JP6430747B2 - 通信システム及びそれを用いた移動装置 - Google Patents

Description

本発明は、通信システム及びそれを用いたロボットや車両等の移動装置に関する。

例えば、複数のロボットが同一環境内で活動する場合、互いの衝突回避の技術が必要不可欠である。効果的な回避を実現するためには、相手の行動を認識することが望ましく、ロボット間の通信によって各自の行動情報をそのまま交換する手法が適している。

しかしながら、電波を利用した大局的な通信では、環境内のロボットの数が多くなるにしたがって通信の輻輳が発生し、リアルタイムな通信が困難になる。ロボット間の大局的な相互通信、即ち電波を用いた通信に起因する通信の輻輳を回避するために、局所的な通信によって隣接したロボット間のみで情報を交換するセンサシステムが報告されている（非特許文献１参照）。

これに対して、局所的な通信によって隣接したロボット聞のみで情報を交換し、衝突回避を実現する研究が行われている。特許文献１には、平面を二次元的に移動するロボットの全周方向に対する通信を実現するため、複数の赤外線送信素子及び赤外線受信素子を放射状に配置する構成が開示されている。

Kemppainenらはロボット間の位置関係を認識するために、個々のロボットから発信されたパルスをシームレスに検出するシステムを提案している（非特許文献２参照）。非特許文献２では、ロボット上に固定された赤外線送信素子から発せられたパルス光を、円錐ミラーを介して全周方向に発信するとともに、回転するミラーを介して全周方向からのパルス光を時分割に受信素子に入射することが報告されている。

しかしながら、非特許文献２のシステムは、個々のロボットに固有の周波数のパルスを全周方向に発信するのみで、情報の伝送を意図していない。

Miodragらは、同様の目的のために、周囲の環境に設置された個々のビーコンが固有のＩＤを赤外線送信素子によって送信し、ロボットでそれらを識別するシステムを提案している（非特許文献３参照）。

しかし、非特許文献３の手法では送信機は固定であり、しかも送信方向に応じた情報を伝送することは想定されていない。

特開平９−１７１５９９号公報

鈴木昭三，新井義和，琴坂信哉，浅間一，嘉悦早人，遠藤勲、「マルチ移動ロボット環境における衝突回避のための局所的な通信を利用したセンサシステムの開発」、日本機械学会論文集（Ｃ編）62巻、602号、pp.14-20、1996 Anssi Kemppainen，Janne Haverinen，Juha Roning, "An Infrared Location System for Relative Pose Estimation of Robots", Romansy 16 Robot Design Dynamics and Control, Springer, pp. 379-386, 2006 Brkic Miodrag, Milian Lukic, Jovan Bajic, Bojan Dakic, Milorad Vukadinovic: "Hardware realization of autonomous robot localization system", Proceedings of the 35th International Convention on Information and Communication Technology, Electronics and Microelectronics, pp. 146-150, 2012

しかしながら、赤外線で双方向の通信をする特許文献１の手法では、複数の赤外線送受信素子を放射状に配置しており、隣り合う素子同士の指向性の谷間において不感帯が発生してしまう。また、送信方向に応じた情報を、素子の数分の分解能でしか送ることができないという課題があった。

本発明は、上記課題に鑑み、不感帯が生じ難く、全周方向でかつ通信距離を限定することにより局所通信が可能な通信システムを提供することを第１の目的とし、この通信システムを用いたロボットや車両などの移動装置を提供することを第２の目的としている。

本発明者らは、赤外線を通信媒体とし、赤外線送信機及び赤外線受信機をそれぞれ異なる速度で回転させることにより、全周方向に継ぎ目なく、かつ、情報の空間的分解能を向上できる通信システムが実現できるという知見を得て本発明に想到した。

上記の目的を達成するため、本発明の通信システムは、送信素子から発生される赤外線により送信データを送信する赤外線送信機と、赤外線により送信された送信データを受信する赤外線受信機と、赤外線送信機と赤外線受信機とをそれぞれの所定の回転数により回転させる駆動部と、を備え、赤外線送信機は、該赤外線送信機の回転情報を検知するセンサを有しており、該センサは、現在の送信素子が向いている方向に応じて変化する情報を検知し、該情報が赤外線送信機により送信され、赤外線送信機と赤外線受信機の回転数は異なり、一方が他方より高速で回転するように設定される。

上記構成において、赤外線受信機は、好ましくは、該赤外線受信機の回転情報を検知するセンサを備える。
好ましくは送信素子は、回転情報を検知するセンサによって検知された現在の送信素子が向いている方向によらず、一定の強度で信号を送信する。
赤外線送信機の送信データは、好ましくはグレイコードを含む。
赤外線送信機と赤外線受信機は、好ましくはワイヤレス給電により電力が供給される。

本発明の移動装置は、上記何れかに記載の通信システムを含む。

本発明の通信システムによれば、全周方向に継ぎ目なく、かつ、情報の空間的分解能を向上できる通信システムを提供することができる。

本発明の通信システムを備えた移動装置によれば、全周方向に継ぎ目なく、かつ、情報の空間的分解能を向上できる通信システムを備えた移動装置を、提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る通信システムの構成を示す模式図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。 本発明の通信システムの赤外線送信機の構成を示すブロック図である。 送信回路の回路図の一例であり、（ａ）はオフ状態、（ｂ）はオン状態を示している。 図３の可変抵抗の値と通信範囲との関係を示す図である。 送信パルスのフレーム構造を示す図である。 赤外線送信機の回路図の一例である。 赤外線受信機の構成を示すブロック図である。 ワンショット回路において、再トリガを用いる場合を説明する図である。 赤外線受信機の回路図の一例である。 モータを駆動するモータ駆動部のブロック図である。 ワイヤレス給電部を備えた通信システムの構成を示す図である。 ワイヤレス給電部のブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る通信システムを備えた移動装置の一例を示す図である。 送信方向に応じた情報の送信を示す図である。 １０進数に対応する２進数と、３ビットのグレイコードとを示す図である。 送信方向に応じた情報の符号化にグレイコードを用いたときの受信信号を示す図である。 送信方向に応じた情報の符号化に２進数を用いたときの受信信号を示す図である。 ロボットの周辺物体の認識を模式的に説明する図である。 ロボットの周辺物体の認識を説明する図であり、（ａ）はロボットＡからロボットＢへの信号の伝達を、（ｂ）はロボットＡ及びＢの方向ベクトルと相対移動方向の関係を示している。 赤外線送信機と赤外線受信機の距離を、１０ｃｍから１３０ｃｍまで、１０ｃｍ毎に変化させたときの各受信状態の割合の変化を示す図である。 比較例において赤外線送信機と赤外線受信機の距離を、１０ｃｍから１３０ｃｍまで、１０ｃｍ毎に変化させたときの各受信状態の割合の変化を示す図である。 受信素子に設けた遮蔽フードの構成を示す斜視図である。 遮蔽フード未装着時の受信状態を示す図である。 遮蔽フードの装着時の受信状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る通信システム１の構成を示す模式図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
図１（ａ）に示すように、本発明の第１の実施形態に係る通信システム１は、赤外線により送信データを送信する赤外線送信機２と、赤外線により送信された送信データを受信する赤外線受信機３と、赤外線送信機２と赤外線受信機３とをそれぞれ所定の回転数により回転させる駆動部４と、減速機５とを、含んで構成されている。

さらに、通信システム１には、赤外線送信機２が搭載される円盤４ｂの回転情報を検知するセンサ６が配設されてもよく、同様に、赤外線受信機３が搭載される円盤９の回転情報を検知するセンサ７が配設されてもよい。

図１（ａ）に示すように、駆動部４は、モータ４ａと、モータ４ａに接続される赤外線送信機２を搭載する円盤４ｂと、フレーム８に配設され該円盤４ｂに接続される減速機５と、を含んで構成されている。モータ４ａは、中空軸モータ等を用いることができる。減速機５は、図示の場合、歯車５ａ、ベアリング５ｂ、シャフト５ｃ等の部材により減速される。歯車５ａの種類や数及び部材は、後述する減速比に応じて設定すればよい。

赤外線送信機２はモータ４ａの回転数で回転する。モータ４ａの回転数が毎分１００回〜１００００回転の場合、赤外線送信機２の回転数は１００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍとなる。

一方、赤外線受信機３は、フレーム８に配設され、赤外線送信機２を搭載する円盤４ｂに接続される減速機５を介して接続される円盤９上に配設されている。従って、赤外線受信機３の回転数は、赤外線送信機２の回転数よりも小さくなる。赤外線受信機３の回転数は、モータ４ａの回転数を減速機５の減速比で割った値となる。角度分解能を３°とした場合の減速比は、後述するように約３６００となる。赤外線送信機２の回転数が１００００ｒｐｍ、減速比を３６００とすると、赤外線受信機３の回転数は、２．７８ｒｐｍとなる。

本発明では、赤外線送信機２と赤外線受信機３の回転数は異なり、一方が他方より、非常に高速で回転するように設定する。ここで、第１の通信システム１と第２の通信システム１との２つの通信システムがあり、第１の通信システム１の赤外線送信機２と第２の通信システム１の赤外線受信機３との間で通信しようとする場合、赤外線送信機２と赤外線受信機３の回転数が同一である場合には、両者の回転の位相によっては、永遠に向かい合わないこともあり、通信ができなくなる。このように赤外線送信機２と赤外線受信機３の回転数を異ならせることで、赤外線送信機２と赤外線受信機３の回転数が同一である場合に生じる通信障害を、効果的に回避することができる。

図１（ｂ）に示すように、赤外線送信機２と赤外線受信機３とは、例えばプリント基板に形成され、このプリント基板は赤外線送信機２及び赤外線受信機３が搭載される円盤４ｂ，９に配設されている。円盤４ｂ，９が、赤外線送信機２及び／又は赤外線受信機３が搭載されるプリント基板を兼ねてもよい。赤外線送信機２の送信素子２１は、円盤４ｂの外周近辺に配設されている。この送信素子２１により発生される赤外線が、通信システム１の外部に送信される。

送信素子２１としては、赤外線を発光する発光ダイオードを使用することができ、発光ダイオードとしては、無機物の化合物半導体からなるＧａＡｓ等の発光ダイオードや、有機物半導体からなる発光ダイオード等を用いることができる。図１（ｂ）では送信素子２１を一つとして示しているが、送信素子２１は複数設けてもよい。

図１（ｂ）に示すように、赤外線受信機３の受信素子３１は、円盤９の外周近辺に配設されており、この通信システム１以外の通信システムから送信された赤外線が、受信素子３１により受信される。

受信素子３１としては、赤外線を受光できるフォトダイオードを使用することができ、フォトダイオードとしては、Ｓｉからなるｐｎフォトダイオードやｐｉｎフォトダイオードを用いることができる。図１（ｂ）では受信素子３１を一つとして示しているが、受信素子３１は複数設けてもよい。

図１（ｂ）に示すように、通信システム１において、赤外線送信機２は、モータ４ａにより一定方向に一定速度で回転する。赤外線受信機３は、モータ４ａと減速機５とにより一定方向に赤外線送信機２とは異なる一定速度で回転する。これにより、通信システム１において、全周方向で継ぎ目がなく、つまり、シームレスに通信を行うことができる。

（赤外線送信機）
図２は、本発明の通信システム１の赤外線送信機２の構成を示すブロック図である。図２に示すように、赤外線送信機２は、マイクロプロセッサー（マイコンとも呼ぶ）２２と、搬送波用の発振器２３と、論理回路２４と、送信回路２５と、電源回路２６等を含んで構成されている。マイクロプロセッサー２２は、後述する送信パルスを生成する。この送信パルスと搬送波用の発振器２３で発生した、例えば４５５ｋＨｚの般送波とが論理回路２４に入力されて変調される。これにより送信パルスのノイズ耐性が高まる。

図３は送信回路２５の回路図の一例であり、（ａ）はオフ状態、（ｂ）はオン状態を示している。図３に示すように、送信回路２５は、トランジスタ２７と、トランジスタ２７の主電極２７ａに接続される送信素子２１と、一端が送信素子２１に接続される可変抵抗素子２８とからなる。トランジスタの他の主電極２７ｂは接地され、トランジスタ２７の制御電極２７ｃには論理回路２４の出力、つまり、変調した送信パルスが入力される。可変抵抗素子２８の他端には電源が供給される。電源電圧は、Ｖ_ＣＣである。

トランジスタ２７は、バイポーラトランジスタやＭＯＳＦＥＴ等を用いることができる。バイポーラトランジスタの主電極、他の主電極及び制御電極は、それぞれコレクタ、エミッタ、ベースである。ＭＯＳＦＥＴの主電極、他の主電極及び制御電極は、それぞれドレイン、ソース、ゲートである。本発明では、トランジスタ２７はバイポーラトランジスタとして説明する。

図３（ａ）は、バイポーラトランジスタ２７のベース２７ｃに印加されるパルスが０（Ｖ）の場合、つまり、パルスがローベルであり、バイポーラトランジスタ２７はオフ状態である。この場合、送信素子２１には電流が流れないので発光しない。

図３（ｂ）は、バイポーラトランジスタ２７のベース２７ｃに印加される電圧がＶ_Ｂ（Ｖ）の場合、つまり、ハイレベルであり、バイポーラトランジスタ２７はオン状態である。この場合、送信素子２１には電流が流れるので発光する。送信素子２１に流れる電流は、可変抵抗素子２８の値、つまり可変抵抗の値を変化させることにより調整できる。

図４は、図３の可変抵抗の値と通信範囲との関係を示す図である。図４に示すように、送信回路２５において、可変抵抗素子２８の値を小さくすれば、送信素子２１に流れる電流が増大し、赤外線出力が増加するので、通信範囲は拡大する。一方、送信回路２５において、可変抵抗素子２８の値を大きくすれば、送信素子２１に流れる電流が減少し、赤外線出力は減少するので、通信範囲は短くなる。

図５は、送信パルスのフレーム構造を示す図である。図５に示すように、送信パルスは、ヘッダ部とデータ部で構成される（特許文献１参照）。ヘッダ部は、５ａ幅のＯＮとａ幅のＯＦＦからなり、これらを検出することで通信における同期が確立される。ここで、ａは単位パルス幅である。このように、ヘッダ部は、６パルスからなる。

データ部は、送信データの１ビット毎に、２ａ幅のＯＮとａ幅のＯＦＦでデータ「１」を表し、ａ幅のＯＮと２ａ幅のＯＦＦで、データ「０」を表現している。データ長のビット数だけこれらの３ａ幅のパルスを並べている。データが８ビット（１バイト）の場合には、データ部は３ａ幅のパルス×８＝２４ａ幅で表現される。つまり、データ部は、２４パルスからなる。従って、送信パルスは、ヘッダ部の６パルスとデータ部の２４パルスの合計の３０パルスからなる。

回転情報を検知するセンサ６は、現在の送信素子２１が向いている方向に応じて変化する情報を検知し、この情報が赤外線送信機２により送信されてもよい。即ち、赤外線送信機２は、回転情報を検知するセンサ６によって検知された現在の送信素子２１が向いている方向に応じて変化する情報、例えば角度や移動速度を送信することができる。

このような送信パルスでは、複数の赤外線送信機２から発せられた信号が重なった場合に、一方のヘッダ部が他方の任意の場所に現れる。したがって、デコード中にヘッダ部を想定していない箇所で、５ａ幅以上のＯＮが現れることによって、干渉を検出することもできる。

赤外線受信機３が信号をデコードするためには、赤外線送信機２が回転していたとしても、すべての単位パルスにおけるＯＮ／ＯＦＦ状態を観測する必要がある。したがって、各単位パルス中に少なくとも１回ずつ信号を観測するために、単位パルス幅ａを送信機の１回転に要する時間と同じ時間とすることができる。例えば赤外線送信機２の回転数を１００００ｒｐｍとしたとき単位パルス幅ａは、６ｍｓである。

（減速比）
赤外線送信機２がモータ４ａの回転数（Ｎ_ｍ）で回転しているときの赤外線受信機３の回転数（Ｎ_ｒ）について説明する。
赤外線受信機３が特定の方向についてセンシングが可能な時間間隔は、モータ４ａが１周に要する時間（Ｔ_ｍ＝６０／Ｎ_ｍ）と一致するため、それを、単位パルス幅ａ（Ｔ_ｍ）とすればよい。一つの送信データを受信するのに要する時間（Ｔ_ｒ）は、データ部が８ビット（１バイト）の場合には、３０パルス分の時間となる。モータ４ａの回転数（Ｎ_ｍ）を１００００ｒｐｍとした場合、モータ４ａが１周に要する時間（Ｔ_ｍ）は、６ｍｓとなり、一つの送信データを受信するのに要する時間（Ｔ_ｒ）は、６ｍｓ×３０＝１８０ｍｓとなる。
赤外線受信機３が全周方向と通信するのに要する時間（Ｔ_ａｌｌ）は、角度分解能を３°とした場合には、Ｔ_ａｌｌ＝３６０°／３°×１８０ｍｓ＝２１．６ｓとなる。従って、赤外線受信機３の回転数（Ｎ_ｒ）は、６０ｓ／２１．６ｓ＝２．７８ｒｐｍとなる。
減速比は、モータ４ａの回転数（Ｎ_ｍ）／赤外線受信機３の回転数（Ｎ_ｒ）である。この場合、減速比は、１００００／２．７８≒３６００となる。減速比を非常に大きくした場合は、赤外線受信機３の回転数がゼロとなり、赤外線受信機３は、特定方向に固定された状態となる。

図６は、赤外線送信機２の回路図の一例である。図６に示すように、赤外線送信機２は、電源の電圧を所定の電圧とする三端子レギュレータ（トレックス・セミコンダクター製、ＸＣ６２０２Ｐ３３２）３２と、発振器２３となるタイマー用ＩＣ（ナショナルセミコンダクタ製、ＬＭＣ５５５）と、論理回路２４となるＮＡＮＤと、赤外線発光ダイオード（Ｖｉｓｈａｙ製、ＴＳＦＦ５２１０）２１ａと、可変抵抗器２８ａと、バイポーラトランジスタ２７と、図示しない３２ビットマイコン（ルネサスエレクトロニクス製、ＲＸ６２１）等から構成されている。搬送波を発生する発振器２３においては、抵抗Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂ、∨_Ｒの値を変えることにより周波数やデューティ比を調整することができる。

赤外線送信機２は送信素子２１を含み、回転情報を検知するセンサ６によって検知された現在の送信素子２１が向いている方向によらず、一定の強度で信号を送信する。つまり、赤外線送信機２は、回転情報を検知するセンサ６によって検知された送信素子２１が現在向いている方向によらず、一定の強度で信号を送信することができる。これにより、赤外線送信機２は、全周方向に継ぎ目のない通信可能範囲を持たせることができる。通信可能範囲は、可変抵抗器２８ａにより赤外線発光ダイオード２１ａに流す電流を調節することにより、調整することができる。

（赤外線受信機）
次に、赤外線受信機３について説明する。
図７は、赤外線受信機３の構成を示すブロック図である。図７に示すように、赤外線受信機３は、受信素子３１を含む受信回路３５と受信回路３５からの信号を復調するワンショット回路３６と電源３７等を含み構成される。ワンショット回路３６等の出力を可視化するために、マイクロプロセッサー３８やマイクロプロセッサーに接続されるモニタ等がさらに接続されてもよい。

赤外線送信機２が、モータ４ａにより一定速度で回転しているため、赤外線受信機３は赤外線送信機２と向き合っている間だけ信号を受信する。これにより、受信したパルスの幅は送信パルスと比較して極めて短い。この信号をワンショット回路３６に通して、受信信号をトリガとして単位パルス幅ａの時間だけＯＮを出力し続けることによって元のパルスの形状に復元する。

図８は、ワンショット回路３６において、再トリガを用いる場合を説明する図である。図８に示すように、送信信号において単位パルス幅ａのＯＮ信号が連続している場合は、受信素子３１にはトリガとなる信号が単位パルス幅ａの間隔で連続して受信される。これらの連続したトリガからなる受信信号を復元する際には、再トリガ機能を有するワンショット回路３６を用いることで、途切れのない連続したＯＮ信号を安定して得ることができる。

復元された受信パルスは、マイコン３８に入力され、マイコン３８はサンプリングを経てそれをデコードする。このとき、サンプリング間隔は単位パルス幅ａの半分の３ｍｓとした。ワンショット回路３６によるパルス形状の復元は、赤外線送信機２と赤外線受信機３が正対したときのみにトリガとなるパルスを受信することを前提としている。

したがって、送信素子２１の指向性が広い場合など、正対していないときに誤ったトリガを受信することを防ぐために、赤外線受信機３には、後述する遮蔽フード等を受信素子３１に装着してもよい。

図９は、赤外線受信機３の回路図の一例である。図９に示すように、赤外線受信機３は、電源の電圧を所定の電圧とする三端子レギュレータ（トレックス・セミコンダクター製、ＸＣ６２０２Ｐ３３２）３２と、赤外線受信素子（Ｖｉｓｈａｙ製、ＴＳＯＰ７０００）３１ａと、ワンショット回路３６となるタイマー用ＩＣ（ナショナルセミコンダクタ製、ＬＭＣ５５５）と、ワンショット回路３６から出力される信号をデコードする図示しない３２ビットマイコン（ルネサスエレクトロニクス製、ＲＸ６２１）と、マイコンの出力をシリアル信号に変換するインターフェイス回路４１であるＲＳ２３２Ｃラインドライバ（Ｓｉｐｅｘ製、ＳＰ２０２ＥＣＰ）等から構成されている。ワンショット回路３６は、タイマー用ＩＣのピン８に接続される抵抗３９の値を変えることによりＯＮを出力し続ける時間を調整することができる。

（モータ駆動部）
図１０は、モータ４ａを駆動するモータ駆動部４５のブロック図である。図１０に示すように、モータ駆動部４５は、赤外線送信機２を搭載する円盤４ｂを駆動するモータ４ａと、モータ４ａを一定回転速度に速度制御するために用いる該モータ４ａの回転情報を検知するセンサ４ｆと、モータ駆動回路４７を備えて構成されている。回転情報を検知するセンサ４ｆには、ロータリエンコーダや透過型のフォトセンサ等を用いることができる。透過型のフォトセンサの場合には、所定の方向に至ったことを検出し、そこを基準として経過時間と回転速度の関係から角度を割り出してもよい。

赤外線送信機２を搭載する円盤４ｂは、モータ４ａに接続される。赤外線送信機２を搭載する円盤４ｂの軸には、この円盤４ｂの回転情報、即ち、赤外線送信機の回転情報を検知するセンサ６を備えている。回転情報を検知するセンサ６には、ロータリエンコーダや透過型のフォトセンサ等を用いることができる。ここで、回転情報を検知するセンサ６と回転情報を検知するセンサ４ｆの何れか一方が他方を兼ねてもよい。

赤外線受信機３を搭載する円盤９は、赤外線送信機２に接続する減速機５を介して接続される。赤外線受信機３を搭載する円盤９の軸には、この円盤９の回転情報、即ち、赤外線受信機の回転情報を検知するセンサ７を備えている。回転情報を検知するセンサ７には、ロータリエンコーダや透過型のフォトセンサ等を用いることができる。

この赤外線送信機２を、モータ４ａに設置し、例えば、回転速度１００００ｒｐｍで回転させる。即ち、１回転に要する時間は、６ｍｓである。

これにより、ロータリエンコーダ等を用いて速度制御を行うとともに、赤外線送信機２及び赤外線受信機３が向いている瞬間的な方向を逐次認識する。これにより、赤外線送信機２は送信方向に応じて送信情報を切り替えることが可能となるとともに、赤外線受信機３は信号を受信した方向を認識することが可能となる。

送信方向に応じた情報は、グレイコード（Gray Code）を用いて符号化してもよい。つまり、赤外線送信機２の送信データは、グレイコードを含んでもよい。グレイコードは、数値の符号化の一つの手法であり、前後に隣接する符号間のハミング距離が１である特性を有している。従って、グレイコードを用いると、送信方向に応じた情報の変わり目において偽データが生成されないので、送信方向に応じた情報を正確に送出することができる。

（ワイヤレス給電）
通信システム１の赤外線送信機２と赤外線受信機３は、ワイヤレス給電により電力が供給されてもよい。ここで、通信システム１に用いることができるワイヤレス給電について説明する。
非接触で電力を供給する非接触電力伝送方式を用いた受給電装置、所謂ワイヤレス給電装置が知られており、電力を供給する側は送電部、電力が供給される側は受電部とも呼ばれている。

図１１は、ワイヤレス給電部５０を備えた通信システム６０の構成を示す図であり、図１２は、ワイヤレス給電部５０のブロック図である。
図１１に示すように、ワイヤレス給電のための送電コイル５１は、通信システム１の下部に配設されている。赤外線送信機２は、ワイヤレス給電のための受電コイル５５を備えている。同様に、赤外線受信機３は、ワイヤレス給電のための受電コイル５６を備えている。

図１２に示すように、ワイヤレス給電部５０は、送電部６１と受電部６５とから構成される。送電部６１は、直流電源６２と、直流電源６２を交流に変換するインバータ６３と、インバータ６３に接続される送電コイル５１とを含んで構成されている。

受電部６５は、受電コイル５５と、受電コイル５５に接続される整流回路６７と、整流回路６７に接続される負荷６８を含んで構成されている。赤外線送信機２側に設けた受電コイル５５には、負荷６８として赤外線送信機２が接続される。赤外線受信機３側に設けた受電用コイル５６には、負荷６８として赤外線受信機３が接続される。

このように構成された通信システム６０によれば、赤外線送信機２及び赤外線受信機３には、ワイヤレス給電により電源電力が供給されるので、回転によってねじれてしまう余計な配線が不要となる。一方、赤外線送信機２又は赤外線受信機３に電源を搭載する必要がないことから、電源の搭載に起因する重量の増加ならびにそれらを回転するための所要トルクの増加を低減することが可能である。

本発明の通信システム１，６０によれば、赤外線送信機２及び赤外線受信機３がそれぞれ異なる回転速度で回転しているために、不感帯が生じ難く、全周方向でかつ通信距離を限定することが可能な局所通信が可能な通信システムを提供することができる。また、送信方向に応じた情報の空間的分解能を向上するとともに、送信方向に応じた情報の空間的分解能を、任意に設定することができる。

（本発明の第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について説明する。
図１３は、本発明の第２の実施形態に係る本発明の通信システムを備えた移動装置７０の一例を示す図である。図１３に示すように、通信システムを備えた移動装置７０の一例は、ロボットであり、図１１に示す通信システム６０に、さらに、移動用の駆動部７１と、移動用の駆動部７１を制御する中央演算装置（以下、ＣＰＵと呼ぶ）７３と、移動用の駆動部７１及びＣＰＵ７３の電源部７５とを含んで構成されている。

ＣＰＵ７３と、赤外線送信機２及び赤外線受信機３との通信は、別途配設される赤外線通信機による通信回線７６等で行うことができる。赤外線送信機２及び赤外線受信機３は回転体であることから、固定されているＣＰＵとの間の通信回線７６は所謂有線で結ぶことはできない。同時に、多数のロボットによる同時通信に起因する通信の輻輳を回避するためにも、局所的通信であることが望ましい。一方、回転可能な有線接続手段としてスリップリングを用いてもよい。ロボットとしては、床等を走行する搬送用ロボットや掃除用ロボットが挙げられる。

移動用の駆動部７１は、床等を走行するための二次元駆動をする。移動用の駆動部７１は、車輪と車輪を駆動するモータ等を含んで構成されている。

（グレイコード）
図１４は、送信方向に応じた情報の送信を示す図である。図１４に示すように、例えば方向０〜５・・・の番号を、それぞれの方向に受けて送信する情報に対応させる。

図１５は、１０進数に対応する２進数と、３ビットのグレイコードとを示す図である。この図から、１０進数と、２進数と、３ビットのグレイコードとの関係が分かる。

図１６は、送信方向に応じた情報の符号化にグレイコードを用いたときの受信信号を示す図である。図１６に示すように、方向１及び方向２をグレイコードで表した場合、方向１は「００１」であり、方向２は「０１１」である。このため、送信情報の変わり目においては、赤外線受信機３の個体差や回転数のむら等に起因して変化前の信号と変化後の信号のどちらが受信されるかわからない。この不確実性が観測毎に発生するため、結果として受信信号のビット毎に変化前後のどちらの信号が受信されるかわからない。従って、受信信号が「０１１」の場合、方向２と判別される。さらに、受信信号が「００１」の場合、方向１と判別される。

図１７は、送信方向に応じた情報の符号化に２進数を用いたときの受信信号を示す図である。図１７に示すように、方向１及び方向２を２進数で表した場合、方向１は「００１」であり、方向２は「０１０」である。従って、受信信号が「０１１」の場合、方向３と誤って判別される。さらに、受信信号が「０００」の場合、方向０と誤って判別される。これから、送信方向に応じた情報の伝送は、２進数ではなくグレイコードを使用することによって、送信情報の変わり目においてさえその前後のどちらかの情報が安定して受信できることが分かる。

（送信データ）
赤外線送信機２は、送信データとして、ロボットの個体識別番号（以下、ＩＤと呼ぶ）と、移動方向を示す角度情報等を、周囲のロボットに送信する。

赤外線受信機３は、周囲のロボットのＩＤと、移動方向を示す角度情報等の送信データを他のロボットから受信する。

本発明のロボットに用いる赤外線送信機２の送信出力の調整は、赤外線発光ダイオード２１ａに流れる電流を制御することで実現できる。このため、赤外線送信機２の送信出力、すなわち複数のロボットの間における赤外線の到達距離を自由に調節できる。さらに、赤外線送信機２及び赤外線受信機３がそれぞれ異なる回転数で回転しているので、通信範囲を全周方向に継ぎ目なく、局所化することが可能となる。

これにより、通信帯域を圧迫することなく、隣接したロボットのみの問で赤外線による情報を交換することができる。

（通信相手の識別及び行動認識）
以上説明したように、各ロボットは固有のＩＤを有しており、送信情報にその固有のＩＤを付加している。
図１８は、ロボットの周辺物体の認識を模式的に説明する図である。図１８に示すように、ロボットＡとロボットＢとは相互に通信することにより、近接するロボットに固有のＩＤと、このロボットの移動方向に関する送信データを受信する。これにより、受信した送信データに含まれるＩＤから、それを送信した相手のロボットを識別することができる。また、そのＩＤが自身のＩＤと一致する場合は、障害物に反射した自身の情報を取得したとみなし、障害物の存在を認識できる。

赤外線送信機２及び赤外線受信機３がそれぞれ異なる回転数で回転しているので、信号を受信したロボットは受信した方向を通信相手または障害物が存在する相対的な方向として判別することができる。

また、送信する送信データに、ロボットの移動方向を基準として現在どの方向に送信しているのかを表す相対的な方向情報を、移動方向を示す角度情報として付加することで、送信データとその受信した方向に基づいて相手のロボットの移動方向を算出することが可能となる。

（ロボットの相対的な移動方向の算出）
次に、ロボットの通信相手の相対的な移動方向を算出する方法を説明する。
図１９は、ロボットの周辺物体の認識を説明する図であり、（ａ）はロボットＡからロボットＢへの信号の伝達を、（ｂ）はロボットＡ及びＢの方向ベクトルと相対移動方向の関係を示している。図１９（ａ）に示すように、ロボットＡが移動方向に対して９０°方向に送信する情報を、ロボットＢが移動方向に対して４５°方向から受信している。なお、方向は時計周りを正とする角度で表現する。

図１９（ｂ）は、ロボットＡの移動ベクトルＶ_Ａと、ロボットＢの移動ベクトルＶ_Ｂと、ロボットＢが送信した方向情報θ_Ｂと、ロボットＡがその信号を受信した方向θ_Ａとの関係を示している。

Ｖ_Ａと始点を共有し、Ｖ_Ｂと方向および大きさが同じベクトルを、Ｖ_Ｂ’とする。このとき、Ｖ_ＡとＶ_Ｂ’のなす角、すなわちロボットＡから見たロボットＢの相対的な移動方向は、１８０°＋θ_Ａ°−θ_Ｂ°となる。図１９（ｂ）の場合、ロボットＢの相対的な移動方向は、１８０°＋９０°-４５°＝２２５°となる。

移動速度は、別途符号化して送信情報、即ち送信データに付加することで容易に伝送できる。従って、本発明の通信システムを備えた移動装置７０としてのロボットは、互いに衝突回避をするために、相手の行動、つまり、移動方向や移動速度を認識することができる。

本発明の通信システム１，６０又は通信システムを備えた移動装置７０は、道路を走行する自動車間の通信手段として用いることもできる。自動車間通信においては、相手の行動のみならず、将来的な車両間で映像情報を送受するアプリケーションの増加を想定して、見ず知らずの相手に対して高速通信機器のＩＤなどを交換することによって、すれ違いざまに大容量の通信路を確保することが必要である。本発明の局所的通信は、すれ違いざまに隣接する車両間のみでＩＤなどの情報を交換する手段にも使用することができる。
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

実施例として、図１の通信システム１を作製した。通信システム１では、図６の赤外線送信機２と、図９の赤外線受信機３を作製した。赤外線送信機２の出力は、通信範囲が１００ｃｍ程度となるように赤外線発光ダイオード２１ａに流す電流を調整した。

実施例の通信システム１の性能評価を行った。１０００ｒｐｍで回転する赤外線送信機２から固定された赤外線受信機３に片方向通信を行った。赤外線送信機２は同じデータを反復的に送信することとし、データ長を８ビット（ｂｉｔ）、データを２進数で「１０１０１０１０」とした。
受信状態は、以下のように判定した。
正常受信：データを受信し、受信データが送信データと一致した状態。
異常受信：データを受信し、受信データが送信データと一致しない状態。
フレームエラー：信号は受信しているが、正しくデコードできない状態。
未受信：一定時間、信号を受信していない状態。

図２０は、赤外線送信機２と赤外線受信機３の距離を、１０ｃｍから１３０ｃｍまで、１０ｃｍ毎に変化させたときの各受信状態の割合の変化を示す図である。図２０から明らかなように、１００ｃｍより長い距離で未受信の割合が大きくなっており、赤外線通信の局所性が確認できた。さらに、また、２０ｃｍから１００ｃｍまでは、正常受信ができることが分かった。なお、実施例においては、赤外線受信時に遮蔽フードは装着されていない。

（比較例）
赤外線送信機２を固定して、実施例と同じ条件で実験した。
図２１は、比較例において赤外線送信機２と赤外線受信機３の距離を、１０ｃｍから１３０ｃｍまで、１０ｃｍ毎に変化させたときの各受信状態の割合の変化を示す図である。図２１から明らかなように、１００ｃｍより長い距離で未受信の割合が大きくなっており、通信の局所性が確認できる。
上記実施例及び比較例の結果から、実施例において赤外線送信機２を回転させたことによる正常受信の割合の低下は約２０ポイント程度であることが分かった。

赤外線送信機２を回転させた場合に、固定した場合よりも正常受信の割合が低下している原因として、回転の影響で受信したパルスが時間軸方向にぶれていることと、同パルスにノイズが混入していることが確認された。

図２２は、受信素子３１に設けた遮蔽フード７７の構成を示す斜視図である。図２２に示すように、遮蔽フード７７においては、その入り口７７ａと入り口から４０ｍｍの位置７７ｂの２箇所に、１ｍｍ×５ｍｍのスリット７７ａ，７７ｂを配設している。遮蔽フード７７を設けることにより、素子同士が正対したときにのみ送信信号が受信素子３１に照射される。

遮蔽フード７７の有無による受信信号の違いを測定した結果について説明する。
図２３は、遮蔽フード未装着時の受信状態を、図２４は遮蔽フード７７の装着時の受信状態を示す図である。図２３及び図２４も何れも、それぞれ受信したパルスのヘッダ部からデータ部が始まる部分の受信波形を示している。各図において、上のパルスが受信素子３１の出力、すなわち、ワンショット回路３６のトリガ入力であり、下のパルスが、ワンショット回路３６の出力、すなわち、復元した受信パルスである。各図において、横軸は１００ｍｓ／ｄｉｖ．であり、縦軸は２Ｖ／ｄｉｖ．である。

ここで、使用したワンショット回路３６のトリガ入力は、アクティブローであるため、受信素子３１の出力が反転した様子が示されている。単位パルス幅は６０ｍｓであることから、ワンショット回路に入力される信号のヘッダ部は、「６０ｍｓ毎の５回のトリガ＋６０ｍｓ分のトリガ無し」となる。また、データ部は、「１０１０１０１０」であり、「１」と「０」を繰り返している。データ「１」は、「６０ｍｓ毎の２回のトリガ＋６０ｍｓ分のトリガ無し」となる。データ「０」は、「６０ｍｓ毎の１回のトリガ＋１２０ｍｓ分のトリガ無し」となる。

図２３から明らかなように、遮蔽フード７７が未装着時の受信状態は、トリガの幅が不安定であるとともに、部分的にノイズが見られる。結果として復元された信号は、送信パルスの形状と異なった形状となっており、フレームエラーとして認識される原因となる。

図２４から明らかなように、遮蔽フード７７の装着時の受信状態は、トリガの幅がほぼ一定であり、ノイズも見られないことから、遮蔽フード７７の効果が確認された。

本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

１：通信システム
２：赤外線送信機
３：赤外線受信機
４：駆動部
４ａ：モータ
４ｂ：円盤
４ｆ：モータの回転情報を検知するセンサ
５：減速機
５ａ：歯車
５ｂ：ベアリング
５ｃ：シャフト
６，７：センサ
８：フレーム
９：円盤
２１：送信素子
２１ａ：赤外線発光ダイオード
２２，３８：マイコン
２３：発振器
２４：論理回路
２５：送信回路
２６：電源回路
２７：トランジスタ
２８：可変抵抗素子
３１：受信素子
３１ａ：赤外線受信素子
３２：三端子レギュレータ
３５：受信回路
３６：ワンショット回路
３７：電源回路
４１：インターフェイス回路
４５：モータ駆動部
４７：モータ駆動回路
５０：ワイヤレス給電部
５１：送電コイル
５５，５６：受電コイル
６１：送電部
６２：直流電源
６３：インバータ
６５：受電部
６７：整流回路
６８：負荷
７０：通信システムを備えた移動装置
７１：移動用の駆動部
７３：ＣＰＵ
７５：電源部
７６：ＣＰＵと赤外線送信機及び赤外線受信機との通信回線
７７：遮蔽フード
７７ａ，７７ｂ：スリット

Claims (6)

1. 送信素子から発生される赤外線により送信データを送信する赤外線送信機と、
   赤外線により送信された送信データを受信する赤外線受信機と、
   前記赤外線送信機と前記赤外線受信機とをそれぞれの所定の回転数により回転させる駆動部と、
   を備え、
   前記赤外線送信機は、該赤外線送信機の回転情報を検知するセンサを有しており、該センサは、現在の前記送信素子が向いている方向に応じて変化する情報を検知し、該情報が前記赤外線送信機により送信され、
   前記赤外線送信機と前記赤外線受信機の回転数は異なり、一方が他方より高速で回転するように設定される、通信システム。
2. 前記赤外線受信機は、該赤外線受信機の回転情報を検知するセンサを備える、請求項１に記載の通信システム。
3. 前記送信素子は、前記回転情報を検出するセンサによって検知された該送信素子の現在向いている方向によらず、一定の強度で信号を送信する、請求項１に記載の通信システム。
4. 前記赤外線送信機の送信データは、グレイコードを含む、請求項１〜３の何れかに記載の通信システム。
5. 前記赤外線送信機と前記赤外線受信機は、ワイヤレス給電により電力が供給される、請求項１〜４の何れかに記載の通信システム。
6. 請求項１〜５の何れかに記載の通信システムを備えた、移動装置。

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