電動車の横転安定性を革新する新制御システム
分散型駆動電動車（DDEV）の横転安定性を飛躍的に向上させる画期的な制御システムが、仏山大学の肖祥慧（シャオ・シャンホイ）氏と湖南大学の袁小芳（ユエン・シャオファン）氏を中心とする研究チームにより開発された。この研究成果は、学術誌『電子学報（Acta Electronica Sinica）』に掲載され、その先進的なアプローチが自動車工学の分野で注目を集めている。
DDEVは、各車輪に独立したホイールモーターを搭載することで、従来の自動車にはない高い運動制御の自由度を実現している。この構造的特徴は、横転安定性の向上に大きな可能性を秘めている一方で、ステアリングと各車輪へのトルク分配という複数の制御入力が強く相互に影響し合う「強い結合」が存在し、制御が極めて複雑であるという課題も抱えていた。従来のアプローチでは、アクティブフロントステアリング（AFS）や個別制動によるヨーイングモーメント制御など、特定の機能に特化した制御が主流であった。しかし、これらの方法は、ある制御を最適化すると別の制御に悪影響を及ぼす「トレードオフ」の問題を避けられず、車両全体の最適な安定性を達成するには限界があった。
今回発表された新システムは、この根本的な課題を解決するため、二段階の階層型制御アーキテクチャを採用している。その核心は、上位コントローラーと下位コントローラーの明確な分業にある。
上位コントローラーは、知能的な「司令塔」の役割を担う。この司令塔は、車両が現在の走行状態で「最も理想的」な横転角速度と、各タイヤの最適なスリップ率（タイヤが路面に対して滑っている割合）を、瞬時に計算し出す。ここで鍵となるのが「多目的並列カオス最適化アルゴリズム」である。従来の最適化手法は、一つの目的（例えば、応答速度）を追求すると、別の目的（例えば、エネルギー効率）を犠牲にする必要があった。しかし、この新しいアルゴリズムは、複数の目的を同時に最適化できる。横転角速度の追従精度、スリップ率の最適化、エネルギー消費の最小化といった、一見すると相反する複数の性能目標を、一つのフレームワークの中でバランスよく追求することが可能になる。さらに、「カオス理論」の導入により、探索の過程がよりランダムかつ網羅的になり、最適解の周辺に留まってしまう「局所最適解」の罠に陥りにくく、より広範な解空間から真に優れた解を発見する能力が高められている。これにより、上位コントローラーは、常に複雑な走行状況下においても、車両全体にとって最良の「目標状態」を設定することができる。
この上位コントローラーが算出した「理想的な横転角速度」と「理想的なスリップ率」という高度な指令を受け取るのが、下位コントローラーである。下位コントローラーは、司令塔の戦略を実行する「前線部隊」として機能し、具体的なアクチュエータ（ステアリングシステムと各ホイールモーター）を直接制御する。このシステムの特徴的な点は、下位コントローラーが二つの独立したファジィロジック（曖昧さを扱う人工知能）制御器で構成されていることだ。
一つ目のファジィ制御器は「アクティブフロントステアリング制御器」である。この制御器は、上位コントローラーから与えられた「理想的な横転角速度」と、実際にセンサーで検知された「実際の横転角速度」との差（誤差）と、その誤差の変化の速さ（誤差の微分）を入力として受け取る。人間のドライバーが「車が曲がりすぎている」と感じてステアリングを修正するような、直感的かつ柔軟な判断を、ルールベースで行う。例えば、「横転角速度の誤差が大きく、かつその誤差が急速に増加している」という状況では、「ステアリングを大きく修正する」という出力（アクティブステアリング角）を出す。このようにして、車両の旋回応答を精密に制御する。
二つ目のファジィ制御器は「駆動/制動トルク分配制御器」である。こちらは、上位コントローラーが設定した「理想的なスリップ率」と、各車輪の「実際のスリップ率」との誤差を入力とする。スリップ率は、タイヤのグリップ限界に直結する重要なパラメータであり、これを最適な範囲（今回の研究では0.08付近）に保つことが、縦方向および横方向の安定性を確保する上で極めて重要である。この制御器は、各車輪のスリップ率が理想から外れている場合、その差を最小限に抑えるように、各ホイールモーターへの駆動トルクまたは制動トルクを瞬時に分配する。例えば、右ターン中に右後輪のスリップ率が高くなりすぎている場合、この制御器は右後輪のトルクを減らし、左前輪のトルクを増やすことで、ヨーイングモーメントを制御し、車両の横滑りを抑制する。
この二段階のアプローチの真の価値は、「強い結合」を解消し、最適な協調制御を実現することにある。上位コントローラーが全体の最適解を導き出し、下位コントローラーがその指令を忠実に実行することで、ステアリングの修正とトルクの分配が互いに干渉し合うことなく、車両の安定性を最大化する方向に統一的に働く。これは、従来の「ステアリングで調整して、それでも足りなければ制動で補う」という後手に回る補正型の制御とは一線を画し、あらゆる走行状況を予測し、先制的に最適な状態を維持しようとする、より高度で能動的な制御戦略である。
研究チームは、MATLAB/Simulink上で構築した高精度な8自由度車両モデルを用いて、この制御システムの性能をシミュレーションで検証した。評価は、定常的なステアリング入力（ステップ入力）と、急激な蛇行運転を想定した正弦波入力という、二つの厳しい走行条件で行われた。路面の摩擦係数は0.6（やや滑りやすい路面）に設定され、より実際的な状況を想定している。
その結果は顕著であった。新システムを搭載した車両は、横転角速度の追従誤差がステップ入力で最大0.006ラジアン、正弦波入力で0.008ラジアンと、非常に小さい値に抑えられた。これに対し、従来のAFSのみの制御では、それぞれ約10%、20%の大きな誤差と、応答の遅れ（ラグ）が生じた。これは、新システムが目標とする旋回軌跡を、従来システムに比べてはるかに正確かつ迅速に追従できることを意味している。また、車両の重心が進行方向からどれだけずれているかを示す「質心側偏角」も、新システムでは0.02ラジアン程度の微小な誤差で制御されたのに対し、AFS単体では0.1ラジアン以上の大きな誤差が発生し、車両が大きくヨレる危険な状態に陥っていた。
さらに重要なのは、各タイヤのスリップ率の挙動である。新システムでは、四輪すべてのスリップ率が理想的な0.08付近に安定して保たれていた。これは、すべてのタイヤがグリップの限界に近づきすぎず、かつ十分なグリップを発揮できる「最適な状態」にあることを示している。一方、AFS単体の制御では、各車輪のスリップ率に大きなばらつきが生じ、一部のタイヤが限界に近づき、グリップを失い始める危険な状態が確認された。これは、制動トルクの分配が行われていないため、特定の車輪に過度な負荷がかかり、安定性が損なわれるためである。
これらのシミュレーション結果は、新システムが単に横転角速度を追うだけでなく、車両全体の動的バランスを根本から最適化し、より安全で信頼性の高い走行を実現できることを強く示唆している。DDEVの真のポテンシャルは、各車輪の独立制御にあるが、その力を正しく発揮するには、こうした高度な統合制御が不可欠である。本研究で提案された「多目的最適化」と「ファジィロジック」の組み合わせは、その実現に向けた強力な一歩であり、将来の自動運転や高度運転支援システム（ADAS）の基盤技術としての可能性を秘めている。この技術が実用化されれば、特に悪路や緊急回避時における電動車の安全性は、劇的に向上することが期待される。
肖祥慧、宋運豪、史可、袁小芳、仏山大学、湖南大学、電子学報、DOI: 10.12263/DZXB.20240845