JP7149554B2 - 通信システム及び信号変復調方法 - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 （１）平成２９年６月２０－２１日に「せんだいメディアテーク」において開催された「ＩＣＴフェアｉｎ東北２０１７」にてタイトル「空間的にシームレスな局所的通信システム」として発表。（２）平成２９年５月１０－１３日に「ビッグパレットふくしま」において「一般社団法人 日本機械学会 ロボティクス・メカトロニクス部門」により開催された「ＲＯＢＯＭＥＣＨ ｉｎ ＦＵＫＵＳＨＩＭＡ ２０１７」にてタイトル「信号多重化技術を用いた空間的にシームレスな局所的通信システムの通信速度改善」として発表。（３）平成２９年９月１１－１４日に「東洋大学川越キャンパス」において「一般社団法人 日本ロボット学会」により開催された「第３５回日本ロボット学会学術講演会」にてタイトル「信号多重化技術を用いた空間的にシームレスな局所的通信システムにおける回転を考慮したデコード手法」として発表。

本発明は、通信システム及び信号変復調方法に関する。

複数のロボットが同一の二次元空間で作業している場合、ロボット間で互いの衝突を回避する動作が必要不可欠である。この回避動作を効率的に行うには、相手の位置だけでなくその行動を考慮することが望ましい。

非特許文献１には、赤外線を用いた局所的通信システムを構築することによって、ロボット間で互いの行動情報を直接交換し、衝突を回避する手法が報告されている。この手法では、二次元平面上を移動するロボットが全周方向に存在する複数のロボットと通信するために、各ロボットの本体には赤外線発光素子及び受光素子が放射状に配置されている。

しかしながら、隣接した素子同士の指向性の谷間で通信不感帯が生じる。また、送信方向に応じて情報を切り替える場合、その分解能は素子の数に依存する。従って、ロボットの設計段階でその分解能が決定され、自由に変更することができなかった。

Kemppainenらは、各ロボットから発信されたパルス信号をシームレスに検出することによって、ロボット間の位置関係を認識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において、送信機は、赤外線発光素子から発信されるパルス光を円錐ミラーに当てて反射させることによって、全周方向に同パルスを送信する。一方、受信機には回転するミラーが設置されており、そのミラーを介して全周方向からのパルス光を受信する。

しかしながら、非特許文献２のシステムでは、全周方向に対して固有周波数のパルスを送信するのみであり、情報の伝送まで意図されてはいない。

非特許文献３において、赤外線送信機と赤外線受信機をそれぞれ回転させることによって、空間的にシームレスな局所的通信を行うことが報告されている。

図１８は、非特許文献３で用いられている送信パルスのフレーム構造を示す図であり、図１９は、図１８のデータ部で用いられているビットデータを示す図である。
図１８に示すように、送信パルスのフレーム構造は、ヘッダー部と、データ部とから構成されている。フレームの先頭を表すヘッダー部は、５ａ幅のＯＮと１ａ幅のＯＦＦで構成される。ここで、ａは単位パルス幅である。受信機はこのヘッダー部を認識した後、データ部の信号のデコードを開始する。データ部は送信データの各ビットを上位から順に並べることとし、各ビットは図１８に示すように同期パルス、データパルス、干渉検出パルスの三つからなる３ａ幅のパルスで構成される。

図１９に示すように、同期パルスは、常にＯＮであり、これがビットの先頭を表す。データパルスは、各ビットの‘０’と‘１’をそれぞれＯＦＦとＯＮとして表す。干渉検出パルスは、常にＯＦＦであり、これがビットの末尾を表す。これらのパルスを予め定められているデータ長分だけ並べる。送信機はこれらの送信パルスを連続的に反復して送信する。従って、データ長が８ビットのフレーム構造は、パルス幅が６ａのヘッダー部とパルス幅が３ａ×８＝２４ａのデータ部の合計からなり、パルス幅は３０ａである。

以上のフレーム構造を採用することによって、複数の送信機からの送信信号が重なると、一方のデータ部に他方の送信機から発信された信号のヘッダー部が現れることとなる。この際、データ部には通常ではあり得ない５ａ幅以上のＯＮパルスが出現するため、５ａ幅以上のＯＮパルスを観測することによって、信号が干渉している状態を検出することができる。

鈴木昭二、新井義和、琴坂信哉、淺間 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）、６２巻、６０２号、pp． 14-20、１９９６年 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 菅原 誠、新井義和、今井信太郎、猪股俊光、空間的にシームレスな局所的通信システムにおける通信性能の検証、第58回自動制御連合講演会、1G1-3, 2015

しかしながら、非特許文献３の方法では、通信速度が十分とは言い難い。非特許文献３では、８ビットのデータを伝送する場合のフレーム長は３０ａである。ここで、パルス幅ａを５００ｍｓとすると、１フレーム分のデータを送信するのに必要とする時間は式（１）で表され、１５ｓとなる。
３０×５００ｍｓ＝１５ｓ （１）
従って、非特許文献３の通信速度は式（２）によって表され、０．５３ｂｐｓとなる。
８ｂｉｔ／１５ｓ＝０．５３ｂｐｓ （２）

本発明は、上記課題に鑑み、不感帯が生じ難く、全周方向で高速な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、この通信システムに用いる信号変復調方法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、送信データのフレーム構造をヘッダー部とデータ部とから構成し、ヘッダー部とデータ部をそれぞれ異なる周波数の搬送波を重畳して変復調を行うことができる新たな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、従来の方法よりも１０倍高速な通信速度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、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、を備え、赤外線送信機から送信される送信パルスの変調前のフレーム構造は、ヘッダー部とデータ部とからなり、ヘッダー部のパルス幅をａとし、前記データ部のデータの数をｍ個（ｍは１以上の整数である）とし、一つのデータが、パルス幅ａでｋビットから成り、変調前のヘッダー部とデータ部の各パルスをフレームパルスと定義し、ヘッダー部には、赤外線に周波数ｆ_ｈの信号が重畳され、データ部の各フレームパルスにおいて、データを構成する各ビットの‘１’及び‘０’を搬送波のある状態とない状態で表し、ビットが‘１’の場合には、下記式（１）で表される周波数の搬送波が割り当てられ、
ｆ_ｎ＝２^ｋ－ｎｆ_ｈ（ここで、ｋはデータ部の一つのデータのビット数であり、ｎは各ビットを示し、ｎ＝０，１，２，３，・・・，ｋ－１である。） （１）
データを構成する各ビットが‘０’の場合には、搬送信号がない状態にされ、データ部の各ビットの搬送波が論理和として演算されて、赤外線に重畳されることにより送信パルスとされ、赤外線送信機から、フレーム構造毎に送信パルスが送出され、送信パルスは、搬送波が４×２ｋ×ｆｈ の周波数でサンプリングされると共に、フレームパルスが周波数２／ａでサンプリングされることで復調されることを特徴とする。

上記構成において、好ましくは、赤外線送信機及び赤外線受信機が、複数のロボット又は複数の車両上にそれぞれ搭載されている。
各ロボット又は各車両は、好ましくは、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を備える。
さらに、好ましくは、各ビット毎のデータが論理和として演算されるパルスの内、全ての搬送波が同時に立ち上がるタイミングで立ち上がるパルスのみを送信パルスとする。

本発明の信号変復調方法は、赤外線送信機から送信される送信パルスのフレーム構造を、ヘッダー部とデータ部とからなるようにし、ヘッダー部のパルス幅をａとし、前記データ部のデータの数をｍ個（ｍは１以上の整数である）とし、一つのデータが、パルス幅ａでｋビットから成り、変調前のヘッダー部及びデータ部の各パルスをフレームパルスと定義し、ヘッダー部には、赤外線に周波数ｆ_ｈの信号を重畳し、データ部の各フレームパルスにおいて、データを構成する各ビットの‘１’及び‘０’を搬送波のある状態とない状態で表し、ビットが‘１’の場合には、下記式（１）で表される周波数の搬送波を割り当て、
ｆ_ｎ＝２^４－ｎｆ_ｈ（ここで、ｋはデータ部の一つのデータのビット数であり、ｎは
各ビットを示し、ｎ＝０，１，２，３，・・・，ｋ－１である。） （１）
データを構成する各ビットが‘０’の場合には搬送信号をない状態とし、データ部の各ビットの搬送波を、論理和として演算して赤外線に重畳することにより送信パルスとし、赤外線送信機から、フレーム構造毎の送信パルスが送出され、送信パルスを赤外線受信機により受信し、赤外線受信機により搬送波を４×２ｋ×ｆｈの周波数でサンプリングすると共に、フレームパルスを周波数２／ａでサンプリングすることにより復調することを特徴とする。

上記構成において、さらに好ましくは、各ビット毎の搬送波を論理和として演算したパルスの内、全ての搬送波が同時に立ち上がるタイミングで立ち上がるパルスのみを送信パルスとする。
サンプリングの瞬間の周波数成分にｆ _ｈ が含まれる場合には、ヘッダー部を検出したとして同期をとり、サンプリングの瞬間の周波数成分にｆ _ｎ の何れかが含まれる場合には、データ部を検出したとしてｋビット毎にデータを復調してもよい。

本発明の通信システムによれば、全周方向で高速な局所的通信が可能な通信システムを提供することができる。

本発明の信号変復調方法によれば、従来の方法に比較して１０倍の通信速度で伝送することが可能となる、信号変復調方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る通信システムの構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る通信システムにおいて、受信機が回転している際の受信可能領域を示す図である。 本発明の通信システムで用いるフレーム構造を説明する図である。 ヘッダー部とデータ部の構造を示す図である。 データ部の１パルス中で、送信信号を変調する前のデータ“１１１１”を表すために、周波数がｆ_０からｆ_３の各搬送波が重なっている様子を示す図である。 送信信号を変調する前のデータが“１００１”の場合の周波数がｆ_０とｆ_３の各搬送波が重なっている様子を示す図である。 図６に示す二つの周波数の搬送波から論理和をとった送信パルスである変調波形を示す図である。 信号の変調の変形例であり、（Ａ）はデータが“１０１０”の場合、（Ｂ）はデータが“００１１”の場合を示す図である。 データ“１０１０”の場合において、（Ａ）が図７に示す信号の変調波形、（Ｂ）が図８に示す信号の変調の変形例の波形を示す図である。 赤外線送信機の構成を示すブロック図である。 図１０のパルス生成器の構成を示すブロック図である。 赤外線送信機の回路図である。 本発明の受信信号の復調方法を示す図である。 赤外線受信機の構成を示すブロック図である。 図１４の赤外線受信機の受光素子からコンパレータまでの回路図である。 実施例における通信システムの通信品質を検証するための配置を模式的に示す図である。 実施例の通信システムにおいて、赤外線送信機と赤外線受信機との距離を１０ｃｍから１９０ｃｍ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。 非特許文献３で用いられている従来の送信パルスのフレーム構造を示す図である。 図１８のデータ部で用いられているビットデータを示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について説明するが、本発明の範囲は実施形態に限定されることなく適宜変更することができる。特に、図面に記載した各部材の形状、寸法、位置関係などについては概念的な事項を示すに過ぎず、その適用場面に応じて適宜変更することができる。各図において、同一の又は対応する部材等には同一の符を付している。
図１は、本発明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ある。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る通信システム１において、左側の第１のロボット１０は、例えば、上側に赤外線により送信データを送信する赤外線送信機２と、下側に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等を、含んで構成されている。右側の第２のロボット２０も、第１のロボット１０と同様に構成されているが、第１のロボット１０では赤外線受信機３の、第２のロボット２０では赤外線送信機２の図示を省略している。さらに、第１のロボット１０及び第２のロボット２０は、減速機５等を備えていてもよい。図１では、通信システム１は第１のロボット１０及び第２のロボット２０と間の通信を示しているが、通信システム１は複数のロボット又は複数の車両（移動体）上に搭載されてもよい。

図２は、本発明の実施形態に係る通信システム１において、赤外線受信機２が回転しているときの受信可能領域を示す図である。
図２に示すように、パルスを受信するのは赤外線送信機２の発光素子と赤外線受信機３の受光素子とが正対した瞬間のみであり、それ以外の状態では常に信号は受信されない。従って、上記の発光素子及び受光素子が正対していない場合においても、後述する送信パルスのフレーム構造５０の復調（デコードとも呼ぶ）ができなければならない。このため、発光素子及び受光素子が正対してから外れた後、次にまた正対するまでの間、正対したときに抽出した搬送波の組み合わせを保持し続ける構成としている。

（フレーム構造）
図３は、本発明の通信システム１で用いるフレーム構造５０を説明する図であり、図４は、ヘッダー部５１とデータ部５２の構造を示す図である。
図３に示すように、フレーム構造５０は、ヘッダー部５１と二つの４ビットデータのそれぞれを１パルスに多重化した２パルスからなるデータ部５２で構成される。ヘッダー部５１のパルス幅及び一つのデータのパルス幅を共にａとしたとき、データ長が８ｂｉｔのときにはパルスの幅が２ａとなる。この場合、フレーム構造５０のパルス幅つまりフレーム長は３ａとなる。さらに、データ部５２は、一つのデータを、パルス幅がａで、ｋビットからなるデータとした場合、データ部５２のデータ数をｍ個（ｍは１以上の整数である）のデータとすることができる。以下の説明では、ｋ＝４、ｍ＝２、つまり、データ部５２は４ビットのデータが二つで８ｂｉｔ、フレーム長は３ａとして説明する。ここで、変調前のヘッダー部５１及びデータ部５２を構成する幅ａの個々のパルスをフレームパルスと呼ぶことにする。

図４に示すように、第１のデータ部５２ａは“１１１１”の４ｂｉｔデータであり、第２のデータ部５２ｂは“１００１”の４ｂｉｔデータであり、データ長が８ｂｉｔである。

（信号の変調）
図４に示すように、ヘッダー部５１には、後述するデータ部５２に用いられている周波数とは異なる周波数ｆ_ｈを赤外線に重畳した搬送波を割り当てる。図４において、ビットは上位から順に並べている。

さらに、図４に示すように、データ部５２では１パルスごとに周波数が異なる複数の搬送波を赤外線に重畳し多重化させた信号を割り当てる。

データ部５２では一つのデータがｋビットからなる場合、周波数ｆ_ｎの搬送波をそれぞれｋビットの各ビットｎ（ｎ＝０，１，２，３,・・・，ｋ－１）に対応させ、各搬送波の有無によって各ビットの‘１'、‘０’をそれぞれ表わす。ｋ＝４の場合、つまり、一つのデータが４ビットの場合には、４つの搬送波を使用する。
ここで、ｆ_ｎは下記（３）式で表される。
ｆ_ｎ＝２^k－ｎｆ_ｈ（ｎ＝０，１，２，３,・・・，ｋ－１） （３）

以下の説明では、一つのデータが４ビットからなる場合について説明する。
具体的には、データ部５２では４種類の異なる周波数ｆ_ｎの搬送波をそれぞれ４ｂｉｔデータの第ｎビットに対応させ、各搬送波の有無によってビット‘１'、‘０’を、それぞれ表わす。
ここで、ｆ_ｎは下記（４）式で表される。
ｆ_ｎ＝２^４－ｎｆ_ｈ（ｎ＝０，１，２，３） （４）

４ｂｉｔデータの各ビットにおける周波数を以下に示す。
ｎ＝０のとき、ｆ_０＝２^４ｆ_ｈ＝１６ｆ_ｈ
ｎ＝１のとき、ｆ_１＝２^３ｆ_ｈ＝８ｆ_ｈ
ｎ＝２のとき、ｆ_２＝２^２ｆ_ｈ＝４ｆ_ｈ
ｎ＝３のとき、ｆ_３＝２^１ｆ_ｈ＝２ｆ_ｈ

ｆ_ｈは、一例として２．５ｋＨｚとすることができる。この場合には、ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２，ｆ_３は、それぞれ、４０ｋＨｚ，２０ｋＨｚ，１０ｋＨｚ，５ｋＨｚとなる。ここでは、ｆ_０の４０ｋＨｚが最も高い周波数であり、通常、赤外線リモコンで使用される変調周波数に対応している。

例えば、４ｂｉｔデータが“１１１１”である場合には、ビットが全て‘１'であるので、ｆ_０からｆ_３の４つの周波数からなる搬送波が重畳される。
４ｂｉｔデータが“１００１”の場合には、ビットが‘０’である搬送波は使用しないので、ビットが‘１’である搬送波、つまり周波数がｆ_０とｆ_３の２つの周波数からなる搬送波が重畳される。

図５は、データ部５２の１パルス中で、送信信号を変調する前のデータ“１１１１”を表すために、周波数がｆ_０からｆ_３の各搬送波が重なっている様子を示す図であり、図６は送信信号を変調する前のデータが“１００１”の場合の、周波数がｆ_０とｆ_３の各搬送波が重なっている様子を示す図である。ビットは上位から順に並べている。
なお、図５及び図６では、それぞれの搬送波は全て同じ振幅であるので、区別が容易になるように、異なる振幅で表現している。各搬送波の立ち上がり／立ち下がりのタイミングは同期がとれている。
なお、図５に示す搬送波解析のサンプリングは、後述する信号の復調に用いるサンプリング箇所を示しており、図示の場合、搬送波パルスを最も高い周波数ｆ_０の４倍の周波数（４ｆ_０＝６４ｆ_ｈ）でサンプリングしている。このサンプリング周期は、１／６４ｆ_ｈである。

図７は、図６に示す二つの周波数の搬送波から論理和をとった送信信号である変調波形を示す図である。
図７に示すように、データ部５２の１パルス中の搬送波（図６参照）の論理和をとり、送信パルスとする。複数の周波数の搬送波の論理和をとった波形の中には、複数の異なるパルス幅を有しているＯＮパルスが現れることが分かる。

さらに、図７から分かるように、変調波形においては、図６に示す周波数の高い搬送波ｆ_０の大部分は、より周波数が低い搬送波ｆ_３に上書きされる形となる。つまり、図７及び後述する表１に示すように、複数の搬送波の論理和からなる波形には、「含まれる搬送波の周期／２の和」に等しい幅の最長のＯＮパルスが現れることが分かる。以下、このパルスを搬送波パルスと呼称することとする。

（信号の変調の変形例）
次に、信号の変調の変形例について説明する。
図８は、信号の変調の変形例であり、（Ａ）はデータが“１０１０”、（Ｂ）はデータが“００１１”を示す図である。図８に示すように、信号の変調の変形例では、以下のように送信パルスを変調する。
データ部５２の‘１’のビットの搬送波の論理和として得られるパルスの内、全ての搬送波が同時に立ち上がるタイミングで立ち上がる搬送波パルスのみを送信パルスとする。図８（Ａ）及び（Ｂ）に示す送信パルスでは、データ部５２の全ての搬送波が同時に立ち上がるタイミング、つまり、同期が取られている箇所（送信パルスの左端）で、立ち上がる搬送波パルスのみを送信パルスとしていることが分かる。
上記の変調方法は、包含する周波数成分に応じて搬送波自体のパルスのデューティ比を変化させることに相当する。

図９は、データ“１０１０”に対する（Ａ）が図７に示す信号の変調波形、（Ｂ）が図８に示す信号の変調の変形例の波形を示す図である。
図９に示すように、何れの変調方法においても、後述する復調においては、最も高い周波数ｆ_０の４倍の周波数で搬送波自体をサンプリングする。これは、送受信機の間の距離が離れるとパルスのデューティ比が低下するため、少なくともＯＮパルスを１回以上観測するためには、最も高い周波数ｆ_０の４倍の周波数が必要となるからである。これにより、何れの変調方法においても、最も長いＯＮパルスの長さに応じて包含する周波数成分を抽出して復調をすることができる。

（赤外線送信機）
図１０は、赤外線送信機２の構成を示すブロック図であり、図１１は、図１０のパルス生成器２２の構成を示すブロック図であり、図１２は、赤外線送信機２の回路図である。
図１０に示すように、赤外線送信機２は、パルス生成器２２と、パルス生成器２２から出力される信号の増幅器２３と、増幅器２３に接続され赤外線を発光する発光素子２４から構成されている。図１２に示すように、送信パルス３８は、例えばバイポーラトランジスタ２３により増幅される。

図１１に示すように、パルス生成器２２は、周波数がｆ_ｈの発振器ｈと、周波数がｆ_０の発振器０と、周波数がｆ_１の発振器１と、周波数がｆ_２の発振器２と、周波数がｆ_３の発振器３と、各ビット信号を発生する送信信号発生器３０と、各ビット信号と各ビット信号に対応する周波数がｆ_０～ｆ_３の信号がそれぞれ入力される２入力の４つのＡＮＤ回路３２と、各ＡＮＤ回路３２ａ～３２ｄの出力が入力される４入力のＯＲ回路３４と、ＯＲ回路３４の出力と周波数ｆ_ｈの信号とを切り換えるスイッチ３６と、から構成されている。例えば、ＡＮＤ回路３２ａには、ｎ＝０のビット信号と、ｆ_０の信号が入力される。

２入力のＡＮＤ回路３２ａには、ｎ＝０のビットである‘０’又は‘１’と、ｆ_０の信号が入力され、ＡＮＤ演算、つまり論理積の演算が行われる。これにより、ｎ＝０のビットが‘０’の場合には、ＡＮＤ回路３２ａの出力はない、つまり０の状態となる。さらにｎ＝０のビットが‘１’の場合には、ＡＮＤ回路３２ａの出力は、ｆ_０の信号となる。
ｎ＝１～３のビットの場合にもｎ＝０と同様の動作となり、ｎ＝０～３の４ビットのデータに応じて各搬送波が、ＯＲ回路３４に入力され、４ビットに対応する各搬送波の論理和が、ＯＲ回路３４から出力される。

スイッチ３６は、ヘッダー部５１となる幅ａの期間は、周波数がｆ_ｈの発振器ｈに接続されてＯＮとなり、送信パルス３８を送出し、次にＯＦＦとなる。
次に、スイッチ３６は、ＯＲ回路３４の出力に接続され、幅２ａの期間ＯＮとなり、データ部５２のデータを送信パルス３８として送出し、ＯＦＦする。
これにより、幅ａのヘッダー部５１と幅２ａのデータ部５２となる送信パルス３８のフレーム構造５０が、赤外線送信機２から送信パルス３８として送出される。

パルス生成器２２は、何れも図示を省略するが、マイコン及びメモリ、又は、マイコンとメモリ等を搭載したマイコンボードと、ソフトウェアとにより構成することができる。

（信号の変調の変形例の場合の赤外線送信機）
この場合には、図１１に示すパルス生成器２２において、ＯＲ回路３４の出力を、上記のデータ部５２の‘１’のビットの搬送波の論理和とし得られるパルスの内、全ての搬送波が同時に立ち上がるタイミングで立ち上がるパルスのみを送信パルス３８となるように構成すればよく、例えば、マイコンボードとソフトウェアにより構成することができる。

（信号の復調方法）
送信パルス３８の復調は、搬送波に含まれる各周波数成分の抽出と、ヘッダー部５１及びデータ部５２からなるフレームパルスの識別とを、それぞれ異なる周期のサンプリングにより並列的に行うことで可能になる。それぞれの詳細を説明する。

（搬送波の抽出）
複数の搬送波に重畳された信号をサンプリングすることで、含まれる搬送波の種類を解析する。この場合、後述する赤外線受信機３の復調器４８では、この搬送波パルスを最も高い周波数ｆ_０の４倍の周波数（６４ｆ_ｈ）でサンプリングすることによって各搬送波の周波数成分を抽出する。

具体的には、サンプリングによって得られた連続した最長のＯＮパルスのサンプル数に注目することで解析を行う。

ヘッダー部５１に用いられる周波数ｆ_ｈの搬送波の周期／２である（１／２ｆ_ｈ）をサンプリング周期（１／６４ｆ_ｈ）でサンプリングした場合には、ＯＮのサンプル数が３２になる。

一方、データ部５２では、図７に示す論理和において、最長のＯＮパルスの幅は、ｆ_３の周期／２である（１／４ｆ_ｈ）と、ｆ_０の周期／２である（１／３２ｆ_ｈ）の和であり、９／３２ｆ_ｈとなる。これは、サンプリング周期（１／６４ｆ_ｈ）でサンプリングした場合には、ＯＮのサンプル数が１８に相当する。

表１に４ビットデータの値と、そこから生成された搬送波パルス中の連続する最長のＯＮパルスのサンプル数の関係を示す。

４ビットデータが“００００”では、最長のＯＮパルスのサンプル数は０であり、４ビットデータが“０００１”から“１１１１”では、２～３０迄に変化することが分かる。

ここでは、搬送波パルスのみに注目しているため、他のＯＮパルスを読み飛ばす必要がある。
従って、受信した波形に含まれるＯＮパルスの幅をそれぞれ記録しておき、周波数成分の抽出を行う際には、その中で最も幅が長いパルスを搬送波パルスと認識する。
以上の説明から、赤外線受信機３では常に受信信号中に含まれる搬送波の周波数成分を抽出し、その組み合わせを認識することができる。

さらに、複数の赤外線送信機２からの送信信号による干渉が発生した場合には、一方の信号のデータ部５２に他方の信号のヘッダー部５１が重なることから、データ部５２の中に３２以上の連続するＯＮパルスを検出することによって干渉を検出できる。

（フレームパルスの識別）
図１３は本発明の受信信号の復調方法を示す図である。図１３に示すように、フレームパルスの識別は、サンプリング間隔を単位パルス幅ａの半分の周期、すなわちサンプリング周波数は２／ａ（Ｈｚ）として行う。

上記のサンプリングの瞬間に含まれる搬送波の周波数成分に基づいて以下を実行する。
（ａ）ｆ_ｈが含まれる場合：
ヘッダー部５１を検出したとして同期をとる。
（ｂ）ｆ_０～ｆ_３が含まれる場合：
データ部５２を検出したとして４ビット毎にデータを復調する。

つまり、ヘッダー部５１の検出中状態において、ｆ_０～ｆ_３のｆ_ｈ以外の信号を受信したときには、ヘッダー部５１を認識し、データ部５２の解析状態に遷移する。

ヘッダー部５１は、周波数ｆ_ｈの搬送波に重畳されたパルスを２回受信することを条件として識別してもよい。

（データ部の解析）
データ部５２の解析状態においては、上述した単位パルス幅ａの半分の周期、すなわちサンプリング周波数２／ａ（Ｈｚ）でサンプリングをし、サンプリングの度に、搬送波の抽出の結果に基づいて受信信号中の４ｂｉｔのデータを復調し、メモリ上の解析用配列に格納する。
次のフレームのヘッダー部５１のｆ_ｈを受信したら配列への格納を終了し、これまでに格納したデータ列を用いて、データ部５２のデコード（復調とも呼ぶ）を行うと共に、ヘッダー部５１の検出中状態に遷移する。

デコードを行う際には、データ部５２の解析用配列に含まれるデータの種類が何種類あるかを確認し、その種類数に応じた場合分けを行う。

図１３に示すように、データの種類が２種類であった場合、受け取った４bitのデータを、各データ部５２のパルスの情報として割り当てて、８bit情報とする。

受け取った４bitのデータの種類数が１種類のみであった場合、データ部５２のパルスは２つとも４bitの同じデータを割り当てられたものとして８bit情報とする。

さらに、受け取った４bitのデータの種類数が３種類以上あった場合は、後述するフレームエラーとする。

以上説明したように、データ部５２は、ヘッダー部５１を検出した後に、同様にデータ部５２のパルスをデコードする。データ部５２は４ｂｉｔデータ毎にそれぞれのパルスが並べられている。従って、同一の搬送波の組み合わせに重畳されたパルスを２回受信したとき、その組み合わせに基づいて、４ｂｉｔデータを復調する。この処理をデータ部５２のパルス数だけ繰り返す。これにより、サンプリングの位相にかかわらず、受信信号に含まれる送信パルス３８を正しく識別することができる。

（赤外線受信機）
図１４は、赤外線受信機３の構成を示すブロック図であり、図１５は、図１４の赤外線受信機３の受光素子４１からコンパレータ４６までの回路図である。
図１４及び図１５に示すように、赤外線受信機３は、赤外線の受光素子４１と、受光素子４１により光電流で検出した赤外線によるフォト電流を電圧に変換する電流－電圧変換部４２と、増幅器４４と、コンパレータ４６と、搬送波の抽出とフレームパルスの識別を行う復調器４８とを含んで構成されている。図１５に示すように、受光素子４１はｐｉｎフォトダイオードを用いることができ、電流－電圧変換部４２と増幅器４４とコンパレータ４６は、例えばオペアンプを用いて構成することができる。

復調器４８は、何れも図示しないマイコンとメモリ、又はマイコンとメモリ等を搭載したマイコンボードと、ソフトウェアとにより構成することができる。

第２のロボット２０の赤外線受信機３においては、第１のロボット１０の赤外線送信機２から上記の信号変調がされた送信パルス３８を、受信信号として受信する。この受信信号は、赤外線の受光素子４１により光電流として検出され、電流－電圧変換と増幅がされ、増幅された受信信号は、コンパレータ４６により波形整形がされて、デジタル信号の受信パルスとなる。

デジタル信号は例えば、図７で示した送信パルスであり、デジタル信号を復調するために、搬送波の抽出とフレームパルスの識別を、それぞれ異なる周期のサンプリングにより並列的に実施する。これにより、搬送波の抽出とフレームパルスの識別が行われて、送信パルス３８から上述したデータ部５２のデータが復調される。

赤外線送信機２及び赤外線受信機３が回転している環境下での通信において、赤外線送信機２及び赤外線受信機３の回転速度の誤差が発光素子と受光素子の正対するタイミングに大きく影響するため、フレームパルスの各パルスのサンプリング回数が一定とならないという可能性がある。従って、同サンプリング回数の増減を許容する必要がある。

本発明の通信システム１によれば、干渉の検出機能を維持しつつ、信号のフレーム長を３ａに短縮することによって、通信速度を、非特許文献３の従来の方法に比較して１０倍の通信速度を得ることができる。

本発明の信号変復調方法によれば、送信時に用いる搬送波に対して複数の周波数を割り当てることによってフレーム自体を短縮し、干渉の検出機能を維持しつつ、信号のフレーム長を３ａに短縮することによって通信速度を非特許文献３の従来の方法に比較して１０倍の通信速度とすることができる。つまり、ヘッダー部５１とデータ部５２とで異なる周波数の搬送波を割り当てることによって、非特許文献３の従来の方法で用いていたＯＦＦパルスを間に挟まなくても干渉の検出が可能となった。
以下に、本発明を実施例により詳細に説明する。

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１０～図１２に示す赤外線送信機２と、図１４及び図１５に示す赤外線受信機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２４に流す電流を調整した。

図１６は、実施例における通信システム１の通信品質を検証するための配置を模式的に示す図である。図１６に示すように、赤外線送信機２及び赤外線受信機３が回転した状態で通信を行った。赤外線送信機２と赤外線受信機３との距離を１０ｃｍから１９０ｃｍまでとした。実験時の送信データはＡ５₍₁₆₎とした。実施例では、赤外線送信機２の回転数を毎分１９２０回（１９２０ｒｐｍ）、赤外線受送信機３の回転数を２４０ｒｐｍとした。

Ａ５₍₁₆₎のデータは２進数で表すと‘０’と‘１’が交互に反復する信号となり、４ｂｉｔ毎に含まれる搬送波の周波数の有無がすべてのパルスで切り替わる場合である。これは、データ部５２のパルスを同期できなかった状態で受信した場合にデコード結果に大きく影響が出ることが想定されるという悪条件を設定している。

マイコンボード（ＡＫＩ－ＲＸ６２、秋月電子通商製）で、パルス生成器２２を実現し、送信パルス３８とし、増幅した後で、発光素子２４（ＳＦＨ４５５４、オスラムオプトセミコンダクターズ社製）で送信した。マイコンボードには、ＲＸ６２１シリーズの３２ビットマイコン（ルネサスエレクトロニクス株式会社製）が搭載されており、３２ビットマイコンのクロック周波数を９６ＭＨｚとした。
ここで、送信データの単位パルス幅ａを非特許文献３と同様に、５００ｍｓに設定して通信を行った。

各搬送波の周波数は、以下のように設定した。
ｆ_ｈ＝２．５ｋＨｚ
ｆ_０＝４０ｋＨｚ
ｆ_１＝２０ｋＨｚ
ｆ_２＝１０ｋＨｚ
ｆ_３＝５ｋＨｚ

図１５に示す赤外線送信機３において、高い周波数の搬送波を精度よく検出するためには受光素子４１には高い応答速度が求められるため、赤外線受光素子４１としては、ＳＦＨ２５００ＦＡ（オスラムオプトセミコンダクターズ社製）を用い、応答速度を高速とするために逆方向電圧を印加した。

赤外線の受光素子４１の出力信号を、電流－電圧変換回路４２及び増幅器４４で増幅し、コンパレータ４６を通すことで、受信パルスを得た。

最後に得られた信号を、パルス生成器２２で用いた同じマイコンボードで製作した復調器４８に入力し、前述の搬送波の抽出ならびにフレームパルスの識別を行った。

受信状態は、「正常受信」、「誤受信」、「フレームエラー」、「未受信」の４種類を設定した。以下に各状態の内容を示す。

（正常受信）
正常にデータを受信している状態である。ヘッダー部５１を正常に認識し、その後に受け取ったデータが送信データと同一のデータであった場合、正常受信状態と判断する。

（誤受信）
誤ったデータを受信してしまった状態を示す。ヘッダー部５１を正常に認識した後にデータを受信したが、そのデータが送信データと異なる場合、誤受信状態と判断する。

（フレームエラー）
受信パルス列のフレーム構造５０の崩壊によりデコードが行えない状態である。ヘッダー部５１、もしくはデータ部５２の何れかで、搬送波の組み合わせを認識できない場合、フレームエラー状態と判断する。

（未受信）
信号を受信していない状態である。１フレーム相当の時間分信号を受信しなかった場合、未受信状態と判断する。

図１７は、実施例の通信システム１において、赤外線送信機２と赤外線受信機３との距離を１０ｃｍから１９０ｃｍ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。図の横軸は赤外線送信機２と赤外線受信機３の距離（ｃｍ）、縦軸は各受信状態の占める割合（％）である。
図１７から明らかなように、８０ｃｍ迄は正常受信ができており、高い通信品質が実現されていることを確認した。また、大凡１２０ｃｍ迄は９０％以上の正常受信ができていることが分かった。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。

実施例の送信データの単位パルス幅ａが５００ｍｓであるので、１フレーム分のパルス幅は３ａとなり、３×５００ｍｓ＝１．５ｓとなる。
実施例の通信速度は、８ｂｉｔを１．５ｓで送信するので、下記式（４）によって表される。
８ｂｉｔ／１．５ｓ＝５．３ｂｐｓ （４）

従って、本発明の通信システム１の通信速度は、５．３ｂｐｓとなり、非特許文献３の通信速度の０．５３ｂｐｓに比較して、１０倍の速度向上が達成できた。

上記実施例の結果、以下のことが判明した。
（１）複数の異なる周波数の搬送波を用いたフレーム構造５０による信号変復調方法により、８ビットのデータ伝送の場合に、非特許文献３の従来手法よりも１０倍の高速化が達成された。
（２）本発明の信号変復調方法によれば、赤外線送信機２及び赤外線受信機３が互いに回転している環境下でも、局所的通信を確立できる受信パルスの復調を実現できた。
（３）実施例では、それぞれのロボット又は車両に１つずつ搭載されている赤外線の発光素子２４及び赤外線の受光素子４１を、ｎ個ずつ実装した場合、単純に単位時間あたりの発光素子２４及び受光素子４１が正対する回数がｎ^２倍に増加するため、さらに大きな通信速度向上が実現できると推定される。

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。

専ら、一つのデータを４ビットとして説明したが、８ビットや１６ビット等にできることはいうまでもなく、変調や復調も４ビットの場合と同様に実施することができる。例えば、８ビットの場合には搬送波の最高周波数は、２^８ｆ_ｈ（２５６ｆ_ｈ）となるので、搬送波の抽出は、最も高い周波数ｆ_０の４倍の周波数（４ｆ_０＝１０２４ｆ_ｈ）でサンプリングすればよい。このサンプリング周期は、１／１０２４ｆ_ｈである。

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
５：減速機
１０：第１のロボット
２０：第２のロボット
２２：パルス生成器
２３：増幅器（バイポーラトランジスタ）
２４：発光素子
３０：送信信号発生器
３２：ＡＮＤ回路
３４：ＯＲ回路
３６：スイッチ
３８：送信パルス
４１：受光素子
４２：電流－電圧変換部
４４：増幅器
４６：コンパレータ
４８：復調器
５０：フレーム構造
５１：ヘッダー部
５２：データ部
５２ａ：第１のデータ部
５２ｂ：第２のデータ部

Claims (7)

1. 赤外線により送信データを送信する赤外線送信機と、
   前記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、
   を備え、
   前記赤外線送信機から送信される送信パルスの変調前のフレーム構造は、ヘッダー部とデータ部とからなり、
   前記ヘッダー部のパルス幅をａとし、
   前記データ部のデータの数をｍ個（ｍは１以上の整数である）とし、一つのデータが、パルス幅ａでｋビットから成り、
   前記変調前の前記ヘッダー部と前記データ部の各パルスをフレームパルスと定義し、
   前記ヘッダー部には、赤外線に周波数ｆ_ｈの信号が重畳され、
   前記データ部の各フレームパルスにおいて、データを構成する各ビットの‘１’及び‘０’を搬送波のある状態とない状態で表し、
   前記ビットが‘１’の場合には、下記式（１）で表される周波数の搬送波が割り当てられ、
   ｆ_ｎ＝２^ｋ－ｎｆ_ｈ（ここで、ｋはデータ部の一つのデータのビット数であり、ｎは各ビットを示し、ｎ＝０，１，２，３，・・・，ｋ－１である。） （１）
   前記ビットが‘０’の場合には、搬送信号がない状態にされ、
   前記データ部の前記各ビットの搬送波が論理和として演算されて、前記赤外線に重畳されることにより前記送信パルスとされ、
   前記赤外線送信機から、前記フレーム構造毎に前記送信パルスが送出され、
   前記送信パルスは、前記搬送波が４×２ｋ×ｆｈ の周波数でサンプリングされると共に、前記フレームパルスが周波数２／ａでサンプリングされることで復調される、通信システム。
2. 前記赤外線送信機及び前記赤外線受信機が、複数のロボット又は複数の車両上にそれぞれ搭載されている、請求項１に記載の通信システム。
3. 前記各ロボット又は各車両は、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を備える、請求項２に記載の通信システム。
4. さらに、前記各ビット毎の搬送波が論理和として演算されるパルスの内、全ての搬送波が同時に立ち上がるタイミングで立ち上がるパルスのみを送信パルスとする、請求項１～３の何れかに記載の通信システム。
5. 赤外線送信機から送信される送信パルスのフレーム構造を、ヘッダー部とデータ部とからなるようにし、
   前記ヘッダー部のパルス幅をａとし、
   前記データ部のデータの数をｍ個（ｍは１以上の整数である）とし、一つのデータが、パルス幅ａでｋビットから成り、
   変調前の前記ヘッダー部及び前記データ部の各パルスをフレームパルスと定義し、
   前記ヘッダー部には、赤外線に周波数ｆ_ｈの信号を重畳し、
   前記データ部の各フレームパルスにおいて、データを構成する各ビットの‘１’及び‘０’を搬送波のある状態とない状態で表し、
   前記ビットが‘１’の場合には、下記式（１）で表される周波数の搬送波を割り当て、
   ｆ_ｎ＝２^４－ｎｆ_ｈ（ここで、ｋはデータ部の一つのデータのビット数であり、ｎは
   各ビットを示し、ｎ＝０，１，２，３，・・・，ｋ－１である。） （１）
   前記ビットが‘０’の場合には搬送信号をない状態とし、
   前記データ部の前記各ビットの搬送波を、論理和として演算して前記赤外線に重畳することにより送信パルスとし、
   前記赤外線送信機から、前記フレーム構造毎の送信パルスが送出され、
   前記送信パルスを赤外線受信機により受信し、
   前記赤外線受信機により前記搬送波を４×２ｋ×ｆｈの周波数でサンプリングすると共に、前記フレームパルスを周波数２／ａでサンプリングすることにより復調する、信号変復調方法。
6. さらに、前記各ビット毎の搬送波を論理和として演算したパルスの内、全ての搬送波を同時に立ち上がるタイミングで立ち上がるパルスのみを送信パルスとする、請求項５に記載の信号変復調方法。
7. 前記サンプリングの瞬間の周波数成分にｆｈが含まれる場合には、前記ヘッダー部を検出したとして同期をとり、前記サンプリングの瞬間の周波数成分に前記ｆｎの何れかが含まれる場合には、前記データ部を検出したとしてｋビット毎にデータを復調する、請求項５又は６に記載の信号変復調方法。

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