JP2021016059A

JP2021016059A - 通信システム、遠隔制御機械システム及び通信方法

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Publication number: JP2021016059A
Application number: JP2019129207A
Authority: JP
Inventors: 明典長尾; Akinori Nagao; 勇平長尾; Yuhei Nagao; 正行黒崎; Masayuki Kurosaki; 博尾知; Hiroshi Ochi; 恭士郎坂元; Kyoshiro Sakamoto
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2019-07-11
Filing date: 2019-07-11
Publication date: 2021-02-12
Anticipated expiration: 2039-07-11
Also published as: WO2021006343A1; JP7327785B2; US20220131661A1

Abstract

【課題】通信の信頼性を確保しつつ周期通信の更なる高速化を実現する。【解決手段】アクセスポイントと複数のステーションSTA1〜STA5を備え、これらの間で、ビーコン周期を１周期とし、任意のデータを送信するためにＮ周期の通信期間を設定して周期通信を行う通信システムであって、連続する通信期間を、Ｎ周期よりも短いＭ周期の期間でオーバーラップさせる。通信期間は通常送信期間と再送期間とを有しており、前の通信期間の再送期間に次の通信期間の通常送信期間をオーバーラップさせる。アクセスポイントとステーションSTA1〜STA5との間では直交周波数分割多元接続方式の通信を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、アクセスポイントとステーションとの間で周期通信を行う通信方法および通信システムに関する。また、本発明は、前記通信方法を実施する前記通信システムを使用して例えば産業用ロボット等の機械を制御する遠隔制御機械システムに関する。

産業用ネットワークの１つの目的は、産業用機械を高速かつ高信頼に同期制御することである。現在、産業用ネットワークの多くでは有線ネットワーク（産業用イーサネットなどのファストイーサネット（イーサネットは登録商標））が用いられている。しかし、有線ネットワークでは配線コストや配置の自由度などの問題があり、その無線化が望まれている。

一方で、すでに産業用の無線ネットワークは存在する。例えば、無線ＬＡＮ規格IEEE802.11のPCF(Point Coordinator Function)機能を用いたiPCF(Industrial PCF)方式があり、これは端末ごとに順番に制御情報を伝送することで、周期時間１[msec]×端末数を達成する（非特許文献１）。

PROFINET無線通信による自動制御−日本プロフィバス協会、インターネット＜http://www.profibus.jp/tech/document/pbday2010/B-5_Siemens.pdf＞

しかしながら、特に産業用ロボット等の制御等に利用される通信においては、通信の信頼性を確保しつつ、更なる周期通信の高速化が望まれている。
本発明は、通信の信頼性を確保しつつ、更なる周期通信の高速化を実現することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明の通信システムは、アクセスポイントと複数のステーションを備え、これらの間で、一定の基準周期を１周期とし、任意のデータを送信するためにＮ周期の通信期間を設定して周期通信を行うものであって、連続する通信期間が、Ｎ周期よりも短いＭ周期の期間でオーバーラップするようにしている。

また、本発明の通信システムは、通信期間は通常送信期間と当該通常送信期間で通信エラーとなったデータを再送する再送期間とを有しており、前の通信期間の再送期間に次の通信期間の通常送信期間がオーバーラップするようにしても良い。

また、本発明の通信システムは、アクセスポイントとステーションとの間で行われる通信の方式が直交周波数分割多元接続方式であっても良い。

さらに、本発明の通信方法は、一定の基準周期を１周期として、任意のデータを送信するためにＮ周期の通信期間を設定して周期通信を行うものであって、連続する通信期間が、Ｎ周期よりも短いＭ周期の期間でオーバーラップするようにしている。

また、本発明の通信方法は、通信期間は通常送信期間と当該通常送信期間で通信エラーとなったデータを再送する再送期間とを有しており、前の通信期間の再送期間に次の通信期間の通常送信期間をオーバーラップさせるようにしても良い。

また、本発明の通信方法は、アクセスポイントと複数のステーションとの間で直交周波数分割多元接続方式の通信を行うようにしても良い。

例えば、無線ＬＡＮネットワークにおいて周期通信を行う上で、ビーコン周期を１周期として、任意のデータを送信するためにＮ周期の通信期間を設定し、前のデータを送信するために設定したＮ周期と次のデータを送信するために設定したＮ周期が、Ｎ周期より短いＭ周期の期間でオーバーラップすることで、前のデータの再送を行いつつ、その再送期間において次のデータの送信も可能となる。これによって、（Ｎ−Ｍ）周期の周期通信となるため高速性が実現できる。しかも、送信エラーが発生した場合にはデータを再送するため、通信の高信頼性を確保できる。また、トリガーフレームによるOFDMA通信方式を用いても良く、この場合には集中管理通信が可能となるため、より効率的な通信が実現できる。

さらに、本発明の遠隔制御機械システムは、コントローラと、当該コントローラによって制御される機械と、上記の通信システムを備え、コントローラは通信システムのアクセスポイントに接続され、機械は通信システムのステーションに接続されており、通信システムによってコントローラが生成した制御データが機械に伝えられるものである。
この場合、機械は産業用ロボットであっても良い。

本発明によれば、通信の信頼性を確保しつつ周期通信の更なる高速化を実現することができる。

本発明の通信方法の概念を示し、Ｍ＝１とした場合の説明図である。本発明の通信方法に対する比較例（Ｍ＝０とした場合）の説明図である。本発明の通信システムおよび遠隔制御機械システムの実施形態の一例を示す説明図である。本発明の通信方法の概念を示し、Ｍ＝２とした場合の説明図である。本発明の通信方法の通信プロトコルの一例を示す説明図である。

以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１に、本発明の通信方法の実施形態の一例を示す。この通信方法は、一定の基準周期、例えばビーコン周期を１周期として、任意のデータを送信するためにＮ周期の通信期間を設定して周期通信を行うものであって、連続する通信期間が、Ｎ周期よりも短いＭ周期の期間でオーバーラップするようにしている。通信期間は通常送信期間と当該通常送信期間で通信エラーとなったデータを再送する再送期間とを有しており、前の通信期間（ｎ番目の通信期間）の再送期間に次の通信期間（ｎ＋１番目の通信期間）の通常送信期間をオーバーラップさせている。

本実施形態では、アクセスポイント（親機）と５台のステーション（子機）ＳＴＡ１〜ＳＴＡ５との間で１対５の直交周波数分割多元接続（OFDMA：Orthogonal Frequency Division Multiple Access）方式の通信を行っている。また、アクセスポイントはビーコンフレーム（図中、四角で囲った「Ｂ」で示す）を周期的に送信しており、一定の周期であるビーコン周期が形成される。そして、４周期のビーコン周期を通信期間とし（Ｎ＝４）、１番目のビーコン周期を通常送信期間（図中「通常」で示す）、２番目のビーコン周期を１回目の再送期間（図中「再送１」で示す）、３番目のビーコン周期を２回目の再送期間（図中「再送２」で示す）、４番目のビーコン周期を３回目の再送期間（図中「再送３」で示す）としている。

１番目のデータ（図中「１」で示す）は１番目の通信期間（１サイクル目）に送信され、２番目のデータ（図中「２」で示す）は２番目の通信期間（２サイクル目）に送信され、ｎ番目のデータはｎ番目の通信期間に送信される。このようなサイクルを繰り返して以降のデータも送信される。

なお、図１の各ステーションＳＴＡ１〜ＳＴＡ５に対応するマトリックス表は各周期におけるデータ送信の有無を示しており、着色はデータ送信が有ることを示している。そして、データ送信が有る場合に記載されている番号は何番目のデータであるかを、記号「×」はデータ送信が失敗したことを、添え字「ｒ」は１回目の再送データであることを、添え字「ｒｒ」は２回目の再送データであること、添え字「ｒｒｒ」は３回目の再送データであることをそれぞれ示している。

各ステーションについて、通常送信期間でのデータ送信が成功した場合、そのステーションに対するデータ再送は行われない（例えば、１番目のデータ１（Data1）の第１のステーションＳＴＡ１への送信）。すなわち、１回目〜３回目の再送期間でのデータの再送は行われない。

一方、通常送信期間でのデータ送信が失敗（通信エラー）した場合、そのステーションに対してデータの再送が行われる（例えば、１番目のデータ１の第４のステーションＳＴＡ４への送信）。すなわち、１回目の再送期間でデータ再送が行われ、これも失敗した場合には２回目の再送期間でデータ再送が行われ（例えば、１番目のデータ１の第２のステーションＳＴＡ２への送信）、更にこれも失敗した場合には３回目の再送期間にもデータ再送が行われる（例えば、２番目のデータ２（Data2）の第２のステーションＳＴＡ２への送信）。

４周期の通信期間のうち、３周期までにデータ送信が成功していれば、オーバーラップする期間には次の通信期間のデータのみが送信される。例えば、１番目の通信期間と２番目の通信期間とのオーバーラップ期間には、２番目の通信期間のデータ２のみが送信される。

一方、４周期の通信期間のうち、３周期までにデータ送信が成功していない場合には、オーバーラップ期間には前の通信期間の再送データと次の通信期間の新データとが送信される。例えば、２番目の通信期間と３番目の通信期間とのオーバーラップ期間には、２番目の通信期間のデータ２と３番目の通信期間のデータ３との両方が送信される。

本実施形態では、連続する通信期間を１周期の期間でオーバーラップさせている。すなわち、前の通信期間の最後（３番目）の再送期間と、その後の通信期間の通常送信期間をオーバーラップさせている（Ｍ＝１）。そのため、制御周期は３（＝Ｎ−Ｍ）周期となっている。

ここで、比較例として、オーバーラップさせない例（Ｍ＝０の場合）を図２に示す。この比較例は、オーバーラップさせない（Ｍ＝０）ことの他は図１の例と同じ条件である。この比較例では前の通信期間が終了してから次の通信期間を開始させており、制御周期は通信期間と同じ４周期となっている。つまり、この比較例では、データ再送の有無にかかわらず、３回の再送期間が終わらなければ次のデータを送信しないので、制御周期が長くなる。そして、図２からも明らかなように、各通信期間において未使用の帯域が多く、通信資源としての帯域を効率良く使用できていないことがわかる。

これに対し、図１の本発明では、図２の例では未使用となる帯域を効率良く使用して前の通信期間と次の通信期間とをオーバーラップさせ、これによって、制御周期を短くすることができる。この結果、高速制御通信を実現することができる。しかも、送信エラーが有った場合にはデータ再送を行っているため、通信の高信頼性を確保することができる。

図３に、上述の通信方法を実施する通信システムの一例を示す。通信システム１は、例えば産業用ロボット２とそのコントローラ３との間を接続するもので、コントローラ３に接続されたアクセスポイント（親機）４と、産業用ロボット２に接続されたステーション（子機）５とを備えている。アクセスポイント４と各ステーション５との間では、上述の通信方法で周期通信が実施される。本実施形態では、産業用ロボット２として５台の産業用ロボット２Ａ〜２Ｅを設けており、これに対応して、ステーション５として５台のステーション５Ａ〜５Ｅを設けている。

また、図３には、通信システム１を備える遠隔制御機械システムの一例も示されている。遠隔制御機械システム６は、コントローラ３と、当該コントローラ３によって制御される機械２と、通信システム１を備え、コントローラ３は通信システム１のアクセスポイント４に接続され、機械２は通信システム１のステーション５に接続されており、通信システム１によってコントローラ３が生成した制御データを機械２に伝える構成である。本実施形態では、機械２として産業用ロボットを備えている。ただし、機械２は産業用ロボットに限るものではなく、遠隔操作・遠隔制御される機械であれば適用可能である。例えば、カメラ，センサ、ティーチングペンダント等でも良い。

コントローラ３は、産業用ロボット２Ａ〜２Ｅ毎に制御データを生成する。生成された制御データは、通信システム１によって対応する産業用ロボット２Ａ〜２Ｅに伝えられる。例えば、第１の産業用ロボット２Ａ用の制御データはアクセスポイント４から第１のステーション５Ａに送信され、さらに第１の産業用ロボット２Ａに伝えられる。また、第２の産業用ロボット２Ｂ用の制御データはアクセスポイント４から第２のステーション５Ｂに送信され、さらに第２の産業用ロボット２Ｂに伝えられる。第３の産業用ロボット２Ｃ用の制御データ、第４の産業用ロボット２Ｄ用の制御データ、第５の産業用ロボット２Ｅの制御データも同様に、それぞれ対応するステーション５Ｃ〜５Ｅを介して伝えられる。

各産業用ロボット２Ａ〜２Ｅ用の制御データは、それぞれ同一の通信期間内に対応する産業用ロボット２Ａ〜２Ｅに伝えられる。これを１サイクルとし、このサイクルを繰り返すことで各制御データがコントローラ３から各産業用ロボット２Ａ〜２Ｅに伝えられる。このとき、上述したように、連続する通信期間をＮ周期よりも短いＭ周期の期間でオーバーラップさせているので、制御周期を短くすることができる。

ここで、ＦＡ（ファクトリー・オートメーション）と周期通信との相性について説明する。ＦＡでは複数のロボットに制御データを送信し、一定の周期でロボットを動作させる。ロボットが一定の間隔で動作し、その間隔をロボットの動作周期という。制御データにはロボットの動作開始時間などの情報が含まれており、ロボットが動作するまでに制御データが受信できれば問題ない。

このとき、通信がランダムアクセスであると、動作周期内に制御データを受信できない可能性があり、ＦＡには適さない。また、すべてのロボットが制御データを受け取るために動作周期を長く設定すると、高速な制御ができなくなってしまう。このためＦＡについてはマスタ（アクセスポイント・親機）がすべての通信を管理して通信を行う周期通信のほうが適している。これはマスタがあらかじめ通信の順番やタイミングなどを指定し、スケジュールどおりに通信を行う方式である。この通信においてすべての端末（ステーション・子機）がデータを受信するまでにかかる時間を通信周期という。周期通信においては、動作周期に対して通信周期が同じになるか又は短くなれば、すなわちロボットが次の動作を行うまでに次の動作についての制御データを受け取れば、ロボットを問題なく制御することができる。

通信システム１および遠隔制御機械システム６は、前後の通信期間の一部をオーバーラップさせてその分だけ制御周期を短くしているので、制御データを伝えるサイクルを短くすることができ、高速な制御通信が可能となる。

また、通信システム１および遠隔制御機械システム６は、OFDMA方式の通信を行っており、アクセスポイント４がすべての通信を管理する集中管理通信が可能となるため、より効率的な通信を実現することができる。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
例えば、オーバーラップさせる周期を１周期（Ｍ＝１）としていたが、これに限らない。図４に、オーバーラップさせる周期を例えば２周期（Ｍ＝２）とした例を示す。この例は、オーバーラップさせる周期数が異なることの他は図１の例と同じ条件にしてある。図４からも明らかなように、オーバーラップさせる周期を増やすことで、通信に使用する帯域をさらに効率良く使用して制御周期をさらに短くすることができる。なお、オーバーラップさせる周期を更に増やすことも可能であり、例えば図４の例では１回目の再送期間（再送１）に次のデータを送信するようにしても良い。この場合には、通信に使用する帯域をさらに効率良く使用して制御周期をさらに短くすることが可能になる。

また、上述の説明では、ステーション５の数を５台としていたが、ステーション数は５台に限るものではない。
また、上述の説明では、アクセスポイント４と各ステーション５との間の通信を無線通信としていたが、有線通信としても良い。この場合には、送信エラーの発生を抑制することができる。

また、上述の説明では、アクセスポイント４が周期的に送信するビーコンフレームを利用して基準となる一定の周期（一定の基準周期）を形成していたが、一定の周期を形成する手段としてはこれに限るものではない。例えば、アクセスポイント４と各ステーション５との間の通信を有線通信にする場合には同期信号を周期的に流すことで一定の基準周期を形成するようにしても良い。

さらに、上述の説明では、遠隔制御機械システム６の機械２として産業用ロボットを例にしていたが、これには限られない。遠隔操作・遠隔制御される機械であれば適用可能である。例えば、ＮＣ工作機械、旋盤、ＡＧＶ（Automated Guided Vehicle：無人搬送車）等にも適用可能である。また、ファクトリー・オートメーション分野の機械の他、例えば遠隔外科手術等に使用される医療機械、建設現場や土木作業現場等で使用される重機類やクレーン類や運搬車輌等の作業機械、農林水産業等で使用されるトラクター、播種機、田植機、散布機、ドローン等の無人航空機、運搬機械、移動機械等の作業機械にも適用可能である。さらに、港湾荷役で使用される連続アンローダ、各種クレーン、ＡＧＶ等にも適用可能である。

また上述の説明では、アクセスポイント４とステーション５との間で行われる通信の方式として直交周波数分割多元接続方式を採用していたが、これには限られない。例えば、周波数分割多重方式（ＦＤＭＡ）、符号分割多重方式（ＣＤＭＡ）等の採用も可能である。

本発明は、例えばＦＡ（ファクトリー・オートメーション）などの産業分野において、無線ネットワークによる複数台の産業機械に対し、高速で高信頼な同期制御を可能とする。従来、産業用ネットワークの多くには有線ネットワーク（産業用イーサネットなどのファストイーサネット（イーサネットは登録商標））が用いられていた。しかし配線コストや配置の自由度などの問題があり、その無線化が望まれていた。近年、産業用の無線ネットワーク技術が進展してきているが、伝送エラーレートが有線の１０^−８に比べて１０^−２から１０^−３であり、常に再送を意識しなければならないため、有線程の高速性は望めないのが実状である。

本発明においては、無線ＬＡＮネットワークで周期通信を行う上で、ビーコン周期（無線ネットワークを同期させる為のパケット）を１周期として、任意のデータを送信するためにＮ周期の通信期間を設定し、前のデータを送信するために設定したＮ周期と次のデータを送信するために設定したＮ周期が、Ｎ周期より短いＭ周期の期間でオーバーラップすることで、前のデータの再送を行いつつ、その再送期間において次のデータの送信も可能となる。これによって、Ｎ−Ｍ周期の周期通信となるため高速性が実現でき、かつ再送も行っているため高信頼性も確保できる。また、OFDMA通信方式を用いることで集中管理通信が可能となるため、より効率的な通信が実現できる。

本発明は、データ伝送が増加する中で、多品種少量生産等が進み設備変更も頻繁に行われるＦＡ分野でのデータ伝送に、特に有効である。

例えば、コントローラが生成した制御データを複数のステーションに送信する産業用無線ＬＡＮでは、ＦＡに特化させた通信となっているため、独自技術を組み込んだ通信プロトコルとなっている。そのため、オリジナルのＳｏＣ（System-on-a-chip）が使用され、製造コストが高くなる。そこで、この問題を解決するために、次世代無線規格ＩＥＥＥ８０２．１１ａｘに注目した。この規格は集中管理通信とマルチユーザ通信に対応している。集中管理通信では、Triggerというフレームを用いることで、STAのアップリンクのタイミングを制御することができる。また変調方式にOFDMAが採用されており、いままでのOFDMでは一つの周波数帯域に１ユーザしか対応できなかったものが、OFDMAでは一つの周波数帯域をより細かく分け複数のユーザに割り当てることができ、それにより同時に送信が可能となっている。これら二つの技術はＦＡ分野等において求められる技術に一致しているため非常に有用性がある。

ＩＥＥＥ８０２．１１無線ＬＡＮ規格では、アクセスポイントがビーコンフレームを周期的に送信している。また、ＩＥＥＥ８０２．１１ａｘ無線ＬＡＮ規格においては、トリガーフレームによるOFDMA通信方式が採用されており、そのアクセスポイントを用いることによってビーコン周期を１周期として、本発明の実施が可能である。

図５は、ＩＥＥＥ８０２．１１ａｘの規格に本発明を適用した例を示している。この例では、同時にUL（アップリンク）できるステーションの数を２ユーザ、通信を行うステーションの数を４台（STA1〜STA4）としている。フレームエラーによる再送は次の再送期間で行うものとし、通信期間は通常の通信期間（通常送信期間）が１つ、再送期間が２つあり、前の通信期間の２回目の再送期間２と次の通信期間の通常送信期間をオーバーラップさせている。

通常送信期間と再送期間は、ビーコンから始まる。TWTを指定してTrigger（トリガー）フレームから始まるMU cascading sequenceに合わせてSTA（ステーション）をawakeさせる。AP（アクセスポイント）はTriggerフレームに加え制御データのDL（ダウンリンク）を送信する。STAはDLに対する応答としてAckを返答するとともに、Trigger フレームに対してULのデータを送信する。２台のSTAごとにULするため、２回のTriggerフレームの送信を終えて、全STAに対してMulti-STA BAを送信する。この時エラーして正常にフレームの送受信が完了していないSTAはSTA2とSTA４である。そしてMulti-STA BAの送信ではSTA3がうまく受信できなかった場合を示している。このときのAPの認識は、ULが返ってきてBAも返したので通信が無事終了していると判断している。逆に、STA3はBAが返ってきてないことからフレームエラーと判断し、ULするためにAPからのTriggerフレームを待って再送しようとし続けてしまう。しかし、APからのTriggerフレームが来ない限りSTA3はULすることができない。よってSTA3のバッファに残っている、送る必要のないData1（１番目の制御データ）を早めに掃き出すことを考える必要がある。そこで、図５のように本来の制御周期をオーバーラップさせることで、Data2（２番目の制御データ）がバッファにたまるので、APはTriggerフレームを送ることができる。それが再送期間２である。またこの期間では、すでにData1の通信は完了している。そのため、Data2の通信のため、改めてSTA1、STA2へ送信を行う。次のフローでは、残りのSTA3、STA4へTriggerフレームを送信するが、このときSTA3からバッファにたまっていたData1のフレームを吐き出すことができる。

例えば、産業用ロボット等を備えるファクトリー・オートメーション、遠隔外科手術等の医療分野、無人機械を使用する農林水産分野等に適用できる。

１通信システム
２産業用ロボット（機械）
４アクセスポイント
５ステーション
６遠隔制御機械システム

Claims

アクセスポイントと複数のステーションを備え、これらの間で、一定の基準周期を１周期とし、任意のデータを送信するためにＮ周期の通信期間を設定して周期通信を行う通信システムにおいて、
連続する前記通信期間が、前記Ｎ周期よりも短いＭ周期の期間でオーバーラップすることを特徴とする通信システム。
前記通信期間は通常送信期間と当該通常送信期間で通信エラーとなったデータを再送する再送期間とを有しており、前の通信期間の再送期間に次の通信期間の通常送信期間がオーバーラップすることを特徴とする請求項１記載の通信システム。
前記アクセスポイントと前記ステーションとの間で行われる通信の方式が直交周波数分割多元接続方式であることを特徴とする請求項１又は２に記載の通信システム。
コントローラと、当該コントローラによって制御される機械と、請求項１から３のいずれかに記載の通信システムを備え、前記コントローラは前記通信システムのアクセスポイントに接続され、前記機械は前記通信システムのステーションに接続されており、前記通信システムによって前記コントローラが生成した制御データが前記機械に伝えられることを特徴とする遠隔制御機械システム。
前記機械は産業用ロボットであることを特徴とする請求項４記載の遠隔制御機械システム。
一定の基準周期を１周期として、任意のデータを送信するためにＮ周期の通信期間を設定して周期通信を行う通信方法において、
連続する前記通信期間が、前記Ｎ周期よりも短いＭ周期の期間でオーバーラップすることを特徴とする通信方法。
前記通信期間は通常送信期間と当該通常送信期間で通信エラーとなったデータを再送する再送期間とを有しており、前の通信期間の再送期間に次の通信期間の通常送信期間をオーバーラップさせることを特徴とする請求項６記載の通信方法。
アクセスポイントと複数のステーションとの間で直交周波数分割多元接続方式の通信を行うことを特徴とする請求項６又は７に記載の通信方法。