10可視光通信を利用した事故防止のための音声システムの開発
桝田 温子*・高田 陽大**Development of Audio System for Traffic Accident
Prevention Using Visible Light Communication
Haruko Masuda*, Haruhiro Takata**
Abstract
In Japan, the sum of head-on collisions and rear-end collisions account for about 60% of the total
number of traffic accidents that occurred in 2015. We develop the audio system to prevent those accidents.
It’s receiving signal information using traffic signals by the visible light communication, calculating andsaying when the driver should brake, and notifying the driver before an intersection.

１．緒言交差点付近及び交差点内における出会い頭衝突事故や追突事故を防止する対策として，信号機や道路標示，我が国で発生する交通事故は，交通量の急激な増大 アンチロック・ブレーキシステム，安全運転支援シスに伴い，昭和45 年には死者数が約1 万7 千人に達した． テムなどが挙げられる．その中でも，安全運転支援シ
これに対し，同年に交通安全対策基本法が制定され， ステムは，光ビーコンから車載器に対して送信された
昭和 50 年代前半にかけて交通事故の発生件数や死者 信号情報や路側センサ情報などを用いて，出会い頭衝数，負傷者数が減少した．しかし，その後車両保有台 突防止支援や追突防止支援などの機能をドライバーに数や運転免許保有者数の増加により昭和 50 年代半ば 提供する．ここで，信号情報は，信号の灯色情報や残から再び増加に転じ，平成 16 年に交通事故の発生件数 り予定表示秒数などの対象信号交差点の信号制御情報や負傷者数は最多となった．交通事故が発生する要因 を指す[3]．また，光ビーコンは，光学式車両感知器ともとして，ドライバーの行動による人的要因や道路形状， いい，赤外線を媒体とする双方向通信が可能なインフ
路面の状態などによる道路要因が挙げられるが，それ ラ設備のことである[4]．
安全運転支援システムが全国展に対応するように自動車の安全性能の向上や道路の改 開を始めた平成 23 年における事故件数は，約 69 万件良などが行われたため，平成 17 年から交通事故の発生 となっており，これは前年から 3 万 4 千件近く減少し件数や負傷者数は減少傾向にある．また，死者数はい ている．従って，このシステムは事故削減の助けにな
ち早く減少傾向にあり，平成 8 年以降は 1 万人を下回 っているといえるが，光ビーコンが充実していない場り，平成 21 年には 5 千人を下回るまでに減少した[1]． 所では利用できないという問題がある．
一方，車両用交通信号機の灯器（以下，信号灯器とここで，道路形状別で交通事故を比較すると，この 10年間は交差点付近及び交差点内での交通事故が最も多 いう）は，平成 24 年度末において約 4 割が LED 式とく，発生件数は年々減少しているが事故全体を占める なっており，今後も増加していくと予想される[5]．LED
割合は毎年50％以上とほとんど変動していない．
また， は高速で明滅の切り替えが可能なため，可視光通信の事故類型別で比較すると，この 10 年間は車両同士の追 送信器に利用でき，信号機や道路標示，街灯，車両の突事故が最も多く，次いで車両同士の出会い頭衝突事 ヘッドライトなど道路交通において広く利用されてい故となっており，この 2 種類の交通事故の合計は年々 る．そのため，可視光通信を利用した歩行者やドライ減少しているが，全体を占める割合は毎年 60％近くに バーへの情報提供や，ヘッドライトやテールランプを上る[2]．
用いた走行中の車同士の通信など，高度道路交通シス*情報工学科**生産システム工学専攻

平成 28 年 11 月 30 日受理

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紀要

第 38 号（平成 29 年）

列で判定し，特定の文字列と一致した場合，緯度と経テム分野への応用が期待されている[6]．
以上のことから，信号灯器の LED による可視光通信 度の座標データをそれぞれ変数に格納する．
で信号情報の送信が可能ならば，光ビーコンが設置されていない場所でも，交差点付近及び交差点内での出 ２．２ 速度の算出
Arduino と GPS モジュールによって取得した位置
会い頭衝突事故や追突事故を防止するように機能を充実させた安全運転支援システムを使用できるため，最 座標から速度を算出するため，まず，2 点の位置座標の差を求め，その差から移動距離 D を算出する．
大で約半数の交通事故の削減が可能である．
D は，そこで，本研究では，信号の切り替え時の無理な交 東西方向の距離 Dx と南北方向の距離 Dy を用いた三平差点進入や急ブレーキによる追突事故を防止するため，方の定理で求められる．
可視光通信によって信号灯器から送信された信号情報
東西方向の距離 Dx は，経度 1 分あたりの長さを求めを受信し，自動車が交差点に侵入する前に，音声によ る必要があり，次式で算出される．って適切な地点でドライバーがブレーキを踏むよう促
1 
(1)
D x  2R  cos   Ax
すシステムを開発する．まず，GPS モジュールを用いて取得した位置座標から自動車の速度を算出する．次に，可視光通信で得られた信号情報をもとにブレーキを踏むように促す音声を出力する．そして，信号情報の受信から音声による通知までの開発手順を明らかにする．最後に，作成した音声システムを自動車に取り付けて動作確認を行い，その結果について考察する．
２．位置座標の取得と速度の算出

 180



360  60，θ は測定地点の緯度，
ここで，R は地球の半径（m）
Ax は 2 点の経度の差を表す．
また，南北方向の距離 Dy は，緯度 1 分あたりの長さを求める必要があり，緯度 1 分あたりの長さは 1 海里と等しい．1 海里をメートルに換算すると 1852（m）であり，南北方向の距離 Dy は次式で算出される．
D y  1852  A y(2)

２．１ 位置座標の取得
ここで，Ay は 2 点の緯度の差を表す．
式（1）と式（2）から，移動距離 D は次式で算出さ自動車の位置座標を取得するため，Arduino に GPSモジュールを接続する．Arduino は，マイコンチップ れる．
や入出力ポート，基盤，開発システムが一体となった(3)
D  (D x )2  (D y )2
オープンソースハードウェアである．Arduino の利点
自動車の速度 V は，2 点の自動車の位置座標を用いとして，開発環境である Arduino IDE は無料で利用することができ，マイコンと基盤が一体となって市販さ て算出した D を GPS モジュールの更新時間 G で除すれているため，誰でも安価かつ簡単にシステムを開発 ることによって求められ，次式で算出される．
できる [7]．
DV (4)
まず，GPS モジュールの位置精度を明らかにするたGめ，GPS モジュールと Arduino をある位置に固定し，また，停止線までの距離 D は，停止線と自動車の 2
GPS Viewer ソフトウェアを用いて 5 分ごとの CEP（Circular Error Probability）の数値を，10 回ずつ繰 点の位置座標の差から，式（3）を用いて算出する．そり返し記録する．CEP は，平均誤差半径とも呼ばれ， して，停止線までの到達時間 T は，停止線までの距離数値に示された半径の中に GPS が受信した位置座標 D を自動車の速度 V で除することによって求められ，次式で算出される．
が 50%の確率で存在することを示す指標である[8]．
次に，GPS モジュールが出力するデータから緯度とDT (5)経度の座標データをそれぞれ取得する．GPS モジューV
ルから出力されるデータはNMEA-0813 形式の数字と文字で構成されており，1 つのセンテンスは「$」から３．可視光通信の実現始まって改行コードで終わる．また，センテンス中の各項目はカンマによって区切られている．緯度と経度 ３．１ 可視光通信の原理の座標データを取得するためには，受信したデータを可視光とは，人の目で知覚することができ，波長が改行コードごとに行データとして抽出し，カンマごと 約 380～780（nm）の帯域にある電磁波のことを言うに分割する．それから，抽出した行データ中に緯度と [6]．可視光通信は，その可視光を搬送波として利用する
経度の座標が含まれているかを行データの先頭の文字

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可視光通信を利用した事故防止のための音声システムの開発

通信方法であり，光源を人間の目には知覚できない程の速さで点滅させ，受信器が受光して電気信号に変換することで情報の伝送を行う．
３．２ LED アレイと送信モジュールの接続
可視光通信を行うため，LED 駆動を行う送信モジュ
図 2 I-4PPM 変調ールと信号灯器を模した青・黄・赤 3 色の LED アレ
イを図 1 に示すようなスイッチング回路を用いて接続する．それにより，複数の LED アレイを，送信モジュールが出力する信号に合わせ，同じ波形とタイミング ータを付加し，最後に，接続された LED アレイの駆動で発光させる．回路にはスイッチング素子として n 型 を行う．
MOSFET とフォトカプラを使用する．MOSFET は，外部から電圧を加えることで電流を制御するトランジ ３．４ Processing による受信データの加工スターであり，フォトカプラは，電気信号を光に変換受信モジュールが復調したデータを別ポートに接続し再び電気信号へ戻すことによって，電気的に絶縁し されている Arduino へ送信して処理させるため，ながら信号を伝達する素子である．それによって，ス Processing を用いてデータの加工とArduino へデータイッチングで発生するノイズを除去しつつ，スイッチ の送信を行う．Processing は Java 言語をベースとしの OFF と ON の動作を表現することができる．
た統合開発環境で，シリアルライブラリを利用することで Arduino と接続し，データのやり取りを行うこと
３．３ 送信モジュールの開発ができる[10]．受信モジュールがデータの復調を行った
任意の文字列や数値データを可視光通信によって送 際，受信データに先頭を示すチルダや改行コードなど信するため，送信モジュールの開発を行う．まず，シ 余分なデータを追加して PC に転送するため，それをリアル通信ソフトによって入力されたデータを， 取り除いて文字列や数値データのみを Arduino へ送信
I-4PPM（Inverted 4 Pulse Position Modulation）変 する．
調にかける．I-4PPM 変調は，ある特定のシンボル時間を 4 つに分割し，データとして与えられた 2 ビット ３．５ 光センサによる通信速度の算出の値に対して，それぞれ 1 スロットのパルスのオフ時
光センサをオシロスコープと接続し，波形を読み取間を与える．この変調方式は，図 2 に示すように 2 ビ って通信速度 I を算出する．光センサは，LED が出力ットのデータがどの値であっても 1 シンボル時間に対 する光をピンフォトダイオードによって電気的な信号し，3/4 は必ず LED を ON にできるため，光のちらつ に変換する器具である．
きを感じにくくなるという利点がある[9]．そして，
I-4PPM 変調では，
1 つのパルスの内 1 ビットのみ必I-4PPM 変調を行った値に，データ先頭を示すプリア ず Low であるから，Low 時のパルス幅は，1 ビットをンプルやフレームタイプ，誤り検出を行う CRC-16 デ 送信するためにかかった時間と考えることができる．
通信速度 I はその逆数であり，次式で算出される．

I 

1(6)

PL

ここで，PL は，Low 時のパルス幅を表す．
４．音声の出力

図 1 スイッチング回路図

まず，音声を出力する適切な地点を求めるため，自動車の停止距離 S を算出する．停止距離 S は，空走距離と制動距離の合計であり，空走距離は，自動車を停止させる必要があると判断した瞬間から，ブレーキが利き始めるまでに自動車が走行した距離を言い，制動距離は，ブレーキが効き始めて車輪の回転が止まり，自動車が滑走して停止するまでの距離を指す．停止距
離 S は次式で算出される[11]．

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S  V 

V22 g紀要(7)

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５．システムの開発手順

本研究で開発するシステムの開発手順を図 4 に示す．
最初に，GPS モジュールによって自動車の位置座標を取得する．次に，式（3）と式（4）を用いて自動車の移動距離である D と速度 V を求め，式（3）と式（5）を用いて停止線までの距離である D と到達時間 T を算出する．また，可視光通信によって LED から送信される信号情報を受信し，Processing を用いて受信したデータに含まれるチルダや改行コードなどの余分なデータを取り除き，Arduino へ送信して処理できるようにした後，光センサを利用して通信速度 I を算出する．
そして，受信した信号情報から青信号かどうかを判定し，青信号なら停止線までの到達時間 D と残り予定表
L  S  7 V
(8) 示秒数を比較して自動車が信号交差点に到達した時点
ここで，7 という数値は実際に出力する音声メッセー での信号の灯色を判定する．最後に，自動車が信号交ジの時間（秒）を表す．そして，式（8）を用いて算出 差点に到達したとき黄信号に切り替わっているならば，した L と停止線までの距離 D が一致した地点で音声を 式（7）と式（8）を用いて停止距離 S と音声の出力中に自動車が進む距離の和 L を算出し，L が停止線まで出力する．
最後に，音声の出力を行うため，図 3 に示すような回路で Arduino に対し，音声合成 LSI と圧電スピーカーを接続する．
Start，V は走行速度
ここで，τ はドライバーの反応時間（s）（m/s），µ は摩擦係数，g は重力加速度（m/s2）を表す．
平均的なドライバーの反応時間 τ は約 0.7 秒から 0.8秒程度とされるため，開発するシステムでは τ を 0.75秒に設定する．また，摩擦係数 µ は，表 1 に示すように路面の状況や路面の濡れ程度などによって異なる．
開発するシステムでは，走行する路面を乾いたアスフ
ァルトとして考え，µ を 0.7 に設定する．
次に，式（7）を用いて算出した停止距離 S と音声の出力中に自動車が進む距離の和 L を次式によって算出する．

自動車の位置座標を取得する
表 1 各種路面に対するタイヤの摩擦係数

各種路面摩擦係数

自動車の移動距離と速度を算出する

乾いたアスファルトまたはコンクリート

0.6~0.8

停止線までの距離と到達時間を算出する

濡れたコンクリート

0.5

濡れたアスファルト

0.45~0.6

砂利道路

0.55

LED で送信される信号情報を受信する
通信速度を算出する受信データに含まれる余分なデータを取り除き，Arduino で処理できるようにする
現在青信号か?
YN

信号交差点に到達したとき黄信号か?

NY
停止距離と音声の出力中に自動車が進む距離の和を算出する
音声を出力する
図 3 音声出力のブレッドボード図
End
図 4 システムの開発手順

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可視光通信を利用した事故防止のための音声システムの開発の距離 D と一致した地点でドライバーに対してブレー として，なるべく平坦な直線道路を 30（km/h）で自キを踏むように促す音声を出力する．
動車を走行させた．なお，この実験は平成 27 年 1 月
31 日 20 時から岡山県笠岡市の干拓地で行った．その６．研究結果と考察結果をそれぞれ図 6，図 7 に示す．図 6 に示されるように，算出した速度は最小値 4.69（m/s）から最大値６．１ CEP の測定結果と考察11.04（m/s）の範囲で大きく振動しており，同じく図使用した GPS モジュール「GT-723F」の位置精度を 7 に示されるように，2 回目の実験結果でも算出した速明らかにするために Arduino と接続し，CEP を 8 回 度は最小値 6.05（m/s）から 9.79（m/s）の範囲で大き測定した．図 5 に示されるように，1 回目から 6 回目 く振動していた．これは，走行した路面のわずかな凹の測定は，単独測位で最終的な CEP は約 10（m）に 凸による速度の変動や使用した GPS モジュールの位収束した．ところが，7 回目と 8 回目の測定は静止衛 置精度の影響が考えられる．
星の補正情報を利用できたため，CEP は 7 回目の測定で最終的に約 4.6（m）となり，8 回目の測定で最終的 ６．３ 可視光通信の結果と考察に約 2.4（m）となった．静止衛星の補正を 得られな可視光通信による信号情報の送受信を行うため，まい場合，この GPS モジュールの CEP は約 10（m）程 ず，図 8 に示すように送信モジュールと LED アレイ度になると考えられ，補正情報を得られた場合はそれ をスイッチング回路によって接続した．送信モジューよりも良い精度の CEP が測定されると考えられる． ルには SH7125F マイコンボードを使用した．このマイコンは，動作速度が高速で強力なタイマ割り込み機能を持つ．また，受信モジュールには「VL-100-USB６．２ 速度の算出結果と考察
Arduino と GPS モジュールによって位置座標を取 3RA」を用いた．これは，PC と USB 接続ができ，フ得し，自動車における速度の算出を 2 回行った．条件 ォトダイオードを受光素子としているため通信速度が12速度(m/s)

10864200
図 5 CEP の測定結果

255075 100時間（s）

125150

図 7 速度の算出結果（2 回目）

12速度(m/s)

10864200255075 100時間（s）

125

図 6 速度の算出結果（1 回目）

150
図 8 LED アレイと送信モジュールの接続結果

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紀要

早いといった利点がある．次に，信号情報の代わりに文字列「test」を送信データとしてシリアル通信ソフト「Serister」を用いて入力した．文字列「test」の ASCII
コードを受け取った送信モジュールに I-4PPM 変調をさせ，プリアンプルやフレームタイプ，CRC-16 デー
タを付加させて LED 駆動を行わせた．
送信できるデー
タは 128 ビット分 16 文字で，それ以上の文字を入力した場合，あふれた文字をカットして送信し，16 文字以下だった場合，足りない文字数はスペースで埋めて送信させた．そして，受信モジュールでスペースを含めた文字列「test」を受信し，可視光受信評価モニターソフトウェア「vlc_measure」を用いて受信データの出力を行った．その結果を図 9 に示す．また，受信モ
ジュールは，仕様からデータの先頭を表すチルダや改行コードなどを追加して PC に転送するため，Processing で余分なデータを取り除いた後，シリアル通信によってスペースを含めた文字列「test」のみをArduino へ送信させた．最後に，光センサで LED ア
レイが出力する Low 時の光のパルス幅を測定し，通信速度を算出した．図 10 に示すように Low 時のパルス幅は約 150（µs）で，通信速度は約 6（kbps）あることが分かった．しかし，実際の通信速度は，プリアンプルや CRC データなどが付加されているためより遅いものと考えられる．

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図 10 LED アレイの出力波形

図 11 音声出力の接続結果
６．４ 音声の出力結果と考察
図 11 に示すように，Arduino に対し音声合成 LSI「ATP3011」と圧電スピーカー「ATP3011」を接続して音声の出力を行った．出力する音声メッセージは 7
７．結言秒間で，まず，2 回チャイムを鳴らしてその直後に「ブレーキを踏んで下さい」という音声を出力した．また，
本研究では，可視光通信によって信号灯器から送信圧電スピーカーは出力する音量が小さかったため，音 された信号情報を受信し，自動車が交差点に侵入する量を上げるための増幅回路が必要であると考えられる．前に，音声によって適切な地点でドライバーがブレーキを踏むよう促すシステムを開発した．主な成果を以下に示す．
i) 使用した GPS モジュールの CEP は補正情報が得られない場合，約 10（m）であることが明らかになった．また，Arduino と GPS モジュールを接続することで，位置座標を取得して速度の算出が可能になった．
ii) スイッチング回路に SH7125F マイコンと LED アレイを接続することで，任意の文字列や数値データでの可視光通信が実現できた．また，出力される光の Low 時のパルス幅から，通信速度が約 6（kbps）であることが明らかになった．
iii) Arduino に音声合成 LSI とスピーカーを接続する
図 9 文字列「test」の受信結果ことで，音声の出力が可能になった．
iv) 自動車の位置座標の取得から音声の出力までの開16可視光通信を利用した事故防止のための音声システムの開発

発手順を明らかにした．
今後の課題として，停止線の位置座標を地図データなどから取得して信号情報のフォーマットを決め，適切な地点でトライバーに対し音声を出力できるようにする．また，作成した音声システムを自動車に取り付けて動作確認を行い，その結果について考察することも挙げられる．
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安全運転支援システム（DSSS レベルⅡ）シス
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https://www.npa.go.jp/koutsuu/kisei/DSSS/sys_teigisyo.pdf[4] 社団法人 交通工学研究会編：ITS –インテリジ
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（2013）
https://www.npa.go.jp/koutsuu/kisei/institut/kazu.pdf[6] 可視光通信コンソーシアム編，中川正雄（監修）：
可視光通信の世界，（2006）[7] Massimo Banzi，船田巧（訳）：Arduino をはじめよう，（2010）[8] Pratap Misra，Per Enge，日本航海学会 GPS研究会（訳）：精説 GPS 基本概念・測位原理・信号と受信機，（2004）[9] 中山雄太，徳井直樹：Arduino を用いた可視光通信システム送信機の作成，石川工業高等専門学校
紀要 第 46 号，pp.21～26，（2014）[10] Casey Reas，Ben Fry，船田巧（訳）：Processingをはじめよう，（2012）[11] 渡辺新三：新訂版 交通工学,（1980）