JP4325504B2

JP4325504B2 - チャンネル拡張通信方式

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Publication number: JP4325504B2
Application number: JP2004234431A
Authority: JP
Inventors: 満夫山本
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 2004-08-11
Filing date: 2004-08-11
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2024-08-11
Also published as: JP2006054646A; KR20060050328A; KR100654474B1; US20060044967A1; DE102005038134B4; DE102005038134A1

Description

本発明は、無線電波等によって送信されてきた制御データに基づいて遠隔地点にある制御対象物をコントロールする遠隔制御方式に関わり、特に、拡張されたチャンネルによってより多くの複数の制御データを送受信することができるようにしたチャンネル拡張通信方式に関するものである。

電波等に制御情報を乗せて、制御位置から離れた位置で移動するような装置、又は機器を操縦するものとして、ラジオコントロール（以下、ラジコンという）技術が普及しており、被制御物体として小さな模型の自動車や、船等の移動物体を操縦することが一般的に行われている。
飛行体や実物に近い動作が可能とされているラジコン用の被制御物体の場合は、複数の遠隔操作データが要求され、その操作に対応するために必要とされる制御チャンネルが時分割的に割り当てられている。

図５（ａ）はかかるラジコン装置の送信機の概要を示したもので、１は被制御対象物とされている飛行物体や船舶等を操縦するための操縦ツールで、ｎ（ｎ＝４の場合を示す）個のジョイスティック、または種種の設定用のスイッチ１ａ〜１ｄによって構成されている。
２は操縦ツール１（ａ〜ｄ）から出力される制御信号が各制御チャンネル（以下、単にチャンネルという）ＣＨ毎に入力され、かつ、これらの複数の制御信号を所定のフレーム周期で完結するパルス列に変換して出力するエンコーダを示す。
所定の周期で完結されている１フレーム単位のパルス列は、操縦中は常時、変調器３で搬送波信号を変調すると共に、その変調波信号は高周波増幅部４（送信部）に供給され、たとえば、ＡＭ変調、又はＦＭ変調された電波が被制御物体に対して送信されるようになされている。

図５（ｂ）は、エンコーダから出力されるフレーム単位で完結されたパルス列のパタンを示したものであって、被制御物体の種種の操作、例えば、方向回転制御、上昇下降制御、速度コントロール、その他の制御信号がチャンネル１、２、３、４・・・・としてパルス信号ＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３，ＣＨ４・・・・・に変換され、１フレーム、例えば、１４ｍＳ〜２０ｍＳで繰り返すようなパルス列とされている。
なお、さらに詳細に説明すると、各パルス信号ＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３・・・の間隔は図５に示されているように、複数の制御情報によって変化するように配置され、たとえば、変化の中心値を１５２０μＳとして±６４０μＳ（アクチュエータの制御回転角で約６０度）程度変化するように設定し、１フレームの終了する点を示すために最後に５ｍＳ以上の同期信号（スペース）が生じるようにしている。

このような形式の制御情報は、電波によって被制御物体に常時送信されている。受信側となる被制御物体はこの受信電波を例えばスーパヘテロダイン受信機で受信し、受信信号の処理をデコーダで行うことによって、送信側の操縦者から送信されているシリアルな制御信号をパラレルの制御信号に復調し、各チャンネルの制御信号を分離して自己の制御用のサーボモータや、アクチュエータに供給する。

図６（ａ）は復調された一連のパルス列信号（ＰＰＭ）から各チャンネルの制御信号を分離して出力するデコーダの概要を示したものであって、３１は同期信号に対して検出出力を発生するリセット回路、３２、３３、３４、３５・・・・はＤフリップフロップ回路（ＤＦＦという）である。
復調されたパルス列信号ＰＰＭは、シフトレジスタを構成する各ＤＦＦ３２、３３、３４・・・のクロック信号として入力されると共に、リセット回路３１に供給されている。
リセット回路３１はパルス列信号ＰＰＭの中に５ｍＳ程度のＬレベル期間を検出すると、出力がハイレベルとなるリセット信号Ｒを発生し、その信号が初段のシフトレジスタＤＦＦ３２のＤ入力に供給される。そして以後は継続するパルスが順次シフトレジスタに転送されることにより、図６（ｂ）の波形図に示されているようにパルス位置が変調されたパルス列信号ＰＰＭのパルス間隔に相当する制御パルス信号ＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３，ＣＨ４・・・がシフトレジスタの各段からパラレル信号として出力される。

ところで、被制御物体の制御内容をさらにバージョンアップするような場合は、
従来のエンコーダ２から出力される制御チャンネルデータの数を簡単に拡張するチャンネル拡張装置を使用する場合がある。
図７はかかるチャンネル拡張機能を有する送信機の概要を示したもので、図５と同一部分は同一符号で示されている。
このチャンネル拡張の場合は、例えば４チャンネルの制御信号を処理するメインのエンコーダ５に対して、この場合は制御チャンネル（チャンネル）ＣＨ４の制御データをさらに拡張する拡張エンコーダ６が設けられている。
そして、この拡張エンコーダ６に対してさらに要求される操縦ツール７（ａ〜ｄ）の制御信号が供給され、各操縦ツール７の制御信号が副制御チャンネル（以下、拡張チャンネルともいう）ＭＰ１、ＭＰ２，ＭＰ３，ＭＰ４に時分割的に割り当てられ、従来のチャンネルＣＨ４の拡張データとして出力される。

このチャンネル拡張機能を有する送信機から出力される制御データは、図８に示すように、最初のフレーム１Ｆ内でチャンネルＣＨ１〜ＣＨ３の制御パルス信号が出力されると共に、チャンネルＣＨ４のタイミングで拡張された拡張制御チャンネルＭＰ１の制御パルス信号が出力される。次のフレーム２ＦではチャンネルＣＨ１〜ＣＨ３の制御パルス信号に続いて拡張された拡張制御チャンネルＭＰ２の制御パルス信号が出力される。
以下同様に、第３番目のフレーム３ＦのチャンネルＣＨ４のデータ出力のタイミングで、拡張された拡張制御チャンネル（拡張チャンネル）ＭＰ３の制御パルス信号が出力され，４番目のフレーム４Ｆでは拡張チャンネルＭＰ４の制御パルス信号が出力される。そして、各拡張チャンネルＭＰ１〜ＭＰ４に順次各制御パルスが送信された最後のフレーム（５Ｆ）では、拡張チャンネルの位置に同期データを示すＳＹＮパルスが出力される。
このようにして各フレーム毎にチャンネルＣＨ４のタイミングで拡張チャンネルＭＰ１〜ＭＰ４の制御データと同期情報となるＳＹＮパルスが順次割り当てられると、５フイールド経過後にはチャンネルＣＨ１〜ＣＨ３と拡張チャンネルＭＰ１〜ＭＰ４の７個の制御データを被制御物体に対して送信することができる。
なお、同期パルスＳＹＮは例えば通常の操作では出力されない信号によって形成することができる。
ドイツ出願公開公報第３１１７４５６号

上記したようなチャンネル拡張方式は、既存のラジコン送信機に対して、拡張エンコーダ６を装着することによって簡単に操縦チャンネルの拡張を行うことができるという利点があり、送信機の有用性が大きくなる。しかし、拡張された各制御チャンネル（拡張チャンネルＭＰ１〜ＭＰ４）の各操作データは、数フレーム毎、上記の場合では５フレーム毎に送信されることになるため、このデータを受信する被制御物体の応答性は、通常のチャンネルＣＨで制御される操作のレスポンス特性と比較して極めて悪いものになる。
例えば、１フレーム時間を数十ｍＳに設定すると、拡張されたチャンネルの制御データに対しては、操縦者の起動操作から被制御物体が数秒後に応答する場合もあり、その操縦性に違和感が生じるという問題がある。

本発明のチャンネル拡張通信方式はこのような問題点を効果的に解消するためになされたもので、
１フレーム内を少なくとも２以上の制御チャンネルに時分割し、該分割された各々の制御チャンネルによって遠隔的に被制御物体を制御する制御データを送信する送信機と、該送信器から送信される前記制御データを受信する受信機と、からなるチャンネル通信方式において、
前記送信機は、
前記制御チャンネルの各々に対してパルス幅制御される制御データを所定のフレーム周期で完結するパルス列信号に変換して出力するエンコーダと、
前記制御チャンネルの中のいずれか一つの制御チャンネル内をさらに２以上に時分割して形成される拡張チャンネルの各々に対してパルス幅の制御量を圧縮した制御データを前記エンコーダに対して出力する拡張エンコーダと、を備え、
前記受信機は、
前記パルス列信号から、前記制御チャンネルの制御データと前記拡張チャンネルの制御データとを得るためのデコーダと、
前記拡張チャンネルの制御データの各々を同期検出するための拡張デコーダと、を備え、
前記拡張デコーダは、
前記制御データが前記拡張制御チャンネルのいずれに属するかを判別するパルス幅判別器と、
前記拡張制御チャンネルのパルス幅変調された制御データのパルス幅を伸長するパルス幅変換器と、を具備するものである。

上記拡張制御チャンネルに供給される制御データは、変化した制御データが複数ある時は、当該複数の制御データの中から、前出力時間からの経過が長い方の制御データを優先して出力するようにしているので、拡張チャンネルに対しても応答性が低下しないようにすることができる。
また、上記エンコーダは制御チャンネルを形成する主エンコーダと、該主エンコーダで形成された所定のチャンネルに接続される副エンコーダ（拡張エンコーダ）によって構成されているので、送信制御データが増加したときでも低コストの送信機で対応することができ、特にラジコン用の無線送受信方式として有用である。
さらに、拡張チャンネルを形成する際にフェールセーフを行うためのデータ領域を設けることによって、通信異常等によってコントロールが破綻したときでも、ある程度の安全性を確保することができる。

図１は本発明の通信方式でメインのチャンネルｍ＝４と、拡張チャンネルｎ＝４とされている場合を例示したもので、同図（ａ）は本発明の通信方式を適応することができる送信側の装置の概要を示し、同図（ｂ）は同じく受信側の機器の概要を示す。
送信機側で図７と同一機能の部分は同一符号とするが、拡張エンコーダ８から出力される制御データは、後で示すように従来の制御量を圧縮したデータとして出力されるようにしている点に特徴を有すると共に、この拡張チャンネルの操作ツール９（ａ〜ｄ）には制御チャンネルＣＨ１〜ＣＨ３に供給される制御データに比較して比較的変化が少ない操作に関するものが使用される。

また、被制御物体側に設けられている受信機において、１０は通常は無線データで供給されている電波を受信する高周波信号処理部で、高周波増幅、周波数変換、復調等を行うスーパヘテロダイン受信部によって構成されている。
１１は復調信号をチャンネルＣＨ１〜ＣＨｍ（ｍ＝４の場合を示す）毎に分離してパルス幅変調された制御データを出力するデコーダ、１２はこのデコーダ１１によってパラレル信号に変換された各チャンネルの制御データによって駆動されるアクチェータ１３（Ａ１，Ａ２，Ａ３）を駆動する駆動回路（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）を示す。
デコーダ１１のチャンネルＣＨ４のタイミング出力は、拡張デコーダ１４に供給される。この拡張デコーダ１４は拡張チャンネルＭＰ１〜ＭＰｎ（ｎ＝４の場合を示す）となる副チャンネル（拡張チャンネル）の制御データがパラレル出力として発生するように、前記したような同期検出機能が付加されており、送信側で付加された拡張チャンネル、例えばＭＰ１〜ＭＰ４を識別して出力できるようにしている。
そして、この拡張デコーダ１４から出力される各拡張チャンネルの制御データが駆動回路１５（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４）を介してアクチェータ１６（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）に供給されている。

図２は各チャンネルから出力されるパルス幅制御された制御データのタイミング波形を例示したもので図２（ａ）はメインのチャンネルＣＨのタイミング波形、図２（ｂ）は拡張チャンネルＭＰから得られるタイミング波形、図２（ｃ）は被制御物体の異常な運航を解消するようなフェールセーフデータの出力タイミング波形の説明図である。
メインの各チャンネルＣＨは、例えば８８０μＳから２１６０μＳのパルス幅期間（１２８０μＳ）Ｔｗが変調領域として与えられており、その中間のタイミング、例えば１５２０μＳをニュートラルポイントに設定して最大で±６４０μＳの変調幅を与えることができる。なお、この数値は各制御機器によって自由に変更される。

一方、本発明の拡張チャンネルＭＰ１〜ＭＰ４の１例としては、同図（ｂ）に示すように、操作データが１／４となるように圧縮されて、メインのチャンネルＣＨとほぼ同一の時間幅Ｔｗで、本例では４種類の操作データが出力パルス信号として出力されるようにしている。
つまり、拡張チャンネルＭＰ１の場合は８８０μＳから１１８０μＳが変調領域として与えられ、拡張チャンネルＭＰ２では、１２２０μＳ〜１５２０μＳ、拡張チャンネルＭＰ３では１５６０μＳ〜１８６０μＳ、拡張チャンネルＭＰ４が１９００μＳ〜２１００μＳとしている。
なお、刻線（太線）で表されている領域は拡張チャンネルの検出を容易にするために、各拡張チャンネルの隣接部を示しており、ほぼデッドパルス幅を４０μＳに設定している。

そして、図２（ｃ）として最後に付加されている２１４０〜２１６０μＳの信号領域ＦＳは、何らかの原因で通信が異常となったとき、例えば受信障害が発生したときに形成されるフェールセーフデータが受信側で出力されるように設定しようとするものである。

本発明では、特に、拡張チャンネルＭＰ１〜ＭＰ４に供給されるデータは、被制御物体側で頻繁に常時要求される制御データ以外の制御データ、つまり時間的に変動が比較的少ないデータを割り当てることが応答性を改善するメリットにつながる。
例えば、被制御物体が飛行体の場合は離陸時又は着陸時に制御されるデータ、例えばエンジンのニードル制御、滑走車輪の制御、船舶の場合は荷揚げクレーンの制御、接岸時の種種の操作データ、汽笛制御等に使用することが好ましい。

このように拡張チャンネルＭＰはメインのチャンネルＣＨの時間帯（スロット）Ｔｗを拡張チャンネル数ｎで除算した値に対してオフセット値Ｔofを加えたものになる。
ここで、図２（ｂ）に示すように各拡張チャンネルＭＰのオフセット値Ｔof(K)は,
Ｔof(K)＝Ｔｗ／２ｎ＋(K-1)*Ｔｗ／ｎ・・・・・（１）
但し、（K=1,2,3,・・ｎ）ｎ＝拡張チャンネル数である。

次に送信側から前記拡張エンコーダの出力に対して、拡張された操作データがどのようなタイミングで送出されているかを図３のフローチャートにより説明する。
送信側のチャンネルデータの出力タイミングを制御しているＣＰＵ（マイコン）は、そのタイマー機能を利用して、ステップＳ１で常に拡張チャンネルＭＰ１〜ＭＰ４に供給されている制御データの入力状態（データの変換点の有無）と待ち受け状態（データが変化していない時間経過）を監視しており、すべての操作ツールが無操作になって所定の時間が経過したか否かをステップＳ２で判断している。
そして、前記所定の時間が経過したら、タイムオーバとなっている拡張チャンネルの操作量を示す制御データがステップＳ３で選択され、その制御データが当該拡張チャンネルに出力される。そして、そのチャンネルの待ち時間（時計）を零となるようにステップＳ１０でリセットして最初のスタート点に戻る。

また、タイムオーバしてなくても、拡張チャンネルＭＰのすべてのチャンネルが無操作の状態で制御データに変化がないときは、ステップＳ４で待ち時間（データの変化がなくなってから現時点までの待ち時間）が最大（Ｍａｘ）となっている拡張チャンネルＭＰ１〜ＭＰ４のいずれかの制御データが選択され、そのチャンネルの現在の操作データの状況がステップＳ５で出力される。
また、ステップＳ４で操作された拡張チャンネルがある場合はステップＳ６からステップＳ７に進み、操作によって変化したデータが複数個の場合は、そのチャンネル中で、それまでの待ち時間が大きい方のチャンネルの制御データが、ステップＳ９で先に出力され、そのチャンネルの待ち時間をリセットする。また、操作によって変化したデータが単数の場合は、ステップＳ８において、その単数操作データの変化に対する制御データが出力されるようにしている。

したがって、拡張チャンネルＭＰ（１〜４）の中で制御データが変化しているときは、そのチャンネル、例えば制御データが変化している拡張チャンネルがＭＰ１の場合は、ＭＰ１の制御データが優先的に各フレーム毎に連続して出力され、コントロール信号として被制御物体に送信される。
そして、次にこのＭＰ１の拡張チャンネルの制御データの変化がなくなり、拡張チャンネル、例えばＭＰ２の制御データが変化したときは、ＭＰ２の拡張チャンネルの制御データが各フレーム毎に連続して出力されるようになる。

また、拡張チャンネルＭＰ（１〜４）のいずれの制御データも変化していないときでは、現時点までの待ち時間の最も長くなった拡張データ（制御データの変化が最も過去に行われた拡張データ）の操作量を示すデータが選択されて出力される。
従って、この場合、すなわちいずれの拡張チャンネルでも制御データの変化が無いときは、各フレーム毎に拡張チャンネルＭＰ１〜ＭＰ４の中の制御データが順番に出力される。
このようにして、被制御物体側では後で述べるように記憶手段において拡張データに変化がないときでも所定のタイミングで操作量がリフレッシュされるようにすることができる。
なお、通常のチャンネルＣＨ１〜３は常時各フレーム毎に制御データが送信される。

図４は受信側の拡張デコーダの一例をブロック図としたもので、２１はパルス幅判別器であり、現在入力されている信号がいずれの拡張チャンネルに属するものかを例えば図２のタイミングを参照して検出している。
例えば、図２（ｂ）に示したように各拡張チャンネルの時間帯（スロット）が形成されているときは、この各拡張チャンネルＭＰ１〜ＭＰ４のいずれの時間幅のものが制御パルス信号として検出されたかによって、拡張制御データの判別が行われる。
２２はパルス幅変換器であって検出受信された制御パルス信号（ｐｐｍ）を拡張チャンネルの制御データのパルス幅に変換するが、この場合にパルス幅を各フレーム毎に４倍に伸張し、オフセット値（制御パルス信号幅）を加えて、デジタルデータとしてデータメモリ２３に書き込む機能を有している。
２４はデータメモリ２３に記憶されている各拡張チャンネルＭＰ１〜４の操作データを受信時に読み出し、所定のアクチュエータに分配して供給するためのパルス出力タイミング生成器であって、本発明の場合は受信信号のフレーム期間毎にデータメモリに記憶されている制御データが、パルス出力器２５からそれぞれ拡張チャンネルＭＰ１〜ＭＰ４に分配出力され、それぞれアクチュエータに出力されるようにしている。

２６はフェールセーフデータが記憶されているＦＳメモリであり、このＦＳメモリ２６にはＦＳ記憶制御器２７から予め被制御物体の安全性を確保するための
データがメモリスイッチを押すことによって書き込まれる。
そして、例えば、通信異常等によって一定期間受信機が受信できなくなったときや、受信データがすべて消失したことを受信側のデコーダで検出したときは、図２（ｃ）で示すタイミングで出力されたパルス信号によって、フェールセーフデータがデータメモリ２３に書き込まれ、このデータメモリ２３のデータが各拡張チャンネルＭＰ１〜ＭＰ４に出力される。

この発明は、例えば遠隔的に操作される模型や移動体からなる被制御物体を制御する際に、その制御データ数を増加する拡張チャンネルに対しては、変化の生じた制御データを優先的に選択して拡張チャンネルから出力されるようなシステムとしているので、特に、拡張された制御チャンネルで送信される操作に対する応答性が改良され、すべての被制御物体に対して容易に拡張チャンネルを付加することができる。
また、従来のラジコン等の送受信システムに対して、応答性の改善された拡張チャンネルを容易に設定することができる。

本発明のチャンネル拡張通信方式に適応される送信、及び受信器の概要を示すブロック図である。各メインのチャンネルＣＨの制御データの出力タイミングと、拡張されたチャンネルＭＰの制御データの出力タイミングを示す説明図である。拡張チャンネルＭＰに供給されている制御データを選択して出力するためのマイコンの動作を示すフローチャートである。拡張されたチャンネルに挿入されている制御データを取り込み記憶すると共に、各アクチュエータに分配するための拡張デコーダのブロック図である。遠隔制御用の制御データを出力する送信機の原理を示すブロック図である。パルス変調（ＰＰＭ）されたパルス列をＰＷＭ変調されたパラレルデータとして出力するためのデコーダのブロック図とその説明波形図である。チャンネル拡張機能を有する送信機のブロック図である。制御チャンネルと拡張された副制御チャンネルから出力される制御パルスの出力タイミングを説明する説明図である。

符号の説明

２１パルス幅判定器、２２パルス幅変換器、２３データメモリ、
２４パルス出力タイミング生成器、２５パルス出力器、
２６フェールセーフデータメモリ

Claims

１フレーム内を少なくとも２以上の制御チャンネルに時分割し、該分割された各々の制御チャンネルによって遠隔的に被制御物体を制御する制御データを送信する送信機と、該送信器から送信される前記制御データを受信する受信機と、からなるチャンネル通信方式において、
前記送信機は、
前記制御チャンネルの各々に対してパルス幅制御される制御データを所定のフレーム周期で完結するパルス列信号に変換して出力するエンコーダと、
前記制御チャンネルの中のいずれか一つの制御チャンネル内をさらに２以上に時分割して形成される拡張チャンネルの各々に対してパルス幅の制御量を圧縮した制御データを前記エンコーダに対して出力する拡張エンコーダと、を備え、
前記受信機は、
前記パルス列信号から、前記制御チャンネルの制御データと前記拡張チャンネルの制御データとを得るためのデコーダと、
前記拡張チャンネルの制御データの各々を同期検出するための拡張デコーダと、を備え、
前記拡張デコーダは、
前記制御データが前記拡張制御チャンネルのいずれに属するかを判別するパルス幅判別器と、
前記拡張制御チャンネルのパルス幅変調された制御データのパルス幅を伸長するパルス幅変換器と、を具備する、
チャンネル拡張通信方式。
前記送信機は、さらに、マイコンを備え、
前記マイコンは、
所定時間経過後に前記拡張制御チャンネルに供給されるデータの変換点の有無を検出し、前記データが変化したことが検出された前記拡張制御チャンネルの制御データのみを、前記拡張制御チャンネルを介して出力する、制御をすることを特徴とする請求項１に記載のチャンネル拡張通信方式。
前記マイコンは、
前記拡張制御チャンネルに供給されるデータが複数個変化したことを検出した場合には、当該複数個のデータの中から、前に出力した時間からの経過時間が長い方のデータを、前記拡張制御チャンネルを介して先に出力する、制御をすることを特徴とする請求項２に記載のチャンネル拡張通信方式。
前記制御チャンネルの制御データ、及び前記拡張制御チャンネルの制御データは、模型で作られた移動体を操縦するための無線操縦データとされていることを特徴とする請求項１に記載のチャンネル拡張通信方式。