JP2635066B2

JP2635066B2 - 対向型デッキクレーンの自動運転方法

Info

Publication number: JP2635066B2
Application number: JP32167087A
Authority: JP
Inventors: 行伸河野; 謙一村井; 陽一小森谷; 規秀小松
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1987-12-18
Filing date: 1987-12-18
Publication date: 1997-07-30
Anticipated expiration: 2012-07-30
Also published as: JPH01162697A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、例えば船舶の港湾荷役作業に用いられる対
向型デッキクレーンの自動運転方法に係り、特に指定さ
れた通過点を滑らかな軌跡で荷物を移動させるようにし
た対向型デッキクレーンの自動運転方法に関するもので
ある。

（従来技術及びその問題点）従来の非自動化クレーンでは第８図に示すように、人
手によるクレーン操作で船体10の船倉11から吊荷12をＡ
まで吊り上げ、ＡからＢまで横方向に吊荷12を移動し、
目標位置14の真上のＢから吊荷12を吊り下ろしている。

この従来例では、A,Bで吊荷12を一旦停止する必要が
あり、荷役作業に長時間を要し、能率が悪い。荷振れに
対しても作業員のカンで防止するようにしているに過ぎ
ない。

そこで、第８図のように運転するクレーンを自動化す
る手法として、第１に目標軌跡を計画し、次に目標軌跡
に応じて位置を制御し、吊荷（荷物）を移動させるのが
一般的である。目標軌跡の計画はクレーン先端が通過す
べき目標軌跡または速度パターンを予め決定しておく。
また、前記位置制御は目標軌跡を追従するようにクレー
ン先端の位置を制御する。この自動化手法では目標軌跡
の計画と位置制御系の設計を分離して行うこ４とができ
る。

目標軌跡の計画は荷振れの発生や荷役作業時間に大き
く影響する。従来の目標軌跡の計画手法には、台形速
度パターン、幾何学的手法、最適制御手法等が提案
されている。

まず、台形速度パターンによる手法では、その速度
パターン自体の決定は容易であるが、荷振れに対する物
理的な意味づけが乏しく、荷振れ防止の効果は少ない。

これに対して、幾何学的手法、最適制御手法は、
終端時刻において荷振れが零になるように、目標軌跡を
計算するため、理論的には荷振れは少ない。

しかし、これらの手法を適用するには、複雑で多量の
数値計算を要し、クレーンと吊荷の物理的な運動特性に
関する正確なデータが必要である。したがって、例えば
天井走行クレーンのような比較的構造が簡単なものにし
か適用されていない。更に、荷振れ角をフィードバック
する荷振れ防止制御を組込むことができないので、初期
振れや突風等の外乱で発生した荷振れには対応できな
い。

先行技術として、特開昭60−218291号公報がある。ま
たクレーンに関するものではないが、技術的に関連のあ
るものとして産業用ロボット分野において、指定された
通過点の近傍を滑らかな軌跡で移動させる「プログラム
制御」が特公昭51−34180号公報には、またロボットア
ーム先端に加わる加加速度を最少にする理論が、神戸大
学工学部システム工学科修士論文1984、上月“高速ロボ
ットアームの実時間制御”に開示されている。

（発明の目的）本発明は、以上のような事情を考慮してなされたもの
で、第１の目的は十分実用化できる程度の比較的少ない
計算量とクレーン及び吊荷のデータで、荷振れの発生を
極力抑え、指定した通過点を滑らかな軌跡で吊荷を移動
させることが可能なクレーンの自動運転方法を提供する
ことにある。

更に、本発明では構造が複雑な所謂対向型デッキクレ
ーンにも適用でき、荷振れ角等をフィードバックする荷
振れ防止制御を組込むことが可能な初期荷振れや突風等
の外乱で発生した荷振れにも対応できるクレーンの自動
運転方法を提供することを目的としている。

（問題を解決するための手段）（１）技術的手段本発明は、船舶の船倉で荷物を吊り上げ又は吊り下ろ
し、船体を乗り越えるように横方向に荷物を移動し、目
標位置で荷物を吊り下ろし又は吊り上げるクレーンの運
転方法において、前記荷物を吊り上げ、吊り下ろしする
上下移動区間下端部の加速、減速時および横移動区間の
始端の上減速、横加速と終端の横減速、下加速の加減速
区間で、加加速度最少化方式によりクレーンの目標移動
軌跡を決定し、前記加加速度最少化方式で運転する加減
速区間の距離と移動時間は、加加速度の２乗積分の値が
最少となるように設定した評価関数の値から決定し、ク
レーンの目標移動軌跡を位置制御するとともに、荷振れ
防止制御をも加え、加減速区間の始点又は終点から離れ
た位置では荷物振れ防止制御の感度を弱くすることを特
徴とする対向型デッキクレーンの自動運転方法である。

（２）作用加加速度最少化方式をクレーンの自動運転に適用する
ことにより、吊荷に働く加速度変化を最少にし、荷振れ
の発生を抑え、指定した通過点を滑らかな軌跡で吊荷を
移動する高精度、高速クレーンを自動化運転する。

更に、加加速度最少化方式をクレーンの自動運転に適
用する際に必要になる加減速区間の距離及び移動時間
を、加加速度２乗積分で定まる評価関数の値を一定にす
る方法で、適切に決定することが可能になる。

（実施例）本発明を適用する対向型デッキクレーンをを示す第１
図で、船倉11を挾んで互いに対向するマスタクレーン20
とスレーブクレーン21が設けられている。マスタクレー
ン20、スレーブクレーン21はいずれもジブ22、23を有
し、クレーンの旋回角とジブ22、23の俯仰角及びワイヤ
28の巻上量を制御して吊荷12の荷役作業を行うようにな
っている。

第１図のクレーンの制御システム構成を示す第２図
で、マスタクレーン20、スレーブクレーン21にはそれぞ
れ同様の制御盤24が設けられており、通常はマスタクレ
ーン20側の制御盤24にスレーブクレーン21側の制御盤24
が連動してスレーブクレーン21を制御する。したがっ
て、両者の相当部分には同一符号を付してある。

制御盤24には操作スタンド25、検出部26、駆動部27が
接続しており、操作スタンド25からの操作員の指令でマ
スタクレーン20の旋回角及びジブ22の俯仰角を駆動部27
のアクチュエーターで調整し、センサーで旋回角及び俯
仰角をフィードバックするようになっている。また、検
出部26で荷振れ角を検出し、制御盤24に入力している。

制御盤24には光LANによる通信部30を介して軌跡入力
装置31（クレーン外の船室にある）、軟着陸用検出装置
32が接続している。両者間の信号授受は光ファイバー33
で行う。この軌跡入力装置31は外部のホストコンピュー
タ又は専用の小型コンピュータを利用して、詳しくは後
述するように最短時間で荷振れ角を最小にし得る軌跡を
決定する機能を備えている。

軌跡入力装置31で決定する軌跡の経路を示す第３図
で、の始点からまで上向きに加速し、からまで
定速で吊上げている。からの加減速区間では、上方
向に減速し、横方向に加速して、吊荷12（第１図）はＡ
で一旦停止することなく、短時間でしかも荷振れ角が最
小の状態で通過するようになっている。

からまで横方向に定速で移動した後、Ｂで一旦停
止せずに下方向に加速し、横方向に減速するからま
での加減速区間を経て、からの定速区間の後にの
集端に到着する。

第３図の経路では、〜及び〜が上下移動区間
であり、、〜が加減速区間を含む横移動区間であ
る。特に、〜及び〜区間での軌跡を前記軌跡入
力装置31で最適に決定することが重要である。

以下、前記加減速区間での軌跡決定について説明す
る。一般に、荷振れは吊点を移動させることによって吊
荷に衝撃力が働くために生じる。したがって、荷振れを
少なくするためには、吊荷に作用する加速度変化を小さ
くすればよい。そこで、本発明では、加加速度最少化方
式を適用することにより、加速度変化を小さくし、荷振
れを防ぐ。

まず、加加速度最少化方式の原理を説明する。第４図
において、２点x1、x2が与えられた時、滑らかな加速又
は減速を行い、吊荷をx1からx2に移動させる。

第４図の運動モデルを第３図の軌跡に適用すると、第
５図に示すような停止状態から吊荷を加速する加速区
間、ある一定速度で移動する定速区間、減速して吊荷を
停止させるという減速区間の作業に分割される。そこ
で、この加減速区間において前記加加速度最少化方式を
適用し、加加速度（加速度の時間的変化割合）を最少に
して吊荷を移動させる。

このとき、加加速度の２乗積分が最少になるように軌
跡を求める。この軌跡は次の評価関数に基づいて決定す
る。

ｘ（ｔ）：時刻ｔにおける吊荷の目標値 T:x₁からx₂への移動時間境界条件この軌跡は加加速度の２乗積分で定まる評価関数Ｊに
基づいて決定する。

評価関数Ｊを最小にするｘ（ｔ）（時刻ｔにおける吊
荷の目標値）は、オイラー・ポアソンの方程式により求
まる。

ｘ（ｔ）＝at⁵＋bt⁴＋ct³＋dt²＋et＋ｆ ……（３）ただし前記加加速度最少化方式を適用するには、前記方程式
の係数を求める必要があり、そのためには、定速区間で
の速度vc、加減速区間の処理l1＝（x2−x1）及び加減速
区間の時間T1の値が必要である。まず、定速区間の速度
vcについては、クレーンの駆動部の定格値より適切な値
を計算できる。

加減速区間の距離l₁と時間T₁は次のように決定する。

（１）（２）（３）式でオイラーポアソンの方程式で
評価関数Ｊを最小にするＸ（ｔ）を求めている。これ
は、初速V1、終速V2、加減速時間Ｔ、加減速区間の距離
l1＝x2−x1を与えた時の評価関数Ｊを最小にする軌跡Ｘ
（ｔ）のことで、初速V1、終速V2、加減速時間Ｔ、加減
速区間の距離l1を変えれば、評価関数Ｊの値も変る、つ
まり初速V1、終速V2、加減速時間Ｔを同じにして、加減
速区間の距離l1を長くすれば、評価関数Ｊも小さくな
る。

ある評価関数Ｊの値を与えれば、逆に加減速区間の時
間T1と距離l1が計算できる。この評価関数Ｊの値は荷振
れの指標となっているため、加速量v2−v1が変わっても
加減速区間で発生する荷振れを小さく抑えることができ
る。評価関数Ｊの値は、実験又はシュミレーションによ
り決定するまた、（４）式の物理的な意味は加減速区間
の平均速度で進む距離を表している。

前述の加加速度最少化方式で第３図の軌跡を決定する
と、特に〜及び〜区間の加減速区間での運転時
間を短縮しながら、荷振れが最小になる。

第２図の制御盤24及び軌跡入力装置31での制御系を示
す第６図で、40はA/D変換を行う入力部であり、入力部4
0の信号は座標計算系41、荷振れ防止制御系42に伝達さ
れる。座標計算系41の信号は位置制御系43に入力され、
軌跡発生部44からの信号と比較されて加算点47で座標計
算系41からの信号と加算される。軌跡発生部44には通信
部30（第２図）を経て、軌跡入力装置31（第２図）から
の軌跡データが入力されている。その後、変換部45でマ
スタクレーン20の俯仰、旋回、巻上動作を制御する指令
に変換されて、出力部46からD/A変換して出力される。
したがって、制御盤２及び軌跡入力装置31での制御は常
にリアルタイムで行われる。

位置制御系43による加加速度最少化方式の位置制御だ
けでは開ループ制御であるので、クレーンが停止しても
若干の荷振れのため、吊荷は停止しない。また、初期振
れや突風等による外乱が加わった場合にも対応できな
い。そこで、荷振れ防止制御系42を併用することで、実
際の荷振れ角をフィードバックして荷振れ角を小さく抑
制する。

本発明によるクレーン自動運転方法の要旨は、第３図
の〜及び〜の上下移動区間と〜の横移動区
間との間の〜及び〜の加減速区間で、加速度最
少化方式によりクレーンの目標軌跡を決定することであ
る。なお、第３図の軌跡の全経路にわたって加加速度最
少化方式を適用してもよい。

第７図に本発明による自動化運転方法を適用した対向
型デッキクレーンのシュミレーション結果を示す。第７
図（ａ）では、加加速度最少化方式によるグラフであ
り、第７図（ｂ）に加加速度を考慮しない場合のグラフ
を示す。

第７図（ａ）では、荷振れ角が１゜以内で、荷振れ角
は十分に小さいが、第７図（ｂ）では加速的に振れが始
まり、以後その振れが持続し、最大荷振れ角が３゜と大
きくなる。第７図（ａ），（ｂ）から本発明の自動化運
転方法が秀れていることが明らかである。

更に、荷振れ防止制御系42を追加した場合には第７図
（ｃ）のように荷振れ角は0.9゜以内で、発生した荷振
れもすぐに消滅している。

前述の特公昭51−34181号では、操作部が目標位置に
近づき偏差信号が所定値まで減少した時、類似一致信号
を発生させ、操作部が目標値に到達する以前に、次の目
標値に向って移動を開始することにより実行されるが、
この先行技術と第６図の荷振れ防止制御系42によるフィ
ードバック制御との差異を説明する。すなわち、第６図
の荷振れ防止制御系42の制御機能を説明するために前記
第３図において例示すると、第３図の，，，点
以外の位置、例えば点A,Bでは、点A,Bを正確にトレース
する必要がないので、点から離れた位置では、目標位置
との一致信号の精度を粗くし、点A,Bから多少外れてい
ても次の目標に移動するように制御している。この機能
によって、前記特公昭51−34181号と比較して荷振れ防
止制御系42と位置制御系43が互いの制御を阻害し合うこ
とを防止している。

つまり、本発明の場合では２点の位置及び２点を通過
する時の速度により、加速度の変化が最小になるように
決定される。このため、第３図に示すように目標軌跡は
コーナー部で円滑化されることになる。この軌跡は時々
刻々とクレーンに入力され、クレーンはこの軌跡上を吊
荷が通過するように制御される。

特公昭51−34181号の先行技術と本発明を比較する
と、（ａ）次なる目標の与え方先行技術…目標位置を通過すると次の目標値を与える。

本発明…時々刻々目標値を与える。本方式で吊荷の軌跡
は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸それぞれ（３）式で表される。こ
の次のようにｔを時々刻々増やしていき吊荷の目標位置
即ちクレーン先端の位置として与える。

ｔ＝ｔ＋dt dtはサンプリング時間である。

（ｂ）コーナー部の動作先行技術…目標位置との一致信号の精度を粗くし、目標
位置より離れた場所を通過するので、コーナー部では円
滑化されているように見える。

本発明…加速度の変化が最少となるように目標軌跡を与
え、この結果目標軌跡のコーナー部は円滑化される。

したがって、本発明では第２図の軌跡入力信号31に第
３図の点，,A,Bを指定するだけで、軌跡入力装置31
は自動的に第３図のような軌跡を辿るコーナー部の内側
を滑らかに吊荷が通過するように制御する。

更に、前述の神戸大学の研究成果と本発明の比較は次
の通りである。

まず、神戸大学の研究成果では、加減速時間Ｔを物理
的に可能な加減速時間以下にす４るように予め与え、加
加速度の変化が最少になるように各時刻の位置を求め
る。

次の本発明の場合では、加加速度最少化方式をクレー
ンに適用するに当り、実験及びシミュレーションによっ
て決定された、荷振れが少なく、且つ移動時間が最小の
評価関数Ｊを用いて、加減速時間Ｔを決める。この時間
Ｔを用いて加加速度の変化が最少になるように各時刻の
目標位置を求める。

したがって、本発明の場合では第５図の境界条件の速
度v1,v2及び評価関数値Ｊによって加減速時間Ｔが決ま
るので、前述の神戸大学案の場合と異なり、v1,v2がど
のように変わっても、常に荷振れが少なく、移動時間が
短いクレーンの自動運転方法が得られる。

（発明の効果）以上説明したように本発明による対向型デッキクレー
ンの自動運転方法では、クレーンの自動運転の分野にお
いて、加加速度最少化方式を適用することにより、吊荷
の荷振れの発生を抑制でき、指定した通過点を滑らかな
軌跡で吊荷を移動させることができる対向型デッキクレ
ーンの自動運転が可能になる。

更に、加加速度最少化方式と第６図の荷振れ防止制御
系42による荷振れ防止制御を併用したので、初期振れや
突風等の外乱の存在下でも高い精度で荷物の振れを止め
ることが可能なクレーンの自動運転方法を実現できる。
又加減速区間の始点又は終点から離れた位置では荷物振
れ防止制御の感度を弱くしたので（特開昭61−170496
（クレーン制御方法）にある公知技術を用いて実現す
る）、吊荷は第３図のＡ、Ｂ点から離れた滑らかな円弧
状の通路と通り、動きが円滑になる。

対向型デッキクレーンの自動運転に加加速度最少化方
式を適用した場合、以下の特長がある。

（１）評価関数Ｊに２乗積分を用いているため、加速
度変化が最少になり、非常に滑らかな軌跡を発生でき、
荷振れを小さくできる。また、逆に加速度変化が荷振れ
発生の主要因なので、評価関係Ｊの値を荷振れの指標と
して利用できる。

（２）加減速が非常に滑らかなので、クレーンの駆動
系に無理な力が加わらず、クレーンの耐久性が向上す
る。

（３）加加速度最少化方式を各座標軸（ｘ軸、ｙ軸、
ｚ軸）に適用することにより、第３図のように軌跡の各
コーナーを円滑化することが容易に実現できる。このコ
ーナーの円滑化によって作業時間が短縮され、軌跡が滑
らかになるために荷振れが発生しにくくなるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を採用した対向型デッキクレーンの斜視
図、第２図は制御システムの構成略図、第３図は吊荷の
軌跡を示す構造略図、第４図は加加速度最少化方式の原
理を示す略図、第５図は加減速区間の割当を示す略図、
第６図は制御装置の構造略図、第７図は時間に対する荷
振れ角，吊荷位置，目標位置の関係を示すグラフ、第８
図は従来の荷役作業を示す構造略図である。10……船
体、11……船倉、12……吊荷、20……マスタクレーン、
21……スレーブクレーン、24……制御盤、31……軌跡入
力装置、42……荷振れ防止制御系、43……位置制御系。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小森谷陽一兵庫県神戸市西区櫨谷町松本234番地川崎重工業株式会社西神戸工場内 (72)発明者小松規秀兵庫県神戸市西区櫨谷町松本234番地川崎重工業株式会社西神戸工場内 (56)参考文献特開昭62−121191（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−153390（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−218291（ＪＰ，Ａ) 実開昭62−23285（ＪＰ，Ｕ) 実開昭56−148102（ＪＰ，Ｕ) 特公昭54−12702（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】船舶の船倉で荷物を吊り上げ又は吊り下ろ
し、船体を乗り越えるように横方向に荷物を移動し、目
標位置で荷物を吊り下ろし又は吊り上げるクレーンの運
転方法において、前記荷物を吊り上げ、吊り下ろしする
上下移動区間下端部の加速、減速時および横移動区間の
始端の上減速、横加速と終端の横減速、下加速の加減速
区間で、加加速度最少化方式によりクレーンの目標移動
軌跡を決定し、前記加加速度最少化方式で運転する加減
速区間の距離と移動時間は、加加速度の２乗積分の値が
最少となるように設定した評価関数の値から決定し、ク
レーンの目標移動軌跡を位置制御するとともに、荷振れ
防止制御をも加え、加減速区間の始点又は終点から離れ
た位置では荷物振れ防止制御の感度を弱くすることを特
徴とする対向型デッキクレーンの自動運転方法。