自動運転とはどのような仕組み？知っておくべき基本知識を徹底解説

2020/12/16

テクノロジー

ハンドルから手を離しても、ブレずにまっすぐ走行し、危険を察知すれば、自動的に減速してくれる。そんな自動運転が実現されていますが、いったいどういう仕組みで実現しているのでしょうか？　知っておくべき自動運転の基礎知識を解説します。

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2020年11月11日にホンダが世界初となる自動運転レベル3の型式指定を取得し、2020年度内に自動運転システムを搭載したレジェンドの発売を予定しているというニュースが報じられましたが、自動運転レベル3とはどういうことなのでしょうか？　レベルが何段階あり、レベル３がすごいのかどうか、いまいちピンとこない人もいるかもしれません。そこで自動運転の仕組みやレベル分けなど、自動運転を理解する上で知っておきたい基礎知識を解説します。

まずは自動運転の定義を知っておこう

現在、自動運転を語る上で欠かせない言葉として「自動運転レベル」があります。ドライバーと車が担う運転動作の比率や、テクノロジーの到達度、走行可能エリアの限定度合いなどから、自動運転を定義づけたものですが、レベル0からレベル5までの6段階に分類されています。レベル0が自動運転なし、レベル１が運転支援、レベル２が部分的自動運転、レベル３が条件付き自動運転、レベル４が高度な自動運転、そしてレベル５が完全自動運転と、それぞれのレベルを表現することができますが、レベル0〜2とレベル3以上では内容が大きく変化します。

レベル0〜2では運転の主体が人間で、自動運転の技術はあくまで運転の補助や支援にとどまります。しかし、レベル3になると運転の主体がシステム側に変わり、ここからレベル5までが本来の意味での「自動運転」ということになります。レベル3以上の自動運転車を公道で走らせる場合には、法律の改正やインフラの整備などが必要になる点も覚えておきましょう。

自動化技術ごとにレベルが分類されている

自動運転レベルは、ドライバーと車が担う運転動作の比率や、テクノロジーの到達度、走行可能エリアの限定度合いなどから、自動車の自動化レベルを示していますが、日本ではかつて米運輸省道路交通安全局（NHTSA）の定義を用いるケースが多く見られました。しかし現在はSAE（Society of Automotive Engineers）が公表している6段階の自動運転レベルを採用しています。

自動運転レベルはSAEの基準を参考にしている

SAEはSociety of Automotive Engineersの略で、1905年に設立された学術団体が母体になった組織です。自動車に限らず、航空宇宙や産業車両など、幅広い輸送技術にかかわる研究者や技術者が会員になっており、あらゆる乗り物の標準化・規格の制定を行っていますが、自動運転レベルの定義も公表しています。米運輸省道路交通安全局（NHTSA）が2016年にSAEの基準を採用したことから、世界基準として定着しつつあります。

自動運転レベルのごとの特徴を知っておこう

自動運転では、SAEによる6段階の自動運転レベルが基準になっています。各レベルには定義があり、それぞれどんな状態を示しているのか理解しておくと、自動運転への理解が深まります。自動運転レベルのごとの特徴や違いを解説していきます。

自動運転レベル0

現在、路上を走っている車の多くはレベル0です。ドライバーがすべての動的な運転タスクを実行している状態を指します。従来の車にも速度超過やライトの点灯など、さまざまな予防安全システムが搭載されていますが、システムが警告を発するだけのものは、車の制御に影響を与えないため、自動運転レベルは０とみなされます。

自動運転レベル1

レベル1は、運転支援技術が搭載された車を指します。アクセルとブレーキ操作による前後の加速や減速をシステムが制御、もしくはハンドル操作による左右の制御のどちらかの監視・対応をシステムが担っており、残りの監視・対応はドライバーが行うような車です。たとえば、アダプティブ・クルーズ・コントロール（ACC）という高速道路などで使用されるような、あらかじめ設定した速度で自動的に加減速を行うことで、前を走る車に追従する技術がありますが、これはレベル1に相当します。また、緊急自動ブレーキや、車線を逸脱したことを検知するとステアリング操作をアシストする車線維持支援（LKAS）もレベル1に該当します。

自動運転レベル2

レベル２は、部分的に運転が自動化された車両で、アクセルとブレーキ操作による前後の加速や減速の制御と、ハンドル操作による左右の制御の両方をシステムが担うことになります。ただ、運転の主体はドライバーで、システムはあくまで運転を支援する役割に止まります。そのため、ドライバーは常にハンドルを握って、運転状況を監視操作することが求められます。こうした事故を未然に防いだり運転の負荷を軽減したりするための先進運転支援システムは「ADAS（Advanced driver-assistance systems）」と呼ばれており、ADASの機能が向上して、障害物を100％検知し、100％正しい判断を下し、100％正確な制御を行うレベルに達すれば、完全なる自動運転技術が確立したことになると言われています。

自動運転レベル3

レベル３は条件付き運転自動化を意味し、運転の主体がドライバーからシステム側に変わる点で、レベル0〜2と大きく異なります。厳密にいえば、このレベル3からが自動運転です。ただ、一定の条件下ですべての運転操作をシステムが行いますが、緊急時にはドライバーが運転操作を担うことになっています。海外ではドイツのアウディが2017年に「Audi AIトラフィックジャムパイロット」というシステムを搭載した「Audi A8」を発売しています。同システムは高速道路や中央分離帯のある片道2車線以上の道路で、時速60キロメートル以下の低速で車がスムーズに流れているときにドライバーに代わってシステムがすべての運転操作を引き受けることができるというもので、レベル３に相当しますが、各国の法整備がレベル3に追いついていなかったため、レベル2に相当するADASを実装して販売されています。

また、国内ではホンダが2020年11月11日に新しく開発した自動運転システムのTraffic Jam Pilotが、自動運転レベル3の型式指定を国土交通省から取得したと発表しています。ホンダはこのシステムを搭載したレジェンドを2020年度中に発売する予定で、日本で近いうちに本格的な自動運転車が走行する見込みになっています。なお、Traffic Jam Pilotは高速道路上の渋滞時のみ自動運転を行えることになっていますが、自車線と対向車線が中央分離帯などで分離されていない区間や急カーブ、サービスエリア・パーキングエリア、そして料金所などでは使用できません。また、速度の制限もあり、時速30キロまでならレベル3での自動走行が可能で、時速50キロを超えると自動運転は終了する仕組みになっているなど、現実的にどこまで自動運転で走行できるかは、未知数となっています。

自動運転レベル4

レベル3では緊急時にはドライバーが運転操作を行うため、ドライバーはすぐにハンドルを握れる体勢を取ったり、安全に走行できているか、道路の状況や周囲の車などに注意を払っておく必要がありますが、レベル4になると「限定領域内」という言葉がつきますが、すべての操作はシステムが行います。限定領域内とは“高速道路内”や“平均時速50キロメートルの都市環境”など、自動運転が走行できるエリアを限定することを意味しており、あらかじめルートが決まっている路線バスや、空港内など特定の地域内を走行する送迎用のバス、広大なテーマパークなど商業施設内の交通手段となる小型タクシーといった移動サービスとの相性が良く、開発が進められています。なお自動運転レベル4は「高度な自動運転」と呼ばれています。

自動運転レベル5

自動運転レベル5は完全な自動運転を指し、走行エリアの限定がなく、いまの車と変わらず、どこを走行しても問題ありません。運転はすべてシステムが担当するため、ドライバーが不要になるだけではなく、ハンドルやアクセル、ブレーキなど運転席を設置する必要がなく、車内の空間デザインの自由度が格段に増すと言われています。

自動運転に必要な3つの仕組みとは？

自動運転はシステムによって車の挙動を制御し、走行しますが、人間の運転と同じように「認知」「判断」「操作」の３点を連動させながら、正確に繰り返すことが鍵になると言われています。また自動運転のシステムでは、周囲の車や人などを感知するためのセンサー、センサーで収集した情報を処理する制御ユニット、そして制御ユニットからの指示で車を動かすためのハードウェアが必要となります。

各種センサーでの認知

車を運転する人ならわかると思いますが、走行中には多くの情報を認知する必要があります。前を走る車はもちろんのこと、周囲に人や障害物はいないか、あるいは標識や信号も見る必要があります。また、自分の車の位置に関する情報も把握しなければいけません。車線をはみ出していないのか？　交差点では一時停止をしたり、歩行者に気を付ける必要もあります。さらに自分の車のスピードなど挙動も知る必要があります。それを把握することで適切な判断をすることができます。こうしたさまざまな情報を得るために、自動運転車には複数のカメラやセンサーのほかGPS、マップデータといった位置情報を得る装置も取り付けられています。

AIやディープラーニングといった人工知能の判断

センサーやカメラによるリアルタイムの情報を処理し、アクセルやブレーキ、ハンドルを操作する必要があります。そこで判断に利用されているのが、人工知能やアルゴリズムです。どんな状況で、どう行動するのが適切なのか、多くの実証実験によって正解を積み重ねることも重要で、学習しながらミスのない挙動を人工知能は目指します。

自動運転システムによる操作

操作に関しては、車体の電動化が進んでいるため、AIからの指令に応じて、各機器に電信号を送って、操作を行います。またさまざまな情報を処理するために、自動運転用の制御ソフトウェアも搭載されています。

自動運転を導入するメリット

衝突被害軽減ブレーキや、車線逸脱防止支援システム、あるいはアダプティブ・クルーズ・コントロールなど、自動車には先進運転支援システムが搭載され、年々、安全性が高まっています。そんななか人からシステムへと運転の主体を変える自動運転の研究に着手する自動車メーカーも増えています。どうして人々は自動運転の普及を求めるのでしょうか？

渋滞問題が解消する

自動運転によって効率的な運転ができるようになれば、渋滞問題を解消することにつながると言われています。とくに都市部の交通渋滞は深刻化しています。アメリカのミシガン大学によると、自動運転による車両が一台走行するだけで、渋滞が緩和すると言います。先行する車が減速すると後続車がそれを見てブレーキを踏みますが、それが連鎖することで渋滞が発生します。このとき車間距離が短く、より強くブレーキを踏む車がいると、通常よりも早く渋滞が発生するそうです。自動運転車は常に適切な車間距離を取りながら走行しているため、減速のタイミングやブレーキの掛け具合も、迅速で最低限になると考えられています。そのため、自動運転が普及すれば、渋滞が解消されることになります。

環境汚染の抑制につながる

交通渋滞が深刻化すれば、排出される二酸化炭素や排気ガスが増え、環境汚染が深刻化することにつながります。自動運転の普及による渋滞の解消は、環境汚染を抑制することにもなるわけです。

交通事故を防ぎやすくなる

交通事故は年間47万2165件発生し、約58万人（ともに2017年）が負傷しています。減少傾向にあるとはいえ、まだ非常に多くの交通事故が発生していることになります。また、交通事故が起きる原因として、安全不確認や脇見運転、動静不注視が上位で、大半がドライバーの不注意・判断ミスによるものです。ミスをしがちな人間からシステムへと運転を担う主体が自動運転の普及によって交代することで、交通事故の件数を大幅に削減すると、期待されているわけです。

移動の負担が少なくなる

少子高齢化による生産労働人口の減少や給料の安さなどが原因で流通を支える、長距離トラックのドライバーが慢性的に不足していると言われています。長時間運転をする必要があり、ドライバーの運転負担の増加が問題視されています。トラックにも自動運転が搭載されることによって、無人で荷物を輸送することも可能になります。

移動中の過ごし方が快適になる

完全なる自動運転となるレベル5になると、運転席も不要で、ハンドルやブレーキ、アクセルなど操作に必要な設備も手の届くところになくても構いません。すべてシステムで動くため、室内空間も広く取られることになります。現在はドライバーはとくに運転に集中する必要がありますが、テレビを見たり、会議をしたり、移動中の過ごし方がまったく変わり、快適になります。

運転できない人の移動手段になる

日本では東京への一極集中が加速しており、地方の過疎化が問題視されています。人口が減ることで地方交通の収支が悪化しており、路線の廃止や事業からの撤退を決断する事業者も珍しくありません。公共交通がなくなれば、自家用車での移動にますます頼らなければ生活できなくなってしまいます。高齢者にとって運転は大きな負担で自動運転に期待する声があります。