エンベデッドシステムスペシャリスト 2019年 春期 午後Iの問題文8問です。図・表・別冊資料と正解は掲載していませんので、出典の公表資料またはアプリでご確認ください。
気象観測・予測システムに関する次の記述を読んで,設問1ご3に答えよ。 A社は,ディジタル百葉箱を使って気象データを収集し,局地的大雨などの気象の 予測を行う気象観測・予測システムを開発している。気象観測・予測システムは, 担当するエリアの気象の観測・予測のほか,インターネットを介して,外部の研究 機関及び気象データを利用する企業に,気象データ及び予測結果の提供も行う。 気象観測・予測システムは,気象データを収集するディジタル百葉箱,データを 中継するアクセスポイント,データを薔積するサーバ,及びデータを解析して気象 の急激な変化を予測したり,各ディジタル百葉箱に指示をしたりする分析装置から 成る。気象観測・予測システムの構成を図1に示す。 <a>ゴトデー: !サーバ! |時|-|気象観測・予測システム! !: (所例)|なSs x QC):アクセスポイント_ !y%クミ! ||:ディジタル百葉箱LE)foe 図1気象観測・予測システムの構成 分析装置の処理〕 分析装置は。ディジタル百葉箱の位置情報を保持しており,この情報を基にディ ジタル地図を作成する。 分析装置は。ディジタル百葉箱から周期的に受信した気象データを,サーバに記 録するとともにインターネットを介して取得した気象データと併せて,ディジタル 地図上に展開する。ディジタル地図上に展開した気象データの時系列変化から,気 象の急激な変化の有無をAlエンジンで予測して,その予測結果をサーバに記録する。 また,気象の急激な変化が予測される地点のディジタル百葉箱に対して,データ収 集周期を短くしたり,動画撮影を指示したりする。 分析装置は,各ディジタル百葉箱と1対1で情報の交換を行う通信(1対1通信) の機能と,全てのディジタル百葉箱に対して一斉に同一情報を伝える通信(同報通 にーー2— 信)の機能をもつ。1対1通信の場合,各ディジタル百葉箱に割り当てられた番号を 通信IDとして使用する。同報通信の場合,全ビットが1である通信IDを使用する。 [ディジタル百葉箱の構成 ディジタル百葉箱のブロック図を図2に,ディジタル百葉箱の構成要素を表1に 示す。 ディジタル百葉箱 大陽光発電部計測部 図2ディジタル百葉箱のブロック図 A Rlディジタル百葉箱の構成要素 ・MCU,RAM,フラッシュメモリなどが搭載され,ディジタル百葉箱全体を制御す る。 制御部・MCUには,日付時刻用タイマ(以下,RTCという)が内蔵されている。MCU は,スタンバイ状態になることができ,割込みによってスタンバイ状態が解除さ れる。 ・気温・湿度・気圧モセンサ及び外付けの風向風速計用のインタフェースを内蔵す る。 計測部・制御部からの指示で,気温,湿度,気圧,風向及び風速を計測し,これらの情報 をまとめて,気象データとして制御部に送信する。気象データのサイズは,32バ イトである。この一連の処理での消費電力量は,0.02ミリWhである。 ・制御部からの指示で静止画を撮影し,その撮影データを圧縮したデータ(以下, 静止画データという)を,制御部に送信する。静止画データのサイズは,1 BY たり6Mバイトである。この一連の処理での消費電力量は,0.1ミリWhである。 カメラ部・制御部からの指示で動画を撮影する。1回の撮影で動画を15秒間撮影し,その撮 彫データを圧縮したデータ(以下,動画データという)を,制御部に送信する。 動画データのサイズは,1回当たり45 Mバイトである。この一連の処理での消費 電力量は,30ミリWh CHS, 通信部・気象データ,静止画データ及び動画データを分析装置に送信する。 a・分析装置から受信した指示を制御部に通知する。 太陽光発電部|・太陽光から発電可能な太陽電池を搭載している。 ・蓄電池が搭載されており,太陽光発電部が発電した電力を蓄えることができる。 ーー3= [ディジタル百葉箱の動作 ディジタル百葉逢は,蓄電池の電池残量に応じて,通常モード・節電モード・停 止モードの三つの動作モードを切り替えながら動作を行う。ディジタル百葉箱の動 作モードを表2に示す。 表2ディジタル百葉箱の動作モード 動fF|蓄電池の ・1分周期で,気象データを収集し,カメラで静止画を撮影し,気象データ 及び静止画データをフラッシュメモリに保存する。 ・5分周期でフラッシュメモリに保存された気象データ及び静止画データ を,分析装置に送信する。送信したデータをフラッシュメモリから削除す る。分析装置からの指示があった場合は,これらの処理周期を1分に変更 ヽpleする。 ーー10%以上|・分析装置から動画撮影開始指示を受信した場合,次の処理を行う。 ①動画を15秒間撮影する。 ②動画データをフラッシュメモリに保存する。 ③動画データを分析装置に送信する。送信したデータをフラッシュメモ リから削除する。 ④①て③の処理中に,動画撮影終了指示を受信していた場合は,処理を 終了する。動画撮影終了指示を受信していない場合は,①に戻る。 節電1%以上|・動画の撮影を行わかない。それ以外は,通常モードと同様に動作する。 モード|10%未満 停ik 1%未満・1分周期で,RAM上の重要なデータをフラッシュメモリに書き込み, モード°MCUをスタンバイ状態にする。 [ディジタル百葉箱の制御部のソフトウェア概要]〕 ディジタル百葉箱の制御部では,リアルタイムOSを使用する。制御部のタスク構 造とメッセージ通信を図3に,制御部のタスクの処理概要を表3に示す。 各タスクは,次の二つのイベントで動作する。 ・RTCからの1分ごとの割込みによってメインタスクが起床される。メインタスク が各タスクにメッセージを通知して,それぞれのタスクが動作する。 ・分析装置から指示を受信すると,通信タスクが起床される。通信タスクが各タス クに指示を通知して,それぞれのタスクが動作する。 =4 aaa 注記RAMS,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。 図3制御部のタスク構造とメッセージ通信 表3制御部のタスクの処理概要 ・RTCからの1分ごとの割込みで起床して次の処理を行う。 -RTCから時刻情報を取得する。計測タスク及びカメラタスクに時刻情報を, モード管理タスク及びメモリ退避タスクに動作開始を通知する。時刻情報のサ イズは,8バイトである。 メイン-5 AAMC,通信タスクに時刻情報を通知する。ただし,分析装置からの指示|高 があった場合は,この処理周期を1分に変更する。 ・カメラタスクから時刻取得要求を受けると,RICから時刻情報を取得して,カ メラタスクに時刻情報を通知する。 ・通信タスクから時刻設定指示を受けると,指定された時刻をRTCに設定する。 理に応じて,動作モードを更新する。 モード管|・メインタスクから動作開始を受けると,著電池の電池残量を取得する。電聞残| aay・メインタスクから時刻情報を受けると,通常モード又は節電モードの場合。BHM] -部から気象データを収集し,時刻情報を付加してフラッシュメモリに書き込む。 ・時刻取得要求を通知していないときに,メインタスクから時刻情報を受けると, 通常モード又は節電モードの場合,カメラ部から取得した静止画データに,時刻 情報を付加してフラッシュメモリに書き込む。 ・[しし』|タスクから[|b ]を受けると,動作モードが|c le カメラードの場合,次の処理を|a|タスクから|q|を受けるか,動作|中 モードが|ec|モードになるまで繰り返す。 -メインタスクに時刻取得要求を通知する。メインタスクから時刻情報を受ける と,カメラ部から取得した動画データに,時刻情報を付加してフラッシュメモ リに書き込む。その後,通信タスクに動画送信開始を通知する。 ・分析装置から指示を受信すると,その指示を対応するタスクに通知する。 ・メインタスクからの通知を受けると,通常モード又は節電モードの場合,フラッ te置に送信する。送信完了後,(Lt|。 ーーシュメモリに保存された気象データ及び放上画データを通信部を介して分析装| ・カメラタスクから動画送信開始を受けると,フラッシュメモリ内の指定された動 画データを,通信部を介して分析装置に送信する。送信完了後,[|f|]。 メモリ退|・メインタスクから動作開始を受けると,停止モードの場合,RAM上の重要なデ| ittータをフラッシュメモリに書き込み,MCUをスタンバイ状態にする。 注”Prは,タスクの優先度("高","中","低"”のいずれか)を示す。 に5ーー
設問1気象観測・予測システムについて,①,②⑫②)に答えよ。 (1)気象データの時系列変化から,気象の急激な変化を予測するには,全ての ディジタル百葉箱による気象データの収集時刻が一致している必要がある。 RICの時刻設定において,どの機器がどのような動作をすればよいか。気象 観測・予測システムの構成を参考にして,30字以内で述べよ。 ②)分析装置は,気象の急激な変化の有無をAIエンジンで予測するために,デ ィジタル百葉箱との通信で用いられる通信IDに対応する,ある情報を参照す る必要がある。どのような情報か。30字以内で答えよ。
設問2ディジタル百葉箱のハードウェアについて,(1),(②に答えよ。 Ql)節電モードにおけるディジタル百葉箱の消費電力量は1日当たり何Whか。 答えは小数第2位を切り上げて,小数第1位まで求めよ。COT,制御部の 消費電力は平均3ミリW,通信部の消費電力は平均180ミリWEL,計測部 及びカメラ部の待機電力は無視できるものとする。また,外付けの風向風速| 計,太陽光発電部及び電源部の消費電力は無視できるものとする。 2)気象データ,静止画データ及び動画データを保存するのに必要なフラッシ ュメモリの容量は何Mバイトか。答えは小数点以下を切り上げて,整数で求 Ok COG,1Mバイト=105バイトとし,ディジタル百葉箱と分析装置間 の通信は正常に行われるものとする。 RASディジタル百葉箱のソフトウェア設計について,①⑪~て(3⑬)に答えよ。 a)表3中の[|a|~[__e|に入れる適切な字句を答えよ。 ②)表3中の|f|に入れる適切な処理内容を,30字以内で答えよ。 3)表3に示すタスクの優先度では,動作モードが正しく切り替わらないこと によって,各タスクが意図しない動作をしてしまうことがある。この問題を 解消するためには,どのタスクの優先度をどのように変更すればよいか。25 字以内で述べよ。 ー6一
高齢者を見守るためのロボットに関する次の記述を読んで,設問1ー3に答えよ。 B社は,一人暮らしの高齢者を見守る人型ロボット(以下,見守りロボットという) を開発している。見守りロボットの外観を図1に示す。 スピーカタッチセンサ部1 Sic Wa ar Bluetooth通信a 『(<しにこりのスマートフォン ーー タッチセンサ部2タッチセンサ部3 HH COC) 見守りロボット 図1見守りロボットの外観 見守りロボットは,マイクを通して入力された利用者の音声を認識したり,頭, 両手にあるタッチセンサ部1て3(以下,タッチセンサという)で利用者が見守りロ |ボットの体に触れたことを検出したりして,EOL XORWICISUEBHE ALK カから出力して,利用者との対話を行う。見守りロボットは,タッチセンサの操作 回数及び音声の認識回数などの活動情報を参照して,利用者の活動状況そスマート フォンを介して電子メール(以下,メールという)で送信することができる。 [見守りロボットのシステム構成 見守りロボットの構成を図2に,見守りロボットの主なシステム構成要素の機能 概要を表1に示す。 1| 1 eq]XzI! モジュールト』 cu| シリアルYEF2|Bluetooth|| 図2見守りロボットの構成 —がーー 表1見守りロボットの主なシステム構成要素の機能概要 構成要素名機能概要 ・MCU,音声認識再生モジュール及びBluetoothモジュールが搭載され,各モジ ュールへの電力の供給,遮断を含めて,見守りロボット全体の制御を行う。 ・不揮発性メモリ,RAM,シリアルIF1及び2,日付時刻用タイマ(以下,RTC という)を含む各種タイマ,入出力ポートなどが内蔵されている。 ・RTCには,割込みを発生させる時刻(以下,割込み時刻という)を一つだけ設 定できる。割込み時刻に設定できる時刻には,起床時刻,朝食時刻,昼食時 ue刻,夕食時刻,入浴時刻及び就寝時刻があり,これらの情報を区別せずに時刻 情報という。割込み時刻に時刻情報を時刻順に設定して使用する。 ・割込み時刻になったとき,入力ポートに変化があったとき,シリアルIF1及び 2で送受信を完了したときなどに,割込みを発生する。 ・ソフトウェアによって省エネモードになる。省エネモードは,割込みの発生に 制よって解除される。 御・日常会話に必要な256種類の文節の認識機能,及び512種類の文節の再生機能 部があり,文節には文節IDが一つずつ付与されている。 ・マイクから入力された音声中にある文節を認識すると,文節IDと確率値"を 確定する。音声中にある文節を先頭から最大8個まで確定する。8個の文節を 音声認識|確定したときは,それ以降に入力された音声は無視する。音声の入力が一定時 再生モジ|間ないことを検出すると,その音声の入力を終了し,確定した文節の個数と, ュール確定した文節IDと確率値をMCUに送信する。 ・1回の音声の再生における文節の個数分の文節DをMCUから受信すると,そ の受信した情報に対応した音声をスピーカで再生する。1回の音声の再生にお ける文節の個数は,最大8個である。受信した音声再生指示に対する音声再生 完了を送信するまで,次の音声再生指示を受信しない。 Bluetooth|・MCUから受信した情報を,スマートフォンを介してメールで送信する。 モジュール|・MCUから受信した指示の動作を完了するまで,次の指示を受信しない。 タッチセンサ部|・MCUの入力ポートに接続されていて,タッチセンサに触れられたことを検出 1て3する。 ・設定開始・終了,進む,RS,及び決定の,四つの設定スイッチで構成され Bs 設定スイッチ部・MCUの入力ポートに接続されていて,利用者に関する情報の設定,日付時刻 "の設定,及びペアリングするスマートフォンの登録のときに使用する。 ・利用者に関する情報には,MEA,利用者の呼び方(O〇ちゃん)及び時刻情 報がある。 ・見守りロボットの電源であり,交換可能な一次電池,電源スイッチ,LEDなど 電源部で構成される。 ・電池残量を検出して,電池残量がしきい値以下の場合は,LEDで表示する。 SE確率値は,認識した文節IDである確率であり,認識した音声中にある文節ごとに算出される。 また,認識した音声中にある文節ごとの確率値の和を,文節の個数で割った値が,確率値の平 均値である。 に8ーー 〔制御部の対話処理の概要〕 (1)割込み時刻に設定された起床時刻になると,“お目覚め状態”"にし,利用者が設 定した呼び方で,“〇〇ちゃん,おはよう,起きた一"と音声を再生して,現在の 時刻以降で現在の時刻に最も近い時刻情報(以下,次の割込み時刻という)を設 定する。 (2)お目覚め状態において,タッチセンサに触れられたことを検出すると,“OOS eA,お話しできるよ"と音声を再生し,利用者に対話ができることを案内する。 (3)お目覚め状態において,音声を認識すると,認識した音声と日付時刻から判断 し,音声を再生する。例えば,6月の雨の多い時期の朝方に,“今日は,WEE” の音声を認識すると,“今日は,お散歩できないね"と音声を再生する。 (4)音声を認識した結果において,確率値が1030%である文節が1個以上あった とき,又は確率値の平均値が50%以下のときは,“もう一度言って"と音声を再生 する。KK,確率値が10%未満である文節が1個以上あったときは,“他の言葉で 話してね"と音声を再生する。 (5)お目覚め状態において,“お出掛けするよ"の音声を認識すると,“〇〇ちゃん, いってらつしゃい"と音声を再生する。以降,タッチセンサに触れられなかった 状況,音声を認識しなかった状況,設定開始・終了の設定スイッチが押されなか った状況,及び時刻が割込み時刻にならなかった状況(以下,事象発生無し状況 という)が5分間継続したことを検出すると,割込み時刻を解除して,“お留守番 状態"にする。| (66)お留守番状態において,タッチセンサに触れられたことを検出すると,お目覚 め状態にし,次の割込み時刻を設定して,“〇〇ちゃん,おかえりーー"と音声を再 生する。 (7)割込み時刻に設定された就寝時刻になると,“〇〇ちゃん,おやすみなさい"と 音声を再生し,利用者の活動状況のメールを送信する。以降,事象発生無し状況 が5分間継続したことを検出すると,次の割込み時刻を設定して,“お休み状態" にする。 (8)お休み状態において,タッチセンサに触れられたことを検出すると,お目覚め 状態にし,“"〇〇ちゃん,どうしたの"と音声を再生して,利用者に呼び掛ける。 ー9一. (制御部の設定処理の概要〕 (1)お目覚め状態において,設定開始・終了の設定スイッチが押されたことを検出 すると,割込み時刻を解除し,“設定状態"にして,各項目の設定を開始する。 (2)設定を開始すると,設定する項目順に音声案内を行いながら,進む,戻る又は 決定の設定スイッチに従って,各項目の内容を設定し,不揮発性メモリに格納す る。 なお,設定状態では,タッチセンサの操作,音声の入力は無効である。 (3)設定状態において,設定開始・終了の設定スイッチが押されたことを検出する と,次の割込み時刻を設定して,お目覚め状態にする。 [制御部の省エネ処理の概要〕 ・お目覚め状態で事象発生無し状況が10分間継続したことを検出したとき,お留守 番状態になったとき,又はお休み状態になったときに,MCUを省エネモードにす る。 ・Bluetoothモジュールへの電力は必要なときだけ供給し,音声認識再生モジュール への電力はMCUが省エネモードでないときだけ供給する。 [制御部のソフトウェア構成〕 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構成を図3に,fill 御部の主なタスクの処理概要を表2に示す。 amすすkz |PT 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,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。 図3制御部の主なタスク構成 _10一 表2制御部の主なタスクの処理概要 ・各状態の制御,各モジュールへの電力供給の制御を含めた省エネ処理,次の割込み 時刻の設定を含めたRICの制御,利用者の活動状況のメール作成依頼を活動状況判 aay定タスクに通知する処理など,制御部全体の制御を行う。 -。|・タッチセンサタスク,割込み時刻判定タスク,又は音声認識判定タスクから通知を 受けると,この受けた情報に日付時刻及び通知を受けたときの状態を付加した情報 から構成される音声再生依頼を,再生音声選択タスクに通知する。 ・メインタスクから設定開始の通知を受けると,再生する音声の情報を通信1タスク —に通知しながら,設定スイツッチタスクから受けた情報に従って,各項目の設定内容 msを項目設定情報として不揮発性メモリに格納する。 ・メインタスクから設定終了の通知を受けると,設定を終了する。 設定スイ|・四つのいずれかの設定スイッチが押されると起動され,該当する設定スイッチを判 ッチ定して,関連するタスクに通知する。 タッチセ|・タッチセンサに触れられると起動され,タッチセンサに触れられたことをメインタ ンサスクに通知する。 割込み時|・RTCに設定された割込み時刻になると起動され,時刻情報の内容を判定してメイン 刻判定タスクに通知する。 swam・通信1タスクから受信した音声の情報に,確率値の平均値,確率値が10~30%CH grる文節IDの個数,及び確率値が10%未満である文節IDの個数を追加した音声認識 結果をメインタスクに通知する。 ・メインタスクから音声再生依頼の通知を受けると,受けた情報を基に文節ID OWT 構成される音声の中から再生する音声を選択して,選択した再生する音声の情報を 再生音声通信1タスクに通知する。さらに,メインタスクから受けた情報にマイクから入力 選択された音声の情報がある場合に,①入力された音声によって状態の遷移が必要とな るときは,メインタスクに通知する。 ・音声の再生中は,メインタスクからの新たな通知を受けない。 fea oka・メインタスクから利用者の活動状況のメール作成依頼を受けると,活動情報を参照 wiseして利用者の活動状況のメール内容を作成し,スマフォタスクにメールの送信依頼 を通知する。 ・スマートフォンのアプリケーションソフトウェアとの通信処理を行う。 .音声認識再生モジュールとの通信処理を行う。 ・Bluetoothモジュールとの通信処理を行う。
設問1見守りロボットの仕様について,(1)~て(3③)に答えよ。 (1)制御部の省エネ処理について,(a),(⑪b)に答えよ。 (a)お目覚め状態において,お留守番状態又はお休み状態にならずに,省エ ネモードになる場合がある。どのような場合か。25字以内で述べよ。 (b)MCUが省エネモードのとき,この省エネモードが解除される割込みは三 つある。二つは時刻が割込み時刻になったときの割込みとタッチセンサに 触れられたときの割込みである。残り一つの割込みを25字以内で述べよ。 0)マイクから入力された音声の処理に関する次の記述中の|。|]~ |』]に入れる適切な字句,又は数値を答えよ。ここで,|b|ゅ, 小数第1位を四捨五入して,整数で求めよ。 MCUは音声認識再生モジュールから,6個の文節から成る音声を認識した 結果を受信した。このとき,1個目の文節の確率値は60%であり,2個目以降 は順に32%,45%,35%,43%,55%であった。制御部は,|sa|が [|5|]%で[|<|]%以下なので,“|d]"と音声を再生する。 (3③お留守番状態において,タッチセンサに触れられて省エネモードを解除し お目覚め状態にしたとき,“〇〇ちゃん,おかえリりー"と音声を再生する前に 行う処理が二つある。一つは次の割込み時刻の設定である。もう一つの処理 を25字以内で述べよ。
設問2制御部のソフトウェアについて,(①⑪~④に答えよ。 1)図3中の項目設定情報を読み出して利用するタスクは四つあり,一つは登 録されたスマートフォンに関する情報を読み出して利用するスマフォタスク である。他の三つのタスクを表2中のタスク名で答えよ。 @)メインタスクの設定処理に関する次の記述中の[e|-|i| に入れる適切な字句を答えよ。 メインタスクはお目覚め状態の場合,設定スイツチタスクから, | 。]の設定スイッチが押されたことの通知を受けると,割込み時刻を 解除し,設定状態にして,Bluetoothモジュールへの電力を供給し,さらに, 省エネモードの解除を伴うときは,音声認識再生モジュールへの電力も供給 する。その後,| f|]タスクに[| g ]の通知を行う。メインタスク は,設定状態で,|e|の設定スイッチが押されたことの通知を受ける と,||]タスクに|』 ]の通知を行い,Bluetoothモジュールヘへ の電力を遮断し,|」|して,お目覚め状態にする。 (3)メインタスクが,活動状況判定タスクに対して通知を行うのは,どのタス クからどのような内容の通知を受けたときか。45字以内で述べよ。 (4)表2中の再生音声選択タスクにおいて,下線①の入力された音声とは,ど のような内容の音声か。15字以内で述べよ。
設問3制御部の機能追加について,(1),(2②)に答えよ。 利用者の音声に異常があると判断した場合,又は“〇〇ちゃん,どうしたの" の呼び掛けの音声を再生したときにタッチセンサの操作及び音声の入力が4分 間なかった場合に,安否確認依頼のメールを送信する機能を追加することにな った。利用者の音声を異常と判断するのは,確率値が10%未満である文節が0 個で,DO,確率値の平均値が20%以下の音声の入力が3回連続あったときと ve. ソフトウェアの変更方法を検討した結果.メインタスクを変更すると,メイ ンタスクの複雑度が増してテスト項目が増加することが考えられたので,異常 と判断する処理を行う新たなタスク(以下,異常検出タスクという)を追加し, メインタスク以外の既存のタスクを変更することにした。 異常検出タスクは,メインタスク以外の既存のタスクから必要な情報を受け て異常の有無を判断する。異常と判断すると安否確認依頼のメール内容を作成 し,スマフォタスクにメールの送信依頼を通知する。 1)変更する既存のタスクは三つある。二つは音声認識判定タスクと再生音声 選択タスクである。もう一つのタスク名を表2中のタスク名で答えよ。 2)音声認識判定タスク,及び再生音声選択タスクの変更内容に関する次の記 述中の| 」|~|mm|に入れる適切な字句を答えよ。 音声認識判定タスクは,をタスクに通知する場合 同じ内容を|/|タスクに通知する。再生音声選択タスクは,再生する 音声の内容が[|m|の場合は[|?|]タスクに通知する。 ー19一
バッティングを評価するシステムに関する次の記述を読んで,設問1ー3に答えよ。 C社は,バッティングセンタ向けのバッティング評価システム(以下,評価システ ムという)を開発している。評価システムは,利用者がバットをスイングしてボー ルに当たったときのバットの振動などを計測し,バットに当たったボールが飛ぶ距 離(以下,飛距離という)を予想する。 評価システムの外観を図1に示す。利用者が料金端末を操作したりバットをスイ ングしたりするバッティングエリアと,バッティングエリアに向けてボールを送り 出すピッチングマシンとの位置関係は,1のとおりである。スイングしたときの バットの軌道,及びボールが当たったときのバットの振動を専用計測デバイス(以 下,スイングセンサという)で計測する。スイングセンサは,バットのグリップの 末端に取り付けられている。 dfビッチシツグマシシ メカ部Ned— ay Bh> Wed 7a |;制御部 :飛距離 $(le 63メートル スイングセンサ・ 1 ot 3メートル ed wie 5 利用者一>wh LAT hY みい、8メートルバッ iheっ、17メートル eit|)AB バッティングエリア M1評価システムの外観 評価システムの主な構成要素の概要を表1に示す。 表1評価システムの主な構成要素の概要 メカ部,表示部及び制御部で構成される。 ・メカ部は,制御部の制御によって所定の球速・球種で投票!する。 ビッチッンダ・表示部は,人がボールを投げる動作の動画(以下,投球動画という),飛 yo距離の予想結果(以下,評価結果という)などを表示する。 ・制御部は,表示部,メカ部を含め評価システム全体を制御し,評価結果を 算出する。無線通信IFを内蔵し,無線でスイングセンサと通信する。有 線で料金端末と通信する。 構成を後述の図2に示す。利用者がスイッチを押すと,無線通信で制御部と スイングセ|通信を開始する。また,バットのx,y,zの直交する3軸方向の加速度・角 yep速度,及びボールが当たったときのバットの振動を計測して制御部に送信す る。 tk tan利用者がバッティングセンタの利用料を支払うと,有線で接続された制御部 料金端末ik に通知する。 SED MRL,バッティングエリアに向けてボールを送り出すことである。 [評価システムの動作) 評価システムは,次に示す手順で処理を行う。 (1)利用者が料金端末で利用料を支払うと,料金端末が制御部に通知する。 (2)制御部は,表示部に“準備が整いましたらスイングセンサのスイッツチを押して ください"と表示する。利用者がスイングセンサのスイッツチを押すと,スイング センサが電源ONとなり,無線通信で制御部と通信を開始する。 (3)制御部は,スイングセンサと通信を開始すると,スイングセンサに“計測開始 fam”を送信するとともに,表示部に投球動画を表示して,メカ部を制御して投 球する。 (4)計測開始指示を受信したスイングセンサは,バットのx,y,zの直交する3軸方 向の加速度・角速度のデータ(以下,モーションデータという)の計測を開始し, 計測を開始してからの時間(以下,経過時間という)をカウントする。1ミリ秒周 期でモーションデータを計測し,経過時間を計測時刻データとして付加したもの をモーション情報として,計測ごとに制御部に送信する。 なお,評価結果を正確に算出するために,モーションデータを計測する周期は 可能な限り一定とする。 (5)投球後,スイングセンサは,スイングしたバットがボールに当たった瞬間のバ ットの振動の発生を検出すると,バットの振動の大きさを500ミリ秒間計測CLA 下,ここで計測したデータを振動データという)し,振動が発生したときの経過 時間を振動時刻データとして記憶する。 (⑥)制御部は,(3)の計測開始指示を送信してから7秒経過すると,1回の投球が終了 したと判断し,スイングセンサに“計測終了指示"を送信する。 (7)計測終了指示を受信したスイングセンサは,モーションデータの計測を停止す る。また,振動時刻データを振動データに付加し,振動情報として制御部に送信 する。 (8)制御部は,モーション情報,振動情報などから,評価結果を算出する。(3)の計 測開始指示を送信してから8秒後に表示部に評価結果を表示し,2秒間待つ。 (9)投球数が20球に達するまで,(3③)の計測開始指示の送信から(8)まで繰り返す。 (10)投球数が20球に達したら,制御部は,スイングセンサとの通信を終了して,投 球ごとの評価結果を集計し,集計した結果を表示部に15秒間表示する。 〔バットの振動及び評価結果の算出〕 バットは二つの固有振動数をもっており,それぞれ210 Hz,730 Hzである。この ニニつの周波数の振動データからバットの振動特性を使って,バットがボールに与え る力などを算出できることが分かっている。 制御部は,球速,球種,バットの振動特性のほか,モーション情報,振動情報を 基に,評価結果を算出する。 [スイングセンサの構成 スイングセンサの構成を図2に,スイングセンサの主な構成要素を表2に示す。 |amーー7 Tres (説明は後述) 図2スイングセンサの構成 ー16一 表2スイングセンサの主な構成要素 i BE ti ・スイングセンサ全体を制御する。タイマ割込み機能をも ち,1ミリ秒周期でモーション計測部からモーションデ ータを取得し,計測時刻データを付加したモーション情|・計測時刻データのビッ MCU報を制御部に送信する。また,拓動計測部に記録許可及ト数:32ビット び記録停止を送信する。振動計測部からの割込み(以|・振動時刻データのビッ 下,振動割込みという)が発生したときの経過時間であト数:32ビット る振動時刻データを記憶する。振動計測部から振動デー タを取得し,振動情報を制御部に送信する。 ・蓄電池で,スイングセンサに電力を供給する。・放電容量:240ミリAn ・MCUからの要求によって,内蔵センサで計測したモー ションデータをMCUに通知する。バットのグリップの|・計測数:6チャネル 末端を原点としたx,y,zの直交座標系をもち,原点か|・1チャネルのビット eeらバットの先端に向けてz軸の正方向を取る。数:16ビット aha・計測される各軸の加速度の値は,整数部を4ビットとし|・加速度計測範囲: mseた16ビットの2進数であり,負数を2の補数として扱ー8Gて8G う。単位を重力加速度Gとしたとき,一1.5,一1,0,・計測可能周波数: 1,15に相当する値は,16 ERC,それぞれE800,330 Hz以下 F000,0000,1000,1800である。 ・MCUから記録許可を受信すると,内蔵センサでバット の振動を検出したとき,MCUに振動割込みを出力し,・計測数:1チャネル 振動計測部振動データを計測し,内部に保持する。・計測可能周波数: ・MCUから記録停止を受信すると,バットの振動の検出3 kHz以下 を停止し,保持した振動データをMCUに通知する。 無線通信の仕様 スイングセンサと制御部の通信に用いる無線通信は,伝送可能距離によって四つ のクラスに分けられる。無線通信の仕様を表3に示す。 表3無線通信の仕様 伝送可能距離(メートル)使用可能な伝送速度(kピットノ秒) 注記表中の丸付き数字は,設問で使用する。 (MCUの処理〕 MCUの主な処理のタイミングと内容を表4に示す。 表4 MCUの主な処理のタイミングと内容 開始指示受信時・記録許可を振動計測部に送信する。 マ割込み発生時刻データを付加して,モーション情報を制御部に送信する。 See [a|・記録停止を振動計測部に送信する。 ・モーションデータの計測を停止する。 i
設問1評価システムの仕様について,(1)~て(3)に答えよ。 (1)評価結果を算出するには,ボールがバットにいつ当たったかを知る必要が ある。知るためには,どのデータを使うのが最適か。データ名で答えよ。 2)モーション計測部で計測される各軸の加速度は,重力加速度及びバットの 移動による加速度の和であるが,バットが静止していると,モーション計測 部は重力加速度だけを計測する。静止しているバットの角度が水平から上側 に90°,0'の場合,z軸の加速度の値は,16 AC,それぞれF000,0000 であった。静止しているバットの角度が水平から上側に30°の場合,z軸の加 速度の値を,4 HID 16進数で答えよ。ここで,sin30°を0.500,cos30を 0.866,tan30°を0.577とする。 (3)バットの振動はモーション計測部でも計測できるが,表2のモーション計 測部の仕様では,ある条件が不十分なので,振動計測部が必要であった。振 動計測部が必要な理由を,25字以内で述べよ。
設問2無線通信の仕様及びMCUの処理について,①⑪~て(3)に答えよ。 (1)伝送可能距離,伝送速度の観点から,モーション情報の伝送を滴たすこと ができる無線通信の仕様を,表3中の①て⑬で全て答えよ。ここで,無線通 信の実効伝送速度は,表3の使用可能な伝送速度の200%とし,1kビット=10* ー18一 ビットとする。 2)表4の1ミリ秒周期のタイマ割込み発生時の処理では,モーションデータ を取得する処理よりも,制御部に送信する処理を優先させると,ある不都合 が生じる可能性がある。考えられる不都合を30字以内で述べよ。 ⑬表4中の| 』|],|b|に入れる適切な字句を答えよ。
設問3スイングセンサの省電力化について,①~(3)に答えよ。 バッティングセンタの営業時間は,1日12時間である。営業終了後に充電し ているスイングセンサの充電回数を,省電力化によって減らすことにした。こ こで,スイングセンサの電源ON/OFFの状態によって,表3のクラスごとにス イングセンサの動作電流が変わる。電源ONの場合の動作電流は,クラスAを 15ミリA,クラスBを15ミリA,クラスCを6ミリA,クラスDを5ミリA とする。一方,電源OFFの場合の動作電流は,全てのクラスを0ミリAとする。 (1)無線通信がクラスBで,かつ,スイングセンサが常に電源ONの場合,ス イングセンサが満充電で蓄電した電気量を全て放電できるとき,何時間使用 できるか。人答えは小数第1位を四捨五入して,整数で求めよ。 (2)(GRY AT AOE)の0)で制御部がスイングセンサとの通信を終了し た直後に。スイングセンサを電源OFFにして,省電力化するようにスイング センサの仕様を変更した。無線通信がクラスBの場合,1日の営業で蓄電池か ら放電される電気量は何ミリAhか。答えは小数第1位を四捨五入して,整数 で求めよ。ここで,1時間当たりの評価システムの利用回数は4回とする。 (3)制御部の無線通信IFは制御部に内蔵されているが,制御部から料金端末ま でケーブルを延長することによって,制御部の無線通信IFを料金端末内に移 設することにした。 (2)省電力の観点から,無線通信IFの移設によって無線通信で実現できる内 Be,35字以内で述べよ。 (b)移設後に1日の営業で蓄電池から放電される電気量は,移設前の何%か。 答えは小数第1位を四捨五入して,整数で求めよ。 ee
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