2.2.1 メカナムホイール

本研究で用いるメカナムホイールの外観を図に示す。メカナムホイールは一つのホイールに、車軸に対して45 度傾けられた小さなローラーを車輪の周囲に等間隔に並べて取り付けられた構造となっている車輪である。

図2.3: メカナムホイール

メカナムホイールは、車軸のついている大きい車輪はモータによって制御することができるが、周囲のローラーには動力が存在せず、回転するだけになっている。メカナムホイールは正回転する際、ホイール自体はAT が前方向に移動するように回転するが、車軸に対して45 度傾けられた方向に配置されたローラーにより、ローラー軸方向に対して法線方向の推進力が生じない。この結果、メカナムホイールは、ローラー軸と平行の方向に推進力が発生する。したがって、4 輪の進行方向の組み合わせによって全方向移動が可能となる。

しかし、メカナムホイールではローラーを回転させて移動を行うため、メカナムホイールに働く力を正確に解析することは困難である。そのため、モータに与えたホイールに対する出力値から実際の移動距離と方向を把握することは難しい。また、モータの出力が全て推進力に変換されるわけではないため、バッテリーの消費量に比べて走行距離が短いという問題も同時に発生する。

また、メカナムホイールには弾力性がないため、走行している地面の凹凸や移動方向によっては、その振動が搭乗者に直接伝わってしまう。このような点はこれから改善していかなければならない。

2.2.2 全方位移動のメカニズム

全方位移動およびその場回転は、図のように配置された4 個のメカナムホイールを個別に制御することによって実現している。メカナムホイールとベルトでつながれた高トルクのサーボモータはそれぞれにおいて任意の速度制御が可能であり、またトルクを0 にすることで空転させることができる。

図2.4: 全方位移動のメカニズム

前後左右に動かす時は、4 輪の回転速度を等速にして、それぞれの回転方向(正転か反転) を動く方向に合わせて調節する。例えば右方向へ動かす時は、図の(A) と(D) を正転方向、(B) と(C) を反転方向に動かすことで移動させることができる。

車体から45 度の方向へ動かす時は、右斜め前に移動することを例にとると、(A)と(D) のタイヤを正転方向に動かし、(B) と(C) のタイヤを空転させることによって、移動させることができる。

それ以外の任意の方向へ移動するときは、4 輪のタイヤの回転数を適度に調節することによって実現できる。なお、その場回転は、(A) と(C) を正転方向(あるいは反転方向)、(B) と(D) のタイヤを反転方向(あるいは正転方向) へ回転させることで実現できる。

上記の方法により、駆動輪に4 つのメカナムホイールを用いたAT は、本体の向きを変えずに任意の方向へ移動できるため、図のように障害物回避をスムーズに行うことができる。これまでに実用化されている通常の移動体には不可能な、静止状態から真横に移動する動作が可能になり、AT は障害物や人間が接近している場合でも衝突することなく安全な回避を行うことができる。

図2.5: 全方位移動による障害物回避

2.3.1 ハードウェアおよびソフトウェア

AT の車体はアルミ材で構成されており、AT は屋外と屋内の両方で利用できるように、車体の幅を屋内の扉やエレベータの入り口を通り抜けることが可能な大きさに抑えられている。人間は立った状態でAT に搭乗し、手動で操縦する場合は、手元にあるアナログスティックを用いてコントロールする。また、各種設定にはタッチパネルディスプレイを用いており、AT のユーザインタフェースはわかりやすい直感的なものとなっている。操縦インタフェースについては2.4 節で説明する。

また、AT は環境の情報を取得しながら自動走行を行う。そのため、自身の位置や周囲の障害物などの情報をすべて環境から取得しなければならない。環境から情報を取得するために以下のデバイスを用いており、移動に伴う環境の変化に応じて暗黙的に情報を獲得することができる。

• レーザレンジセンサ

  壁沿い走行や障害物回避など幅広い状況で全方位にある障害物との距離を測定するのに利用する。レーザレンジセンサは床面から一定の高さの平面上に扇状の距離情報を最大30m、角度240 度の範囲で得ることができる1。このレーザレンジセンサをAT の前後左右に各1 台ずつ設置し、後述するレンジセンササーバPC で4 台からの距離情報を統合させることによって360 度全方位の距離情報を取得することができる。

• RFID タグリーダ

  地図との照合による自身の現在位置の確認および修正と、目的地の認識に利用する。RFID タグリーダは無電源非接触のIC タグであるRFID(RadioFrequency Identication) タグを読み取ることができる。RFID タグリーダもAT の前後左右に各1 台ずつ設置した。4 台のタグリーダはそれぞれ固有のID を持っており、どのリーダがどのID を持つタグを読み取ったかを判別することが可能であるため、車体の向きも同時に判別することができる。

• 3 軸角度センサ

  車体の傾斜角や回転角を知るのに利用する。

これらのセンサを用いることで、移動に伴う環境の変化に応じて暗黙的に情報を獲得することができる。また、一時退避ボタンをAT の前後左右の4 か所に設置した。詳細は3 章で述べる。

図にシステム構成図を示す。

図2.6: システム構成

AT には4 台のPC が使用されており、モータの制御、センサデバイスの制御、地図に基づく経路・動作の生成などを行っている。AT に搭載されているPC は、制御・自動走行PC、レンジセンササーバPC、コンソールPC で、これらのPC は互いに有線で接続されており、またモータ制御PC とシーケンサも有線によって接続されている。地図サーバは環境に設置されていることを想定しているため、地図サーバPC と制御・自動走行PC は無線によって接続されている。それぞれのPCの主な役割は以下の通りである。

• 制御・自動走行PC

  モータに繋がるシーケンサなどの制御系デバイスが接続されているPC であり、モータコントロールサーバと呼ばれるモジュールが稼働している。ATには、４個のメカナムホイールそれぞれとつながっているモータを個別に制御するためのデバイスが装備されている。このPC で、進行方向や速度の入力を元に、各モータの速度パラメータを求め、その値をシーケンサに送る。シーケンサはモータコントローラを通して、各モータのトルク調節を行う。モータコントローラはATに２つ装備されており、一方は前方の左右２つの、もう一方は後方の左右２つのメカナムホイール用モータの出力トルクを制御している。また、各PC からのモータ制御の命令はこのPC を介して行われる。他にも、RFID タグのID を保持するRFID サーバも組み込まれており、走行中に読んだタグを、前後左右それぞれ10 個まで保持することができる。読み取ったタグの情報は、一定時間が経過すると破棄される。これは、最後にタグを読み取ってから時間がたってしまうと、そのタグは位置情報として役に立たないものになるためである。

  また、自動走行のタスクを実行するプログラムも稼動しており、自動走行のタスクを実行する命令が発行されると、モータコントロールサーバがモータに命令を送り自動走行を行う。

• レンジセンササーバPC

  レンジセンササーバと呼ばれるモジュールが稼動しているPC である。レンジセンササーバは4 台のレーザレンジセンサを使用してAT の周囲の物体までの距離を常に測定しており、受信した距離情報をAT 中心の極座標に変換している。この値を利用して自動走行や、衝突回避を行っている。

• 搭乗者の正面に置かれたPC であり、タッチパネルディスプレイが備えられている。ディスプレイには操作用コンソールが表示され、搭乗者はコンソール画面から目的地を設定することができる。

  コンソールPC

• 地図サーバPC

  建物内の地図、RFID タグのID とその位置、およびRFID 間の距離の情報を格納したデータベースを保持しているPC である。AT からの現在位置・目的地情報と情報取得要求に応じて、現在位置付近の地図や、現在位置から目的地までの経路と動作の生成を行い、生成された経路と動作をAT に送信する。さらに、地図サーバは通信可能な範囲に存在するAT の位置を常に把握している。

また、AT は移動体であるため、このように多くのPC やセンサ・デバイスを装備しても、搭乗者である人間に負担をかけることはない。むしろ、できるだけ多くのセンサから獲得した情報に基づいて実世界の状況を認識し、物理的な行動に反映することで、人間の行動をより適切に支援することを目指している。

2.3.2 ネットワーク

前節で、地図サーバは環境側に設置されたサーバで、AT と無線で通信し、より詳細な環境情報を取得していることについて触れた。ここでは、AT の特徴の１つであるネットワークの基本システムについて述べる。AT におけるネットワーク構成図を図に示す。

図2.7: AT におけるネットワーク構成

AT を取り巻くネットワークでは、周囲の情報を配信するサーバの存在が前提となっている。統括サーバは、ある特定の地域を統括するような形での存在を想定しており、AT 間通信の基盤を提供するとともに、サーバクライアント型のアプリケーションを提供する。統括サーバ以外には、例えば美術館や病院のような施設単位で、情報を配信するサーバが複数存在している。

搭乗者がATに乗り、ログインを行うと、統括サーバとのコネクションが確立され、情報サービスを受けることが可能となる。統括サーバは、コネクションを確立しているAT や、施設サーバの情報を収集し、AT が屋内情報へアクセスする際などに、AT の位置情報などを考慮して情報を提供する。この仕組みにより、近くにいるATの情報や施設の情報を容易に取得することが可能である。もちろん、他のAT に対してメッセージを送信したり、複数のAT に対して情報をブロードキャストすることもできるようになっている。

また、AT は個体間通信によってAT 同士や搭乗者同士の情報交換を行うことができる。例えば、AT 同士の連携動作に関する制御情報や搭乗者間におけるメッセージのやりとりなどである。個体間通信では、目的や通信対象との距離に応じて、サーバを介した無線LAN 通信、無線アドホック通信、および赤外線通信が自動的に切り替わり、状況に応じて使い分けられる。遠隔にあるATと情報交換を行う場合は、サーバを介した通信が適している。それに対して、AT 同士の衝突回避などの即時性を求められる場面では、暗黙のうちにAT間のアドホック通信に切り替わることで対応する。

2.5.1 自動走行

AT は、地図情報を利用して出発地から目的地までの最短移動経路を計算し、それを基に動作を行うことで自動的に移動を行うことができる。

自動走行によって目的地に到達するためには自身の位置を知らなければならない。そこで、AT の位置と地図との対応付けにRFID タグを用いている。環境側に設置されたRFID タグをATが読み取ると、地図上に記録されているRFID の位置情報から現在位置を知ることができる。また、AT に備え付けられている前後左右のRFID リーダのうち、どのリーダで読み取ったかによって現在AT がどちらを向いているかということも知ることができる。

AT が屋内で自動走行を行う時には、壁沿いを走行する。これは、RFID タグが壁に設置されていることと、壁を手掛かりとすることでAT の現在位置をより正確に絞り込むことができることの2 つの理由による。例えば、壁から離れた状態で、壁に設置されているRFID タグを読むと、どのタグリーダでタグを読んだかという情報に基づくおおよその向きしか知ることができない。つまり、AT が壁側へ傾いて進もうとしているのか、壁とは反対方向へ進もうとしているのかなどといった細かい情報を得ることはできない。しかし、壁沿いを走行しているならば、壁を頼りにAT を壁と平行にすることができるため、方向を一意に決めることができる。

AT による自動走行は次の手順で行う。まずはじめに、搭乗者はAT に搭乗し、コンソール画面を用いて目的地を設定する。目的地を設定し終わると、AT は自身の位置を把握する。具体的には、レーザレンジセンサを用いて、壁までの距離が最も短い方向を見つけそちらに接近する。その後AT が壁に接近したら、RFID タグが見つかるまで壁沿い走行する。タグを見つけたらその時点で地図サーバに問い合わせ、タグの地図上の位置から自身がいる場所を把握する。

その後、自身がいる場所から壁沿い走行の時間ができるだけ長くなるように最短経路を計算する。目的地までは、壁沿い走行や交差点の右左折・直進、突き当りでの右左折などの動作を行いながら移動する。また、RFID タグを用いて適宜自身の位置を把握し、コースから外れていないかの確認も行う。目的地に到着すると、到着したことを搭乗者に伝え、AT の自動走行を終了する。

本研究で用いるAT には、2.3.1 節で述べたように、全方位の障害物までの距離を測定するセンサが搭載されている。そのため、AT は障害物を検知すると自ら回避するように動作することができる。また、無線LAN と赤外線通信を用いた移動体間通信によって複数の移動体が衝突しないように協調的に動作させることもできる。これらの仕組みによって、AT が障害物に衝突することなく、安全性を十分に考慮した走行が可能である。

2.5.2 マニュアル走行

マニュアル走行を行う場合は、コントローラを使用する。アナログスティックの操作を行わない状態がニュートラルポジションであり、ニュートラルポジションにある間は停止している。アナログスティックを任意の方向へ傾けると、ニュートラルポジションを中心とした直交座標値を取得する。この座標を極座標に変換し、角度と距離を計算する。ATの角度指定は、ATの前方を0 度、左側をマイナス、右側をプラスとした-180 度?+180 度の範囲で行う。また、座標距離から移動速度を計算する。これにより、搭乗者の指定した方向に指定した速度で移動することができる。

AT をその場回転させるには、C ボタンを押しながらアナログスティックを左右に傾ける。右に傾けると右回転、左に傾けると左回転を行う。また、傾ける度合いにより回転を行う速さも同時に指定する。

しかし、自由度が高い移動ができるということは、衝突などの危険も増加しているということである。そのため、衝突する危険がある場合に進行方向や速度を調節する補助走行を実現した。また、一時的にAT から降りる際にAT を周りの人の邪魔にならない場所に駐機しておくための仕組みを実現した。これらについては第3 章で詳しく述べる。

3.3.1 速度調節

周囲にある障害物までの距離に応じて減速させる割合を決定することで速度の調節を行う。ただし、全方位すべての障害物に対して考慮する必要はないため、搭乗者の指定する方向に対して障害物を考慮するエリアを図のように設定した。

図3.2: 障害物の考慮領域

障害物を考慮する領域は、図に示すように正面領域と側方領域の2 種類の領域に分類される。AT が走行するために必要な幅は搭乗者の指定する方向により異なるため、図に示される計算式により正面領域の幅L を求めた。

図3.3: Ex. 数式

図に示すように、W はAT の横幅、H はAT の奥行き、x,y はアナログスティックから取得した座標である。例えば、搭乗者の指定した方向が前方だった場合は、正面領域の幅L はWと等しくなる。また、搭乗者の指定した方向が右斜め45 度方向だった場合は、アナログスティックから取得した座標が y / x = 1となり、と計算される。

搭乗者の指定する方向から±90 度以内にある障害物点を考慮の対象とした。これは、搭乗者の指定する方向と逆の方向にある障害物がたとえAT と近い距離にあったとしても、搭乗者の指定する方向へ移動を行う際には影響がないためである。

正面領域については、障害物点を考慮するAT との距離を100 cm とした。これは、遠くの位置にある障害物を考慮して速度や方向の調節を行うと、搭乗者が障害物の近くへ行きたいと思っている場合には、搭乗者の思っている場所に行けない可能性があるが、考慮する対象の障害物が近すぎると、障害物を回避しきれず衝突してしまったり、搭乗者の指定した方向と調節を行う方向の差が大きくなってしまうためである。

また、搭乗者の指定する方向の障害物だけを対象とすると、扉を通り抜ける際など移動する方向に走行可能な空間があるが、走行可能な領域の幅はとても狭い場合に減速を行うことができない。そこで、側方領域においては、障害物点を考慮するAT との距離を50 cm とした。

速度の調節を行う際は、搭乗者がアナログスティックを傾けた角度から計算された速度を元に、センサから受信した距離情報を利用して減速する割合を決定する。速度の調節は、図の手順で行う。以下にその詳細を述べる。

図3.4: 速度を決定する手順

図3.5: 速度の決定例

• 1.搭乗者の指定する方向から±90 度以内にある障害物点のうち、AT との距離が100 cm 以下の障害物点を抽出する。

• 2. 障害物点が正面領域内にあるか側方領域内にあるかで2 つのグループに分類する。正面領域の幅は搭乗者の指定する方向により異なるため、レンジセンサから取得した際の角度だけでグループを分類することはできない。また、障害物までの距離によってもグループが異なる場合が存在するため、抽出した障害物点のすべてについて座標の位置を調べ、2 つのグループに分類する。

• 3. 2 つのグループそれぞれにおいて、AT までの最小距離を求める。最小距離は、角度による大きさの違いを考慮するために、レーザレンジセンサで取得した距離情報から、それぞれの角度におけるAT 個体の大きさを引いた値として求める。図の場合、赤丸で囲まれた点が最小距離となる障害物点である。

• 4. 3 で求めた最小距離と各グループにおいて設定されたエリアの障害物点を考慮する領域の距離から、接近している割合を計算する。図の左の場合の最小距離を30 cm とすると、側方領域の距離は50 cm であるため、30=50 = 0:6と計算される。また、図の右の場合の最小距離をそれぞれ30 cm とすると、正面領域の距離は100 cm であるため、30=100 = 0:3 と計算される。

• 5. 4 で計算した、2 つのグループの接近している割合のうち、小さい値と搭乗者の指定した速度を乗算することにより、移動速度を求める。図の左の場合は、正面領域には障害物が存在せず、側方領域が0.6 と計算されるため、乗算する割合は0.6 となる。また、右の場合は、正面領域が0.3、側方領域が0.6 と計算され、乗算する割合は0.3 となる。

以上のように計算を行うことにより、障害物と近い場合はより減速するため、安全に走行することができる。

しかし、これでは搭乗者の入力した速度が遅かった場合に、障害物までの距離を計算して減速することによって、移動が可能であるにもかかわらず計算された速度が低速すぎて、ほとんど移動を行うことができない場合が存在する。そこで、移動速度の下限値を設定し、計算された速度が下限値を下回っている場合は下限値を利用する。なお、障害物があり移動することができない場合は下限値を利用せず移動速度を0 とする。これにより、障害物との距離に応じて減速させることができる。

3.3.2 移動方向調節

移動方向は、搭乗者の指定する方向に基づいて図の手順で決定する。

図3.6: 移動方向を決定する手順

• 1. 搭乗者の指定した方向にATが走行可能かを調べる。式() に基づいて指定した方向にAT が走行するのに必要な幅を計算し、図に示すように、ATから前方100 cm 以内の距離の領域を走行可能領域とする。レーザレンジセンサで取得した値を調べ、走行可能領域に障害物が存在する場合は、次のステップ以降で進行方向を計算する。

• 2. レーザレンジセンサの値から、指定した方向から±90 度以内で、指定した方向の100 cm 以内にある障害物点を抽出する。

• 3. AT が移動可能な空間を検出する。考慮する障害物点間の距離を計算し、ATの走行に必要な幅より小さければ、走行不可能であるとみなす。これを繰り返して、走行可能な空間を見つける。

• 4. 3 で見つけた空間の中心と指定方向との角度差を計算する。空間が複数検出された場合はその全ての空間について計算する。

• 5. 4 で計算された角度差が最も小さい方向を移動方向として決定する。

図3.7: 走行可能領域

以上のように計算することで、障害物と衝突することなく移動が可能な方向が決まる。

角度差が小さいと搭乗者の指定方向に近い方向へ移動することができるが、計算された方向が、搭乗者の指定方向と全く異なる方向であった場合、そのまま移動方向としてしまうと、搭乗者の意図と一致しない。そこで、移動方向と指定方向との角度差を90 度以内とした。もし、計算された角度差が90 度以上である場合は、移動方向の調節は行わない。

例えば、図のような狭空間を走行する場合、搭乗者の入力だけにしたがって走行すると、搭乗者は全方位にある障害物に注意を払いながら自分の操作に集中しなければならず、衝突せずに移動を行うためには、搭乗者が何度も入力を変更しなければならない。しかし、補助走行モードによって移動方向の調節を行うことで、搭乗者が入力を細かく変更しなくても障害物と衝突することなく走行することができる。

図3.8: 狭空間における移動例

3.3.3 移動方向の記録とコースへの復帰

補助走行で、障害物を避けるように移動方向を調節して走行を続けると、本来走っていたコースから大きく逸れてしまう場合や、廊下等を壁に沿って補助走行を行っていたのに障害物を避けることで廊下の中心へ移動し、そのまま移動を続けることで歩行者の邪魔となる場合などがある。そこで、移動方向を調節した後に、障害物を回避する前に走行していたコースへ戻るという機能を追加した。

指定方向と移動方向が異なる場合は、指定方向と移動方向の差分と出力される速度をベクトルとして記録する。指定方向と移動方向が異なる間、記録したベクトルを加算し続ける。指定方向と移動方向が同じ場合は、障害物の回避が終了したとみなし、元に戻ることができるかを調べる。つまり、指定方向を軸対称としたベクトルを計算し、その方向に移動を行うことができるかを計算する。もし移動を行うことができる場合は、出力された速度の分だけ記録したベクトルを減算する。この動作を、記録したベクトルの和が0 以下になるまで続ける。これにより、調節を行った角度の分だけ戻し、元のコースへ戻ることが可能となる。

また、搭乗者の指定する方向が変更された場合は、目的のコースを変更したとみなして、搭乗者の指定する方向が変更される前に蓄積したデータを消去する。

3.4.1 駐機モードの流れ

駐機モードは搭乗者が人の邪魔にならない場所を見つけた際に、現在にいる場所からどの方向へ移動したらその場所に辿り着くことができるのかという情報を、AT に与えることで起動するモードである。駐機モードを開始するには、第2章の図に示すZ ボタンを押しながら、アナログスティックを使って邪魔にならない場所の方向を入力する。

駐機モードは次の4 つのプロセスで構成される。

• 指定された方向へ移動し、袋小路や隅など人の迷惑にならない場所へ移動して停止するためのプロセスである。

  駐機プロセス

• 微調整プロセス

  駐機プロセスが終了した後に、AT の停止した場所を搭乗者が遠隔で微調整することで搭乗者が本当に邪魔にならないと判断できる場所へ移動させるためのプロセスである。

• 一時退避プロセス

  搭乗者以外の人が起動するプロセスであり、このプロセスが起動されると、駐機している場所から動いて一定時間その場所を空けるプロセスである。

• 帰還プロセス

  搭乗者が再び搭乗するために元の位置へ戻ってくるように命令するプロセスである。ここでは、駐機モードを起動させた場所が帰還プロセスにおいて元に戻るべき場所であるとする。帰還プロセスが実行されると、障害物を回避しながら移動し、駐機モードを起動させた場所へ戻ってくる。

以上のプロセスを目的に応じて使い分けることにより、AT を人の邪魔になりにくい場所で駐機させておくことが可能である。

想定しているプロセスの流れは図の通りである。以下にその詳細を述べる。

図3.9: プロセスの流れ

• 1. 搭乗者がコントローラのZ ボタンを押しながらアナログスティックを用いて方向を指定することで駐機モードを起動する。

• 2. 搭乗者がAT から降りてコンソールに表示されている実行ボタンを押すと、駐機プロセスが起動し、AT は指定された方向へ移動を行う。移動ができなくなったら駐機プロセスを終了する。

• 3. 搭乗者が人の邪魔になり、停止位置を微調整する必要があると判断した場合、微調整プロセスを実行することで、搭乗者が駐機位置を微調整することができる。搭乗者はAT が邪魔にならない場所へ移動したと判断したら、微調整プロセスを終了しその場から立ち去る。

• 4. 搭乗者以外の人が駐機されてあるAT を一時的に移動させたいときに第2章の図に示した、ATの前後左右に設置された一時退避ボタンを押すと一時退避プロセスが起動し、その場から少し移動する。一定時間が経過すると、初めに駐機していた位置に戻ることにより、必要に応じた時間のみ場所を空けることができる。

• 5. 搭乗者が再びAT に搭乗しようと思ったときに帰還プロセスを実行すると、AT が駐機モードを起動した場所へ移動する。駐機モードが実行された位置に戻った時点で帰還プロセスを終了する。

• 6. 搭乗者がAT に再び乗り、走行モードを例えばマニュアル走行モードに変更させることにより、駐機モードが終了する。

駐機モードを実現することで、搭乗者は駐機場の手前で方向を指定して、AT から降りることができるため、袋小路など空間がAT の幅と同程度の幅しかない場所においても、乗り降りのスペースを考慮することなく、AT を駐機することが可能となる。そのため、同じ広さの空間でも搭乗者の乗り降りのスペースの分だけより多くのAT を駐機することが可能となる。

本研究では、駐機モードのプロセスのうち、駐機プロセスについて実装を行った。次節で駐機プロセスの詳細について述べる。

3.4.2 駐機プロセス

駐機プロセスは、駐機モードが設定されると最初に実行されるプロセスである。搭乗者が指定した方向へ移動していき、隅や袋小路などを発見し移動できなくなったら停止する。ここでは、隅や袋小路は人の邪魔になりにくい場所であると仮定している。

駐機プロセスは、図中の1 から6 のように実行される。

図3.10: 駐機プロセスの流れ

まず、搭乗者が人の邪魔にならない場所を発見する(図-1)。そして、現在ATのいる位置から停止させたい場所の存在する方向を指定する(図-2)。搭乗者は、AT から降りてコンソールに表示されている実行ボタンを押し、AT から少し離れる(図-3) と、駐機プロセスが実行され、搭乗者が指定した方向へ移動する(図-4)。指定した方向に障害物を発見した場合は、袋小路かどうかを判断し違う場合には障害物を回避しながら移動する(図-5) 。そして、隅や袋小路を発見して、移動できなくなったら停止し、駐機プロセスが終了する(図-6)。

また、搭乗者が実行ボタンを押してから、駐機プロセスが終了するまでは、図の手順で実行される。

図3.11: 駐機プロセスの手順

• 1. 搭乗者が指定した方向へ移動する。

• 2. センサで取得した距離情報から障害物点がAT から100 cm 以内に存在するかを確認する。障害物点が100 cm 以内に存在しない場合はAT の付近に隅や袋小路は存在しないため、指定した方向へ移動可能であると判断できる。

• 3. 障害物をAT の付近に発見した場合、その障害物周辺が隅や袋小路であるかを確認する。障害物の位置や大きさを計算し、AT が入ることのできる幅であるか、隅や袋小路といった場所であるかどうかを確認する。

• 4. 隅や袋小路でない場合は、その障害物は回避すべき障害物であるとして、障害物を回避し、指定した方向への移動を続ける。

• 5. 検出した障害物の周辺が隅や袋小路であった場合は、移動すべき場所であるとして、その障害物の場所へ移動する。

• 6. 障害物へ近づいていき、これ以上進むことのできない状態になった時点で停止し、駐機プロセスを終了する。

このように動作をすることで、指定された方向にある隅や袋小路を検出し、その近くに移動することが可能である。

4.2.1 移動中の衝突回数について

表に示した衝突回数の結果について述べる。補助走行モードでは、すべての被験者が1 度も衝突することなくゴールまで移動できたのに対して、マニュアル走行モードでは、コース1 ではすべての被験者が障害物と衝突している。また、コース2 において、被験者4 は3 回とも障害物と衝突することなくゴールまで移動を行うことができたが、被験者1 は3 回とも障害物と衝突している。

これは、コース2 を走行したのはコース1 の後であったことから、コース2 を走行する際にはATの操作と移動に慣れ、安全に移動できるコツをつかむことができたからであると考えられる。また、被験者1 がコース2 で障害物と衝突したのは3回とも後方に移動する動作を行った時であったことから、コース1 で基本的な操縦には慣れたが後方へ移動は行っていなかったため、うまく進めなかったと考えられる。

これより、補助走行モードではマニュアル走行モードと比較して衝突回数が少ないことから、安全に走行することができたと言える。

4.2.2 操作回数について

次に、表に示す操作回数の結果について述べる。補助走行モードとマニュアル走行モードを比較すると、どの被験者でもマニュアル走行モードの方が操作回数が多い。コース1 では、マニュアル走行モードと補助走行モードを比較すると、操作回数に約3 倍の差が見られた。

マニュアル走行モードでは被験者の進みたい方向へアナログスティックを倒していても、AT から身を乗り出して覗き込むように周囲の障害物との距離を確認しながら走行するうちに、指定している方向がずれてしまい、方向の調節を繰り返すという現象も見られた。しかし、補助走行は周囲の障害物との距離を気にする必要がないため、指定する方向がずれることも少ない。さらに、細かい方向の調節を被験者が行う必要がないため、このような回数の差が出たと考えられる。

コース2 では、マニュアル走行モードと補助走行モードを比較すると操作回数に2 倍程度の差が見られた。

このコースではその場回転操作が必要となるため、補助走行モードでコース1 を走行した場合と比較すると、操作回数が多くなっている。そのため、補助走行モードとマニュアル走行モードとを比較するとコース1 の時ほど差が見られなかった。また、コース2 においては被験者がAT の操作に慣れた結果、狭い通路を走行する際の操作回数が減少し、コース1 と同程度の操作回数で移動を行うことができたと考えられる。

これより、補助走行モードとマニュアル走行モードとを比較して、操作回数が少ないことから、搭乗者は煩雑な操作を行うことなく走行することができたと言える。

4.2.3 所要時間について

表に示す所要時間の結果について述べる。被験者4 のようにコース1 の1 回目で補助走行モードよりマニュアル走行モードの方が移動に時間がかかったものも存在するが、他の被験者はマニュアル走行モードの方が速くゴールまで移動することができた。また、マニュアル走行モードでは1 回目より3 回目の方が所要時間が短く、補助走行モードとの差が広がっている。

補助走行モードでは、障害物との距離に応じて一律に速度を決定しているため、狭い通路等を通り抜けるように、障害物との距離が近い状態が続く場合は、常に安全速度まで減速を行うと、かなり低速で走行することとなり、結果的に移動に時間がかかってしまったと考えられる。そのため、搭乗者の指定速度からの減速方法にはさらなる工夫が必要である。また、マニュアル走行モードでは、搭乗者がAT の操作に慣れたことで、所要時間が短縮されたと考えられる。

また、今回の実験では、狭空間の設定として空間の幅をAT の横幅から10cm の余裕を持たせた100cm とした。これにより、操作に慣れた搭乗者は、障害物と衝突する可能性が低くなり、所要時間が短くなった可能性があると考えられる。

しかし、マニュアル走行モードにおいて速く移動を行った被験者は衝突を繰り返しながら走行たため、安全な走行しているとは言えない。つまり、補助走行の有効性を所要時間のみで評価することはできず、他の評価観点と総合して判断する必要がある。

4.2.4 総合評価

今回の実験では、衝突回数、操作回数、所要時間の3 つの観点で評価を行った。安全に走行するということを考慮すると、所要時間が短い方が必ずしも良いとは言えない。一方、補助走行モードではマニュアル走行モードと比較して衝突回数や操作回数が少なかったため、より簡単で安全に走行することができたと言える。

また、マニュアル走行モードにおいて、ほとんどの被験者で実験回数が増えるにつれて衝突回数、操作回数、所要時間の値がそれぞれ減少している。これは、被験者がアナログスティックを用いたAT の操縦に習熟したからであると言える。

一方で、補助走行モードでは同じ被験者において操作回数や所要時間が常に減少しているわけではない。補助走行モードの場合、搭乗者は進みたい方向と速度をアナログスティックを用いて指定するだけで良く、障害物との衝突を避けるための細かい調節はすべてATが自動的に行っている。そのため、何度同じコースを走行しても搭乗者は同じ操作を行い、結果として操作回数や所要時間に変化が見られなかったと考えられる。つまり、被験者は補助走行を習熟する必要がなかったと考えられる。

初めて走行する道や、まだAT の操縦に慣れていない搭乗者は、操作ミスも多く、障害物に衝突する危険性が高いため、補助走行モードは有効であると言える。しかし、ATの操縦に慣れた搭乗者は、操作ミスも少なく安定して走行可能であり、障害物に衝突する危険性が低いため、現状の速度のままでは補助走行モードを常に使用する必要があるとは言えない。しかし、初めて通る道を走行する場合や情報端末に表示される情報を見たい場合など、障害物に衝突する可能性が高い場合には、補助走行モードを利用することでより安全に走行できると考えられる。また、搭乗者の習熟度に応じて速度を変更し、慣れた搭乗者は速く移動させることで、移動速度に関するストレスをあまり感じることなく移動することができると考えられる。

本実験から、補助走行モードで移動を行うことにより、障害物と衝突することなく安全に移動できることが確認された。また、搭乗者が指定する方向を細かく変更することや、周囲の障害物との距離を常に注意することなく走行を行うことができるため、搭乗者が安心して走行することが可能であることが確認された。特に、初めて走行する道においては、狭空間の道幅が把握しにくいため衝突する危険性が高く、本システムが有効であると言える。

次に、今回の実験を通して確認された現状での問題点およびシステムを改善するための課題について述べる。

4.3.1 移動速度の向上

マニュアル走行モードで初めて通る道を走行する場合は、周囲の障害物を常に気にしながら走行を行うため、補助走行モードを利用したいと感じる被験者が多いと考えられる。しかし現時点では、初めて走行した場合でも補助走行モードを使用するとマニュアル走行モードより移動速度が遅くなってしまうことがある。これは、障害物との距離のみに基づいて速度を決定していることが原因である。

壁と平行に走行を行う場合など、障害物の形状に沿って移動を行う時は、あまり調節を行わなくても、安全に走行することが可能であるため、速度を上げることが可能であると考えられる。このように、単純な距離だけでなく、障害物の形状や大きさなども考慮した上で速度を決める必要があると考えられる。

4.3.2 回転動作を含む指定方向の調節

実験に使用したAT には、AT の奥行きの方が、AT の横幅より大きいという特徴がある。そのため、車体の向きによっては、空間に侵入できない場合が存在する。これは、AT が走行するのに必要な大きさが最小となる幅で計算しているのではなく、現在走行している向きのままで平行移動を行った場合に必要な幅で計算しているからである。

AT の幅を考慮すると、搭乗者が指定する方向から計算した幅ではそのままでは走行することはできないが、旋回することで走行可能となる場合が存在する。その場合は、旋回を行い、走行可能となる角度まで回転を行う必要がある。車体の形状から、進行方向と前方(または後方) が等しい場合が走行するのに必要な幅が最小となるため、進行方向と前方(または後方) との差分が回転すべき角度となる。回転後に狭空間を走行することを考慮すると、旋回の終了状態での誤差が大きな影響を及ぼす可能性があるため、旋回には高い精度が求められる。そこで、3 軸角度センサとレーザレンジセンサからの全方位の距離情報を利用して回転を行うことで、正確に回転することができると考えられる。その場回転を行うため、全方位の距離情報も回転された値を取得できることから、旋回前に取得した距離情報を回転させ、旋回中に取得した距離情報とマッチングすることで、旋回の終了判定に用いることができると考えられる。また、狭い通路を走行中に車体を回転させる場合は、通路の角度と車体の向きを平行にすることにより、方向を調節することができると考えられる。

6.2.1 移動障害物の考慮

本研究ではすべての障害物が静止していることを前提としており、障害物が移動している場合の移動速度や移動方向を考慮していない。そのため、障害物がATから遠ざかる方向へ移動しているにも関わらず回避を始めてしまったり、障害物を回避する方向を決定しても、障害物が近づいてきている場合は回避しきれず衝突してしまう可能性がある。

今後は、障害物の移動速度や移動方向を考慮して位置や状態を判断する必要がある。移動障害物の状態を考慮して回避を開始する距離や方向を動的に変更することにより、柔軟な回避動作を行うことができるようになると考えられる。

また、死角から移動体が現れた場合など、センサでは認識できない場合は、認識してから回避を開始しても衝突する危険性が非常に高い。狭空間においては、回避する場所がほとんど存在しないため、認識した場所で回避できずに停止してしまうと、他の移動体が通行できなくなり邪魔になる可能性もある。そこで、周囲の移動体と通信を行い、お互いの位置を把握しておくことで、接近する前に回避動作を開始することができる。また、周囲の移動体の速度も事前に分かれば、同じ道を走行する場合に移動速度の速いものを先に通行させるために交差点で待機するなど、通行する順番を決定することでより効率のよい移動を行うことができる。

6.2.2 地図情報とのマッチング

本研究では、搭乗者が方向を指定して移動を行っているが、入口より出口が狭まっており、AT の大きさでは移動中に通れなくなってしまうような通路でも、入口に走行可能な幅があれば移動するため、途中で移動ができず停止してしまう可能性がある。つまり、障害物を回避する方向は現在取得したレーザレンジセンサの情報を元に決定しているため、障害物や壁の奥の形状など、センサで取得できない場所の状態を把握することができない。

今後は、地図情報を利用して、あらかじめ周囲の狭空間の形状を把握しておくことにより、行き止まりなど通り抜けができない場所は回避して走行することができると考えられる。

第2 章2.5.1 節で説明した自動走行で行われているように、RFID タグを用いて現在位置を推定し、レーザレンジセンサで取得した距離情報と地図情報をマッチングすることにより、センサで取得できない場所の状態も調べることができる。その情報を利用することで、障害物の回避を行った先が袋小路であった場合は、回避を行う方向を調節して、指定方向へ少しでも遠くまで進める方向を選択することが可能となる。また、搭乗者が地図情報を見ながら走行することにより、現在位置から見えない場所も把握することができるため、搭乗者が行きたい方向を適切に指示することができると考えられる。

6.2.3 搭乗者の運転スキルに合わせた調節方法の変更

現在は、搭乗者の運転スキルなどに関係なく一律に速度調節や移動方向調節を行っているため、搭乗者の予想以上に速度が低下してしまう場合や、搭乗者の意図しない方向へ回避をしてしまう場合など、搭乗者が快適に走行することができない場合が存在する。

そこで、搭乗者の運転スキルに応じて、速度や移動方向の調節を行う幅を変更することによって、搭乗者がより快適に移動を行うことができると考えられる。搭乗者の運転スキルが低い場合は、空間の幅などの目測を誤りやすい。そのため、安全性を重視して補助走行モードが方向と速度を比較的大幅に調節しながら走行することにより、搭乗者が安心して走行することができる。運転スキルが高い場合は、搭乗者の操縦だけで走行しても障害物と衝突する可能性が比較的高くないと思われる。そのため、快適性を重視して、補助走行モードが方向や速度をあまり調節することなく走行させることが可能であると考えられる。

また、搭乗者の運転スキルに関わらず、初めて走行する道は比較的衝突する可能性が高いため、運転スキルの高い搭乗者においても、安全性を重視して走行する必要がある。そこで、同じ道を走行した回数に応じて補助走行モードが調節する幅を変更することも考えられる。

6.2.4 障害物の形状の認識

本研究で用いたAT では、センサを地面と平行に走査できるように設置しているため、床面から一定の高さの平面上しか障害物までの距離情報を取得することができない。そのため、センサの高さに届かない小さい障害物や、高さによって形状が異なる障害物については、センサ情報から認識することはできず、測定した障害物との距離をもとに移動を行うと衝突してしまう可能性がある。

そこで、1 平面ではなく、複数の平面の障害物を認識する必要があると考えられる。例えば、レーザレンジセンサを縦に複数個配置することで、障害物との距離を計測する平面の数を増やすことができるため、より適切な方向を選択することができると考えられる。

また、地図データベースに障害物の具体的な形状を記録し、その情報を利用することによって、レーザレンジセンサで取得した障害物の情報だけでは認識できない情報を利用することができ、より安全に回避を行うことができると考えられる。

6.2.5 駐機モードの改良

第3 章3.4 節で述べたように、本研究では、駐機モードの4 つのプロセスのうち駐機プロセスのみを実装した。

今回実現した駐機プロセスでは、駐機モードを起動した場所から移動した距離を考慮していないため、搭乗者が誤って障害物が存在しない方向を指定してしまった場合や駐機できると想定して指定した場所が駐機できず回避してしまった場合などは、隅や袋小路を発見するまで動き続ける。駐機モードを起動する前には搭乗者はある程度駐機する場所付近まで近づいていると考えられるため、起動した場所からかなり遠い位置に駐機するとは考えにくい。このため、起動した場所からある閾値以上に離れる場合は、駐機プロセスを中断し、駐機可能な場所が存在しないと判断して駐機モードが起動された位置に戻る必要があると考えられる。

また、駐機モードでは、搭乗者や他の人が駐機プロセスの終了後にATを操作することを想定しているため、今後は他のプロセスについても実装し、駐機モードの有用性を検証する必要がある。

一時退避プロセスでは、起動する人がどのくらいの広さが必要で、どのくらい長い時間場所を空けておく必要があるかも同時に把握する必要がある。また、一時退避を行っている最中に、邪魔になる場所で停止しないよう、適切な停止場所を見つける必要もある。

帰還プロセスでは、駐機プロセス中の移動履歴を記録しておくだけではなく、レーザレンジセンサの値を用いて環境地図の作成や、地図とのマッチングを行うことで、元の位置に確実に戻ることができると考えられる。また、帰還プロセスを呼び出す端末に測位機能がついている場合は、その機能を利用して搭乗者が待機している位置を把握し、そこを目的地として自動走行を行うことで任意の場所でAT を呼び出すことができるようになると考えられる。

また、他のATが過去にどこに駐機したかという情報を蓄積することで、搭乗者が駐機モードを起動する際に、それまでにATが駐機した場所や、その場所で一時退避を行った情報などを提示し、その情報を参考にして駐機させる方向を指定することで、より人の邪魔になりにくい場所を搭乗者が選択することができると考えられる。