WO2020003621A1 - 無線で電力を供給する送電装置及び異物検出方法 - Google Patents

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WO2020003621A1
WO2020003621A1 PCT/JP2019/009233 JP2019009233W WO2020003621A1 WO 2020003621 A1 WO2020003621 A1 WO 2020003621A1 JP 2019009233 W JP2019009233 W JP 2019009233W WO 2020003621 A1 WO2020003621 A1 WO 2020003621A1
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WO
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environment information
detection range
power transmission
environment
power
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PCT/JP2019/009233
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大地 植木
靖史 川島
正武 佐藤
林　雅明
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オムロン株式会社
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    • H02J50/40—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using two or more transmitting or receiving devices
    • H02J50/402—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using two or more transmitting or receiving devices the two or more transmitting or the two or more receiving devices being integrated in the same unit, e.g. power mats with several coils or antennas with several sub-antennas
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • H02J50/60—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power responsive to the presence of foreign objects, e.g. detection of living beings

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for detecting intrusion of foreign matter such as a person in a predetermined detection range including a power transmission range in wireless power transmission.
  • a radio wave is transmitted to a detection range, reflected waves of the transmitted radio wave are received by a plurality of receiving units, and information on a phase difference of the reflected waves received by the plurality of receiving units is used.
  • the presence of a foreign object is detected, and when the foreign object is detected, the power transmission is stopped.
  • Patent Document 1 When the detection technology as disclosed in Patent Document 1 is applied to an environment where a moving robot exists, such as a factory, the moving robot may enter the detection range, in which case the robot may be mistaken as a foreign object. There is a problem of detection.
  • the present invention relates to a power transmission device that wirelessly transmits power and that detects that a foreign object such as a person has entered a predetermined detection range without erroneously detecting a normally moving object such as a robot. provide.
  • a power transmission device that wirelessly supplies power to a power reception device in an environment in which a robot that moves in a plurality of operation patterns is arranged.
  • the power transmission device is an array antenna including a plurality of antenna elements for transmitting radio waves for supplying power, and information indicating a state of a propagation environment of radio waves within a predetermined detection range.
  • First environment information previously obtained based on a signal received by the array antenna in a state where the signal does not exist, and radio wave propagation in a detection range obtained based on the signal received by the array antenna after obtaining the first environment information.
  • a control unit that detects entry of foreign matter in the detection range based on the second environment information indicating the state of the environment.
  • the first environment information is obtained for each operation pattern, and includes a change in the state of the propagation environment of the radio wave at regular intervals when the robot operates in each operation pattern.
  • the control unit obtains second environment information based on the signal received by the array antenna, obtains an operation pattern of the robot when the second environment information is obtained, and obtains a constant value when the robot operates with the obtained operation pattern.
  • First environmental information including a change in the state of the propagation environment of the radio wave at each time is acquired, and presence or absence of foreign matter in the detection range is determined based on a comparison result between the second environmental information and the acquired first environmental information. Is detected.
  • a wireless power transmission system including the power transmission device described above and a power reception device that wirelessly receives power from the power transmission device.
  • a foreign object detection method in a wireless power system used in an environment where a robot that moves in a plurality of operation patterns is arranged transmits a radio wave for supplying power via an array antenna having a plurality of antenna elements, and is information indicating a state of a propagation environment of a radio wave within a detection range by the control unit.
  • First environment information is obtained in advance based on a signal received by the array antenna in a state where no foreign matter exists in the range.
  • the first environment information is obtained for each operation pattern, and includes a change in the state of the propagation environment of the radio wave at regular time intervals when the robot operates in each operation pattern.
  • the controller obtains the first environment information, then obtains second environment information indicating the state of the radio wave propagation environment in the detection range based on the signal received by the array antenna, and obtains the second environment information.
  • the first environment information including the change of the state of the propagation environment of the radio wave at a certain time interval when the robot operates with the obtained operation pattern is obtained, and the obtained first environment information is obtained. Is compared with the second environment information, and based on the comparison result, the presence or absence of foreign matter in the detection range is detected.
  • a foreign object detection device that detects entry of a foreign object in a predetermined detection range in an environment where a robot that moves in a plurality of operation patterns is arranged.
  • the foreign object detection device includes an array antenna having a plurality of antenna elements for transmitting radio waves in a detection range, and information indicating a state of a radio wave propagation environment in the detection range.
  • the first environment information is obtained for each operation pattern, and includes a change in the state of the propagation environment of the radio wave at regular intervals when the robot operates in each operation pattern.
  • the control unit obtains second environment information based on the signal received by the array antenna, obtains an operation pattern of the robot when the second environment information is obtained, and obtains a constant value when the robot operates with the obtained operation pattern.
  • First environment information including a change in the state of the radio wave propagation environment at each time is acquired, and based on a comparison result between the acquired first environment information and the second environment information, it is determined whether a foreign object has entered the detection range. To detect.
  • entry of a foreign substance such as a person into the detection range is detected based on a difference from environmental information indicating a normal environmental state in which no foreign substance is present.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a wireless power transmission system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • Diagram illustrating measurement method of reference propagation environment data Diagram showing propagation environment data when no person is in the detection range (reference propagation environment data) and propagation environment data when a person enters the detection range
  • Diagram illustrating measurement of propagation environment data in wireless power transmission system 4 is a flowchart illustrating an operation of measuring reference propagation environment data in the wireless power transmission system according to the first embodiment. Flowchart showing foreign object detection operation in the wireless power transmission system of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a wireless power transmission system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • 11 is a flowchart showing an operation of measuring reference propagation environment data in the wireless power transmission system according to the second embodiment.
  • 11 is a flowchart illustrating a foreign object detection operation in the wireless power transmission system according to the second embodiment.
  • the foreign object detection device according to the present disclosure can be applied to, for example, a wireless power transmission system used for wirelessly transmitting power in a manufacturing factory.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example in which the foreign object detection device according to the present disclosure is applied to a wireless power transmission system.
  • the wireless power transmission system 10 is a system that wirelessly transmits power to a device to be supplied with power.
  • the wireless power transmission system 10 includes a power transmitting device 100 and a power receiving device 200.
  • the power transmission device 100 supplies power to the power reception device 200 by, for example, a microwave.
  • the power receiving device 200 receives the microwave from the power transmitting device 100, and operates with the received microwave power.
  • the power receiving device 200 is, for example, a sensor arranged in a manufacturing factory.
  • the power transmission device 100 includes an array antenna 110 for power transmission.
  • the array antenna 110 includes a plurality of antenna elements 112 and is capable of transmitting and receiving radio waves having directivity.
  • the power transmission device 100 transmits electric waves (microwaves) from the array antenna 110 to transmit power to the plurality of power reception devices 200 within the predetermined power supply range P. Further, the power transmitting apparatus 100 receives a reflected wave from an object within a predetermined detection range S including the power supply range P (details will be described later) using the array antenna 110, and based on the received radio wave, detects the detection range at that time. The propagation environment of the radio wave in the space in S is detected. Then, power transmission device 100 detects whether a foreign object has entered detection range S based on the detected propagation environment.
  • the foreign object is an object that is not originally arranged or does not exist in the detection range S during the operation of the wireless power transmission system 10, and is, for example, a person, an animal, or a mobile machine.
  • the power transmitting apparatus 100 When detecting the entry of a foreign object such as a person 420, the power transmitting apparatus 100 stops the power supply to the power receiving apparatus 200 or performs processing to reduce the value of the transmitted power to a level that does not affect the human body. Do. As a result, the influence of radio waves for power transmission on the human body and the machine can be reduced.
  • the power transmitting apparatus 100 detects the entry of the foreign matter such as the person 420 into the detection range S by using the difference in the propagation environment between the presence and the absence of the foreign matter such as the person 420.
  • the moving object such as the robot 400 exists in the detection range S. Even if it does, it is possible to accurately detect the entry of foreign matter into the detection range S.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the wireless power transmission system according to the first embodiment of the present disclosure.
  • the wireless power transmission system 10 according to the first embodiment includes a power transmitting device 100 that wirelessly transmits power, and a power receiving device 200 that receives the power transmitted from the power transmitting device 100.
  • the power transmission device 100 includes an array antenna 110 having directivity, a directivity control unit 120 for controlling the directivity of the array antenna, a power supply signal generation unit 130 for generating a power supply signal for transmitting power, and an array antenna 110 And a control unit 150 that controls the operation of the power transmission device 100, and a memory 160 that stores a propagation environment table that indicates reference propagation environment data.
  • the array antenna 110 includes a plurality of antenna elements 112 and can achieve desired radiation directivity.
  • N is a natural number of 2 or more
  • antenna elements 112 are appropriately arranged, all or some of them are excited, and the amplitude and phase of the excitation current (voltage) are controlled.
  • a desired radiation directivity (radiation pattern) can be obtained.
  • the power supply signal generation unit 130 is a circuit that generates a power supply signal for generating a microwave carrying power according to the control from the control unit 150.
  • the power supply signal generator 130 is, for example, a semiconductor oscillator such as a Gunn diode or a microwave oscillator such as a magnetron.
  • the directivity control unit 120 is a circuit that controls the directivity of a signal radiated from the array antenna 110 according to the control from the control unit 150, and supplies power to each antenna element 112 based on a power supply signal from the power supply signal generation unit 130. To generate a signal.
  • the directivity control unit 120 distributes the power supply signal generated by the power supply signal generation unit 130 into N power supply signals (microwaves). Further, the directivity control unit 120 individually adjusts the phases of the N power supply signals. This function of the directivity control unit 120 can be realized by, for example, a phase shifter. Further, the directivity control unit 120 individually adjusts the amplitudes of the N microwaves. This function of the directivity control unit 120 can be realized by, for example, a power amplifier such as a variable gain amplifier.
  • the receiving unit 140 is a circuit that extracts a radio wave received via the array antenna 110 as an electric signal.
  • the control unit 150 controls the entire operation of the power transmission device 100, and realizes a predetermined function by executing a program, for example.
  • the control unit 150 includes a CPU, a RAM, a ROM, and the like.
  • the control unit 150 may include another type of general-purpose processor, for example, an MPU, instead of the CPU.
  • a processor specially designed to realize a predetermined function may be used instead of the CPU. That is, the control unit 150 can include various processors such as a CPU, an MPU, a GPU, a DSP, an FPGA, and an ASIC.
  • the memory 160 is a recording medium for recording information, and is, for example, a flash memory.
  • the memory 160 may be another type of recording medium (for example, a hard disk or an SSD) as long as it is a non-volatile recording medium.
  • the memory 160 stores in advance propagation environment data measured in an environment where there is no foreign matter such as a person in the detection range S (details will be described later).
  • the power receiving device 200 receives power from the power transmitting device 100 and is driven by the received power.
  • the power receiving device 200 is, for example, a sensor.
  • the power receiving device 200 includes an antenna 210 that receives a radio wave indicating a power supply signal, a receiving unit 220 that processes a radio wave received by the antenna 210, and a control unit 230 that controls an operation of the power receiving device 200.
  • Receiving section 220 includes a circuit for generating power from a power supply signal received by antenna 210.
  • Control unit 230 includes a control circuit that implements the function of power receiving device 200.
  • the power transmission device 100 is connected to a control device 300 that controls the robot 400 via an interface circuit (not shown) for communicating with other devices.
  • the power transmission device 100 monitors the propagation environment of the radio wave in the space of the detection range S during the power transmission, and determines whether a foreign object such as a person enters the detection range based on the state of the propagation environment of the radio wave. Detect whether or not.
  • the predetermined detection range S is a range in which the array antenna 110 can receive radio waves.
  • the detection range S can be controlled by adjusting the sensitivity and directivity of the array antenna 110.
  • the detection range S may be set to, for example, the same range as the power supply range P, or may be set to a range larger than that.
  • the propagation environment of the radio wave in the space of the detection range S is measured in advance in a state where the robot 400 is normally operated without any foreign matter such as a person.
  • information indicating the propagation environment of a radio wave is referred to as “propagation environment data”.
  • information indicating the Doppler effect is employed as an example of propagation environment data.
  • the robot 400 is normally operated in an environment where there is no foreign matter such as a person in the detection range S, and power is supplied to the power receiving device 200 (for example, a sensor) (see FIG. 3).
  • the array antenna 110 receives radio waves from the surrounding environment.
  • the radio wave received at this time is a reflected wave of the microwave transmitted from the array antenna 110 for power transmission, which is reflected by the robot 400, the power receiving device 200, and the like in the space of the detection range S. Since the robot 400 is moving, the reflected wave also changes with time.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a change in a reflected wave received by the array antenna 110.
  • the solid line A in FIG. 4 shows the waveform of the reflected wave received by the array antenna 110 in the reference state.
  • the propagation environment data obtained in the reference state as described above (hereinafter referred to as “reference propagation environment data”) is stored in the memory 160 as a propagation environment table.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a propagation environment table including reference propagation environment data.
  • the robot 400 can operate in a plurality of operation patterns.
  • the propagation environment table includes an operation pattern of the robot 400, an operation period of the operation pattern (start time to end time), and reference propagation environment data measured during the operation of the operation pattern.
  • the propagation environment data is data obtained by digitizing information indicating the Doppler effect.
  • the reference propagation environment data is obtained for each operation pattern, and includes a change in the state of the propagation environment of the radio wave every fixed time when the robot 400 operates in each operation pattern.
  • the power transmission device 100 receives a reflected wave from the surrounding environment via the array antenna 110 during a normal power transmission operation.
  • the power transmission device 100 obtains propagation environment data from the received reflected waves.
  • the array antenna 110 receives a reflected wave from the person 420. For this reason, the radio wave received via the array antenna 110 is different from that measured in the reference state where no person 420 exists. Therefore, for example, in FIG. 4, the waveform obtained in the reference state is the waveform indicated by the solid line A, whereas when a person 420 is present, the waveform is indicated by the broken line B, and the two are different.
  • the power transmitting apparatus 100 compares the propagation environment data obtained during the normal power transmission operation with the reference propagation environment data obtained in advance in a reference state where there is no foreign matter such as a person, and detects the difference, It is detected whether or not a foreign substance such as a person has entered the detection range S.
  • FIG. 7 is a flowchart showing an operation of measuring reference propagation environment data in power transmitting apparatus 100 of wireless power transmission system 10. The process illustrated in FIG. 7 is performed in advance in an environment where the wireless power transmission system 10 is installed, before starting a normal power transmission operation. Further, it is assumed that the robot 400 is arranged within the detection range S in an environment where the wireless power transmission system 10 is installed.
  • the control unit 150 of the power transmission device 100 starts power supply operation to the power reception device 200 (S10).
  • the control unit 150 transmits a control signal indicating the power Pout_i, the phase ⁇ out_i, and the frequency fout to be input to each antenna element (i) 112 of the array antenna 110 to the feed signal generation unit 130 and the directivity control unit 120.
  • the power supply signal generation unit 130 generates a power supply signal using a microwave having a frequency fout.
  • the directivity control unit 120 modulates a power supply signal from the power supply signal generation unit 130, generates a power supply signal having power Pout_i, a phase ⁇ out_i, and a frequency fout for each antenna element (i) 112, and ) 112.
  • a radio wave (feeding signal) having a desired directivity is transmitted from the array antenna 110.
  • control unit 150 sets the control variable N to 1 (S11).
  • control unit 150 instructs the control device 300 that controls the robot 400 to operate the robot 400 in the N-th operation pattern (S12). As a result, the robot 400 operates in the N-th operation pattern.
  • the power transmission device 100 receives a radio wave from the environment via each antenna element 112 of the array antenna 110 (S13).
  • the control unit 150 calculates Doppler effect information based on the signals received by each antenna element 112 of the array antenna 110 (S14). Specifically, first, the receiving unit 140 removes the same frequency component as the transmission frequency fout from the signal received by each of the antenna elements 112, and removes only a component (for example, a reflected wave from the robot 400) that fluctuates due to the environment. Generate a signal containing Then, the control unit 150 performs a Fourier transform on the signal including the fluctuation component due to the environment to obtain a plurality of Doppler frequencies and their intensities (amplitudes). Then, information on the Doppler frequency and its intensity (amplitude) is used as Doppler effect information.
  • the Doppler effect information is disclosed in, for example, JP-A-2017-211348.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a power transmission operation involving an object detection operation in power transmission device 100 of wireless power transmission system 10. The process shown in FIG. 8 is periodically executed at predetermined time intervals.
  • the control unit 150 of the power transmission device 100 acquires an operation pattern number indicating an operation pattern of the operating robot 400 from the control device 300 that controls the robot 400 (S21).
  • the control unit 150 acquires reference propagation environment data corresponding to the current robot operation pattern by referring to the propagation environment table stored in the memory 160 based on the acquired operation pattern number (S22).
  • the control unit 150 measures the current propagation environment data based on the radio wave received by the array antenna 110 (S23). Specifically, when the power transmission device 100 is transmitting power, the receiving unit 140 removes the same frequency component as the transmission frequency fout from the signal received by each of the antenna elements 112 of the array antenna 110, and varies depending on the environment. Only a component (for example, a reflected wave from the robot 400) is extracted and transmitted to the control unit 150. On the other hand, when the power transmission device 100 is not transmitting power, the power transmission device 100 transmits power for a very short time, and removes the same frequency component as the transmission frequency fout from the signal received by each antenna element 112 of the array antenna 110, Only components that fluctuate due to the environment are extracted and transmitted to the control unit 150. The control unit 150 calculates Doppler effect information (Doppler frequency and intensity) using the signal received from the receiving unit 140, and obtains a measured value of the propagation environment data.
  • Doppler effect information Doppler frequency and intensity
  • the control unit 150 compares the reference propagation environment data stored in the memory 160 with the current propagation environment data obtained by the measurement (S24).
  • control unit 150 starts power supply when power supply is not being performed, and continues power supply when power supply has already been performed (S25).
  • the match includes both a case where the reference propagation environment data completely matches the current propagation environment data obtained by the measurement, and a case where the difference between them is within a predetermined allowable range.
  • control unit 150 stops power supply (S26). In this case, since it is considered that a foreign object such as a person has entered the detection range S, it is necessary to stop the power supply. Note that, without stopping the power supply, the power supply may be continued in a state where the magnitude of the transmitted power is reduced to a level that does not affect an object such as a person.
  • the wireless power transmission system 10 of the present embodiment wirelessly supplies power to the power receiving device 200 in an environment in which the power transmitting device 100 and the robot 400 movable in a plurality of operation patterns are arranged.
  • the power transmission device 100 includes an array antenna 110 including a plurality of antenna elements 112 for transmitting radio waves for supplying electric power, and information indicating a state of a propagation environment of radio waves within the detection range S.
  • the array antenna A control unit that detects entry of a foreign object in the detection range S based on propagation environment data (an example of second environment information) indicating the state of the propagation environment of the radio wave in the detection range S obtained based on the signal received at 110.
  • the reference propagation environment data is obtained for each operation pattern, and includes a change in the state of the propagation environment of the radio wave every fixed time when the robot operates in each operation pattern.
  • the control unit 150 obtains propagation environment data (an example of second environment information) based on the signal received by the array antenna 110, obtains an operation pattern of the robot 400 when the propagation environment data is obtained, and obtains the obtained operation pattern.
  • the difference between the propagation environment data obtained based on the signal received by the array antenna 110 at the time of detecting a foreign object and the reference propagation environment data measured in advance in the reference state is calculated.
  • the presence or absence of foreign matter in the detection range S is detected based on the detection.
  • the present embodiment discloses a foreign object detection method in the wireless power transmission system 10 used in an environment where a robot 400 that moves in a plurality of operation patterns is arranged.
  • a radio wave for supplying electric power is transmitted via an array antenna 110 having a plurality of antenna elements, and information indicating the state of the propagation environment of the radio wave within the detection range S is transmitted by the control unit 150.
  • reference propagation environment data is obtained in advance based on a signal received by the array antenna in a state where no foreign matter exists in the detection range.
  • the reference propagation environment data is obtained for each operation pattern, and includes a change in the state of the propagation environment of the radio wave every fixed time when the robot operates in each operation pattern.
  • the robot After the control unit 150 obtains the reference propagation environment data, the robot obtains the propagation environment data indicating the state of the propagation environment of the radio wave in the detection range S based on the signal received by the array antenna 110, and obtains the robot when the propagation environment data is obtained. Is obtained, and reference propagation environment data including a change in the state of the propagation environment of the radio wave at predetermined time intervals when the robot operates with the acquired operation pattern is acquired. Further, the control unit 150 compares the obtained propagation environment data with the acquired reference propagation environment data, and detects the presence or absence of foreign matter in the detection range S based on the comparison result.
  • the present embodiment discloses a concept of a foreign object detection device that detects entry of a foreign object in the detection range S in an environment where a robot that moves in a plurality of operation patterns is arranged.
  • the foreign object detection device is an array antenna 110 including a plurality of antenna elements for transmitting radio waves in the detection range S, and information indicating a state of a radio wave propagation environment in the detection range S, and no foreign object exists in the detection range.
  • the reference propagation environment data obtained in advance based on the signal received by the array antenna 110 and the propagation environment of the radio wave in the detection range S obtained based on the signal received by the array antenna 110 after obtaining the reference propagation environment data are obtained.
  • a control unit that detects entry of a foreign object in the detection range based on the propagation environment data indicating the state.
  • the reference propagation environment data is obtained for each operation pattern, and includes a change in the state of the propagation environment of the radio wave every fixed time when the robot operates in each operation pattern.
  • the control unit 150 obtains propagation environment data based on the signal received by the array antenna 110, obtains an operation pattern of the robot at the time of obtaining the propagation environment data, and obtains the operation pattern of the robot at a predetermined time interval when the robot operates with the obtained operation pattern.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a wireless power transmission system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the wireless power transmission system 10b of the present embodiment is different from that of the first embodiment in that the power transmission device 100b further includes a transmission unit 170 that outputs a request to transmit a beacon signal to the power reception device 200b.
  • Power receiving device 200b differs from that of the first embodiment in that it has a beacon transmitting unit 240 that generates a beacon signal and transmits the beacon signal via antenna 210.
  • the beacon signal is a very short RF signal including unique information such as the serial number of the power receiving device 200b.
  • the power transmitting device 100b detects a difference from the propagation environment of the reference state based on the state of the beacon signal received from the power receiving device 200b, and detects entry of a foreign object into the detection range S according to the detection result. I do. That is, it detects whether there is a change in the beacon signal received from the power receiving device 200b during the power transmission operation with respect to the beacon signal received from the power receiving device 200b in the reference state where there is no foreign matter. Then, when a change is detected, it is detected that a foreign object such as a person has entered the detection range S.
  • the beacon signal transmitted from the power receiving device 200b is modulated by a foreign object entering the detection range S before being received by the array antenna 110. Therefore, by observing the beacon signal received by the array antenna 110, it is possible to detect the entry of the foreign matter into the detection range S.
  • FIG. 10 is a flowchart showing the operation of measuring the reference propagation environment data in the wireless power transmission system 10b according to the second embodiment.
  • the process illustrated in FIG. 10 is performed in advance in an environment where the wireless power transmission system 10b is installed, before starting a normal power transmission operation. Further, it is assumed that the robot 400 is arranged within the detection range S in an environment where the wireless power transmission system 10b is installed.
  • control unit 150 of the power transmission device 100b starts a power supply operation to the power reception device 200b (S40).
  • the power transmitting device 100 requests the power receiving device 200b to transmit a beacon signal (S41). Therefore, control unit 150 instructs transmission unit 170 to transmit a request to transmit a beacon signal.
  • Transmitting section 170 transmits a request for transmitting a beacon signal via array antenna 110.
  • the power receiving device 200b causes the beacon transmitting unit 240 to start transmitting the beacon signal.
  • the control unit 150 of the power transmission device 100b sets the control variable N to 1 (S42).
  • the control unit 150 instructs the control device 300 that controls the robot 400 to operate the robot 400 in the N-th operation pattern (S43). As a result, the robot 400 operates in the N-th operation pattern.
  • the receiving unit 140 of the power transmitting device 100b receives a beacon signal from the power receiving device 200b via each antenna element 112 of the array antenna 110 (S44).
  • the control unit 150 calculates a propagation coefficient based on the beacon signal received by each antenna element 112 of the array antenna 110 (S45).
  • the propagation coefficient is an element of a channel matrix H shown below.
  • y Hx + w (1)
  • y the intensity of the received signal received by each antenna element 112 of the array antenna 110
  • x the intensity of the transmitted signal
  • w the noise received by each antenna element of the array antenna
  • the receiving unit 140 calculates the power Pi and the phase ⁇ i of the beacon signal from the beacon signal received by each antenna element (i) 112.
  • the control unit 150 calculates a propagation coefficient (each element of H) based on the power Pi of the beacon signal and the phase ⁇ i.
  • control section 150 When the above processing (S43 to S45) is performed for all the operation patterns (YES in S46), control section 150 generates reference propagation environment data as shown in FIG. 5 based on the calculated propagation coefficients, It is registered in the propagation environment table in the memory 160 (S47).
  • the reference propagation environment data relating to the propagation coefficient can be obtained.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating a power transmission operation involving an object detection operation in power transmission device 100b of wireless power transmission system 10b. The process shown in FIG. 11 is periodically executed at predetermined time intervals.
  • the control unit 150 of the power transmitting device 100b transmits a request for transmitting a beacon signal to the power receiving device 200b (S50).
  • the power receiving apparatus 200 starts transmitting the beacon signal.
  • the control unit 150 acquires an operation pattern number indicating the current operation pattern of the operating robot 400 from the control device 300 that controls the robot 400 (S51).
  • the control unit 150 refers to the propagation environment table stored in the memory 160 based on the acquired operation pattern number and acquires reference propagation environment data corresponding to the current robot operation pattern (S52).
  • the control unit 150 measures the current propagation environment data based on the beacon signal received by the array antenna 110 (S53). Specifically, the control unit 150 calculates a propagation coefficient based on the power Pi of the beacon signal and the phase ⁇ i.
  • the control unit 150 compares the reference propagation environment data stored in the memory 160 with the current propagation environment data obtained by the measurement (S54).
  • the control unit 150 starts power supply when power is not currently being supplied, and continues power supply when power is already supplied (S55). In this case, it can be determined that the propagation environment state of the radio wave has not changed from the reference state, and since it is considered that no foreign matter such as a person has entered the detection range S, there is no need to stop power supply.
  • the match includes both a case where the reference propagation environment data completely matches the current propagation environment data obtained by the measurement, and a case where the difference between them is within a predetermined allowable range.
  • control unit 150 stops power supply (S56). In this case, since it is considered that a foreign object such as a person has entered the detection range S, it is necessary to stop the power supply. Note that, without stopping power supply, power supply may be continued after reducing the amount of power to be transmitted to a level that does not affect humans or mobile machines.
  • the propagation coefficient of a radio wave in a power transmission environment may be used as an index indicating the propagation environment of a radio wave.
  • the object detection device of the present disclosure is applied to a wireless power transmission system.
  • the object detection device of the present disclosure may be applied to other devices and systems. That is, the object detection device according to the present disclosure can be applied to any device or system that transmits a predetermined signal via an array antenna and can receive a signal using the array antenna.
  • the Doppler effect information and the propagation coefficient are used as the propagation environment data of the radio wave, but other types of information may be used. That is, any information can be adopted as long as the information indicates the propagation characteristics of a radio wave in a space within a range in which a foreign object is detected (for example, the detection range S).
  • the reference propagation environment data is stored in the memory 160 incorporated in the power transmission devices 100 and 100b, but the reference propagation environment data is stored in a device or a recording medium outside the power transmission devices 100 and 100b. You may.
  • the power transmission devices 100 and 100b may acquire reference propagation environment data from an external device.
  • the power transmitting apparatuses 100 and 100b may acquire the reference propagation environment data from an external server via a network.

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Abstract

送電装置は、複数のアンテナ素子を備えたアレイアンテナ（１１０）と、検知範囲内の電波の伝搬環境の状態を示す情報であって、検知範囲内に異物が存在しない状態においてアレイアンテナで受信した信号に基づき予め求められた第１の環境情報と、第１の環境情報を求めた後に求められた検知範囲における電波の伝搬環境の状態を示す第２の環境情報とに基づき、検知範囲における異物の進入を検出する制御部（１５０）と、を備える。制御部は、アレイアンテナで受信した信号に基づき第２の環境情報を求め、第２の環境情報を求めた時のロボットの動作パターンを取得し、取得した動作パターンに対応する第２の環境情報を取得し、第１及び第２の環境情報に基づき検知範囲への異物の進入を検出する。これにより、ロボットなどの通常動いている物体を誤検出することなく、所定範囲内に人等の異物が進入したことを検知する。

Description

無線で電力を供給する送電装置及び異物検出方法
　本発明は、無線電力伝送において、電力の送電範囲を含む所定の検知範囲において人などの異物が進入したことを検出する装置に関する。
　無線電力伝送により対象に給電する技術において、大電力を伝送するときに、電力伝送領域内に人が進入した場合に電波が人に与える影響が懸念されている。このため、従来、無線電力伝送技術においては、人などの物体が所定の領域に進入したか否かを検出し、進入が検出されたときには、電力伝送を停止することを行っている。
　例えば、特許文献１の電力伝送システムでは、検知範囲に電波を送信し、送信した電波の反射波を複数の受信部で受信し、複数の受信部で受信した反射波の位相差の情報を用いることで異物の存在を検出し、異物が検出されたときに電力伝送を停止している。
特開２０１４－２０７７４９号公報
　特許文献１のような検出技術を例えば工場のような、動いているロボットが存在する環境に適用した場合、動いているロボットが検知範囲に進入する場合もあり、その場合にロボットを異物として誤検出してしまうという問題がある。
　本発明は、無線で電力を伝送する装置であって、ロボットなどの通常動いている物体を誤検出することなく、所定の検知範囲内に人などの異物が進入したことを検知する送電装置を提供する。
　本開示の第１の態様において、複数の動作パターンで可動するロボットが配置された環境において、受電装置に対して無線で電力を供給する送電装置が提供される。送電装置は、電力を供給するための電波を送信する複数のアンテナ素子を備えたアレイアンテナと、所定の検知範囲内の電波の伝搬環境の状態を示す情報であって、検知範囲内に異物が存在しない状態においてアレイアンテナで受信した信号に基づき予め求められた第１の環境情報と、第１の環境情報を求めた後に、アレイアンテナで受信した信号に基づき求められた検知範囲における電波の伝搬環境の状態を示す第２の環境情報とに基づき、検知範囲における異物の進入を検出する制御部と、を備える。第１の環境情報は、動作パターン毎に求められ、ロボットが各動作パターンで動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含む。制御部は、アレイアンテナで受信した信号に基づき第２の環境情報を求め、第２の環境情報を求めた時のロボットの動作パターンを取得し、取得した動作パターンでロボットが動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含む第１の環境情報を取得し、第２の環境情報と、取得した第１の環境情報との比較結果に基づき検知範囲における異物の進入の有無を検出する。
　本開示の第２の態様において、上記の送電装置と、送電装置から無線で電力を受ける受電装置と、を備えた無線電力伝送システムが提供される。
　本開示の第３の態様において、複数の動作パターンで可動するロボットが配置された環境で使用される無線電力システムにおける異物検出方法が提供される。異物検出方法は、複数のアンテナ素子を備えたアレイアンテナを介して電力を供給するための電波を送信し、制御部により、検知範囲内の電波の伝搬環境の状態を示す情報であって、検知範囲内に異物が存在しない状態においてアレイアンテナで受信した信号に基づき第１の環境情報を予め求めておく。第１の環境情報は、動作パターン毎に求められ、ロボットが各動作パターンで動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含む。制御部により、第１の環境情報を求めた後に、アレイアンテナで受信した信号に基づき検知範囲における電波の伝搬環境の状態を示す第２の環境情報を求め、第２の環境情報を求めた時のロボットの動作パターンを取得し、取得した動作パターンでロボットが動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含む第１の環境情報を取得し、取得した第１の環境情報と第２の環境情報とを比較し、その比較結果に基づき検知範囲における異物の進入の有無を検出する。
　本開示の第４の態様において、複数の動作パターンで可動するロボットが配置された環境において、所定の検知範囲における異物の進入を検出する異物検出装置が提供される。異物検出装置は、検知範囲に電波を送信する複数のアンテナ素子を備えたアレイアンテナと、検知範囲における電波の伝搬環境の状態を示す情報であって、検知範囲内に異物が存在しない状態においてアレイアンテナで受信した信号に基づき予め求められた第１の環境情報と、第１の環境情報を求めた後にアレイアンテナで受信した信号に基づき求められた検知範囲における電波の伝搬環境の状態を示す第２の環境情報とに基づき、検知範囲における異物の進入を検出する制御部と、を備える。第１の環境情報は、動作パターン毎に求められ、ロボットが各動作パターンで動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含む。制御部は、アレイアンテナで受信した信号に基づき第２の環境情報を求め、第２の環境情報を求めた時のロボットの動作パターンを取得し、取得した動作パターンでロボットが動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含む第１の環境情報を取得し、取得した第１の環境情報と第２の環境情報との比較結果に基づき検知範囲における異物の進入の有無を検出する。
　本発明によれば、異物が存在しない通常の環境状態を示す環境情報との差分に基づき、検知範囲内への、人などの異物の進入を検出する。これにより、通常の環境状態において動きのある物体があったとしてもそれを誤検出することを防止でき、精度よく検知範囲への異物の進入を検出することができる。
本発明に係る物体検出装置の技術を無線電力伝送システムに適用した例を示す図 本発明の実施の形態１における無線電力伝送システムの構成を示すブロック図 基準伝搬環境データの測定方法を説明した図 検知範囲に人がいないときの伝搬環境データ（基準伝搬環境データ）と、検知範囲に人が進入したときの伝搬環境データとを示した図 伝搬環境テーブルの例を示す図 無線電力伝送システムにおける伝搬環境データの測定を説明した図 実施の形態１の無線電力伝送システムにおける基準伝搬環境データの測定動作を示すフローチャート 実施の形態１の無線電力伝送システムにおける異物検出動作を示すフローチャート 本発明の実施の形態２における無線電力伝送システムの構成を示すブロック図 実施の形態２の無線電力伝送システムにおける基準伝搬環境データの測定動作を示すフローチャート 実施の形態２の無線電力伝送システムにおける異物検出動作を示すフローチャート
　以下、適宜図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
　（適用例）
　まず、本開示に係る異物検出装置が適用される場面の一例を説明する。本開示に係る異物検出装置は、例えば、製造工場において無線で電力伝送を行うで用いられる無線電力伝送システムに適用することができる。
　図１は、本開示に係る異物検出装置を無線電力伝送システムに適用した例を示す図である。無線電力伝送システム１０は、無線により給電対象の装置に電力を送電するシステムである。無線電力伝送システム１０は送電装置１００と受電装置２００とで構成される。送電装置１００は例えばマイクロ波により受電装置２００に電力を供給する。受電装置２００は、送電装置１００からマイクロ波を受け、受けたマイクロ波の電力で稼働する。受電装置２００は例えば、製造工場内に配置されるセンサである。送電装置１００は電力送信のためにアレイアンテナ１１０を備える。アレイアンテナ１１０は、複数のアンテナ素子１１２を備え、指向性を有した電波の送信及び受信が可能である。
　この無線電力伝送システム１０によれば、送電装置１００がアレイアンテナ１１０から電波（マイクロ波）を送信することで、所定の給電範囲Ｐ内にある複数の受電装置２００に対して電力を伝送する。さらに、送電装置１００は、アレイアンテナ１１０で、給電範囲Ｐを含む所定の検知範囲Ｓ（詳細は後述）内にある物体からの反射波を受信し、受信した電波に基づき、そのときの検知範囲Ｓ内の空間における電波の伝搬環境を検出する。そして、送電装置１００は、検出した伝搬環境に基づき、検知範囲Ｓ内に異物が進入したか否かを検出する。ここで、異物とは、無線電力伝送システム１０の動作中に検知範囲Ｓ内において本来配置されない又は存在しない物体であり、例えば、人、動物または移動機械である。
　送電装置１００は、人４２０などの異物の進入を検出したときは、受電装置２００に対する給電を停止するか、または、伝送する電力の値を人体に影響のないレベルまでに低減させるような処理を行う。これにより、人体や機械に対する、電力伝送のための電波の影響を低減することができる。
　検知範囲Ｓ内に、人４２０などの異物が存在するときと、存在しないときとでは、検知範囲Ｓ内の空間における電波の伝搬環境が変化する。そこで、送電装置１００は、人４２０などの異物が存在するときと、存在しないときとでの伝搬環境の差異を利用して、検知範囲Ｓ内への人４２０などの異物の進入を検出する。このように、検知範囲Ｓ内に人４２０などの異物が存在するときと、存在しないときとでの伝搬環境の差異を利用することで、検知範囲Ｓ内にロボット４００のような動く物体が存在する場合であっても、精度よく、検知範囲Ｓ内への異物の進入を検出することが可能となる。
　（実施の形態１）
　以下、添付の図面を参照して、本発明に係る無線電力伝送システム及び異物検出装置の実施の形態を説明する。
　１．構成
　図２は、本開示の実施の形態１における無線電力伝送システムの構成を示すブロック図である。実施の形態１における無線電力伝送システム１０は、電力を無線で伝送する送電装置１００と、送電装置１００から伝送された電力を受ける受電装置２００とで構成される。
　送電装置１００は、指向性を有するアレイアンテナ１１０と、アレイアンテナの指向性を制御する指向性制御部１２０と、電力を伝送するための給電信号を生成する給電信号生成部１３０と、アレイアンテナ１１０を介して伝搬環境を示す電波を受信する受信部１４０と、送電装置１００の動作を制御する制御部１５０と、基準となる伝搬環境データを示す伝搬環境テーブルを格納するメモリ１６０と、を備える。
　アレイアンテナ１１０は複数のアンテナ素子１１２を含み、所望の放射指向性を実現できる。例えば、アレイアンテナ１１０において、Ｎ個（Ｎは２以上の自然数）のアンテナ素子１１２を適宜配列し、その全部あるいは一部を励振し、励振電流（電圧）の振幅と位相を制御することで、所望の放射指向性（放射パターン）を得ることができる。
　給電信号生成部１３０は、制御部１５０からの制御にしたがい、電力を搬送するマイクロ波を生成するための給電信号を生成する回路である。給電信号生成部１３０は、例えば、ガンダイオード等の半導体発振器、又はマグネトロン等のマイクロ波発振器である。
　指向性制御部１２０は、制御部１５０からの制御にしたがい、アレイアンテナ１１０から放射する信号の指向性を制御する回路であり、給電信号生成部１３０からの給電信号に基づき各アンテナ素子１１２に給電する信号を生成する。
　具体的には、指向性制御部１２０は、給電信号生成部１３０によって生成された給電信号をＮ個の給電信号（マイクロ波）に分配する。さらに、指向性制御部１２０は、Ｎ個の給電信号のそれぞれの位相を個別に調整する。指向性制御部１２０のこの機能は、例えば、移相器で実現できる。さらに、指向性制御部１２０は、Ｎ個のマイクロ波の振幅を個別に調整する。指向性制御部１２０のこの機能は、例えば、可変利得増幅器等の電力増幅器で実現できる。
　受信部１４０は、アレイアンテナ１１０を介して受信した電波を電気信号として取り出す回路である。
　制御部１５０は、送電装置１００の動作全体の制御を司り、例えば、プログラムを実行することで所定の機能を実現する。制御部１５０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ等を含む。制御部１５０は、ＣＰＵに変えて、他の種類の汎用プロセッサ、例えばＭＰＵを備えてもよい。または、ＣＰＵに変えて、所定の機能を実現するように専用に設計されたプロセッサを用いてもよい。すなわち、制御部１５０はＣＰＵ、ＭＰＵ、ＧＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等、種々のプロセッサを含むことができる。
　メモリ１６０は情報を記録する記録媒体であり、例えば、フラッシュメモリである。メモリ１６０は不揮発性の記録媒体であれば、他の種類の記録媒体（例えば、ハードディスク、ＳＳＤ）でもよい。特に、メモリ１６０は、検知範囲Ｓにおいて人等の異物が存在しない環境で測定された伝搬環境データを予め格納している（詳細は後述）。
　受電装置２００は、送電装置１００から電力を受け、受けた電力で駆動する。受電装置２００は、例えば、センサである。受電装置２００は、給電信号を示す電波を受信するアンテナ２１０と、アンテナ２１０で受けた電波を処理する受信部２２０と、受電装置２００の動作を制御する制御部２３０とを備える。受信部２２０は、アンテナ２１０で受けた給電信号から電力を生成するための回路を含む。制御部２３０は受電装置２００の機能を実現する制御回路を含む。
　また、送電装置１００は、他の機器と通信を行うためのインタフェース回路（図示せず）を介して、ロボット４００を制御する制御装置３００に接続される。
　２．動作
　以上のような構成を有する無線電力伝送システム１０における動作を以下に説明する。特に、以下では、無線電力伝送システム１０における異物検出動作について説明する。
　無線電力伝送システム１０において、送電装置１００は電力伝送中、検知範囲Ｓの空間における電波の伝搬環境を監視し、電波の伝搬環境の状態に基づいて検知範囲内に人等の異物が進入したか否かを検出する。ここで、所定の検知範囲Ｓは、アレイアンテナ１１０が電波を受信できる範囲である。検知範囲Ｓは、アレイアンテナ１１０の感度や指向性を調整することで制御できる。検知範囲Ｓは、例えば、給電範囲Ｐと同じ範囲に設定してもよいし、それよりも大きい範囲に設定してもよい。
　このため、本実施の形態の無線電力伝送システム１０では、予め、人等の異物がない状態においてロボット４００を通常に動作させた状態で、検知範囲Ｓの空間における電波の伝搬環境を測定する。以下、電波の伝搬環境を示す情報を「伝搬環境データ」という。本実施の形態では、伝搬環境データの例として、ドップラー効果を示す情報を採用している。
　具体的には、予め、図３に示すように、検知範囲Ｓにおいて人等の異物がない環境において、ロボット４００を通常に動作させ、かつ、受電装置２００（例えば、センサ）に給電した状態（以下「基準状態」という）で、アレイアンテナ１１０により、周囲の環境から電波を受信する。このとき受信される電波は、電力伝送のためにアレイアンテナ１１０から送信されたマイクロ波が、検知範囲Ｓの空間内にあるロボット４００や受電装置２００等により反射された反射波である。ロボット４００は動いているため、この反射波も時間とともに変化する。図４は、アレイアンテナ１１０により受信された反射波の変化の例を示す図である。図４の実線Ａは、基準状態でアレイアンテナ１１０により受信された反射波の波形を示している。
　以上のようにして基準状態で求められた伝搬環境データ（以下「基準伝搬環境データ」という）は、伝搬環境テーブルとして、メモリ１６０に格納される。
　図５は、基準伝搬環境データを含む伝搬環境テーブルの例を示した図である。ロボット４００は複数の動作パターンで動作可能である。伝搬環境テーブルは、ロボット４００の動作パターンと、その動作パターンの動作期間（開始時刻から終了時刻）と、その動作パターンの動作中に測定された基準伝搬環境データとを含む。伝搬環境データは、ドップラー効果を示す情報を数値化したデータである。このように基準伝搬環境データは、動作パターン毎に求められ、ロボット４００が各動作パターンで動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含む。
　送電装置１００は、通常の送電動作中において、アレイアンテナ１１０を介して周囲の環境からの反射波を受信する。送電装置１００は、受信した反射波から伝搬環境データを求める。
　例えば、図６に示すように、人４２０が検知範囲Ｓ内に進入した場合、アレイアンテナ１１０は、人４２０からの反射波を受信する。このため、アレイアンテナ１１０を介して受信される電波は、人４２０がいない基準状態で測定されたものとは異なるものになる。よって、例えば、図４において、基準状態で求めた波形が実線Ａで示す波形であるのに対して、人４２０がいる場合は、破線Ｂで示すような波形となり、両者は異なる。
　そこで、送電装置１００は、通常の送電動作中に求めた伝搬環境データと、人等の異物がいない基準状態で予め求めていた基準伝搬環境データとを比較し、その差異を検出することで、人等の異物が検知範囲Ｓ内に進入したか否かを検出する。
　以下、本実施の形態の無線電力伝送システム１０の送電装置１００における基準伝搬環境データの測定動作と、異物検出動作を伴う電力伝送動作とを説明する。
　２．１　基準伝搬環境データの測定
　図７は、無線電力伝送システム１０の送電装置１００における基準伝搬環境データの測定動作を示すフローチャートである。図７に示す処理は、無線電力伝送システム１０が設置された環境において、通常の送電動作の開始前に予め実施される。また、無線電力伝送システム１０が設置された環境において、検知範囲Ｓ内においてロボット４００が配置されているとする。
　送電装置１００の制御部１５０はまず、受電装置２００に対して給電動作を開始する（Ｓ１０）。このために、制御部１５０は、アレイアンテナ１１０の各アンテナ素子(i)１１２に入力する電力Ｐout_iと位相θout_iと周波数ｆoutとを示す制御信号を給電信号生成部１３０と指向性制御部１２０とに送信する。給電信号生成部１３０は周波数ｆoutのマイクロ波による給電信号を生成する。指向性制御部１２０は、給電信号生成部１３０からの給電信号を変調し、アンテナ素子(i)１１２毎に、電力Ｐout_i、位相θout_i、周波数ｆoutとなる給電信号を生成し、各アンテナ素子(i)１１２に送信する。これにより、アレイアンテナ１１０から所望の指向性を持った電波（給電信号）が送信される。
　次に、制御部１５０は制御変数Ｎを１に設定する（Ｓ１１）。次に制御部１５０は、ロボット４００を制御する制御装置３００に対して、Ｎ番目の動作パターンでロボット４００を動作させるように指示を行う（Ｓ１２）。これにより、ロボット４００はＮ番目の動作パターンで動作する。
　送電装置１００はアレイアンテナ１１０の各アンテナ素子１１２を介して環境から電波を受信する（Ｓ１３）。
　制御部１５０は、アレイアンテナ１１０の各アンテナ素子１１２により受信した信号に基づきドップラー効果情報を算出する（Ｓ１４）。具体的には、まず、受信部１４０は、各アンテナ素子１１２により受信した信号から、送信周波数ｆoutと同じ周波数成分を除去し、環境により変動した成分（例えば、ロボット４００からの反射波）のみを含む信号を生成する。そして、制御部１５０は、この環境による変動成分を含む信号をフーリエ変換して、複数のドップラー周波数とその強度（振幅）を得る。そして、ドップラー周波数とその強度（振幅）の情報をドップラー効果情報とする。なお、ドップラー効果情報については例えば特開2017-211348号に開示されている。
　各動作パターンに対するドップラー効果情報の算出（Ｓ１２～Ｓ１４）をロボット４００が有する全ての動作パターンに対して実行する（Ｓ１５、Ｓ１７）。全ての動作パターンについて上記の処理（Ｓ１２～Ｓ１４）が実行されると、制御部１５０は、算出したドップラー効果情報（ドップラー周波数とその強度（振幅）の情報）に基づき、図５に示すような基準伝搬環境データを生成し、メモリ１６０内の伝搬環境テーブルに登録する（Ｓ１６）。
　以上のようにして、ドップラー効果に関する基準伝搬環境データを求めることができる。
　２．２　異物検出動作を伴う電力伝送
　次に、無線電力伝送システム１０の異物検出動作を伴う電力伝送動作を説明する。図８は、無線電力伝送システム１０の送電装置１００における物体検知動作を伴う電力伝送動作を示すフローチャートである。図８に示す処理は所定時間間隔で定期的に実行される。
　送電装置１００の制御部１５０は、ロボット４００を制御する制御装置３００から、稼働中のロボット４００の動作パターンを示す動作パターン番号を取得する（Ｓ２１）。制御部１５０は、取得した動作パターン番号に基づき、メモリ１６０に格納された伝搬環境テーブルを参照して、現在のロボットの動作パターンに対応する基準伝搬環境データを取得する（Ｓ２２）。
　制御部１５０は、アレイアンテナ１１０で受信した電波に基づき、現在の伝搬環境データを測定する（Ｓ２３）。具体的には、送電装置１００が送電を行っている場合、受信部１４０は、アレイアンテナ１１０の各アンテナ素子１１２により受信した信号から、送信周波数ｆoutと同じ周波数成分を除去し、環境により変動した成分（例えば、ロボット４００からの反射波）のみを抽出し、制御部１５０に送信する。一方、送電装置１００が送電を行っていない場合は、送電装置１００は非常に短い間送電し、アレイアンテナ１１０の各アンテナ素子１１２により受信した信号から、送信周波数ｆoutと同じ周波数成分を除去し、環境により変動した成分のみを抽出し、制御部１５０に送信する。制御部１５０は、受信部１４０から受信した信号を用いてドップラー効果情報（ドップラー周波数と強度）を算出して、伝搬環境データの測定値を得る。
　制御部１５０は、メモリ１６０に格納された基準伝搬環境データと、測定により得られた現在の伝搬環境データとを比較する（Ｓ２４）。
　両者が一致している場合（Ｓ２４でＹＥＳ）、制御部１５０は、給電が実施されていないときは、給電を開始し、既に給電されているときは、給電を継続する（Ｓ２５）。この場合は、電波の電伝搬環境状態は、基準状態と変わっていないと判断でき、検知範囲Ｓに人等の異物が進入していないと考えられるため、給電を停止する必要がない。なお、一致とは、基準伝搬環境データと、測定により得られた現在の伝搬環境データとが完全に一致する場合と、それらの差分が所定の許容範囲内にある場合との双方を含む。
　一方、両者が一致していない場合（Ｓ２４でＮＯ）、制御部１５０は給電を停止する（Ｓ２６）。この場合、検知範囲Ｓに人等の異物が進入していると考えられるため、給電を停止する必要がある。なお、給電を停止せずに、人等の物体に対して影響のないレベルまで、伝送する電力の大きさを低減した状態で給電を継続させてもよい。
　３．まとめ
　以上のように本実施の形態の無線電力伝送システム１０は、送電装置１００、複数の動作パターンで可動するロボット４００が配置された環境において、受電装置２００に対して無線で電力を供給する。送電装置１００は、電力を供給するための電波を送信する複数のアンテナ素子１１２を備えたアレイアンテナ１１０と、検知範囲Ｓ内の電波の伝搬環境の状態を示す情報であって、検知範囲Ｓ内に異物が存在しない状態（基準状態）においてアレイアンテナ１１０で受信した信号に基づき予め求められた基準伝搬環境データ（第１の環境情報の一例）と、基準伝搬環境データを求めた後に、アレイアンテナ１１０で受信した信号に基づき求められた検知範囲Ｓにおける電波の伝搬環境の状態を示す伝搬環境データ（第２の環境情報の一例）とに基づき、検知範囲Ｓにおける異物の進入を検出する制御部１５０と、を備える。基準伝搬環境データは、動作パターン毎に求められ、ロボットが各動作パターンで動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含む。制御部１５０は、アレイアンテナ１１０で受信した信号に基づき伝搬環境データ（第２の環境情報の一例）を求め、伝搬環境データを求めた時のロボット４００の動作パターンを取得し、取得した動作パターンでロボット４００が動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含む基準伝搬環境データを取得し、求めた伝搬環境データと、取得した基準伝搬環境データとの比較結果に基づき検知範囲Ｓにおける異物の進入の有無を検出する。
　以上のように、本実施の形態の無線電力伝送システム１０では、異物検出時にアレイアンテナ１１０で受信した信号に基づき求めた伝搬環境データと、基準状態で予め測定した基準伝搬環境データとの差分に基づき検知範囲Ｓにおける異物の進入の有無を検出する。これにより、通常の動作環境において検知範囲Ｓ内にロボットのような動く物体がある場合でも、誤検出することなく、アレイアンテナ１１０で受信した信号に基づき精度よく異物を検出することができる。
　また、本実施の形態は、複数の動作パターンで可動するロボット４００が配置された環境で使用される無線電力伝送システム１０における異物検出方法を開示する。異物検出方法は、複数のアンテナ素子を備えたアレイアンテナ１１０を介して電力を供給するための電波を送信し、制御部１５０により、検知範囲Ｓ内の電波の伝搬環境の状態を示す情報であって、検知範囲内に異物が存在しない状態においてアレイアンテナで受信した信号に基づき基準伝搬環境データを予め求める。基準伝搬環境データは、動作パターン毎に求められ、ロボットが各動作パターンで動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含む。制御部１５０により、基準伝搬環境データを求めた後、アレイアンテナ１１０で受信した信号に基づき検知範囲Ｓにおける電波の伝搬環境の状態を示す伝搬環境データを求め、伝搬環境データを求めた時のロボットの動作パターンを取得し、取得した動作パターンでロボットが動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含む基準伝搬環境データを取得する。さらに、制御部１５０により、求めた伝搬環境データと、取得した基準伝搬環境データを比較し、その比較結果に基づき検知範囲Ｓにおける異物の進入の有無を検出する。
　また、本実施の形態は、複数の動作パターンで可動するロボットが配置された環境において、検知範囲Ｓにおける異物の進入を検出する異物検出装置の思想を開示する。異物検出装置は、検知範囲Ｓに電波を送信する複数のアンテナ素子を備えたアレイアンテナ１１０と、検知範囲Ｓにおける電波の伝搬環境の状態を示す情報であって、検知範囲内に異物が存在しない状態においてアレイアンテナ１１０で受信した信号に基づき予め求められた基準伝搬環境データと、基準伝搬環境データを求めた後にアレイアンテナ１１０で受信した信号に基づき求められた検知範囲Ｓにおける電波の伝搬環境の状態を示す伝搬環境データとに基づき、検知範囲Ｓにおける異物の進入を検出する制御部１５０と、を備える。基準伝搬環境データは、動作パターン毎に求められ、ロボットが各動作パターンで動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含む。制御部１５０は、アレイアンテナ１１０で受信した信号に基づき伝搬環境データを求め、伝搬環境データを求めた時のロボットの動作パターンを取得し、取得した動作パターンでロボットが動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含む基準伝搬環境データを取得し、取得した基準伝搬環境データと、求めた伝搬環境データとの比較結果に基づき検知範囲Ｓにおける異物の進入の有無を検出する。
　（実施の形態２）
　実施の形態１では、電波の伝搬環境データとして、ドップラー効果情報を採用した。これに対して、本実施の形態では、電波の伝搬環境データとして伝搬係数を採用する。以下、本実施の形態の無線電力伝送システムについて説明する。
　図９は、本発明の実施の形態２における無線電力伝送システムの構成を示すブロック図である。本実施の形態の無線電力伝送システム１０ｂでは、送電装置１００ｂにおいて、受電装置２００ｂに対してビーコン信号の送信要求を出力する送信部１７０をさらに備えている点が実施の形態１のものと異なる。受電装置２００ｂは、ビーコン信号を生成しアンテナ２１０を介して送信するビーコン送信部２４０を備えている点が実施の形態１のものと異なる。ビーコン信号は、例えば受電装置２００ｂのシリアル番号などの固有情報を含む非常に短いRF信号である。
　本実施の形態では、送電装置１００ｂは、受電装置２００ｂから受信したビーコン信号の状態に基づき基準状態の伝搬環境との差異を検出し、検出結果にしたがい検知範囲Ｓ内への異物の進入を検知する。すなわち、異物がない基準状態のときに受電装置２００ｂから受信したビーコン信号に対して、電力伝送動作中に受電装置２００ｂから受信したビーコン信号に変動があるか否かを検出する。そして、変動が検出された場合に、検知範囲Ｓ内への人等の異物の進入があったことを検出する。受電装置２００ｂから送信されたビーコン信号は、アレイアンテナ１１０により受信されるまでに、検知範囲Ｓ内への異物の進入により変調される。よって、アレイアンテナ１１０により受信されたビーコン信号を観察することによっても、検知範囲Ｓ内への異物の進入を検出することができる。
　図１０は、実施の形態２の無線電力伝送システム１０ｂにおける基準伝搬環境データの測定動作を示すフローチャートである。図１０に示す処理は、無線電力伝送システム１０ｂが設置された環境において、通常の送電動作の開始前に予め実施される。また、無線電力伝送システム１０ｂが設置された環境において、検知範囲Ｓ内においてロボット４００が配置されているとする。
　送電装置１００ｂの制御部１５０はまず、受電装置２００ｂに対して給電動作を開始する（Ｓ４０）。次に、送電装置１００は、受電装置２００ｂに対してビーコン信号の送信を要求する（Ｓ４１）。このため、制御部１５０は、送信部１７０に対して、ビーコン信号の送信要求を送信するよう指示する。送信部１７０は、アレイアンテナ１１０を介して、ビーコン信号の送信要求を送信する。受電装置２００ｂは、送電装置１００ｂからのビーコン信号の送信要求を受信すると、ビーコン送信部２４０によりビーコン信号の送信を開始する。
　送電装置１００ｂの制御部１５０は制御変数Ｎを１に設定する（Ｓ４２）。制御部１５０は、ロボット４００を制御する制御装置３００に対して、Ｎ番目の動作パターンでロボット４００を動作させるように指示を行う（Ｓ４３）。これにより、ロボット４００はＮ番目の動作パターンで動作する。
　送電装置１００ｂの受信部１４０は、アレイアンテナ１１０の各アンテナ素子１１２を介して受電装置２００ｂからのビーコン信号を受信する（Ｓ４４）。
　制御部１５０は、アレイアンテナ１１０の各アンテナ素子１１２により受信したビーコン信号に基づき伝搬係数を算出する（Ｓ４５）。伝搬係数は、下記に示すチャンネル行列Ｈの要素である。
　ｙ＝Ｈｘ＋ｗ　　　　（１）
ここで、ｙはアレイアンテナ１１０の各アンテナ素子１１２で受信した受信信号の強度、ｘは送信信号の強度、ｗはアレイアンテナの各アンテナ素子で受信されたノイズである（特開2008-086003号等参照）。
　具体的には、まず、受信部１４０は、各アンテナ素子(i)１１２により受信したビーコン信号から、ビーコン信号の電力Ｐiと位相θiを算出する。制御部１５０は、ビーコン信号の電力Ｐiと位相θiに基づき伝搬係数（Ｈの各要素）を算出する。
　各動作パターンに対する伝搬係数の算出処理（Ｓ４３～Ｓ４５）をロボット４００が有する全ての動作パターンに対して実行する（Ｓ４６、Ｓ４８）。全ての動作パターンについて上記の処理（Ｓ４３～Ｓ４５）が実行されると（Ｓ４６でＹＥＳ）、制御部１５０は、算出した伝搬係数に基づき、図５に示すような基準伝搬環境データを生成し、メモリ１６０内の伝搬環境テーブルに登録する（Ｓ４７）。
　以上のようにして、伝搬係数に関する基準伝搬環境データを求めることができる。
　次に、無線電力伝送システム１０ｂの物体検知動作を伴う電力伝送動作を説明する。図１１は、無線電力伝送システム１０ｂの送電装置１００ｂにおける物体検知動作を伴う電力伝送動作を示すフローチャートである。図１１に示す処理は所定時間間隔で定期的に実行される。
　送電装置１００ｂの制御部１５０はまず、受電装置２００ｂに対してビーコン信号の送信要求を送信する（Ｓ５０）。受電装置２００は、ビーコン信号の送信要求を受けると、ビーコン信号の送信を開始する。
　制御部１５０は、ロボット４００を制御する制御装置３００から、稼働中のロボット４００の現在の動作パターンを示す動作パターン番号を取得する（Ｓ５１）。制御部１５０は、取得した動作パターン番号に基づき、メモリ１６０に格納された伝搬環境テーブルを参照して、現在のロボットの動作パターンに対応する基準伝搬環境データを取得する（Ｓ５２）。
　制御部１５０は、アレイアンテナ１１０で受信したビーコン信号に基づき、現在の伝搬環境データを測定する（Ｓ５３）。具体的には、制御部１５０は、ビーコン信号の電力Ｐiと位相θiに基づき伝搬係数を算出する。
　制御部１５０は、メモリ１６０に格納された基準伝搬環境データと、測定により得られた現在の伝搬環境データとを比較する（Ｓ５４）。
　両者が一致している場合（Ｓ５４でＹＥＳ）、制御部１５０は、現在給電を実施していないときは、給電を開始し、既に給電しているときは、給電を継続する（Ｓ５５）。この場合は、電波の伝搬環境状態は、基準状態と変わっていないと判断でき、検知範囲Ｓに人等の異物が進入していないと考えられるため、給電を停止する必要がない。なお、一致とは、基準伝搬環境データと、測定により得られた現在の伝搬環境データとが完全に一致する場合と、それらの差分が所定の許容範囲内にある場合との双方を含む。
　一方、両者が一致していない場合（Ｓ５４でＮＯ）、制御部１５０は給電を停止する（Ｓ５６）。この場合、検知範囲Ｓに人等の異物が進入していると考えられるため、給電を停止する必要がある。なお、給電を停止せずに、人または移動機械等に対して影響のないレベルまで、伝送する電力の大きさを低減した上で給電を継続させてもよい。
　以上のように、電波の伝搬環境を示す指標として、電力伝送環境における電波の伝搬係数を用いても良い。
　（他の実施の形態）
　上記の実施の形態では、本開示の物体検出装置を無線電力伝送システムに適用した例を説明したが、本開示の物体検出装置は他の装置やシステムに適用してもよい。すなわち、本開示の物体検出装置は、所定信号をアレイアンテナを介して送信するとともに、そのアレイアンテナにより信号を受信できる任意の装置またはシステムに対して適用することができる。
　上記の実施の形態では、電波の伝搬環境データとして、ドップラー効果情報及び伝搬係数を採用したが、他の種類の情報を採用してもよい。すなわち、異物を検出する範囲（例えば、検知範囲Ｓ）の空間における電波の伝搬特性を示す情報であれば、任意の情報を採用することができる。
　上記の実施の形態では、基準伝搬環境データは送電装置１００、１００ｂに内蔵されるメモリ１６０内に格納されたが、基準伝搬環境データは送電装置１００、１００ｂの外部の装置または記録媒体に格納されてもよい。送電装置１００、１００ｂは、外部の装置から基準伝搬環境データを取得するようにしてもよい。例えば、送電装置１００、１００ｂは基準伝搬環境データを、ネットワークを介して外部のサーバから取得するようにしてもよい。
　上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
１０、１０ｂ　無線電力伝送システム
１００、１００ｂ　送電装置
１１０　アレイアンテナ
１１２　アンテナ素子
１２０　指向性制御部
１３０　給電信号生成部
１４０　受信部
１５０　制御部
１６０　メモリ
１７０　送信部
２００、２００ｂ　受電装置（例えば、センサ）
２１０　アンテナ
３００　制御装置
４００　ロボット
４２０　人
Ｐ　給電範囲
Ｓ　検知範囲

Claims (10)

  1. 　複数の動作パターンで可動するロボットが配置された環境において、受電装置に対して無線で電力を供給する送電装置であって、
    　電力を供給するための電波を送信する複数のアンテナ素子を備えたアレイアンテナと、
    　所定の検知範囲内の電波の伝搬環境の状態を示す情報であって、前記検知範囲内に異物が存在しない状態において前記アレイアンテナで受信した信号に基づき予め求められた第１の環境情報と、前記第１の環境情報を求めた後に、前記アレイアンテナで受信した信号に基づき求められた前記検知範囲における電波の伝搬環境の状態を示す第２の環境情報とに基づき、前記検知範囲における異物の進入を検出する制御部と、を備え、
    　前記第１の環境情報は、前記動作パターン毎に求められ、前記ロボットが各動作パターンで動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含み、　前記制御部は、前記アレイアンテナで受信した信号に基づき前記第２の環境情報を求め、前記第２の環境情報を求めた時の前記ロボットの動作パターンを取得し、前記取得した動作パターンで前記ロボットが動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含む前記第１の環境情報を取得し、前記取得した第１の環境情報と前記第２の環境情報との比較結果に基づき前記検知範囲における異物の進入の有無を検出する、
    送電装置。
  2. 　前記第１及び第２の環境情報は、前記アレイアンテナで受信した電波のドップラー効果を示す情報を含む、請求項１に記載の送電装置。
  3. 　前記１及び第２の環境情報は、前記アレイアンテナで受信した電波の伝搬係数を示す情報を含む、請求項１に記載の送電装置。
  4. 　前記受電装置からビーコン信号を受信する受信部をさらに備え、
    　前記制御部は、受信したビーコン信号から前記第１及び第２の環境情報を生成する、
    請求項３に記載の送電装置。
  5. 　前記第１の環境情報を予め格納した記憶部をさらに備え、
    　前記制御部は、前記記憶部から前記第１の環境情報を取得する、
    請求項１に記載の送電装置。
  6. 　前記制御部は、前記第１の環境情報を前記送電装置の外部から取得する、
    請求項１に記載の送電装置。
  7. 　前記制御部は、前記検知範囲における異物の進入を検出した場合、前記受電装置への電力伝送の停止または前記受電装置へ伝送する電力の低減を行う、請求項１に記載の送電装置。
  8. 　請求項１から７のいずれかに記載の送電装置と、
    　前記送電装置から無線で電力を受ける受電装置と、
    を備えた無線電力伝送システム。
  9. 　複数の動作パターンで可動するロボットが配置された環境で使用される無線電力伝送システムにおける異物検出方法であって、
    　複数のアンテナ素子を備えたアレイアンテナを介して電力を供給するための電波を送信し、　制御部により、検知範囲内の電波の伝搬環境の状態を示す情報であって、前記検知範囲内に異物が存在しない状態において前記アレイアンテナで受信した信号に基づき第１の環境情報を予め求めておき、
    　前記第１の環境情報は、前記動作パターン毎に求められ、前記ロボットが各動作パターンで動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含み、
    　前記制御部により、前記第１の環境情報を求めた後に、前記アレイアンテナで受信した信号に基づき前記検知範囲における電波の伝搬環境の状態を示す第２の環境情報を求め、　前記制御部により、前記第２の環境情報を求めた時の前記ロボットの動作パターンを取得し、
    　前記制御部により、前記取得した動作パターンで前記ロボットが動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含む前記第１の環境情報を取得し、
    　前記制御部により、前記取得した第１の環境情報と、前記第２の環境情報とを比較し、その比較結果に基づき前記検知範囲における異物の進入の有無を検出する、
    異物検出方法。
  10. 　複数の動作パターンで可動するロボットが配置された環境において、所定の検知範囲における異物の進入を検出する異物検出装置であって、
    　前記検知範囲に電波を送信する複数のアンテナ素子を備えたアレイアンテナと、
    　前記検知範囲における電波の伝搬環境の状態を示す情報であって、前記検知範囲内に異物が存在しない状態において前記アレイアンテナで受信した信号に基づき予め求められた第１の環境情報と、前記第１の環境情報を求めた後に、前記アレイアンテナで受信した信号に基づき求められた前記検知範囲における電波の伝搬環境の状態を示す第２の環境情報とに基づき、前記検知範囲における異物の進入を検出する制御部と、を備え、
    　前記第１の環境情報は、前記動作パターン毎に求められ、前記ロボットが各動作パターンで動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含み、
    　前記制御部は、前記アレイアンテナで受信した信号に基づき前記第２の環境情報を求め、前記第２の環境情報を求めた時の前記ロボットの動作パターンを取得し、前記取得した動作パターンで前記ロボットが動作したときの一定時間毎の電波の伝搬環境の状態の変化を含む前記第１の環境情報を取得し、取得した前記第１の環境情報と前記第２の環境情報との比較結果に基づき前記検知範囲における異物の進入の有無を検出する、
    異物検出装置。
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