別紙42 (課程博士(和文))2023年1月
機械工学専攻氏名

今立条菩宅呑号・第 209102 号

指導教員

内山直樹

高木賢太郎

5日

小杉信彦

論文内容の要旨(博士)
博士学位論文名

非線形摩擦を有する自動車用ワイパシステムの安定性解析と制御系設計(要旨 1,200字程度)
自動車用ワイパはフロントガラス上を往復するととで水滴や汚れを除去し,運転者の視界を確保する重要な保安部品のーつである.ワイパが目標の反転位置を行き過ぎるオーバーランや,非線形摩擦により発生するびびり振動と反転後の動き出し遅れは,視界不良や騒音,ワイパ破損の原因となる.従来は機械設計により問題対策してきたが,昨今のフロントガラス拡大に伴うワイパの長尺化や軽量化要求により対策が困難になっている.このような背景からワイパにおける制御技術の重要性は高まっている.本論文では,運転者へ安全・快適な視界を提供するととを目的として,前述したワイパの問題であるオーバーランおよび,非線形摩擦により発生するびびり振動と動き出し遅れを低減する制御技術を提案している

オーバーラン低減の先行研究として,オーバーランを評価関数とするワイパ動作軌道の最適化が研究されている.昨今の排出ガスや燃費に関する規制強化に伴う自動車の省エネルギー要求を踏まえ,本論文では先行研究を拡張し,オーバーランと電流の両方を考慮した多目的最適化を提案している.ワイパ動作軌道の調整変数とオーバーランおよび電流の関係を示す応答曲面を実験的に生成し,オーバーランと電流を目的関数として動作軌道を最適化している
びびり振動低減の先行研究として拡張カルマンフィルタと状態フィードバックを用いたびびり制振術噺卸法が提案されているが,ラバーの摩擦変動や状態推定誤差といつた摂動の影響が明らかではなく,自動車の視界と安全を確保する保安部品であるワ
イパ御Π卸技術としてはロバスト性が課題となっていた.本論文では,びびり制振制御系のロバスト安定性を解析し,評価している.解析にあたり,ラバー劣化に伴う摩擦変動と推定器の状態推定誤差を摂動と定義し,摩擦の非綺肝つ性を含むシステムをルーり工系とみなしてスモールゲイン定理を適用した.また,安定性解析の結果とワイパモデルのシミュレーション結果を比較し,安定性解析の妥当性を示している
摩擦補償の代表的手法として,摩擦モデルを用いたフィードフォワード補償や制御対象の線形モデルを用いた外乱オブザーバなどが挙げられる.マイコンの処理性能に制約のあるワイパなど産業分野への応用を考慮すると,できるだけ計算量の少ない摩擦補償手法が望ましい.本論文ではP1制御の積分符号反転を利用した簡便かつ適応的な摩擦補償法のワイパへの応用を検討している.制御入力と非線形摩擦の作用箇所が異なるワイパにおいて,積分項の符号反転による摩擦補償が可能なことを数学的な解析にて確認し,シミュレーションと実験により摩擦補償の効果を検証している別紙4

1 (課程博士(英文))Date of submission (month day, year)

Naokiuchiyama

Department ofMechanical

S山dentlD Number

1}nolneerlng
Pplicant's namc

Janual>' 5,2023

D209102

Kentaro Taka曾i
Supervlsors

Nobuhiko KOSU部

Abst,act (Doctor)T迦e ofThesis

StabⅡity Analysis and contl'ol system Design ofAutomotive x¥iper systems
With Nonlinear Frlctlon

Approx.80o words
Automotlve wiper systems are one of the most imP仇'tant safety components, which moveback and forth over the windshield to remove water droplets and diTt to ensure the driver'S
Visibility. The overrun, a phenomenon in which the wiper misses the taf宮et reversal position,and the chatter vibration and delay a丘er wiper reversal caused by nonlinear friction can
Cause poor visibility, noise, and wiper breaka牙e. These problems were conventiona11y dealt
With by mechanical desi曾n. However, the recent demand f0τ 10n旦er and li曾hter wipers due tothe expansion of windshield glass malくes it difficult to solve them. Therefore, contr01
techn010gy for wipers is becoming more and moTe important. This paper proposes contr01
methods to reduce overrun, chatt飢'in曾 Vibration and delay after reversalcaused by nonlinear
金'iction, in order to provide safe and comfの'table visibi1北y to the driver under a11 Conditions.
As a previous study ofoverrun reduction, the optimization of wiper motion traject仇,ies using
an evaluation function for the overrun was studied. considerin牙 the demand for ener晉ySavin今 of automobiles due to the recent tightenin晉 of re牙Ulations on emissions and fuelConsumption, this paper extends the previous study and proposes a multi'objective
Optimization that considers both the overrun and the current.＼入le 曾enerate response surfaces
experimenta11y that show the relationship between the adjustment variables of the wiper
motion trajectory, overrun, and current. usin牙 the 曾enerated response surfaces, we optimized
the motion trajectory with the overrun and the current as objective functions.
As previous studies on reducin旦 Chatterin曾 Vibration, vibration control using EKF and state
FB was proposed. However, in these studies, the effects ofperturbations such as vaTiations inrubber friction and state estimation errors are not clear, and the robustness of the controlis

an issue. This paper analyzes the robust stability of the control system in order to evaluate
the robustness of the chatteぞ Vibration contr01.1n the analysis, the chan又e of friction due torubber degradation and the a1やr of state estimation by the estimator afe defined asPerturbations, and the sma11 晉ain theorem is applied by assumin曾 that the system to be a
LU're system with nonlinearities in friction. F、U'thermore, we compared the results of theStability analysis with the simulation results of the wiper model to validate the stabilityanalysis.

As typical friction compensation methods, feedforward compensation usin曾 a 丘'iction modeland disturbance observeT usin牙 a linear model weTe studied. considerin曾 induS仇,ialapplications such as wipers, where microcontT011er processin旦 Pa'formance is lin〕ited,此 isdesirable to use friction compensation methods with as little computational complexity asPossible.1n this paper, we study simple and adaptive 6'iction compensation usin旦 integral
Si曾n reversal ofthe linear pl con仇'ol for the wiper to establish 丘,iction compensation suitable
for the wiper products. ThroU今h mathematical analysis, we confirm that the 丘、iction
Compensation by sign reversal of an inte即'al teTm is feasible for the wiper where the contr01
input and nonlinear friction act on different points, and V田'ify the effectiveness ofthe 丘.iction
Compensation throU旦h simulation and expeTiment.