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慶應義塾大学大学院理工学研究科
森康祐, 春山真一郎, 金子晋丈, 寺岡文男
2014/06/27
1
携帯電話網
1.  通信業者の望む無線へのオフロード
2.  ハンドオーバの同時集中
} 
◦  乗車中の利用者がみな同時に基地局とハンドオーバ
◦  通信の切断、品質・速度の低下
列車
} 
列車
東海道新幹線における漏洩同軸ケーブル
◦  下り2Mbps, 上り1Mbps
2014/06/27
2
} 
インターネット
赤外線を用いた1Gbpsの
高速列車内ネットワーク
◦  鉄道総合技術研究所が
研究する光無線通信方式
ハンドオーバ
高速列車上の
赤外線通信装置
移動局が高速で移動
}  対向機のハンドオーバが必要
} 
} 
線路沿いの
赤外線通信装置
列車
列車
300km/h
高速・正確な追尾
2014/06/27
3
!
!
!
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!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
2014/06/27
4
赤外線装置
対向機
} 
赤外線
ビーコン
ー
送
信
部
QPD (Quadrant Photo Diode)
◦  受光強度を電圧に変換
◦  ビーコン方向を差分計算
A B
送赤
信外
部線
ビーコン
C D
プリズム
赤外線
受信部
2軸ミラー
駆動
Linux
ボード
広角QPD
望遠QPD
QPDからのフィードバック
ABCD
受信強度
QPD仕様
周波数
1000Hz
直径
1mm
(これを4分割)
2014/06/27
5
} 
PLL (Phase Locked Loop) による同期
◦  PLLがONの時、通信可能
通信用赤外線仕様
} 
追尾の流れ
切替
波長
波長750 nm
開始
クラス
1M
広角QPDで
大まかに追尾
出力
10mW
望遠QPDで
正確に追尾
追尾用ビーコン仕様
波長
波長850 nm
周波数
移動局 : 45kHz
地上局 : 30kHz
2014/06/27
6
} 
QPDは複数の光源の判別が不可能
◦  ハンドオーバ時の旧赤外線装置と新赤外線装置
◦  ビーコン光と反射光（ノイズ）
近い方を優先して追尾しつつ
複数光源の重心に向かう
重心
QPDの画角
} 
ビーコン座標がわからない
◦  ビーコン方向に少し動いては確認の繰り返し
◦  ハンドオーバ時間は60msと長くなる
情報はビーコン光の
方向のみ
A B
C D
不特定多数の光源の判別と
ビーコン座標を直接特定することが必要
2014/06/27
7
} 
CMOSカメラ（粗追尾）+望遠QPD（精追尾）
◦  画像上のビーコン座標からミラー角度を計算
ビーコンは変調されており、太陽光等と区別可能
画素数
512 × 480
ピクセルサイズ
30 µm × 30 µm
チップサイズ
7 mm × 7 mm
フレームレート
30 fps
出力データ
14 bit
視野角
約17度
①複数の光源間の判別
②角度計算による高速な追尾
2014/06/27
8
} 
送
信
部
赤外線 : 785nm
ビーコン : 850nm
ー
変調されたビーコンのみを
画像に出力
送赤
信外
部線
プリズム
CMOSカメラ視点
CMOS
カメラ
赤外線
受信部
2軸ミラー
駆動
望遠QPD
Linux
ボード
} 
ビーコン座標が検出可能
角度計算による高速な追尾
画像処理用
PC
Linuxボード上の制御プログラムと
カメラの画像処理プログラムを担当
2014/06/27
9
㏻ಙ⿦⨨
} 
不完全な画像の補完
◦  受光量オーバによる中心欠け
◦  円周がつながらない場合も
CMOS䜹䝯䝷どⅬ
} 
⌮᝿ⓗ䛺2್໬῭䜏
ኚㄪගᙉᗘ⏬ീ
移動するビーコンの管理
◦  ビーコンのラベリング
◦  ラベルの同定
画像処理が必須
拡大
得られた不完全な画像
2014/06/27
10
0
} 
1
2
ビーコンをラベリング
◦  一定光量以上のピクセルをラベリング
◦  8近傍はすべて同じラベル
(ルックアップテーブルを用いる)
} 
画像補完
◦  同一ラベルで囲まれた
部分を補完
◦  2ピクセル程度は
センサのノイズ
0
3
3
2
2 2
2
2
2
2 2
1
2 2
2
2
2
2
2 2 2 2
0
2 2
2 2 2
2 2 2
2 2 2
2 2
3
2
3
ラベリング済み画像
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
補完後の画像
2014/06/27
11
} 
連続移動するラベルを追跡
◦  1フレーム後，近くのラベルを同一視
◦  数フレーム消えてもラベルは保持
◦  移動量は概算
◦  1フレームに
最大30ピクセル移動
画像処理による複数の光源間での判別
2014/06/27
12
※赤線は
平常の遷移を示す
電源ON
} 
移動によるイベントに対応
◦  完全に見失う
◦  一瞬見失う　etc
タイムアウト
CMOS発見
CMOS一時見失い
QPD発見
CMOS見失う
粗追尾の際に
画像位置とミラー角度を対応付け
CMOS発見
タイムアウト&CMOS見えてない
CMOSで追尾
ハンドオーバー
ハンドオーバー
チェック
} 
何も見えない
ミス
タイムアウト&CMOS見えてる
QPD発見
QPD一時見失い
QPD見失う
QPDで追尾
QPD発見
CMOS別の発見
QPD発見
CMOSが見失う
提案方式の状態遷移図
} 
ビーコン番号の管理
◦  通り過ぎたビーコン光に
ハンドオーバさせない
◦  古い番号に戻らないように
何も見えない
Btmpと違い、かつ
CMOS発見
今まで使っておらず、かつ
Btmpを最大面積　ビーコンに更新
Btmpよりも面積が大きいような
ビーコン番号Bnewが存在する
CMOSで追尾
Btmp : 現在のビーコン番号
Bnew : 最新のビーコン番号
QPD発見
Btmpを最大面積ビーコンに更新
QPD発見
BtmpをBnewに更新
QPDで追尾
CMOSが見失う
ビーコン番号に注目した状態遷移図
13
イーサネットケーブル
光ファイバ
} 
PC (通信相手ノード)
スイッチ
地上局
100m
地上局
10, 30, 60, 90,
120km/hで走行
◦  各2回ずつ
} 
ハンドオーバ時間を測定
地上局
⛣ືᒁ
ᆅୖᒁ
100m
移動局
画像処理用PC
PC (移動ノード)
2014年 2月/20日, 21日
2014/06/27
14
ハンドオーバ
} 
ミラーの左右の角度を測定
-14
◦  ハンドオーバ時に移動
-13
遠隔局
近隣局
電
圧
値
Mirror’s angle
100m
-12
-11
-10
-9
-8
-7
-6
4271
} 
正しくミラーが稼働
4272
4273
4274
time (s)
4275
4276
4277
時間 (s)
ミラー角度 (左右)
2014/06/27
15
時速30kmの場合
-16
Mirror’s angle
PLL
MODE
-14
1
Mirror’s angle
PLL
MODE
-13
ハンドオーバ
ハンドオーバ
Mirror’s angle
-12
PLL (0=OFF, 1=ON)
-14
-13
Mirror’s angle
ミラーの角度
PLL
追尾モード
1
PLL (0=OFF, 1=ON)
PLLによる測定
-15
時速90kmの場合
精追尾
粗追尾
-12
-11
-11
-10
-10
-9
-9
-8
pingによる測定
5959.16
5959.2
5959.24
5959.28
time (s)
5959.32
5959.36
見失う
0
5959.4
0
12400
12600
12800
time (s)
6390.72
6390.76
6390.8
6390.84
6390.88
6390.92
6390.96
6391
0
time (s)
1
12200
-8
13000
13200
ping (0=down, 1=up)
ping (0=down, 1=up)
5959.12
1
0
3000
3200
3400
3600
time (s)
2014/06/27
3800
4000
16
} 
物理的なハンドオーバ時間
速度 PLL での測定 pingでの測定
速度 ハンドオーバ時間
40km/h
51ms
60km/h
67ms
改良前のシステム
10km/h
160ms
27ms
30km/h
124ms
23ms
60km/h
108ms
21ms
90km/h
88ms
31ms
120km/h
40ms
測定失敗
提案システム
高速な移動の際に短いハンドオーバ時間
2014/06/27
17
} 
移動列車における赤外線通信
◦  周期的なハンドオーバに対し追尾が必要
} 
CMOSセンサによる粗追尾
◦  画像処理を用いたビーコン光と反射光の区別
◦  角度計算による高速な追尾
画像処理による複数光源の判別成功
}  課題：ハンドオーバ速度の向上
} 
CMOSセンサによる粗追尾は
列車地上間赤外線通信において有用
2014/06/27
18
複数の光源を判別できているか
ハンドオーバ時間は短くなっているか
} 
新川崎駐車場
◦  夜間
遠隔局
50m
近隣局
遠隔局
移動局
} 
移動局をその場で回転
◦  遠隔→近隣の順に基地局を補足
近隣局
CMOSカメラ上の動き
} 
ハンドオーバ時間
◦  切替開始～光軸がそろって
通信可能になるまで
2014/06/27
19
( ビーコン番号, ピクセル数 )
近隣局(1, 45)
近隣局(1, 40)
3.8秒
} 
近隣局(1, 36)
近隣局(1, 30)
2.6秒遠隔局(3, 102)16.2秒 遠隔局(3, 98)
ビーコン光に正しく番号が振られた
◦  番号は動いても変わらない (約20秒間)
◦  ノイズは面積が小さい
} 
ハンドオーバは52msかかった
◦  改良前とほとんど変化なし
◦  望遠QPD での反応の遅さ、もしくはハンドオーバ時の振動が原因
複数の光源を判別可能
今後の課題：ハンドオーバ時間の向上
2014/06/27
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} 
移動列車における赤外線通信
◦  周期的なハンドオーバに対し追尾が必要
} 
CMOSセンサによる粗追尾
◦  画像処理を用いたビーコン光と反射光の区別
◦  角度計算による高速な追尾
} 
} 
画像処理による複数光源の判別成功
課題：ハンドオーバ速度の向上
◦  高速な移動環境を使って今後実験
CMOSセンサによる粗追尾は
列車地上間赤外線通信において有用
2014/06/27
21
} 
赤外線を使う理由は？
◦  赤外線を使うと受信側の感度を上げることができるため
◦  既存の可視光を使った電車の交通システムと干渉を
起こさないようにするため
} 
従来方式で広角レンズを用いたのは？
◦  イメージセンサで変調ビーコン光を受信不可能だった
} 
CMOSカメラ、望遠QPDの視野角は？
センサ
視野角
CMOS
約16度
望遠QPD
約4度
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} 
CMOSカメラで強度変調画像は本当にとれるの？
◦  実はCMOSでかつTOF (Time Of Flight) カメラである
◦  TOFカメラ：自機から出した特定の周波数の光が
戻ってくるまでの時間から、距離画像を出す
◦  TOFカメラの機能を利用して、
特定の周波数の強度だけ取り出す
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} 
} 
計測用光 セ
ミラーで反射した検出用の
赤外線量を電圧値に変換
ン
サ
ミラー
セ
ン
サ
セ
ン
サ
水平・垂直方向のミラーの
角度を常に観測
送
信
部
ー
送赤
信外
部線
赤外線 : 785nm
ビーコン : 850nm
2軸ミラー
セ
ン
サ
プリズム
} 
追尾時に現在の状態を
フィードバック可能
CMOSカメラ
近赤外線センサ
角度調整
画像処理用
PC
赤外線
受信部
望遠QPD
Linux
ボード
2014/06/27
24
​𝐺𝑜𝑎𝑙↓𝑎𝑛𝑔𝑙𝑒 (𝑡) : 強度変調画像から求めた切替先の位置
​𝑡𝑚𝑝↓𝑎𝑛𝑔𝑙𝑒 (𝑡) : 近赤外線センサで検出した現在のミラーの角度
} 
切替時のミラーの制御では
∆𝑎𝑛𝑔𝑙𝑒(𝑡)=​𝐺𝑜𝑎𝑙↓𝑎𝑛𝑔𝑙𝑒 (𝑡)−​𝑡𝑚𝑝↓𝑎𝑛𝑔𝑙𝑒 (𝑡)
とすると、
毎ループごとの移動量＝
𝑃∆𝑎𝑛𝑔𝑙𝑒(𝑡)+I∫0↑𝑡▒∆𝑎𝑛𝑔𝑙𝑒(𝜏)𝑑𝜏 +𝐷(​𝑡𝑚𝑝↓𝑎𝑛𝑔𝑙𝑒 (𝑡)−​𝑡𝑚𝑝↓𝑎𝑛𝑔𝑙𝑒 (𝑡−1))
目標まで移動
位置が外れないよう制御
急な変動を制御
フィードバックのかかった制御による
オーバシュート等を抑えた正確な追尾
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IMGセンサの画像
2014/06/27
26
} 
本当にPIDで良くなるのか資料を読んで書きたい
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27
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28
背景：漏洩同軸では遅い（以前の広角QPDでも遅い）
}  背景２：赤外線通信で速く。ハンドオーバをなんとか。
素早くハンドオーバをするために(=>CMOSカメラ)
}  装置の概要
}  追尾アルゴリズム
}  （目標時間の目安）
}  ハンドオーバ時間を数字で
} 
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29
} 
追尾用にビーコンを設置
赤外線 : 785nm
送
信
部
ビーコン : 850nm
送赤
信外
部線
広角QPDと望遠QPDで
ビーコンを追尾
ー
} 
プリズム
赤外線
受信部
2軸ミラー
広角QPD
望遠QPD
角度調整
Linux
ボード
QPDからのフィードバック
※QPD : Quadrant Photo Diode
Linuxボード上の
角度調整プログラムを担当
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} 
移動局
} 
基地局
開始
開始
CMOSで大まかな
位置まで追尾
広角QPDで大まかな
位置まで追尾
切替
切替
望遠QPDで正確な
位置まで追尾
望遠QPDで正確な
位置まで追尾
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31
} 
QPDセンサ
A
B
C
D
A B C D
受信強度
ビーコン
} 
CMOSカメラ
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32
2014/06/27
33
赤外線装置
対向機
赤外線 : 785nm
ビーコン : 850nm
送
信
部
ー
85nm
850nm
送赤
信外
部線
プリズム
CMOSカメラ
赤外線
受信部
遠QPD
2軸ミラー
角度調整
画像処理用
PC
赤外線
受信部
望遠QPD
Linux
ボード QPDからのフィードバック
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34
0
3
3
2
2 2
2
2
2
2 2
1
2 2
2
2
2
2
2 2 2 2
ラベリング済み画像
} 
ビーコンをラベリング
◦  一定光量以上のピクセルをラベリング
◦  ピクセル数で遠近判定 (数十～数百)
◦  センサのノイズは2ピクセル程度
0
3
3
2
2 2
2 2
2 2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
補完後の画像
} 
画像補完
◦  同一ラベルで囲まれた
部分を補完
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ビーコン番号
} 
ピクセル数
連続移動するラベルを追跡
◦  ラベルはもともと1フレーム限り
◦  1フレーム後，近くのラベルを同一視
◦  次の通信先のビーコンを特定
◦  移動量は概算
◦  1フレームに
最大30ピクセル移動
画像処理後
変調光強度画像
䝣䝺䞊䝮䝺䞊䝖 f = 20fps
ิ㌴䛾㏿䛥 Vิ㌴ = 100km/h = 0.0277m/ms
ิ㌴䛸⥺㊰ἢ䛔䛾⿦⨨䛾㊥㞳 X = 2 m
1䝣䝺䞊䝮䛾⛣ື㊥㞳
d1 䠙 Vิ㌴㽢(1/f) m
d2 = X / tan(8.5㼻) m
8.5㼻
Xm
画像処理による複数の光源間での判別
2014/06/27
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