JP2005046340A

JP2005046340A - 遠隔操縦装置

Info

Publication number: JP2005046340A
Application number: JP2003281536A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Yoshikawa; 英之吉川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】一個の受光素子で飛来方向、操縦信号を検出し、遠隔操縦させる。
【解決手段】操縦器からは、準連続的な光信号を発信する。準連続的な信号には時間がｔｋで完結する操縦信号を包含させる。走行物体上には受光素子に飛来する光信号を機械的に回転するように構成し、一周期の内で時間ｔｍの間光信号を受光する。ｔｍ＞ｔｋになるような回転速度で回す。受信した信号から操縦信号を解読、受光した信号の始まりまたは終わりのタイミングと機械的回転のタイミングの関係から飛来方向θを求める。操縦信号とθに基づいて遠隔操縦をさせる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光線などを伝播手段に使って、操縦器から見た被操縦物体の向きを検出して遠隔操縦する装置に関する。例としてフィードバック技術と組み合わせて走行物体を易しく遠隔操縦する装置に応用する。
また、本発明は、物体の回転に関するフィードバック制御以外にも使用可能で、逆に飛来方向検出器を固定すると操縦器または操縦者の手などの方向を検知するので、これをビデオ画像に反映させてビデオゲームに応用することもできる。

従来、ラジコン操縦による模型自動車などの操縦は、模型自動車の向きと操縦者の向きが一致してないため、熟練していない人にとって大変難しかった。

この操縦を簡単にするためにＰＣＴ／ＪＰ０１／０４７４９では、操縦器からの無線信号の来る方向θを検出し、その信号と操縦器のジョイスティックから入力された目標方向αとを演算して向き変更手段を駆動することで、ジョイスティックを倒した方向に走行物体は走行するという操縦の易しいシステムを提案している。
ＰＣＴ／ＪＰ０１／０４７４９

以前に提案したシステムの例では無線信号の飛来方向の検出用に方向を変えて設置した複数の受光素子を使用しているため、平面的なＩＣにすることが難しく、電気回路が複雑になる欠点があった。

本発明は開口部のついた回転遮光部材で受光素子を囲い、開口部から入る周期的な光信号と回転周期の関係から光線の飛来方向を算出し開口部から入るデータ信号を受信し、それら二者を演算して向き変更手段を駆動するようにした。

本発明の走行物体は、受光素子が一個で済むため、受光信号の増幅、検波などアナログ関係の処理を含め一個の平面的なＩＣで作ることが容易であり、従来のものに比べて電気回路はきわめて簡単になる。
また、従来の方法では、飛来方向の算出がアナログ的な信号レベルを検出演算していたので信号処理が複雑であったが、本発明の場合、信号タイミングから直接角度信号を求めることができるので、ＡＤ変換器も不要であり、かつ、処理能力のより低いＣＰＵを使うことも可能である。

また、従来の４個の受光素子を使う場合に比べて、回転中の最大感度の方向でデータを受信することが可能であり、Ｓ／Ｎ比を改善できる。

受光素子は一個で済むため、増幅器などと一体でＩＣ化されたものを使用するのが最良である。

図１は、１実施例の全体動作を示す図である。
操縦器１内にはジョイスティック３があり、これをｙ１を基準として左回りを正としてαの方向に倒すと、この情報αは、変調され、発光ダイオード４を通って赤外線となって、走行物体２の飛来方向検出器５に到達する。

ここで、赤外線の飛来方向θが図１のように走行物体２の後方を基準に右回りを正にして読み取ったとすれば、θは、操縦器１から見た走行物体の向きβと等しくなり、したがって、赤外線の受信データから目標方向αを解読し、（α−θ）＊定数で走行物体２が回転するように左右のモータを駆動すれば、α＝θになるように制御させることができる。

すなわち、ジョイスティック３を倒した方向に向いて走行物体２は走行することになる。
この実施例での赤外線波形を図３に示す。信号は搬送波を一定巾のパルスで変調した(a)のような波形が基本となり、パルスの位置を順次変えて行くいわゆるＰＰＭ変調波として操縦器からのデータを赤外線にのせる。
大きく見ると、(b)のように連続したパルス波が並んでいるように見える。データとしては、一定間隔tkで同じ種別パターンの操縦データが繰り返し続いている。
ただし、どこで切れるかわからない信号列であるため、データの区切りには、識別可能な同期符号を挿入している。

走行物体２には、飛来方向検出器５があり、ここで、赤外線を受光し、データを受信すると同時に赤外線がやってくる方向を検出する。
この飛来方向検出器５は、図２(a)上面図、（ｂ）側面断面図で示す。図のようにシャーシ１４の上に、ＩＣ化された赤外線受信器１６が上方向に光を入力する集光レンズ１８がくるように設置されている。この内部は受光素子とその出力を増幅、検波、波形成形する回路がＩＣ化されて１７のように実装されている。

赤外線受信器１６の上部には回転遮光部材２１があり、回転遮光部材２１には、中央に導光部２３があり、内部は、斜めに設置された鏡２２そしてその側面には、開口部９がある。
回転遮光部材２１の外郭は平歯車１０を構成してあり、その平歯車はフランジ１５のついた２個の遊び歯車１１とモータ１９の軸に圧入されたフランジ付き歯車２０の３点で支えられていて、モータ１９が回ると、回転遮光部材２１全体が回転することになる。

また、回転遮光部材２１には、金属片１２が貼り付けられていて、その金属片１２と接触できる位置に２個のブラシ電極１３がシャーシー１４に取りつけられている。そのため、回転遮光部材２１が１回転するたびにブラシ電極１３は金属片１２と接触して、両ブラシ電極間にパルス波形を生成する。

また、図２（ｂ）のように、回転遮蔽部材２１が回転しているとき、操縦器１からの赤外線信号を横方向から受けると、開口部９が操縦器１の方向に向いているときには、赤外線は開口部９から入って鏡２２で反射し、集光レンズ１８を通ってＩＣチップ１７上の受光素子にあたる。また、開口部２２が操縦器１の方向を向いていないときは、赤外線は、受光素子にはほとんど入らない。図３は導光部２３が回転したときに、見え方が変わって行く様子を示す。上側が上面図、下側が正面図であり、（a),(b),(c)と回転していく。

(a)は開口部９が正面を向いている場合で、鏡２２に受光素子のレンズ１８が映っている。時間が少し進むと(b)の状態になり、光信号は消え始める。そして(c)になると、鏡からレンズ１８の像は消え、光信号は無くなる。これらの図から、開口部９の縦の切り口２４が、回転軸に垂直であれば、赤外線が斜め上から来る場合も水平から来る場合も同じタイミングで光信号が出たり消えたりし、１回転に１回、一定長の光信号が発生することがわかる。

図４は、この信号波形である。(a)のように一定長の搬送波を組み合わせて操縦器１からの赤外線信号(b)が作られる。信号波形(b)は、周期ｔｋで繰り返す操縦信号パタンおよび同期パタンである。走行物体の回転する開口部は、回転にともない、(c)のようにｔｍの期間赤外線を通す。ただしｔｍ＞ｔｋである。

受光素子に入る赤外線は、(d)のようになる。周囲の壁などの反射もあって無効信号もあるが、これらはレベルで識別可能である。ここではＡＧＣ付きの増幅器を使っているので最大の信号に対して最適の利得が得られ、検波して波形成形することにより最大信号の抽出がおこなわれる。
最大信号の期間を検出したのが(e)であり、この立ち上がりまたは立下り、もしくはこれらの平均のタイミングで飛来方向を得ることになる。平均のタイミングの方が信号レベルによる誤差を相殺できるので精度は向上する可能性はある。

回転遮光部材２１の一回転毎のタイミングは、ブラシ電極１３から得られるが、これを図３(f)に示す。(f)と(e)の差から得られる時間ｔｂに一定数を加えると赤外線の飛来タイミングとなり、数式で表わすと、
θ＝（tb/ta)*360°＋ｃ
となる。ただしｃは定数とする。

受信信号(d)で、開口部の通過時間長さｔｍは、信号長ｔｋよりも長く設定されているので、ｔｍ時間の受信信号から同期パタンを見つけることにより操縦器１が送った信号を復調することができる。
そこで目標向きαを得ると、前に得られた飛来方向θとで次の演算をして向き変更手段を駆動することによりジョイスティックを倒した方向に走行物体２は走行させることができる。ただしｂは定数とする。
ｆ＝ｂ＊（α−θ）

図５はこのシステムのブロック図である。１は操縦器であり、この中で走行をコントロールするジョイスティック３があり、搬送波発信器１０１からの信号は、１００でPPM変調されて発光ダイオード４を通って赤外線になり、走行物体２に到来する。

走行物体２の中では、モータ１９によって回された開口部９はサイクリックに受光素子１６に赤外光を送りこみ、発生した信号は帯域フィルタ１０３で搬送波周波数を選別され、可変利得増幅器１０４で増幅され、検波回路１０５で検波される。検波出力は積分回路１０６を通って、可変利得増幅器にフィードバックされて、最大信号がクリップされない適度な増幅率に制御される。

検波出力は解読器１０７で解読されて速度情報は走行手段１１０に、方向情報αは演算器に入る。検波出力は別の経路でブロック端検出器１０８に入り、開口部９での赤外線の切断タイミングを検出する。
開口部９の１回点ごとのタイミング信号は開口部回転検出器１１２として動作し位相差検出器１０９でブロック端検出器からの出力と比較され赤外線の飛来方向θを得、α−θの演算をして、向き変更手段１１１を駆動する。

またモータ１９は、開口部回転検出器１１２、回転速度検出器１１３を通るループで一定速度で回転するように制御される。

図６は鏡使わず、受光素子を回転軸に垂直に立てて回転させる例である。この場合、素子自体を回転させるため、回転側と静止側をつなぐためにスリップリングとブラシを使っている。
図６(a)は主用部の正面断面図であり、(b)は受光部付近の正面図、(c)は受光部付近の上面図である。
歯車１０は、シャーシに固定された軸３４に、回動自在に取りつけられ、モータ１９によってピニオンギア２０を介して回転させられる。

回転遮光部材３２は、歯車１０の上方に取りつけられ、受光素子は図６のように回転遮光部材３２の内部に取りつけられている。受光素子１６は、余分な光が入らないようにレンズ１８以外は遮光膜３３でカバーされている。受光素子１６の前方に開口部９があり、その両端は回転軸３４に平行な側壁２４がある。この側壁２４によって受光の間隔が赤外線の飛来する仰角に関係なく、安定な信号を得ることができる。

スリップリングは図７に示す。プリント基板３０上に３本のリング３１ａ、３１ｂ、３１ｃが形成されている。内部の突起型の部分３１ｄは一回転に一回のパルスを出力するためのものである。

図８は図２から鏡を取り去った例である。感度は下がるが、同様の動作を行うことができる。この場合特に、レンズ以外の受光部は完全に遮蔽する。またレンズによる像が直接受光素子にあたるので、受光素子17aの端に焦点が結ぶようにして受光信号の立ち上がり立ち下がりをよくする。
また仰角に影響がないように受光素子17aは長方形または正方形とする。

図９は、図２の斜めの鏡を省略した例である。受光素子１６はある程度全方向に感度があるため、このように開口部だけの選択性でも動作可能である。ただし鏡を使用したほうがとくに水平方向にははるかに感度が高い。

図１０は走行物体をペットロボットとしたときの遊具として、操縦器１を棒型にした例である。操縦器１の本体を柄の中に組み込み、柄にリード線の入った棒を取りつけ、棒の先端に発光ダイオードを取りつける。
こうすることにより、ペットロボット２ｐは操縦棒の先端との位置関係により動くことになり、動物の生態に近づくことができる。

操縦棒の柄の部分に、ジョイスティックに相当するダイアル４２をつけて目標方向αを設定できるようにしてあれば、α＝１８０°に設定すれば、ペットロボット２ｐは操縦棒の先端に近づくように動き、棒の先端を遠ざければ追いかけてくるし、左右に振ればペットロボット２ｐも左右に体を振ることになる。これは、いわゆる猫じゃらしのように見える。

次にα＝０°にすれば、ペットロボットは逆に遠ざかる方向に動く。これは動物をむちで追い払うようなもので、これを使って羊を宿舎に追い込むような玩具にすることができる。

図１１はペットロボットと物体４３との関係を示す図である。物体４３が操縦器と同様に、属性をデータとして内部の発光素子４から赤外線を発するとすれば、ペットロボットは、その属性によって態度を変えることになる。もしペットロボットが実施例４と同じものとすれば、物体４３がα＝０の場合ペットロボットは近づいてくるので好きという属性になる。逆にα＝１８０°ならば遠ざかろうとするので嫌いという属性になる。

ペットロボット側では、αを受信してα＝θになる方向走行するのであるから、ペットロボット側で受信した属性αをα＋１８０°と変えることにより、ペット側のプログラムで、好き嫌いを逆転させることも可能である。
このことで物体に属性を与え、ペットロボットに感情の変化を示させることができる。
たとえば、最初は、ボール遊びが好きだったペットロボットが長時間やるとあきて嫌いになり。ボールが近づくと逃げ出す。

図１の操縦器１によって走行物体２が操縦されるているとし、走行物体２に図２のような回転遮蔽部材２１が回転しているとすれば、走行物体２の停止状態が続くときには、節電のために自動的にモータの電源を切ることが望まれる。

しかし、再び走行を開始するには、走行物体２の電源を入れなおす作業が必要になり、不具合である。これを解決するために回転遮蔽部材２１の開口部９が操縦者の方向を向いた状態でモータが止まり、操縦器１から新たに、有効信号を受けるとモータが再度回り出すように構成している。

フローチャートを図１２に示す。常時５０の有効データを受信したかどうか監視し受信したら受信シーケンス５７へ行く。設定時間以内に有効データを受信しない場合は、５２以下のモータを止めるシーケンスに移る。

まず、５２の最後の飛来方向検出値を記憶しθｂとする。５３：角度θｂを時間に換算する。開口部９の回転速度をω０とすると、ｔｈ＝θｂ/ω０。５４：開口部９が基準方向を通過するのを待つ。５５：そのあとｔｈ−ｔｓ経過するのを待つ（ただし、ｔｓはブレーキをかけてモータが止まるまでの時間）。５６：そしてモータにブレーキをかけてとめる。このようにすることで開口部９は操縦者の方向をむいて止まる。

開口部９は操縦者の方向を向いているので、操縦者がなんらかの操作をして操縦器１から有効な信号が出始めると、５８：有効データを受信？を通って、５９：モータスタートとなり、正常な状態に戻る。

図１３は３個の飛来方向検出器を使ってテレビゲームに応用した例である。６１，６２は水平方向、６３は垂直方向の角度κμφを読み取り３次元の位置を求める。これを複数の赤外線発光素子を手、足などに付け、格闘ゲームなどに使う。また、野球のバットやテニスのラケットなど道具に複数の赤外線発光素子をつけて三次元位置を読めば振った様子が把握できるのでこれを、ビデオゲームに使うことができる。

模型自動車を始め、各種ロボット類に対し、操縦の易しい遠隔操縦装置が、簡単な構成で作ることが出来る。走行を伴わないものにも、利用可能で、操縦者がどこにいても、操縦者が倒した操縦レバーの方向にロボットアームが動くとか、カメラの遠隔操作も、レバーを倒した方向にカメラが向くなど色々な応用がある。
逆に飛来方向検知器を固定すると、操縦器側の位置の方向を検出することが出来るので、ビデオゲームや、コンピュ−タのマウスのように位置をインプットする使い方もある。２個使うと平面位置を３個使うと３D位置をインプットすることができる。

１実施例の全体動作を説明する図である。回転鏡を使用した例である。（実施例１）回転する鏡の回転角に対する図である。（実施例１）電気波形の説明図である。（実施例１）ブロック図（実施例１）受光素子自体を回転させた図（実施例２）スリップリングのパタン図（実施例２）受光素子自体を回転させた図（実施例３）実施例１の鏡を省略した図（実施例４）操縦器を棒状にした図（実施例５）ペットロボットの応用図（実施例６）回転遮光部材の回転制御例のフローチャート図（実施例７）テレビゲームに応用した図（実施例８）

符号の説明

１操縦器
２走行物体
３ジョイスティック
４発光素子
５飛来方向検出器
６左車輪
７右車輪
８滑り部材
９開口部
１０平歯車
１１歯車
１２金属片
１３ブラシ
１３ａブラシ
１３ｂブラシ
１３ｃブラシ
１３ｄブラシ
１４シャーシ
１５フランジ
１６赤外線受信器
１７受光素子
１８レンズ
１９モータ
２０ピニオンギア
２１回転遮光部材
２２鏡
２３導光部
２４側壁
２５モータ
３０スリップリング基板
３１ａスリップリング
３１ｂスリップリング
３１ｃスリップリング
３１ｄ突起部
３２遮光壁
３３遮光膜
４０柄
４１棒
４２ダイアル
４３物体
６０テレビ
６１水平飛来方向検出器
６２垂直飛来方向検出器
６３水平飛来方向検出器
６４赤外線発光素子

Claims

受光素子と、前記受光素子を覆い回転する回転遮光部材と、前記回転遮光部材の側面に設けられた光線透過窓と、前記回転遮光部材の回転位相検出手段と、前記受光素子から得られた信号を増幅し、この信号から大きな信号を識別して周期信号を検出し、前記回転位相検出手段から得られた回転位相と前記周期信号の差から得られる光線飛来方向θと、前記識別された信号を解読して情報を得、前記解読した情報とθを使って操縦されることを特徴とする遠隔操縦装置。
ｔｋ時間長の操縦信号を繰り返す操縦光線によって操縦される遠隔操縦装置であって、入射光を回転走査をし、任意方向から光信号に対して、ｔｍ時間長の間ｔｍ＞ｔｋになるように光信号を受光素子に受光させ、受信した信号から操縦信号を解読、受光した信号の始まりまたは終わりのタイミングを検出し、前記タイミングと前記回転走査のタイミングの関係から飛来方向θを求め、前記操縦信号とθを使って操縦されることを特徴とした遠隔操縦装置。
ｔｋ時間長の操縦信号を繰り返す操縦光線によって操縦される走行物体であって、任意の方向からの光信号に対して、ｔｍ＞ｔｋであるｔｍの間受光素子に受光するように、光信号を回転走査をし、受光した信号から操縦信号を解読、受光した信号の始まりまたは終わりのタイミングを検出し、前記タイミングと前記回転走査のタイミングの関係から飛来方向θを求め、前記解読した情報とθを使って向き変更手段を駆動することを特徴とする走行物体。
光信号を発する発光素子を棒の先端に取り付けた操縦器と、前記光信号を飛来方向検出器で飛来方向θを検出し、前記飛来方向θに基づいて向き変更手段を駆動することを特徴とするペットロボットシステム。
一定時間、有効信号を検出出来なかった場合、飛来方向検出用モータを停止させる遠隔操縦装置において、有効信号を受信していたときに検出した飛来方向θを記憶し、前記飛来方向θを時間に換算してモータを停止させるタイミングを求め、前記有効信号を受信していたときの飛来方向を向いて、開口部の回転を停止させることを特徴とする遠隔操縦装置。