一般社団法人 人工知能学会
Japanese Society for
Artificial Intelligence

人工知能学会研究会資料
JSAI Technical Report
SIG-Challenge-047-3 (3/30)

可視光通信を用いたロボット制御のための信号強度取得に関する一考察
Signal Level with the Pulse Modulation in Visible Light Communication for Controlling Robots.

○清水 謙汰，端山 稜人，福森 康洋，植村 渉
Kenta SHIMIZU, Takato HAYAMA, Yasuhiro FUKUMORI and Wataru UEMURA

龍谷大学
Ryukoku University

shimizu@vega.elec.ryukoku.ac.jp, wataru@rins.ryukoku.ac.jp

Abstract

目されている．そのような工場では，汎用型移動式ロボットが必要とされている[3]．

工場において，少量多品種の生産ラインへの対本研究では，複数台の同一種のロボットをコントロー

応が求められており，汎用型移動式ロボットがラで遠隔制御する時の通信方法に注目する．複数台の同必要とされている．本研究では，複数台の同一一種のロボットをコントローラで遠隔操作するとき，有線種のロボットを無線コントローラで遠隔制御す通信であれば一台一台にコントローラをつなぐ必要がある時の通信方法を検討する．

り，ケーブルの取り回しが複雑になる．Wi-Fi に代表され複数台の同一種のロボットをコントローラで遠る IEEE802.11 などの無線通信を用いた場合，ケーブルの隔操作するとき，各ロボットの識別番号を確認

取り回しの問題は解決するが，各ロボットの識別番号を確しないと，操縦対象がわからなくなる．目に見認しないと，操縦対象がどれかわからなくなる．これは，える無線通信として注目されている可視光通信

無線通信の接続状況が目に見えないため，どのロボットをロボットのコントローラに使うことで，対象と通信しているが把握できないからである．
そこで，本研究では，目に見える無線通信として注目物を明確に把握できるようになる．

されている可視光通信をロボットのコントローラに使う

一方，無線でロボットを操縦するときには，操ことを検討する．通常のリモコンでも同様であるが，無線縦体系にもよるが，方向に関しては右や左といっでロボットを操縦するときに右や左といった相対的な扱いた相対的な扱いをすることが多く，リモコン操をとると，リモコン操縦者の向きと操縦対象物の向きが一致せず，操縦者に一定の慣れとスキルが必要となる[4]．

縦者の向きと操縦対象物の向きが一致せず，操縦者に一定の慣れとスキルが必要となる．これ

これを防ぐためには，相対的な移動指示ではなく，絶対的を防ぐためには，相対的な移動指示ではなく，絶な移動指示が必要となる．つまり，受信機側であるロボッ対的な移動指示が必要となる．つまり，受信機トが，操縦者との位置関係を獲得しないといけない．この側であるロボットが，操縦者との位置関係を獲方法には，いくつかの方法が考えられるが，ここでは可視得しないといけない．この方法には，いくつか光通信を使っていることを利用し，受光素子の受信強度の方法が考えられるが，ここでは可視光通信を分布から発信源の向きを推定する方法を検討する．

使っていることを利用し，受光素子の受信強度分

しかし，可視光通信で情報を光に重畳すると，光源が高布から発信源の向きを推定する方法を検討する．

速で点滅するため受信強度の変動が起こる．本研究では，本研究では，パルスを用いた可視光通信におけパルスを用いた可視光通信における，受信信号強度の取る，受信信号強度の取得方法について検討する．

得方法について検討する．
以下，２章ではパルスを用いた可視光通信について紹

1

介し，変調時の受信信号強度の取得における問題点を挙げはじめにる．発光素子，受光素子の過渡現象の影響を明らかにし，工場において，少量多品種の生産ラインへの対応が求められており[2]，Industrie 4.0 におけるスマートファクト

３章にて矩形波の立ち上がりを検知することで過渡現象

リーを代表とするファクトリーオートメーション化が注４章にてその効果を実験にて確認する．そして，５章で本の影響のない時間帯に信号強度を獲得する方法を提案し，

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Figure 1: 4 値-IPPM による情報と信号の関係の一例
論文をまとめる．

2

可視光通信
Figure 2: 発光素子と受光素子の過渡現象による送信波形

可視光通信は，LED などの白色光の点滅パターンに情報の矩形波の波形変化の一例を重畳する通信方法である．現在のところ多重化を考慮する場面が少ないため，可視光通信や赤外線通信では隣ボットが，操縦者との位置関係を獲得しないといけない．

接チャネルへの影響を考慮しなくて良く，帯域を制限す

この方法には，いくつかの方法が考えられるが，ここではる必要が無い．そのため，送信側でフィルタを通す必要可視光を使っていることを利用し，受光の明るさが無く，正弦波ではなくパルスを用いた通信が可能となり受光素子の受信強度分布から発信源の向きを推定する

る．それゆえ，マイコンのディジタル出力ピンを用いて，方法を検討する．

つま簡単に送信波形を作り出すことができる．一般に，赤外

電波や電磁波では，送受信機間距離が離れると，受信線通信ではパルスの幅を用いて情報を送る Pulse Width

信号強度は指数的に減少する．さらに電波の場合は波長の関係から，腹と節が生じて単調に減少しない[5]．また，

Modulation (PWM) が主流であるが，可視光通信ではちらつきの影響を抑えるために単位時間あたりの点灯時間が一定になる Pulse Position Modulation (PPM)1 の利用

マルチパスの影響も加わり，受信強度から送受信機間距離を推定するのは困難である[6]．一方，可視光領域の電磁が一般的である（図 1）．

波では波長が短いため，マルチパス等の影響が出にくく，可視光通信は，光照射範囲内が受信可能範囲となるた
め，通信対象物を目で確認できる特徴がある．これをロ

受信信号は単調減少となり，複数の受光素子を用いることで，送信源の方向を知ることができる[7]．

ボットの制御に応用すると，ロボットを懐中電灯で照ら本研究では，そのようなパルスを用いた可視光通信にすような感じで，コントロールすることができる．また，おける，受信信号強度の取得方法について検討する．

レンズなどを用いて光照射範囲を広くしたり狭くしたり3して，複数のロボットを照らすことができれば，それら照らされた全部のロボットを一度に操縦することも可能と過渡現象が受信信号強度に与える影響

まず，可視光通信の変調の影響を確認する．矩形波で情報なる．

を送るため，受信信号強度は点灯時と消灯時で異なる．以

一方，無線でロボットを操縦するときには，操縦者はほ後，これらを HIGH の時と LOW の時と呼ぶ．当然ながぼ動かないことが多く，リモコン操縦者の向きと操縦対象ら，送受信機間距離を推定するには，HIGH の時の受信強物の向きが一致しないことが頻繁に発生し，操縦者に一度が必要である．移動体の場合，HIGH と LOW のいずれ定の慣れとスキルが必要となる．の受信強度も変動する．送受信機間距離によって HIGH のまた，複数台のロボットを同時に動かす場合，それぞれのロボットに対して相対的な向きを用いて操縦すると，向きの異なるロボットは，それぞれ異なる方位を基準と強度が変化し，受信機のある場所の明るさによって HIGHと LOW の両方の強度が変化する．そのため，HIGH とLOW の時の受信強度を区別するには，何度か強度を測定することで，HIGH の時と LOW の時の 2 つのグループ

し，結果としてばらばらな動きになる．例えば，「右に進む」という操縦をした場合，操縦者と同じ向きを向いていに分けることができる．ここで通信速度を上げて，受光るロボットは操縦者から見て右に進むが，操縦者の方を側のサンプリング周波数を上げると，図 2 のように発光向いているロボットは操縦者から見て左に進む．

素子や受光素子の応答速度の影響が出てくる．このとき，これを防ぐためには，相対的な移動指示ではなく，絶過渡特性による電圧変動が占める割合が大きくなり，本来対的な移動指示が必要となる．つまり，受信機側であるロの HIGH の受信強度よりも低い値を測定することが多く

1 照明として利用する場合は，点灯割合が長くなる Inverse PPMなる．この過渡現象の影響を確認する．送受信機間距離を(IPPM) が一般的であり， 4 値-IPPM がよく使われるが，本研究の実験では簡単のため 2 値 PPM を用いる

10cm から 40cm まで 10cm ずつ離した状態で 100 回測定

11ᵏᵎᵎᵃᵏᵎᵎᵃᵓᵎᵃᵓᵎᵃᵎᵃᵐᵓᶁᶋᵓᵎᶁᶋᵕᵓᶁᶋᵏᵎᵎᶁᶋᵎᵃย‫ុܭ‬ᩉᵐᵓᶁᶋ ᵓᵎᶁᶋ ᵕᵓᶁᶋ ᵏᵎᵎᶁᶋᢅบྵᝋỉࢨ᪪ย‫ុܭ‬ᩉ੩కඥ

Figure 3: 発光素子と受光素子の過渡現象による送信波形

ࢼஹඥの矩形波の波形変化の一例

Figure 4: 変調による波形の変化を考慮して受信強度の測定タイミングの調整の有無による受信強度の変動割合を行う．その状態における HIGH 信号と LOW 信号の判定基準を知るために，無変調の点灯状態と消灯状態の受信信号強度を，変調の影響のない強度として扱う．ただし，同じ条件で測定した結果を図 4 に示す．過渡現象の生じ外乱光などのノイズの影響があるため，それぞれ 10,000る時間帯を避けていることが確認できる．一方で，通信距

回測定を行い，HIGH 信号に対しては過渡現象の影響を離が離れると信号強度そのものが小さいため，一定時間考慮して最小値の 63.2%（=1 − (1/e)）の電圧を，LOW経過時には強度が減少し，LOW と判定するため誤りの割信号に対しては最大値を基準値として扱う．PPM で情報合が上昇した．

を送ったときに，測定した受信信号強度が HIGH の基準6値以上，もしくは LOW の基準値以下であるときは正しく復号できるが，それ以外の値のときは復号結果は誤り

ロボットの制御に可視光通信を用いるとき，送信機と受信となる．2 値 PPM で情報を送信したときの誤りの割合を機間の相対的な向きを知ることができれば，絶対的な角図 3 に示す．距離によって，基準電圧が変わるため，過渡度による制御が可能となり，操縦者の負担が大きく軽減で現象の影響も変化しているが，過渡現象の生じる時間割きる．送受信機間の向きを知るには，受光素子の受信強度合と同様の比率で，復号結果の誤りが生じていることがを使うことで送信機の方向を得ることができる．ここで，わかる．

4

おわりに矩形波を用いた可視光通信において，通信速度を上げると過渡現象の影響が現れて矩形波の HIGH と LOW の間変調を考慮した受信強度の取得方法の提案の電圧値をとる時間割合が大きくなり，受信強度が本来の受信信号強度取得の際に，過渡現象の影響を受けている値より小さくなる．本研究では，その受信強度変化が発光状態を避ける必要性があるため，本研究では，信号強度の素子と受光素子による過渡現象であると考え，その影響変化を観測して変化後に信号強度を取得する方法を提案を避けるために変調を考慮して受信強度の測定を行う方する．

法を提案した．結果，近距離では過渡現象の影響を避け過渡現象が生じるのは，信号が LOW から HIGH，もしることができたが，遠距離になると信号強度の減衰の影

くは HIGH から LOW に変化する時である．また，LOW

響がでてきて，適切に強度を測定できなかった．今後は，の時には受信信号強度が測定できないため，LOW から距離に応じて，過渡現象の影響時間を調整することで，遠HIGH に変わる部分の検知が重要である．過渡現象は，通距離時にも適切に信号強度を測定できるようにし，可視信速度に依存し，通信速度を決めれば，過渡現象が生じる光通信によるロボットの制御を実現したい．

時間を推測することができる．そこで，受信信号強度を測定するタイミングとして，LOW から HIGH に変化した

謝辞のを確認した後，一定時間経過後に AD コンバータにて強度を測定する方法を提案する．これにより，過渡現象の本研究は JSPS 科研費 15K16313 の助成を受けたもので影響のある時間領域を避けることができ，適切な受信強ある．

度を測定することができる．

参考文献

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実験と考察

[1] 中川 正雄，可視光通信コンソーシアム，“可視光通信の世界―LED で拓く「あかりコミュニケーション」”，変調による波形の変化を考慮して受信強度の測定タイミ

工業調査会，2006．

ングを調整した提案方法の効果を確認する．先の実験と12[2]RoboCup Logistics League, http://www.robocuplogistics.org/[3]

WorldRobot
http://www.worldrobotsummit.org/

Summit,[4] 辻和輝，植村渉，“全方位移動ロボットに対する移動指示インタフェースの評価”，人工知能学会第 42 回

SIG-Challenge 研究会，pp. 28 – 33，2015．
[5] 植村渉，“ad-hoc ネットワークにおける音波を用いた端末間距離測定に関する一考察”，人工知能学会第 23回 SIG-Challenge 研究会，pp. 29 – 33，2006．

[6] 上東朋寛，植村渉，村田正，阿部宏尹，“ZigBee を利用したベイズ推定による 2 次元位置推定の精度の評価と考察”，平成 22 年電気関係学会関西連合大会，

pp，3A303 – 28，2010．
[7] 小田翔平，植村渉，“可視光通信における信号定位に関する一考察”，第 19 回創発システムシンポジウム，
p. 34，2013．

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