JP2017178545A - クレーンの振れ止め制御方法、及びクレーンの振れ止め制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、振れ角の計測精度が低いときでも、より高精度の振れ止めを可能とするクレーンの振れ止め制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】予め定めたロープ長または振れ周期に基づき、トロリー２を移動させると共に移動の終了時に吊りロープ１２でトロリー２が懸垂している吊り荷１３の振れを止まらせるための、トロリー２の加速度パターンを生成し、これを積分して求めた速度パターンに基づきトロリー２の速度を制御して、吊り荷１３の振れ止め制御を実行する。その際、振れ止め制御の実行中に、吊りロープ１２の振れ角の多数の計測値から実効ロープ長または振れ周期を求め、前記の加速度パターンを修正する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、クレーンの振れ止め制御方法、及びクレーンの振れ止め制御装置に関する。

従来、クレーンの振れ止め制御の技術としては、例えば、非特許文献１に記載の技術がある。この技術では、吊りロープで吊り荷を懸垂して目標位置まで搬送すると共に、吊り荷が目標位置に到達したときに吊り荷の振れが止まるようにトロリーの加速度パターンを生成し、このパターンから速度パターンを求め、振れ止め制御を行っている。
また、非特許文献１に記載の技術では、この速度パターンに基づいて、走行中に発生が想定される吊りロープの振れ角と実際の振れ角の計測値との偏差を低減するための修正量を算出し、算出した修正量に基づき加速度パターンを修正するフィードバック制御を行っている。これにより、例えば、ロープ長を変更しながらの移動や、吊り荷の重心位置（慣性モーメント）が把握できないときにおいても、安定した振れ止め制御を実施可能となっている。

ここで、非特許文献１に記載の振れ止め制御のシミュレーション結果を図５（ａ）に示す。シミュレーション条件としては、加速度パターンの生成に用いたロープ長を10［m］、実効ロープ長（振れ周期に対応するロープ長）を8［m］とした。また、振れ角センサの計測値に誤差がないものとした。フィードバック演算は（１）式で行った。図５（ａ）に示すように残留振れがなく、安定した振れ止め制御を実施できることがわかる。
d²ΔＸ/dt²=Ｋ・ｄΔθ/dt ………（１）
ここで、d²ΔＸ/dt²はトロリー加速度の補償量、Ｋはゲイン、Δθは速度パターンに対応する振れ角と振れ角センサの計測値との差である。d² /dt²は２階微分、ｄ/dtは微分を表す。

しかしながら、通常、振れ角センサの計測値は、誤差を含み、精度が十分でない。振れ角センサの計測値に誤差がある場合のシミュレーション結果を図５（ｂ）に示す。ロープ長条件は、図５（a）と同一で、計測値の誤差としては、ロープ長10［m］に対して、振れ幅最大4.8［cm］、平均2.4［cm］のノイズが乗っているものとした。振れ角センサの取り付け部の振動等により、このようなノイズが乗ることが想定される。この数値は、光学式振れ角センサのカタログ値を参考にしたものである。このノイズによりフィードバック制御のゲインをあまり高くすることができない。これは、ゲインを高くすると、フィードバック制御によるモータの加減速が過大になって追従できないためである。このため、図５（ｂ）に示すように振れ角及び振れ角速度に残留誤差が残ってしまう。特に、振れ角速度には、この影響が顕著であることがわかる。

これに対し、特許文献１に記載の技術では、振れ角センサの計測結果から吊りロープの弦振動の影響を除去するフィルタを用いることが提案されている。しかしながら、近年では、吊り荷の位置（吊り治具の位置）を画像処理で計測する方法が主流となっている。
また、特許文献２に記載の技術では、振れ角センサを用いず、振れ角を推定するオブザーバを用いることが提案されている。この方法では、ロープ長や吊り荷の重量を既知として設定しなければならないが、例えば、吊り荷がコンテナである場合には、吊り荷毎に慣性モーメントが異なるので、慣性モーメントに対応するロープ長（振れ周期に対応するロープ長）の設定が必要となる。これがわからないときには、振れ角センサが必要となる。

さらに、特許文献３に記載の技術では、吊り荷の搬送開始前に振れ角を計測し、この結果から振れ周期を推定し、この周期を基に速度パターンを生成することが提案されている。しかしながら、この技術は、吊り荷の条件（重心位置、ロープ長等）が同じである場合には適用できるが、特許文献２に記載の技術と同様に、慣性モーメントが未知の吊り荷の搬送には適用することができない。
また、一般に、計測値の誤差は、サンプリング回数を増やし、平均化することで低減できるが、平均化を行うと、フィードバック制御に遅れを生じて、制御結果が悪化する。

特開平１１−１１６１８２号公報 特開２０１２−１１１５６１号公報 特開２０１１−９３６３３号公報

大川登志男、山口収、関根宏著「天井クレーンの自動化」ＮＫＫ技法No.１４９、１９９５年

本発明は、上記のような点に着目し、振れ角の計測精度が低いときでも、より高精度の振れ止めを可能とするクレーンの振れ止め制御方法、及びクレーンの振れ止め制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、予め定めたロープ長または振れ周期に基づき、トロリーを移動させると共に移動の終了時に吊りロープでトロリーが懸垂している吊り荷の振れを止まらせるための、トロリーの加速度パターンを生成し、これを積分して求めた速度パターンに基づきトロリーの速度を制御して、吊り荷の振れ止め制御を実行するクレーンの振れ止め制御方法であって、振れ止め制御の実行中に、吊りロープの多数の振れ角の計測値から実効ロープ長または振れ周期を推定し、これに基づいて前記の加速度パターンを修正することを特徴とする。

本発明の一態様によれば、例えば、吊り荷がコンテナ等の重心位置を把握できない時の振れ止め制御において、振れ角の計測精度が低いときでも、多数の振れ角計測値をもとにロープ長を推定するため、この時の計測値誤差を低減することができ、より高精度の振れ止め制御を行うことができる。

クレーンの概略構成を表す概念図である。 振れ角のパターンマッチングを説明するためのグラフである。 修正加速度パターンを説明するためのグラフである。 シミュレーション結果を表すグラフである。 従来の振れ角フィードバックによる制御結果を表すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本実施形態は、本発明を、吊り荷１３の振れ止め制御のための、トロリー２の目標速度を生成するクレーン１の振れ止め制御装置９に適用したものである。ここで、振れ止め制御とは、トロリー２を移動させると共に、移動の終了時に吊りロープ１２でトロリー２が懸垂している吊り荷１３の振れを目標位置に到達した時に止まらせる制御である。なお、本実施形態では、本発明の理解を容易にするため、クレーン１の横行にのみ着目して説明する。
また、本実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、及び配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

（構成）
図１に示すように、本実施形態のクレーン１は、トロリー２と、ホイスト３と、ロープ長検出装置４と、トロリー位置検出装置５と、振れ角センサ６と、移動条件入力装置７と、ホイスト制御装置８と、振れ止め制御装置９と、トロリー制御装置１０とを備える。
トロリー２は、ガーダ１１上に配置され、吊りロープ１２で吊り荷１３を懸垂する。また、トロリー２は、走行用モータ２１０で駆動されガーダ１１に沿って移動する。
ホイスト３は、トロリー２に搭載されている。ホイスト３は、巻上用モータ３１０で駆動され、吊りロープ１２の巻き上げ及び巻き下げ、つまり、ロープ長の変更を行う。
ロープ長検出装置４は、吊りロープ１２のロープ長を検出する。そして、ロープ長検出装置４は、検出結果をホイスト制御装置８に出力する。

トロリー位置検出装置５は、ガーダ１１に沿った方向のトロリー２の位置を検出する。そして、トロリー位置検出装置５は、検出結果をトロリー制御装置１０に出力する。
振れ角センサ６は、吊りロープ１２の振れ角を検出する。そして、検出結果（計測値）を振れ止め制御装置９に出力する。振れ角センサ６としては、例えば、吊り荷１３の撮影画像からマーカの動作を検出しその動作を基に振れ角を検出するものを採用できる。ここで、振れ角センサ６の計測値は、誤差を含み、精度が十分でないものとする。

移動条件入力装置７は、クレーン１のオペレータの操作により、振れ止め制御の実行時の吊り荷１３の始点と終点（目標位置）、及び振れ止め制御の実行中の吊りロープ１２のロープ長の目標パターン（ロープ長の目標値の時系列パターン）等の条件（以下、「移動条件」とも呼ぶ）が入力される。そして、移動条件入力装置７は、入力された移動条件をホイスト制御装置８と振れ止め制御装置９とトロリー制御装置１０とに出力する。
なお、本実施形態では、クレーン１のオペレータが、移動条件を入力する例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、荷の入出庫や配置換えを管理する上位計算機から、移動条件を自動的に入力する構成としてもよい。

ホイスト制御装置８は、ロープ長検出装置４が出力した検出結果（ロープ長の計測値）と、移動条件入力装置７が出力した移動条件（ロープ長の目標パターン）とを同一とするモータ速度指令を生成し、巻上用モータ３１０に出力する。これにより、吊りロープ１２の長さと目標パターンのロープ長とが同一長さとなる。
振れ止め制御装置９は、振れ止め制御のための、トロリー２の速度パターンを生成する。具体的には、振れ止め制御装置９は、振れ角参照パターン記憶部９１０と、加速度パターン生成部９２０と、振れ角取得部９３０と、加速度パターン修正部９４０とを備える。また、加速度パターン修正部９４０は、振れ周期推定部９４１と、加速度パターン修正実行部９４２とを備える。

加速度パターン生成部９２０は、予め定めたロープ長（以下、「仮のロープ長」とも呼ぶ）または振れ周期（以下、「仮の振れ周期」とも呼ぶ）に基づき、振れ止め制御のためのトロリー２の加速度パターン（以下、「初期加速度パターン」とも呼ぶ）を生成する。この初期加速度パターンとしては、例えば、特許文献１に記載されている加速度パターンを採用する。（図３の実線で示す。）この初期加速度パターンを基に初期速度パターンを生成するが、算出方法としては、初期加速度パターンを時間積分する方法が採用できる。そして生成した初期速度パターンをトロリー制御装置１０に出力する。

これにより、トロリー制御装置１０は、この初期速度パターンと、トロリー位置検出装置５が出力した検出結果とが同一となるようにモータ速度指令を生成し、走行用モータ２１０は、生成されたモータ速度指令を基にトロリー２を移動（横行）させる。
振れ角取得部９３０は、例えば50［ms］経過するたびに、振れ角センサ６から振れ角の計測値を取得する。この取得は、予め定めた設定数の計測値が取得されるまで繰り返される。この設定数としては、トロリー２の運転開始直後から、上述した予め定めた振れ周期（仮の振れ周期）が経過するまでの間に、後述する初期加速度パターンの修正を完了可能な数（例えば、数10個）が適当である。

加速度パターン修正部９４０は、初期速度パターンに基づく振れ止め制御の実行中に、振れ角の計測値に基づき初期加速度パターンを修正する。具体的には、加速度パターン修正部９４０の振れ周期推定部９４１は、振れ角取得部９３０で取得した振れ角の時系列計測値と、振れ角参照パターン記憶部９１０が記憶している複数の振れ角参照パターンそれぞれとのパターンマッチングを行い、実効ロープ長または実際の振れ周期を推定する。
このパターンマッチング方法の一例を図２に示す。振れ角参照パターン（図中のＬ１、Ｌ２、Ｌ３）毎に、振れ角の時系列測定値との間の距離の総和を求める。そして、この総和が最も小さくなる振れ角参照パターンに対応するロープ長または振れ周期を、実効ロープ長または実際の振れ周期の推定結果とする。

なお、振れ角参照パターン記憶部９１０に記憶されている振れ角参照パターンは、初期加速度パターンと、予め定めた複数のロープ長（例えば、10［cm］刻みのロープ長）または複数の振れ周期のそれぞれとに対応して生成されている。振れ角参照パターンは、（２）式に従い初期加速度パターンとロープ長から求めることができる。
d²θ/dt²＝−（d²Ｘ/dt²）/Ｌ−２（dＬ/dt）・（dθ/dt）−（ｇ/Ｌ）・θ
………（２）
ここで、θは吊りロープ１２の振れ角、Ｘはトロリー２のガーダ１１に沿った方向（横行方向）の移動量、Ｌはロープ長、ｇは重力加速度である。

トロリー２がロープ長を変化させながら移動（横行）する場合の振れ角参照パターンの演算は、ロープ長の時系列変化が決まっている場合は事前に、決まっていない場合は、移動条件入力装置７から入力された時点で行う。なお、ロープ長が変化しても吊り荷１３の重心位置は、変わらないため、ロープ長を変化させながら移動する場合の振れ角参照パターンは、ロープ長を、予め定めた初期ロープ長にロープ長の時間変化分を加えた時間の関数とすることで、ロープ長が固定長である場合と同様に（２）式で求めることができる。

振れ周期推定部９４１で推定した実効ロープ長または実際の振れ周期に基づき、加速度パターン修正実行部９４２は、図３の破線で示すように初期加速度パターンを実際の振れ周期に合わせて修正する。なお、図３に示すように、この修正後の加速度パターンは、振れ周期に合わせて、加速（減速）する時間が変わるので、トロリー２の移動距離（終点位置）を初期の距離に合わせるため、この加速度パターンの等速度時間も修正する。この修正した加速度パターンを時間積分し、新たに速度パターンを求め、初期速度パターンと入れ替える。

トロリー制御装置１０は、この入れ替えた速度パターンに従い制御を続行する。
このように、本実施形態では、振れ角センサ６の精度が悪い時においてでも、より良い振れ止め制御を行うことができる。センサの誤差は、サンプリング回数を多くし、平滑化（平均化）することにより、少なくすることが期待できるが、これを行うと、従来の振れ角フィードバック制御は、遅れを生じ制御性が悪化する。本実施形態では、図３の初期加速度パターンの切り替え位置前であれば、サンプリング回数をいくら多くしても制御性を悪化させることはない。したがって、センサー誤差を低減することができる。言い換えると、誤差を低減しながら振れ周期または、実効ロープ長を求めたことになる。

（変形例）
なお、本実施形態では、クレーン１の横行にのみ着目し、振れ止め制御装置９が、トロリー２の速度パターンとして、横行時の速度パターンを生成する例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、振れ止め制御装置９が、横行・走行のうちの、走行時の速度パターンを生成する構成としてもよいし、横行時の速度パターンと走行時の速度パターンとの両方を生成する構成としてもよい。両方を生成する場合、これらの速度パターンの時間長にずれがあるか否かを判定する。そして、ずれがあると判定した場合には、時間長のずれが「０」となるように、時間長の短い速度パターンの速度変化率（加速度）を低減する。これにより、横行と走行とを同時に終了することができる。

（シミュレーション結果）
本実施形態のシミュレーション結果を、図４に示す。図４（ａ）は本実施形態の振れ止め制御装置９による制御結果、図４（ｂ）は従来の振れ角フィードバックによる制御結果である。シミュレーション条件としては、ロープ長（仮のロープ長）を10［m］、実際のロープ長（実効ロープ長）を8［m］に設定した。また、振れ角センサ６のセンサノイズとしては、最大振れ幅4.8［cm］、平均振れ幅2.4［cm］を生じるホワイトノイズを使用した。サンプリング周期は50［ms］である。また双方ともチューニングした結果であり、フィードバックのゲインは、0.2とした。シミュレーションにおける振れ周期推定のロープ長誤差は20［cm］としている。この値はシミュレーションにおけるロープ長推定誤差の平均値である。
図４（ａ）、図４（ｂ）より、本実施例の振れ止め制御方法は、従来の振れ角フィードバックに比べ、制御性がよいことがわかる。

１ クレーン
２ トロリー
３ ホイスト
４ ロープ長検出装置
５ トロリー位置検出装置
６ 振れ角検出部
７ 移動条件入力装置
８ ホイスト制御装置
９ 止め制御装置
１０ トロリー制御装置
１１ ガーダ
１２ 吊りロープ
１３ 吊り荷
２１０ 走行用モータ
３１０ 巻上用モータ
９１０ 振れ角参照パターン記憶部
９２０ 加速度パターン生成部
９３０ 振れ角取得部
９４０ 加速度パターン修正部
９４１ 振れ周期推定部
９４２ 加速度パターン修正実行部

Claims (6)

1. 予め定めたロープ長または振れ周期に基づき、トロリーを移動させると共に移動の終了時に吊りロープで前記トロリーが懸垂している吊り荷の振れを止まらせるための、前記トロリーの加速度パターンを生成し、これを積分して求めた速度パターンに基づき前記トロリーの速度を制御して、前記吊り荷の振れ止め制御を実行するクレーンの振れ止め制御方法であって、
   前記振れ止め制御の実行中に、前記吊りロープの振れ角の多数の計測値から前記吊り荷の実効ロープ長または前記吊り荷の実際の振れ周期を求め、前記加速度パターンを修正することを特徴とするクレーンの振れ止め制御方法。
2. 予め定めたロープ長または振れ周期に基づき、トロリーを移動させると共に移動の終了時に吊りロープで前記トロリーが懸垂している吊り荷の振れを止まらせるための、前記トロリーの加速度パターンを生成する加速度パターン生成部と、
   前記吊りロープの振れ角の計測値を取得する振れ角取得部と、
   前記加速度パターンに基づく前記吊り荷の振れ止め制御の実行中に、前記振れ角取得部で取得した振れ角の多数の計測値から前記吊り荷の実効ロープ長または前記吊り荷の実際の振れ周期を求め、前記加速度パターンを修正する加速度パターン修正部と、を備えたことを特徴とするクレーンの振れ止め制御装置。
3. 前記加速度パターン修正部は、
   前記吊り荷の振れ止め制御の実行中に、前記振れ角取得部で取得した振れ角の多数の計測値に基づき、前記吊りロープの実効ロープ長または前記吊り荷の実際の振れ周期を推定する振れ周期推定部と、
   前記振れ周期推定部で推定した実効ロープ長または実際の振れ周期に基づき、前記加速度パターンを修正する加速度パターン修正実行部とを備えたことを特徴とする請求項２に記載のクレーンの振れ止め制御装置。
4. 前記加速度パターンと、予め定めた複数のロープ長または複数の前記吊り荷の振れ周期のそれぞれとに対応して生成された、前記吊りロープの振れ角パターンである振れ角参照パターンを複数記憶している振れ角参照パターン記憶部を備え、
   前記振れ周期推定部は、前記振れ角参照パターン記憶部が記憶している複数の振れ角参照パターンそれぞれと、前記振れ角取得部で取得した振れ角の時系列計測値とのパターンマッチングを行い、前記実効ロープ長または前記実際の振れ周期を推定することを特徴とする請求項３に記載のクレーンの振れ止め制御装置。
5. 前記振れ角参照パターン記憶部は、前記トロリーがロープ長を変化させながら移動する場合の前記振れ角参照パターンとして、予め定めた初期ロープ長にロープ長の時間変化分を加えた時間の関数をロープ長として演算した前記振れ角参照パターンを記憶していることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のクレーンの振れ止め制御装置。
6. 前記加速度パターン修正部は、前記振れ止め制御の開始直後から前記予め定めた振れ周期が経過するまでの間に、前記加速度パターンの修正を完了することを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載のクレーンの振れ止め制御装置。

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