自動運転制御プロセスにおいて解決すべき規制上の問題は何ですか?

自動運転車は自動車の知能化の究極の目標であると広く考えられていますが、自動車技術のさまざまな段階の発展法則、法律や規制、事故の責任の分担などの制約により、運転手は長い間、運転プロセスの参加者、あるいは主な運転手であり続けるでしょう。ドライバーの運転行動と機械のインテリジェント制御システムとの相互作用メカニズムと衝突メカニズムを深く理解し、人間と機械の協調運転システムを確立することも、インテリジェント車両技術の開発において緊急に解決しなければならない重要な課題です。

ヒューマン・マシン・コ・ドライビング・システムとは、ドライバーとマシンの両方が車両を制御するインテリジェントな自動車システムを指します。人間の知能と機械の間には強い補完性があります。機械システムの洗練された知覚、標準化された意思決定、正確な制御と比較すると、人間の運転行動は、モデル化、劣化、遅延、個人化などの特徴があり、心理的および生理的状態などの要因の影響を受けやすいです。人間と比較すると、機械は学習能力と適応能力が比較的弱く、環境を理解するための総合的な処理能力は完璧ではなく、未知で複雑な作業条件に対する意思決定能力も低い。したがって、ヒューマンマシンコドライビングシステムの主な機能は、ドライバーとマシンの利点を統合し、両方の欠点をカバーし、ヒューマンマシンインテリジェンスのハイブリッド強化を実現し、最終的に「1+1>2」の効果を達成し、それによって自動車の安全性、快適性などの性能を向上させることです。

人間と機械の協働システムの分類と原理

制御権の分配方法の違いにより、ヒューマン・マシン・コ・ドライビングシステムは、スイッチングと共有の2つのモードに分けられます。スイッチングヒューマン・マシン・コ・ドライビングシステムでは、運転権はドライバーまたはマシンに時分割で与えられます。共有ヒューマン・マシン・コ・ドライビングシステムでは、一定の重みに従って、運転権がドライバーとマシンに同時に分配されます。

図1 人間と機械の協調運転システムの2つの制御モード

切り替え可能なヒューマン・マシン・コ・ドライビング・システムでは、運転者と機械の間で運転権を柔軟かつ自由に譲渡することができます。システムには、運転者と機械の作業状態、動作モードなどに基づいて制御入力を評価し、車両制御にアクセスするためにより適切なものを選択する判断メカニズムがあります。切り替え型ヒューマン・マシン・コ・ドライビングシステムでは、制御切り替えプロセスが重要なポイントとなります。ドライバーがマシンを引き継ぐ場合を例にとると、切り替えプロセスは次の図のようになります。

図2 スイッチングプロセスを引き継ぐドライバーの概略図

このモードの利点としては、ドライバーとマシンの間に相互作用や結合がなく、車両制御プロセスが明確であること、運転スタイルの変化がほとんどないこと、ドライバーの適応性が優れていることが挙げられます。主な欠点は、運転権の切り替えプロセス中にドライバーが良好な運転状態にあることを確認するのが難しいことです。機械運転中は、運転者の注意力が散漫になっている可能性があります。制御がドライバーに切り替わると、運転者は注意を払い、周囲の運転環境に対する認識を再形成する必要があります。このプロセスには大きな不確実性があり、制御権の自由な切り替えが制限されます。したがって、このモードの主な設計上の難しさは、ドライバーとマシンのどちらのパフォーマンスが優れているかを評価し、その上でドライバーの状態などの要素に応じて運転権を切り替えるタイミングを合理的に選択し、スムーズで安心できる制御権の切り替えを実現することにあります。

人間と機械が共同で運転するシステムでは、ドライバーと機械が同時に車両を制御します。両者は操作機構を通じて相互作用し、連携し、どちら側もリアルタイムで車両を制御できます。両者による共同運転のプロセスはゲームに似ています。各当事者は、自身の目標と相手方の行動に基づいて最適な制御入力を形成し、制御を共有しながら自身の目標を最大化することを目指します。

さらに分析を進めると、ドライバーとマシンの制御を組み合わせるさまざまな方法に応じて、モードはシリアル共有ヒューマンマシン共同運転とパラレル共有ヒューマンマシン共同運転に分けられることがわかります。機械が制御入力（ペダル、ステアリング）を直接制御しない、シリアル共有型人間機械共同運転システムの概略図。一定の割合で重ね合わせたり修正したりすることによってのみ、ドライバーとマシンによる車両の時間制御の効果を達成できます。

図3 シリアル共有型ヒューマンマシンコドライビングシステムの概略図

並列共有型ヒューマンマシンコドライビングシステムの概略図は以下のとおりです。ドライバーとアドバンストの制御が同時に制御入力端子に直接適用され、システムは制御重み係数Kを調整することでヒューマンマシンカップリングを最適化します。実際の制御入力は次の式で表すことができます。

U=UhK+Um(1-K)

Kは制御権割り当て係数、Uhはドライバー入力、Umはマシン入力、Uは実際のシステム入力です。

図4 並列共有型ヒューマンマシンコドライビングシステムの概略図

前述の並列共有型ヒューマン・マシン・コドライビングシステムの利点は、ドライバーが常に運転プロセスに関与しているため、ドライバーの状態の一貫性を確保できること、操作プロセス中にヒューマン・マシン・インタラクションがあるため、ドライバーがマシンの状態を習得しやすいことなどです。このモードの主な欠点は、ドライバーとマシンが衝突しやすいことです。両者が同時に車両を制御できるため、同じ環境を判断する際に両者の運転意図が異なると、同じ車両に対して異なる制御対象が作用し、衝突が大きくなります。したがって、このモードで重点を置く必要がある重要な問題は、人間と機械の衝突の発生を予防し、衝突が発生したらタイムリーに解決する方法です。

ヒューマン・マシン・コドライビングシステムは、主に自動運転システム、ドライバー検出モジュール、ヒューマン・マシン・インタラクションモジュールで構成されています。本機は、上記の運転者関連データを分析し、周囲の環境や車両の状態を統合して、適切な運転権の切り替えや運転権の配分重みを決定します。さらに、ヒューマンマシンインタラクションシステムモジュールは、ドライバーとマシンの間のコミュニケーションブリッジを形成し、両者が効果的に自己表現できるようにし、ヒューマンマシン共同運転システムのインタラクション性を向上させます。

自動運転におけるワイヤー制御シャーシ技術の応用

現在の自動運転システムでは、安全な操作に対する要求がますます高まっており、機能安全性能指標の大幅な改善が求められています。たとえば、本来の ACC システムは補助運転システムであるため、高いレベルの機能安全性は求められません。一般的には、ASIL A または QM を達成すれば十分です。しかし、次世代の製品における自動運転では、通常、運転プロセス中のほとんどの運転作業をドライバーに代わって実行し、多くの運転タスクを実行するため、通常の状況ではドライバーがその故障の責任を負うことは期待できません。そのため、自動運転システムの機能安全性は、従来の運転支援システムに比べて大幅に高くなります。このレベルは、ASIL C や ASIL D にさえ到達できます。これにより、アクチュエータに対する要件がますます高くなり、主に、アクチュエータに応答信号を送信するときに、アクチュエータがオーバーシュートや振動などを起こさずに、送信した信号の最終状態に最短時間で応答することを要求するコントローラが増えるという事実に反映されています。これが応答精度と呼ばれるものです。

現在の従来のシャシー制御システム（ワイヤー制御ブレーキとワイヤー制御ステアリングを含む）は、インテリジェント運転制御全体を扱う上でかなりの欠点があります。ここでは、次の 2 つの典型的な例を挙げて説明します。

例1: 不正確な応答/オーバーシュート

危険を回避するために自動的に車線を変更して後退する過程で、車両が過度に後退したり、車線から逸脱したりして危険な状態を引き起こすことがよくあります。その場合、システムは大きな引き戻しトルクを使用して車両を車線の中央に戻します。自動運転のセンターリングやドライバーによる車線変更の際に、ドライバーがゆっくりとトルクをかけてステアリングホイールを制御すると、システムがステアリングホイールを掴む傾向があります。

例2: 応答遅延

アダプティブクルーズコントロールシステムACCでは、後方車両が前方車両に追従する場合、速度差が大きい場合、車両が連続的に加速と減速しているときに、送信される加速と減速により、ブレーキシステムも実行プロセス中に加速と減速の間で連続的にコールバックします。このプロセスにより、ブレーキ システムの応答精度が不十分になったり、オーバーシュートが発生したりする可能性があります。

これらの実際の問題は、自動運転の制御精度に重大な影響を及ぼし、着陸時間を延長します。自動運転では、実際の問題に基づいて対応するソリューションを提供し、シャーシと上位コントローラ間の相互作用を継続的に調整する必要があります。

実行制御をより良く実現するために、最も直感的な表現は、従来のシャーシシステムを更新およびアップグレードし、ワイヤー制御シャーシ技術を追加して車両の方向を制御することです。この改善されたワイヤー制御シャーシ技術は、間違いなく実行制御全体の応答性を大幅に促進します。

自動運転の場合、ワイヤー制御シャーシ技術では、操作機構とアクチュエータの間に機械的な接続がなく、機械的エネルギーの伝達もありません。さらに、操作指示はセンサ素子によって感知され、ネットワークを介して電気信号１の形で電子コントローラおよびアクチュエータに送信される。したがって、その実行プロセスと結果は電子コントローラによって完全に監視および制御されます。また、以下の側面でも自動運転に役立ちます。

1) 大量の正確なシャーシシステム信号を提供します。シャーシ センサーの種類が多岐にわたるため、コントローラーはこれらのセンサー信号を処理する際に、さまざまな信号モードと処理方法を採用する必要があり、それらをサポートするには、より高いリアルタイム要件、より優れた検証、およびソリューション理論が必要になります。

2) 正確で現実的な車両ダイナミクスモデルをフィードフォワードプレビュー制御に直接提供します。シャーシ車両とタイヤのダイナミクスは複雑な非線形特性を示すため、シャーシ・バイ・ワイヤ技術は、車両ダイナミクスモデルの精密な安定メカニズムの研究を効果的に促進し、ダイナミクスアプリケーションの開発を効果的に促進することができます。

3) 複雑なシナリオにおいて、ドライバーの視点からスマートカーの正確な認識状態を提供します。シャーシ・バイ・ワイヤ技術は、複雑な交通シナリオにおける車両ダイナミクスの安定境界を正確に定量化するメカニズムを提供し、動的状態の正確な認識とプレビュー技術を向上させることができます。非常に複雑で動的な交通環境の相互作用において、最高レベルのインテリジェント運転に対応するサポートを提供します。

ステアバイワイヤの設計と応用の原理

ステアバイワイヤシステムは、ドライバーの入力と前輪の角度を切り離し、特に機械的な接続のないステアリングシステムを指し、システムの構造上の違いとなります。ワイヤー制御ステアリングでは、ステアリングのパワーはモーターから供給されます。モーターには、ステアリング時にドライバーに路面の感触とそれに応じたパワーを提供するという、主に 2 つの側面があります。

ステアバイワイヤは、車両設計の自由度を高め、車両の快適性を向上させ、道路の凹凸を完全に除去します。回転効率が高く、応答時間が短いという特徴があります。同時に、可変角度/力伝達比特性により、車両の衝突安全性と車両のアクティブセーフティを向上させ、シャーシシステムの統合を統合し、包括的なシステム利用を実現することもできます。ステア・バイ・ワイヤは、自動運転車が経路追従や障害物回避を実現するために必要な重要な技術であると言えます。

現在、ステアバイワイヤシステムの研究は、主に路面フィードバック制御戦略研究、ステアリング実行制御戦略研究、故障診断およびフォールトトレラント制御戦略研究の 3 つの側面に焦点を当てています。その中でも、路面感覚フィードバック制御戦略の研究は最も重要な研究方向です。

路面感覚フィードバック制御戦略の研究は、比較的抽象的な定義です。その定義の 1 つは、車両運転中にドライバーがステアリングホイールを通じて得るステアリング抵抗トルクを指します。抵抗トルクは、主にリターン トルクと摩擦トルクの 2 つの部分で構成されます。

図5 ステアバイワイヤの基本構造

その中で、復帰トルクはリアルタイムで正確に取得することが難しい場合が多く、車輪を直線走行位置に戻すための主なトルクの 1 つとして、その値は通常、経験、統計、または実験的な方法によって取得されます。この値は車両の前輪の力の状態によって制御され、車両のリアルタイムの運動状態と路面の接着に直接関係します。したがって、ロードフィールの計算式は次のように表すことができます。

セルフアライニングトルクは車両の前輪の力の状態に直接関係し、前輪にかかる力は車両のリアルタイムの運動状態と路面の接着に直接関係します。したがって、総セルフアライニングトルクをステアリングホイールから前輪への総力伝達比で割って得られるステアリングホイールハンドトルクが、通常は路面感覚とみなされます。

一般的に、路面感覚シミュレーションでは、ステアリングホイールの反応トルクが第一に考慮され、ステアリング反応トルクの計算方法は次のとおりです。

ステアリングホイール反力トルク = ステアリング負荷観測トルク - 仮想パワーアシストトルク + ステアリングデッドポイントシミュレーショントルク + 障害物トルク。路面感覚は通常、経験に基づく設計とモデルに基づく設計という 2 つの方法を使用して得られます。路面感覚は、ハンドル角、車速、ヨーレートなどのパラメータの非線形関数として設計されており、さまざまな条件下でドライバーにさまざまな路面感覚を提供します。シンプルで効率的ですが、適応性と精度が低いです。そのため、路面感覚シミュレーションパラメータの実際の計算プロセスでは、通常、動的モデルに基づく方法を使用して、車両の動的応答、ドライバーのステアリングホイール入力、その他の路面感覚に関連するタイヤの力、摩擦トルクなどに基づいて路面感覚を計算し、最終的に路面感覚を計算できます。

ブレーキバイワイヤの応用原理

ブレーキバイワイヤは、シャーシバイワイヤ技術の中で最も重要かつ難しい技術であり、シャーシの安全性と安定性の制御要素に関連しています。ブレーキ性能には、応答速度、滑らかさなどが含まれます。

ワイヤー制御ブレーキシステムは、ECU によって電子信号が決定された後、4 つのホイール ブレーキ モジュールにブレーキ コマンドを送信します。各ホイール ブレーキ モジュールは独立してモーターを駆動し、ブレーキ摩擦部分を駆動して、合理的な電力配分、ブレーキの安定性制御、および効果的なブレーキを実現します。ペダル信号とアクチュエーターの間で電気信号全体が伝送され、ABS、TCS、ESCなどのモジュールと連携して車両シャーシの統合制御を実現します。

図6 ブレーキバイワイヤの原理

現在、ワイヤー制御ブレーキシステムの研究は、主にペダルシミュレーション、アクティブブレーキング、ブレーキエネルギー回収の 3 つの側面に焦点を当てています。

1) ペダルフィールシミュレーション

ブレーキ・バイ・ワイヤ システムは、シミュレーターまたはアルゴリズム シミュレーションを通じて対応するペダル力をドライバーに提供し、ペダルとマスター シリンダー間の機械的な接続を必要としません。ブレーキ・バイ・ワイヤ システムの品質は、主にペダルの力をどれだけ正確にシミュレートできるかによって決まります。一般的には、事前に大量の時間遅延データを分析することで、ペダル力、ペダル移動量、車両状態の関係を取得し、スプリングまたはアクチュエータペダル力を介してシミュレーションプロセスを実行します。

2) アクティブブレーキ

アクティブブレーキシステムは、主に先進インテリジェント運転支援システムADASと自動緊急ブレーキシステムAEBのブレーキ機能要件に関係します。ワイヤー制御ブレーキシステムは、この要求に正確かつ迅速に応答する必要があります。アクティブブレーキの応答プロセスは、基本的に、特定の動的制御アルゴリズム（PID アルゴリズム、最適制御、ロバスト制御、スライディングフィルム制御、ファジー制御、ニューラルネットワーク制御、モデル予測制御など）を通じて最適化する必要があります。これらのカテゴリは、経験に基づく設計方法と動的に基づく計算方法に大まかに分類できます。

3) ブレーキエネルギー回生

ブレーキエネルギー回生とは、減速時やブレーキ時に駆動モーターが発電状態で作動し、車両の運動エネルギーの一部を電気エネルギーに変換してバッテリーに蓄えることです。同時に、モーターのフィードバックトルクがドライブシャフトに適用され、車両にブレーキをかけます。ワイヤー制御ブレーキシステムは、電気ブレーキトルクとブレーキトルクの協調配分を伴い、ブレーキエネルギー回収の制御戦略に関する研究全体は基本的にこの点を中心に展開されます。

要約する

本稿では、ヒューマンマシンコドライビング技術、ワイヤー制御シャーシ技術など、スマートカーの応用プロセスにおける制御と規制の基本理論を、制御実行の観点から解説します。これらの技術は、現在の世代のインテリジェント運転支援製品ではまだ成熟していません。しかし、現世代の製品には一連の問題があるため、次世代の自動運転システムではこれらの問題を解決する必要があります。したがって、これらの問題を根本から分析して防御する必要があります。この記事は、この動機に基づいて、対応する分析と解釈を行い、次世代の自動運転システムの設計に強力な参考資料を提供します。