目標：驗證轉向伺服馬達回應指令。

# Terminal 1: Basic control running
# Terminal 2: PlotJuggler running

# Terminal 3: Run steering response test
ros2 launch control_test steering_response.launch.py

此測試循環執行： - 中心（0°）→ 左轉（15°）→ 中心 → 右轉（15°）→ 中心

PlotJuggler 中的預期結果：轉向角在 100ms 內追蹤指令角度。

測試 3：緊急停止#

目標：驗證煞車回應與安全性。

# Use controller GUI for this test
make run-controller

# Steps:
# 1. Press W to accelerate to ~1 m/s
# 2. Press Space (brake) to stop
# 3. Observe stopping distance

預期：車輛在 1 公尺內平順停止。

在 PlotJuggler 中監控：減速應平順，無抖動。

PID 調校#

縱向控制器（速度控制）#

測試程序： 1. 啟動基本控制：make play-basic-control 2. 啟動 PlotJuggler：make plot-test 3. 執行階躍回應測試：ros2 launch control_test step_response.launch.py 4. 在 PlotJuggler 中觀察速度回應

⚠️ 安全：使用 control_test 套件進行 PID 調校，不要使用手動 ros2 topic pub 指令。測試套件包含安全逾時與看門狗機制。

調校效果：

Kp（比例）： - 過高：超調、震盪 - 過低：回應慢、穩態誤差大 - 典型範圍：30-70（預設：50.0）

Ki（積分）： - 目的：消除穩態誤差 - 過高：積分飽和、超調 - 過低：與目標永久偏移 - 典型範圍：2-10（預設：5.0）

Kd（微分）： - 目的：減少超調、阻尼震盪 - 過高：放大雜訊、運動抖動 - 過低：超調 - 典型範圍：0.5-5（預設：2.0）

調校過程： 1. 僅從 Kp 開始（Ki=0、Kd=0） 2. 增加 Kp 直到回應快速但略微震盪 3. 加入 Ki 以消除穩態誤差 4. 加入 Kd 以減少超調

橫向控制器（轉向控制）#

要調校的參數： - kp_steer：偏航率控制的比例增益 - ki_steer：積分增益 - kd_steer：微分增益

效果與縱向控制器類似： - 較高的 Kp → 更快的轉向回應，但可能震盪 - Ki → 消除穩態偏航率誤差 - Kd → 阻尼震盪

預設值： - kp_steer: 10.0 - ki_steer: 1.0 - kd_steer: 0.5

如何編輯參數#

# Edit PID gains for longitudinal control
vi src/vehicle/autosdv_vehicle_launch/autosdv_vehicle_interface/params/actuator.yaml
# Update: kp_speed, ki_speed, kd_speed

# Edit PID gains for lateral control
vi src/vehicle/autosdv_vehicle_launch/autosdv_vehicle_interface/params/actuator.yaml
# Update: kp_steer, ki_steer, kd_steer

# Rebuild
make build

# Test
make play-basic-control

校正程序#

校正 PWM 值#

目標：為您的特定電機/ESC 確定 PWM 到速度的映射。

⚠️ 安全警告：PWM 校正需要仔細測試。Actuator 會記住最後的指令，因此務必準備好緊急停止方法。

建議方法：使用 control_test 套件的校正模式：

# Launch PWM calibration tool (with safety features)
ros2 launch control_test pwm_calibration.launch.py

此工具： - 逐步測試 PWM 值並確認 - 包含自動逾時/看門狗 - 記錄每個 PWM 值的速度 - 產生校正參數

替代方案（進階）：使用控制器 GUI 並監控：

# Terminal 1: Launch vehicle interface
ros2 run autosdv_vehicle_interface vehicle_interface_node

# Terminal 2: Monitor velocity
ros2 topic echo /vehicle/status/velocity_status

# Terminal 3: Use controller GUI
make run-controller
# Gradually increase throttle, record velocity at each level

更新參數： 

# File: params/actuator.yaml
min_pwm: 280           # Minimum PWM (maximum reverse)
init_pwm: 370          # Neutral/dead zone
max_pwm: 460           # Maximum PWM (maximum forward)
brake_pwm: 340         # Emergency brake PWM

校正轉向#

目標：測量轉向角與 PWM 的關係。

使用控制器 GUI 測量轉向角與 PWM：

# Terminal 1: Launch vehicle interface
ros2 run autosdv_vehicle_interface vehicle_interface_node

# Terminal 2: Launch controller GUI
make run-controller

# Terminal 3: Monitor steering commands
ros2 topic echo /vehicle/command/actuation_cmd

程序： 1. 逐漸按下 A（左轉）→ 觀察轉向 PWM 並測量輪胎角度 2. 轉向回中 → 驗證 PWM 回到約 400，輪胎在 0° 3. 逐漸按下 D（右轉）→ 觀察轉向 PWM 並測量輪胎角度 4. 記錄最大左轉角度（PWM 約 350）與最大右轉角度（PWM 約 450） 5. 計算：angle_per_pwm = (max_angle - min_angle) / (450 - 350)

安全：控制器 GUI 會在放開按鍵時自動將轉向回中。

校正霍爾效應感測器#

目標：驗證速度測量準確度。

使用控制器 GUI 測量感測器準確度：

# Terminal 1: Launch vehicle interface
ros2 run autosdv_vehicle_interface velocity_report_node

# Terminal 2: Monitor velocity feedback
ros2 topic echo /vehicle/status/velocity_status

# Terminal 3: Controller GUI
make run-controller

程序： 1. 在地面標記起始位置 2. 使用控制器 GUI（按 W）讓車輛慢慢前進 3. 在正好 1 公尺標記處停止（按 Space 煞車） 4. 記錄總脈衝數（若監控原始感測器）或驗證速度符合預期 5. 計算：pulses_per_meter = total_pulses / 1.0

更新： 

# File: params/velocity_report.yaml
wheel_diameter: 0.1            # Measured in meters
markers_per_rotation: 4        # Number of magnets on wheel
gpio_pin: 17                   # GPIO pin number

理解圖表#

速度圖#

Target velocity (commanded)   ----
Actual velocity (measured)    ____

Good tracking:
  Target and actual overlap closely

Poor tracking:
  Large gap between target and actual
  Oscillations around target

要注意的事項： - 上升時間：速度達到目標的速度（應 < 2 秒） - 超調：速度不應超過目標 >10% - 穩態誤差：最終誤差應 < 0.1 m/s - 震盪：應在 1-2 個週期內穩定

控制指令圖#

Throttle (positive)    - Acceleration command
Brake (negative)       - Deceleration command
Steering (±rad)        - Steering angle command

Good response:
  Commands change smoothly
  No sudden jumps

Poor response:
  Oscillating commands
  Saturated commands (stuck at limits)

要注意的事項： - 平順轉換：指令應斜升，不應跳躍 - 無飽和：指令應保持在限制內（不會持續在 MAX/MIN） - 相關性：速度誤差應與油門/煞車指令相關

疑難排解#

車輛無回應#

症狀：指令已發布但車輛不移動。

診斷： 

# 1. Check PCA9685 connection
sudo i2cdetect -y 1
# Should show device at address 0x40

# 2. Check control mode
ros2 topic echo /vehicle/status/control_mode
# Should show: mode: AUTO (1)

# 3. Check PWM commands
ros2 topic echo /vehicle/command/actuation_cmd
# Should show motor_pwm != 370

# 4. Check vehicle interface node
ros2 node info /vehicle_interface_node

# 5. Check I2C permissions
groups $USER | grep i2c
# Should show i2c group

解決方案： - 檢查 PCA9685 的 I2C 配線（SDA、SCL、VCC、GND） - 將使用者加入 i2c 群組：sudo usermod -a -G i2c $USER - 切換至 AUTO 模式：ros2 service call /vehicle/set_control_mode autoware_auto_vehicle_msgs/srv/ControlModeCommand "{mode: 1}" - 重新啟動車輛介面：ros2 run autosdv_vehicle_interface vehicle_interface_node

速度震盪#

症狀：車輛速度在目標值附近震盪。

診斷： - 在 PlotJuggler 中繪製速度圖 - 檢查控制指令是否震盪 - 監控霍爾效應感測器是否有雜訊

解決方案： 1. 降低 PID Kp：減少比例增益 2. 增加 PID Kd：加入阻尼 3. 濾波感測器：增加 velocity_measurement_filter_alpha（0.3 → 0.5） 4. 檢查機械：鬆動的感測器固定座會造成雜訊

轉向延遲或抖動#

症狀：轉向回應延遲或不穩定。

診斷： 

# Monitor steering commands and servo response
ros2 topic echo /control/command/control_cmd
ros2 topic echo /vehicle/command/actuation_cmd

解決方案： 1. 電源供應：檢查伺服馬達獲得乾淨的 5V 且電流充足（>1A） 2. PWM 範圍：驗證 PWM 值為 350-450 3. 機械卡住：檢查轉向連桿移動順暢 4. PCA9685 測試：使用 control_test 校正模式獨立測試伺服馬達

霍爾效應感測器無作用#

症狀：速度總是讀取為 0。

診斷： 

# Monitor velocity feedback
ros2 topic echo /vehicle/status/velocity_status

# Check if velocity updates when vehicle moves
# (Use controller GUI to drive vehicle slowly)

# Check velocity_report node is running
ros2 node list | grep velocity_report

解決方案： 1. 配線：檢查感測器電源（VCC、GND）與訊號連接 2. 磁鐵對齊：確保輪胎上的磁鐵靠近感測器（< 5mm 間隙） 3. GPIO 腳位：驗證 velocity_report.yaml 中配置的 GPIO 腳位正確 4. 上拉電阻：KY-003 可能需要在訊號腳位上使用上拉電阻 5. LED 指示燈：KY-003 有 LED 在偵測到磁鐵時會閃爍 - 檢查輪胎旋轉時是否閃爍

快速參考#

啟動指令#

make play-basic-control        # Launch control system
make plot-test                 # Launch PlotJuggler
make run-controller            # Controller GUI (safe manual control)

監控主題#

ros2 topic echo /vehicle/status/control_mode
ros2 topic echo /vehicle/status/velocity_status
ros2 topic echo /control/command/control_cmd
ros2 topic echo /vehicle/command/actuation_cmd
ros2 topic hz /vehicle/status/velocity_status

PCA9685 連接#

sudo i2cdetect -y 1            # Check I2C device at 0x40
groups $USER | grep i2c        # Verify I2C permissions

控制模式#

# AUTO mode
ros2 service call /vehicle/set_control_mode autoware_auto_vehicle_msgs/srv/ControlModeCommand "{mode: 1}"

# MANUAL mode
ros2 service call /vehicle/set_control_mode autoware_auto_vehicle_msgs/srv/ControlModeCommand "{mode: 0}"

參數檔案#

Actuator control:    src/vehicle/autosdv_vehicle_launch/autosdv_vehicle_interface/params/actuator.yaml
Velocity reporting:  src/vehicle/autosdv_vehicle_launch/autosdv_vehicle_interface/params/velocity_report.yaml
Vehicle info:        src/param/autoware_individual_params/.../vehicle_info.param.yaml

常見測試指令#

# Record test session
ros2 bag record -o control_test_session /vehicle/status/velocity_status /control/command/control_cmd /vehicle/command/actuation_cmd

# Playback and analyze
ros2 bag play control_test_session.db3

# Check topics publishing rate
ros2 topic hz /vehicle/status/velocity_status
ros2 topic hz /control/command/control_cmd

進階測試#

記錄資料以供分析#

# Record test session
ros2 bag record -o control_test_session \
  /vehicle/status/velocity_status \
  /control/command/control_cmd \
  /vehicle/command/actuation_cmd

# Playback and analyze
ros2 bag play control_test_session.db3

分析控制效能#

# Use control_test package for metrics
ros2 run control_test performance_analysis

# Outputs:
# - Rise time (0-90% of target velocity)
# - Settling time (within ±5% of target)
# - Overshoot percentage
# - Steady-state error

自訂測試軌跡#

注意：為了安全，自訂軌跡測試應在 control_test 套件中實作，而非臨時腳本。

control_test 套件包含： - velocity_tracking.launch.py - 斜升速度剖面 - steering_response.launch.py - 轉向角掃描 - step_response.launch.py - PID 調校的階躍輸入測試

加入自訂測試：修改 control_test 套件並使用適當的安全檢查（看門狗計時器、速度限制等）。

下一步#