エンベデッドシステムスペシャリスト 2016年 春期 午後II 問題

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自動車の運転支援システムに関する次の記述を読んで,設問1 3に答えよ。 D社は,自動車のヘッドライト制御,運転者への通知,走行速度の制御などを行 う自動車運転支援システム(以下,運転支援システムという)を開発している。 (運転支援システムの制御・通知対象と構成] 運転支援システムは,ステレオカメラ,ミリ波レーダ,LEDアレイヘッドライト (以下,ヘッドライトという),メータなどを,電子制御ユニット(MF,ECUと いう)で制御する。運転支援システムの制御・通知対象を図1に示す。 メータ7 /ンステレオカメラ 運転者a, ヘッドライトAreーーーーーーモータ やミリ波レーダ 図1運転支援システムの制御・通知対象 運転支援システムの主要部の構成を図2に,ECUの機能を表1に示す。CANの伝 送速度は全て500kビットノグ秒である。 ee カメラECUシステムECUー | ミリ波レーダ CAN1 レータダECU CN CAN3 ECU ECU ECU 図2運転支援システムの主要部の構成 —2— 表1 ECUの機能 Sek 5 neg・ステレオカメラを制御する。ステレオカメラで検知したデータ及びCANから 取得した情報を基に処理した結果を,CANに送信する。 HE,自車の現在位置及び車両の状態をモニタに表示する。 ・ミリ波レーダを制御する。対象物の方向・距離データをCANに送信する。 En・各ECUの情報を基に,車両全体を制御する。各メッセージを適切なネットワ oeークに転送するための,CANのブリッジ機能をもつ。 ・ヘッドライトを構成するLEDを個別に制御する。 mirth BH・統合ECUからの指示でエンジンを制御し,。エンジンの状況を統合ECUに送 信する。 車両制御ECU・サスペンション,ブレーキ,ウィンカなどを制御する。 〔運転支援システムの機能〕 運転支援システムの機能を表2に示す。 | I 表2運転支援システムの機能 ・ステレオカメラで周囲の明るさを検知し,自動的にヘッドライトを点灯・消灯させる。 オートライト|・ステレオカメラでトンネルの内外を判断して,自動的にヘッドライトを点灯・消灯させ る。 キー・オートライト機能によってヘッドライトを点灯して走行又は停止しているときに,AFL aオカメラで対向車又は先行車を検知すると,その車両の運転者がまぶしくないように,A ッドライトの照射方向を自動的に切り替える。 |・ステレオカメラ又はミリ波レーダで,自車の進行方向に飛び出す可能性が高い歩行者を検 時知すると,日中でも歩行者に危険を通知するために,ヘッドライトを自動的に点灯させ 危険通知% saimiiithe・ステレオカメラで道路標識を確認して,最高速度,車両通行止め,指定方向外進行禁止な 道路標識通知しage WRITS. 上線導脱通知|ステレオカメラで車線の境界(白線など)を検知し。ウィンカを点滅させずに車線からは み出て走行しそうなときに,運転者に通知する。 ・ステレオカメラ又はミリ波レーダで,車両,歩行者,ガードレール,障害物などに衝突す 衝突被害軽減|る危険性を検知すると,自動的にブレーキを掛けて減速し,衝突を回避したり,衝突の被 害を軽減したりする。 オート・アクセルペダルを踏まなくても,一定速度で走行させる。 グルーズ・ステレオカメラ又はミリ波レーダで先行車を検知すると,走行速度を調整する。 —3— [ステレオカメラの動作原理〕 フロントガラス上部に設置されたステレオカメラ(基準カメラ及び比較カメラ) は,人間の目と同じように物体の形状及び物体との距離を認識する。ステレオカメ ラの動作原理を図3に示す。 ロレJ= し |a=) See al しし 比較カメラ画像_\基準カメラ画像 比較カメラome re rT tea Ty i—$**: 基準カメラと比較カメラの画像比較 図3ステレオカメラの動作原理 基準カメラと比較カメラの画像を重ねたときの左右のずれは,近くの物体ほど大 きく,遠くの物体ほど小さい。このずれの度合いから,物体との距離を測定する。 [ステレオカメラ及びカメラECUの構成・仕様 ステレオカメラ及びカメラECUの構成を図4に示す。カメラECUは,画像処理 にFPGAを使用し,対向車,先行車及び歩行者の位置などを算出する。 —4 a ia =|can |時|FPGA MPU|)※受信回路 カメラ (a)全体構成 | カメバッフ しーーント|処理回中||画像類似度||特徴||情報保持 fos Hasaaly| (b)FPGA内部の構成 yメモリ 図4ステレオカメラ及びカメラECUの構成 ステレオカメラ及びカメラECUの処理と仕様を表3に示す。 —5 oo 表3ステレオカメラ及びカメラECUの処理と仕様 tt 基準カメラ|・外部トリガ信号を使用して,基準カメラ及び比較カメラで同|・画素数:KE 2,000,縦1000 及び期した画像を撮影する。・1フレーム:1/30秒 比較カメラ|・カメラからの信号は,常に一定のデータレートで出力する。・1画素:16ビット ・基準カメラ又は比較カメラで撮影した画像情報を受信する。|・伝送速度:960Mビットノ秒 ・カメラからの信号を途切れなく後段に受け渡す。カメラごと 2ファに2フレーム分の容量のメモリで構成され,画像受信用エリ|・容量:4Mバイトプフレーム アとフィルタ処理用エリアを切り替えて使用する。 フイ|者抽。コントラスト調整などの処理を行うさり乱フフレーム ・画像データにフィルタ要素を演算して,ランダムなノイズの ・処理中は,バッファのフィルタ処理用エリアを使用する。7 matgsmiyne|2 1 2M AA ABIES RE HERR A 9 IRSA meine.されると,二つの画像を比較し,画像の類似度から,撮影さ|・処理時間:30ミリ秒ノ処理 れた物体の推定処理を行う。 -_・撮影された物体から,物体認識情報,白線認識情報,標識認 Seine識情報及び明るさ認識情報を演算する。高速に演算するため|・処理時間:20ミリ秒処理 に,複数の回路で並列に信号処理を行う。 .・1処理分の物体認識情報,白線認識情報,標識認識情報及び'i —_・容量: WON|明るさ認識情報を,画人認識データとして保持する。le :ヽら要求されたとき,画像認識データを送信する。. MPUから要求されたとき,画像認識データを送信する1Mビットノ秒 ・情報保持メモリから,画像認識データを周期的に取得する。 取得を開始するタイミングは,設定した周期から最大で約1|・情報保持メモリからのデー ミリ秒前後することがある。タ取得周期:1/30秒 ・FPGA又はCAN経由で取得した情報から,動体予測情報,車|・データ取得からCAN送信準 線逸脱予測情報,標識指示情報,ヘッドライト点灯指示情報|備完了までの処理時間:最 MPU及び障害物情報をカメラ検知データとして演算処理する。大20ミリ秒 ・内蔵CANコントローラで,CAN送受信回路を経由してメッ|・カメラ検知メツセージ送信 セージを送受信する。カメラ検知データごとに,カメラ検知|周期:20ミリ秒 メッセージとしてメッセージを生成し,CANコントローラで|・カメラ検知メッセージ長: 保持する。CANコントローラは送信周期ごとに,保持してい|100ビピットノメッセージ る全てのメッセージを送信する。 CAN;<則で信号を送受信する。枝送速度ピッ seaptampy|CANバスとの間で信号を送愛信する。伝送速度:500kビットノ秒 【ミリ波シーダ] ミリ波レーダは,送信アンテナから対向車,HTH,後続車,前方の障害物,KB 上の物体などの対象物に信号を送信し,その反射波を受信して,対象物と自動車間 の距離・相対速度を算出する。 ミリ波レーダの構成と動作例を図5に示す。 ーー6 as aeミリ波レーダ =aトっ受信信号ビーey eee 受信アンテナ 送信信号周波数上昇時送信信号周波数下降時 送信信号ノ受信信号EM Se (AL HR MES welt N°pe MRHUEIC がシフト分ジフト分 距離による遅れ分距離による遅れ分 時間時間 注記fbu:送信信号の周波数が上昇している期間の,ビート信号の周波数 fbd:送信信号の周波数が下降している期間の,ビート信号の周波数 図5ミリ波レーダの構成と動作例 1・送信アンテナから,周波数を時間とともに直線的に上昇又は下降させた信号を 送信する(送信信号の周波数を上昇させてから元に戻すまでの時間を,1変調 周期とする)。 ・送信アンテナから送信した信号は,送信アンテナと対象物間の距離及び対象物 と受信アンテナ間の距離に応じた時間だけ遅れて受信アンテナで受信される。 ・受信信号の周波数は,送信信号の周波数に対して,ミリ波レーダと対象物間の 相対速度に応じた分だけシフトしていることになる。 ・送信信号と受信信号をミキサに入力して,ビート信号(周波数の差分)を出力 する。 送信信号の周波数が上昇している期間のビート信号の周波数(fbu)と,送信信号 の周波数が下降している期間のビート信号の周波数(fbd)を使用して,対象物との 距離・相対速度を算出する。送信信号の1変調周期で測定が1回できる。 ・距離周波数人と速度周波数fsは,次の式で表される。 fd=(|fbul二fbdl)72……式① fs=(|fbu|—|fbd|])72……式②⑨ ・対象物までの距離Rは,送信信号の変調周波数をfm,定数をAとして,ROX ーァー で表される。 R=fd/(AXfm)reese(3) ミリ波レーダの配置を図6に示す。6個のミリ波レーダによって,周辺の6方向 の対象物との距離・相対速度を測定できる。 Tt 人 図6ミリ波レーダの配置 [ヘッドライトの動作)〕 ヘッドライトは,照射方向が異なる12個のLEDを個別に点灯・消灯する。ヘッ ドライトの照射方向・範囲を図7に示す。 ・ヘツッドライト内部のLED ld,上下に2個並び,水平方向に6組配置されている。 ・ヘツドライトの照射方向は,上下方向の照射(以下,ハイビームという),下方 向だけの照射(LE,ロービームという)を切り替えることができる。 ・対向車も先行事もいないとき,歩行者を発見しやすくするなど夜間走行におけ る視認性を向上させるために,ハイビームにする。対向車又は先行車がいると き,その車両の運転者がまぶしくないようにするために,ロービームにする。 pra クウ(b)ハイビームの垂直照射範囲 Gn —= ーーデルンターー_necs57 (c)ロービームの垂直照射範囲 (a)水平照射方向 図7ヘッドライトの照射方向・範囲 ヘッドライト点灯時の照射範囲の例(自車の前方)を図8に示す。 =§= ハイビームローゼビームハイビーム ST eS) 時ic |/Mi honk 3 i !veロchy ーートーペーーーwmmeトニニーニーse ee a./| M8ヘッドライト点灯時の照射範囲の例(自車の前方) [ヘッドライトの操作・制御] 運転者は,運転席に設置された二つのスイッチを使用して,ヘッドライトを操作 する。一つは,手動消灯,自動点灯・自動消灯,手動点灯のいずれか一つを選ぶこ とができる点灯スイッチである。もう一つは,手動点灯時のハイビーム又はロービ ームのどちらかを選ぶことができるハイロースイッチである。 ヘッドライトECUは,スイッチ,カメラECUなどで判定した状態などを基に, ヘッドライトのLEDを個別に制御する。自動点灯・自動消灯では,ステレオカメラ などの情報を基に,ヘッドライトを制御する。ヘッドライトの操作要因の状態・操 作条件を表4に,ヘッドライトのLEDへの制御指令を表5に示す。 表4ヘッドライトの操作要因の状態・操作条件 操作要因操作要因の状態がTrueになる条件(それ以外はFalse) 手動消灯が選択されているとき “<>自動点灯・自動消灯が選択されているとき 点灯ーーーーーーーーーーー5 手動点灯が選択されているとき ハイロー|Bi|ハイビームが選択されているとき スイッチ|BZ|ロービームが選択されているとき 対向車・照射方向に対向車又は先行車がいるとき 先行車|co|限射方向に対向車も先行車もいないとき Seーー 明るさ tem[lease] トンネル moe|FI|照射方向に,飛び出す可能性が高い歩行者がいるとき 照射方向に,飛び出す可能性が高い歩行者がいないとき ine 9 antes 表5ヘッドライトのLEDへの制御指令 [カメラ・ヘッドライト系統の故障 カメラECUは,正常に動作していることを示すメッセージ(以下,ALIVEメッセ ージという)を,一定周期でCAN 1に送信する。ヘッドライトECU,メータECU 及びナビゲーションシステムECU(UAB,FE ECUという)でカメラ・ヘッドラ イト系統の故障を検知したとき,次のようにして運転者に故障が通知される。 ・ヘツッドライトECUは,ALIVEメッセージを一定時間以上受信しないとき,故障 と判断し,カメラ・ヘッドライト系統の故障を示すメッセージ(以下,FAILメ ッセージという)を,CAN2に送信する。 ・メータECU及びナビECUは,ALIVEメッセージを一定時間以上受信しないと き,又はFAILメッセージを受信したとき,次の動作を行う。 メータECU:メータに,カメラ・ヘッドライト系統の故障マークを点灯する。 ナビECU:モニタに,カメラ・ヘッドライト系統の警告を表示する。運転者 はモニタを操作して,警告の詳細を認識する。

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資源調査用無人海底探査機に関する次の記述を読んで,設問1~3に答えよ。 E社は,海底の鉱物資源調査を目的とした,無人海底探査機(以下,探査機とい う)を開発している。探査機は自律航行可能であり,洋上中継機(以下,中継機と いう)を経由して,地上局と通信しながら海底の鉱物資源の有無を調査する。探査 機を用いたシステムの概要を図1に示す。 hae SD a: xr 93 i[=ZN Bani CR 海底 図1探査機を用いたシステムの概要 探査機を用いたシステムでは,次の項目に関する情報を収集する。 ・海底の地形に関する計測情報(以下,地形情報という) ・水温,WE,海中に含まれる各種化学物質など,鉱物資源の有無を示す計測情報 (以下,化学情報という) [探査機の外観と構成 探査機は,海水を噴射することで推進力を得る駆動装置(以下,スラスタとい 5)を用いて姿勢及び向きを制御しながら移動する。探査機の外観を図2に,探査 機の主な構成要素を表1に示す。 スラスタの噴射口音響通信ユニットスラスタの se_噴射口 ーーウトバラストの投下品 au資源センサ深度 ユーニットセンサ カメラ速度センサ バラストの投下口深度センサ音響計測ユニットユニット (A)上面からの斜視図(B)底面からの斜視図 図2探査機の外観 表1探査機の主な構成要素 構成要素構成要素の説明 ・探査機全体を制御する。制御部はMPUによって制御される。 音響計測ユニット|・音波の反射を利用して,海底までの距離を計測する。 ・化学情報を計測する。 ・海底面の静止画を撮影する。 _.・地形情報,(LEE,AX IPSOMLMS,収集した時刻及び収集した地点の紳 情報記憶ユニット|引度深度とともに記録する。 スラスタ・海水を噴射することによって,探査機の姿勢及び向きを制御しながら移動する。ス ラスタは噴射角が変えられるので,任意の方向への移動が可能である。 、。、|・加速度センサ,角速度センサ,地磁気センサ及び対地速度センサが内蔵されてい レーキー ・探査機の海中での深度を水圧で計測する。 音響通信ユニット|・中継機による探査機の測位,及び中継機との通信に使用する。 ・探査機への各種設定,及び情報記憶ユニット内の情報の取出しに使用する。 ・最大10時間,探査機を動作させる。 バラメトュニット|探査機を海中に潜航させるための重り(以下バラストという),及びバラストを ~PREBLE TSALMOONTAhMMRERMTS. [中継機による探査機の測位と探査機・中継機開通信の概要] 1)音響測位 中継機は質問信号を音波で送信し,受信した探査機は直ちに応答信号を音波で 返信する。中継機は,受信した音波の到達時間と角度を分析して,中継機に対す る探査機の相対位置を求める。さらに,中継機は,搭載されたGPSで,探査機の 紳度・経度を求める。 (2)音響通信 探査機と中継機間で音響通信を使用して,ディジタルデータの送受信を行う。 音響通信と音響測位は同時に行うことができる。音響通信で送受信するデータの 種別を表2に示す。 表2音響通信で送受信するデータの種別 Se (Aa FEO BEE) 探査機は,次の3ステップで資源調査を行う。 (1)投入ステップ ①無線通信を使用して,予定している探査機の通過地点の紳度,経度,深度 (以下,通過地点情報という),及び通過地点問の移動速度から構成される探査 計画データを,探査機に設定し,探査開始を探査機に送信する。 ②探査機に二つのバラストを搭載して海中に投入する。探査機は自重で潜航を 開始し,音響通信が可能な深度に到達すると,音響通信を有効にする。 ③あらかじめ設定された深度に到達すると,バラストを一つ投下し,自重と浮 力が釣り合った状態で待機し,中継機から位置通知を受信したら,調査ステッ プに移行する。一定時間内に位置通知が受信できなければ回収ステップに移行 する。 ④め⑫及び③TC,地上局からの浮上指示を制御要求で受信した場合,回収ステ ップに移行する。 (2)調査ステップ ①探査計画データの最初の通過地点まで自律航行する。 ②探査計画データの次の通過地点を目指して自律航行しながら,資源調査を行 Da ⑨③次の場合に回収ステップに移行する。 ・探査計画データの最後の通過地点まで到達した場合 ・地上局からの浮上指示を制御要求で受信した場合 ・自律航行できないような装置状態を検出した場合 ー16一 3)回収ステップ ①探査機は全てのバラストを投下し,浮上する。 ②探査機は回収された後,無線通信で情報送信要求を受信すると,情報記憶ユ ニットに記録されているデータを送信する。 [探査機の位置の管理と自律航行の制御方法 探査機は次に示す手順で,現在の紳度,経度,深度(以下,現在位置という)を 求め,管理する。 ①海中に投入された探査機は,中継機から最初に受信した位置通知に含まれる紳 度・経度,及び深度センサで計測した深度を現在位置として設定する。 @以降,速度センサユニットから得られる加速度及び速度を積分して,1秒ごと に現在位置の緯度・経度を更新する。また,深度センサを使用して1秒ごとに現 在位置の深度を更新する。 @探査機は,中継機から60秒ごとに位置通知を受信する。②において求めた緯 度・経度は,時間とともに誤差が鞭積するが,位置通知の緯度・経度はそれより も精度が高いので,探査機は,現在位置の緯度・経度として設定する。 ④何らかの要因によって,位置通知が受信できない場合でも©の手順で現在位置 の更新を継続する。 探査機は,探査計画データと現在位置から3秒後の緯度,経度,深度(以下,A 標位置という)を定め,3秒後に目標位置に到達できるようにスラスタを制御して 移動する。これを繰り返して自律航行する。また,中継機から位置通知を受信した 時点で,3秒後の目標位置を再設定する。 〔資源調査で収集する情報〕 探査機では,次の3種類の情報を収集する。 (1)地形情報 音響計測ユニットを使用して2秒ごとに計測する。1回の計測で,探査機の前 面に対して左右55度までの範囲の海底を,1.0度刻みに分割して得られる,110 の区間と探査機との距離をそれぞれ16ビット長,合計1,760ビットのデータを取 ー17一 得する。音響計測ユニットによる計測を図3に示す。 探査機 前面一信海底を0区間に分割して, ノン CT各区間ごとに探査機との距 離を計測 55度 :ies 図3音響計測ユニットによる計測 (2)化学情報 資源センサユニットを使用して10秒ごとに計測する。データのサイズは,1回 の計測で1.900バイトである。 (3)静止画情報 地上局からの指示で,カメラを使用して海底面の静止画を撮影する。 探査機は,収集したデータをそれぞれ,現在位置及び計測時刻,合わせて20バイ トを付加した上で暗号化し,情報記憶ユニットに記録するとともに,計測通知で中 継機にも送信する。 中継機は,受信した計測通知を地上局に中継する。地上局では,オペレータがデ ータを見ながら,適切がタイミングで探査機に制御要求で指示を送るので,探査機 は収集したデータを,できるだけ早く地上局に送信する必要がある。 計測通知で送信できるデータのサイズは最大240バイトで,240バイトを超える データは分割して送信する。計測通知のデータフォーマットを図4に示す。 各1バイト レーブー]2バイト最大240バイト5バイト RARE: 暗号化されたデータのバイトサイズ(1~240) 計測情報種別(地形情報化学情報静止画情報) データ種別(計測通知) 図4計測通知のデータフォーマット 図4中の分割番号は,最上位ビピットが分割による継続データ有無を,残りのビッ トが0から始まる分割のシーケンス番号を示す。例えば,3分割する場合,分割番 号として16進数で,8000,8001,0002の計測通知を順に送信する。 複数の計測情報種別の計測通知が同時に送信可能になった場合,地形情報,化学 情報,静止画情報の順に送信する。 何らかの要因によって,中継機との通信が中断した場合,中断していた期間の計 測通知は送信しない。 [制御部のソフトウェア構造] 制御部では,リアルタイムOSを使用する。制御部の主なタスクのタスク構造を 図5に,制御部の主なタスクの処理概要を表3に示す。 深度計測[>深度情報 探査計画情報 ne sateen J i waiter 注記1実線の矢印は,メールボックスを使用したタスク間のメッセージ通信の方向を示す。 注記2破線の矢印は,情報のメモリへの書込みを示す。ただし,メモリからの読出しは省略 している。 なお,現在位置情報は複数の情報で構成されるので,書込み又は読出しは,一つの資 源として排他制御を行う。 図5制御部の主なタスクのタスク構造 表3制御部の主なタスクの処理概要 メイン・投入ステップ,調査ステップ,回収ステップで構成される資源調査全体の制御,バッテリの 残量攻視。バラスト投下の制御など,探査機全体を制御する。 ・メインタスクから最初の位置通知を受信すると自律航行を開始し,KART O~@OM を行う。 OD位置通知で受信した緯度,経度,及び深度計測タスクが書き込んだ深度情報を,現在位 置情報に書き込む。 ②測位タスクに測位開始を送信する。 OQ探査計画情報及び現在位置情報を基に3秒後の目標位置までのスラスタを制御する情 報を求め。スラスタ制御タスクに動開始を送信して3秒間の経過を待つ。 ④3秒間の経過後,現在位置情報の内容によって,次に示すいずれかの処理を行う。 ー最初の通過地点又は最後の通過地点でなければ,@の処理から繰り返す。 自筆航行ー最初の通過地点であれば,メインタスクに通過地点到達を送信し,@OMIM DH り返す。 ー最後の通過地点であれば,測位タスクに測位終了を,スラスタ制御タスクに駆動終 了を,メインタスクに自律航行終了を送信し,自律航行を終了する。 -@と④の繰返し実行中に,メインタスクからメッセージを受信すると,メッセージの内容 によって,次に示すいずれかの処理を行う。 ー新たな位置通知を受信すると,測位タスクに測位終了を送信し,スラスタ制御タスクに 駆動終了を送信して,⑪の処理から実行する。 ー自律航行停止を受信すると,測位タスクに測位終了を送信し,スラスタ制御タスクに又 動終了を送信して,自律航行を終了する。 ・測位開始を受信すると,現在位置情報を起点として測位を開始し,それ以降は1秒周期で加 whi度センサユニットからのデータと深度情報を基に新たな現在位置を求め,求めた現在位置を 現在位置情報に書き込む。 ・測位終了を受信すると,測位を終了する。 スラスタ|・駆動開始を受信すると,指示された内容でスラスタを駆動する。 制御・駆動終了を受信すると,APASOMMERMT TS. 度計測|'深度計測開始を受信すると。05秒周期で深度センサからのデータを其に深度を計測し深 an度情報に書き込む。 ・他のタスクから記録依頼を受けた情報に,現在位置情報及び時刻を付加後暗号化して,情報 記憶ユニットに記録するとともに,音絡通信で送信する情報はメモリに書き込み,通信管理 情報管理|タスクに音圭通信での送信を依頼する。 ・情報送信要求を受信すると,送信する情報を情報記憶ユニットから取得してメモリに書き込 み,通信管理タスクに無線通信での送信依頼を送信する。 収集|'情報収集開始の受信から情報終了の愛信までの間2秒周期音響計測ユニットを制御 し,10秒周期で資源センサユニットを制御して,情報を収集する。 ・静止画の撮影指示を受信すると,静止画データを取得する。 ・無線通信ユニット又は音響通信ユニットを介した通信において,各通信ユニットからの受信 通信管理|データをメインタスクに送信したり,他のタスクからの送信要求を管理したりする。 ・他のタスクから音絡通信開始を受信すると,音君通信を有効にする。