JP2008152380A - Conveyance method of overhead crane using laser pointer and overhead crane system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、天井クレーンの吊り荷(搬送物)の搬送に関し、特に、吊り荷を搬送開始位置からレーザーポイントにより指示した目標搬送位置まで自動的に搬送する方法及びシステムに関する。 The present invention relates to transportation of a suspended load (conveyed object) of an overhead crane, and more particularly, to a method and system for automatically conveying a suspended load from a conveyance start position to a target conveyance position indicated by a laser point.
天井クレーンは搬送対象が3次元空間上を自由に移動できることや、搬送物の大きさや重量の制限が少ないので、搬送車等の他の搬送装置に比べ各種工場や倉庫など幅広い産業分野に利用されている。しかし、天井クレーンはロープで荷物を吊るす構造のため、クレーンの操作法や搬送の軌道などによっては荷振れが生じやすい。荷振れが生じた場合は地上の荷物との衝突や荷崩れが発生する危険性がある。このため従来は熟練したオペレータが高度な操作技術により荷振れを生じさせないように操作を行ってきた。しかし、近年の労働環境では人件費の削減や作業効率の向上が求められ、熟練したオペレータの育成は困難となっている。そのためクレーンの自動化を目指す様々な研究が行われている。 The overhead crane is used in a wide range of industrial fields such as various factories and warehouses compared to other transport devices such as transport vehicles because the object to be transported can move freely in a three-dimensional space and the size and weight of transported objects are less restricted. ing. However, since the overhead crane has a structure in which a load is suspended by a rope, the swinging of the load is likely to occur depending on the operation method of the crane and the trajectory of conveyance. In the case where a load swing occurs, there is a risk of collision with a load on the ground or collapse of the load. For this reason, conventionally, a skilled operator has performed an operation so as not to cause a load shake by an advanced operation technique. However, in the recent work environment, it is required to reduce labor costs and improve work efficiency, and it is difficult to train skilled operators. Therefore, various studies aiming at automation of cranes are being conducted.
その研究の分野として、障害物を回避するための経路計画、搬送物の荷振れ抑制のための振れ止め制御といった研究が挙げられる。 Research areas include route planning for avoiding obstacles and steadying control for restraining the movement of goods.
また、振れ止め制御の研究として、西村他による非特許文献1のように、ゲインスケジューリングによる振れ止め制御、橋本他による非特許文献2のように、台車の移動速度と位置の偏差をフィードバッグにより振れ止めを行う研究などが行われていた。
In addition, as a study of steady-state control, as in Non-Patent
経路計画に関する研究では、本発明者の一人である寺嶋他による非特許文献3のように、最小エネルギ、最短距離となる搬送経路を分枝限定法によって導出している。この方法は搬送領域内の障害物を多角形で近似し、その頂点をサブゴールとする搬送パターンのうち、実現可能で評価関数を最小とする経路を効率的に探索するものである。
In research on route planning, as in Non-Patent
しかし、完全自動制御では、オペレータがクレーンを管理しているコンピュータの指令装置に行き、その場所で目標搬送位置を指令することでクレーンを制御するため、オペレータが指令装置のある場所に行く必要がある。そのため、リアルタイムに位置決めを行うことが困難である。 However, in fully automatic control, the operator must go to the command device of the computer that manages the crane and control the crane by instructing the target transport position at that location, so the operator needs to go to the location where the command device is located. is there. For this reason, it is difficult to perform positioning in real time.
そこで、本発明では操縦者がレーザーポインタによってクレーンに指示を与えることを考える。レーザーポインタで目標搬送位置へスポット光を指すことにより、カメラがスポット光の位置を計測し、その位置を目標搬送位置としてクレーンが障害物回避と振れ止め制御を行いながら自動で搬送するシステムを構築する。このようなシステムであればレーザーポインタによって目標搬送位置を指示するだけでクレーンが自動で荷物を搬送するため、オペレータの作業量軽減や搬送時間、安全性向上などにも大きく貢献できると考えられる。 Therefore, in the present invention, it is considered that the operator gives an instruction to the crane with a laser pointer. By pointing the spot light to the target transport position with a laser pointer, the camera measures the position of the spot light and uses that position as the target transport position to construct a system that automatically transports the crane while avoiding obstacles and controlling steadying. To do. In such a system, it is considered that the crane automatically conveys the load only by instructing the target conveyance position with the laser pointer, so that it can greatly contribute to the reduction of the work amount of the operator, the conveyance time, and the improvement of safety.
従来技術を示す以下の非特許文献は参照のために本明細書に組み入れられる。 The following non-patent literature showing prior art is incorporated herein by reference.
非特許文献
非特許文献1:西村秀和、種村英朗、野波健蔵、走行クレーンのロープ長変動に対するゲインスケジュール位置決め制御、日本機械学会論文集(C編)、Vol。62、No。599、pp.2692−2697、(1996)
非特許文献2:橋本幸雄、土谷武士、松田俊彦、杉岡一郎、荷振れ情報を必要としないクレーンの吊り荷の振動抑制制御、計測自動制御学会論文集、Vol。30、No。2、pp。172−180、(1994)
非特許文献3:兼重明宏、寺嶋一彦、鈴木薪雄、殷雷、障害物認識と経路計画を考慮した天井クレーンの自律化、“日本機械学会論文集(C)”、Vol。64、No。618、(1998)、pp.487−494
非特許文献4:井口征士、3次元画像計測、昭晃堂、(1990)
非特許文献5:G.K. Schmidt, K.Azarm, Mobile robot path planning and execution based on a diffusion equation
strategy”, Advanced Robotics 7-5(1993),pp.479-490
非特許文献6:斎藤武雄、“数値伝熱学”、養賢堂、(1986)
非特許文献7:杉原厚吉、“グラフィックスの数理”、共立出版、(1995)
非特許文献8:David F. Rogers、 J.Alan Adams、山口富士夫、“コンピュータグラフィックス”、日刊工業新聞社(1979)
非特許文献9:須永照雄、“機械工学における最適化手法”、機械の研究、41−8、(1989)、pp.867−872
非特許文献10:柳井法貴、山本元司、毛利彰、“逆動力学計算に基づくクレーンのフィードバック制御”、計測自動制御学会論文集、37−11、(2001)、pp.1048−1055
非特許文献11:Yanai N, Yamamoto M, Mohri A, “Anti-Sway Control for Wire-Suspended Mechanism Based on Dynamics Compensation”, Proc IEEE Int Conf Rob Autom, 4,(2002),pp.4287-4292
非特許文献12:高橋伸寿,中沢洋介,梅田和昇,レーザーポインタを用いたホームロボット操作システムの構築,日本機械学会ロボティスク・メカトロニクス講演会講演論文集,pp2P1-K03(1)-2P1-K03(2),(2002)
非特許文献13:PAROMTCHIK.I.E, ASAMA.H,“Mobile robot guidance by means of a laser pointer”, Proc ASTED IntConf Model Identif Control, Vol.2,pp.718-721,(2001)
Non-Patent Document Non-Patent Document 1: Hidekazu Nishimura, Hideo Tanemura, Kenzo Nonami, Gain Schedule Positioning Control for Rope Length Variation of Traveling Crane, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (C), Vol. 62, no. 599, pp. 2692-2697, (1996)
Non-Patent Document 2: Yukio Hashimoto, Takeshi Tsuchiya, Toshihiko Matsuda, Ichiro Sugioka, Vibration Suppression Control of Crane Suspension Loads that do not require Load Swing Information, Vol. 30, No. 2, pp. 172-180, (1994)
Non-Patent Document 3: Akihiro Kaneshige, Kazuhiko Terashima, Ikuo Suzuki, Akira Lightning, Autonomous Overhead Crane Considering Obstacle Recognition and Path Planning, “The Japan Society of Mechanical Engineers Proceedings (C)”, Vol. 64, No. 618, (1998), pp. 487-494
Non-patent document 4: Seiji Iguchi, 3D image measurement, Shosodo, (1990)
Non-Patent Document 5: GK Schmidt, K. Azarm, Mobile robot path planning and execution based on a diffusion equation
strategy ”, Advanced Robotics 7-5 (1993), pp.479-490
Non-Patent Document 6: Takeo Saito, “Numerical Heat Transfer”, Yokendo, (1986)
Non-Patent Document 7: Sugihara Atsuyoshi, “Mathematics of Graphics”, Kyoritsu Shuppan, (1995)
Non-Patent Document 8: David F. Rogers, J. Alan Adams, Fujio Yamaguchi, “Computer Graphics”, Nikkan Kogyo Shimbun (1979)
Non-Patent Document 9: Teruo Sunaga, “Optimization Method in Mechanical Engineering”, Research on Machines, 41-8, (1989), pp. 867-872
Non-Patent Document 10: Noritaka Yanai, Motoshi Yamamoto, Akira Mohri, “Crane feedback control based on inverse dynamics calculation”, Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers, 37-11, (2001), pp. 1048-1055
Non-Patent Document 11: Yanai N, Yamamoto M, Mohri A, “Anti-Sway Control for Wire-Suspended Mechanism Based on Dynamics Compensation”, Proc IEEE Int Conf Rob Autom, 4, (2002), pp.4287-4292
Non-Patent Document 12: Nobutoshi Takahashi, Yosuke Nakazawa, Kazunobu Umeda, Construction of a home robot operation system using a laser pointer, Proc. (2), (2002)
Non-Patent Document 13: PAROMTCHIK.IE, ASAMA.H, “Mobile robot guidance by means of a laser pointer”, Proc ASTED IntConf Model Identif Control, Vol.2, pp.718-721, (2001)
本発明のアプローチは次のとおりである。天井クレーンの目標移動位置を決定するためのスポット光を認識するシステムの構築を行う。スポット光は、オペレータがレーザーポインタを搬送物の目標搬送位置まで持って行き、レーザーポインタから照射したレーザー光により目標搬送位置の床面を数秒間照射してスポット光を形成し、基本的には、2台のカメラ(例えば、CCDカメラ)により前記スポット光を撮像し、カメラに接続されたコントローラによりスポット光の位置決定を行うものである。なお、対象の床面を照射するようにレーザーポインタをクレーン(例えば、クレーン台車)にとりつけることもできる。 The approach of the present invention is as follows. A system for recognizing spot light to determine the target moving position of the overhead crane is constructed. The spot light is generated by the operator by bringing the laser pointer to the target transport position of the transported object and irradiating the floor surface of the target transport position for several seconds with the laser light emitted from the laser pointer. The spot light is imaged by two cameras (for example, CCD cameras), and the position of the spot light is determined by a controller connected to the cameras. In addition, a laser pointer can be attached to a crane (for example, a crane carriage) so as to irradiate the target floor surface.
また、カメラとスポット光を結ぶ直線上に障害物等が存在するために1台のカメラだけでしかスポット光を計測できない場合もあることを想定して、1台のカメラで3次元位置を計測するアルゴリズムを提案する。障害物回避経路の計算には3次元拡散方程式に基づくポテンシャル法を適用する。ポテンシャル法はグラフ理論やGA等による経路計画に比べ、複雑な障害物環境にも適用が容易で、計算時間が短い等の利点を有すため、クレーンの煩雑な障害物環境に有効であると考えられる。次に得られた経路を折れ線近似法により改善を行うことで、不要な折れ点が少ない経路を導出する。次に得られた経路を5次Bスプライン曲線で表す。曲線を表すパラメータを操作量とし、装置制約と障害物回避制約を満たし、搬送時間を最小にする最適化問題をコンプレックス法により解くことで台車の制御入力を導出する。制御入力を逆動力学計算によるフィードフォワード制御系に入力することで、荷物の軌道追従と振動抑制を行う。 In addition, since there are obstacles on the straight line connecting the camera and the spot light, it may be possible to measure the spot light only with one camera, and the 3D position is measured with one camera. We propose an algorithm to The potential method based on the three-dimensional diffusion equation is applied to the obstacle avoidance path calculation. Compared with route planning based on graph theory or GA, the potential method is easy to apply to complex obstacle environments and has a short calculation time, so it is effective in complicated obstacle environments for cranes. Conceivable. Next, the obtained route is improved by the broken line approximation method, so that a route with few unnecessary broken points is derived. Next, the obtained path is represented by a quintic B-spline curve. The control input of the carriage is derived by solving the optimization problem that satisfies the device constraint and the obstacle avoidance constraint and minimizes the transportation time by the complex method, with the parameter representing the curve as the operation amount. By inputting the control input to the feedforward control system based on the inverse dynamics calculation, the trajectory tracking of the load and vibration suppression are performed.
また、障害物位置情報は、非特許文献3に記載される光切断法により全て既知であることを前提とする。
Further, it is assumed that all the obstacle position information is already known by the light cutting method described in
図1に本発明の実施の形態の天井クレーンシステム1の概要図を示す。該システムの天井クレーンは台車2と、台車2を平面内で走行自在に支持するフレーム3と含む。走行方向(X軸)方向はガーダ4が移動し、横行方向(Y軸)はガーダ上を搬送物10を吊り下げた台車2が移動することによりX、Y方向への独立した搬送が可能である。台車の移動は台車に設けたACサーボモータ(図示省略)の駆動をタイミングベルト5Aを介し、コントローラ6からモータへの電圧指令を与え、台車速度を制御する。また、搬送物10はワイヤーロープ7により吊り下げられ、ACサーボモータの駆動により台車下部の巻き取りドラム(図示省略)を回転させることにより、上下方向(Z軸)に移動する。台車、ガーダ、ヤイヤーロープ、搬送物、サーボモータの関係は公知であり、詳細に説明はしない。
FIG. 1 shows a schematic diagram of an
X、Y、Z方向の最大移動距離は、本実施の形態においては、2.0m、1.0m、1.2m、搬送物10は質量30Kgの鋼塊である。ロープ7の振れ角の測定にはレーザーセンサ(KEYENCE、VG−035)をロープの付け根の近くに取り付けて行う。
In this embodiment, the maximum movement distance in the X, Y, and Z directions is 2.0 m, 1.0 m, and 1.2 m, and the conveyed
クレーンのフレームに2台の白黒CCDカメラ(SONY、XC−HR58)11A,11Bを固定して、レーザーポインタのスポット光の撮像のために利用する。カメラのレンズの前には色ガラスフィルタ(HOYA、R−60)を取り付けることでレーザー光以外の外乱交を遮断する。画像処理装置には画像処理ボード(Linx、銀河++M2)を利用する。カメラは台車可動範囲にあるX、Y軸方向の床面を全て撮像でき、Z軸方向は最低0.3m、最高1.0mの高さから撮像できる。レーザーポインタはスポット径が3m先で約7mm〜40mmの直径に調整できるもの(VEROS、LEPO650)を使用する。 Two black-and-white CCD cameras (SONY, XC-HR58) 11A and 11B are fixed to the crane frame and used for imaging the spot light of the laser pointer. A colored glass filter (HOYA, R-60) is attached in front of the lens of the camera to block disturbance other than laser light. An image processing board (Linx, Galaxy ++ M2) is used for the image processing apparatus. The camera can image all floor surfaces in the X and Y axis directions within the cart movable range, and can image from a height of at least 0.3 m and a maximum of 1.0 m in the Z axis direction. A laser pointer (VEROS, LEPO650) that can be adjusted to a diameter of about 7 mm to 40 mm at a spot diameter of 3 m ahead is used.
コントローラ6は種々の演算を実行するコンピュータを含み、カメラに接続されカメラが撮像した像を解析しスポット光の位置を決定できるように構成されている。また、以下に説明する各処理はコントローラ6によってなされる。
The
1.スポット光位置の計測法
1・1 スポット光位置の求め方
本発明では図1に示すように、スポット光認識のために2つのカメラ11A,11Bをクレーンのフレーム3に固定する。障害物の設置位置によってはカメラの死角が存在するため、図2を使って想定される状況を述べる。
1. Method of Measuring Spot Light Position 1.1 Method for Obtaining Spot Light Position As shown in FIG. 1, in the present invention, two
図2のA領域のように、大きい方の障害物の上面A1とその側部の床面A2は両方のカメラで撮像できる。図2のB領域とC領域はカメラ11Aのみが撮像できる。1つのカメラでのみ表面のスポット光を撮像できるときは、床面の座標をZ=0として2次元の(X、Y)座標をコントローラ6で決定できるが、図2のC領域のスポット光により、3次元のクレーン座標(X、Y、Z)を決定することは不可能である。しかし、本発明では光切断法により全て把握されている障害物位置情報を用いることで1つのカメラの撮像により決定された(U、V)座標から3次元のクレーン座標(X、Y、Z)を決定することができる。
Like the area A in FIG. 2, the upper surface A1 of the larger obstacle and the floor surface A2 on the side thereof can be imaged by both cameras. The area B and area C in FIG. 2 can be imaged only by the camera 11A. When the surface spot light can be imaged with only one camera, the coordinate of the floor surface can be set to Z = 0 and the two-dimensional (X, Y) coordinates can be determined by the
1・2 2台のカメラの場合
カメラが2台ともスポット光を認識できる場合は本節で述べる方法によりスポット光のクレーン座標を求める。図2のカメラ11AのカメラのパラメータをCA1〜CA11、カメラ座標を(UA、VA)、カメラ111BのカメラのパラメータをCB1〜CB11、カメラ座標を(UB、VB)、スポット光の座標を(X,Y,Z)とすると,非特許文献4に記載されるように、次式の関係が成り立つ。次式を行列で表したあと,一般逆行列を用いて最小二乗解を求めることで(X,Y,Z)を求める。
1.2 In the case of two cameras When the two cameras can recognize the spot light, the crane coordinates of the spot light are obtained by the method described in this section. The camera parameters of the camera 11A in FIG. 2 are C A1 to C A11 , the camera coordinates are (U A , V A ), the camera parameters of the camera 111B are C B1 to C B11 , and the camera coordinates are (U B , V B ). Assuming that the coordinates of the spot light are (X, Y, Z), as described in
1・3 1台のカメラの場合
障害物によってカメラの死角が生じる。このような場合はカメラ1台しかスポット光を認識できない場合もある。このときは(2)式によりスポット光の2次元クレーン座標を求める。(2)式はZ=0のときの(1)式を変形させた式である。(2)式はカメラ11Aのものであるが,カメラ11Bのものも同様な式で求めることができる。
1.3 In the case of one camera, the blind spot of the camera is caused by an obstacle. In such a case, the spot light may be recognized only by one camera. At this time, the two-dimensional crane coordinates of the spot light are obtained by equation (2). The expression (2) is an expression obtained by modifying the expression (1) when Z = 0. Although the equation (2) is for the camera 11A, the equation for the
1つのカメラで3次元位置を求めるアルゴリズム
図2のC領域(小さな方の障害物の上面)に吊り荷を搬送したい場合の例を図3に示す。C領域は、先に述べたように、A1領域を有する大きい方の障害物にじゃまされてカメラ11Bでは撮像できないが、カメラ11Aで撮像可能である。
Algorithm for obtaining a three-dimensional position with one camera FIG. 3 shows an example in which a suspended load is to be transported to the area C (the upper surface of the smaller obstacle) in FIG. C region, as previously described, can not be captured with the
図3に破線で示すように斜め上方からにレーザー光線をC領域に照射した場合を考える。スポット光がC領域に形成されるので、カメラ11Aにより該ポット光を撮像する。後に説明する方法(スポット光重心を求めるアルゴリズム)により、撮像したスポット光画像からスポット光の重心Bを画像的に決定し、コントローラ6を介してカメラ11Aの光軸をB点に合わせる。カメラ11Aの位置Cは既知であり、その座標は(X3,Z3)である。B点の未知の座標を(X2,Z2)とする。カメラ11Aの光軸と床面(2つの障害物が載っている面)との交点Aの未知の座標を(X1,Z1)とする。B(X2,Z2)、すなわち、目標搬送位置を図3に関して、次に述べる方法で求める。
Consider a case where a laser beam is applied to the C region obliquely from above as indicated by a broken line in FIG. Since the spot light is formed in the region C, the pot light is imaged by the camera 11A. By a method described later (algorithm for obtaining the center of gravity of the spot light), the center of gravity B of the spot light is determined image-wise from the captured spot light image, and the optical axis of the camera 11A is aligned with the B point via the
1)最初に、(2)式により座標A(X1,Z1)を求める。 1) First, the coordinates A (X 1 , Z 1 ) are obtained by the equation (2).
2)既知である座標C(X3,Z3)を利用して,障害物のZ座標を探索するZを,Z=Z3として定義する。 2) Using the known coordinates C (X 3 , Z 3 ), Z for searching the Z coordinate of the obstacle is defined as Z = Z 3 .
3)Z−10[mm]を計算し,X方向を探索する係数Xを以下の(3)式により求める。 3) Z-10 [mm] is calculated, and a coefficient X for searching the X direction is obtained by the following equation (3).
4)3)を数回計算する。 4) Calculate 3) several times.
5)障害物位置情報とX,Zを比較し,X<X2,Z<Z2が成立する直前のX,Zを取得して終了する。 5) The obstacle position information is compared with X and Z, and X and Z immediately before X <X 2 and Z <Z 2 are established are obtained and the process ends.
上記アルゴリズムのステップ1)で床面上の点Aの座標(X1,Z1)は、座標B(X2,Z2)とA(X1,Z1)はカメラの画像面上では同じU,V座標にあるため,Z=0という仮定と(2)式を用いることで求まるものである。上記3)を数回計算することで,最初はX=X3,Z=Z3であったのが徐々にX,ZはX2,Z2に近づいていき,最終的にX<X2,Z<Z2が成立するように変化する。上記の計算により,障害物上の目標搬送位置の座標B(X2,Z2)を求めることができる。 In step 1) of the above algorithm, the coordinates (X 1 , Z 1 ) of the point A on the floor surface are the same as the coordinates B (X 2 , Z 2 ) and A (X 1 , Z 1 ) on the image plane of the camera. Since it is in the U and V coordinates, it can be obtained by using the assumption that Z = 0 and the equation (2). By calculating the above 3) several times, X = X 3 and Z = Z 3 at first were gradually increased to X and Z approaching X 2 and Z 2 , and finally X <X 2 changes as Z <Z 2 is satisfied. By the above calculation, the coordinates B (X 2 , Z 2 ) of the target transport position on the obstacle can be obtained.
説明を簡便にするために、図3に示すX−Z平面のみに関して説明したが、Y−Z平面に関しても同様であり、この計算法を使うことで障害物位置情報とスポット光の画像から3次元位置を求めることができる。この計算法を使うメリットとしては,カメラの画像面の座標と3次元座標との対応付けを行う必要がなくなるため,障害物の位置を変更するたびに3次元座標との対応付けを行う手間や,対応付けのためのプログラム変更の手間を省くことができる。 For the sake of simplicity of explanation, only the XZ plane shown in FIG. 3 has been described, but the same applies to the YZ plane. By using this calculation method, 3 A dimension position can be obtained. The merit of using this calculation method is that it is not necessary to associate the coordinates of the image plane of the camera with the three-dimensional coordinates, so that it is troublesome to associate with the three-dimensional coordinates every time the position of the obstacle is changed. , It is possible to save the trouble of changing the program for the correspondence.
上記(3)式は空間上の2点間を結ぶ直線の方程式を変形させたものである。なお,この方法は光切断法により障害物位置情報が全て既知であるという前提のもとで行っている。 The above equation (3) is obtained by deforming a linear equation connecting two points in space. This method is performed on the premise that all the obstacle position information is known by the light cutting method.
2.スポット光位置の計測実験
2・1 2台のカメラによる計測校正済みカメラで静止した物体の座標を求めることで精度の確認を行う。ここで静止した物体の座標を求めているのは,レーザーポインタのスポット光ではmm単位での位置決めは困難であり,計測誤差の確認には静止した物体の座標を求める方が容易であるためである。表1には実際に3次元座標を求めたときの例を示し,表の左に本来の3次元座標,右に計測結果を示す。単位はmmである。最大で11mmの誤差、最小で0mmの誤差であった。
2・2 1台のカメラによる計測
図4に示す障害物環境下で、校正済みカメラで静止した物体の座標を求めたときの計測結果を表2に示す。表の左に本来の3次元座標、右に計測結果を示す。単位はmmである。撮像に使ったカメラはカメラ11Aであるが、カメラ11Bで撮像した場合も同様な結果になるため省略する。この結果より3次元座標を決定できた。最大で14mmの誤差、最小で0mmの計測誤差であった。
2・3 スポット光重心の導出
一般的にスポット光は大きさを持っている。レーザーポインタの当て方によっては大きな楕円となってしまい、楕円のどの位置を計測するかによって測定値が変わる問題が生じる。そこで本発明ではスポット光の重心位置を求めることでこの問題を解決する。スポット光の重心を求める方法としては、下に述べるアルゴリズムを用いる。
2. Derivation of center of gravity of spot light Generally, spot light has a size. Depending on how the laser pointer is applied, it becomes a large ellipse, and there is a problem that the measured value changes depending on which position of the ellipse is measured. Therefore, the present invention solves this problem by obtaining the position of the center of gravity of the spot light. As a method for obtaining the center of gravity of the spot light, the algorithm described below is used.
スポット光重心を求めるアルゴリズム:
1)カメラで撮像した画像から輝度値を取得し、輝度値200以上の座標(図5の例では最も色の濃い領域)を取得する。
Algorithm for finding the center of gravity of a spot light:
1) A luminance value is acquired from an image captured by a camera, and coordinates having a luminance value of 200 or more (the darkest region in the example of FIG. 5) are acquired.
2)輝度値200以上の座標(上記最も色の濃い領域)の中で、最も上下左右にある4つの座標(A、B、C、D)を取得。 2) Acquire the four coordinates (A, B, C, D) that are the top, bottom, left, and right among the coordinates having the luminance value of 200 or more (the darkest area).
3) (A+D)/2と(B+C)/2を計算してEの座標を求める。この重心を求める方法は公知であり、一般に使用されている。 3) Calculate the coordinates of E by calculating (A + D) / 2 and (B + C) / 2. This method for obtaining the center of gravity is known and commonly used.
輝度値は0〜255段階に分かれる。コンクリートなどの画像は輝度値200未満であるが、スポット光は輝度値200以上となるので、撮像した画像から輝度値200以上の画像を取得することでスポット光のみを取得できる。スポット光周辺(図5の例では色の薄い領域と周辺の背景)の輝度値は200未満であるため、輝度値を取得する際に排除することができる。この処理によって撮像した画像はスポット光の画像(図5の例では色の濃い領域)のみが残るため、座標(A、B、C、D)の位置を判別することが容易となる。 The luminance value is divided into 0 to 255 levels. An image of concrete or the like has a luminance value of less than 200, but the spot light has a luminance value of 200 or more. Therefore, by acquiring an image having a luminance value of 200 or more from the captured image, only the spot light can be acquired. Since the luminance value around the spot light (in the example of FIG. 5, the light-colored region and the surrounding background) is less than 200, it can be excluded when acquiring the luminance value. Since only the spot light image (dark color region in the example of FIG. 5) remains in the image captured by this processing, it is easy to determine the position of the coordinates (A, B, C, D).
この方法でスポット光の位置を求める実験を行った。スポット光は十分な輝度を持ち、容易にカメラで認識ができた。 An experiment was conducted to determine the position of the spot light by this method. The spotlight had sufficient brightness and could be easily recognized by the camera.
3.障害物回避経路の導出
3・1 ポテンシャル法
ポテンシャル法とは、非特許文献5に説明されるように、拡散方程式を用い、搬送領域内に仮想的な拡散物質を拡散させ、その濃度勾配(ポテンシャル場)を用いて経路を得るものである。3次元拡散方程式は次式となる。
3. Derivation of Obstacle Avoidance Path 3.1 - potential Method As described in
差分法により数値計算を行うため,(4)式を差分化すると、非特許文献6に示されるように、次式となる。
Since numerical calculation is performed by the difference method, when the equation (4) is differentiated, as shown in
さらに、境界条件として、以下の(6)式 Furthermore, as a boundary condition, the following equation (6)
を恒久的に与え、それ以外のグリッドの初期条件として以下の(7)式 As the initial condition for other grids,
を与える。荷物の大きさを無視するために,荷物を円柱と仮定し,荷物半径だけ障害物を拡大するものとした。荷物下端の位置を荷物経路のZ座標とするため、障害物はX−Y軸方向への拡大処理のみ行う。 give. In order to ignore the size of the load, it was assumed that the load was a cylinder and the obstacle was enlarged by the load radius. Since the position of the lower end of the load is used as the Z coordinate of the load route, the obstacle is only enlarged in the XY axis direction.
図6(a)に示す3次元障害物環境に(5)〜(7)式を用いてポテンシャル場を生成した例を図6(b)に示す。ここで、スタート地点Sを(0.1[m],0.1[m],0.3[m])、ゴール地点Gを(1.9[m],0.9[m],0.3[m])、搬送物半径を0.15[m](グリッド幅Δh=0.05[m]の場合の3グリッド相当)として障害物を拡大した。図6(a)の障害物周辺に拡大された障害物領域を示す。ただし,地面(Z=0[m])にのみ拡大障害物領域を示すものとする。図6より境界条件であるゴール地点で濃度C=1,障害物領域内で濃度C=0,障害物領域外ではゴール地点に近接するほど濃度は1に近く,離れるほど濃度は低下する。なお,実験の際には障害物の拡大処理を0.2[m](荷物半径0.15[m]+安全余裕0.05[m])とする。従って,スタート地点(図7に黒丸で示す基本グリッド(i,j,k)からその周囲26グリッド(図中。印)の濃度を参照し,最大濃度となるグリッドを選択することで,障害物に衝突せずゴール地点にたどり着くことができる。このとき選択したグリッドを連結して得られる経路が障害物回避経路となる。図8に回避経路を導出した例を示す。実線が荷物の重心位置を示す回避経路である。 FIG. 6B shows an example in which the potential field is generated using the equations (5) to (7) in the three-dimensional obstacle environment shown in FIG. Here, the start point S is (0.1 [m], 0.1 [m], 0.3 [m]), and the goal point G is (1.9 [m], 0.9 [m], 0 .3 [m]) and the conveyed object radius was 0.15 [m] (corresponding to 3 grids when the grid width Δh = 0.05 [m]), the obstacle was enlarged. The obstacle area expanded around the obstacle in FIG. However, the enlarged obstacle area is shown only on the ground (Z = 0 [m]). From FIG. 6, density C = 1 at the goal point, which is a boundary condition, density C = 0 within the obstacle area, and outside the obstacle area, the density is closer to 1 and the density decreases as the distance from the goal point increases. In the experiment, the obstacle enlargement process is set to 0.2 [m] (the load radius 0.15 [m] + the safety margin 0.05 [m]). Therefore, by referring to the density of 26 grids (marked in the figure) around the starting point (basic grid (i, j, k) indicated by black circles in FIG. The route obtained by connecting the selected grids at this time becomes the obstacle avoidance route, and an example in which the avoidance route is derived is shown in FIG. Is an avoidance route.
ここで,拡散方程式に基づくポテンシャル法の手順を以下にまとめる。 Here, the procedure of the potential method based on the diffusion equation is summarized below.
拡散方程式に基づくポテンシャル法:
1)対象となる3次元搬送領域(X,Y,Z)をグリッド幅Δhのメッシュで区切り、障害物を該当するグリッドに配置する。
Potential method based on the diffusion equation:
1) A target three-dimensional transport area (X, Y, Z) is divided by a mesh having a grid width Δh, and obstacles are arranged on the corresponding grid.
2)障害物を搬送物半径だけ拡大する。 2) Enlarge the obstacle by the conveyed object radius.
3)(6)、(7)式により全グリッドの初期濃度Co,i,j,kを与える。 3) The initial density Co, i, j, k of all grids is given by the equations (6) and (7).
4)(5)式を用いて境界条件を除く全グリッドの濃度Ct,i,j,kを更新する。 4) Update the density C t, i, j, k of all grids excluding the boundary condition using the equation (5).
5)(8)式の終了条件を満足する場合には6)へ。満足しない場合には4)へ。 5) Go to 6) if the end condition of equation (8) is satisfied. If you are not satisfied, go to 4).
6)与えられたスタートグリッドSを選択グリッドPとする。 6) The given start grid S is set as the selected grid P.
7)選択グリッドPの周囲26グリッドの中から最大濃度グリッドを選択し、選択グリッドPをストックし更新する。 7) The maximum density grid is selected from the 26 grids around the selected grid P, and the selected grid P is stocked and updated.
8)選択グリッドPの濃度C=1(ゴール地点G)であれば終了。それ以外は7)へ。 8) If the density C of the selected grid P = 1 (goal point G), the process ends. Otherwise go to 7).
この手順においてストックされた選択グリッドPが回避経路となる。なお、拡散終了条件には次式を用いる。 The selected grid P stocked in this procedure becomes an avoidance path. The following equation is used as the diffusion termination condition.
ここで、Ct、Sは時刻tにおけるスタート地点Sの濃度である。(8)式はスタート地点における各計算ステップごとの濃度の変化比率を示している。この終了条件は定常するまでの拡散回数が障害物環境によって異なるため導入した。εCsは拡散プロセスの定常状態を判定する閾値であり、εCs=0.01とし、拡散パラメータrは0.01とした。 Here, Ct and S are the concentrations of the start point S at time t. Equation (8) shows the concentration change ratio for each calculation step at the start point. This termination condition was introduced because the number of diffusions until steady state varies depending on the obstacle environment. εCs is a threshold value for determining the steady state of the diffusion process, ε Cs = 0.01, and the diffusion parameter r is 0.01.
3・2 折れ線近似法
図8に示すように、ポテンシャル法によって得られた経路は折れ点の多い経路となる。台車軌道は折れ点の影響を受けやすく、不要な折れ点は搬送時間の増大を招く。そのため、最大濃度グリッドの点群を折れ線近似法により直線で近似する。この手法により不必要な折れ点を少なくする。近似の際には、経路が障害物領域に侵入しないことを条件に近似を行う。図9に障害物環境を用いた折れ線近似法の概要を示す。図中_印で示されるスタート地点を線分の始点とする。線分の終点をゴール地点から経路データの点群(同図。印)を走査していき、障害物と衝突しない直線を探索する。図中の破線は障害物領域へ進入してしまうため選択されない。障害物と衝突しない直線を決定したならば、その直線の終点を新たに始点として直線を探索する。この操作を繰り返し行うと図10に示すような近似結果が得られる。同図破線がポテンシャル法により得られた経路を表し、実線が直線近似を行った近似経路である。近似経路の折れ点数は14点から4点に減少し、搬送距離が短縮されていることが分かる。以下に折れ線近似法の手順を示す。
3-2 Broken Line Approximation Method As shown in FIG. 8, the route obtained by the potential method is a route having many break points. The carriage track is easily affected by break points, and unnecessary break points cause an increase in transport time. Therefore, the point group of the maximum density grid is approximated by a straight line by the broken line approximation method. This method reduces unnecessary break points. In the approximation, the approximation is performed on the condition that the route does not enter the obstacle area. FIG. 9 shows an outline of a polygonal line approximation method using an obstacle environment. The starting point indicated by _ in the figure is the starting point of the line segment. The end point of the line segment is scanned from the goal point to the point group of the route data (in the figure, mark) to search for a straight line that does not collide with the obstacle. The broken line in the figure is not selected because it enters the obstacle area. If a straight line that does not collide with an obstacle is determined, the straight line is searched with the end point of the straight line as a new start point. When this operation is repeated, an approximate result as shown in FIG. 10 is obtained. The broken line in the figure represents a path obtained by the potential method, and the solid line represents an approximate path obtained by linear approximation. It can be seen that the number of folding points of the approximate route is reduced from 14 to 4 and the transport distance is shortened. The procedure of the broken line approximation method is shown below.
折れ線近似法:
1)ポテンシャル法により得られた選択グリッドをPi(i=1、・・・、n)として、s=1、g=nとおく。
Polyline approximation method:
1) The selected grid obtained by the potential method is P i (i = 1,..., N), and s = 1 and g = n.
2)グリッドPsからグリッドPgまでの直線が障害物領域内を通過するか判定。またはPj(j=s、・・・、g)の点群の障害物領域周辺からの位置が許容最大値emax内であるかを判定。 2) It is determined whether a straight line from the grid P s to the grid P g passes through the obstacle area. Alternatively , it is determined whether the position of the point cloud of P j (j = s,..., G) from the periphery of the obstacle region is within the allowable maximum value e max .
3)上記直線が障害物領域を通過し、または上記点群が許容最大値を超える場合はg=g−1として2)へ。それ以外の場合、Pgを折れ点としてストックし4)へ。 3) If the straight line passes through the obstacle area or the point group exceeds the allowable maximum value, go to 2) as g = g-1. Otherwise, stock and 4) to as a break point the P g.
4)g=nなら終了、gがnでないならs=g、g=nとして2)へ。 4) If g = n, the process ends. If g is not n, s = g, g = n and go to 2).
4.各種制約条件を考慮した荷物軌道の導出
4・1 5次Bスプライン曲線
逆動力学計算を用いた制御系において、荷物軌道は4階微分が可能であることが求められるため、本発明では5次Bスプライン曲線を用いて荷物軌道を表現する。区間[i,i+1]、(i=0、・・・、N−1)における5次Bスプライン曲線で表現された荷物軌道
4). Derivation of luggage trajectory in consideration of various constraint conditions In a control system using 4 · 1 5th order B-spline curve inverse dynamics calculation, the luggage trajectory is required to be capable of fourth-order differentiation. A luggage trajectory is expressed using a B-spline curve. Luggage trajectory expressed by a quintic B-spline curve in the interval [i, i + 1], (i = 0,..., N−1)
と時刻t(s)を次式で定義する。 And time t (s) is defined by the following equation.
本発明では折れ線近似法により得られた折れ点を用いることとする。sは0≦s<1とする曲線パラメータ,Nj(s)は5次Bスプライン基底関数であり,deBoor-Coxの公式(非特許文献7及び8)により次式のように導出される。
In the present invention, a break point obtained by a broken line approximation method is used. s is a curve parameter satisfying 0 ≦ s <1, N j (s) is a quintic B-spline basis function, and is derived as follows by the deBoor-Cox formula (
従って,荷物軌道 Therefore, the package trajectory
は重みNj(s)を与えた周囲6点の制御点の線形結合により求められる。なお,(10)式のスプライン基底関数Nj(s)はsの5次式で与えられることから,得られる荷物軌道 Is obtained by linear combination of six surrounding control points given weight N j (s). Note that since the spline basis function N j (s) in the equation (10) is given by the fifth-order equation of s, the obtained luggage trajectory
は4階微分可能となる。 Becomes 4th order differentiable.
4・2 最適制御問題の定式化
制御点及び終端時刻を記述する制御点ベクトルを
4.2 Formulation of optimal control problem Control point vector describing control point and end time
と定義し,各種制約条件を考慮して評価関数を定式化し、最適解を導出する。制約条件に応じて与えるペナルティ項を付加した評価関数Jを次式で定義する。 And formulate the evaluation function in consideration of various constraints and derives the optimal solution. An evaluation function J to which a penalty term given according to the constraint condition is added is defined by the following equation.
ここで,lは制約条件の数,Wはペナルティ項の重み係数である。 Here, l is the number of constraints, and W is the weighting factor of the penalty term.
(14)式は制約条件下で高速な軌道を導出することを目的とした評価関数である。ペナルティ項の重みWは10000とする。Wは搬送時間tfに対して十分に大きな値を与えることで,制約条件を満足する軌道が導出できる。また,hi(t)はペナルティ関数であり,常に正値でなければならないので,制約条件gi(t)に応じて次式で与える。 Expression (14) is an evaluation function for the purpose of deriving a high-speed trajectory under constraint conditions. The weight W of the penalty term is 10,000. W is to provide a sufficiently large value with respect to the transport time t f, the trajectory satisfying the constraint condition can be derived. Moreover, h i (t) is a penalty function and must always be a positive value, and therefore is given by the following equation according to the constraint condition g i (t).
(12)式では制約条件を満足しないときにのみペナルティ項が加算される。従って,制約条件を満足しない軌道は最適化過程で排除され,制約を満足し,かつ搬送時間の短い軌道が得られる。 In equation (12), a penalty term is added only when the constraint condition is not satisfied. Therefore, trajectories that do not satisfy the constraints are eliminated in the optimization process, and trajectories that satisfy the constraints and have a short transport time are obtained.
4・3 モータの速度,加速度制約
次に各種制約条件について述べる。モータには有限の速度,加速度を有するので,モータの装置制約を考慮する必要がある。最適制御問題における制約条件をgi(t)≧0の形で表すと,台車速度
4.3 Speed and acceleration constraints of the motor Next, various constraints will be described. Since motors have finite speeds and accelerations, it is necessary to consider motor device constraints. Expressing the constraints in the optimal control problem in the form of g i (t) ≧ 0,
及び台車加速度 And trolley acceleration
の制約は次式となる。 The constraint of is given by
Y軸についても同様である。Z軸についてもモータの装置制約を考える。Z軸のロープ巻き上げ下げ速度 The same applies to the Y axis. Consider the device restrictions for the Z-axis as well. Z-axis rope hoisting and lowering speed
及びロープ巻き上げ下げ加速度 And rope hoisting / lowering acceleration
の制約は次式となる。 The constraint of is given by
制約条件として,台車速度 As a constraint, the carriage speed
及び台車加速度 And trolley acceleration
とした。また,残留振動抑制のためには搬送スタート地点及びゴール地点において荷物と台車は停止していなければならない。そのため,搬送スタート地点及びゴール地点では It was. Also, in order to suppress residual vibration, the luggage and cart must stop at the transfer start point and goal point. Therefore, at the transfer start point and goal point
の条件が与えられる。 Conditions are given.
4・4 ラプラス方程式を用いた進入抑制制約
荷物の障害物領域内への進入を抑制する制約としてラプラス方程式を用いた障害物回避のための制約条件を利用する。この制約条件を利用することで,求めた荷物軌道が障害物領域内に進入していないかを評価できる。次の手順で制約のための荷物軌道
Entry restraint constraint using 4.4 Laplace equation A constraint condition for obstacle avoidance using the Laplace equation is used as a constraint to restrain entry of the load into the obstacle region. By using this constraint condition, it is possible to evaluate whether the obtained package trajectory has entered the obstacle area. Luggage trajectory for constraints in the following steps
により定まるポテンシャル場 Potential field determined by
を生成する。搬送領域内に2つのポテンシャル場Co,Cnを(15)式のラプラス方程式により導出する。 Is generated. Two potential fields Co and Cn are derived from the Laplace equation (15) in the transfer region.
ここで,初期条件としてCo,Cn=exp1,それぞれの境界条件として(16)式 Here, as initial conditions, Co, Cn = exp1, and as the respective boundary conditions, equation (16)
を用いる。 Is used.
(16)式の境界条件より,Coは障害物領域内でのみ値を有するポテンシャル場であり,Cnは障害物領域内外でのみ値を有するポテンシャル場となる。得られた2つのポテンシャル場を用いてポテンシャル制約Crを求める。 From the boundary condition of the equation (16), Co is a potential field having a value only within the obstacle region, and Cn is a potential field having a value only inside and outside the obstacle region. The potential constraint C r is obtained using the obtained two potential fields.
ここでlogをとるのはCo及びCnの指数的な変化を考慮するためである。図11(a)に障害物環境、図11(b)にラプラス方程式により生成されたポテンシャル制約Crを示す。同図より生成されたポテンシャル場Crは必ず障害物領域内で正、領域外で負、境界で零となることが確認できる。また、搬送領域全域で勾配を有し、障害物が密集する領域ほどポテンシャル値Crは大きくなっている。ここで、Crが負であれば障害物領域に侵入しないことから、進入抑制のための制約条件は次式で与えられる。 Here take log is to consider the exponential change of C o and C n. Figure 11 (a) an obstacle environment showing the potential constraints C r generated by the Laplace equation in FIG. 11 (b). It can be confirmed from the figure that the generated potential field Cr is always positive within the obstacle region, negative outside the region, and zero at the boundary. In addition, the potential value Cr is larger in a region having a gradient in the entire conveyance region and where obstacles are densely packed. Here, if Cr is negative, it does not enter the obstacle region, so the constraint condition for entry suppression is given by the following equation.
4・5 コンプレックス法
(9)、(10)式で、4階微分可能な荷物軌道
4/5 complex method (9), (10), 4th-order differential luggage trajectory
は表現できる。しかし、(10)(11)式において制御点 Can be expressed. However, in (10) and (11), the control point
と搬送終端時刻tfを決定する必要がある。従って、これらの変数を操作量とし、障害物回避等の各種制約条件を満足する最適制御問題を考える。そこで、制御点及び終端時刻を記述する制御点ベクトルを It is necessary to determine the transport end time t f a. Therefore, using these variables as manipulated variables, an optimal control problem that satisfies various constraints such as obstacle avoidance is considered. Therefore, the control point vector describing the control point and the end time is
と定義し、これを非線形最適化手法の一種であるコンプレックス法(非特許文献9)により最適化する。制御点の数を折れ線近似法により得られた折れ点の数Nとすれば、始端と終端の位置は固定されるため、 This is optimized by a complex method (Non-patent Document 9) which is a kind of nonlinear optimization method. If the number of control points is the number N of broken points obtained by the broken line approximation method, the positions of the start and end points are fixed.
は3(N−2)+1の最適化変数を有する。また、コンプレックス法における初期点の数Mは最適化変数の2倍程度にすることが好ましいとされているので、M=6(N-2)+1個の初期点を与えることとした(非特許文献9)。制御点ベクトル Has 3 (N−2) +1 optimization variables. In addition, since the number of initial points M in the complex method is preferably about twice the optimization variable, M = 6 (N−2) +1 initial points are given (non-patent) Reference 9). Control point vector
をコンプレックス法により改善する手順を以下に示す。 The procedure for improving the above by the complex method is shown below.
コンプレックス法による最適化アルゴリズム:
1) 折れ点近似法により得られた制御点ベクトルを
Complex algorithm optimization algorithm :
1) The control point vector obtained by the broken point approximation method
とし、残りのM−1個の制御点ベクトル And the remaining M-1 control point vectors
の要素を次式により決定する。 Is determined by the following equation.
ここで、i=1,・・・,N,2,・・・,M、Dx,Dy,Dz,Dtfは各制御点の探索域に対応して設定する値、rは区間[−0.5,0.5]の一様乱数である。 Here, i = 1,..., N, 2,..., M, D x , D y , D z , and D tf are values set corresponding to the search area of each control point, and r is a section It is a uniform random number of [−0.5, 0.5].
2) 各制御点ベクトルで定まる軌道に対して評価関数を計算し、評価値の最大値JHを与える制御点ベクトル 2) A control point vector that calculates an evaluation function for the trajectory determined by each control point vector and gives the maximum value JH of the evaluation values
と最小値JLを与える制御点ベクトル And control point vector giving minimum value J L
を求める。 Ask for.
3)εを収束の判定定数としてJH−JL≦εの場合は終了、JH−JL>εの場合は4)へ。 3) When ε is a convergence determination constant, the process ends when J H −J L ≦ ε, and the process proceeds to 4) when J H −J L > ε.
4)最大点 4) Maximum point
を除く制御点ベクトルの重心 Center of gravity of control point vector excluding
を求める。次式 Ask for. Next formula
により最大点 Max points by
と重心 And center of gravity
とを結ぶ直線上で改良点 Improvements on the straight line connecting
を求め、その評価値JCとおく。 And the evaluation value JC is set.
5)JC<JHならば 5) If J C <J H
を The
で置き換え、2)へ。JC≧JHならばεαを十分小さな値として、α≧εαならαをα・βで置き換え4)へ、α<εαならαを初期値に戻し、 Replace with 2). If J C ≧ J H , set ε α to a sufficiently small value; if α ≧ ε α , replace α with α · β 4), and if α <ε α , return α to the initial value,
を The
に置き換え4)へ。 To 4).
ここで、図10に示すように上記手法の軌道生成のシミュレーションを行う。条件として初期制御点数と初期値は障害物環境を用いた折れ線近似法により得られた折れ点を与えるものとする。αの初期値は1.3、βの初期値は0.5とする(非特許文献9)。また、探索域Dx=Dy=Dz=0.1m、Dtf=1sとし、ε=0.01、εα=0.01とした。このときの初期制御点及び改善後の制御点の位置を図12に示す。図より改善後の制御点は搬送領域外に位置しているが、この制御点より得られるBスプライン軌道はラプラスポテンシャル場による制約条件により搬送領域内でかつ障害物回避を行う。 Here, as shown in FIG. 10, the trajectory generation simulation of the above method is performed. As a condition, the number of initial control points and the initial value are given by the broken line obtained by the broken line approximation method using the obstacle environment. The initial value of α is 1.3, and the initial value of β is 0.5 (Non-Patent Document 9). Further, the search area D x = D y = D z = 0.1 m, D tf = 1s, ε = 0.01, and ε α = 0.01. The positions of the initial control point and the improved control point at this time are shown in FIG. Although the improved control point is located outside the transport area, the B-spline trajectory obtained from this control point performs obstacle avoidance within the transport area under the constraint of the Laplace potential field.
実際に軌道生成シミュレーション結果を行った結果を図12の太実線に示す。折れ線であった経路(図中破線)が曲線で表され、さらに障害物を回避する形となっていることがわかる。 The result of the actual trajectory generation simulation result is shown by the thick solid line in FIG. It can be seen that the path (broken line in the figure) that was a broken line is represented by a curve, and further, an obstacle is avoided.
5.制振制御と軌道追従のための制御系の構築
5・1 逆動力学計算によるFF制御
本発明では、荷物の軌道追従、振動抑制を非特許文献10に記載される逆動力学計算によるフィードフォワード制御により行う。この手法は荷物軌道
5. 5. Construction of control system for vibration suppression control and trajectory tracking 5.1 FF control by inverse dynamics calculation In the present invention, the trajectory tracking and vibration suppression of a load are feedforward by reverse dynamics calculation described in
を実現する台車軌道 Bogie track to realize
を力の釣り合いから得られる以下の(21)式 The following equation (21) obtained from the balance of force
によって導出する手法である。ここで,gは重力加速度である。さらに,この台車軌道をモータの逆モデルに入力することで,実際の天井クレーンの台車軌道及び荷物軌道が This is a method derived by Here, g is a gravitational acceleration. Furthermore, by inputting this bogie track into the inverse model of the motor, the bogie track and the load track of the actual overhead crane can be changed.
となるFF制御入力 FF control input
を得る。FF制御入力導出の過程は図13となる。ただし,(43)式及びモータの逆モデルはそれぞれ入力の2階微分を含むことから,荷物軌道は4階微分可能なものしか実現することができない。そのため,本発明では5次Bスプライン曲線を導入することで4回微分可能な荷物軌道 Get. The process of deriving the FF control input is shown in FIG. However, since the equation (43) and the inverse model of the motor each include a second-order derivative of the input, only a load trajectory capable of fourth-order differentiation can be realized. Therefore, in the present invention, a package trajectory that can be differentiated four times by introducing a fifth-order B-spline curve.
を得ている。 Have gained.
次に,天井クレーンのモータを1次遅れ系と仮定すると,与えられた台車軌道 Next, assuming that the motor of the overhead crane is a first-order lag system, the given bogie track
を実現する制御入力 Control input to realize
は次式により求められる。 Is obtained by the following equation.
ここで, here,
は各軸のモータゲインを成分とする対角行列, Is a diagonal matrix whose component is the motor gain of each axis,
は各軸のモータ時定数を成分とする対角行列である。(22)式より,台車軌道 Is a diagonal matrix with the motor time constant of each axis as a component. From equation (22), bogie track
が与えられれば,それを実現する制御入力 Control input to achieve that
を導出できる。 Can be derived.
5・2 シミュレーション及び搬送実験
図6(a)に示す障害物環境で,各節で述べた方法を統合してシミュレーションと搬送実験を行った。その結果を図14に重ねて示す。3次元で表した図の上側にある軌道が台車のロープ繰り出し点,下側にある軌道が吊り荷重心を表し,細線がロープ,マップ中央に障害物,その周辺の床面に示したものは,吊り荷の半径分拡大した障害物領域を示している。2次元で表したグラフの中で,位置は吊り荷重心の位置を示し,速度と加速度は台車軌道の速度,加速度である。振れ角はロープのものである。実験結果より最大残留振動は0.081[rad]であり,良好に残留振動の抑制ができている。位置決め誤差は10[mm]でありシミュレーション結果と実験結果はほぼ一致している。また,最大速度,最大加速度制約を満たしている。
5.2 Simulation and transport experiment In the obstacle environment shown in Fig. 6 (a), the simulation and transport experiment were conducted by integrating the methods described in each section. The results are shown in FIG. The track on the upper side of the three-dimensional diagram is the rope feed point of the bogie, the track on the lower side is the suspension load center, the thin line is the rope, the obstacle is in the center of the map, and the floor around it is The obstacle area expanded by the radius of the suspended load. In the two-dimensional graph, the position indicates the position of the suspended load core, and the speed and acceleration are the speed and acceleration of the bogie track. The swing angle is that of the rope. From the experimental results, the maximum residual vibration is 0.081 [rad], and the residual vibration can be satisfactorily suppressed. The positioning error is 10 [mm], and the simulation result and the experimental result almost coincide. It also satisfies the maximum speed and maximum acceleration constraints.
6.スポット光位置への搬送実験
レーザーポインタのスポット光で目標搬送位置を照らし,吊り荷をスポット光の位置まで操作することを行う。目標搬送位置はカメラによって計測されたスポット光の位置とするが,Z軸をカメラで認識した座標をそのまま目標搬送位置として使うと吊り荷下部が障害物に激突するため、安全マージンも含めて測定値に0.15[m]プラスして目標搬送位置とする。図15はスポット光の位置へ,実際にクレーンを操作したときの実験データを示す。吊り荷はスポット光の上部に移動でき、残留振動の抑制を行いながら障害物の回避ができていることが図より確認できる。
6). Transport experiment to the spot light position The target transport position is illuminated with the spot light of the laser pointer, and the suspended load is operated to the spot light position. The target transport position is the spot light position measured by the camera, but if the coordinates where the Z axis is recognized by the camera are used as they are as the target transport position, the lower part of the load will collide with the obstacle. The target transport position is set by adding 0.15 [m] to the value. FIG. 15 shows experimental data when the crane is actually operated to the position of the spot light. The suspended load can move to the upper part of the spot light, and it can be confirmed from the figure that obstacles can be avoided while suppressing residual vibration.
上記実施の形態において、2台のカメラを用いたが、2台以上のカメラを設けてスポット光を撮像することができる2台のカメラを使用することとすることもできる。 In the above-described embodiment, two cameras are used. However, it is also possible to use two cameras that can provide two or more cameras and pick up an image of the spot light.
発明の効果
カメラ2台でスポット光を計測する場合は11mmの誤差以内、カメラ1台でスポット光を計測する場合は14mmの誤差以内で3次元位置の計測ができることを実験により示した。ポテンシャル法を用いた経路計画、5次Bスプライン曲線の制御点と搬送時間をコンプレックス法による同時最適化、逆動力学計算による制振FF制御系を適用することで吊り荷の残留振動抑制と障害物回避を実現することができた。また、これらの要素技術を統合し、スポット光の位置へクレーンを操作することを行い、スポット光の位置へ残留振動抑制と障害物回避を行いながら位置決めができることを示した。
The effect of the invention It has been experimentally shown that a three-dimensional position can be measured within an error of 11 mm when measuring spot light with two cameras, and within an error of 14 mm when measuring spot light with one camera. Route planning using the potential method, simultaneous optimization of the control points and transport time of the fifth-order B-spline curve using the complex method, and suppression of residual vibrations and obstacles by applying a damping FF control system based on inverse dynamics calculation We were able to achieve object avoidance. In addition, these elemental technologies were integrated, and the crane was operated to the spot light position, and it was shown that positioning was possible while suppressing residual vibration and avoiding obstacles to the spot light position.
1 クレーンシステム
2 台車
3 フレーム
4 ガーダ
5A,5B タイミングベルト
6 コントローラ
7 ワイヤーロープ
10 搬送物
11A,11B カメラ
DESCRIPTION OF
Claims (16)
スポット光を撮像するための複数のカメラを設置し;
レーザーポインタによりレーザー光線を目標搬送位置床表面に照射してスポット光を生成し;
該生成されたスポット光を少なくとも1台のカメラで撮像し、該撮像データを利用してスポット光重心位置の3次元空間座標を決定し;
前記3次元空間座標を前記目標搬送位置データとして利用して前記コントローラによって前記搬送径路を決定し、該搬送径路に沿って前記搬送物を前記搬送開始位置から前記目標搬送位置の真上まで自動的に搬送する;
ことを含んでなる自動搬送方法。 A method of automatically transporting a transported object along a transport path in a three-dimensional space from a transport start position to a position directly above a target transport position using an overhead crane that is automatically operated via a controller:
Install multiple cameras to image the spotlight;
Irradiate the floor surface of the target transport position with a laser pointer to generate spot light;
Imaging the generated spot light with at least one camera, and determining the three-dimensional spatial coordinates of the center of gravity of the spot light using the imaging data;
The controller determines the conveyance path by using the three-dimensional space coordinates as the target conveyance position data, and automatically moves the conveyance object from the conveyance start position to just above the target conveyance position along the conveyance path. Transport to
An automatic conveyance method comprising:
搬送物を垂直方向に移動させることができ、かつ、水平面内で移動可能な台車と、該台車を水平移動自在に支持するフレームを含む天井クレーンと、
前記スポット光を撮像する少なくとも1台のカメラと;
前記少なくとも1台のカメラに接続され前記撮像したスポット光を利用してスポット光重心位置の3次元空間座標を決定するコントローラであって、前記3次元空間座標を前記目的搬送位置として前記天井クレーンの駆動装置に指令するコントローラと;
を含んでなるクレーンシステム。 Using spot light generated by irradiating the floor surface of the target transport position of the transported object with a laser pointer and using a ceiling crane, the transported object is transported in a three-dimensional space from the start position to the position just above the target transport position. A crane system that automatically transports along a transport path:
A carriage capable of moving a conveyed product in the vertical direction and movable in a horizontal plane; and an overhead crane including a frame that supports the carriage so as to be horizontally movable;
At least one camera that images the spotlight;
A controller that is connected to the at least one camera and determines the three-dimensional space coordinates of the center of gravity of the spot light using the picked-up spot light, the three-dimensional space coordinates as the target transport position of the overhead crane A controller that commands the drive;
Comprising a crane system.
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