自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題

一般財団法人 日本自動車研究所
ITS研究部

青木啓二

情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

1１．自動運転とは？
２．自動運転車開発の実例（１）E-ITSにおける自動運転・隊列走行技術（２）海外の隊列走行技術（KONVOI, SARTRE)（３）自律型自動運転車技術（Have-it、アーバンチャレンジ、グーグル車）
３．実用化に向けた課題

情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

2自動運転車・自動運転車・隊列走行車開発の隊列走行車開発の歴史
1975年以来の日本、米国、欧州における自動運転車・隊列走行車の開発状況。

KONVOI

VaMoRsNavLabUrban Challenge

1ST Stage(1975～～1990)
Vision based automation

2ND Stage(1990～～2000)
Infrastructure based automation

3RD Stage(2000～～2012)
Fusion based automation

Automated truck Platoon

情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

3自動運転・隊列走行車まとめ
自律自動運転車

隊列走行

VaMoRsEU

SARTRE

Chauffeur

KONVOIVITAⅡⅡ
HAVEitGoogleNavLab5

US

IVHS

Urban Challenge
PATH

IMTS
PVS

Cooperative Driving

Jap.

AHS
E-ITS

1985

1ST Stage

1990

1995

2ND Stage

情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会

2000

2005

2010

3RD Stage「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

4自動運転の目的
1. CO2の低減・燃費の向上

隊列自動走行

2. 交通流の改善・渋滞の低減

1. ﾋｭｰﾏﾝｴﾗｰによる事故の低減（不注意・漫然・居眠り運転）

2. 健康障害・意識喪失による事故の低減

自律型自動運転
3. 視界不良時の安全運転（夜間時雨天、降雪時等）

4. 運転負荷低減による快適性の向上

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5

運転支援と自動運転の相違
ドライバー

外界認識
・周辺障害物・走行ﾚｰﾝ
走行ﾚｰﾝ認識
ﾚｰﾝ認識

判断・走行軌跡（走行軌跡（走行ルート走行ルート）ルート）
・危険判断

操作
・ハンドル・ブレーキ
・アクセル

＋

システム（運転支援）
ドライバー

外界認識
・周辺障害物・走行ﾚｰﾝ
走行ﾚｰﾝ認識
ﾚｰﾝ認識

判断・走行軌跡（走行軌跡（走行ルート走行ルート）ルート）
・危険判断

＋操作
・ハンドル・ブレーキ・アクセルシステム（自動運転）
情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

6
6

Automation Levelに基いた運転支援と自動運転の整理
SAE 自動運転標準化委員会による自動運転の定義
最終責任者

自動運転中のドライバー状態

安全運転の主役

目

人間

脳

システム

人間のミスをシステムがカバー

ドライバー

ON

ON
人間システムシステムのミスを人間がカバー

ドライバー

ON

ON
人間システムシステムのミスを人間がカバー

ドライバー

OFF

ON

人間システム

全てシステム人間システム「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

7

システム

情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会

OFF

OFF

自動運転（レベル３以上）に求められる機能①高速道路における高速道路における自動運転における自動運転②市街地域内での市街地域内での自動運転での自動運転③運転支援

運転の運転の最終責任：
最終責任：ドライバーからシステムへ・システムに要求される高い信頼性とシステム故障時のフェールセーフ性

安全運転最終責任：ドライバー

ﾌｪｰﾙｾｰﾌ車両制御技術（制御コンピュータのフェールセーフ化、アクチュエータのﾌｪｰﾙｾｰﾌ化）なし

1.目的地までのルート生成

・高精度道路デジタル地図データ、目的地までの走行軌跡座標の生成技術
・高精度位置認識技術なし

2.最高速度維持

・道路線形、気象条件による最高速度制御

ナビ連動速度警報

要件
責任と安全性・信頼性

求
め
られる機
能

目的地までの白線追従走行制御

・白線追従走行制御
・交差点での直進、右折、左折走行

車線維持：部分的な白線追従走
行（1000Ｒ以上、65km/h以上）

3.車線維持・ﾚｰﾝに沿った自動操舵
全天候型での車線識別技術（雨天、降雪、夜間、晴天、曇天、西日等）：

部分的白線画像認識

前方空間および後方からの接近車情報によるレーンチェンジ制御
4.レーンチェンジ・障害物との衝突回避
・ＩＣでの合流/分流なし
側方及び後側方車両認識技術

・停止車両、歩行者との衝突防止のための自動停止、 ・低速車両との安全車間距離維持

ＡＣＣ、ＰＣＳ

全天候型の高信頼な障害物認識技術（自動車、二輪車、自転車、落下物、歩行者）

レーザレーダ、ミリ波レーダ

5.前方障害物との衝突防止

高信頼な路車間・車車間通信による協調走行技術
通信利用協調走行運転支援
6.交差点部での安全走行（信号、一時停止、右折）

道路環境認識標識認識技術なし
道路環境ビックデータベース化

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8自動運転車の開発事例と主な技術① エネルギーITSにおける自動運転・隊列走行技術

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9

E-ITSの目的
近接車間距離での隊列走行によるCO2の排出削減と交通流の改善

CO2 排出削減
車間距離４
車間距離４ｍを実現するための実現するための制御技術と制御技術と安全性の安全性の技術開発

20%

Cp Contours

40%

60%

80%

100%

最後尾車

Gap distance:4m
中間車
先頭車

相対的走行空気抵抗低減率(%)
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10開発した主な技術・仕様■制御のロバスト性と安全性の向上
２．車間距離制御技術①車車間通信技術
・DSRC5.8G 連送方式
・近赤外光通信②加速度FB方式車間距離制御アルゴリズム
３．共通基盤技術①安全化
・ﾌｪｰﾙｾｰﾌECU・システムの並列２重化②準天頂衛星による測位技術
１．車線維持制御技術①白線認識の２重化技術
・画像センサ（CCDおよび投光型高速カメラ）
・レーザ式白線検出センサ②モデルベースの車線維持制御アルゴリズム

各機能

主な技術開発目標

１．車線維持制御技術①白線誤認識率：10-6以下、 ②車線維持制御精度：±15cm以下（直線区間）

２．車間距離制御技術①車車間通信無通信確立：１０-8以下、 ②車間距離制御精度：-2.0m＠0.5G減速

３．共通基盤技術①測位精度：±30cm以内＠80km/h

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11

隊列走行制御システムの全体構成
白線認識装置（Front)

自動操舵装置白線認識装置（Rear)

車線維持制御ﾖｰﾚｰﾄｾﾝｻ
操舵ﾓｰﾀ
速度センサ
Curvature, Cant

GPS（準天頂衛星）

測位装置

道路データ

HMI

隊列形成
Order in platoon

アクセル開度エンジンECU
車車間通信
先行車情報
減速度

車間距離制御(ACC/CACC)

Brake ECU(WABCO)

ミリ波レーダﾄﾗﾝｽﾐｯｼｮﾝ（AMT)

レーザレーダ

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12

隊列走

行

車構

成

冗長度方式

白線認識装置

２・カメラ/レーザレーダの２重系

車間距離 ・障害物検出装置

２・76Gミリ波ﾚｰﾀﾞ/レーザレーダの２重系操舵制御装置２・PMモータﾌﾞﾚｰｷ制御装置

２・EBS（Wabco社)２重系

車車間通信

２・5.8GHz無線/光通信の２重系

HMI（自車及び一般車ドライバ用）

１

運転席：ディスプレイおよび警報音、最後尾車後部：ランプ

制御装置名
センサ系

ｱｸﾁｭｴｰﾀ系-

最後尾車制御状態ﾗﾝﾌﾟ

車車間通信アンテナﾌﾞﾚｰｷﾗﾝﾌﾟ・ 自動操舵装置
・ Camera・ﾚｰｻﾞﾚｰﾀﾞ

光車車間通信送受光器

ﾚｰｻﾞﾚｰﾀﾞ
HMI
ﾐﾘ波
ﾐﾘ波レーダ

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13

フェイルセーフ化
フェイルセーフ化ECU■センサや走行制御ECU内のﾏｲｸﾛｺﾝﾋﾟｭｰﾀが故障や暴走した場合，異常を検出し自動的に故障系を切り離し，異常動作を防止できるECUを開発する。
故障検出・
ﾌｪｰﾙｾｰﾌ部

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14

画像による白線認識の信頼性向上
白線画像認識性能評価環境条件

認識結果

自車の影

○

路側物の影

○

橋梁下（全体影）

×

雨天時

○

トンネル内（照明率50％）○

橋梁継ぎ手部×

西日時（逆光）

○

橋梁下

橋梁継ぎ手

太陽光、降雨時の影響排除および位置検出精度の向上■前方白線画像

情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会

直下側方白線画像「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

15

ﾚｰｻﾞレーダ式
ﾚｰｻﾞレーダ式白線認識技術■ 検出原理レーザレーダを用いて白線とアスファルトの反射率の違いを検出し、白線を認識
新東名高速道

反射強度

150100500

白線

ﾞｸﾝ
ﾆ
ｬ
ｷｽ

ｱｽﾌｧﾙﾄ

垂直

300
250
200

水平ｽｷｬﾆﾝｸﾞ

150

180

210

240270■ 走行時の認識結果
画像認識と同等の約2.0cmの検出精度を確認
230
220
210200190
180170160

反射強度120

スキャン分解能100

Laser Radar
Camera806040

ﾚｰｻﾞﾚｰﾀﾞ

200203040506070

走行距離

情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会

Horizontal Scanning「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

16

車車間通信の車車間通信の２重化◆ 5.8GHz DSRCと光通信の２重化による車車間通信の信頼性向上
車車間通信技術開発目標値

通信機仕様
・ITS FORUM RC-005
・CSMA/CA
・QPSK

項目
最大伝送範囲DSRCの通信品質向上技術
・連送機能：４～５連送化
・ダイバーシティー受信

最終目標
DSRC:60m
光：20m

車両間伝送周期（伝送データ量：50ﾊﾞｲﾄ）

20msec

無通信発生確率（1時間あたり100msec連続無通信)

10-10

パケット到達率（伝送周期20msecの場合）

99.92%＊100msec以上無通信の場合、故障と判定し、隊列走行を解除

CSMA/CA
4.096Mbps

CSMA/CA
4.096Mbps

光送受信器
他車両情報
20ms周期/車両

車車間通信装置

RS-232C
115.2kbps
20ms周期

1号車

他車両情報20ms周期/車両

車両制御
装置

車車間
通信装置

光通信

RS-232C
115.2kbps

他車両情報
20ms周期/車両

車両制御
装置

20ms周期

2号車

車車間
通信装置

RS-232C
115.2kbps

車両制御装置ﾊﾟｹｯﾄ到達率(%)

CSMA/CA
4.096Mbps

Tunnel20ms周期3号車

車車間通信システム２重化構成
情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会

距離「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

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光車車間通信技術■ LEDアレーによる送受一体型車車間通信の開発
・車間距離15mにてパケット到達率99.92％を達成
・試作装置開発による各種気象条件下での性能確保達成
項目

仕様
通信エリア

光波長

850nm

変調方式

ON-OFF-keying

干渉光遮断フィルタ
受発光装置

変調周波数

3CH必要

通信速度

100kbps

通信距離

1～15m

通信角度

7～30deg

中継通信

中間車両は必要あり

通信方式

全二重通信

通信周期

20msec

連続無通信時間

100msec未満

データ長50byte

エラー検出CRC-CCITT

外乱光低減対策

フィルタ等による情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会

設置位置は、直射日光の影響を考慮して車体下部「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

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車線維持制御のシステム
車線維持制御のシステム構成のシステム構成■車両運動モデルを利用し、道路形状に対するロバスト性に優れた高精度な車線維持制御法を開発★車両直下における横偏差での制御

白線検出センサ（後）★FF制御（線形に対する当て舵）とFB制御による制御
白線検出センサ（前）検出センサ画像
制御ゲインG1,G2は実験にて調整

操舵角＝｛G）×横偏差｝＋｛G×廻頭角）｝＋当て舵量＋ｆ
操舵角＝｛ 1・ｆ１（V,M）
横偏差｝＋｛ 2・ｆ２（V,M)×廻頭角）｝＋当て舵量＋ｆ3（ﾖｰﾚｰﾄ、速度）（ﾖｰﾚｰﾄ、速度

横偏差（前）
廻頭角
横偏差（後）

GPS

現在位置

道路
線形ﾃﾞｰﾀ

道路曲率
道路ｶﾝﾄ

ﾖｰﾚｰﾄ

速度
情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」19

車線維持制御における制御精度■ 直線にて制御ゲインK２,K３を調整後、曲線部での制御性能を評価

20
情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

20

先行車トラッキング制御（横方向制御）■目的
白線がない又は白線認識ができない場合（積雪等）隊列走行を継続し安全を確保■方法
・レーザレーダによる先行車との走行位置偏差（横偏差、傾き角）検出。
・車線維持と同一の制御アルゴリズムによる操舵制御。
但し先頭車は手動運転が前提

検出誤差

検出誤差
目標制御幅

目標制御幅

ﾚｰｻﾞ画像傾き角（度）
横偏差(mm）

レーザレーダによる走行位置偏差検出性能
ビデオ
情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

21

CACC車間距離制御システム■ 隊列内の車間距離の安定性と先頭車急減速時の安全性を確保するため、車車間通信を用いた高精度な車間距離制御技術を開発
車車間通信 ：通信周期（20ms）

ミリ波ﾚｰﾀﾞ（76GHz) /２Dﾚｰｻﾞﾚｰﾀﾞ（IBEO)

設定車速（CC）

設定車速（CC）

エンジン/ブレーキ

車車間通信制御モデル（ACC)・車間距離制御
・速度制御

車車間通信

先頭車制御値

エンジン/ブレーキ/TM

制御モデル（CACC)
・車間距離制御・加速度制御加速度（自車）速度（自車）
車間距離

先頭車目標速度

車間距離
先頭車目標加速度
先頭車速度

速度
シフト位置
先頭車加速度

加減速度

情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

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車間距離制御アルゴリズム■後続車は先頭車の速度・加速度を目標値としてアクセル開度、ブレーキ力の制御を実施。
■中間車、最後尾車とも車間距離制御誤差は１ｍ以内
先頭車G
先
実加速度

頭ー＋

アクセル開度

先頭車速度

加速度
変換

車ー

FB制御

＋

加速度
変換＋＋＋＋

車両＋＋

目標
車間距離＋

アクセル開度・シフト位置・エンジン回転数

FF制御（ｴﾝｼﾞﾝﾄﾙｸ）

ー

実車間距離

平均減速度：0.4G

最後尾車
先頭車

中間車

23
ブレーキ実験情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

23

制御ソフトウエア■ ソフトウエアの開発効率化のため、開発段階はオートボックスを用いてソフト開発。
・車間距離10mにてAutoBboxおよびMATLAB－SimuLinkを用いてにてソフト開発および機能評価実験を実施。
■ 開発終了後の性能評価実験では組み込みFS ECUにて走行実験を実施。
・Target-Linkを用いてFS ｰECU用Cソースコードを生成。

組み込みFS ECU

AutoBbox

Target-Link

・固定小数点化
・変数データ長

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24

車間距離４ｍの隊列走行デモ■世界で初めて 車間距離４ｍによる4台隊列走行を実施■トラックによる自動運転・隊列走行が技術的に実用化レベルにあることを実証
VIDEO

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25

海外における自動運転・隊列走行技術について

情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

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Have it 基本アーキテクチャ
Have it: Highly automated vehicles for intelligent transport◆ ドライバ状態と外部走行環境認識に基づいた制御とHMIより構成

情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

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ドライバおよびHMIのアーキテクチャ
１．基本アーキテクチャ◆ドライバと走行環境に応じた手動運転と自動運転モードの切り替え◆HMIによるドライバへの情報提供

情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

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Joint system demonstrator
１．目的： 制御モード変更とHMIを中心とした車両◆Driver assisted:◆Semi-automated: ACC, Go and stop
◆Highly automated: Integrated longitudinal and lateral control
2. 特徴◆Highly automation モードではドライバの運転状態によりステア・バイ・ワイヤの制御に移行＊Have-it URLより引用＊Have-it URLより引用

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KONVOIの概要
トラック貨物輸送の増大対応

一般車混在での自動隊列走行制御
・白線認識に基づいた車線保持制御
・車間距離10mでの４台隊列走行
・自動隊列形成：60m後方より自動接近・割り込み車（一般車）に対する自動隊列分離と再結合＊アーヘン工科大学URLより引用
情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

30

KONVOI走行実験
KONVOI走行実験
・ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ、DSにて動作確認
・供用高速道路にて約3300kmの走行実験＊アーヘン工科大学URLより引用

ビデオ１
ビデオ１

ビデオ２
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31

SARTRE (Safe Road Train for the environment)
・プロの運転する先頭車（トラックやバス）を自動運転車が追従走行するシステム。
・後続車はカメラとレーザレーダにて先行車をトラッキング。
隊列への結合隊列からの離脱

隊列走行

異常時の安全＊SARTREURLより引用

ﾋﾞﾃﾞｵ＊SARTREURLより引用
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32

Urban Challenge■無人自動運転車による市街地（含む交差点）走行レース
・８９チームが参加
・決勝戦が2007年11月に開催
・優勝：CMU 準優勝:Stanford大●デジタル地図データを用いた目標走行軌跡の生成.
●センサーフュージョンによる走行軌跡の生成.
●センサーヒュージョンによる障害物検出.

Length of coarce:60 mile

Laser range finder

Laser range finder:4
Radar:3
TV camera:1

Autonomous car by Stanford
ﾋﾞﾃﾞｵ
情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会

レーザマップ「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

33

Google car
市街地における自動運転走行.
●前方周辺環境認識に基づく走行軌跡の生成●３次元地図に基づく障害物検出
Urban challengeの優勝、準優勝チームの責任者がｸﾞｰｸﾞﾙに移籍
Laser range finder

TV camera

Radar＊TRB URLより引用

情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

34

自動運転化に向けた課題

情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

35

実用化に向けた課題
HMI・システムの限界（含む故障）

技術面

ﾄﾞﾗｲﾊﾞｵｰﾊﾞﾗｲﾄﾞ

安全・信頼性・ドライバーと同等の認知能力.
・ドライバー以上の機械の信頼性（不注意・漫然・居眠り・病的）公道での厖大な実証走行を通じての安全性・信頼性の証明が必要

社会受容性の獲得
・ﾄﾞﾗｲﾊﾞｰとｼｽﾃﾑの責任範囲の明確化
・安全性の実証

非技術面
法令面
・ ｼﾞｭﾈｰﾌﾞ条約/ウイーン条約との関係
・道路交通法、保安基準との関係
情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

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米国における自動運転法令化の動き★2012年ネバダ州にて①州議会:自動運転受け入れ法案(AB511,SB140)可決②州自動車局(DMV):自動運転規則(LCB R084-11)施行■ ジュネーブorウイーン道路交通条約にて「自動車はドライバーが制御するもの」と定められているがネバダ州議会において、自動運転受け入れ法案が可決。

Google社に世界初自動運転ナンバーが交付★2013年５月現在 ４州が議会承認、１５州が審議中
ネバダ州自動運転承認下院法案(AB511）での自動運転車の定義
・自動運転車
自動運転車とは自動運転車とは人工知能とは人工知能、人工知能、センサーおよびGPS
センサーおよびGPSを
GPSを用い、人間の人間の運転者のアクティ
運転者のアクティ
ブな介入無しに介入無しに、しに、クルマ自身クルマ自身が自身が運転を運転を調整。
調整。

可決済み

審議・検討中情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会＊TRB URLより引用「自動運転技術の開発動向と実用化に向けた課題」

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