JP2009113889A - 振れ角補正装置および振れ角補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】振れ角のオフセット量が外乱などで横行中に変化する場合においても、振れ角フィードバック制御の安定性を維持しつつ、振れ角を校正する。
【解決手段】オフセット検出部４は、吊り荷の振れ周期Ｔ_pの期間分だけサンプリング処理部３にてサンプリングされた振れ角検出値θ_detを平均化することで、瞬時オフセット値θ₀を検出し、平均化処理部５は、オフセット検出部４にて検出された瞬時オフセット値θ₀を平均化することで、オフセット補償量θ_ostを算出し、補償処理部７は、平均化処理部５にて算出されたオフセット補償量θ_ostにて振れ角検出値θ_detを補償する。
【選択図】 図２

Description

本発明は振れ角補正装置および振れ角補正方法に関し、特に、港湾、製鉄所、各種工場などで使用されるトロリーを横行させて荷役作業を行う懸垂式クレーンにおいて、ロープに懸垂された吊り荷の振れ角を測定する振れ角センサのオフセット除去方法に適用して好適なものである。

一般に、クレーンによる荷役作業では、短時間内に目標位置に正確に到達させるとともに、目標位置に到達した時の吊り荷の振れ角をゼロにすることができれば、理想的なクレーンの運転となる。このようなクレーンの振れ止め制御を実現するために、これまでにも各種の制御方法が開発されているが、近年では、コンピュータ制御による電気式振れ止め制御が注目されている。

この電気式振れ止め制御では、トロリーの加減速終了時に吊り荷の振れがゼロになるような速度パターンを演算指令する速度パターン演算方式や、吊り荷の振れ角を検出して駆動系にフィードバックするフィードバック制御方式などがある。このフィードバック制御方式では、吊り荷の振れ角を検出する振れ角センサが必要であるが、速度パターン演算方式でも、制御性能を保証するために、振れ角センサが取り付けられることがある。
ここで、振れ角センサを用いた場合、何らかの方法で振れ角センサを校正する必要があり、例えば、例えば、特許文献１には、光ファイバージャイロセンサを振れ角センサに用いた時のオフセットを除去する方法が開示されている。

図５は、従来のクレーン制御装置の概略構成を示すブロック図である。
図５において、クレーン１０１は、ロープ１０４の下端に取り付けられた吊り荷１０３を吊り下げながら、レール１０２上を走行するようになっている。そして、このクレーン１０１の走行を制御するために、クレーン位置検出装置１１１、ロープ長検出装置１１２、振れ周期演算装置１１３、クレーン移動目標指令装置１１４、速度パターン発生装置１１５、振れ角センサ１１６、振れ角センサ校正装置１１７、フィードバック制御指令発生装置１１８、加算器１１９、走行モータ制御装置１２０および速度制御モータ１２１が設けられている。また、振れ角センサ１１６としては、２軸計測用光ファイバージャイロセンサが設けられ、吊り荷１０３の巻き上げ／巻き下げを制御するために、ロープ長目標指令装置１２２、巻きモータ制御装置１２３および巻きモータ１２４が設けられている。

クレーン位置検出装置１１１は、レール１０２上を走行するクレーン１０１の始点からの位置を検出するもので、クレーン１０１の車輪の回転量等からクレーン１０１の走行位置を検出することができる。ロープ長検出装置１１２は、走行時のロープ１０４の長さを検出するもので、ロープ１０４の巻きモータ１２４の回転量等からロープ１０４の長さを検出することができる。
振れ周期演算装置１１３は、ロープ長検出装置１１２からの検出信号に基づいて、吊り荷１０３の振れ周期を演算するもので、ロープ長検出装置１１２からの吊りロープ情報に基づいて振れ周期を演算することができる。

速度パターン発生装置１１５は、振れ周期演算装置１１３からの演算信号およびクレーン移動目標指令装置１１４からの信号に基づいて、クレーン１０１に与える速度パターンを発生することができる。振れ角センサ１１６は、ロープ１０４によって吊り下げられた吊り荷１０３の振れ角および振れ角速度を計測することができる。フィードバック制御指令発生装置１１８は、振れ角センサ１１６からの信号に適当な演算を施すことができる。加算器１１９は、速度パターン発生装置１１５およびフィードバック制御指令発生装置１１８からの信号を加え合わせ、振れ止め制御のための速度指令を生成することができる。走行モータ制御装置１２０は、外部から速度制御モータ１２１に与えられた運転速度指令を実現するためのマイナー制御ループにより構成されている。巻き制御は、ロープ長目標指令値まで、一定速度で巻き上げ／巻き下げするように制御されている。

ここで、光ファイバージャイロセンサを用いて角度を算出する場合、光ファイバージャイロセンサにて検出された角速度を時間積分する必要がある。このため、光ファイバージャイロセンサにて検出された角速度の時間積分時の回路誤差が蓄積され、光ファイバージャイロセンサを用いて算出された角度にはオフセット量が発生することから、巻き上げ時にオフセット量の校正が行われている。

一方、港湾クレーンなどでは、ターゲットである吊り荷に赤外発光ダイオードによるビーコンを取り付けるとともに、トロリー側にはＣＣＤカメラを取り付け、ビーコンの重心位置を算出することで振れ角を検出することが一般的に行われている。このＣＣＤカメラを用いて振れ角を検出する方法では、振れ角を直接観測することで振れ角を検出するので、角速度の時間積分に起因するオフセット量が発生しないようにすることができる。
特開平９−１５６８７８号公報

しかしながら、港湾クレーンでは、クレーンが屋外に設置されるため、風の影響を受ける。すなわち、図６に示すように、トロリー１１１が停止しているにもかかわらず、風による力ｆ_Wとロープ１１４にて懸垂された吊り荷１１３とが釣り合い、吊り荷１１３の振れが減衰しても、吊り荷１１３の振れ角がゼロにならず、振れ角がオフセット補償量θ_ostを持つように振舞うことがある。

そして、このようなオフセット補償量θ_ostがある場合に、振れ角フィードバック制御を実施すると、振れ角がゼロに収束しないため、振れ角フィードバック制御の補償量が全体の制御ループに影響し、トロリー１１１が目標位置に到達することができなくなる。
ここで、特許文献１に開示されているように、巻き上げ時のみに振れ角を校正する方法では、トロリー１１１が目標位置に到達できない場合には校正することができないという問題があった。

また、巻き上げ中以外のクレーンの横行直後の残留振れ角をフィードバック制御にて振れ角制御している場合には、特許文献１に開示されているように、残留振れ角の最大値と最小値とから算出したオフセット量を補正量として振れ角を校正すると、風向きや風速などの変化によってオフセット量が横行中に変化した場合には、補正される振れ角が急激に変化し、振れ角フィードバック制御が不安定になるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、振れ角のオフセット量が外乱などで横行中に変化する場合においても、振れ角フィードバック制御の安定性を維持しつつ、振れ角を校正することが可能な振れ角補正装置および振れ角補正方法を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の振れ角補正装置によれば、懸垂式クレーンのトロリーの横行状態を判定する動作判定処理手段と、前記懸垂式クレーンの吊り荷の振れ角検出値から瞬時オフセット値を繰り返し検出するオフセット検出手段と、前記トロリーの横行が停止状態にあるか、または横行指令がないときに検出された瞬時オフセット値を平滑化することで、オフセット補償量を算出する平均化処理手段と、前記オフセット補償量にて前記振れ角検出値を補償する補償処理手段とを備えることを特徴とする。

また、請求項２記載の振れ角補正装置によれば、前記オフセット検出手段は、前記懸垂式クレーンの吊り荷の振れ周期の期間分だけサンプリングされた振れ角検出値を平均化することで、瞬時オフセット値を検出することを特徴とする。
また、請求項３記載の振れ角補正装置によれば、前記吊り荷の振れ周期は、前記吊り荷の振れ角の最大値と最小値との間を推移するのにかかる時間から算出することを特徴とする。

また、請求項４記載の振れ角補正装置によれば、前記平均化処理手段は、前記瞬時オフセット値の移動平均に基づいて前記オフセット補償量を算出することを特徴とする。
また、請求項５記載の振れ角補正方法によれば、懸垂式クレーンのトロリーの横行状態を判定するステップと、前記懸垂式クレーンの吊り荷の振れ周期の期間分だけサンプリングされた振れ角検出値を平均化することで、瞬時オフセット値を検出するステップと、前記トロリーの横行が停止状態にあるか、または横行指令がないときに検出された瞬時オフセット値を平均化することで、オフセット補償量を算出するステップと、前記オフセット補償量にて前記振れ角検出値を補償するステップとを備えることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、トロリーの横行が停止状態にあるときに検出された瞬時オフセット値を平滑化することで、トロリーの加減速による影響を排除しつつ、風などの外乱によって瞬時オフセット値が急激に変化するのを防止することが可能となる。このため、クレーンが屋外に設置されている場合においても、振れ角フィードバック制御の安定性を維持しつつ、振れ角を校正することが可能となり、短時間内にトロリーを目標位置に正確に到達させるとともに、目標位置に到達した時の吊り荷の振れ角を小さくすることができる。

以下、本発明の実施形態に係る振れ角補正装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る振れ角補正装置が適用されるコンテナクレーンの概略構成を示す側面図である。
図１において、岸壁３３には、コンテナクレーン３０が設置され、コンテナクレーン３０には、岸壁３３とコンテナ船３１との間に架設されたガータ３９が設けられている。そして、ガータ３９に沿って移動できるようにトロリー３４が支持され、トロリー３４には、ロープ３５を介して吊り下げられたスプレッダ３６が付随して設けられるとともに、吊り荷の振れ角を検出する振れ角センサ２が取り付けられている。なお、スプレッダ３６は、コンテナ船３１に積み上げられている荷役３２を掴持することができる。ここで、コンテナクレーン３０の吊り荷は、スプレッダ３６にて荷役３２が掴持されている場合は、スプレッダ３６および荷役３２、スプレッダ３６にて荷役３２が掴持されていない場合は、スプレッダ３６のみである。また、振れ角センサ２としては、例えば、スプレッダ３６および荷役３２の振動の様子を撮像するＣＣＤカメラなどの撮像装置を用いることができる。

また、コンテナクレーン３０には、トロリー３４を駆動する電気室３７が設けられ、電気室３７には、クレーンの振れ止め制御を行うクレーン制御装置４０が設けられ、クレーン制御装置４０には、振れ角センサ２にて検出された吊り荷の振れ角を補正する振れ角補正装置４１が設けられている。
そして、岸壁３３に停泊しているコンテナ船３１から荷役３２を陸揚げする場合、岸壁３３上で静止していたトロリー３４がガータ３９に沿って移動し、コンテナ船３１上で停止される。そして、ロープ３５を繰り出すことでスプレッダ３６を下降させ、コンテナ船３１上に積まれている荷役３２をスプレッダ３６にて掴持させる。そして、荷役３２がスプレッダ３６にて掴持されると、ロープ３５を巻き上げることでスプレッダ３６を上昇させる。そして、スプレッダ３６にて荷役３２を掴持させたまま、トロリー３４がガータ３９に沿って岸壁３３上に移動し、岸壁３３に待機しているトラック３８に荷役３２が降ろされる。

ここで、トロリー３４の速度や位置は、目標位置に到達した時の吊り荷の振れ角が小さくなるようにクレーン制御装置４０にて制御される。その際、クレーン制御装置４０は、振れ角センサ２にて検出された吊り荷の振れ角から所望の応答が得られるように、トロリー３４の速度や位置を制御することができる。そして、振れ角補正装置４１は、振れ角センサ２にて検出された吊り荷の振れ角のオフセット値を検出し、そのオフセット値に基づいて吊り荷の振れ角を補正することができる。なお、クレーン制御装置４０としては、図５と同様の構成を用いることができ、図５の振れ角センサ校正装置１１７の代わりに、図１の振れ角補正装置４１を用いることができる。

図２は、本発明の一実施形態に係る振れ角補正装置の概略構成を示すブロック図、図３は、図２の振れ角補正装置のオフセット補償量の算出方法を示すタイミングチャートである。
図２において、図１の振れ角補正装置４１には、振れ角センサ２にて検出された吊り荷の振れ角のオフセットを除去するオフセット除去部１が設けられ、オフセット除去部１には、サンプリング処理部３、オフセット検出部４、平均化処理部５、フィルタ処理部６、補償処理部７および動作判定処理部８が設けられている。なお、オフセット除去部１は、振れ角センサ２の校正だけでなく、振れ角センサ２にて検出された信号の直流成分も補正することができる。

ここで、サンプリング処理部３は、振れ角センサ２にて検出された信号のサンプリング処理を行うことができる。オフセット検出部４は、吊り荷の振れ周期Ｔ_pの期間分だけサンプリングされた振れ角検出値θ_detを平均化することで、瞬時オフセット値θ₀を検出することができる。平均化処理部５は、オフセット検出部４にて検出された瞬時オフセット値θ₀を平均化することで、オフセット補償量θ_ostを算出することができる。フィルタ処理部６は、平均化処理部５にて算出されたオフセット補償量θ_ostを任意の時定数でフィルタ処理することができる。補償処理部７は、フィルタ処理部６から出力されたオフセット補償量θ_ostにて振れ角検出値θ_detを補償することができる。動作判定処理部８は、トロリーの横行状態が停止状態にあるか、または横行指令があるかどうかを判定することができる。

そして、振れ角センサ２にて検出された振れ角検出値θ_detはサンプリング処理部３に入力され、サンプリング処理部３にてサンプリング処理された後、オフセット検出部４および補償処理部７に出力される。そして、オフセット検出部４は、図３に示すように、外部から与えられた吊り荷の振れ周期Ｔ_pの期間分だけサンプリングされた振れ角検出値θ_detを平均化することで、瞬時オフセット値θ₀を検出し、平均化処理部５に出力する。なお、瞬時オフセット値θ₀は、振れ角検出値θ_detから、以下の（１）式にて求めることができる。
θ₀＝（振れ周期Ｔ_pの期間にサンプリングされた振れ角検出値θ_detの加算値）／
（振れ周期Ｔ_pの期間のサンプリング回数） ・・・（１）

ここで、振れ周期Ｔ_pは、吊り荷の振れ角の最大値と最小値との間を推移するのにかかる時間から算出することができる。あるいは、ロープと吊り荷の関係を単振り子とみなし、ロープの長さをＬとした場合に、以下の（２）式で計算される近似値Ｔ^* _pを用いるようにしてもよい。
Ｔ^* _p＝２π√（Ｌ／ｇ） ・・・（２）
ただし、ｇは重力加速度である。

一方、動作判定処理部８には、トロリー３４の速度や指令パターンなどの動作状況Ｐが入力される。そして、動作判定処理部８は、トロリー３４の横行状態が停止状態にあるか、または横行指令があるかどうかを判定し、その判定結果を平均化処理部５に出力する。
そして、平均化処理部５は、オフセット検出部４から瞬時オフセット値θ₀を受け取ると、図３に示すように、トロリー４３の横行が停止状態にあるか、または横行指令がないときに検出された瞬時オフセット値θ₀を平均化することでオフセット補償量θ_ostを算出し、フィルタ処理部６に出力する。ここで、平均化処理部５は、トロリー４３が横行状態にある場合には、トロリー４３が横行状態にない時に算出された前回のオフセット補償量θ_ostを出力することができる。

そして、平均化処理部５にて算出されたオフセット補償量θ_ostはフィルタ処理部６にてフィルタリング処理された後、補償処理部７に出力される。そして、補償処理部７は、フィルタ処理部６から出力されたオフセット補償量θ_ostにて振れ角検出値θ_detを補償することで、振れ角補正値θ_modを算出し、図５のフィードバック制御指令発生装置１１８に出力することができる。
ここで、補償処理部７は、以下の（３）式にて振れ角補正値θ_modを算出することができる。
θ_mod＝θ_det−θ_ost ・・・（３）
これにより、風などの外乱による制御系へのオフセット成分を振れ角から除去することができ、オフセット成分が緩やかに変動する場合においても、速やかに振れ角を校正することが可能となる。

図４（ａ）はトロリー速度の指令パターン、図４（ｂ）は風による外乱、図４（ｃ）は振れ角検出値、図４（ｄ）は動作判定出力、図４（ｅ）はオフセット補償量、図４（ｅ）は振れ角補正値を示す図である。
図４（ａ）に示すように、物理法則上クレーンの停止時に吊り荷の振れが残らないようにするために、移動目標位置までのクレーンの指令パターンｎ_refとして２段階の加減速パターンを用いたものとする。

そして、図４（ｂ）に示すように、図６の風による力ｆ_Wが吊り荷に加わったものとする。この場合、吊り荷の振れが残らないようにするために、図４（ａ）の指令パターンｎ_refを用いた場合においても、吊り荷には残留振れが残り、振れ角検出値θ_detにオフセットが発生する。
一方、図４（ｄ）に示すように、図４（ａ）の指令パターンｎ_refの速度指令がゼロの時には、図２の動作判定処理部８の出力はハイレベルになり、図４（ａ）の指令パターンｎ_refの速度指令がゼロでない時には、図２の動作判定処理部８の出力はロウレベルになる。

そして、図４（ｅ）に示すように、図２の動作判定処理部８の出力がハイレベルの時に検出された瞬時オフセット値θ₀が平均化処理部５にて平均化され、オフセット補償量θ_ostが算出される。
そして、図４（ｆ）に示すように、オフセット補償量θ_ostにて振れ角検出値θ_detを補償することで、オフセットが除去された振れ角補正値θ_modを得ることができる。
なお、サンプリング処理部３、オフセット検出部４、平均化処理部５、フィルタ処理部６、補償処理部７および動作判定処理部８は、プログラマブルコントローラなどのプログラムをコンピュータに実行させることで実現することができ、振れ角制御のアルゴリズムとともにプログラムに組み込むことができる。

また、サンプリング処理部３は、オフセット除去部１内に必ずしも組み入れる必要はなく、例えば、振れ角センサ２に組み入れるようにしてもよく、その場合には、シリアル通信手段を介してサンプリングデータをオフセット除去部１に入力することができる。
また、図３の例では、オフセット補償量θ_ostとして瞬時オフセット値θ₀の２回分の平均値を求める方法について説明したが、任意の回数分の移動平均を用いるようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る振れ角補正装置が適用されるコンテナクレーンの概略構成を示す側面図である。 本発明の一実施形態に係る振れ角補正装置の概略構成を示すブロック図である。 図２の振れ角補正装置のオフセット補償量の算出方法を示すタイミングチャートである。 図４（ａ）はトロリー速度の指令パターン、図４（ｂ）は風による外乱、図４（ｃ）は振れ角検出値、図４（ｄ）は動作判定出力、図４（ｅ）はオフセット補償量、図４（ｅ）は振れ角補正値を示す図である。 従来のクレーン制御装置の概略構成を示すブロック図である。 従来のクレーン制御装置におけるオフセット補償量の風による外乱の影響を示す図である。

符号の説明

１ オフセット除去部
２ 振れ角センサ
３ サンプリング処理部
４ オフセット検出部
５ 平均化処理部
６ フィルタ処理部
７ 補償処理部
８ 動作判定処理部
３０ コンテナクレーン
３１ コンテナ船
３２ 荷役
３３ 岸壁
３４ トロリー
３５ ロープ
３６ スプレッダ
３７ 電気室
３８ トラック
３９ ガータ
４０ クレーン制御装置
４１ 振れ角補正装置

Claims (5)

1. 懸垂式クレーンのトロリーの横行状態を判定する動作判定処理手段と、
   前記懸垂式クレーンの吊り荷の振れ角検出値から瞬時オフセット値を繰り返し検出するオフセット検出手段と、
   前記トロリーの横行が停止状態にあるか、または横行指令がないときに検出された瞬時オフセット値を平滑化することで、オフセット補償量を算出する平均化処理手段と、
   前記オフセット補償量にて前記振れ角検出値を補償する補償処理手段とを備えることを特徴とする振れ角補正装置。
2. 前記オフセット検出手段は、前記懸垂式クレーンの吊り荷の振れ周期の期間分だけサンプリングされた振れ角検出値を平均化することで、瞬時オフセット値を検出することを特徴とする請求項１記載の振れ角補正装置。
3. 前記吊り荷の振れ周期は、前記吊り荷の振れ角の最大値と最小値との間を推移するのにかかる時間から算出することを特徴とする請求項２記載の振れ角補正装置。
4. 前記平均化処理手段は、前記瞬時オフセット値の移動平均に基づいて前記オフセット補償量を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の振れ角補正装置。
5. 懸垂式クレーンのトロリーの横行状態を判定するステップと、
   前記懸垂式クレーンの吊り荷の振れ周期の期間分だけサンプリングされた振れ角検出値を平均化することで、瞬時オフセット値を検出するステップと、
   前記トロリーの横行が停止状態にあるか、または横行指令がないときに検出された瞬時オフセット値を平均化することで、オフセット補償量を算出するステップと、
   前記オフセット補償量にて前記振れ角検出値を補償するステップとを備えることを特徴とする振れ角補正方法。

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