日本ロボット学会誌 2022

解説

ET ロボコンにおけるモデルを取り入れたロボット制御の教育とソフトウェア品質
鷲崎1.

弘宜*を扱う．ただし毎年一定の改訂があることに留意された

はじめに

い．

ET ソフトウェアデザインロボットコンテスト（以降，ET ロボコンでは，ロボット機材を用いた走行競技のET ロボコン）とは，モデルを取り入れたソフトウェア

正確さと速さ，および，その実現のためのソフトウェアシステム開発およびロボット制御を，原則として複数名や制御を表現するモデルの分かりやすさや妥当性をそれからなるチームで競うコンテストである [1]．ET ロボコ

ぞれ独立に評価し，評価結果を総合する形をとる．

ンは，組込みシステムのエンジニアやエンジニアを目指

2.2

す学生，さらには初学者に対して学習機会を提供するこ走行競技では，直近ではレゴマインドストーム EV3 にとを目的とし，組込みシステム技術協会の主催およびよる自律走行ロボットを共通機材とする．ロボットはSESSAME の特別協力により，スポンサーおよび多くの年々改訂されており，2022 年はレゴエデュケーション

協力者・団体を得て全国規模で毎年開催されている．

SPIKE プライムおよび Raspberry Pi を組み合わせたも走行競技

本稿では，ET ロボコンの概要や，組込みソフトウェアのも用いられる予定である．過去のものも含めて例を図システムのモデルおよび品質の観点から技術的な特徴を

1 に示す．ただしエントリークラスはシミュレータで実解説したうえで，学びの機会としての狙いも解説する．

施され，実際の機材は用いない．

なお本稿の内容は，ET ロボコンの一端に携わる筆者の参加者がハードウェアを変更できないため，ET ロボ個人的視点に基づくものであり，主催側の公式見解を意

コンはソフトウェアのコンテストである．黒いラインが味するものではないことに留意されたい．

描かれたコース上をロボットにより自律走行させるライ

2.

ントレースを基本とし，部門に応じて，ブロックの運搬ロボット制御とモデルのコンテスト（初歩）や段差・障害物の攻略（基礎），さらには，カメET ロボコンは 2002 年に始まった UML ロボコンを前

ラ画像について AI で色判定したブロックの移動操作（高度）といったタスクが課される．

進とし，2021 年大会は 20 回目となる．2021 年大会では

2.3

全国を 9 地区に分けて 9-10 月に地区大会が実施され，モデルの審査参加した約 200 チームのうちで好成績を収めた約 40 チ

ソフトウェアの面では，ロボットを制御するプログラーム（エントリークラスを除く）が 11 月に ET&IoT 展

ムを評価するのではなく，その導出に至り，機能や制御と連動して開催されたチャンピオンシップ大会においての仕組みを説明するモデルを審査員が評価する．

技術を競った．2020 年および 2021 年はコロナ禍のためエントリークラスでは機能実現に必要なソフトウェアシミュレータを用いたオンライン開催のみとなったが，の構造および振る舞いのモデルのみを扱い，対してアド2022 年は実機を用いたリアル開催も計画されている．コ

バンストクラスでは機能実現のためのソフトウェアの要

ロナ禍以前は毎年 300 チーム前後が出場しており，2022

求から分析，設計に至る詳細なモデルと，要素技術を用

年以降は再びチーム数の増大が見込まれる．

いて高性能にタスクを達成するための制御戦略を表す制

2.1

御モデルの両方を扱う．プライマリークラスはそれらのET ロボコンの部門中間にあたる．競技やモデルの課題設定の変遷について

ET ロボコンにはエントリークラス，プライマリーク

は [2]が詳しい．

ラス，アドバンストクラスの 3 部門があり，コロナ前とコロナ中の開催実績を総合すると，概ね表 1 に示す内容____________________________________________________* 早稲田大学／国立情報学研究所／システム情報／エクスモーション〒169-8555 東京都新宿区大久保 3-4-1 早稲田大学
Okubo, Shinjuku-ku, Tokyo
Key words : Embedded software development, softwaremodeling, software quality, robot contest, education

図 1. ET ロボコンの過去のロボットの例-1-日本ロボット学会誌 2022

表 1. 部門ごとに扱う内容（今後，変更可能性あり）

率な開発の実現を期待できる．加えて，モデルからモデ項目

エントリー

プライマリー

アドバンストルへの変換やコード生成の自動化を通じた試行錯誤を含

対象

入門者，未経組込みシステ

組込みシステめたプロセス全体のさらなる効率化，さらには，抽象度

験者ム初級者

ム中級者

やプラットフォームへの依存性に応じた再利用をも期待

ハ ー無し（ロボッ

EV3，または， EV3 ， ま た はできる．ただしその効用を得るためには，エンジニアおド ウトシミュレ

SPIKE＋

よびチームにおいて，対象を抽象化し，その結果を皆でェアータ）Raspberry Pi

Raspberry Pi

共通理解できる形で表現し，そのモデル上で仕組みや性に基づく規定に基づく規定質を検討するスキルが求められる．ET ロボコンは，組込ロボット

ロボット

みエンジニアに対してそうしたモデリングスキルの学習

ライントレ

ライントレー

ライントレー機会を提供する．

ースおよびスおよび基礎スおよび高度

初歩タスク

タスク

タスク

ソ フ

限られた機

限られた機能複数の機能に組込みソフトウェアにおいて扱うモデルは，ソフトウ

ト ウ

能に対応すに 対 応 す る

対応する様々

ェアモデル（Modeling by Analysis [3]に相当）と，制御ェ アる限られた様々な側面（機な側面およびモデル（Modeling by Rule [3]に相当）に大別できる．前モ デ

側面（構造， 能，構造，振る

抽象度（要求，者は要求定義や分析の早い段階から用いられることに対ル振る舞い）舞い）分析，設計）して，後者は主として設計以降において扱う．

制 御無し

オプショナル

制御戦略や要高付加価値のサービス実現が求められるこれからの素技術が必須

IoT・組込み開発においてますます必要となっていくこと

競技

＋モ デ

SPIKE

から ET ロボコンは前者を主に扱うが，制御にあたり後ル

3.

4. モデルの種類と役割者の重要性は依然として変わらないため，後者も一部の組込み開発におけるモデルの必要性

携帯電話や家電，自動車の変革に見て取れるように，部門において明示的に扱う．

4.1

ソフトウェアモデル

かつての組込みシステムは小さくシンプルな機能を高性サービスや機能を検討および要求として定義し（機能・能に実現することが目的であったものが，ハードウェア要求モデル），その実現のために必要なソフトウェアシスおよび通信の発展を受けて，快適で新たな価値を生み出テム上の要素や要素間の関係を表し（分析・設計モデルす大規模かつ複雑なサービスを実現することが目的へとにおける構造），さらに要素を用いて機能を実現するため変容しつつある．こうした中で，コード中心の開発ではの振る舞いを表したものである（分析・設計モデルにお限界があり，モデルを組み入れた開発の必要性が叫ばれける振る舞い）．汎用のモデリング言語としては UML がて久しい [3]．

頻繁に用いられる．モデルを中心にモデル変換やコードモデルとは広義には，認知上の目的のために，対象そ生成を通じて進める開発はモデル駆動開発と呼ばれる．のものの代わりに抽象化により効率よく扱えるように表ET ロボコンではすべての部門において，ソフトウェ現したものである [4]．概念の歴史を辿ると，プラトンがアの構造と振る舞いを中心に機能実現のための構成や方紀元前 360 年頃に灌漑用の水路を用いて，直接に実験で法の設計・表現に用いられる．表記法として，機能につきない血管の機能を議論したことが知られている [4]．

いてはユースケース図やアクティビティ図が，構造につ時代や表現方法は異なっても，組込みシステムにおけるいてはクラス図が，振る舞いについてはシーケンス図やモデルの狙いは同様である．組込みシステムおよびそのステートマシン図および状態遷移表がよく用いられる．

制御プログラムが複雑化しつつあるなかで，特定の機能クラス図による分析レベルの構造モデルの簡略化されたや側面に絞ってそれらを実際に近い環境で直接に実験す

例を図 2 に示す．

ることはしばしば困難であり，まして開発の早い段階で実機やプログラムを得る前には検証できない．そこで抽

コース

走行

ライン

走行方法

路面

旋回量

象化により図や数式などで表現した結果を代わりに用いることで，システムやプログラムの仕組みを効率よく，車体

姿勢制御それも様々な人々の間で議論できる．
具体的にはモデルにより，組込みシステムやプログラムの異なる機能や各種の制約および側面といった関心事
図 2. UML クラス図による構造の分析例を分離検討し，その理解を共有しながら，モデル上で早期に検証し品質を早い段階で高めたうえ，モデルからコ4.2ードへと体系的に落とし込むことで，高品質および高効制御・性能モデルは，性能を満たすために必要な要素制御モデル

技術やそれを用いた制御の方式をモデリングしたものですさ，および，モデル間の一貫性・追跡性を高めることあり，一般に物理法則や標準・規格に従う．物理現象ので，開発上の保守や環境適応のしやすさを向上できるこ

フィードバック制御の仕組みを表した数式およびブロッとを期待できる．

ク線図のような連続系モデルや，通信プロトコルの仕様

例えば筆者らは，ET ロボコンのある大会における審記述のような離散系モデルが該当する [3]．これらは組査員による評価の低い構造モデルほど，小規模かつ込みや関連の開発において古くから用いられ，領域によCoupling Factor（全体におけるモジュール間の結合関係ってはほぼ必須という場合がある．特に制御系においての多さ）によって複雑さが大きいと測定されるものが多モデルに基づいてシミュレーション検証やコード生成をいことを確認している [7]．そうした複雑さの大きさは，中心に進める開発はモデルベース開発と呼ばれる．モデ

修正や試験のしやすさに代表される保守性の妨げとなる

ルベース開発環境 MATLAB／Simulink を用いた制御モものであり，機能を保ちつつも複雑さを抑え分かりやすデルの表現例を図 3 に示す．

いものとなるようにモデルを改訂することが望ましい．

ET ロボコンでは特にアドバンストクラスにおいて，5.2

追跡関係に基づく品質の反映

ロボットの高性能な制御や，高度タスクの達成に必要なこうしてモデル上で早期に品質を作り込むことは，モ制御戦略の設計・表現に用いられる．表記法は，ブロッデルとコードの適切な対応・追跡関係が確保されている

ク線図や数式，実験結果を記録したグラフなど様々であのであれば，コードおよびそれを通じたシステム全体のる．UML のアクティビティ図やステートマシン図が用品質の向上に寄与することが期待できる．

いられることもある．なお提出可能な紙面の都合から，筆者らは ET ロボコンのある大会について，参加者有滑らかなライントレースの実現のためのフィードバック

志からコードを借り受けて保守性を定量評価した結果，制御（PID 制御など）の式や，モータ角度からの位置推審査員によるモデルの評価の高さとコードの保守性の高定式といった基本的なモデルは省略されることが多い．

さには弱い正の相関があることを確認している [8]．さらに，モデル上の要素がコード上で網羅されている割合をあわせて調査した結果，網羅率の低いモデル・コード対をデータから除くことで，モデルの評価の高さとコードの保守性の高さには強い正の相関が認められることを確認している [8]．これは，コードとの対応・追跡性を高

図 3. 制御モデルの表現例

5.

めることで，モデルの高い品質をコードへと反映させられることを示唆している．

モデルを通じた品質と追跡性

表 2. 審査観点から品質特性へ想定される関係の例

モデル上で品質を組み入れて，コードやシステムの品質へと反映させることが重要である．モデルの審査と品表記の正機能実現

制御上のモデル間質の関係，および，追跡性に基づく反映を説明する．

しさ・分か上の妥当有効性の一貫・りやすさ性

5.1

モデル審査の観点と品質追跡性

ET ロボコンにおいて参加チームから提出されたモデ機能機能の完機能の完機能の正機能の完ルは，表記法上の正しさ・分かりやすさ，機能実現上の適合全，正確性全，正確， 確性に寄全，正確妥当性，制御上の有効性，モデル間の一貫性・追跡性な性等に寄与

適切性に性等に寄与

直接寄与

どの観点で審査員から評価される．審査規約の詳細につ与

いては [1][5]を参照されたい．これらの審査上の観点を，性能時間効率

システムおよびソフトウェア品質の主要な特性を定義し効率性に直接た ISO/IEC 25010:2011 [6]における製品品質モデルに照性

寄与

らすと，表 2 のように整理できる．表 2 において，審査信頼成熟性や上の観点により高く評価される場合に，システムの製品性回復性等に寄与品質特性に寄与する関係を表している．なお，ET ロボコンにおいて強くは考慮されない品質特性として互換性，保守修正性や修正性や使用性，セキュリティは省いている．また，表 2 に未記性

試験性等試験性等に寄与に寄与

載の組み合わせについても，間接的な寄与を検討しうる．
表 2 に示すように，ET ロボコンにおいてソフトウェ

移植

適応性に適応性にアモデルのモデリングを通じて機能適合性を高め，制御性寄与寄与

モデルを通じて性能効率性や信頼性を高められることを期待できる．さらに，モデルの表記の正しさや分かりや-3-日本ロボット学会誌 2022

6.

ゲーム要素と教育上の意義

ET ロボコンは長年にわたり多くの運営関係者やスポンサー他皆様に支えられており敬意と謝意を表します．

ここまで，ソフトウェアモデルや制御モデルを組み入執筆にあたり ET ロボコン実行委員会 平谷恵里氏，土樋れた組込み開発が重要であり，モデル上での品質の作り祐希氏のご支援をいただきました．御礼申し上げます．

込みを通じて，対応・追跡性が確保されている限りにお参 考 文 献いてコードやシステムの品質の向上へと繋げられる可能性を示してきた．そうしたモデルで考えられるエンジニアを育成する場として ET ロボコンは貴重である．競技[1]

ET ロボコン, https://www.etrobo.jp/に加えて各種の教育セミナーが提供されることもあり，[2]

土樋祐希, “ET ロボコンの課題設定変遷とその効果”,工学教育, 69(1), pp. 1_59-1_64, 2021.

ET ロボコンの教育効果は様々に報告されている [5][9]．
筆者は ET ロボコンの教育上の優れた特徴を次の三つ[3]

渡辺政彦, “組み込みソフトウェア向け開発環境”, 情報[4]

日 高 宗 一 郎 , Jean BÉZIVIN, 胡 振 江 , Frédéric処理, 45(1), pp. 10-15, 2004.と捉えている: ゲーミフィケーション，一通り揃った安全なプロジェクト，および，業界標準プラットフォーム．
第一に，ET ロボコンはコンテストであり，段階的チャJOUAULT, “『モデル駆動工学の原理と応用』 (1) モレンジと達成，短いフィードバックサイクル，試行錯誤，デル駆動工学の歴史と背景”, コンピュータソフトウ
ェア, 30(3), pp. 3_25-3_44, 2012.

報酬，スコアと競争，協調といったゲーム要素が多く含まれている [10]．これらにより，参加者が楽しみながら[5]

吉留忠史, “ET ロボコンを通じた組込みソフトウェア学びを深めることに適している．取り組みの結果がロボ技術教育”, 日本ロボット学会誌, 38(9), pp. 805-808,

ットの動作という実世界への働きかけとして得られる点

2020.

も，学びの動機づけとして好ましい．

[6]

ISO/IEC

25010:2011

Systems

andsoftware

第二に，大規模な組込みソフトウェア開発の分業や派

engineering — Systems and software Quality

生開発が進む中で，要求から実機制御までの一通りの実Requirements and Evaluation (SQuaRE) — System

践的な技術を心理的に安全な形で，それもモデル中心に

and software quality models

抽象化能力を鍛えながら存分にチームで実験できるプロ[7]

Hironori Washizaki, et al., “Experiments on Quality
Evaluation of Embedded Software in Japan Robot

ジェクトである．
第三に，20 年間続き，今後も内容を進化させつつ継続

Software Design Contest,” Proceedings of the 28thが期待される全国規模のものであり，コンテストを共通IEEE/ACM International Conference on Software
Engineering (ICSE), pp.551-560, 2006.の言葉として，講師陣や参加者間，さらには過去・未来の参加者とつながる機会が豊富に得られる．参加者が次[8]

鷲崎弘宜, 阿左美勝, 田邉浩之, “モデル活用の効能:

回以降の講師陣や審査員となり，次世代の育成を担うと第 1 回 モデルを書く意味”, 日経エレクトロニクス,いうエコシステムを形成している点も大きい．参加年の日経 BP 社, 2011 年 8 月 8 日号, 2011.

みならず長期にわたり成長の機会が得られ，それを拠り所に組織としても安心して派遣計画や社内育成プログラムを設計でき，いわば業界標準の組込みモデリング人材育成プラットフォームである．

[9]

土樋祐希, “企業の ET ロボコン参加活動と教育効果”,工学教育, 64(3), pp. 3_67-3_72, 2016.

[10] 鷲崎弘宜, “君の実力を試してみよう！ -「ラーニン
グ・スルー・コンテスト」のすすめ -”, 情報処理, 57(10),pp. 7-10, 2016.

7.

おわりに

著 者 略 歴

本稿では，モデリングや組込み開発の背景を抑えたうえで，ET ロボコンがモデルを組み入れたロボット制御および組込み開発の学びの機会として重要であることを解説した．またモデルを通じた品質の扱いも解説した．
筆者自身，学生を引き連れて参加して以来，多くの方々と出会い，モデリングやソフトウェア品質の研究を深め，それを通じて審査や会場ホストの担当，さらには協業機会を得るなど，ET ロボコンに育てていただいた．今後も多くの方々に参加いただき，多様な参加者や関係者を得てコンテスト自体が試行錯誤し進化していくことを願ってやまない．本稿がその一助となれば幸いである．

謝 辞

わし ざきひろ のり鷲崎弘 宜

早稲田大学グローバルソフトウェア
エンジニアリング研究所所長・教授，国立情報学研究所客員教授，システム情報取締役（監査等委員），エクスモーション
社外取締役．ET ロボコン審査アドバイ
ザー．IEEE Computer Society 副会長，
ISO/IEC/JTC1 SC7/WG20 議長，情報処理学会ソフトウェ
ア工学研究会主査，リカレント教育 スマートエスイー代表．
著書・訳書に『機械学習デザインパターン』『ソフトウェア
品質知識体系ガイド SQuBOK Guide』『演習で学ぶソフト
ウエアメトリクスの基礎』ほか．