JP6996759B2

JP6996759B2 - 無線通信装置、無線通信システム、無線通信方法及びプログラム

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Publication number: JP6996759B2
Application number: JP2019091234A
Authority: JP
Inventors: 徹染野
Original assignee: NEC Platforms Ltd
Current assignee: NEC Platforms Ltd
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2019-05-14
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2039-05-14
Also published as: JP2020188352A

Description

本発明は、無線通信装置、無線通信システム、無線通信制御方法及びプログラムに関する。

特許文献１には、複数のアンテナを選択して通信を行なう無線機を備えた飛翔体が開示されている。当該無線機は、飛翔体の位置情報、姿勢情報、通信相手の位置情報から、飛翔体及び通信相手との位置関係を算出処理し、当該算出処理結果に基づき、通信に適するアンテナを選択する。

また、従来より、複数のアンテナから受信電界強度が最も大きいアンテナを適宜選択することで、通信環境の悪化を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献２）。特許文献２では、測定モードにおいて、アンテナを順次切り替え、切り替えられたアンテナにより捉えられた無線信号の受信信号強度を測定しつつ、無線信号からデータを取得し、測定モードが終了すると、測定結果に基づいて通常モードで使用するアンテナを決定している。

特開２０１０－１５４２９３号公報特開２０１５－９０９９９号公報

コントローラと無線通信可能な複数のアンテナを備えるドローン等の無人航空機（Unmanned Aerial Vehicle：ＵＡＶ）では、コントローラとＵＡＶとの距離が近く、電波強度が強い状態に、複数のアンテナを用いたＭＩＭＯ（multiple-input and multiple-output）技術が用いられる。これにより、通信スループットを高くし、ＵＡＶに搭載されたカメラの高解像度の画像や各種のセンサ情報等、大量データを送信することができる。

一方、コントローラとＵＡＶとの距離が遠く、電波強度が弱い状態では、通信スループットが低くなり、通信の維持が最優先となる。このような場合、障害物等により急激な電波強度の低下が発生すると、通信が切断されてしまうということが発生する。

本開示の目的は、上述した問題を鑑み、急激な電波強度の低下が発生した場合でも、通信を維持することが可能な無線通信装置、無線通信システム、無線通信方法及びプログラムを提供することにある。

本発明の一態様に係る無線通信装置は、コントローラと無線通信を行う複数のアンテナと、前記コントローラと前記アンテナとの間の障害物情報及び電波強度情報に基づいて前記コントローラとの無線通信に用いる前記アンテナの本数を切り替え、前記アンテナ１本あたりの送信出力を変化させる制御部とを備えるものである。

本発明の一態様に係る無線通信システムは、コントローラと、コントローラと無線通信を行う複数のアンテナと、前記コントローラと前記アンテナとの間の障害物情報及び電波強度情報に基づいて前記コントローラとの無線通信に用いる前記アンテナの本数を切り替え、前記アンテナ１本あたりの送信出力を変化させる制御部とを有する無線通信装置とを備えるものである。

本発明の一態様に係る無線通信方法は、コントローラと複数のアンテナとの間の障害物情報及び電波強度情報に基づいて前記コントローラとの無線通信に用いる前記アンテナの本数を切り替え、前記コントローラとの無線通信に用いる前記アンテナ１本あたりの送信出力を変化させ無線通信を行う。

本発明の一態様に係るプログラムは、コントローラと複数のアンテナとの間の障害物情報及び電波強度情報に基づいて前記コントローラとの無線通信に用いる前記アンテナの本数を切り替える処理と、前記コントローラとの無線通信に用いる前記アンテナ１本あたりの送信出力を変化させ無線通信を行う処理と、をコンピュータに実行させる。

本発明によれば、急激な電波強度の低下が発生した場合でも、通信を維持することが可能な無線通信装置、無線通信システム、無線通信方法及びプログラムを提供することができる。

実施の形態に係る無線通信装置を搭載したドローンとコントローラの無線通信を可視的に示す図である。実施の形態に係る無線通信装置の構成を示す図である。実施の形態１に係る無線通信装置を用いた無線通信システムの構成を示す図である。実施の形態１に係る無線通信方法を示すフロー図である。図４のステップＳ１５の判断における電波強度の閾値とコントローラとの通信に用いるアンテナの本数の一例を示す図である。実施の形態２に係る無線通信装置を用いた無線通信システムの構成を示す図である。実施の形態２に係る無線通信方法を示すフロー図である。実施の形態３に係る無線通信装置を用いた無線通信システムの構成を示す図である。実施の形態３に係る無線通信方法を示すフロー図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、様々な処理を行う機能ブロックとして図面に記載される各要素は、ハードウェア的には、ＣＰＵ、メモリ、その他の回線で構成することができる。また、本発明は、任意の処理を、ＣＰＵ（Central Processing Unit）にコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。従って、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。

また、上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-Transitory computer Readable Medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage Medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ－ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（Transitory computer Readable Medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。なお、以下に説明する図面において、同一の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

実施の形態は、複数のアンテナを選択して電波の送受信を行う無線通信技術に関する。図１は、実施の形態に係る無線通信装置を搭載したドローンとコントローラの無線通信を可視的に示す図である。図１に示すように、実施の形態に係る無線通信装置は、コントローラ２０により制御され得る無人航空機（Unmanned Aerial Vehicle：ＵＡＶ）の一例であるドローン１０に搭載される。ドローン１０とコントローラ２０との通信は、障害物３０等により急激な電波強度の低下が発生すると切断されてしまう場合がある。このような問題に鑑み、本発明者は以下の実施の形態を考案した。

図２は、実施の形態に係る無線通信装置１の構成を示す図である。無線通信装置１は、コントローラ２０と無線通信を行う複数のアンテナ２と、コントローラ２０とアンテナ２との間の障害物情報及び電波強度情報に基づいてコントローラ２０との無線通信に用いるアンテナ２の本数を切り替え、アンテナ１本あたりの送信出力を変化させる制御部３とを備える。これにより、急激な電波強度の低下が発生した場合でも、通信を維持することが可能となる。以下、具体的な実施の形態について説明する。

実施の形態１．
図３は、実施の形態１に係る無線通信装置を用いた無線通信システムの構成を示す図である。無線通信システムは、実施の形態１に係る無線通信装置を搭載したドローン１０と、ドローン１０と無線通信を行うコントローラ２０とを含む。ドローン１０とコントローラ２０とは、相互にデータを送信／受信する機能を有する。ドローン１０とコントローラ２０との通信方式としては、例えば、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）通信やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）通信等を利用することができる。

ドローン１０は、複数のアンテナ１１、送受信部１２、制御部１３、カメラ１４、センサ１５、駆動部１６を備える。ここでは、ドローン１０には、３本のアンテナ１１が設けられているものとする。電波法上の制約により、データを送信する際にアンテナを３本用いる時は、１本用いる時の１／３の送信出力にする必要がある。データ送信時のアンテナの本数を減らすことにより、アンテナ１本あたりの送信出力を上げることができる。以下の説明において、ドローン１０のアンテナ１１の選択は、データ送信時に行われるものとする。また、以下の説明及び図面において、送信時に用いられるアンテナ１１を送信アンテナと称する場合がある。なお、データ受信時は、電波法上の制約が無いため、常にアンテナ３本を使用する。

ドローン１０は、複数のアンテナ１１から所定の本数のアンテナを選択して、コントローラ２０との通信を行う。制御部１３は、各構成要素間におけるデータの送受信を制御して、ドローン１０全体の動作を制御する。制御部１３は、例えば、ＣＰＵであり、メモリ（不図示）に格納されたプログラム等を実行して各処理を実行する。コントローラ２０との通信に用いるアンテナ１１の選択は、制御部１３によって実行される。アンテナ１１の選択方法については、後に詳述する。

ドローン１０は、コントローラ２０に対して、所定のデータ、例えば、カメラ１４で撮影された静止画・動画データのほか、所定の情報、例えば、各種のセンサ１５により取得された飛行位置情報（緯度、経度、高度等）、飛行経路、飛行速度、飛行時間、加速度、傾き、バッテリーの使用量／残量等の情報を、自動で又はユーザからの要求に応じて送信する。駆動部１６は、ドローン１０のモータ等の推進機構（不図示）を駆動する。例えば、駆動部１６がモータを駆動してプロペラを回転させることで、ドローン１０に揚力を生じさせることができる。

コントローラ２０は、アンテナ２１、送受信部２２、制御部２３、入力部２４、表示部２５、超音波センサ２６を備える。コントローラ２０としては、例えば、ワークステーションやパーソナルコンピュータのような汎用コンピュータや、スマートフォン、タブレット等の携帯端末等を用いることができる。ドローン１０から送信される所定のデータ及び情報は、アンテナ２１を介して送受信部２２により受信される。

制御部２３は、コントローラ２０の各構成要素間におけるデータの送受信を制御する。アンテナ２は、ＣＰＵ等の１つ以上のプロセッサを有することができる。また、制御部２３は、図示しないメモリにアクセス可能である。該メモリには、コントローラ２０が実行可能なプログラム等が格納されている。なお、メモリは、ＳＤカード等の分離可能な媒体を含んでいてもよい。ドローン１０から取得したデータ及び情報は、メモリに直接に伝送され、記憶されてもよい。例えば、カメラ１４で撮影した静止画・動画データが内蔵メモリ又は外部メモリに記録される。

コントローラ２０は、ドローン１０の状態を制御するように構成され得る。例えば、コントローラ２０は、６自由度（並進運動ｘ、ｙ及びｚ、並びに回転運動θｘ、θｙ及びθｚ）を有するドローン１０の空間的配置、速度、加速度等を調整するために、駆動部１６を制御する制御信号を生成することができる。

入力部２４は、キーボード・マウス類等の情報入力機器である。表示部２５は、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等のディスプレイパネルである。表示部２５は、ドローン１０から送信された画像、動画データを含む所定の情報を、内蔵された表示用ソフトウェアよって表示する。

超音波センサ２６は、ドローン１０とコントローラ２０との間の障害物３０を検知する障害物検知部である。障害物検知部としては、超音波センサ２６のほか、光学式センサ等の他のセンサを用いることも可能である。なお、実施の形態１では、超音波センサ２６は、コントローラ２０側に設けられており、ドローン１０側には設けられていない。

ここで、図４を参照して、実施の形態１に係る無線通信方法について説明する。図４は、実施の形態１に係る無線通信方法を示すフロー図である。図４では、アンテナ１１の選択方法が示されている。図４に示すように、まず、ドローン１０とコントローラ２０の電源を入れ、無線通信が確立した状態とする（ステップＳ１０）。次に、超音波センサ２６により、障害物３０の情報が取得される（ステップＳ１１）。

取得された障害物３０の情報に基づき、コントローラ２０とアンテナ１１との間に障害物が無いか判断される（ステップＳ１２）。ドローン１０とコントローラ２０との間に障害物が無い場合（ステップＳ１２、ＹＥＳ）、アンテナ１１の本数を切り替えず、３本のアンテナ１１が用いられる（ステップＳ１３）。この場合、ＭＩＭＯ（multiple-input and multiple-output）技術により、高い通信スループットで、安定した通信が実現される。これにより、カメラ１４により撮影された高解像度の映像や各種のセンサ１５からの情報等を送信することができ、ユーザは、必要な情報を表示部２５に表示させることができる。

一方、ドローン１０とコントローラ２０との間に障害物３０が存在する場合（ステップＳ１２、ＹＥＳ）、ドローン１０から電波強度情報が取得される（ステップＳ１４）。そして、取得された電波強度情報に基づいて、コントローラ２０との通信に用いるアンテナの本数を障害物が存在しない場合よりも少なくする。具体的には、まず、取得された電波強度情報が、所定の値以上であるかが判断される（ステップＳ１５）。

図５に、ステップＳ１５の判断における電波強度の閾値とコントローラ２０との通信に用いるアンテナの本数の一例が示される。ここでは、ステップＳ１５の判断における電波強度の閾値は、－６０ｄＢｍとする。電波強度情報が－６０ｄＢｍ以上である場合、アンテナ１１の本数を２本とする。また、電波強度が－６０ｄＢｍよりも小さい場合、アンテナ１１の本数を１本とする。

図４に戻り、ステップＳ１５において、電波強度情報が－６０ｄＢｍ以上である場合（ＹＥＳ）、アンテナ１１の本数を２本に切り替え、アンテナ１本あたりの送信出力を３ｄＢ上げる（ステップＳ１６）。一方、電波強度が－６０ｄＢｍよりも小さい場合（ステップＳ１５、ＮＯ）、アンテナ１１の本数を１本に切り替え、アンテナ１本あたりの送信出力を６ｄＢ上げる（ステップＳ１７）。

このように、実施の形態１によれば、超音波センサ２６による障害物情報及び電波強度情報に基づいて、通信が途切れる前に、アンテナ１１の本数を切り替えアンテナ１本あたりの送信出力を上げることができる。これにより、ドローン１０とコントローラ２０との間の障害物３０により、急激な電波強度の低下が発生する場合においても、通信を維持することが可能となる。

実施の形態２．
図６は実施の形態２に係る無線通信装置を用いた無線通信システムの構成を示す図である。実施の形態２において、実施の形態１と異なる点は、ドローン１０、コントローラ２０がそれぞれ位置特定部であるＧＰＳ１７、ＧＰＳ２７を備えている点である。また、実施の形態２では、ドローン１０とコントローラ２０との間の障害物を検知する超音波センサ１８は、ドローン１０側に設けられており、コントローラ２０側には設けられていない。なお、その他の構成については、実施の形態１と同様である。

ＧＰＳ１７、ＧＰＳ２７はそれぞれドローン１０、コントローラ２０の現在位置を測位するものである。なお、ドローン１０、コントローラ２０の位置を特定できればよく、その構成や測位方法は特に限定されない。また、ドローン１０、コントローラ２０が基地局と通信可能である場合、通信する基地局から現在位置に関する情報を取得することも可能である。実施の形態２では、ドローン１０は、ＧＰＳ２７によるコントローラ２０の位置情報と、ＧＰＳ１７によるドローン１０自装置の位置情報とを用いて、障害物の検知を実行する。

具体的には、ＧＰＳ１７、ＧＰＳ２７からの位置情報に基づいて、ドローン１０とコントローラ２０が互いの位置を把握する。そして、ドローン１０の超音波センサ１８をコントローラ２０に向けて、ドローン１０とコントローラ２０との間の障害物を検知する。この障害物情報及び電波強度情報に基づいて、コントローラ２０との通信に用いるアンテナ１１の本数を切替え、１本あたりの送信出力を上げる制御を行う。

ここで、図７を参照して、実施の形態２に係る無線通信方法について説明する。図７は、実施の形態２に係る無線通信方法を示すフロー図である。図７に示すように、まず、ドローン１０とコントローラ２０の電源を入れ、無線通信が確立した状態とする（ステップＳ２０）。次に、ドローン１０、コントローラ２０に搭載されたＧＰＳ１７、ＧＰＳ２７から互いの位置情報（ＧＰＳ情報）を取得する（ステップＳ２１）。そして、取得したＧＰＳ情報に基づいて互いの位置を把握し、ドローン１０の超音波センサ１８をコントローラ２０に向ける（ステップＳ２２）。

ドローン１０の超音波センサ１８をコントローラ２０に向けた状態で、超音波センサ１８により、ドローン１０とコントローラ２０との間の障害物３０の情報が取得される（ステップＳ２３）。以降、ステップＳ２４～ステップＳ２９では、図４のステップＳ１２～ステップＳ１７と同様に、障害物情報及び電波強度情報に基づいて、コントローラ２０との通信に用いるアンテナ１１の本数を切替え、１本あたりの送信出力を上げる制御が実行される。

このように、実施の形態２では、ドローン１０とコントローラ２０の互いの位置を把握することで、ドローン１０側に設けられた超音波センサ１８により障害物を検知することができる。

実施の形態３．
図８は実施の形態３に係る無線通信装置を用いた無線通信システムの構成を示す図である。実施の形態３において、実施の形態１と異なる点は、ドローン１０、コントローラ２０がそれぞれ位置特定部であるＧＰＳ１７、ＧＰＳ２７を備えている点である。実施の形態３では、ドローン１０とコントローラ２０との間の障害物を検知する障害物検知部として、ドローン１０に設けられたカメラ１４が用いられる。なお、その他の構成については、実施の形態１と同様である。

実施の形態３では、実施の形態２と同様に、ＧＰＳ１７、ＧＰＳ２７からの位置情報に基づいて、ドローン１０とコントローラ２０が互いの位置を把握する。そして、ドローン１０のカメラ１４をコントローラ２０に向けて、カメラ１４により撮影される画像に基づいてドローン１０とコントローラ２０との間の障害物が検知される。この障害物情報及び電波強度情報に基づいて、コントローラ２０との通信に用いるアンテナ１１の本数を切替え、１本あたりの送信出力を上げる制御を行う。

ここで、図９を参照して、実施の形態３に係る無線通信方法について説明する。図９は、実施の形態３に係る無線通信方法を示すフロー図である。図９に示すように、まず、ドローン１０とコントローラ２０の電源を入れ、無線通信が確立した状態とする（ステップＳ３０）。次に、ドローン１０、コントローラ２０に搭載されたＧＰＳ１７、ＧＰＳ２７から互いの位置情報（ＧＰＳ情報）を取得する（ステップＳ３１）。そして、取得したＧＰＳ情報に基づいて互いの位置を把握し、ドローン１０のカメラ１４をコントローラ２０に向ける（ステップＳ３２）。

ドローン１０のカメラ１４をコントローラ２０に向けた状態で、カメラ１４により、ドローン１０とコントローラ２０との間の障害物３０の情報が取得される（ステップＳ３３）。ここでの障害物情報は、カメラ１４により撮影された障害物３０を含む画像である。次に、撮影された画像に対して画像認識処理を実施することで、ドローン１０とコントローラ２０との間の障害物３０の有無が判断される（ステップＳ３４）。ステップＳ３４～ステップＳ３９では、図４のステップＳ１２～ステップＳ１７と同様に、障害物情報及び電波強度情報に基づいて、コントローラ２０との通信に用いるアンテナ１１の本数を切替え、１本あたりの送信出力を上げる制御が実行される。

このように、実施の形態３では、ドローン１０とコントローラ２０の互いの位置を把握することで、ドローン１０側に設けられたカメラ１４を用いて障害物を検知することができる。

以上説明したように、実施の形態では、超音波センサやカメラにより得られる障害物情報と電波強度情報とに基づいて、通信が切れる前に、送信アンテナの本数を切替え、１本あたりの送信出力を上げる。これにより、コントローラとドローン間の障害物による急激な電波強度の低下が発生した場合においても、通信を維持することが可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。実施の形態では、無線通信装置は、ドローン等の無人航空機に搭載され、空中を移動するものとしたが、これに限定されない。例えば、無線通信装置は、地上や地下、水上等を移動可能な装置として構成されてもよい。

１無線通信装置
２アンテナ
３制御部
１０ドローン
１１アンテナ
１２送受信部
１３制御部
１４カメラ
１５センサ
１６駆動部
１７ＧＰＳ
１８超音波センサ
２０コントローラ
２１アンテナ
２２送受信部
２３制御部
２４入力部
２５表示部
２６超音波センサ
２７ＧＰＳ
３０障害物

Claims

コントローラと無線通信を行う複数のアンテナと、
前記コントローラと前記アンテナとの間の障害物情報及び電波強度情報に基づいて前記コントローラとの無線通信に用いる前記アンテナの本数を切り替え、前記アンテナ１本あたりの送信出力を変化させる制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記コントローラと前記アンテナとの間に障害物が存在する場合、前記電波強度情報に基づいて、前記コントローラとの無線通信に用いる前記アンテナの本数を障害物が存在しない場合よりも少なくし、前記アンテナ１本あたりの送信出力を上げる、
無線通信装置。
前記コントローラと前記アンテナとの間の障害物を検知する障害物検知部をさらに備える、
請求項１に記載の無線通信装置。
自装置の位置情報を特定する位置特定部をさらに備え、
前記障害物検知部は、前記コントローラの位置情報と前記位置特定部による自装置の位置情報とを用いて障害物の検知を実行する、
請求項２に記載の無線通信装置。
コントローラと、
請求項１に記載の無線通信装置と、
を備える、
無線通信システム。
前記コントローラ又は前記無線通信装置の少なくとも一方に設けられた、前記コントローラと前記アンテナとの間の障害物を検知する障害物検知部をさらに備える、
請求項４に記載の無線通信システム。
前記コントローラ及び前記無線通信装置は、それぞれ自装置の位置情報を特定する位置特定部を備え、
障害物検知部は、前記コントローラ及び前記無線通信装置それぞれの自装置の位置情報を用いて障害物の検知を実行する、
請求項５に記載の無線通信システム。
前記無線通信装置は、無人飛行機に搭載される、
請求項４～６のいずれか１項に記載の無線通信システム。
コントローラと複数のアンテナとの間の障害物情報及び電波強度情報に基づいて前記コントローラとの無線通信に用いる前記アンテナの本数を切り替え、
前記コントローラと前記アンテナとの間に障害物が存在する場合、前記電波強度情報に基づいて、前記コントローラとの無線通信に用いる前記アンテナの本数を障害物が存在しない場合よりも少なくし、前記アンテナ１本あたりの送信出力を上げる、
無線通信方法。
コントローラと複数のアンテナとの間の障害物情報及び電波強度情報に基づいて前記コントローラとの無線通信に用いる前記アンテナの本数を切り替える処理と、
前記コントローラと前記アンテナとの間に障害物が存在する場合、前記電波強度情報に基づいて、前記コントローラとの無線通信に用いる前記アンテナの本数を障害物が存在しない場合よりも少なくし、前記アンテナ１本あたりの送信出力を上げる処理と、
をコンピュータに実行させる、
プログラム。