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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023183133
(43)【公開日】2023-12-27
(54)【発明の名称】アンテナ装置、給電装置、及び給電方法
(51)【国際特許分類】
H01Q 3/30 20060101AFI20231220BHJP
H02J 50/40 20160101ALI20231220BHJP
H02J 50/90 20160101ALI20231220BHJP
H02J 50/23 20160101ALI20231220BHJP
【ＦＩ】
H01Q3/30
H02J50/40
H02J50/90
H02J50/23
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022096594
(22)【出願日】2022-06-15
(71)【出願人】
【識別番号】000114215
【氏名又は名称】ミネベアミツミ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】藤井 正明
【テーマコード（参考）】
5J021
【Ｆターム（参考）】
5J021AA05
5J021AA11
5J021AB06
5J021DB03
5J021EA03
5J021FA06
5J021FA13
5J021FA24
5J021GA02
5J021HA00
(57)【要約】
【課題】簡単な計算でビームの方向を制御できるアンテナ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ装置は、複数のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を第１軸方向及び第２軸方向で調節する位相調節部と、魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、画像に含まれるマーカの画像取得部に対する第１位置を第１軸及び第２軸を含む第１平面上の極座標での第２位置に変換する位置導出部と、第２位置に基づいて第１位置を第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の第２平面内での第３軸に対する第１角度を求める第１角度取得部と、第２位置と第１角度とに基づいて画像取得部の基準位置と投影位置とを結ぶ第１直線に対する、基準位置と第１位置とを結ぶ第２直線がなす第２角度を求める第２角度取得部と、ビームの方向が画像取得部の基準位置に対して第１角度及び第２角度の方向になるように位相調節部を制御する制御部とを含む。
【選択図】図３
【解決手段】アンテナ装置は、複数のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を第１軸方向及び第２軸方向で調節する位相調節部と、魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、画像に含まれるマーカの画像取得部に対する第１位置を第１軸及び第２軸を含む第１平面上の極座標での第２位置に変換する位置導出部と、第２位置に基づいて第１位置を第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の第２平面内での第３軸に対する第１角度を求める第１角度取得部と、第２位置と第１角度とに基づいて画像取得部の基準位置と投影位置とを結ぶ第１直線に対する、基準位置と第１位置とを結ぶ第２直線がなす第２角度を求める第２角度取得部と、ビームの方向が画像取得部の基準位置に対して第１角度及び第２角度の方向になるように位相調節部を制御する制御部とを含む。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１軸及び第２軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、
前記複数のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を前記第１軸方向及び前記第２軸方向において調節する位相調節部と、
魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、
前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、第１軸及び第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置導出部と、
前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する第１角度を求める第１角度取得部と、
前記第２位置と、前記第１角度とに基づいて、前記画像取得部の基準位置と前記投影位置とを結ぶ第１直線に対する、前記画像取得部の基準位置と前記第１位置とを結ぶ第２直線がなす第２角度を求める第２角度取得部と、
前記アレイアンテナが放射するビームの方向が、前記画像取得部の基準位置に対して前記第１角度及び前記第２角度で特定される方向になるように前記位相調節部を制御する制御部と
を含む、アンテナ装置。
前記複数のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を前記第１軸方向及び前記第２軸方向において調節する位相調節部と、
魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、
前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、第１軸及び第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置導出部と、
前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する第１角度を求める第１角度取得部と、
前記第２位置と、前記第１角度とに基づいて、前記画像取得部の基準位置と前記投影位置とを結ぶ第１直線に対する、前記画像取得部の基準位置と前記第１位置とを結ぶ第２直線がなす第２角度を求める第２角度取得部と、
前記アレイアンテナが放射するビームの方向が、前記画像取得部の基準位置に対して前記第１角度及び前記第２角度で特定される方向になるように前記位相調節部を制御する制御部と
を含む、アンテナ装置。
【請求項2】
前記第２角度取得部は、前記第２位置の前記第２軸の座標を前記魚眼レンズの焦点距離で除算して得る商に、前記第１角度を所定係数で除算して得る角度の余弦を乗じた値を、前記第２角度として求める、請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項3】
前記所定係数は、１．５～２である、請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項4】
前記第１角度取得部は、前記第２位置を前記第１軸に写像した写像位置の座標を前記魚眼レンズの焦点距離で除算した値を、前記第１角度として求める、請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項5】
前記写像位置の座標は、前記極座標における動径に偏角の余弦を乗算した値で表される、請求項４記載のアンテナ装置。
【請求項6】
前記制御部は、前記アレイアンテナの基準位置から前記第１軸方向にｎ（ｎは２以上の整数）番目で、前記アレイアンテナの基準位置から前記第２軸方向にｍ（ｍは２以上の整数）番目のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を、前記第１軸方向において次式（１）で表されるΨｎに調整し、前記第２軸方向において次式（２）で表されるΨｍに調整する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
ただし、ｄｘは前記複数のアンテナ素子の前記第１軸方向におけるピッチ、ｄｙは前記複数のアンテナ素子の前記第２軸方向におけるピッチ、θＨは前記第１角度、θＶは前記第２角度、λは前記送電信号の自由空間における波長である。
【数1】
【請求項7】
第１軸及び第２軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、
電波発生源と、
前記アレイアンテナと前記電波発生源との間に設けられ、前記電波発生源から前記複数のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を前記第１軸方向及び前記第２軸方向において調節する位相調節部と、
魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、
前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、第１軸及び第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置導出部と、
前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する第１角度を求める第１角度取得部と、
前記第２位置と、前記第１角度とに基づいて、前記画像取得部の基準位置と前記投影位置とを結ぶ第１直線に対する、前記画像取得部の基準位置と前記第１位置とを結ぶ第２直線がなす第２角度を求める第２角度取得部と、
前記アレイアンテナが放射するビームの方向が、前記画像取得部の基準位置に対して前記第１角度及び前記第２角度で特定される方向になるように前記位相調節部を制御する制御部と
を含む、給電装置。
電波発生源と、
前記アレイアンテナと前記電波発生源との間に設けられ、前記電波発生源から前記複数のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を前記第１軸方向及び前記第２軸方向において調節する位相調節部と、
魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、
前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、第１軸及び第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置導出部と、
前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する第１角度を求める第１角度取得部と、
前記第２位置と、前記第１角度とに基づいて、前記画像取得部の基準位置と前記投影位置とを結ぶ第１直線に対する、前記画像取得部の基準位置と前記第１位置とを結ぶ第２直線がなす第２角度を求める第２角度取得部と、
前記アレイアンテナが放射するビームの方向が、前記画像取得部の基準位置に対して前記第１角度及び前記第２角度で特定される方向になるように前記位相調節部を制御する制御部と
を含む、給電装置。
【請求項8】
第１軸及び第２軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、
電波発生源と、
前記アレイアンテナと前記電波発生源との間に設けられ、前記電波発生源から前記複数のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を前記第１軸方向及び前記第２軸方向において調節する位相調節部と、
魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、
前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、第１軸及び第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置導出部と、
前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する第１角度を求める第１角度取得部と、
前記第２位置と、前記第１角度とに基づいて、前記画像取得部の基準位置と前記投影位置とを結ぶ第１直線に対する、前記画像取得部の基準位置と前記第１位置とを結ぶ第２直線がなす第２角度を求める第２角度取得部と
を含む、給電装置において、
前記アレイアンテナが放射するビームの方向が、前記画像取得部の基準位置に対して前記第１角度及び前記第２角度で特定される方向になるように前記位相調節部を制御する、給電方法。
電波発生源と、
前記アレイアンテナと前記電波発生源との間に設けられ、前記電波発生源から前記複数のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を前記第１軸方向及び前記第２軸方向において調節する位相調節部と、
魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、
前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、第１軸及び第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置導出部と、
前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する第１角度を求める第１角度取得部と、
前記第２位置と、前記第１角度とに基づいて、前記画像取得部の基準位置と前記投影位置とを結ぶ第１直線に対する、前記画像取得部の基準位置と前記第１位置とを結ぶ第２直線がなす第２角度を求める第２角度取得部と
を含む、給電装置において、
前記アレイアンテナが放射するビームの方向が、前記画像取得部の基準位置に対して前記第１角度及び前記第２角度で特定される方向になるように前記位相調節部を制御する、給電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アンテナ装置、給電装置、及び給電方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、アレイ状又はサブアレイ状に配列した多くのアンテナ素子を備えるアンテナセクションを含むアンテナ装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特表２００８－５２３７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、複数のアンテナ素子から放射される電波によって形成されるビームの方向を制御する際に、ビームの方向を仰角と方位角とで制御すると計算が複雑になる。
【0005】
そこで、簡単な計算でビームの方向を制御できるアンテナ装置、給電装置、及び給電方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の実施形態のアンテナ装置は、第１軸及び第２軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、前記複数のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を前記第１軸方向及び前記第２軸方向において調節する位相調節部と、魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、第１軸及び第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置導出部と、前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する第１角度を求める第１角度取得部と、前記第２位置と、前記第１角度とに基づいて、前記画像取得部の基準位置と前記投影位置とを結ぶ第１直線に対する、前記画像取得部の基準位置と前記第１位置とを結ぶ第２直線がなす第２角度を求める第２角度取得部と、前記アレイアンテナが放射するビームの方向が、前記画像取得部の基準位置に対して前記第１角度及び前記第２角度で特定される方向になるように前記位相調節部を制御する制御部とを含む。
【発明の効果】
【0007】
簡単な計算でビームの方向を制御できるアンテナ装置、給電装置、及び給電方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施形態の給電装置１００を示す図である。
【図2】実施形態の給電装置１００を示す図である。
【図3】アレイアンテナ１１０の極座標系を示す図である。
【図4】準ミリ波帯のビームの水平方向及び垂直方向におけるアンテナゲインの分布の一例を示す図である。
【図5】給電装置１００で受電アンテナ５０Ｂに給電する状態を示す図である。
【図6】比較用の給電方法と実施形態の給電方法の比較結果を示す図である。
【図7】比較用の給電方法と実施形態の給電方法とにおけるパラメータの値の時間変化を表す図である。
【図8】比較用の給電方法と実施形態の給電方法とにおけるパラメータの値の時間変化を表す図である。
【図9】実施形態の給電方法における受電アンテナ５０Ｂの受電電力量の時間変化を示す図である。
【図10】給電装置１００の適用例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明のアンテナ装置、給電装置、及び給電方法を適用した実施形態について説明する。
【0010】
＜実施形態＞
図１は、実施形態の給電装置１００を示す図である。給電装置１００は、アレイアンテナ１１０、フェーズシフタ１２０、マイクロ波発生源１３０、カメラ１４０、及び制御装置１５０を含む。実施形態のアンテナ装置１００Ａは、給電装置１００からマイクロ波発生源１３０を除いたものである。
図１は、実施形態の給電装置１００を示す図である。給電装置１００は、アレイアンテナ１１０、フェーズシフタ１２０、マイクロ波発生源１３０、カメラ１４０、及び制御装置１５０を含む。実施形態のアンテナ装置１００Ａは、給電装置１００からマイクロ波発生源１３０を除いたものである。
【0011】
以下では、ＸＹＺ座標系を用いて説明する。平面視とはＸＹ平面視のことである。また、Ｘ軸は第１軸の一例であり、Ｙ軸は第２軸の一例であり、Ｚ軸は第３軸の一例である。また、ＸＹ平面は第１平面の一例であり、ＸＺ平面は第２平面の一例である。
【0012】
アレイアンテナ１１０は、一例としてＮ×Ｎ個のアンテナ素子１１１を含む。Ｎは２以上の整数である。Ｎ×Ｎ個のアンテナ素子１１１は、Ｘ方向（第１軸方向）にＮ個配列され、Ｙ方向（第２軸方向）にＮ個配列される。すなわち、Ｎ×Ｎ個のアンテナ素子１１１は、Ｎ行×Ｎ列で配列されている。Ｘ方向の１番目（＃１）からＮ番目（＃Ｎ）を示す。アンテナ素子１１１は、平面視で矩形状のパッチアンテナである。アレイアンテナ１１０は、アンテナ素子１１１の－Ｚ方向側にグランド電位に保持されるグランド板を有していてもよい。なお、一例として、Ｎ×Ｎ個のアンテナ素子１１１の位置の中心は、ＸＹＺ座標系の原点と一致している。Ｎ×Ｎ個のアンテナ素子１１１の位置の中心は、アレイアンテナの基準位置の一例である。
【0013】
以下では、図１に加えて図２を用いて説明する。図２は、実施形態の給電装置１００を示す図である。図２では、図１と同様にフェーズシフタ１２０の周辺の構成を簡略化して示す。図２では、図面を見やすくするためにＸＹＺ座標系の原点をずらして示すが、以下では図１に示すようにＸＹＺ座標系の原点がＮ×Ｎ個のアンテナ素子１１１の位置の中心と一致しているものとして説明する。また、図２には、Ｎ列の各々について４行のうちの１つのアンテナ素子１１１を示す。また、図２には、制御装置１５０に含まれる構成要素と、受電装置５０を示す。受電装置５０は、マーカ５０Ａ及び受電アンテナ５０Ｂを有し、一例としてトンネルの内壁５１に固定されている。トンネルの内壁５１は壁部の一例であり、トンネルの内部は内壁５１に沿って配置されるマーカ５０Ａが存在する空間の一例である。アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００は、一例として、作業車両に搭載してトンネル内を走行しながら、トンネルの内壁５１に取り付けられたマーカ５０Ａを検出して、受電アンテナ５０Ｂに向けて送電を行う。アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００を作業車両に搭載した状態では、ＸＺ平面が水平面であり、Ｙ方向は鉛直方向であり、＋Ｙ方向は鉛直上向きである。また、給電装置１００が受電装置５０に給電するために実行する方法は、実施形態の給電方法である。
【0014】
また、図２では、マーカ５０Ａは、ＸＺ平面視においてＺ軸から角度θｂの方向に存在する。図２では説明の便宜上、ＸＹＺ座標系をずらして示すが、ＸＹＺ座標系の原点がＮ×Ｎ個のアンテナ素子１１１の位置の中心と一致しているため、角度θｂは、ＸＺ平面内でＸＹＺ座標系の原点とマーカ５０Ａとを結ぶ直線がＺ軸となす角度である。角度θｂは、ＸＺ平面を＋Ｙ方向側から見て、＋Ｘ方向側に振れているときを正の値で示し、－Ｘ方向側に振れているときの値を負の値で示す。
【0015】
フェーズシフタ１２０は、Ｎ×Ｎ個のアンテナ素子１１１の各々に対して１個ずつ接続されている。フェーズシフタ１２０は、位相を調節する位相調節部の一例であり、位相シフタの一例である。各フェーズシフタ１２０には、同一位相の送電信号が供給される。また、Ｎ×Ｎ個のフェーズシフタ１２０がＮ×Ｎ個のアンテナ素子１１１にそれぞれ出力する送電信号の位相は互いに異なる。このため、Ｎ×Ｎ個のアンテナ素子１１１から放射される電波が形成するビームの角度を水平方向及び垂直方向に制御することができる。
【0016】
Ｎ×Ｎ個のアンテナ素子１１１から放射される電波が形成するビームは、アレイアンテナ１１０が出力するビームと同義である。また、アレイアンテナ１１０が出力するビームは、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００が出力するビームと同義である。
【0017】
マイクロ波発生源１３０は、Ｎ×Ｎ個のフェーズシフタ１２０に接続されており、所定の電力のマイクロ波を供給する。マイクロ波発生源１３０は、電波発生源の一例である。マイクロ波の周波数は、一例として９２０ＭＨｚ帯の周波数である。なお、ここでは給電装置１００がマイクロ波発生源１３０を含む形態について説明するが、マイクロ波に限られるものではなく、所定の周波数の電波であればよい。
【0018】
カメラ１４０は、Ｘ方向においてはＮ／２番目のアンテナ素子１１１と、Ｎ／２＋１番目のアンテナ素子１１１との間に配置され、Ｙ方向においては、＋Ｙ方向側から２番目のアンテナ素子１１１と３番目のアンテナ素子１１１との間に配置される。カメラ１４０は、魚眼レンズ１４１及びカメラ本体１４２を有する。カメラ１４０は、画像取得部の一例である。図２では、カメラ本体１４２を撮像部１４２Ａと画像処理部１４２Ｂとに分けて示す。
【0019】
魚眼レンズ１４１は、等距離射影方式を採用したレンズである。魚眼レンズ１４１の中心の位置は、一例として、Ｎ×Ｎ個のアンテナ素子１１１の中心及びＸＹＺ座標系の原点と一致している。魚眼レンズ１４１の中心の位置は、画像取得部の基準位置の一例である。カメラ本体１４２は、カメラ１４０のうち魚眼レンズ１４１以外の部分であり、ＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサを含むカメラ、又は、赤外線カメラであってもよい。
【0020】
カメラ１４０は、魚眼レンズ１４１を通じてマーカ５０Ａを含む画像を取得し、画像データを制御装置１５０に出力する。マーカ５０Ａは、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００が出力するビームを照射したいターゲットである受電アンテナ５０Ｂを有する受電装置５０に取り付けられている。アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００は、カメラ１４０で取得した画像に含まれるマーカ５０Ａの位置を求め、受電アンテナ５０Ｂに向けてビームを照射する。
【0021】
カメラ本体１４２は、撮像部１４２Ａと画像処理部１４２Ｂを有する。撮像部１４２Ａは、撮像素子を含み、魚眼レンズ１４１を通じて撮像を行うことによって、画像データを取得する部分である。画像処理部１４２Ｂは、撮像部１４２Ａによって取得された画像データに対して２値化処理等の画像処理を行い、ピクセルインデックスを制御装置１５０に出力する。ピクセルインデックスは、マーカ５０Ａの撮像画面上の位置を示すＸＹ座標値（アドレス）である。
【0022】
また、画像処理部１４２Ｂは、マーカ５０Ａの輪郭を求める処理、最大輪郭を求める処理を行い、マーカ５０Ａの座標を表すデータを制御装置１５０に出力する。
【0023】
マーカ５０Ａの輪郭を求める処理は、撮像部１４２Ａによって取得された画像データに対して２値化を行って得るピクセルインデックスの分布に基づいて１又は複数の輪郭を抽出する処理である。
【0024】
最大輪郭を求める処理は、ピクセルインデックスの分布に基づいて抽出された１又は複数の輪郭の中から、一番大きい輪郭を求める処理（輪郭内ピクセル数カウントによる最大輪郭抽出処理）である。一番大きい輪郭を求めることにより、ノイズ等の影響を排除することができる。
【0025】
マーカ５０Ａの座標を読み出す処理は、最大輪郭を求める処理によって求められた一番大きい輪郭から、マーカ５０Ａの座標を読み出す処理である。画像処理部１４２Ｂは、読み出したマーカ５０Ａの座標を制御装置１５０に出力する。
【0026】
制御装置１５０は、位置導出部１５１、角度取得部１５２、角度取得部１５３、制御部１５４、及びメモリ１５５を有する。角度取得部１５２は、第１角度取得部の一例であり、角度取得部１５３は、第２角度取得部の一例である。制御装置１５０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及びメモリを含むコンピュータによって実現される。位置導出部１５１、角度取得部１５２、角度取得部１５３、制御部１５４は、制御装置１５０が実行するプログラムの機能（ファンクション）を機能ブロックとして示したものである。また、メモリ１５５は、制御装置１５０のメモリを機能的に表したものである。
【0027】
ここで、位置導出部１５１、角度取得部１５２、角度取得部１５３、制御部１５４、メモリ１５５について説明する前に、図３を用いてアレイアンテナ１１０の極座標系について説明する。図３は、アレイアンテナ１１０の極座標系を示す図である。図３には、給電装置１００のうちのアレイアンテナ１１０のアンテナ素子１１１と、アレイアンテナ１１０から出力されるビーム１１５とを示し、これら以外の構成要素を省略する。また、図３には、ＸＹ平面に平行な平面１上における極座標系を示す。平面１は、撮像部１４２Ａによって取得された画像データのｘｙ平面であり、画像処理部１４２Ｂから出力されるピクセルインデックスについて用いられるｘｙ平面と等しい。ｘ軸、ｙ軸は、それぞれ、ＸＹＺ座標のＸ軸、Ｙ軸に平行であり、向きも等しい。
【0028】
また、ＸＹＺ座標系におけるマーカ５０Ａの位置をＰ１とし、原点Ｏと位置Ｐ１を結ぶ線分の仰角をθＴ、方位角（偏角）をφとする。仰角は＋Ｚ方向に対する角度であり、方位角は＋Ｘ方向に対する角度であり、＋Ｚ方向側から見た平面視で時計回りを正の値とする。また、位置Ｐ１をＸＺ平面に投影した位置Ｐ１ａと原点Ｏとを結ぶ線分の＋Ｚ方向に対する角度をθＨとする。角度θＨは、第１角度の一例である。角度θＨは、マーカ５０Ａの位置がＸＺ平面に近い場合に仰角θＴをＸＺ平面に投影して近似的に得られる角度である。角度θＨは、角度θｂと同様に、ＸＺ平面を＋Ｙ方向側から見て、＋Ｘ方向側に振れているときを正の値で示し、－Ｘ方向側に振れているときの値を負の値で示す。
【0029】
位置Ｐ１は、第１位置の一例であり、位置Ｐ１ａは、投影位置の一例である。また、原点ＯはＸＹＺ座標系の基準点の一例である。
【0030】
また、位置Ｐ１ａと原点Ｏとを結ぶ線分と、位置Ｐ１と原点Ｏとを結ぶ線分とがなす角度をθＶとする。角度θＶは、第２角度の一例である。位置Ｐ１ａと原点Ｏとを結ぶ線分は、第１直線の一例である。位置Ｐ１と原点Ｏとを結ぶ線分は、第２直線の一例である。角度θＶは、位置Ｐ１ａと原点Ｏとを結ぶ線分に対して、位置Ｐ１と原点Ｏとを結ぶ線分の方に振れる角度を正の値で示す。
【0031】
また、ここで、位置導出部１５１、角度取得部１５２、角度取得部１５３、制御部１５４、メモリ１５５について説明する前に、図４及び図５を用いて、Ｙ方向（鉛直方向）へのビーム１１５の走査の必要性について説明する。
【0032】
図４は、準ミリ波帯のビームの水平方向及び垂直方向におけるアンテナゲインの分布の一例を示す図である。図４（Ａ）に水平方向におけるアンテナゲインの分布を示し、図４（Ｂ）には垂直方向におけるアンテナゲインの分布を示す。例えば、送電信号として２４ＧＨｚの準ミリ波帯の電波を用いてビーム１１５を形成する場合には、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、ビーム１１５が細くなる。一例として、半値角は３度である。このように細いビーム１１５を利用する場合には、受電アンテナ５０Ｂとアレイアンテナ１１０との高さが異なると、ＸＺ平面での角度θＨのみの走査では、ビーム１１５が受電アンテナ５０Ｂに到達しなくなる場合がある。なお、ここでは準ミリ波帯の２４ＧＨｚの電波を用いる形態について説明するが、約２０ＧＨｚ～約３０ＧＨｚの電波を利用する場合にも同様である。
【0033】
図５は、給電装置１００で受電アンテナ５０Ｂに給電する状態を示す図である。図５（Ａ）～図５（Ｃ）には、一例として、マーカ５０Ａと受電アンテナ５０Ｂとが上下方向に分離されるとともに、アレイアンテナ１１０とカメラ１４０及び制御装置１５０とが上下方向に分離されている構成を示す。図５（Ａ）～図５（Ｃ）では、魚眼レンズ１４１の中心の位置は、Ｎ×Ｎ個のアンテナ素子１１１の中心及びＸＹＺ座標系の原点とは一致していない。このような場合には、カメラ１４０でマーカ５０Ａの位置を検出し、マーカ５０Ａ及び受電アンテナ５０Ｂの位置ずれと、アレイアンテナ１１０及びカメラ１４０の位置ずれとを考慮した位置に、アレイアンテナ１１０からビーム１１５を放射すればよい。
【0034】
図５（Ａ）では、カメラ１４０の正面のマーカ５０Ａの画像を取得し、アレイアンテナ１１０の正面の受電アンテナ５０Ｂにビーム１１５を放射している。アレイアンテナ１１０とカメラ１４０及び制御装置１５０とが上下方向に分離されているが、受電アンテナ５０Ｂとアレイアンテナ１１０との高さが揃っているため、作業車両が＋Ｘ方向に走行する場合に、角度θＨを推定してＸＺ平面内でビーム１１５を走査すれば、ビーム１１５は受電アンテナ５０Ｂに到達し、受電アンテナ５０Ｂに給電することができる。
【0035】
図５（Ｂ）では、受電アンテナ５０Ｂとアレイアンテナ１１０との高さが揃っていないため、作業車両が＋Ｘ方向に走行する場合に、カメラ１４０の正面のマーカ５０Ａの画像を取得し、角度θＨのみを推定してＸＺ平面内でビーム１１５を走査してアレイアンテナ１１０の正面にビーム１１５を放射しても、ビーム１１５は受電アンテナ５０Ｂに到達せず、受電アンテナ５０Ｂに給電することができない。特に、ビーム１１５がミリ波帯である場合には、ビーム幅が狭いため、受電アンテナ５０Ｂとアレイアンテナ１１０との高さが揃っていないと、角度θＨのみを推定してＸＺ平面内でビーム１１５を走査しても、ビーム１１５は受電アンテナ５０Ｂに到達しない。
【0036】
このように受電アンテナ５０Ｂとアレイアンテナ１１０との高さが揃っていない場合には、図５（Ｃ）に示すように、作業車両が＋Ｘ方向に走行する場合に、カメラ１４０の正面のマーカ５０Ａの画像を取得し、角度θＨを推定してＸＺ平面内でビーム１１５を走査するとともに、角度θＶを推定してビーム１１５をＹ方向に走査すれば、アレイアンテナ１１０から放射したビーム１１５は受電アンテナ５０Ｂに到達し、受電アンテナ５０Ｂに給電することができる。
【0037】
なお、図５（Ａ）～図５（Ｃ）では、マーカ５０Ａと受電アンテナ５０Ｂとが上下方向に分離されるとともに、アレイアンテナ１１０とカメラ１４０及び制御装置１５０とが上下方向に分離されている場合に生じる問題について説明した。しかしながら、マーカ５０Ａと受電アンテナ５０Ｂとが略同じ高さにあるとともに、アレイアンテナ１１０とカメラ１４０とが略同じ高さにある場合においても、受電アンテナ５０Ｂとアレイアンテナ１１０との高さが異なる場合には、同様の問題が生じる。
【0038】
以上のような理由から、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００は、角度θＨを推定してＸＺ平面内でビーム１１５を走査するとともに、角度θＶを推定してビーム１１５をＹ方向に走査する。次に、このような制御を実現する制御装置１５０の各部について説明する。
【0039】
＜位置導出部１５１＞
位置導出部１５１は、画像処理部１４２Ｂから出力されるピクセルインデックスに基づいてマーカ５０Ａの画像の重心を計算する。画像処理部１４２Ｂから出力されるピクセルインデックスは、魚眼レンズ１４１を通じて得た等距離射影の画像を表す。この画像処理により、カメラ１４０によって取得される画像に含まれるマーカ５０Ａのアレイアンテナ１１０に対する位置Ｐ１は、平面１上の極座標における位置Ｐ２に変換される。このようにして位置導出部１５１は、位置Ｐ２を導出する。位置Ｐ２は、位置導出部１５１によって計算される重心の位置である。位置Ｐ２は、第２位置の一例である。
位置導出部１５１は、画像処理部１４２Ｂから出力されるピクセルインデックスに基づいてマーカ５０Ａの画像の重心を計算する。画像処理部１４２Ｂから出力されるピクセルインデックスは、魚眼レンズ１４１を通じて得た等距離射影の画像を表す。この画像処理により、カメラ１４０によって取得される画像に含まれるマーカ５０Ａのアレイアンテナ１１０に対する位置Ｐ１は、平面１上の極座標における位置Ｐ２に変換される。このようにして位置導出部１５１は、位置Ｐ２を導出する。位置Ｐ２は、位置導出部１５１によって計算される重心の位置である。位置Ｐ２は、第２位置の一例である。
【0040】
位置Ｐ２は、原点Ｏからの動径ｒと偏角φｃによって表される。動径ｒは、魚眼レンズ１４１の焦点距離をｆＬとすると、ｒ＝ｆＬθｃで表される。θｃは仰角θＴと同一である。偏角φｃは方位角φＴと同一である。位置導出部１５１は、上述の画像処理によって、動径ｒをＸ軸に写像したｒ・ｃｏｓφｃを求める。位置導出部１５１は、位置Ｐ２を表すデータを角度取得部１５２に出力する。
【0041】
＜角度取得部１５２＞
角度取得部１５２は、位置Ｐ２をＸ軸に写像した写像位置Ｐ２ａのＸ座標（ｒ・ｃｏｓφｃ）を魚眼レンズ１４１の焦点距離ｆＬで除算した値（ｒ・ｃｏｓφｃ／ｆＬ）を、角度θＨとして取得（計算）する。このようにして角度θＨを取得できる理由については後述する。角度取得部１５２は、角度θＨを制御部１５４に出力する。
角度取得部１５２は、位置Ｐ２をＸ軸に写像した写像位置Ｐ２ａのＸ座標（ｒ・ｃｏｓφｃ）を魚眼レンズ１４１の焦点距離ｆＬで除算した値（ｒ・ｃｏｓφｃ／ｆＬ）を、角度θＨとして取得（計算）する。このようにして角度θＨを取得できる理由については後述する。角度取得部１５２は、角度θＨを制御部１５４に出力する。
【0042】
＜角度取得部１５３＞
角度取得部１５３は、位置Ｐ２と、角度θＨとに基づいて、原点Ｏと位置Ｐ１ａとを結ぶ直線に対する、原点Ｏと位置Ｐ１とを結ぶ直線がなす角度θＶを求める。角度取得部１５３は、位置Ｐ２のｙ軸の座標ｙｃを魚眼レンズ１４１の焦点距離ｆＬで除算して得る商（ｙｃ／ｆＬ）に、角度θＨを所定係数ηで除算して得る角度（θＨ／η）の余弦（ｃｏｓ（θＨ／η））を乗じた値を、角度θＶとして求める。所定係数ηは、１．５～２であり、より好ましくは、η＝１．７５である。ηが１．７５であることは、例えば、ηが小数点第２位を四捨五入して１．７５になる数値範囲内の値であることである。なお、角度取得部１５３がこのようにして角度θＶを取得できる理由については後述する。角度取得部１５３は、角度θＶを制御部１５４に出力する。
角度取得部１５３は、位置Ｐ２と、角度θＨとに基づいて、原点Ｏと位置Ｐ１ａとを結ぶ直線に対する、原点Ｏと位置Ｐ１とを結ぶ直線がなす角度θＶを求める。角度取得部１５３は、位置Ｐ２のｙ軸の座標ｙｃを魚眼レンズ１４１の焦点距離ｆＬで除算して得る商（ｙｃ／ｆＬ）に、角度θＨを所定係数ηで除算して得る角度（θＨ／η）の余弦（ｃｏｓ（θＨ／η））を乗じた値を、角度θＶとして求める。所定係数ηは、１．５～２であり、より好ましくは、η＝１．７５である。ηが１．７５であることは、例えば、ηが小数点第２位を四捨五入して１．７５になる数値範囲内の値であることである。なお、角度取得部１５３がこのようにして角度θＶを取得できる理由については後述する。角度取得部１５３は、角度θＶを制御部１５４に出力する。
【0043】
＜制御部１５４＞
制御部１５４は、アレイアンテナ１１０が放射するビーム１１５の方向がＸＺ平面内で角度θＨになるとともに、位置Ｐ１ａと原点Ｏとを結ぶ線分と、位置Ｐ１と原点Ｏとを結ぶ線分とがなす角度がθＶになるように、各アンテナ素子１１１に接続されるフェーズシフタ１２０における位相のシフト量（調節量）を制御する。角度θＨは、角度取得部１５２によって取得される。角度θＶは、角度取得部１５３によって取得される。また、制御部１５４は、マイクロ波発生源１３０の出力制御、及び、カメラ１４０の撮影制御等を行う。
制御部１５４は、アレイアンテナ１１０が放射するビーム１１５の方向がＸＺ平面内で角度θＨになるとともに、位置Ｐ１ａと原点Ｏとを結ぶ線分と、位置Ｐ１と原点Ｏとを結ぶ線分とがなす角度がθＶになるように、各アンテナ素子１１１に接続されるフェーズシフタ１２０における位相のシフト量（調節量）を制御する。角度θＨは、角度取得部１５２によって取得される。角度θＶは、角度取得部１５３によって取得される。また、制御部１５４は、マイクロ波発生源１３０の出力制御、及び、カメラ１４０の撮影制御等を行う。
【0044】
＜メモリ１５５＞
メモリ１５５は、格納部の一例であり、位置導出部１５１、角度取得部１５２、角度取得部１５３、制御部１５４が処理を行う際に実行するプログラム、プログラムの実行に伴い利用するデータ、プログラムの実行によって生じるデータ、及び、カメラ１４０が取得する画像データ等を格納する。
メモリ１５５は、格納部の一例であり、位置導出部１５１、角度取得部１５２、角度取得部１５３、制御部１５４が処理を行う際に実行するプログラム、プログラムの実行に伴い利用するデータ、プログラムの実行によって生じるデータ、及び、カメラ１４０が取得する画像データ等を格納する。
【0045】
次に、制御部１５４がビーム１１５の方向がＸＺ平面内で角度θＨになるとともに、位置Ｐ１ａと原点Ｏとを結ぶ線分と、位置Ｐ１と原点Ｏとを結ぶ線分とがなす角度がθＶになるように各アンテナ素子１１１に接続されるフェーズシフタ１２０における位相のシフト量（調節量）を制御する方法を説明する前に、比較用の給電方法について説明する。
【0046】
＜比較用の給電方法＞
アレイアンテナ１１０の中心から見た任意の仰角と方位角をそれぞれθＴとφＴとする（図３参照）。
アレイアンテナ１１０の中心から見た任意の仰角と方位角をそれぞれθＴとφＴとする（図３参照）。
【0047】
アレイアンテナ１１０の中心（ＸＹＺ座標の原点Ｏ）からＸ方向にｎ番目、Ｙ方向にｍ番目の素子の複素励振係数をＡｎｍ、Ｘ方向のアンテナ素子１１１のピッチをｄｘ、ｙ軸方向のアンテナ素子１１１のピッチをｄｙとすると、アレイアンテナ１１０の指向性を表すアレーファクタは次式（１）で表される。Ｘ方向のアンテナ素子１１１のピッチとは、Ｘ方向において隣り合うアンテナ素子１１１同士の中心同士の間隔であり、Ｙ方向においても同様である。
【0048】
【数1】
【0049】
また、式（１）において、ｕ、ｖは、それぞれ、アンテナ素子１１１のピッチｄｘ、ｄｙに対する移相量であり、次式（２）、（３）で表される。
【0050】
【数2】
【0051】
【数3】
【0052】
Ｘ方向にｎ番目、Ｙ方向にｍ番目のアンテナ素子１１１のＸ方向及びＹ方向における複素励振係数がＡｎ、Ａｍであり、Ａｎｍ＝Ａｎ×Ａｍと表されるならば、式（１）は次式（４）のように変形できる。
【0053】
【数4】
【0054】
式（４）は、リニアアレイアンテナの指向性の積として、アレイアンテナ１１０のような４角配列平面アレイアンテナの指向性が表されることを示している。ターゲット（マーカ５０Ａ）の仰角θＴ、方位角φＴへ最大利得を向けるには、励振位相をＸ方向でｎ番目、Ｙ方向でｍ番目のアンテナ素子１１１では、送電信号の位相を次式（５）、（６）で表されるΨｎ、Ψｍに設定することになる。
【0055】
【数5】
【0056】
【数6】
【0057】
式（５）、（６）で表されるΨｎ、Ψｍを求めるためには、仰角θＴ、方位角φＴの推定が必要になる。ここで、マーカ５０Ａの座標を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とする。ここで、Ｘは、給電装置１００の移動方向（Ｘ方向）の路面距離、Ｙはマーカ５０Ａと魚眼レンズ１４１の中心とのＹ方向の高さずれ、Ｚは、マーカ５０Ａと魚眼レンズ１４１の中心とのＺ方向の対向距離である。マーカ５０Ａの重心座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を仰角θＴと方位角φＴに変換すると、次式（７）のようになる。
【0058】
【数7】
【0059】
撮像部１４２Ａによって取得された画像データのｘｙ平面に投影すると、マーカ５０Ａの重心座標は、焦点距離ｆＬの等距離射影により、次式（８）で与えられる座標（ｘｃ、ｙｃ）に変換される。仰角θｃと偏角φｃは、投影した座標におけるマーカ５０Ａの重心座標の仰角及び偏角である。
【0060】
【数8】
【0061】
動径ｒはｘｃとｙｃの二乗和の平方根で表されるため、マーカ５０Ａの重心座標の仰角θｃと偏角φｃは次式（９）、（１０）のように推定される。
【0062】
【数9】
【0063】
【数10】
【0064】
比較用の給電方法で、アレイアンテナ１１０から放射するビーム１１５を受電アンテナ５０Ｂに放射するには、式（９）、（１０）で推定される仰角θｃ、偏角φｃを算出して、仰角θｃを仰角θＴとして用いるとともに、偏角φｃを方位角φＴとして用いて、式（５）、（６）に代入することによって、各アンテナ素子１１１が放射する送信信号の位相を制御することになる。
【0065】
ところで、比較用の給電方法では、式（９）、（１０）に示されるように、仰角θｃの推定に２つ変数ｘｃ、ｙｃの二乗和の平方根の計算が必要であり、偏角φｃの推定には、変数ｘｃ、ｙｃの除算とアークタンジェントの計算が必要である。また、これに加えて、式（５）で位相Ψｎを求めるには、仰角θＴの正弦と方位角φＴの余弦を計算し、さらに、仰角θＴの正弦と方位角φＴの余弦を乗算する必要がある。また、式（６）で位相Ψｍを求めるには、仰角θＴの正弦と方位角φＴの正弦を計算し、さらに、仰角θＴの正弦と方位角φＴの正弦を乗算する必要がある。このように、比較用の給電方法では、演算量が多く、高速演算処理が必要とされるユースケースにおいては不向きという問題が生じる。また、給電装置の移動に伴う仰角θｃと偏角φｃの変化に追従して演算する必要が生じるが、演算量が多いため、変位が大きい偏角φｃの計算において追従誤差が大きくなるという問題も発生しやすくなる。実施形態の給電方法は、このような問題を解決する。
【0066】
＜実施形態の給電方法＞
アレイアンテナ１１０の中心の高さと、受電アンテナ５０Ｂの高さが略同じとなるように調整されている前提の下で、Ｘ方向の座標が等しくＹ方向に配列される複数のアンテナ素子１１１を同相給電とし水平方向（Ｘ方向）にビームステアリングを行う。この場合に、アレイアンテナ１１０の中心から受電アンテナ５０Ｂへのベクトルをアレイアンテナ１１０の中心の高さにおける水平面（ＸＺ平面）に射影した方向へビーム１１５を向ける。このときの制御角度は、角度θＨ（図３参照）であり、位置Ｐ１と位置Ｐ１ａの幾何学的関係から次式（１１）で求めることができる。
アレイアンテナ１１０の中心の高さと、受電アンテナ５０Ｂの高さが略同じとなるように調整されている前提の下で、Ｘ方向の座標が等しくＹ方向に配列される複数のアンテナ素子１１１を同相給電とし水平方向（Ｘ方向）にビームステアリングを行う。この場合に、アレイアンテナ１１０の中心から受電アンテナ５０Ｂへのベクトルをアレイアンテナ１１０の中心の高さにおける水平面（ＸＺ平面）に射影した方向へビーム１１５を向ける。このときの制御角度は、角度θＨ（図３参照）であり、位置Ｐ１と位置Ｐ１ａの幾何学的関係から次式（１１）で求めることができる。
【0067】
【数11】
【0068】
式（１１）を展開すると、式（１２）が得られる。
【0069】
【数12】
【0070】
ここで、仰角θＨが十分に小さい場合にはｔａｎθＨ≒θＨであり、偏角φｃが十分に小さい場合にはｃｏｓφ≒１であり、偏角φｃが９０度に近い場合にはｃｏｓφ≒０であるので、式（１２）は次式（１３）に変形できる。
【0071】
【数13】
【0072】
すなわち、ターゲットの位置がＸＺ平面からあまりずれていない場合には、仰角θＨは式（１３）のように近似することができる。式（１３）を用いれば、水平方向の制御角θＨは、推定された重心点のｘ軸座標点ｘｃを定数倍するだけであるので高速演算処理が可能となる。
【0073】
次に、角度θＨを用いた水平方向指向性制御に加えて、角度θＶを用いた垂直方向の指向性制御を高速に行うため、リアルタイムに垂直方向制御角度（角度θＶ）を推定することを考える。マーカ５０Ａの重心座標を同様に（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とする。魚眼レンズ１４１の中心からマーカ５０Ａまでの水平面上の距離をｄＲとすると、推定すべき垂直方向指向性制御角度である角度θＶは、次式（１４）で表される。
【0074】
【数14】
【0075】
マーカ５０Ａの座標から仰角、方位角に変換する式（７）を用いると、方位角φＴは偏角φｃに等しいことから、マーカ５０ＡのＹ座標は、次式（１５）で表すことができる。
【0076】
【数15】
【0077】
また、魚眼レンズ１４１の中心からマーカ５０Ａまでの水平面上の距離をｄＲは、次式（１６）で表すことができる。
【0078】
【数16】
【0079】
式（１５）、（１６）を式（１４）に代入すると、次式（１７）が得られる。
【0080】
【数17】
【0081】
また、式（１２）から次式（１８）が得られる。
【0082】
【数18】
【0083】
この式（１８）を式（１７）に代入すると、次式（１９）が得られる。
【0084】
【数19】
【0085】
式（１９）で表される垂直方向指向性制御推定角である角度θＶを次式（２０）のように近似する。式（１９）の両辺のアークタンジェントを取って近似すると式（２０）が得られる。
【0086】
【数20】
【0087】
ここで、ηはフィッティングパラメータであり、所定係数の一例である。所定係数ηは、計算機シミュレーションによりη＝１．７５と最適化される。η＝１．７５であることは、例えば、所定係数ηが小数点第２位を四捨五入して１．７５になる数値範囲内の値であることである。ただし、所定係数ηは、１．７５に限られず、１．５～２の範囲内の値であってよい。所定係数ηは、より好ましくは、η＝１．７５である。
【0088】
また、実施形態のアンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００の制御方法では、Ｘ方向でｎ番目、Ｙ方向でｍ番目のアンテナ素子１１１に接続されたフェーズシフタ１２０において調整する送電信号の水平方向の位相Ψｎと垂直方向の位相Ψｍは、次式（２１）、（２２）で表すことができる。
【0089】
【数21】
【0090】
【数22】
【0091】
ここで、角度θＨと角度θＶは、式（１３）、（２０）を利用すれば、魚眼レンズ１４１を通じて得られた画像データのｘｙ平面に投影された座標（ｘｃ、ｙｃ）を用いて容易に算出でき、演算量が少ないため、水平方向及び垂直方向における指向性制御の高速化を図ることができる。
【0092】
＜比較用の給電方法と実施形態の給電方法の比較＞
図６は、比較用の給電方法と実施形態の給電方法の比較結果を示す図である。比較用の給電方法、及び、実施形態の給電方法は、アレイアンテナ１１０から受電アンテナ５０Ｂに給電するために、アレイアンテナ１１０の指向性を制御する指向性制御方法である。
図６は、比較用の給電方法と実施形態の給電方法の比較結果を示す図である。比較用の給電方法、及び、実施形態の給電方法は、アレイアンテナ１１０から受電アンテナ５０Ｂに給電するために、アレイアンテナ１１０の指向性を制御する指向性制御方法である。
【0093】
図６に示すように、比較用の給電方法では、パラメータとして仰角θＴと方位角φＴを推定することになる。そして、パラメータとして仰角θＴと方位角φＴを推定するためには、式（９）、（１０）で、仰角θｃの推定に２つ変数ｘｃ、ｙｃの二乗和の平方根の計算と、変数ｘｃ、ｙｃの除算とアークタンジェントの計算が必要である。また、これに加えて、位相調整に必要な演算としては、位相Ψｎを求めるに仰角θＴの正弦と方位角φＴの余弦を計算し、さらに仰角θＴの正弦と方位角φＴの余弦を乗算する必要がある。また、位相Ψｍを求めるには、仰角θＴの正弦と方位角φＴの正弦を計算し、さらに、仰角θＴの正弦と方位角φＴの正弦を乗算する必要がある。このように、比較用の給電方法では、演算量が多く、高速演算処理が必要とされるユースケースにおいては不向きであり、変位が大きい偏角φｃの計算において追従誤差が大きくなる。
【0094】
これに対して、実施形態の給電方法では、パラメータとして水平方向の角度θＨと、垂直方向の角度θＶを推定することになる。パラメータとして水平方向の角度θＨと、垂直方向の角度θＶとを推定するためには、式（１３）、（２０）に基づいて、魚眼レンズ１４１を通じて得られた画像データのｘｙ平面に投影された座標（ｘｃ、ｙｃ）を用いて容易に算出できる。このため、実施形態の給電方法は、比較用の給電方法に比べて、大幅に演算量が少なく、水平方向及び垂直方向における指向性制御の高速化を図ることができる。
【0095】
図７は、比較用の給電方法と実施形態の給電方法とにおけるパラメータの値の時間変化を表す図である。図７には、アレイアンテナ１１０と受電アンテナ５０ＢのＺ方向の対向距離ＦＤが４．０ｍで、アレイアンテナ１１０と受電アンテナ５０ＢのＹ方向の垂直方向の位置ずれが０．５ｍの場合におけるパラメータの値の時間変化を示す。実施形態の給電方法のパラメータは、sinθＨとsinθＶであり、実線で示す。比較用の給電方法のパラメータは、sinθｃ・cosφｃとsinθｃ・sinφｃであり、破線で示す。比較用の給電方法のパラメータは、演算量が多いが精度が高いパラメータである。
【0096】
また、時間軸の－４８ｍｓは、角度θＨの＋１５度に相当する位置を給電装置１００がＸ方向に通過する時間であり、時間軸の０ｍｓは、角度θＨの０度に相当する位置を給電装置１００がＸ方向に通過する時間であり、時間軸の４８ｍｓは、角度θＨの－１５度に相当する位置を給電装置１００がＸ方向に通過する時間である。角度θＨの０度に相当する位置は、給電装置１００の＋Ｚ方向の正面に受電アンテナ５０Ｂが存在する位置である。これらは、比較用の給電方法の給電装置についても同様である。
【0097】
図７に示すように、実施形態の給電方法のsinθＨは、比較用の給電方法のsinθｃ・cosφｃと略一致しており、実施形態の給電方法のsinθＶは、比較用の給電方法のsinθｃ・sinφｃと略一致することを確認できた。これより、実施形態の給電方法のパラメータであるsinθＨとsinθＶは、非常に高精度に近似計算されていることを確認できた。
【0098】
図８は、比較用の給電方法と実施形態の給電方法とにおけるパラメータの値の時間変化を表す図である。図８には、アレイアンテナ１１０と受電アンテナ５０ＢのＺ方向の対向距離ＦＤが４．０ｍで、アレイアンテナ１１０と受電アンテナ５０ＢのＹ方向の垂直方向の位置ずれが１．０ｍの場合におけるパラメータの値の時間変化を示す。実施形態の給電方法のパラメータは、sinθＨとsinθＶであり、実線で示す。比較用の給電方法のパラメータは、sinθｃ・cosφｃとsinθｃ・sinφｃであり、破線で示す。その他は、図７と同様である。
【0099】
図８に示すように、実施形態の給電方法のsinθＨは、比較用の給電方法のsinθｃ・cosφｃと略一致しており、実施形態の給電方法のsinθＶは、比較用の給電方法のsinθｃ・sinφｃと略一致することを確認できた。これより、実施形態の給電方法のパラメータであるsinθＨとsinθＶは、非常に高精度に近似計算されていることを確認できた。
【0100】
図９は、実施形態の給電方法における受電アンテナ５０Ｂの受電電力量の時間変化を示す図である。図９には、アレイアンテナ１１０と受電アンテナ５０ＢのＺ方向の対向距離ＦＤが４．０ｍであって、アレイアンテナ１１０と受電アンテナ５０Ｂの垂直方向（Ｙ方向）の位置ずれが、０．０ｍ（実線）、０．５ｍ（破線）、１．０ｍ（一点鎖線）の場合に、水平方向の角度θＨと垂直方向の角度θＶを調整することによって受電アンテナ５０Ｂが得る受電電力量（積算値）を示す。また、図９には、比較用に、アレイアンテナ１１０と受電アンテナ５０ＢのＺ方向の対向距離ＦＤが４．０ｍであって、アレイアンテナ１１０と受電アンテナ５０ＢのＹ方向の位置ずれが１．０ｍの場合に、水平方向の角度θＨのみを調整し、垂直方向の角度θＶを調整しない場合の受電電力量（積算値）を二点鎖線で示す。
【0101】
図９に示すように、水平方向の角度θＨと垂直方向の角度θＶを調整した場合には、アレイアンテナ１１０と受電アンテナ５０ＢのＹ方向の垂直方向の位置ずれが、０．０ｍ（実線）から０．５ｍ（破線）、１．０ｍ（一点鎖線）と大きくなっても、受電電力の減少量は小さく、位置ずれが０．５ｍ又は１．０ｍであっても、受電アンテナ５０Ｂに対して十分に給電を行えることが分かった。また、垂直方向の位置ずれが１．０ｍで、水平方向の角度θＨのみを調整し、垂直方向の角度θＶを調整しない場合には、受電電力量は略ゼロであり、準ミリ波のビーム１１５では、対向距離ＦＤが４．０ｍで、垂直方向の位置ずれが１．０ｍあると、給電を行えないことが分かった。換言すれば、対向距離ＦＤが４．０ｍで垂直方向の位置ずれが１．０ｍの場合に、水平方向の角度θＨに加えて垂直方向の角度θＶを調整することで、十分な給電を行えることを確認できた。
【0102】
＜効果＞
アンテナ装置１００Ａは、Ｘ軸及びＹ軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子１１１を有するアレイアンテナ１１０と、複数のアンテナ素子１１１に供給される送電信号の位相をＸ軸方向及びＹ軸方向において調節するフェーズシフタ１２０と、魚眼レンズ１４１を通じて画像を取得するカメラ１４０と、カメラ１４０によって取得される画像に含まれるマーカ５０Ａのカメラ１４０に対する位置Ｐ１を、Ｘ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面上の極座標における位置Ｐ２に変換する位置導出部１５１と、位置Ｐ２に基づいて、位置Ｐ１をＸ軸とＺ軸とを含むＸＺ平面に投影した位置Ｐ１ａのＸＺ平面内でのＺ軸に対する角度θＨを求める角度取得部１５２と、位置Ｐ２と、角度θＨとに基づいて、カメラ１４０の基準位置と位置Ｐ１ａとを結ぶ第１直線に対する、カメラ１４０の基準位置と位置Ｐ１とを結ぶ第２直線がなす角度θＶを求める角度取得部１５３と、アレイアンテナ１１０が放射するビーム１１５の方向が、カメラ１４０の基準位置に対して角度θＨ及び角度θＶで特定される方向になるようにフェーズシフタ１２０を制御する制御部１５４とを含む。このため、マーカ５０Ａとカメラ１４０の位置関係に応じて、水平方向の角度θＨと垂直方向の角度θＶとを演算量の少ない簡単な計算で求めることができ、簡単に求められる角度θＨ及び角度θＶに基づいて、ビーム１１５を水平方向及び垂直方向に走査できる。
アンテナ装置１００Ａは、Ｘ軸及びＹ軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子１１１を有するアレイアンテナ１１０と、複数のアンテナ素子１１１に供給される送電信号の位相をＸ軸方向及びＹ軸方向において調節するフェーズシフタ１２０と、魚眼レンズ１４１を通じて画像を取得するカメラ１４０と、カメラ１４０によって取得される画像に含まれるマーカ５０Ａのカメラ１４０に対する位置Ｐ１を、Ｘ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面上の極座標における位置Ｐ２に変換する位置導出部１５１と、位置Ｐ２に基づいて、位置Ｐ１をＸ軸とＺ軸とを含むＸＺ平面に投影した位置Ｐ１ａのＸＺ平面内でのＺ軸に対する角度θＨを求める角度取得部１５２と、位置Ｐ２と、角度θＨとに基づいて、カメラ１４０の基準位置と位置Ｐ１ａとを結ぶ第１直線に対する、カメラ１４０の基準位置と位置Ｐ１とを結ぶ第２直線がなす角度θＶを求める角度取得部１５３と、アレイアンテナ１１０が放射するビーム１１５の方向が、カメラ１４０の基準位置に対して角度θＨ及び角度θＶで特定される方向になるようにフェーズシフタ１２０を制御する制御部１５４とを含む。このため、マーカ５０Ａとカメラ１４０の位置関係に応じて、水平方向の角度θＨと垂直方向の角度θＶとを演算量の少ない簡単な計算で求めることができ、簡単に求められる角度θＨ及び角度θＶに基づいて、ビーム１１５を水平方向及び垂直方向に走査できる。
【0103】
したがって、簡単な計算でビーム１１５の方向を制御できるアンテナ装置１００Ａを提供することができる。また、演算量が少ないので、高速演算処理が必要とされるユースケースに向いているアンテナ装置１００Ａを提供することができる。また、ミリ波のビーム１１５のようにビーム幅が狭い場合でも、受電アンテナ５０Ｂとアレイアンテナ１１０との水平方向及び垂直方向の位置ずれに応じて、ビーム１１５を水平方向及び垂直方向に走査することで、確実に給電を行うことができる。
【0104】
また、角度取得部１５３は、位置Ｐ２のＹ軸の座標ｙｃを魚眼レンズ１４１の焦点距離ｆＬで除算して得る商に、角度θＨを所定係数ηで除算して得る角度の余弦を乗じた値を、角度θＶとして求めるので、位置Ｐ２のＹ軸の座標ｙｃと、角度θＨとに基づいて、角度θＶを演算量の少ない簡単な計算で求めることができる。したがって、位置Ｐ２のＹ軸の座標ｙｃと、角度θＨとに基づいて計算可能な角度θＶを用いて、ビーム１１５の方向を制御できるアンテナ装置１００Ａを提供することができる。
【0105】
所定係数ηは、１．５～２であるので、角度θＶを表す近似式（２０）を適切な値のフィッティングパラメータである所定係数ηを用いて求めることができ、仰角θＴと方位角φＴに基づく比較用の給電方法と同等の精度でマーカ５０Ａ及び受電アンテナ５０Ｂの位置を計算可能である。
【0106】
また、角度取得部１５２は、位置Ｐ２をＸ軸に写像した写像位置Ｐ２ａの座標ｘｃを魚眼レンズ１４１の焦点距離ｆＬで除算した値を、角度θＨとして求めるので、簡単な計算で角度θＨを求めることができる。
【0107】
また、写像位置Ｐ２ａの座標ｘｃは、極座標における動径ｒに偏角φｃの余弦を乗算した値で表されるので、簡単な計算で角度θＨを求めることができる。
【0108】
また、制御部１５４は、アレイアンテナ１１０の基準位置からＸ軸方向にｎ（ｎは２以上の整数）番目で、アレイアンテナ１１０の基準位置からＹ軸方向にｍ（ｍは２以上の整数）番目のアンテナ素子１１１に供給される送電信号の位相を、Ｘ軸方向において次式（２３）で表されるΨｎに調整し、Ｙ軸方向において次式（２４）で表されるΨｍに調整する。
【0109】
【数23】
【0110】
【数24】
【0111】
このため、角度θＨと角度θＶを用いて、各アンテナ素子１１１に供給される送電信号の位相を簡単に調整することができる。式（２３）、（２４）は、三角関数を１つずつ含むだけで演算量が少ないので、高速演算処理が必要とされるユースケースに向いているアンテナ装置１００Ａを提供することができる。式（２３）、（２４）で各アンテナ素子１１１に供給される送電信号の位相を簡単に調整できるので、簡単な計算で受電アンテナ５０Ｂとアレイアンテナ１１０との水平方向及び垂直方向の位置ずれに応じて、ビーム１１５を水平方向及び垂直方向に走査することで、確実に給電を行うことができる。
【0112】
また、給電装置１００は、Ｘ軸及びＹ軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子１１１を有するアレイアンテナ１１０と、マイクロ波発生源１３０と、アレイアンテナ１１０とマイクロ波発生源１３０との間に設けられ、マイクロ波発生源１３０から複数のアンテナ素子１１１に供給される送電信号の位相をＸ軸方向及びＹ軸方向において調節するフェーズシフタ１２０と、魚眼レンズ１４１を通じて画像を取得するカメラ１４０と、カメラ１４０によって取得される画像に含まれるマーカ５０Ａのカメラ１４０に対する位置Ｐ１を、Ｘ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面上の極座標における位置Ｐ２に変換する位置導出部１５１と、位置Ｐ２に基づいて、位置Ｐ１をＸ軸とＺ軸とを含むＸＺ平面に投影した位置Ｐ１ａのＸＺ平面内でのＺ軸に対する角度θＨを求める角度取得部１５２と、位置Ｐ２と、角度θＨとに基づいて、カメラ１４０の基準位置と位置Ｐ１ａとを結ぶ第１直線に対する、カメラ１４０の基準位置と位置Ｐ１とを結ぶ第２直線がなす角度θＶを求める角度取得部１５３と、アレイアンテナ１１０が放射するビーム１１５の方向が、カメラ１４０の基準位置に対して角度θＨ及び角度θＶで特定される方向になるようにフェーズシフタ１２０を制御する制御部１５４とを含む。このため、マーカ５０Ａとカメラ１４０の位置関係に応じて、水平方向の角度θＨと垂直方向の角度θＶとを演算量の少ない簡単な計算で求めることができ、簡単に求められる角度θＨ及び角度θＶに基づいて、ビーム１１５を水平方向及び垂直方向に走査できる。
【0113】
したがって、簡単な計算でビーム１１５の方向を制御できる給電装置１００を提供することができる。また、演算量が少ないので、高速演算処理が必要とされるユースケースに向いている給電装置１００を提供することができる。また、ミリ波のビーム１１５のようにビーム幅が狭い場合でも、受電アンテナ５０Ｂとアレイアンテナ１１０との水平方向及び垂直方向の位置ずれに応じて、ビーム１１５を水平方向及び垂直方向に走査することで、確実に給電を行うことができる。
【0114】
また、給電方法は、Ｘ軸及びＹ軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子１１１を有するアレイアンテナ１１０と、マイクロ波発生源１３０と、アレイアンテナ１１０とマイクロ波発生源１３０との間に設けられ、マイクロ波発生源１３０から複数のアンテナ素子１１１に供給される送電信号の位相をＸ軸方向及びＹ軸方向において調節するフェーズシフタ１２０と、魚眼レンズ１４１を通じて画像を取得するカメラ１４０と、カメラ１４０によって取得される画像に含まれるマーカ５０Ａのカメラ１４０に対する位置Ｐ１を、Ｘ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面上の極座標における位置Ｐ２に変換する位置導出部１５１と、位置Ｐ２に基づいて、位置Ｐ１をＸ軸とＺ軸とを含むＸＺ平面に投影した位置Ｐ１ａのＸＺ平面内でのＺ軸に対する角度θＨを求める角度取得部１５２と、位置Ｐ２と、角度θＨとに基づいて、カメラ１４０の基準位置と位置Ｐ１ａとを結ぶ第１直線に対する、カメラ１４０の基準位置と位置Ｐ１とを結ぶ第２直線がなす角度θＶを求める角度取得部１５３とを含む、給電装置１００において、アレイアンテナ１１０が放射するビーム１１５の方向が、カメラ１４０の基準位置に対して角度θＨ及び角度θＶで特定される方向になるようにフェーズシフタ１２０を制御する。このため、マーカ５０Ａとカメラ１４０の位置関係に応じて、水平方向の角度θＨと垂直方向の角度θＶとを演算量の少ない簡単な計算で求めることができ、簡単に求められる角度θＨ及び角度θＶに基づいて、ビーム１１５を水平方向及び垂直方向に走査できる。
【0115】
したがって、簡単な計算でビーム１１５の方向を制御できる給電方法を提供することができる。また、演算量が少ないので、高速演算処理が必要とされるユースケースに向いている給電方法を提供することができる。また、ミリ波のビーム１１５のようにビーム幅が狭い場合でも、受電アンテナ５０Ｂとアレイアンテナ１１０との水平方向及び垂直方向の位置ずれに応じて、ビーム１１５を水平方向及び垂直方向に走査することで、確実に給電を行うことができる。
【0116】
＜給電装置１００の適用例＞
図１０は、給電装置１００の適用例を示す図である。給電装置１００は、一例として車両６０に搭載されており、トンネルの内壁５１にはターゲットとしての受電装置５０が設けられている。受電装置５０は、マーカ５０Ａと受電アンテナ５０Ｂとを有する。
図１０は、給電装置１００の適用例を示す図である。給電装置１００は、一例として車両６０に搭載されており、トンネルの内壁５１にはターゲットとしての受電装置５０が設けられている。受電装置５０は、マーカ５０Ａと受電アンテナ５０Ｂとを有する。
【0117】
例えば、トンネルの内壁５１に取り付けてあるジェットファンや標識等のインフラ構造物を内壁５１に固定する固定部に、受電アンテナ５０Ｂと、固定部のボルト等の緩みを監視するセンサと、レクテナと、無線通信モジュールとを設けておき、車両６０で走行しながら給電装置１００から受電アンテナ５０Ｂにビームを放射すると、受電アンテナ５０Ｂに接続されたレクテナが電力を発生して無線通信モジュールを起動し、無線通信モジュールがセンサの出力を表す信号を放射し、車両６０側で受信することにより、走行しながらインフラ構造物の固定状態を検査することができる。この場合に、アレイアンテナ１１０で無線通信モジュールがセンサの出力を表す信号を受信してもよい。
【0118】
また、給電装置１００は、マーカ５０Ａとカメラ１４０の位置関係に応じて求まる水平方向の角度θＨと垂直方向の角度θＶを用いて、アレイアンテナ１１０の各アンテナ素子１１１に供給される送電信号の位相Ψｎ、Ψｍを調整するので、受電アンテナ５０Ｂとアレイアンテナ１１０のＹ方向の位置がずれている場合でも、位置ずれに応じてビーム１１５の向きを垂直方向において調整できるので、ミリ波帯のビーム１１５で効率的に給電することができる。
【0119】
また、ここでは図１０を用いて給電装置１００（アンテナ装置１００Ａ）がトンネルの内壁５１に設けられた無線通信モジュールと通信する形態について説明したが、無線通信モジュールはトンネルの内壁５１に設けられているものに限らず、様々な場所等に設置されていてよい。このようにすれば、給電装置１００（アンテナ装置１００Ａ）を通信装置として利用することができる。
【0120】
以上、本発明の例示的な実施形態のアンテナ装置、給電装置、及び給電方法について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【0121】
５０ 受電装置
５０Ａ マーカ
５０Ｂ 受電アンテナ
１００ 給電装置
１００Ａ アンテナ装置
１００Ｂ 距離推定装置
１１０ アレイアンテナ
１１１ アンテナ素子
１２０ フェーズシフタ
１３０ マイクロ波発生源
１４０ カメラ
１４１ 魚眼レンズ
１５０ 制御装置
１５１ 位置導出部
１５２、１５３ 角度取得部
１５４ 制御部
１５５ メモリ
５０Ａ マーカ
５０Ｂ 受電アンテナ
１００ 給電装置
１００Ａ アンテナ装置
１００Ｂ 距離推定装置
１１０ アレイアンテナ
１１１ アンテナ素子
１２０ フェーズシフタ
１３０ マイクロ波発生源
１４０ カメラ
１４１ 魚眼レンズ
１５０ 制御装置
１５１ 位置導出部
１５２、１５３ 角度取得部
１５４ 制御部
１５５ メモリ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】