JP2017228917A

JP2017228917A - ロボット監視制御システム

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Publication number: JP2017228917A
Application number: JP2016123430A
Authority: JP
Inventors: 敏規加川; Toshiki Kagawa; 滝沢　賢一; Kenichi Takizawa; 賢一滝沢; 文枝小野; Fumie Ono; 三浦　龍; Ryu Miura; 龍三浦
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2017-12-28
Anticipated expiration: 2036-06-22
Also published as: JP6852864B2

Abstract

【課題】ロボット装置の移動により電波の伝播環境が時々刻々と変化する前提の下で、事後的な通信品質の低下を防止することができ、制御情報、監視情報の送受信時間を一定時間内に収める。【解決手段】移動自在なロボット装置２の監視及び制御を無線通信を通じて行うためのロボット監視制御システム１において、ロボット装置２から検出された状態情報に基づいてこれを監視すると共に、ロボット装置２を制御するための制御情報を生成してこれを当該ロボット装置２へ送信する制御装置３と、ロボット装置２から制御装置３への状態情報の送信、並びに制御装置３からロボット装置２への制御情報の送信を、少なくとも１以上の中継装置５を介して中継する中継装置群４とを備え、一の中継装置５は、他の中継装置５と時間同期しつつ状態情報並びに制御情報の送信を中継する。【選択図】図１

Description

本発明は、ロボット装置からの状態情報を検知することでこれを監視するとともにロボット装置に対して制御信号を送信することによりこれを制御するロボット制御システムに関し、特に電波伝搬環境が厳しい状態の下でも無線通信の遅延時間を一定時間内に収める上で好適なロボット監視制御システムに関する。

近年において、各種産業や家庭においてロボット装置が普及しつつある。このロボット装置は、有線通信又は無線通信を介してその状態が監視され又は制御される。有線通信を介してロボット装置と通信し、これを監視制御する場合には、そのロボット装置の行動を大きく制限してしまうデメリットがある。

一方、無線通信を介してロボット装置と通信し、これを監視制御する場合には、ロボットの行動を制限することなく活用はできる。最も普及している無線通信方式としては、例えば７０ＭＨｚ帯等のラジオコントロール専用周波数を固定チャネルとして排他的に用いる方式や、２．４ＧＨｚ帯において、直接スペクトル拡散あるいは周波数ホッピング等により他の無線サービスと共用して用いる方式が既に実用化されている。また一般のインターネット回線に使用される無線ＬＡＮを用いる方式も実用化されている。

しかしながら、この無線通信を介してロボット装置と通信し、これを監視制御する場合には、電波の伝播環境に応じて通信の信頼性が低下する場合がある。ここでいう通信の信頼性の低下は、一般的には建物内においてロボット装置を使用する場合や、建物や地形の起伏、あるいは樹木等により電波が遮蔽される場合等、主として遮蔽物による電波の減衰により引き起こされる。特に２ＧＨｚ帯以上の電波は、このような遮蔽物による電波の減衰が大きく、電波の到達エリアが極めて小さくなる場合が多い。また、現在におけるロボット装置との無線通信方式では、空間的、周波数的な冗長性はなく、同様に遮蔽物による通信品質の低下が生じ易い。

このため、ロボット装置とこれを制御する制御装置との間で、このような遮蔽物により通信品質の低下が生じないような通信経路を予め設定しておくことが本来は望ましい。しかしながら、このロボット装置の中には、車輪等が設けられることで走行自在に構成されているものもあり、中でもロボット装置が無人航空機等に具現化される場合には、プロペラ等が設けられることで飛行自在に構成されているものもある。即ち、このロボット装置は、二次元的な平面移動及び三次元的な空間移動をすることも考慮に入れる必要がある。このため、遮蔽物による通信品質の低下が生じないようにロボット装置との通信経路を設定した場合においても、その後ロボット装置が移動し、無線通信が事後的に遮蔽物により遮蔽される結果、通信品質が低下してしまう場合もある。このような通信品質の低下が生じた場合には、通信遅延が生じるばかりではなく、その回復が困難となり、ロボット制御装置の監視制御を継続して行うことが困難になるという問題点が生じる。また無線ＬＡＮによる方式では、ロボットが複数個同時に近接して運用される場合に、複数の信号が１の周波数帯域と送信タイミングを競争により獲得し合うため、ロボット装置と制御装置間の通信遅延時間が保証されないという問題点が生じる。

即ち、ロボット装置は移動自在に構成されることを前提とするのであれば、制御装置により無線通信を通じてこれを監視および制御する際に、ロボット装置と送受信する電波の伝播環境が時々刻々と変化することが前提となる。そして、この電波が遮蔽物により事後的に遮蔽されることで通信品質が低下する可能性があることは常に考慮に入れる必要がある。このため、このようなロボット装置の移動による事後的な通信品質の低下を回避することができるような監視制御システムを構築する必要がある。

なお、特許文献１には、サーバーとクライアント間において遅延時間を防止する技術が開示されているが、ロボット装置の監視制御を目的とした技術ではなく、また中継装置を経由した経路やその切り替え機能を前提とした技術でもない。また特許文献２には、アドホックネットワークを構成している群集ロボット間のメッセージの伝送のため通信経路を探索する技術が開示されている。しかしながら、この特許文献２の開示技術についても、ロボット装置の監視制御を目的としない多段のデータ転送システムとなり、遅延時間を保証する手段を備えておらず、上述したような制御装置により一のロボット装置の監視制御を行う状況とは異なるものである。

特開２０１３−５８８８２号公報特開２０１３−１２６２５２号公報

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、ロボット装置からの状態情報を検知することでこれを監視するとともにロボット装置に対して制御信号を送信することによりこれを制御するロボット制御システムに関し、ロボット装置の移動により電波の伝播環境が時々刻々と変化する前提の下で、事後的な通信品質の低下を防止することができ、制御情報、監視情報の送受信時間を一定時間内に収めることが可能なロボット監視制御システムを提供することにある。

第１発明に係るロボット監視制御システムは、移動自在なロボット装置の監視及び制御を無線通信を通じて行うためのロボット監視制御システムにおいて、上記ロボット装置から検出された状態情報に基づいてこれを監視すると共に、上記ロボット装置を制御するための制御情報を生成してこれを当該ロボット装置へ送信する制御装置と、上記ロボット装置から上記制御装置への上記状態情報の送信、並びに上記制御装置から上記ロボット装置への上記制御情報の送信を、少なくとも１以上の中継装置を介して中継する中継装置群とを備え、一の中継装置は、他の中継装置と時間同期しつつ上記状態情報並びに上記制御情報の送信を中継することを特徴とする。

第２発明に係るロボット監視制御システムは、第１発明において、上記中継装置群は、上記制御装置から上記ロボット装置間の上記中継装置を介した一の通信経路における通信品質を計測する計測手段と、上記計測手段による計測結果に応じて上記一の通信経路から他の通信経路へ切り替える経路切替手段とを有することを特徴とする。

第３発明に係るロボット監視制御システムは、第２発明において、上記経路切替手段は、上記切り替え時において、通信経路の距離、電界強度、ビットエラーレート、パケットエラーレート、通信経路上に位置する中継装置の数、通信経路の遅延時間の何れか１以上に基づいて、何れかの他の通信経路を選択することを特徴とする。

第４発明に係るロボット監視制御システムは、第１発明において、上記中継装置群は、上記制御装置から上記ロボット装置間の上記中継装置を介した一の通信経路における通信品質を計測する計測手段と、上記計測手段による計測結果に応じて上記一の通信経路における通信周波数を切り替える周波数切替手段とを有することを特徴とする。

第５発明に係るロボット監視制御システムは、第２又は第３発明において、上記中継装置群は、上記計測手段による計測結果に応じて上記一の通信経路における通信周波数を切り替える周波数切替手段を更に有し、上記経路切替手段による通信経路の切り替えと、上記周波数切替手段による通信周波数の切り替えとを組み合わせることを特徴とする。

第６発明に係るロボット監視制御システムは、第２〜第５発明の何れかにおいて、上記計測手段は、通信経路の距離、電界強度、ビットエラーレート、パケットエラーレート、通信経路上に位置する中継装置の数、通信経路の遅延時間の何れか１以上に基づいて上記一の通信経路における通信品質を計測することを特徴とする。

上述した構成からなる本発明によれば、遮蔽物の存在により通信品質が低下する可能性がある場合においても、新たに切り替えられた通信経路や通信周波数の下で無線通信リンクを新たに確立して、ロボット装置と制御装置との間で制御情報、状態情報の送受信を行うことができる。その結果、通信経路が遮蔽物で遮蔽されて通信品質が低下してしまうのを防止することができる。これに加えて本発明によれば、制御情報、監視情報の送受信時間を一定時間内に収めることが可能となる。特に移動自在なロボット装置が移動することで事後的に遮蔽物を介して無線通信が遮蔽される場合があるが、係るケースが発生した場合においても柔軟に対応することができ、通信品質の低下を防止できる。

本発明を適用したロボット監視制御システムの全体構成を示す図である。ロボット装置のブロック構成を示す図である。中継装置群を構成する各中継装置のブロック構成を示す図である。中継装置間で行われる制御情報の送信と、状態情報の送信を行うスーパーフレーム構成図である。ロボット装置が移動等する結果、当初の通信経路が遮蔽物により遮蔽されてしまう例について説明するための図である。通信品質の判断を行うためのフローチャートである。複数からなる他の通信経路の候補の中から１つの通信経路を選択する例を示す図である。本発明を適用したロボット監視制御システムの作用効果について説明するための図である。

以下、本発明を適用したロボット監視制御システムを実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明をする。

図１は、本発明を適用したロボット監視制御システム１の全体構成を示している。このロボット監視制御システム１は、ロボット装置２から検出された状態情報に基づいてこれを監視すると共に、ロボット装置２を制御するための制御情報を生成してこれを当該ロボット装置２へ送信する制御装置３と、ロボット装置２から制御装置３への状態情報の送信、並びに制御装置３からロボット装置２への制御情報の送信を中継する１以上の中継装置５からなる中継装置群４とを備えている。

ロボット装置２は、産業用ロボットのみならず、家庭用ロボットを始め、人の変わりに何らかの自律的な作業を行ういかなる装置も含まれるものである。このロボット装置２は、産業用ロボットは、組立や加工、搬送、清掃、人命救助、警備、医療、介護、撮影、観測等、あらゆる産業上の用途において使用されるロボットを含む概念である。家庭用ロボットは、室内清掃、家事代行、介護、ペット用等あらゆる家庭での用途に使用されるロボットである。

図２は、ロボット装置２のブロック構成を示している。ロボット装置２は、制御部２１と、制御部２１にそれぞれ接続された移動部２２、通信部２３、状態検出部２４とを備えている。特にこのロボット装置２は少なくとも移動自在に構成されている必要がある。このためロボット装置２において、移動部２２を必須の構成要件として備えている。

制御部２１は、このロボット装置２全体を制御するための中央制御ユニットとしての役割を担うものである。この制御部２１は、ロボット装置２が所期の動作を行う上で必要なあらゆる制御を司るものであり、予めプログラミングされたフローに基づいて動作するものであってもよいし、必要に応じて人工知能により制御されるものであってもよい。この制御部２１は、移動部２２による移動並びに状態検出部２４による状態検出も制御する。また制御部２１は、制御装置３から送信されてきた制御情報に基づいて各種動作を行うように制御を行う。制御部２１は、直近にある中継装置５ａとの間で無線通信又は有線通信を介して情報を送受信するようにしてもよい。

移動部２２は、車輪として具現化されることで走行自在に構成されていてもよいし、歩行用の足として具現化されることで歩行自在に構成されていてもよい。またロボット装置２が無人航空機等の飛行体に具現化される場合には、この移動部２２をプロペラ等で具現化することにより飛行自在に構成されていてもよい。即ち、このロボット装置２は、移動部２２を介して二次元的な平面移動、又は三次元的な空間移動をすることを前提としている。

通信部２３は、他のデバイスとの間で有線通信又は無線通信を行う上で必要な各種処理を行う。特にこの通信部２３を介して無線通信を行う場合には、電気信号を電波に変換し、或いは電波を電気信号に変換するアンテナも含まれる。この通信部２３は、中継装置群４から送信されてきた電波に重畳されてきた制御情報を電気信号に変換した上で制御部２１へ出力する。その結果、上述した制御部２１に基づくロボット装置２の制御が実現されることとなる。またこの通信部２３は、後述する状態検出部２４により生成された電気信号としての状態情報を電波に変換して中継装置群４へ送信する。なお、この通信部２３において、無線通信を行う上で必要な周波数変換やその他の各種変換処理を、このロボット装置２の直近にある中継装置５ｄを介して行うようにしてもよい。

状態検出部２４は、ロボット装置２の各種状態を検出することにより状態情報を生成し、これを制御部２１を介して通信部２３へ送信する。ここでいう状態情報とは、ロボット装置２の姿勢情報、速度情報、ＧＰＳ（Global Positioning System）を介して取得する位置情報等である。

制御装置３は、ロボット装置２を制御するためのデバイスであり、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）、携帯電話機、スマートフォン、タブレット型端末、ウェアラブル端末、ラジオコントロール用専用端末等で構成されている。この制御装置３は、少なくとも中継装置群４との間で無線通信可能な無線通信手段が設けられている。但し、この制御装置３は、中継装置群４を構成する一部のデバイスとの間で有線通信を通じて通信可能とされていてもよい。

制御装置３は、ロボット装置２を制御するための制御信号を生成し、これを中継装置群４に対して送信する。制御装置３は、この制御信号の生成を、予め入力されているコンピュータプログラムを介して実行するようにしてもよいし、人工知能に基づいて行うようにしてもよい。また図示しないユーザインターフェースを通じてユーザから入力された情報に基づいて制御情報を生成してもよい。即ちユーザは、この制御装置３における図示しないユーザインターフェースを介した情報の入力を通じて生成される制御情報により、ロボット装置２を制御することが可能となる。

また、制御装置３は、ロボット装置２から中継装置群４を介して送信されてくる状態情報を受信することで、このロボット装置２を監視することができる。制御装置３から制御情報を中継装置群４を介してロボット装置２へ送信し、当該ロボット装置２から状態情報を中継装置群４を介して制御装置３へ返すまでのプロセスを１セットで行うようにしてもよい。

中継装置群４は、ロボット装置２から制御装置３への状態情報の送信、並びに制御装置３からロボット装置２への制御情報の送信を、少なくとも１以上の中継装置５を介して中継する。

図３は、中継装置群４を構成する各中継装置５のブロック構成を示している。中継装置５は、無線通信機能を備えたあらゆるデバイスであり、ＰＣ、携帯電話機、スマートフォン、タブレット型端末、ウェアラブル端末等で具現化されていてもよい。この中継装置５は、移動手段が設けられていてもよく、車輪等の走行手段や、プロペラ等の飛行手段が設けられていてもよい。但し、この中継装置５は、モバイル形式で構成されていたり、或いは移動手段が設けられていることが必須ではなく、固定型とされていてもよい。

中継装置５は、送受信部５１と、この送受信部５１にそれぞれ接続された遅延時間計測部５２と、受信電界強度計測部５３と、パケットエラーレート計測部５４と、ビットエラーレート計測部５５と、相対距離計測部５６と、周波数切替部５８と、経路切替部５９と備えている。また中継装置５は、遅延時間計測部５２、受信電界強度計測部５３、パケットエラーレート計測部５４、ビットエラーレート計測部５５、相対距離計測部５６に対してそれぞれ接続され、周波数切替部５８、経路切替部５９に対してそれぞれ接続されている通信品質評価部５７を更に備えている。なお、中継装置群４を構成する全ての中継装置５において上述した各構成要素が実装されている場合を例に取り説明をするが、これに限定されるものではなく、少なくとも中継装置群４を構成する一の中継装置５において上述した各構成要素が実装されていれば本発明の所期の作用効果を奏するものとなる。かかる場合においても、上述した各構成要素が実装されている一の中継装置５以外の他の中継装置５には、少なくとも送受信部５１が実装されている必要はある。また上述した構成要素は、その一部のみを備えていてもよく、さらに上述した以外の通信品質を評価できる要素を備えていてもよい。

送受信部５１は、他のデバイスとの間で無線通信を行う上で必要な周波数変換やその他各種変換処理を行い、電気信号を電波に変換し、或いは電波を電気信号に変換するアンテナも含まれる。送受信部５１は、制御装置３又は中継装置５から送られてきた制御情報を他の中継装置５又はロボット装置２に対して送信する。また送受信部５１は、ロボット装置２又は他の中継装置５から送られてきた状態情報を受信し、これを他の中継装置５又は制御装置３に対して送信する。送受信部５１は、この受信した状態情報を中継装置５内にある遅延時間計測部５２、受信電界強度計測部５３、パケットエラーレート計測部５４、ビットエラーレート計測部５５、相対距離計測部５６に対して出力する。

送受信部５１は、経路切替部５９から出力された切替命令に基づいて、制御装置３からロボット装置２に至るまでの中継装置５を介した制御情報や状態情報の無線通信経路の切替処理を行う。また送受信部５１は、周波数切替部５８から出力された切替命令に基づいて、制御装置３からロボット装置２に至るまでの中継装置５を介した制御情報や状態情報の通信周波数の切替処理を行う。

遅延時間計測部５２は、送受信部５１から送られてきた状態情報を解析することにより、通信遅延時間を計測する。遅延時間計測部５２は、通信遅延時間の計測結果を通信品質評価部５７へ送信する。

受信電界強度計測部５３は、送受信部５１から送られてきた状態情報を解析することにより、無線通信の受信電界強度を計測する。受信電界強度計測部５３は、受信電界強度の計測結果を通信品質評価部５７へ送信する。

パケットエラーレート計測部５４は、送受信部５１から送られてきた状態情報を解析することにより、無線通信のパケットエラーレートを計測する。パケットエラーレート計測部５４は、パケットエラーレートの計測結果を通信品質評価部５７へ送信する。

ビットエラーレート計測部５５は、送受信部５１から送られてきた状態情報を解析することにより、無線通信のビットエラーレートを計測する。ビットエラーレート計測部５５は、ビットエラーレートの計測結果を通信品質評価部５７へ送信する。

相対距離計測部５６は、送受信部５１から送られてきた状態情報を解析することにより、無線通信の通信経路の距離を計測する。相対距離計測部５６は、距離の計測結果を通信品質評価部５７へ送信する。

通信品質評価部５７は、遅延時間計測部５２、受信電界強度計測部５３、パケットエラーレート計測部５４、ビットエラーレート計測部５５、相対距離計測部５６から送信されてくる計測結果を受信する。この通信品質評価部５７は、受信した計測結果に基づいて、制御装置３とロボット装置２との間における無線通信の通信品質を評価する。通信品質評価部５７は、その評価結果を周波数切替部５８、経路切替部５９へと送信する。

周波数切替部５８は、通信品質評価部５７から送信されてくる評価結果に基づいて周波数を切り替えるための切替命令を生成し、これを送受信部５１へ送信する。また経路切替部５９は、通信品質評価部５７から送信されてくる評価結果に基づいて制御装置３からロボット装置２に至るまでの中継装置５を介した制御情報や状態情報の無線通信経路を切り替えるための切替命令を生成し、これを送受信部５１へ送信する。送受信部５１はこれら切換命令を受信することで通信周波数や無線通信経路を切り替えることが可能となる。

次に、本発明を適用したロボット監視制御システム１の動作について説明をする。

ロボット装置２と制御装置３とは、中継装置群４を介した現在の通信経路上で、制御情報及び状態情報の送受信を行う。ここでいう現在の通信経路とは、現時点において実際にロボット装置２と制御装置３との間の無線通信の、中継装置５を介した中継経路を意味するものである。例えば、図１でいうところの制御装置３から中継装置５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを経てロボット装置２に到達する通信経路を仮定する。

このとき、一の中継装置５は、他の中継装置５と時間同期しつつ状態情報並びに制御情報の送信を中継する。

中継装置５間で行われる制御情報の送信と、状態情報の送信を行うスーパーフレーム構成を図４に示す。この図４において制御情報の送信をダウンといい、状態情報の送信をアップという。スーパーフレームは、スロットフレームに分割されており、更に各スロットフレームは、タイムスロットに分割されている。このタイムスロットが、中継装置５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄに割り当てられる。この図４の例において中継装置５ａがいわゆる通信のコーディネータとしての役割を担い、中継装置５ｂ、５ｃがルーターとしての役割を担い、更に中継装置５ｄがエンドデバイスとしての役割を担うものとする。

このとき、先ずコーディネータとしての中継装置５ａが他の中継装置５ｂ〜５ｄに対してビーコンを送信する。このビーコンを受信した中継装置５ｂ〜５ｄは、その受信したタイミングでフレームをスタートさせる。その結果、上述したスーパーフレームの各タイムスロットとタイミングを一致させることができる。

スロットフレームＮｏ．１は、制御装置３からロボット装置２への制御情報の送信に割り当てられ、スロットフレームＮｏ．２〜Ｎｏ．６は、ロボット装置２から制御装置３への状態情報への送信に割り当てられる。スロットフレームＮｏ．１におけるタイムスロットＮｏ．１は、中継装置５ａに対する制御情報の送信に割り当てられ、タイムスロットＮｏ．２は、中継装置５ｂに対する制御情報の送信に割り当てられ、タイムスロットＮｏ．３は、中継装置５ｃに対する制御情報の送信に割り当てられることとなる。またスロットフレームＮｏ．２〜Ｎｏ．６におけるタイムスロットＮｏ．１は、中継装置５ｄからの状態情報の送信に割り当てられ、タイムスロットＮｏ．２は、中継装置５ｃにからの状態情報の送信に割り当てられ、タイムスロットＮｏ．３は、中継装置５ｂからの状態情報の送信に割り当てられることとなる。

このように、制御装置３からロボット装置２への制御情報の送信用のスロットフレームＮｏ．１と、ロボット装置２から制御装置３への状態情報の送信用のスロットフレームＮｏ．２〜Ｎｏ．６とは、互いに非対称となっている。その理由として、ロボットの制御を行う際に、状態情報の量が制御情報の量を上回る場合が多いためである。このとき、ロボット装置２から制御装置３への状態情報の送信用のスロットフレームＮｏ．２〜Ｎｏ．６の数は可変としてもよい。状態情報の送信用のスロットフレームを増やすと、伝送容量は増加するが遅延時間も大きくなる。これに対して、状態情報の送信用のスロットフレームを減らすとその伝送容量は小さくなるが遅延時間は小さくなる。即ち、状態情報の送信のための伝送容量と、遅延時間とは互いにトレードオフの関係となっている。このため、伝送容量と遅延時間の２つのパラメータを参照し、これらが所望の量となるように、状態情報の送信用のスロットフレームＮｏ．２〜Ｎｏ．６の数をその都度改変するようにしてもよい。

このような状態情報の送信用のスロットフレームＮｏ．２〜Ｎｏ．６の数の改変も、中継装置５ａ〜５ｄ間において互いに時間同期しつつ状態情報並びに制御情報の送信を中継しているため実現できる。

この間において、ロボット装置２における状態検出部２４は、姿勢情報、速度情報、位置情報等を始めとする各種状態を検出し続け、これら１以上の状態に基づいて状態情報を生成する。生成された状態情報は、通信部２３を介して中継装置５ｄへ送信する。中継装置５における送受信部５１はかかる状態情報を受信し、これを遅延時間計測部５２、受信電界強度計測部５３、パケットエラーレート計測部５４、ビットエラーレート計測部５５、相対距離計測部５６へ送信する。

このような状態情報に基づいて、遅延時間計測部５２により計測された遅延時間、受信電界強度計測部５３により計測された受信電界強度、パケットエラーレート計測部５４により計測されたパケットエラーレート、ビットエラーレート計測部５５により計測されたビットエラーレート、相対距離計測部５６により計測された無線通信の通信経路の距離は、それぞれ通信品質評価部５７に送られる。

通信品質評価部５７はこれら計測結果に基づいて、通信経路の距離、電界強度、ビットエラーレート、パケットエラーレート、通信経路上に位置する中継装置の数、通信経路の遅延時間の何れか１以上に基づいて、現在の通信経路における通信品質を計測する。仮に図１に示すように、現在の通信経路が遮蔽物９によって遮蔽されていない状態であれば、通信品質は特段低下することなく良好のまま推移することとなる。

しかしながら、図５に示すように、ロボット装置２が移動したり、或いは中継装置５の位置が変化する結果、当初の通信経路が遮蔽物９により遮蔽されてしまう場合がある。かかる状態の下で、同様に通信品質評価部５７を介してその通信経路における通信品質を計測した場合、遮蔽物９の存在により通信経路の遅延時間が増加したり、電界強度が低下したり、ビットエラーレート、パケットエラーレートが低下する結果、通信品質が低下してしまう。かかる場合において本発明は、例えばこの遮蔽物９を迂回するように他の中継装置５´を介して通信する通信経路に切り替えたり、或いは通信周波数を変更する等の処理を行うことで、かかる通信品質の低下を防止するための処理を行う。

通信品質の判断は、図６に示すフローチャートに基づいて判断する。先ずステップＳ１１に示すように通信品質が低下したか否かを判断する。その結果、上述した遅延時間の増加や、電界強度の低下等により、通信品質評価部５７により通信品質が低下していることが判別された場合には、図５に示すように当初の通信経路が遮蔽物９により遮蔽されたことを判別することができる。かかる場合には、ステップＳ１２へ移行する。

一方、計測結果が特段通信品質が低下していない場合には、送受信部５１に対して切替命令を行うことは無く、そのまま再設定終了に移行する。

ステップＳ１２に移行した場合には、各種切換動作に移行する。この各種切換動作では、経路切替部５９による通信経路の切り替え、並びに周波数切替部５８による通信周波数の切り替えの何れか１以上を行う。ステップＳ１３以降は、経路切替部５９による新経路設定の処理動作フローである。

先ず経路切替部５９による通信経路の切り替え動作について説明をする。経路切替部５９は、ステップＳ１４において通信品質評価部５７から送られてきた計測結果を受信する。経路切替部５９による経路切替は、基本的には現在の通信経路以外の他の通信経路に切り替えるものであればいかなる経路に切り替える場合も含まれる。但し、他の通信経路の候補が複数存在する場合、通信経路の距離、電界強度、ビットエラーレート、パケットエラーレート、通信経路上に位置する中継装置の数、通信経路の遅延時間の何れか１以上に基づいて、何れかの他の通信経路を選択することとなる。これら通信経路の距離、電界強度、ビットエラーレート、パケットエラーレート、通信経路の遅延時間は、上述した遅延時間計測部５２、受信電界強度計測部５３、パケットエラーレート計測部５４、ビットエラーレート計測部５５、相対距離計測部５６から取得することができる。通信経路上に位置する中継装置５の数は、図１の例であれば中継装置５ａ〜５ｄと４つあることからその数を例えば送受信部５１がカウントして経路切替部５９に通知するようにしてもよい。

経路切替部５９は、複数からなる他の通信経路の候補の中から１つの通信経路を選択する際において、図７に示すように他の通信経路の候補を挙げる。この図７に示される他の通信経路の候補としては、中継装置５ａ、５ｅ、５ｆ、５ｄを経る通信経路Ｐ、中継装置５ａ、５ｅ、５ｇ、５ｈ、５ｄを経る通信経路Ｑ、中継装置５ａ、５■、５ｄを経る通信
経路Ｒが存在するものとする。

このとき、経路切替部５９は、通信経路の距離に基づいて選択する場合、これら候補となる通信経路Ｐ〜Ｒについて通信距離を求める。この通信距離に関する情報については、他の中継装置５からＧＰＳ等を介して取得可能な位置情報を収集し、これに基づいて通信距離を求めていくこととなる。その結果、通信距離が最も短い通信経路Ｒが新たな通信経路として選択されることとなる。

また経路切替部５９は、電界強度、ビットエラーレート、パケットエラーレートの何れか１以上に基づいて新たな通信経路を選択する際も同様である。候補となる通信経路Ｐ〜Ｒを実際に通信リンクを確立させ、その電界強度、ビットエラーレート、パケットエラーレートを実際に求める。そして、求めた電界強度が最も高いところが遮蔽物による遮蔽の影響が少なく、また通信経路もより短いものと言えるためこれを選択する。同様にビットエラーレート、パケットエラーレートが最も低い方が遮蔽物による遮蔽の影響が少なく、また通信経路もより短いものと言えるためこれを選択する。また通信経路上に位置する中継装置５の数が多いほど、通信経路が長くなり、その分において遅延時間が長くなるため、中継装置５の数が最も少ない通信経路Ｒを選択するようにしてもよい。

経路切替部５９は、この新たな通信経路の決定をステップＳ１５において実行する。そして、決定した新たな通信経路に関する情報を含む切替命令を送受信部５１へ送信する。このステップＳ１５の処理を終了した場合には、ステップＳ１２に戻ることとなり、そのまま経路切替の動作は終了となる。

このようにして新たに切り替えられた通信経路の下で無線通信リンクを新たに確立して、ロボット装置２と制御装置３との間で制御情報、状態情報の送受信が再開されることとなる。この新たに確立された他の無線通信経路により遮蔽物を迂回しつつロボット装置２と制御装置３との間で中継装置群４を介して制御情報、状態情報を送受信することができる。その結果、通信経路が遮蔽物で遮蔽されて通信品質が低下してしまうのを防止することができる。これに加えて本発明によれば図８に示すように制御装置３からロボット装置２に制御情報を送信し、ロボット装置２から制御装置３へ状態情報が受信されるまでの時間Ｔ_Dを所定時間内に抑えることができる。特に移動自在なロボット装置２が移動することで事後的に遮蔽物を介して無線通信が遮蔽される場合があるが、係るケースが発生した場合においても柔軟に対応することができ、通信品質の低下を防止できる。

例えば図８（ａ）であれば制御装置３から図示しない中継装置５を経てロボット装置２に向けて制御情報をダウンリンクで送信し、またロボット装置２から図示しない中継装置５を経てアップリンクで制御装置３に到達するまでの時間をＴ_D内に抑えることができる。仮に、図８（ｂ）に示すように、制御装置３ａから他の制御装置３ｂ、ロボット装置２ｂを経てロボット装置２ａへダウンリンクで制御情報を送信し、またロボット装置２ａから他のロボット装置２ｂ、制御装置３ｂを経てアップリンクで制御装置３ａへ状態情報が到達するまでの時間をＴ_D1内に実現することができる。この図８（ｂ）においては、制御装置３ａは、ロボット装置２ａを制御し、制御装置３ｂは、ロボット装置２ｂを制御する。しかしながら、この制御装置３ａとロボット装置２ａとの間には、遮蔽物９が存在しているため、直接無線通信を行うことができない。このため、上述した経路によるアップリンク、ダウンリンクの無線通信を行うことにより、他の制御装置３ｂ、ロボット装置２ｂを介して通信リンクを確立させる。ちなみにこれらの通信リンクを確立する際においても、上述した中継装置５を介して行うことは勿論である。上述した構成からなる本発明によれば、この時間Ｔ_D1も一定の範囲内に収めることが可能となる。同様に時間Ｔ_D2も一定の範囲内に収めることが可能となる。

仮に新たに切り替えられた通信経路についても同様に、通信品質の判断は図６に示すフローチャートに沿って随時行われていくこととなる。この新たに切り替えられた通信経路においても無線通信の品質が向上しない場合には、その切り替えられた通信経路がまだ遮蔽物の存在により遮蔽されていることを意味している。かかる場合には、フローチャートに沿ってステップＳ１２以降の処理を再度行っていくこととなる。このようにしてトライアンドエラーにより、新たな経路の探索を行っていくこととなる。

なお、ステップＳ１４における経路探索において、２以上の指標を基づいて通信経路の評価を行う場合には、優先順位に応じて指標に重み付けを施すようにしてもよい。各指標について重み付けを施す場合には、通信経路の距離、電界強度、ビットエラーレート、パケットエラーレート、通信経路上に位置する中継装置の数、通信経路の遅延時間につきそれぞれ評価点を付ける。そして、総合点＝（通信経路の距離）×ａ１＋（電界強度）×ａ２＋（ビットエラーレート）×ａ３＋（パケットエラーレート）×ａ４＋（中継装置の数）×ａ５＋（通信経路の遅延時間）×ａ６から評価するようにしてもよい。この総合点の説明変数の括弧書きは、各指標の評価値を示している。また、重み付け係数ａ１〜ａ６は、システム側において任意に設定するようにしてもよい。

次にステップＳ１２に移行した後における周波数切替部５８による周波数切替動作について説明をする。周波数切替部５８は、通信品質評価部５７から送られてきた計測結果を受信する。周波数切替部５８による通信周波数の切替は、基本的には現在の通信周波数以外の他の通信経路に切り替えるものであればいかなる経路に切り替える場合も含まれる。

周波数切替部５８は、周波数の切り替えを行う。この周波数の切り替えは、要求される特性と、電波環境に応じて使用する周波数帯域を柔軟に組み合わせることにより行う。

例えば、周波数がＦ１＜Ｆ２＜Ｆ３である場合において、最も低周波数のＦ１は、主としてバイタルな制御情報を送信する場合や、ロボット装置２の生死の関わる重要な制御情報を送信する場合等、伝送レートを低くすることで通信を極力切れにくくする場合に適している。また中間のＦ２は、ロボット装置２の通常の制御を行う場合や、ロボット装置２における通常の監視を行う場合に適している。また最も高周波数のＦ３は、画像データを伝送する場合等のような容量の大きいデータ伝送を行う場合や高速通信を行う場合に適しているが、その分通信が切れ易くなってしまう。

このため、遮蔽物により遮蔽されて通信品質が低下している場合で、伝送レートが低くなっても通信だけはどうしても切れないようにした場合には、低周波数のＦ１を選択するようにする。当初はＦ２又はＦ３の周波数で無線通信を行い、通信品質が悪化してステップＳ１２に移行した場合には、低周波数のＦ１に切り替えるようにしてもよい。

このようにして新たに切り替えられた周波数の下で無線通信リンクを新たに確立して、ロボット装置２と制御装置３との間で制御情報、状態情報の送受信が再開されることとなる。その結果、低い周波数の下で低伝送レートではあるが通信が切れることなく連続させることができるため、通信経路が遮蔽物で遮蔽されて通信品質が低下してしまうのを防止することができる。また制御装置３からロボット装置２に制御情報を送信し、ロボット装置２から制御装置３へ状態情報が受信されるまでの時間Ｔ_Dを所定時間内に抑えることができる。

更に本発明によれば、経路切替部５９による通信経路の切り替え、並びに周波数切替部５８による通信周波数の切り替えを組み合わせて行うようにしてもよい。即ち、上述したステップＳ１２に移行した場合において、他の通信経路に切り替えつつ、通信周波数を低周波数側にシフトさせるようにしてもよい。これにより、通信が切れることなく連続させることができるため、通信経路が遮蔽物で遮蔽されて通信品質が低下してしまうのをより強固に防止することができ、しかもロボット装置２から制御装置３へ状態情報が受信されるまでの時間Ｔ_Dを所定時間内に抑えることをより確実に実現することができる。

本発明を適用したロボット監視制御システム１は、例えばコンクリートや金属の壁で仕切られた建物内においてロボット装置２を使用する場合において有効性を発揮する。制御装置３から見た場合に、廊下の角や壁等の遮蔽物に遮蔽される領域にロボット装置２が事後的に移動した場合においても、より回折効果の高い周波数への切り替え、或いは他の中継装置５を中継する通信経路に切り替えることで、ロボット装置２の監視、制御を継続的に行うことができる。

ロボット装置２がドローン等の無人飛行機に搭載される場合において、建物や山を挟んで無人飛行機が高度を下げ、物資の配達を行う場合があれば、地上に接近して観測等を行う場合もある。かかる場合には、建物や山により無線通信が遮蔽されてしまう場合もあるが、低い周波数への切り替え、或いは他の中継装置５を中継する通信経路に切り替えることで、ロボット装置２の監視、制御を継続的に行うことができる。

市街地や起伏のある地面をロボット装置２が移動し、制御装置３とロボット装置２との電波の伝搬環境が時々刻々と変化する場合において低い周波数への切り替え、或いは他の中継装置５を中継する通信経路に切り替えることで、ロボット装置２の監視、制御を継続的に行うことができる。

１ロボット監視制御システム
２ロボット装置
３制御装置
４中継装置群
５中継装置
９遮蔽物
２１制御部
２２移動部
２３無線通信部
２４状態検出部
５１送受信部
５２遅延時間計測部
５３受信電界強度計測部
５４パケットエラーレート計測部
５５ビットエラーレート計測部
５６相対距離計測部
５７通信品質評価部
５８周波数切替部
５９経路切替部

Claims

移動自在なロボット装置の監視及び制御を無線通信を通じて行うためのロボット監視制御システムにおいて、
上記ロボット装置から検出された状態情報に基づいてこれを監視すると共に、上記ロボット装置を制御するための制御情報を生成してこれを当該ロボット装置へ送信する制御装置と、
上記ロボット装置から上記制御装置への上記状態情報の送信、並びに上記制御装置から上記ロボット装置への上記制御情報の送信を、少なくとも１以上の中継装置を介して中継する中継装置群とを備え、
一の中継装置は、他の中継装置と時間同期しつつ上記状態情報並びに上記制御情報の送信を中継すること
を特徴とするロボット監視制御システム。
上記中継装置群は、上記制御装置から上記ロボット装置間の上記中継装置を介した一の通信経路における通信品質を計測する計測手段と、上記計測手段による計測結果に応じて上記一の通信経路から他の通信経路へ切り替える経路切替手段とを有すること
を特徴とする請求項１記載のロボット監視制御システム。
上記経路切替手段は、上記切り替え時において、通信経路の距離、電界強度、ビットエラーレート、パケットエラーレート、通信経路上に位置する中継装置の数、通信経路の遅延時間の何れか１以上に基づいて、何れかの他の通信経路を選択すること
を特徴とする請求項２記載のロボット監視制御システム。
上記中継装置群は、上記制御装置から上記ロボット装置間の上記中継装置を介した一の通信経路における通信品質を計測する計測手段と、上記計測手段による計測結果に応じて上記一の通信経路における通信周波数を切り替える周波数切替手段とを有すること
を特徴とする請求項１記載のロボット監視制御システム。
上記中継装置群は、上記計測手段による計測結果に応じて上記一の通信経路における通信周波数を切り替える周波数切替手段を更に有し、上記経路切替手段による通信経路の切り替えと、上記周波数切替手段による通信周波数の切り替えとを組み合わせること
を特徴とする請求項２又は３記載のロボット監視制御システム。
上記計測手段は、通信経路の距離、電界強度、ビットエラーレート、パケットエラーレート、通信経路上に位置する中継装置の数、通信経路の遅延時間の何れか１以上に基づいて上記一の通信経路における通信品質を計測すること
を特徴とする請求項２〜５の何れか１項記載のロボット監視制御システム。