早稲田大学大学院先進理工学研究科博士論文概要論文題目自動車ドライバの運転行動のモデル化とそれに基づく制御系設計に関する研究 Study on Modeling Automobile Driver Behavior and Control Design Based on Driver Model 申請者岡本雅之 Masayuki OKAMOTO 電気・情報生命専攻インテリジェント制御研究 2011 年 11 月自動車における電子制御の本格的なはじまりは１９７０年代のことである．その背景には，排気ガス規制強化に伴うエンジン制御への環境性能要求の高まりがあった．これを契機に電子制御の導入が加速し，アンチロックブレーキシステムや電動パワーステアリングをはじめとする多くの新しい制御システムが誕生して安全性，利便性や快適性の向上が図られた．一方，コントローラであるドライバが自動車を制御するというフィードバックループの内部にも電子制御という別のコントローラが入って来たことから，以下に述べるような問題も引き起こされた．一つの問題として，オートマチックトランスミッション（以後， AT と略す）制御の例を取り上げる． AT 制御によって，従来ドライバが行っていたクラッチペダル操作や最適な変速段の判断が自動化され，運転の負担が軽減した．しかしその一方で，発進加速中のシフトアップがドライバの期待よりも遅い，あるいは降坂中のシフトダウンが思うように発生しないなど，ドライバが期待する変速と実際の変速との間にずれが生じることがあり，ドライバによっては変速制御に対する違和感や不満を感じさせることとなった．別の問題として，ドライブバイワイヤ（以後，D B W と略す）の例を示す． D B W はアクセルペダルとスロットルとの間を物理的に接続していたワイヤを電気信号に置換したシステムであり，アクセルペダル開度をセンサで計測し，それに基づいて電子制御によってモータを動作させることでスロットルを制御する．これにより，単にドライバのアクセルペダル操作に対して忠実にスロットルを制御するだけでなく，例えば乱雑なアクセルペダル操作に対するスロットルの反応を抑えることで燃費向上を図るといった応用が可能となった．しかし，スロットルの反応を抑えるということは同時に応答性を劣化させることにもつながるため，アクセルペダル操作に対してダイレクトな反応を期待するドライバにとってはダイレクト感の欠如という違和感を与えることとなった．以上のような問題を解決するためには，ドライバとの協調を考慮した制御系設計が重要となる．こうした背景から，ドライバの運転行動をモデル化する取り組み，すなわちドライバモデルの研究が盛んとなっている．ドライバモデルの代表構造として M i c h o n が提唱した三層構造モデルが知られており，（ a ）戦略層：ルート計画，コストやリスクの評価，（ b ）戦術層：障害物回避，車間維持や追い越し，（ c ）操作層：アクセル，ブレーキやステアリングの操作，から構成される．このうち制御系設計との関連が深いのは（ b ）と（ c ）である．（ b ）の戦術層のモデル化はある状態から別の状態への遷移条件を記述することに相当し，判別関数やサポートベクタマシンによるアプローチが多く見られる．一方（ c ）の操作層については，ドライバをコントローラと捉えて連続事象として扱い，その同定を行うものが多い．また，（ b ）と（ c ）を併合してハイブリッドダイナミカルシステム（以後， HDS と略す）として扱う取り組みも見られる．以上の背景のもとで，本論文では無段変速機（以後， CVT と略す）車を対象に 1 （１）ドライバ特性を考慮した変速制御系の設計，（２）アクセルペダル操作のモデル化の二つを研究課題とする．本論文の構成を以下に示す．第１章序論では，本研究の背景と従来研究を概観した後，本研究の目的と論文構成を述べる．第２章では，実際の車両により計測したドライバの運転データの解析をおこなう．本研究では，C V T 車を用いてあるテストコースにおいて計測した４名のテストドライバの実機データを使用して運転行動の解析，モデル化および制御系設計をおこなう．この章では，まずそれらのデータの計測条件を示す．テストコースは全長約４ [km]で，直線，緩急カーブ，登降坂やＴ字路などを含んだ多様性のあるコースである．テストドライバは初級者１名，中級者２名と熟練者１名から成り，運転技量の差がある４名とした．各ドライバは省燃費走行，通常走行とスポーティ走行の３通りの運転パターンで走行し，必要に応じてシフトレバーによるマニュアルシフト操作を併用した．以上の条件のもとで計測された多様な運転データの解析結果から，つぎの知見が得られる．（ a ）マニュアルシフト操作の個人差については，運転技量ではなく個々人の嗜好による影響が大きい（ b）ある特定の区間におけるアクセルペダル操作に着目すると，各ドライバに固有の運転傾向がある．これらの知見に基づき，先に述べた二つの研究課題に取り組む．第３章では，一つ目の課題であるドライバ特性を考慮した変速制御系の設計について述べる．制御の狙いは，ドライバによるマニュアルシフト操作の特性を考慮することにより，従来よりもその操作を併用した場合に近い変速制御を実現することである．これにより，例えばカーブ手前でエンジンブレーキを掛けるためにドライバがダウンシフト操作をするといった運転負担の軽減が期待される．マニュアルシフト操作は離散事象であるため，従来の操作層に対するモデル化のように連続システムとして同定することができない．そこで，複雑かつ非線形性の強いシステムに対して有効な J u s t - I n - T i m e（以後， J I T と略す）モデリングを用いる． JIT モデリングはプロセス制御系の分野を中心に適用事例が見られ，大域的なモデルを求める代わりに，システムの入出力データを蓄積したデータベースから，要求点と呼ばれる現時点の入力データ近傍の局所モデルを都度構成する手法である．従来の C V T の変速制御系が変速線図と呼ばれるマップを主としたコントローラ部分とドライバのシフト操作部分の二つから構成されることを示し，この構成に基づいてドライバのシフト操作特性を含めた変速制御系全体を非線形システムと捉え， JIT モデリングによって包括的にモデル化することで制御系を設計する．この変速制御系の出力変数は目標変速比であり，その下流にあるフィードバックコントローラによって，実変速比が目標変速比に追従するように制御される．一方入力変数については内界センサから得られる 24 の候補変数があり，その中から適切な入力変数を選定するため，線形回帰による入力変数の縮約およびステップワイズ法による選定をおこなう．これによってデータベースの肥大化 2 が抑えられ，オンライン適用が可能となる．提案制御系による走行試験結果から，カーブ手前などのダウンシフトが必要な場面において自動的にローギヤ方向へ変速し，その結果ドライバのブレーキペダル操作量が低減するといった有効性を示す．第４章では，二つ目の課題であるアクセルペダル操作のモデル化について述べる．従来手法の多くは，車間距離情報を使用して先行車への追従コントローラとしてアクセルペダル操作の特性をモデル化しているが，追従走行を前提としているため単独走行には適用できない．したがって本研究では，単独走行時にも利用可能なアクセルペダル操作モデルを構築する．ここでは，アクセルペダル操作の時系列的な振る舞いに着目し，｛踏み込む，一定開度を保持する，戻す｝といった単純動作が遷移する系列と捉えてモデル化する．これは，先に述べた三層構造モデルにおける（ c）の操作層をさらに階層化して HDS として表現することに相当する．踏み込み方や戻し方にはドライバによる差異があることから，ドライバごとにそれらの単純動作を抽出し，これらを運転素と呼ぶこととする．各運転素は，出力変数をアクセルペダル開度の現在値，入力変数をアクセルペダル開度の前回値とその変化速度の絶対値の２変数とするダイナミカルシステムとして扱う．変化速度に対して絶対値をとることによって踏み込み動作と戻し動作の間で回帰係数に符号の違いが現れるので，両者を区別して抽出することが可能となる．また各運転素の遷移は，踏み戻しを頻繁に繰り返す，あるいは一定開度を長時間保持するといった特徴があることから，確率的であると仮定する．以上より，アクセルペダル操作を各運転素が確率的に遷移する HDS と捉え，これを確率的区分アフィン（以後， P WA と略す）モデルにより記述する．確率的 P WA モデルのパラメータは，各運転素を表現するためのアフィンモデルの回帰係数と回帰誤差の分散，および遷移を表現する初期状態確率と状態遷移確率で構成される．確率的 P WA モデルのパラメータ推定問題は隠れマルコフモデルのそれに帰着されるが， B a u m - We l c h アルゴリズムから導出されるパラメータ更新式から得られるのは局所最適解であるため，モデルの状態数および初期パラメータを適切に与える必要がある．この問題に対しては，階層クラスタリングに基づく手法を提案する．得られた階層構造から最適クラスタ数を推定してそれをモデルの最適な状態数とし，そのときの各状態内のデータから最小二乗回帰により得られたパラメータを初期パラメータとして与える．以上の方法論を整理した後，学習データを用いて４名のドライバそれぞれに対してモデル化をおこない，提案モデルを評価する．はじめに階層クラスタリングによって適切な状態分割が得られることを示す．つぎに対数尤度による評価結果より，いずれのドライバの場合も自身のモデルに対する平均対数尤度が最大となることから，提案モデルが各個人の特徴を捉えていることを示す．第５章は結論であり，本研究で得られた成果と今後の課題について述べる． 3 Ｎｏ.1 早稲田大学氏名岡本雅之博士（工学）学位申請研究業績書印（２０１１年１１月種類別 ○論文題名，発表・発行掲載誌名，発表・発行年月，現在）連名者（申請者含む）岡本，森本，大橋，内田，Just-In-Time モデリングによるドライバ挙動を包含した自動車変速制御，計測自動制御学会産業論文集，Vol.10, No.3, pp.17-26, 2011 年 3 月 ○ 国際会 M.Okamoto, S.Otani, Y.Kaitani and K.Uchida, Identification of Driver Operations 議論文 with Extraction of Driving Primitives, Proc. of 2011 IEEE International Conference on Control Applications, pp.338-344, 2011 年 9 月 ○ 国際会 M.Okamoto ， S.Morimoto, M.Ohashi and K.Uchida, Automobile On-demand Gear-shift 議論文 Control including driver characteristics ， Proc. of 2010 IEEE International Conference on Control Applications, pp.896-901, 2010 年 9 月講演山下，岡本，内田，ベイジアンアプローチによる運転行動の個別モデル化，第 54 回自動制御連合講演会，2011 年 11 月（発表予定）講演大谷，貝谷，岡本，内田，ハイブリッドシステムに基づく運転行動認識および個人の識別，第 53 回自動制御連合講演会，pp.89-93，2010 年 11 月その他（論文） T.Hatanaka，T.Yamada，M.Fujita，S.Morimoto and M.Okamoto, Explicit Receding Horizon Control of Automobiles with Continuously Variable Transmissions，Nonlinear Model Predictive Control Towards New Challenging Applications, Lecture Notes in Control and Information Sciences Series，Springer-Verlag，Vol.384, L.Magni, D.M.Raimondo, F.Allgower （Eds.）, pp.561-569, 2009 年 9 月（社内報 M.Okamoto, S.Morimoto and S.Terayama，Hydraulic Control Technologies with Robust 論文） Stability and Performance for CVT Start Clutch，Honda R&D Technical Review, Vol.19, No.1，2007 年 3 月（講演） T.Hatanaka，T.Yamada，M.Fujita，S.Morimoto and M.Okamoto, Explicit Receding Horizon Control of Automobiles with Continuously Variable Transmissions，Proc. of Int. Workshop on Assessment and Future Directions of Nonlinear Model Predictive Control, Pl-2, 2008 年 9 月（特許）岡本，森本，車両の制御装置，特開 2010-117836，2010 年 5 月（特許）藤田，岡本，森本，車両の制御装置，特開 2010-013990，2010 年 1 月（特許）岡本，森本，車両の制御装置，特開 2010-116006，2010 年 5 月（特許）岡本，森本，車両の定速走行制御装置，特開 2010-012890，2010 年 1 月Ｎｏ.2 早稲田大学種類別題名，博士（工学）発表・発行掲載誌名，学位申請研究業績書発表・発行年月，連名者（申請者含む）（特許）藤田，岡本，森本，車両の駆動力制御装置，特開 2010-012889，2010 年 1 月（特許）岡本，寺山，森本，戸塚，油圧アクチュエータの制御装置，特開 2008-069852，2008 年 3 月（特許）森本，寺山，戸塚，岡本，車両用発進クラッチのトルク推定および制御装置，特開 2008-069851，2008 年 3 月（特許）戸塚，寺山，森本，岡本，車両用動力伝達装置，特開 2007-327533，2007 年 12 月