JP2018167962A - 吊り荷の移送方法及びクレーン - Google Patents

Abstract

【課題】クレーンにおいて吊り荷をロープで吊り上げて吊り荷を移送するときに発生する吊り荷の振れが、時間とともに大きくなるか否かを、早期に判定することができる吊り荷の移送方法及びクレーンを提供する。【解決手段】クレーンを用いて吊り荷の移送をするときに発生する吊り荷の振れを止める振れ止め制御を行う。この吊り荷の振れの発生中あるいは振れ止め制御中、前記吊り荷の振れの最大振れ角度の予測値、吊り荷を移送するトロリから前記吊り荷に流入する前記吊り荷の単位質量当たりのエネルギ流量、及び前記吊り荷に蓄積された前記吊り荷の単位質量当たりの蓄積エネルギ量の少なくとも一つの物理量を算出する。この物理量の算出の結果、前記物理量が許容範囲を外れた場合、前記吊り荷の移送を停止する。【選択図】 図３

Description

本発明は、クレーンにおける吊り荷の移送方法及びクレーンに関する。

吊り荷を吊り上げるクレーン、例えばコンテナクレーンによる荷役作業においては、ロープでコンテナを吊り上げるとき、さらには、吊り上げたコンテナを移動させるとき、コンテナに振れが発生する。コンテナが振れていると、目標の位置へ到達した際に，この振れが収まるまでは正確な位置へコンテナを降ろすことができず、作業効率が低下する。
このため、コンテナをクレーンで吊り上げて移送するとき、コンテナの振れを小さくするような制御が行われることが好ましい。

コンテナの振れを抑制するためにはコンテナの振れ角を正確に検出することが必要である。振れ角検出のために、ロープの基部側の支点付近に、ロープに追従するロッドを取り付け、該ロッドの角度として吊り荷の振れ角を検出する技術が知られている（特許文献１）。

特開２０１４−９７８９３号公報

しかし、上記技術は、コンテナの振れ角度を知ることはできても、コンテナの移送中、コンテナの振れが徐々に大きくなるか、あるいは徐々に小さくなるかを知るには、振れ角度の最大角度である最大振れ角度の時間的推移を把握しなければならない。振れ角度が徐々に大きくなる、すなわち、コンテナの振れが徐々に大きくなることは、コンテナがクレーンの構造物に接触するあるいは衝突する等の危険な状態に繋がるので、回避しなければならない。
このため、コンテナの振れが徐々に大きくなる傾向を、可能な限り早期に判定して移送を中止し、振れを抑制する等の対応をすることが好ましい。

そこで、本発明は、クレーンにおいて吊り荷をロープで吊り上げて吊り荷を移送するときに発生する吊り荷の振れが、時間とともに大きくなるか否かを、早期に判定することができる吊り荷の移送方法及びクレーンを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、クレーンを用いた吊り荷の移送方法である。当該移送方法は、
クレーンがロープで吊り荷を吊り上げて前記吊り荷を移送するときに発生する吊り荷の振れを止める振れ止め制御を行うステップと、
前記吊り荷の振れの発生中あるいは前記振れ止め制御中、前記吊り荷の振れの最大振れ角度の予測値、前記トロリから前記吊り荷に流入する前記吊り荷の単位質量当たりのエネルギ流量、及び前記吊り荷に蓄積された前記吊り荷の単位質量当たりの蓄積エネルギ量の少なくとも一つの物理量を算出するステップと、
前記算出した前記物理量が許容範囲を外れた場合、前記振れが時間とともに増大すると判定し前記吊り荷の移送を停止するステップと、を含む。

前記最大振れ角度の予測値は、前記振れによる前記吊り荷の前記トロリに対する相対位置の変動中、前記吊り荷の振れ角度の計測情報と前記ロープ長の情報を取得後、取得した前記振れ角度の計測情報と前記ロープ長の情報を用いて、変動中の前記吊り荷が最初に前記吊り荷の最大振れ角度の位置に到達するタイミングの前に予測する、ことが好ましい。

前記吊り荷の振れ角度をφ、前記ロープのロープ長をｌ、前記吊り荷の振れ角速度をφ’、及び、重力加速度をｇ、としたとき、前記最大振れ角度は、ｃｏｓ^−１｛ｃｏｓφ−（ｌ・φ’）^２／（２ｇ・ｌ）｝として求められる、ことが好ましい。

前記エネルギ流量及び前記蓄積エネルギ量は、前記吊り荷の振れ角速度の２乗と前記ローブのロープ長の時間微分との積の情報を含んだ物理量である、ことが好ましい。

前記許容範囲は、前記予め設定された前記物理量の閾値で定められた範囲である、ことが好ましい。

前記振れ止め制御は、前記吊り荷の前記振れが小さくなるように前記トロリの速度を変動させることによって行われ、
前記吊り荷の移送方法は、さらに、前記吊り荷の移送中、前記振れ止め制御を数学モデルで再現した制御シミュレーションモデルを用いて、前記吊り荷の振れ止めを再現するステップを含み、
算出する前記物理量は、前記蓄積エネルギ量である。
このとき、前記許容範囲は、前記制御シミュレーションモデルで再現した前記吊り荷に蓄積された前記吊り荷の単位質量当たりの再現蓄積エネルギ量に対して予め設定された許容幅を持った範囲である、ことも好ましい。

前記振れ止め制御は、前記トロリの速度、前記吊り荷の前記トロリに対する振れ変位、前記トロリの位置、及び前記吊り荷の前記トロリに対する振れ速度に応じて、前記トロリを駆動させる駆動装置に与える前記トロリの速度の指令情報を変更することで行われる、ことが好ましい。

前記トロリの位置と前記トロリの目標位置の指令情報の差分に基づいて、前記トロリの速度の指令情報は生成される、ことが好ましい。

また、本発明の他の一態様は、クレーンである。当該クレーンは、
トロリ、吊り荷を吊り上げる前記トロリから延びるロープ、及び前記トロリの移動経路を形成するレール、を備えるクレーン本体部と、
前記吊り荷の吊り上げと前記トロリの移送を制御する制御装置と、を備える。
前記制御装置は、
前記ロープが吊り荷を吊り上げて前記トロリが前記吊り荷を移送するときに発生する吊り荷の振れを止めるように振れ止め制御を行う振れ止め制御部と、
前記吊り荷の振れの発生中、前記吊り荷の振れの最大振れ角度の予測値、前記トロリから前記吊り荷に流入する前記吊り荷の単位質量当たりのエネルギ流量、及び前記吊り荷に蓄積された前記吊り荷の単位質量当たりの蓄積エネルギ量の少なくとも一つの物理量を算出する物理量算出部と、
前記算出した前記物理量が許容範囲を外れるか否かによって、前記振れが時間とともに増大するか否かを判定する判定部と、
前記物理量が許容範囲を外れた場合、前記吊り荷の移送を停止する前記吊り荷の移送を停止する信号を生成する移送動作指示部と、
を含む。

前記物理量算出部は、前記吊り荷の振れ角度をφ、前記ロープのロープ長をｌ、前記吊り荷の振れ角速度をφ’、及び、重力加速度をｇ、としたとき、前記最大振れ角度を、ｃｏｓ^−１｛ｃｏｓφ−（ｌ・φ’）^２／（２ｇ・ｌ）｝として求める、ことが好ましい。

前記物理量算出部は、前記エネルギ流量あるいは前記蓄積エネルギ量を前記物理量として求め、前記エネルギ流量あるいは前記蓄積エネルギ量は、前記吊り荷の振れ角速度の２乗と前記ローブのロープ長の時間変化との積の情報を含んだ物理量である、ことが好ましい。

前記許容範囲は、前記予め設定された前記物理量の閾値で定められた範囲である、ことが好ましい。

前記振れ止め制御部は、前記吊り荷の前記振れが小さくなるように前記トロリの速度を変動させる制御を前記振れ止め制御として行い、
前記振れ止め制御部は、さらに、前記吊り荷の移送中、前記振れ止め制御を数学モデルで再現する制御シミュレーションモデルを備える。
このとき、前記許容範囲は、前記制御シミュレーションモデルで再現した前記吊り荷に蓄積された前記吊り荷の単位質量当たりの再現蓄積エネルギ量に対して予め設定された許容幅を持った範囲である、ことも好ましい。

前記振れ止め制御部は、前記トロリを駆動させる駆動装置に与える前記トロリの速度の指令情報を、前記トロリの速度、前記吊り荷の前記トロリに対する振れ変位、前記トロリの位置、及び前記吊り荷の前記トロリに対する振れ速度に応じて変更する、ことが好ましい。

前記振れ止め制御部は、前記トロリの位置と前記トロリの目標位置の指令情報の差分に基づいて、前記トロリの速度の指令情報を生成する、ことが好ましい。

上記態様の吊り荷の移送方法及びクレーンによれば、クレーンにおいて吊り荷をロープで吊り上げて吊り荷を移送するときに発生する吊り荷の振れが、時間とともに大きくなるか否かを、早期に判定することができる。

本実施形態で用いるコンテナクレーンの構成の一例を示す図である。 本実施形態のコンテナクレーンにおけるコンテナの振れ角度φ、コンテナの振れ変位、及びトロリの位置ｘ_Ｔを模式的に説明する図である。 本実施形態における制御装置の構成の一例を説明する図である。 本実施形態における制御装置の振れ止め制御部の構成の一例を説明する図である。 本実施形態における制御装置の振れ止め制御部の制御の一例を説明する図である。 本実施形態におけるフィードバック制御システムを再現したシミュレーションモデルを用いてコンテナの振れ止めの抑制をシミュレーションした結果の一例を示す図である。 本実施形態における制御装置の判定部の構成の一例を示す図である。 本実施形態における振れ止め制御部のシミュレーション計算部が行うコンテナの振れ止め制御の一例を説明する図である。 図８に示すシミュレーションモデルを用いて再現したコンテナの移送の挙動の一例を示す図である。 図８に示すシミュレーションモデルを用いて再現したコンテナの移送の挙動の一例を示す図である。 図８に示すシミュレーションモデルを用いて再現したコンテナの移送の挙動の一例を示す図である。 図８に示すシミュレーションモデルを用いて再現したコンテナの移送の挙動の一例を示す図である。 図８に示すシミュレーションモデルを用いて再現したコンテナの移送の挙動の一例を示す図である。 図８に示すシミュレーションモデルを用いて再現したコンテナの移送の挙動の一例を示す図である。

以下、本発明の吊り荷の移送方法及びクレーンを詳細に説明する。
本実施形態では、コンテナを吊り荷とするが、吊り荷はコンテナに限定されない。吊り荷をロープで吊り上げ、吊り上げた吊り荷を、トロリを用いて移動するものであれば、吊り荷及びクレーンはコンテナ及びコンテナクレーンに限定されない。

図１は、本実施形態で用いるコンテナクレーン４の構成の一例を示す図である。コンテナクレーン４は、岸壁に設けられ、コンテナ船とコンテナヤードとの間で、コンテナの積み卸しを行なう装置である。図１には、コンテナ船１等を係留する岸壁２のコンテナヤードとコンテナ船１との間でコンテナ３の積み卸しを行うコンテナクレーン４を示している。コンテナクレーン４は、岸壁２上に岸壁に沿って移動自在に設けられた前脚５及び後脚６を有している。前脚５及び後脚６の頂部には、ガーダ９ａが水平に設けられている。ガーダ９ａの海側端には、コンテナ船１の接岸時に邪魔にならないように、起伏自在にブーム９ｂが取り付けられている。ガーダ９ａ及びブーム９ｂによって構成された水平梁９は、バックステー１０によって補強されている。

コンテナクレーン４は、クレーン本体部１２と、制御装置２０と、駆動装置４０と、を主に有する。
クレーン本体部１２は、トロリ７、コンテナ３を吊り上げるトロリ７に接続されたロープ８、及びトロリ７の移送経路を形成するレール１１、を備える。ロープ８はトロリ７から延びている。
トロリ７は、水平梁９に設けられたレール１１上を移動する。トロリ７には、コンテナ３を吊るロープ８とコンテナのサイズに合わせて把持部を伸縮させるスプレッダ（図示されない）と、トロリ７の移動機構と、が設けられている。トロリ７は、コンテナ３を吊り上げて、コンテナ船１とコンテナヤードの間を移動する。このとき、トロリ７の目標位置ｘ_Ｔｒｅｆに対する位置制御を含んだコンテナ３の振れ止めフィードバック制御が行なわれる。コンテナ３を吊り上げた際あるいはコンテナ３を移送する際、コンテナ３とトロリ７の位置ずれやコンテナ３の移送に伴った加速度等により、コンテナ３は、コンテナ３を吊っているロープ８のロープ長に応じた振り子振動、すなわち、振れが発生し易い。本実施形態では、この振れが時間とともに増大するか否かを判定し、振れが増大する場合、振れを止める振れ止め制御を行なう。

図２は、本実施形態のコンテナクレーン４におけるコンテナ３の振れ角度φ、コンテナ３の振れ変位ｘ、及びトロリ７の位置ｘ_Ｔを模式的に説明する図である。
振れ角度φは、トロリ７のロープ８が鉛直方向に垂れた鉛直下方向の直線を基準とした角度である。コンテナ３の振れ変位ｘは、トロリ７からロープ８が延びる位置を基準とした相対的な位置（コンテナ３の移送方向における位置）であり、ロープ８のロープ長ｌとすると、ｘ＝ｌ・φとして表される。トロリ７の位置ｘ_Ｔは、所定の基準位置からのレール１１に沿った方向の距離を表す。ロープ長ｌは、コンテナ３を吊り上げるため時間的に変化する。振れ角度φも時間的に変化する。コンテナ３の振れ速度はφ’として表されている。トロリ７は、コンテナ３の振れ止め制御を行うとき、微小にトロリ７の位置ｘ_Ｔが変動する、あるいはトロリ７の速度ｖ_Ｔが変動することにより、コンテナ３の振れ止め抑制が行われる。

本実施形態のコンテナクレーン４のトロリ７には、トロリ７からコンテナ３を画像として撮像する撮像装置７ａ（図２参照）が設けられている。撮像装置７ａは、撮像された画像からコンテナ３の振れ変位ｘを求め、制御装置２０に送るように構成されている。さらに、コンテナクレーン４には、トロリ７の移送する速度を計測するセンサ７ｂが設けられている。センサ７ｂは、トロリ７の速度ｖ_Ｔを制御装置２０に出力する。

制御装置２０は、コンテナ３の吊り上げとトロリ７の移送を制御する。具体的には、制御装置２０は、コンテナ３のロープ８による吊り上げの制御信号及びコンテナ３の移送の制御信号（具体的には、後述するトロリ７の速度指令値ｕ_Ｔ）を駆動装置４０に送る。さらに、制御装置２０は、ロープ８で吊り上げられて移送されるコンテナ３の振れが時間とともに増大するか否かを、算出した物理量が許容範囲を外れるか否かによって判定し、判定結果に応じてコンテナ３の移送を停止する制御信号を駆動装置４０に送る。さらに、制御装置２０は、移送が停止した後、振れが抑制されるように振れ止め制御を行う。
駆動装置４０は、ロープ８の巻上げ及びコンテナ３の移送を行う装置であり、これらの動作は、制御装置２０から送られる制御信号に基づいて行われる。

図３は、制御装置２０の構成の一例を説明する図である。
制御装置２０は、コンピュータで構成されている。制御装置２０は、物理量算出部２２、判定部２４、移送動作指示部２６、及び振れ止め制御部２８を有する。物理量算出部２２、判定部２４、移送動作指示部２６、及び振れ止め制御部２８の各部分は、コンピュータのメモリに記録したプログラムをコンピュータが呼び出し起動することにより形成されるソフトウェアモジュールである。このため、各部分の機能は、実質的には、プログラムに従がってコンピュータの中央演算ユニット（ＣＰＵ）が司る。

物理量算出部２２には、トロリ７がロープ８でコンテナ３を吊り上げて移送するときに発生するコンテナ３の振れによるコンテナ３の振れ変位ｘの計測情報、トロリ７の速度ｖ_Ｔの計測情報、及びロープ８の情報が時系列的にトロリ７から送られてくる。物理量算出部２２は、この計測情報から、コンテナ３の振れ速度ｖ及びトロリ７の位置ｘ_Ｔの情報を取得する。コンテナ３の振れ速度ｖは、振れ変位ｘの時間変化Δｘ（一定のサンプリング時間間隔Δｔで送られてくる振れ変位ｘの隣り合う振れ変位のデータｘ１、ｘ２の差分）を振れ変位ｘのサンプリング時間間隔Δｔで除算することにより得られる。トロリ７の位置ｘ_Ｔは、トロリ７が基準位置に位置する時刻から現時刻までトロリ７の速度ｖ_Ｔを積分（累積）することにより、得られる。
また、物理量算出部２２は、トロリ７の加速度ｖ’_Ｔを、トロリ７の速度ｖ_Ｔの時間変化Δｖ_Ｔ（一定のサンプリング時間間隔Δｔで送られてくるトロリ７の速度ｖ_Ｔの隣り合う速度のデータ）ｖ_Ｔ１、ｖ_Ｔ２の差分）をトロリ７の速度ｖ_Ｔのサンプリング時間間隔Δｔで除算することにより算出する。
さらに、物理量算出部２２は、ロープ長ｌの時系列のデータから、ロープ長ｌの時間変化Δｌ（一定のサンプリング時間間隔Δｔで送られてくるロープ長ｌの隣り合うデータｌ１、ｌ２の差分）をロープ長ｌのサンプリング時間間隔Δｔで除算することにより、ロープ長の時間微分ｌ’を算出する。
さらに、物理量算出部２２は、コンテナ３の振れ角速度φ’を、コンテナ３の振れ変位ｘとロープ長ｌから求められるコンテナ３の振れ角度φの時間変化分をサンプリング時間間隔Δｔで除算することにより算出する。
物理量算出部２２は、取得したコンテナ３の位置ｘ及び振れ速度ｖと、トロリ７の位置ｘ_Ｔ及び速度ｖ_Ｔと、ロープ長ｌの情報を、振れ止め制御部２８に送る。

物理量算出部２２は、さらに、コンテナ３の振れの発生中、コンテナ３の振れに関する物理量を算出する。
ここで、物理量は、コンテナ３の振れの最大振れ角度の予測値、トロリ７からコンテナ３に流入するコンテナ３の単位質量当たりのエネルギ流量、及びコンテナ３に蓄積されたコンテナ３の単位質量当たりの蓄積エネルギ量の少なくとも一つである。これらの物理量は、振れが時間の経過とともに増大する場合であっても、振れが小さい状態のときに、振れの増大を予測することができる物理量である。

コンテナ３の振れの最大振れ角度の予測値φ_ｍａｘは、コンテナ３の振れ変位ｘ、振れ角速度φ’、及びロープ長ｌを用いて、コンテナ３の振れ角度φがφ_ｍａｘになる前に予測することができる。具体的には、重力加速度をｇとしたとき、ｃｏｓ^−１｛ｃｏｓφ−（ｌ・φ’）^２／（２ｇ・ｌ）｝にしたがって算出することができる。この算出式は、コンテナ３の振れの全エネルギが、コンテナ３の運動エネルギと重力に対する位置エネルギの合計量が自由減衰を無視して一定であることから、求めることができる。

コンテナ３の単位質量当たりのエネルギ流量Ｐは、Ｐ＝ｖ’_Ｔ・ｃｏｓφ・φ’−２ｌ’・φ’^２に従がって算出される。ここで、トロリ７からコンテナ３に流れるエネルギ流を正としている。このため、エネルギ流量Ｐの値が大きいと、振れが増大することを意味する。

コンテナ３の単位質量当たりの蓄積エネルギ量Ｅは、コンテナ３の単位重量当たりのエネルギ流量Ｐを振れ止め制御の開始からの蓄積エネルギ量Ｅの時系列データを時間積分する（累積する）ことにより算出される。
このように、エネルギ流量Ｐは、２ｌ’・φ’^２の項を含んでいるので、エネルギ流量Ｐ及びエネルギ流量Ｐから算出される蓄積エネルギ量Ｅは、コンテナ３の振れ角速度φ’の２乗とローブ８のロープ長ｌの時間微分ｌ’との積の情報を含んだ物理量である。すなわち、ロープ長の変化と振れ角速度の大小になるタイミングに応じて、エネルギ流量Ｐ及び蓄積エネルギ量Ｅは変化する。

判定部２４は、物理量算出部２２で算出された物理量が許容範囲を外れたか否かを判定する。この判定により、コンテナ３の振れが、今後増大する不安定な状態にあるかどうかを早期に判定することができる。許容範囲は、予め、後述する振れ止め制御を再現した制御シミュレーションモデルによるシミュレーション結果を用いて定めることができる。判定部２４は、コンテナ３の振れが時間経過ととともに大きくなるか否かを、振れが許容できない程度になる前のコンテナ３の振れが小さい状態で早期に判定することができる。

本実施形態では、物理量として、最大振れ角度の予測値φ_ｍａｘ、コンテナ３の単位質量当たりのエネルギ流量Ｐ、及び蓄積エネルギ量Ｅのいずれかを用いる。これ以外の物理量、例えば、最大振れ角度の予測値φ_ｍａｘの時間微分値やコンテナ３のロープ長ｌの単位長さ当たり、単位質量当たりのエネルギ流量は、最大振れ角度の予測値φ_ｍａｘ、コンテナ３の単位質量当たりのエネルギ流量Ｐ、及び蓄積エネルギ量Ｅに比べて、コンテナ３の振れが時間とともに大きくなるか否かを早期にかつ確実に判定することができない。この点から、本実施形態では、コンテナ３の振れが時間とともに大きくなるか否かを判定するための物理量として、最大振れ角度の予測値φ_ｍａｘ、コンテナ３の単位質量当たりのエネルギ流量Ｐ、及び蓄積エネルギ量Ｅのいずれかを用いる。
本実施形態では、物理量として、最大振れ角度の予測値φ_ｍａｘ、コンテナ３の単位質量当たりのエネルギ流量Ｐ、及び蓄積エネルギ量Ｅのいずれかを用いるが、これらの物理量のうち、２つ以上を判定に用いることができる。この場合、判定部２４は、判定に用いる物理量の１つでも許容範囲を外れた場合、コンテナ３の振れが時間とともに大きくなると判定することが好ましい。これにより、判定部２４は、コンテナ３の振れが時間とともに増大する不安定状態にあることを早期に判定することができる。

移送動作指示部２６は、判定部２４において物理量が許容範囲を外れた場合、コンテナ３の移送を停止する指示を駆動装置４０に送る。具体的には、移送動作指示部２６は、駆動装置４０に、トロリ７の移動を停止する制御信号を送る。これにより、コンテナ３の移送中に振れが大きくなることを自然減衰等により止めることができる。この場合、後述する振れ止め制御部２８を介して、非移送中、すなわち静止中のコンテナ３の振れ止め制御を行うことにより、振れを抑制してもよい。あるいは、コンテナ３の振れを機械的に抑制するような処理を行ってもよい。振れが抑制された後、移送動作指示部２６は、コンテナ３の移送を再開するような制御信号を駆動装置４０に送ってもよい。

振れ止め制御部２８は、ロープ８で吊り上げたときに生じる移送前のコンテナ３の振れ、及び移送中に生じたコンテナ３の振れを止める振れ止め制御を行う。具体的には、振れ止め制御部２８は、オペレータから入力されたトロリ７の目標位置ｘ_Ｔｒｅｆに基づいてトロリ７によるコンテナ３の移送を行う制御信号を生成する。この制御信号は、コンテナ３の移送を行う信号であり、かつ、コンテナ３の移送中、コンテナ３の振れを止める振れ止め制御の制御信号、具体的にはトロリ７の速度指令値ｕ_Ｔである。

図４は、振れ止め制御部２８の構成の一例を説明する図である。図５は、本実施形態の振れ止め制御部２８の制御の一例を説明する図である。
振れ止め制御部２８は、位置制御補償部２８ａと速度指令値生成部２８ｂとを備える。

振れ止め制御部２８は、トロリ７の目標位置ｘ_Ｔｒｅｆの入力をオペレータから受けると、トロリ７の位置ｘ_Ｔ、トロリ７の速度ｖ_Ｔ、コンテナ３の振れ変位ｘ及びその振れ速度ｖの情報を用いて速度指令値ｕ_Ｔを算出し、この速度指令値ｕ_Ｔを駆動装置４０に出力する。この場合、コンテナ３の振れのオーバシュートが小さく、迅速に減衰するように、振れ止めの制御パラメータが予め与えられる。なお、振れ止め制御部２８には、トロリ７の位置ｘ_Ｔ、トロリ７の速度ｖ_Ｔ、コンテナ３の振れ変位ｘ及びその振れ速度ｖ、更にはロープ長ｌの情報が物理量算出部２２から送られる。

図５に示すように、トロリ７の目標位置ｘ_Ｔｒｅｆが振れ止め制御部２８に入力されると、振れ止め制御部２８の位置制御補償部２８ａは、トロリ７の現在の位置ｘ_Ｔと目標位置ｘ_Ｔｒｅｆとの差分に対して、位置制御補正関数Ｈ（ｓは制御工学における複素数）の演算を施す。位置制御補償部２８ａは、位置制御補正関数Ｈ（ｓ）の演算により、トロリ７の目標速度ｖ_Ｔｒｅｆを算出する。位置補正関数Ｈ（ｓ）は、例えば、分母及び分子がｓの多項式で表された関数である。
速度指令値生成部２８ｂは、位置制御補償部２８ａで算出した目標速度ｖ_Ｔｒｅｆに、ｆ_１・（ｖ_Ｔｒｅｆ−ｖ_Ｔ）を加算し、この結果からｆ_２・ｘ及びｆ_３・ｖを減算することにより、トロリ７の速度指令値ｕ_Ｔを算出する。すなわち、下記式（１）に従がって、速度指令値生成部２８ｂは、速度指令値ｕ_Ｔを算出する。

ｕ_Ｔ＝ ｖ_Ｔｒｅｆ＋ｆ_１・（ｖ_Ｔｒｅｆ−ｖ_Ｔ）−ｆ_２・ｘ−ｆ_３・ｖ ・・・式（１）
なお、ｖ_Ｔｒｅｆは、ｖ_Ｔｒｅｆ＝ Ｈ（ｓ）・（ｘ_Ｔｒｅｆ−ｘ_Ｔ） である。

ここで、ｆ_１、ｆ_２、及びｆ_３は、フィードバック制御におけるゲイン係数である。このゲイン係数は、数学モデルで振れ止め制御を再現した制御シミュレーションモデルより得ることができる。具体的には、制御シミュレーションモデルは、コンテナ３とトロリ７の運動を表した状態方程式のシステムモデルとクレーン本体部１２の上記式（１）で表したフィードバック制御の式とを連成させたモデルである。上記状態方程式では、クレーン本体部１２におけるトロリ７の位置ｘ_Ｔ、トロリ７の速度ｖ_Ｔ、コンテナ３の振れ変位ｘ及びその振れ速度ｖの４つの状態変数が用いられる。

このように、振れ止め制御部２８が行う振れ止め制御は、トロリ７の速度、コンテナ３のトロリ７に対する振れ変位ｘ、トロリ７の位置ｘ_Ｔ、及びコンテナ３のトロリ７に対する振れ速度ｖに応じて、トロリ７を駆動させる駆動装置４０に与えるトロリ７の速度指令値ｕ_Ｔを変更することで行われることが好ましい。この場合、トロリ７の位置ｘ_Ｔ、とトロリ７の目標位置ｘ_Ｔｒｅｆの指令情報の差分に基づいて、トロリ７の速度指令値ｕ_Ｔは生成されることが好ましい。

より具体的には、コンテナ３とトロリ７の運動を状態方程式で表したシステムモデルは、トロリ７の速度ｖ_Ｔ、トロリ７の位置ｘ_Ｔ、コンテナ３の振れ速度ｖ、及びコンテナ３の振れ変位ｘを状態ベクトルＸで表したとき、下記式（２）で表すことができる。
ｄＸ／ｄｔ ＝ Ａ・Ｘ＋ｂｕ_Ｔ ・・・ 式（２）
ここで、ｄＸ／ｄｔは、状態ベクトルＸの時間微分を表す。Ａは、クレーン本体部１２のシステムモデルを表す行列であり、ｂは、このシステムモデルに入力される速度指令値ｕ_Ｔに係る係数を表すベクトルである。したがって、制御シミュレーションモデルは、上記式（１）及び（２）を連立させたモデルである。
連立させた制御シミュレーションモデルは下記式（３）で表される。
ｄＸ／ｄｔ ＝ Ａ’・Ｘ＋ｂ’ｖ_Ｔｒｅｆ ・・・ 式（３）
ここで、Ａ’は、フィードバック制御を含んだ制御シミュレーションモデルの行列であり、ｂ’は、この制御シミュレーションに入力されるトロリ７の目標速度ｖ_Ｔｒｅｆに係る係数を表すベクトルである。式（１）中のｆ_１、ｆ_２、及びｆ_３は、行列Ａ’に含まれる。この制御シミュレーションモデルを用いてシミュレーションを行うことにより、コンテナ３の振れのオーバシュートが小さく、迅速に減衰するように定めた制御パラメータに基づいて定めることができる。制御パラメータは、例えば、制御シミュレーションモデルにおける極の固有角振動数を定めるパラメータと、この固有角振動数における減衰の程度を表すパラメータ（減衰比）を含むことができる。この制御パラメータを用いて、ｆ_１、ｆ_２、及びｆ_３を表すことができる。したがって、ｆ_１、ｆ_２、及びｆ_３は、制御パラメータの値を設定することにより、コンテナ３の振れのオーバシュートが小さく、迅速に減衰するようなｆ_１、ｆ_２、及びｆ_３の値を求めることができる。

このような振れ止め制御では、目標位置ｘ_Ｔｒｅｆに０を入力すれば、トロリ７がコンテナ３の移送をせずに振れ止め制御を行うことができる。すなわち、コンテナ３の移送の前に、あるいはコンテナ３の静止中に、コンテナ３の振れ止め制御を行うことができる。
また、目標位置ｘ_Ｔｒｅｆに０より大きい値を入力すれば、トロリ７は移送を行い、コンテナ３の移送中、コンテナ３に振れが生じないように、トロリ７の移送速度を制御することができる。

図６は、上記制御シミュレーションモデルを用いてクレーン本体部１２におけるコンテナ３の振れ止めの抑制をシミュレーションした結果の一例を示す図である。この例では、目標位置ｘ_Ｔｒｅｆに０を入力している。時刻Ｔ_１でコンテナ３の振れが発生し、時刻Ｔ_２でｆ_１、ｆ_２、及びｆ_３を用いた振れ止め制御を開始している。時刻Ｔ_１〜Ｔ_２では、コンテナ３の振れが自由減衰している。なお、図６では、振れの波形を正負折り返して重ね書きしている。図６からわかるように、時刻Ｔ_２以降では、振れ角度φが急激に減少している。また、このシミュレーション結果は、実際のコンテナクレーン４におけるコンテナ３の振れ止め制御における挙動と略一致している。これより、本実施形態で用いるコンテナの振れ止め制御は適切であることがわかる。

しかし、振れ止めの制御を行っても、クレーン本体部１２の経時変化により、コンテナ３の振れに影響を与えるクレーン本体部１２のパラメータあるいはクレーン本体部１２の動作に影響を与えるパラメータが変化する場合がある。このような場合、振れ止め制御を行うと、コンテナ３の振れが増大する場合がある。また、コンテナ３の移送中の、クレーン本体部１２に与えられる外的因子、例えば、コンテナクレーン１２の水平梁９の振動（共振）や風等により、コンテナ３の振れが増大する場合もある。このため、移送中にコンテナ３の振れが増大することを早期に判定するために、判定部２４は、振れの増大の有無を知るために、物理量算出部２２が算出した物理量が許容範囲を外れたか否かを判定する。

本実施形態では、コンテナ３の振れの増大の有無を確実に判定するためには、上述した
ように物理量に対して定める許容範囲は、ロープ長ｌあるいはコンテナ３の重量等に係らず、同じ一定の許容範囲が設定されていることが必要である。しかも、コンテナ３の振れに影響を与えるクレーン本体部１２のパラメータあるいはクレーン本体部１２の動作に影響を与えるパラメータがクレーン本体部１２の長期使用によって経時変化をしても、上記許容範囲は大きく変化しないことが必要である。このような物理量が、上述した最大振れ角度の予測値φ_ｍａｘ、コンテナ３の単位質量当たりのエネルギ流量Ｐ、及び蓄積エネルギ量Ｅである。

判定部２４は、例えば、物理量の閾値で定められた範囲を上記許容範囲として設定することができる。すなわち、判定部２４は、物理量の時系列データの値が上記閾値で定められた範囲を外れたか否かを判定することにより、コンテナ３の振れの増大の有無を確実に判定することができる。
この場合、物理量として、最大振れ角度の予測値φ_ｍａｘを用いる場合、コンテナ３の振れ角度φが最大になる前に最大振れ角度の予測値φ_ｍａｘを算出することができるので、コンテナ３の振れの増大の有無を早期に判定することができる。特に、最大振れ角度の予測値φ_ｍａｘを用いる場合、振れによるコンテナ３の変動中のコンテナ３が最初に最大振れ角度の位置に到達するタイミングの前に予測することが、コンテナ３の振れの増大の有無を早期に判定する点から好ましい。

また、判定部２４は、コンテナ３の単位質量当たりの再現蓄積エネルギ量を用いる場合、上述した制御シミュレーションモデルで再現したコンテナ３に蓄積された単位質量当たりの再現蓄積エネルギ量に対して予め設定された許容幅を持った範囲を、判定に用いる許容範囲とし、物理量算出部２２で算出された蓄積エネルギ量Ｅがこの許容範囲から外れるか否かを判定することも好ましい。図７は、このような好ましい形態の判定部２４の構成の一例を示す図である。判定部２４は、シミュレーション計算部２４ａと比較部２４ｂを有する。図８は、シミュレーション計算部２４ａが行うコンテナ３の振れ止め制御の一例を説明する図である。シミュレーション演算部２４ａは、図８に示す制御シミュレーションモデルを用いて、コンテナ３の振れ止めを再現する計算を行なう。図８中の式、ｄＸ／ｄｔ ＝ Ａ・Ｘ＋ｂｕ_Ｔのうち、ｄＸ／ｄｔは、トロリ７の速度ｖ_Ｔ、トロリ７の位置ｘ_Ｔ、コンテナ３の振れ速度ｖ、及びコンテナ３の振れ変位ｘの状態ベクトルＸの時間微分を表し、Ａは、クレーン本体部１２のシステムモデルを表す行列であり、ｂは、このシステムモデルに入力される速度指令値ｕ_Ｔに係る係数を表すベクトルである。具体的には、シミュレーション計算部２４ａは、トロリ７の目標位置ｘ_Ｔｒｅｆの指令が制御装置２０に入力されると、この目標位置ｘ_Ｔｒｅｆの指令に基づいて、トロリ７の速度指令値ｕ_Ｔを算出しながら、制御シミュレーションモデルのコンテナ３に対応する部分に蓄積された単位質量当たりの再現蓄積エネルギ量Ｅ^＊を算出する。この再現蓄積エネルギ量Ｅ^＊は比較部２４ｂに送られる。
比較部２４ｂは、再現蓄積エネルギ量Ｅ^＊に対して予め設定された許容幅を持った範囲を上述の判定のための許容範囲として定め、物理量算出部２２から送られた蓄積エネルギ量Ｅが、定めた許容範囲から外れたか否かを判定する。

このようなコンテナクレーン４では、以下のコンテナ３の移送方法が行われる。
（１）制御装置２０の振れ止め制御部２８は、コンテナクレーン４がロープ８でコンテナ３を吊り上げてコンテナ３を移送するときに発生するコンテナ３の振れを止める振れ止め制御を行う。
（２）制御装置２０の物理量算出部２２は、コンテナ３の振れの発生中あるいはコンテナ３の振れ止め制御中、コンテナ３の振れの最大振れ角度φ_ｍａｘの予測値、トロリ７からコンテナ３に流入するコンテナ３の単位質量当たりのエネルギ流量Ｐ、及びコンテナ３に蓄積されたコンテナ３の単位質量当たりの蓄積エネルギ量Ｅの少なくとも一つの物理量を算出する。
（３）制御装置２０の移送動作指示部２６は、物理量算出部２２による物理量の算出の結果、物理量が許容範囲を外れた場合、コンテナ３の移送を停止する、
ことを行う。

このとき、物理量算出部２２は、最大振れ角度φ_ｍａｘの予測値を、振れによるコンテナ３のトロリ７に対する相対位置の変動中、コンテナ３の振れ角度φの計測情報とロープ長ｌの情報を取得後、取得した振れ角度φの計測情報とロープ長ｌの情報を用いて、変動中のコンテナ３が最初にコンテナ３の最大振れ角度φ_ｍａｘの位置に到達するタイミングの前に予測することが好ましい。

物理量算出部２２が最大振れ角度φ_ｍａｘの予測値を算出する場合、最大振れ角度φ_ｍａｘの予測値をｃｏｓ^−１｛ｃｏｓφ−（ｌ・φ’）^２／（２ｇ・ｌ）｝として求めることが好ましい。

物理量算出部２２がエネルギ流量Ｐあるいは蓄積エネルギ量Ｅを算出する場合、コンテナ３の振れ角速度φ’の２乗とローブ８のロープ長ｌの時間微分ｌ’との積の情報を含んだ物理量であることが好ましい。

判定部２４が用いる許容範囲は、予め設定された物理量の閾値で定められた範囲であることが好ましい。

また、振れ止め制御は、コンテナ３の振れが小さくなるようにトロリ７の速度ｖ_Ｔを、速度指令値ｕ_Ｔに基づいて変動させることによって行われ、コンテナ３の移送中、振れ止め制御を数学モデルで再現した図８に示す制御シミュレーションモデルを用いて、コンテナ３の振れ止めを再現する。物理量算出部２２は、物理量として、蓄積エネルギ量Ｅを算出する。
このとき、判定部２４は、判定に用いる許容範囲は、制御シミュレーションモデルで再現した再現蓄積エネルギ量Ｅ^＊に対して予め設定された許容幅を持った範囲であることが好ましい。

制御装置２０の振れ止め制御部２８で行う振れ止め制御は、トロリ７の速度ｖ_Ｔ、コンテナ３のトロリ７に対する振れ変位ｘ、トロリ７の位置ｘ_Ｔ、及びコンテナ３のトロリ７に対する振れ速度ｖに応じて、トロリ７を駆動させる駆動装置４０に与えるトロリ７の速度指令値ｕ_Ｔを変更することで行われることが好ましい。

制御装置２０の振れ止め制御部２８は、トロリ７の位置ｘ_Ｔとトロリ７の目標位置ｘ_Ｔの情報の差分に基づいて、トロリ７の指令速度値ｕ_Ｔを生成することが好ましい。

このようなコンテナ３の移送制御方法を行うことで、コンテナ３をロープ８で吊り上げてコンテナ３を移送するときに発生する振れが、時間とともに大きくなるか否かを、早期に判定することができる。また、コンテナクレーン４の長期使用に伴ってクレーン本体部１２の動作やコンテナ３の振れに影響を与えるシステムのパラメータが変化して、移送中のコンテナ３の振れが時間の経過とともに増大するような不安定な状態になっても、早期に振れの増大の有無を判定できるので、移送を停止して振れを効果的に抑制することができる。

図９〜１４は、図８に示す制御シミュレーションモデルを用いて再現したコンテナの移送の挙動の一例を示す図である。
図９〜１２は、ロープ長ｌが４３ｍの状態でコンテナ３を吊り上げてロープ長ｌを１９ｍにし、コンテナ３を移送させたときの挙動を示す。図９は、トロリ７の目標速度ｖ_Ｔｒｅｆ、トロリ７の速度指令値ｕ_Ｔ、トロリ７の速度ｖ_Ｔ、ロープ長ｌの時間微分ｌ’の時系列波形の一例を示す。図１０は最大振れ角度φ_ｍａｘの予測値、図１１はエネルギ流量Ｐ、図１２は蓄積エネルギ量Ｅの挙動をそれぞれ示す。

図１０〜１２では、図９に示す動作時のコンテナ３の振れが、振れ止め制御によって抑制される例１と、振れが増大する例２を示している。例２では、制御シミュレーションモデルの制御パラメータの値を例１で用いる値から変化させて、振れが時間の経過とともに増大する不安定状態を再演している。図１０に示すように、最大振れ角度φ_ｍａｘの予測値としての許容範囲を０〜６度とすることで、約１９秒の時点（Ｔ_１）で、最大振れ角度φ_ｍａｘの予測値は許容範囲から外れるので、振れが増大する不安定状態を早期に判定することができる。図１１に示すように、エネルギ流量Ｐの許容範囲を０〜０．１８［Ｗ／ｋｇ］とすることで、約４秒の時点（Ｔ_２）で、エネルギ流量Ｐは許容範囲から外れるので、振れが増大する不安定状態を早期に判定することができる。図１２に示すように、蓄積エネルギ量Ｅの許容範囲を０〜０．４８［Ｊ／ｋｇ］とすることで、約１０秒の時点（Ｔ_３）で、蓄積エネルギ量Ｅは許容範囲から外れるので、振れが増大する不安定状態を早期に判定することができる。

図１３，１４は、ロープ長ｌが４３ｍの状態でコンテナ３を吊り上げてロープ長ｌを６ｍにし、コンテナ３を移送させたときの挙動を示す。図１３は、トロリ７の目標速度ｖ_Ｔｒｅｆ、トロリ７の速度指令値ｕ_Ｔ、トロリ７の速度ｖ_Ｔ、ロープ長ｌの時間微分ｌ’の時系列波形の一例を示す。図１４は、図１３に示す動作時の蓄積エネルギ量Ｅの挙動を示す。図１４に示すように、図１２に示す蓄積エネルギ量Ｅの許容範囲と同様に、許容範囲を０〜０．４８［Ｊ／ｋｇ］とすることで、約２５秒の時点（Ｔ_４）で、蓄積エネルギ量Ｅは許容範囲から外れるので、振れが増大する不安定状態を早期に判定することができる。

以上、本発明の吊り荷の移送方法及びクレーンについて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１ コンテナ船
２ 岸壁
３ コンテナ
４ コンテナクレーン
５ 前脚
６ 後脚
７ トロリ
９ 水平梁
９ａ ガーダ
９ｂ ブーム
１０ バックステー
１１ レール
１２ クレーン本体部
２０ 制御装置
２２ 物理量算出部
２４ 判定部
２４ａ シミュレーション計算部
２４ｂ 比較部
２６ 移送動作指示部
２８ 振れ止め制御部
２８ａ 位置制御補償部
２８ｂ 速度指令値生成部
４０ 駆動装置

Claims (15)

1. クレーンを用いた吊り荷の移送方法であって、
   クレーンがロープで吊り荷を吊り上げて前記吊り荷を移送するときに発生する吊り荷の振れを止める振れ止め制御を行うステップと、
   前記吊り荷の振れの発生中あるいは前記振れ止め制御中、前記吊り荷の振れの最大振れ角度の予測値、前記トロリから前記吊り荷に流入する前記吊り荷の単位質量当たりのエネルギ流量、及び前記吊り荷に蓄積された前記吊り荷の単位質量当たりの蓄積エネルギ量の少なくとも一つの物理量を算出するステップと、
   前記算出した前記物理量が許容範囲を外れた場合、前記振れが時間とともに増大すると判定し前記吊り荷の移送を停止するステップと、を含むことを特徴とする吊り荷の移送方法。
2. 前記最大振れ角度の予測値は、前記振れによる前記吊り荷の前記トロリに対する相対位置の変動中、前記吊り荷の振れ角度の計測情報と前記ロープ長の情報を取得後、取得した前記振れ角度の計測情報と前記ロープ長の情報を用いて、変動中の前記吊り荷が最初に前記吊り荷の最大振れ角度の位置に到達するタイミングの前に予測する、請求項１に記載の吊り荷の移送方法。
3. 前記吊り荷の振れ角度をφ、前記ロープのロープ長をｌ、前記吊り荷の振れ角速度をφ’、及び、重力加速度をｇ、としたとき、前記最大振れ角度は、ｃｏｓ^−１｛ｃｏｓφ−（ｌ・φ’）^２／（２ｇ・ｌ）｝として求められる、請求項１または２に記載の吊り荷の移送方法。
4. 前記エネルギ流量及び前記蓄積エネルギ量は、前記吊り荷の振れ角速度の２乗と前記ローブのロープ長の時間微分との積の情報を含んだ物理量である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の吊り荷の移送方法。
5. 前記許容範囲は、前記予め設定された前記物理量の閾値で定められた範囲である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の吊り荷の移送方法。
6. 前記振れ止め制御は、前記吊り荷の前記振れが小さくなるように前記トロリの速度を変動させることによって行われ、
   前記吊り荷の移送方法は、さらに、前記吊り荷の移送中、前記振れ止め制御を数学モデルで再現した制御シミュレーションモデルを用いて、前記吊り荷の振れ止めを再現するステップを含み、
   算出する前記物理量は、前記蓄積エネルギ量であり、
   前記許容範囲は、前記制御シミュレーションモデルで再現した前記吊り荷に蓄積された前記吊り荷の単位質量当たりの再現蓄積エネルギ量に対して予め設定された許容幅を持った範囲である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の吊り荷の移送方法。
7. 前記振れ止め制御は、前記トロリの速度、前記吊り荷の前記トロリに対する振れ変位、前記トロリの位置、及び前記吊り荷の前記トロリに対する振れ速度に応じて、前記トロリを駆動させる駆動装置に与える前記トロリの速度の指令情報を変更することで行われる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の吊り荷の移送方法。
8. 前記トロリの位置と前記トロリの目標位置の指令情報の差分に基づいて、前記トロリの速度の指令情報は生成される、請求項７に記載の吊り荷の移送方法。
9. トロリ、吊り荷を吊り上げる前記トロリから延びるロープ、及び前記トロリの移動経路を形成するレール、を備えるクレーン本体部と、
   前記吊り荷の吊り上げと前記トロリの移送を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記ロープが吊り荷を吊り上げて前記トロリが前記吊り荷を移送するときに発生する吊り荷の振れを止めるように振れ止め制御を行う振れ止め制御部と、
   前記吊り荷の振れの発生中、前記吊り荷の振れの最大振れ角度の予測値、前記トロリから前記吊り荷に流入する前記吊り荷の単位質量当たりのエネルギ流量、及び前記吊り荷に蓄積された前記吊り荷の単位質量当たりの蓄積エネルギ量の少なくとも一つの物理量を算出する物理量算出部と、
   前記算出した前記物理量が許容範囲を外れるか否かによって、前記振れが時間とともに増大するか否かを判定する判定部と、
   前記物理量が許容範囲を外れた場合、前記吊り荷の移送を停止する前記吊り荷の移送を停止する信号を生成する移送動作指示部と、
   を含むことを特徴とするクレーン。
10. 前記物理量算出部は、前記吊り荷の振れ角度をφ、前記ロープのロープ長をｌ、前記吊り荷の振れ角速度をφ’、及び、重力加速度をｇ、としたとき、前記最大振れ角度を、ｃｏｓ^−１｛ｃｏｓφ−（ｌ・φ’）^２／（２ｇ・ｌ）｝として求める、請求項９に記載のクレーン。
11. 前記物理量算出部は、前記エネルギ流量あるいは前記蓄積エネルギ量を前記物理量として求め、前記エネルギ流量あるいは前記蓄積エネルギ量は、前記吊り荷の振れ角速度の２乗と前記ローブのロープ長の時間変化との積の情報を含んだ物理量である、請求項９に記載のクレーン。
12. 前記許容範囲は、前記予め設定された前記物理量の閾値で定められた範囲である、請求項９〜１１のいずれか１項に記載のクレーン。
13. 前記振れ止め制御部は、前記吊り荷の前記振れが小さくなるように前記トロリの速度を変動させる制御を前記振れ止め制御として行い、
    前記振れ止め制御部は、さらに、前記吊り荷の移送中、前記振れ止め制御を数学モデルで再現する制御シミュレーションモデルを備え、
    前記許容範囲は、前記制御シミュレーションモデルで再現した前記吊り荷に蓄積された前記吊り荷の単位質量当たりの再現蓄積エネルギ量に対して予め設定された許容幅を持った範囲である、請求項９〜１１のいずれか１項に記載のクレーン。
14. 前記振れ止め制御部は、前記トロリを駆動させる駆動装置に与える前記トロリの速度の指令情報を、前記トロリの速度、前記吊り荷の前記トロリに対する振れ変位、前記トロリの位置、及び前記吊り荷の前記トロリに対する振れ速度に応じて変更する、請求項９〜１３のいずれか１項に記載のクレーン。
15. 前記振れ止め制御部は、前記トロリの位置と前記トロリの目標位置の指令情報の差分に基づいて、前記トロリの速度の指令情報を生成する、請求項１４に記載のクレーン。
    
    

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