JP3671042B2 - クレーン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吊荷の旋回振れを低減させながら速やかに吊荷を旋回させることが可能なクレーンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ジブ先端から吊具をつり下げ、該吊具からロープを介して吊荷を吊り下げ、該吊具に設けられた旋回モータによって、ロープの吊具側の支持端を回転させて吊荷を旋回させるようなモバイルハーバクレーンにおいて、船上の岸壁と垂直方向に置かれたコンテナを陸上に岸壁と並行に陸揚げすることが要求された場合、コンテナの旋回制御は、クレーンの運転手が手動操作で旋回モータを制御することにより行う。（特許文献１等参照。）
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２４６１７０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、旋回モータを回転させると、吊荷を旋回させる反力により吊具が旋回振れを起こしてしまう。そして、その吊具の振れが吊荷に作用してしまうことにより、吊荷も旋回振れを起こしてしまう。
このように、吊具と吊荷とが、ともに旋回振れを起こしている状況下での吊荷の旋回制御は、熟練したクレーンの運転手でも非常に困難なものであり、労力を要する作業であった。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、吊荷の旋回を自動化することにより、吊荷旋回に係る作業者の労力を軽減させるクレーンを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、ジブ先端から吊具をつり下げ、該吊具からロープを介して吊荷を吊り下げ、該吊具に設けられた旋回モータによって、ロープの吊具側の支持端を回転させて吊荷を旋回させるクレーンにおいて、前記ジブ先端辺と前記吊荷との相対角度である吊荷旋回角（ζ）と、前記ジブ先端辺と前記吊具との相対角度である吊具旋回角（吊具角）（β）とを検出し、予め設定されている目標吊荷旋回角（ζ ref ）と前記吊荷旋回角（ζ）との偏差（ζ ref −ζ）及び前記吊具旋回角（β）を変数とする前記旋回モータへのモータ制御指令値（ｕ）を算出する所定の関係式に基づき、前記旋回モータを制御することを特徴とするクレーンを提供する。
【０００７】
このように、所定の関係式を用いて、旋回モータのモータ制御指令値ｕを算出し、このモータ制御指令値ｕを用いて旋回モータを制御することにより、自動的に吊荷旋回角を目標吊荷旋回角に一致させることができ、吊荷の旋回に係る作業者の労力を著しく軽減させることができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、ジブ先端から吊具をつり下げ、該吊具からロープを介して吊荷を吊り下げ、該吊具に設けられた旋回モータによって、ロープの吊具側の支持端を回転させて吊荷を旋回させるクレーンにおいて、前記ジブ先端辺と前記吊荷との相対角度である吊荷旋回角（ζ）と、前記ジブ先端辺と前記吊具との相対角度である吊具旋回角（β）とを検出し、予め設定されている目標吊荷旋回角（ζ ref ）と前記吊荷旋回角（ζ）との偏差、前記吊荷旋回角（ζ）の微分値である吊荷旋回角速度（ζ’）、前記吊具旋回角（β）及び前記吊具旋回角（β）の微分値である吊具旋回角速度（吊具角速度）（β’）を変数とする前記旋回モータへのモータ制御指令値を算出する所定の関係式に基づき、前記旋回モータを制御することを特徴とするクレーンを提供する。
【０００９】
このように、変数として、吊荷旋回角速度（ζ’）及び吊具旋回角速度（β’）をも使用することにより、吊具及び吊荷の変位状態をより詳細に反映させた制御を行うことが可能となる。この結果、旋回振れを極めて小さい振れに抑えながら、吊荷の旋回角を速やかに目標旋回角まで到達させることが可能となる。
なお、本文中においては、各記号の一回微分には（’）を、二回微分には（”）を、各々付して示すこととする。例えば、記号βの一回微分はβ’、二回微分はβ”の如きである。各数式及び図面においては、各記号上側に点を付して、微分された量であることを示している（一回微分は点一つ、二回微分は点二つ）が、本文中における（’）、（”）は、これらに各々対応するものである。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のクレーンにおいて、ジブ先端に取り付けられたカメラと旋回モータを介して吊具に吊るされるスプレッダに取り付けられたマーカとにより前記吊荷旋回角（ζ）を検出し、前記旋回モータに取り付けられた旋回相対角検出手段により吊具と吊荷との相対角度である旋回相対角（θ）を求め、前記吊荷旋回角（ζ）から当該旋回相対角（θ）を減算することにより前記吊具旋回角（β）を検出することを特徴とする。
【００１１】
上記旋回相対角検出手段は旋回モータに取り付けられているエンコーダであり、また、ジブに設けられているカメラで吊荷に付されているマーカを撮影し、撮影した画像からマーカの変位を検出することにより吊荷旋回角ζを求めるものである。
ここで、上記エンコーダによる旋回相対角の検出もカメラ等による吊荷旋回角検出も従来から良く知られた技術であり、クレーンにはよく設けられている検出手段である。従って、クレーンに既に設けられているような各種検出手段によって検出された検出値に基づいて吊具旋回角を算出することにより、非常に簡単に吊具旋回角を取得することができ、しかも、吊具旋回角を検出するための新たなセンサ等の設置を不要とすることができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載のクレーンにおいて、前記所定の関係式は、前記変数にそれぞれ固有の比例ゲインが乗算されるものであることを特徴とする。
【００１３】
このように、吊具と吊荷の状態変数に適切な比例ゲインを乗算することにより、旋回振れを抑えながら、吊荷の旋回角を速やかに目標旋回角まで回転させることが可能となる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のクレーンにおいて、前記比例ゲインは、前記目標吊荷旋回角と前記吊荷旋回角との偏差及び前記吊具旋回角をともに０に収束させることを条件として最適制御理論に基づいて決定される値であることを特徴とする。
【００１５】
このように、所定の関係式における比例ゲインを最適な値に決定することにより、吊具及び吊荷の旋回振れを抑えながら、極めて効率よく吊荷を目標旋回角まで旋回させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。
以下、本発明の一実施形態に係る吊荷旋回制御装置が適用されるクレーンとして、モバイルハーバクレーンを例に挙げた場合について説明する。
【００１９】
（１）モバイルハーバクレーンの概要
図１はモバイルハーバクレーン全体の概略図である。
図１において、符号１は港湾設備として用いられて好適なモバイルハーバクレーン（以下、単に「機体」ともいう。）を示している。このモバイルハーバクレーンの機体１は、複数のアウトリガ１２を備えたキャリアフレーム１１と、該キャリアフレーム１１に載上された旋回フレーム１３及び本体フレーム１４と、本体フレーム１４に取り付けられたジブ２とを主たる構成とする。
【００２０】
キャリアフレーム１１は、このほぼ両端側から長手方向に対して直角となる方向に各アウトリガ１２を張り出して機体１の安定を確保している。
そして、アウトリガ１２がキャリアフレーム１１に格納された場合は、図示しない走行タイヤ等によって港湾の構内を移動可能としている。
【００２１】
キャリアフレーム１１のほぼ中央部には、円環状の旋回ベアリング（図示せず）が設けられ、これを介して旋回フレーム１３が載上されている。旋回ベアリングの周部にはラック状の歯が形成され、旋回駆動装置（図示せず）に取り付けられたピニオン（図示せず）が噛み合わされている。なお、旋回駆動装置は旋回フレーム１３側に取り付けられている。
【００２２】
従って、旋回フレーム１３は、ピニオンの回転によって旋回ベアリング１６の中心で３６０度回転可能とされている。なお、旋回ベアリング１６の中心は旋回中心Ｏをいうものであり、クレーンでの荷役作業を行う上での作業半径の中心を意味している。
また、旋回フレーム１３の旋回中心Ｏ付近には、キャリアフレーム１１に対して旋回フレーム１３の旋回方向を検出する旋回各検出装置５ａが備わり、制御部１０と点線で示されるケーブルによって接続されている。
【００２３】
旋回フレーム１３上には、ジブ２の基端部を回動可能に支持する本体フレーム１４と、吊具１５に繋がる２本のロープ３，３ｂ（「ワイヤ」ともいう）をそれぞれ巻き取るウインチ４，４ｂ（図示せず）と、ジブ２を起伏させるシリンダ６と、オペレータが登場してクレーン操作を行う運転室（図示せず）とが主として設けられている（ロープ３ｂについては、図２を参照）。
なお、ロープ３ｂはロープ３と並行に、ウインチ４ｂはウインチ４と並行にそれぞれ図の奥方向に設けられている。また、ウインチ４及び４ｂには、ロープ３、ロープ３ｂの繰り出し状態を検出するエンコーダ４Ａ１、４Ａ２（図示せず）が設けられている。
【００２４】
本体フレーム１４は、棒状の部材が複数組み合わされたトラス構造として形成されている、この本体フレーム１４のほぼ中間に当たる位置には、ジブ２の基端部（図において左側）がジブフートピン（図示せず）を介して取り付けられている。
ジブは、トラス構造の長尺な形状で形成されており、この一端である基端部は上述したように本体フレーム１４に回動可能に支持されている。また、ジブ２の基端部からわずかに先端側に位置した下側には、シリンダ６のロッド側端部が図示しないピンを介して回道可能に取り付けられ、ジブ２の支持がなされている。このシリンダ６のボトム側端部は旋回フレーム１３の前部にピン（図示せず）を介して回動可能に取り付けられている。
ジブ２は、該シリンダ６の伸縮動作によってジブフートピンを中心に起伏動作がなされ、ジブ先端Ｈにおける荷役作業の作業半径が規定されることになる。
【００２５】
続いて、図２及び図３を参照することにより、ジブ先端Ｈから吊具１５、吊荷Ｇまでの構成について説明する。ここで、図２は、ジブ先端Ｈからコンテナ１９までを図１のＳ方向から見たときの図であり、図３は旋回モータ１６の制御系を示す概略図である。
【００２６】
まず、ロープ３及び３ｂは、一端部が吊具１５に固定されており、他端部が図１に示した旋回フレーム２上に設置されたウインチ４、４ｂによってそれぞれ巻き取られるようになっている。このように、ウインチ４及び４ｂによってロープ３、３ｂがそれぞれ巻き取られることにより、吊具１５が上方に移動することになる。また、ウインチ４の逆回転動作によって吊具１５は下方に移動することになる。また、この吊具１５の上下移動に伴い、吊具１５の下方にロープ３０を介してつり下げられているスプレッダ１８及びコンテナ１９（以下、これらをまとめて「吊荷Ｇ」とする）も上下移動する。
【００２７】
吊具１５の下側には、旋回モータ１６が設けられており、更に、旋回モータ１６の下側には、フック１７が設けられている。また、フック１７によってロープ３０を介してスプレッダ１８が吊り下げられている。
旋回モータ１６には、エンコーダ（図示せず）が取り付けられており、このエンコーダが吊具１５に対する吊荷の相対角度である旋回相対角θを検出する。そして、検出した旋回相対角θを制御装置５０へ送信する。なお、この制御装置５０は、上述した制御部１０（図１参照）の一部に設けられているものである。
【００２８】
また、スプレッダ１８の上面には、マーカ２０，２１が付されており、このマーカの位置をジブ先端Ｈの左右両端に設けられたカメラ２２、２３によってそれぞれ撮像し、この映像を画像処理部（図示せず）へ送信する。画像処理部は、左右のマーカ位置を検出し、両者の変位差を左右マーカ間の距離で割ることにより、ジブ先端Ｈに対する吊荷の相対角度である吊荷旋回角ζを検出する。そして、検出した吊荷旋回角ζを制御部１０へ送信する。
【００２９】
制御装置５０は、カメラの画像処理部によって検出された吊荷旋回角ζと、旋回モータ１６に取り付けられたエンコーダによって検出された旋回相対角θと、上位計算機によって算出される、又はクレーンの運転手によって入力された目標吊荷旋回角ζrefとを入力信号として受け取り、実際の吊荷旋回角ζが目標吊荷旋回角ζrefに一致するような旋回モータ１６のモータ制御指令値ｕを求め、このモータ制御指令値ｕを旋回モータ１６の駆動制御部（図示せず）へ出力する。これにより、旋回モータの駆動制御部がモータ制御指令値ｕに基づいて旋回モータ１６を駆動する。実際には、インバータ等に流れる電流を制御する。このようにモータ制御指令値ｕに基づいて旋回モータが回転することにより、この回転に伴って、旋回モータ１６に取り付けられているフック１７により支持されているロープ３０の吊具側の支持端が回転し、吊荷Ｇを旋回させることができる。
【００３０】
なお、図３において、本実施形態における吊荷旋回制御装置は、吊荷旋回角ζを検出する吊荷旋回角取得手段としてのマーカ２０．２１、カメラ２２，２３、及び画像処理部（図示せず）と、旋回相対角検出手段としてのエンコーダ（図示せず）と、制御装置５０と、旋回モータ１６の駆動制御を行う駆動制御部（図示せず）とを主な構成要素とする。
【００３１】
（２）各種パラメータの定義について
ここで、図６を参照して、上述した吊荷旋回角ζ、旋回相対角θ、吊具角β等の定義付けを行う。なお、図６では、簡単のため、ロープ３０を省略している。
【００３２】
今、ジブ先端Ｈにおけるロープ３、ロープ３ｂのそれぞれの端部をＥ１，Ｅ２とし、一方、吊具１５側のロープ３，３ｂの端部をＥ３，Ｅ４と定めた場合、ジブ先端Ｈの上辺（これを基準線ｑとする）と端部Ｅ１と端部Ｅ２とを結ぶ線とがなす角を支点角φとする。また、このとき、端部Ｅ１と端部Ｅ２とを結ぶ線と端部Ｅ３と端部Ｅ４とを結ぶ線とがなす角を吊具角βとする。また、端部Ｅ３と端部Ｅ４とを結ぶ線と吊荷Ｇの長手方向の辺とがなす角を旋回相対角θとする。即ち、この旋回相対角θは、吊具１５と吊荷Ｇとの相対角度である。
また、ジブ先端から吊具１５までのロープの長さをロープ長ｌとする。即ち、ロープ長ｌ＝端部Ｅ１から端部Ｅ３までの距離＝端部Ｅ２から端部Ｅ４までの距離とする。また、吊具の質量を吊具質量ｍ、吊荷の質量を吊荷質量Ｍとする。ここで、吊荷質量Ｍは、スプレッダ１８の質量とコンテナ１９の質量との和である。また、ジブ先端Ｈにおける２本のロープ間の距離、即ち端部Ｅ１から端部Ｅ２までの距離を距離２ｄとする。
【００３３】
なお、本実施形態においては、ジブ先端Ｈにおいて、ロープ３、３ｂは、ほぼ固定されている状態と代わらない。従って、支点角φ＝０とすることができる。これにより、吊具角βは基準線ｑに対する吊具の角度と見なすことができる。また、基準線ｑに対する吊荷の角度、即ち吊荷旋回角度ζは、吊具角βと旋回相対角θとの和（ζ＝β＋θ）で表すことができる。
【００３４】
（３）本実施形態に係る吊荷旋回制御装置の制御系について
次に、図４は、図３に示した吊荷旋回制御装置の制御系の概念を示した図である。同図に示すように、制御装置５０には、検出信号として吊荷旋回角ζと旋回相対角θが入力されるとともに、目標吊荷旋回角ζrefが入力される。
制御装置５０は、これらの入力情報に基づいてモータ制御指令値ｕを算出し、出力する。更に、吊荷旋回角ζが目標吊荷旋回角ζrefと一致するように、検出値として吊荷旋回角ζと旋回相対角θとをフィードバック制御する。
このように、上記モータ制御指令値ｕに基づくモータ駆動を行うことにより変位した吊荷旋回角ζと旋回相対角θとをフィードバック制御することにより、吊荷Ｇの旋回角を効率よく目標吊荷旋回角ζrefに一致させることができる。
【００３５】
（４）制御装置５０の制御ロジックについて
次に、図５に制御装置５０の制御ロジックを示す。まず、制御装置５０は目標吊荷旋回角ζrefと吊荷旋回角ζとの偏差（ζref−ζ）と、吊具角βと、旋回モータ１６を駆動するためのモータ制御指令値ｕとが対応付けられた所定の関係式に基づいて、モータ制御指令値ｕを算出する制御演算器６５と、荷旋回角ζと旋回相対角θの検出値をフィードバックするとともに、所定の関係式に代入する各変数をフィードバックした吊荷旋回角ζと旋回相対角θとから算出するフィードバック制御部６６とからなる。
【００３６】
フィードバック制御部６６は、フィードバックさせた吊荷旋回角ζを目標吊荷旋回角ζrefから減算して偏差を求める減算器６１と、吊荷旋回角ζを微分して吊荷旋回角速度ζ’を算出する微分器６２と、吊荷旋回角ζから旋回相対角θを減算して吊具旋回角βを算出する減算器６３と、減算器６３によって求められた吊具旋回角βを微分して吊具旋回角速度β’を算出する微分器６４とを備え、これら算出結果を制御演算器６５へ出力する。
なお、本文中においては、各記号の一回微分には（’）を、二回微分には（”）を、各々付して示すこととする。例えば、記号βの一回微分はβ’、二回微分はβ”の如きである。各数式及び図面においては、各記号上側に点を付して、微分された量であることを示している（一回微分は点一つ、二回微分は点二つ）が、本文中における（’）、（”）は、これらに各々対応するものである。
【００３７】
制御演算器６５は、フィードバック制御部６６から入力された各算出値を以下に示す所定の関係式（１）に代入し、
【数１】
モータ制御指令値ｕを得る。
【００３８】
なお、上記関係式（１）において、ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４は比例ゲインであり、吊荷旋回角ζと目標吊荷旋回角ζrefとの偏差、及び吊具角βを、ともに０に収束させることを条件として、最適制御理論に基づいて決定した値である。なお、この比例ゲインの決定に係る手順は後述する。
【００３９】
上述したように、本実施形態による吊荷旋回制御装置によれば、吊荷及び吊具の挙動を表すことができる変数である吊具角β及び吊荷旋回角ζと、目標吊荷旋回角ζrefと、旋回モータのモータ制御指令値ｕとを対応付けた所定の関係式を用いて、旋回モータのモータ制御指令値ｕを算出し、このモータ制御指令値ｕを用いて旋回モータを駆動し、更に、吊具及び吊荷の変位状態を表す吊荷旋回角ζ及び旋回相対角θをフィードバック制御する。
これにより、自動的に吊荷旋回角を目標吊荷旋回角に一致させることができ、吊荷の旋回に係る作業者の労力を著しく軽減させることができる。
更に、所定の関係式における比例ゲインを最適な値に決定することにより、吊具及び吊荷の旋回振れを抑えながら、極めて効率よく吊荷を目標旋回角まで旋回させることができる。
また、変数として、検出値の微分値（具体的には、吊荷旋回角速度ζ’及び吊具角速度β’）をも使用することにより、吊具及び吊荷の変位状態をより詳細に反映させた制御を行うことが可能となる。
【００４０】
（５）比例ゲインｋ１〜ｋ４の決定及び、本発明における吊荷旋回制御装置の検証を目的として実施したシミュレーションについて
【００４１】
（５−１）制御対象全体の状態方程式の導出
まず、式（１）における比例ゲインｋ１〜ｋ４を決定するためのシミュレーションを行うためには、吊具１５と吊荷Ｇと旋回モータとの関係を表す制御対象全体の状態方程式が必要となる。
従って、まず、シミュレーションに必須となる制御対象全体の状態方程式の導出について説明する。
【００４２】
まず、図６に示した吊具と吊荷との関係において、吊具１５と吊荷Ｇの旋回運動についての運動方程式を導く。
今、吊具角β＝０の場合に、吊具１５及び吊荷Ｇは最下点にあるものとし、吊具角β≠０の場合に、それぞれの最下点に対する吊具１５と吊荷Ｇの移動距離ｚは次の式（２）で表される。
【数２】
ここで、運動エネルギーＴは次の式（３）で表される。
【数３】
また、このときの位置エネルギＶは次の式（４）で表される。
【数４】
【００４３】
続いて、上記式（２）〜式（４）を次の式（５）に示すLagrangeの方程式に適用し、ロープ長ｌが時変であるとして、吊具角β、旋回相対角θとについての運動方程式を導く。
【数５】
【００４４】
続いて、上記式（５）に示した運動方程式に対して、制御系設計を行うための線形化を行う。
まず、ロープ長ｌに関してｌ’＝ｌ”＝０とする。
また、β≪１とすると、sinβ≒β、cosβ＝１となる。
これらを上記式（５）の運動方程式に代入し、吊具角βに関する２次以上の項を無視すると、次の２つの式（６）、式（７）が導出される。
【００４５】
【数６】
【数７】
【００４６】
更に、上記式（６）、式（７）は、それぞれ以下のように変形できる。
【数８】
【数９】
【００４７】
上記式（８）、式（９）において、Ａ１は以下に示す式（１０）の通りである。
【数１０】
上記式（１０）から状態ベクトルをｘ＝［β，β’，θ，θ’］として、次の状態方程式（１１）を導出することができる。
【数１１】
【００４８】
次に、これまで導出してきた旋回運動についての状態方程式に対して、アクチュエータである旋回モータ１６の数式モデルを加え、制御対象全体としての状態方程式を導出する。ここで、旋回モータ１６の数式モデルは以下に示すような式で表される。
【数１２】
【００４９】
ここで、ｆは旋回モータ１６による駆動トルク、ｕは旋回モータ１６の駆動を制御するためのモータ制御指令値（例えば、速度指令値）、Ｋｐ及びＴＩは各々モータ制御系の比例ゲインと積分ゲイン、Ｉｍはモータ＋ギヤのギヤ出側軸換算の慣性モーメントである。
ここで、ｕの積分量ｕＩを状態量として追加し、状態ベクトルｘをｘ＝［β，β’，θ，θ’，ｕＩ］と定義すると、旋回モータ１６の数式モデルは以下の式（１３）に示すようになる。
【数１３】
【００５０】
上記式（１３）を旋回運動の状態方程式である式（１１）と合わせて、制御対象全体の状態方程式を導出すると、以下に示す式（１４）が得られる。
【数１４】
【００５１】
（５−２）シミュレーションの実施
続いて、比例ゲインｋ１〜ｋ４の決定及び、本発明における吊荷旋回制御装置の検証を目的として実施したシミュレーションについて述べる。
まず、ここでのシミュレータのブロック図は、図４に示したブロック図と同様である。ただし、制御対象５２として、上述したようにして導出された制御対象全体の状態方程式である（１４）式を使用した。また、制御装置５０は、図５に示したものである。また、制御対象の各種パラメータは、図７に示した通りである。これら各種パラメータの設定値としては、できるだけ実機図面等から決まる具体的な値を使用した。
【００５２】
次に、比例ゲインｋ１〜ｋ４の決定までの手順について説明する。
まず、制御対象全体の状態方程式は、式（１４）に示した通り以下の式（１５）で与えられる。
【数１５】
【００５３】
また、評価関数は以下の式（１６）のように設定した。
【数１６】
ここで、上記式（１６）において、Ｑは５×５、ｒは１×１の重み行列と呼ばれる調整パラメータである。また、式（１５）において、Ａ’、Ｂ’は、上記式（１０）、（１１）、（１３）より導出されるＡ、Ｂ、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３の値を、式（１４）の各種式に代入することにより得られる定数行列である。
【００５４】
そして、市販の制御系設計ツールＭＡＴＬＡＢを用いて、評価関数Ｊを最小化する（小さなｕでｘを速やかにゼロにする）ような、式（１７）における比例ゲインｋ１〜ｋ４を求めた。
【数１７】
【００５５】
ここで、Ｑ、ｒは調整パラメータであり、上記シミュレーションを繰り返し行い、以下の評価条件で調整を行った。
（条件１）吊荷旋回角ζが目標吊荷旋回角ζrefに速やかに制定すること
（条件２）発生した吊具角度β、即ち吊具の振れが速やかに減衰すること
【００５６】
この結果、上記調整パラメータＱ、ｒは以下の式（１８）に示すような値に決定した。
【数１８】
更に、そのときの比例ゲインｋ１〜ｋ４、即ち、吊荷旋回制御を行うための適切な比例ゲインとして、図８に示すような値が得られた。
【００５７】
続いて、同様のシミュレータを使用して、本実施形態に係る吊荷旋回制御装置の検証を行った。なお、ここで使用した比例ゲインｋ１〜ｋ４は、図８に示す値である。このときのシミュレーション結果を図９に示す。
図９に示したシミュレーション結果の各種条件としては、図７に示したように各種パラメータの値を設定し、また、初期設定として目標吊荷旋回角ζref＝ゼロ、吊具角β＝ゼロ、旋回相対角θ＝０．１radとした。即ち、この場合、吊荷旋回角ζは、
ζ＝β＋θ＝０．１rad
であるので、制御装置５０は、吊荷旋回角ζが目標吊荷旋回角である０radとなるように、旋回モータのモータ制御指令値ｕを、吊具及び吊荷の状態量［β，β’，θ，θ’］をフィードバック制御しながら求めることとなる。
【００５８】
この結果、図９（ａ）に示すようなパターンで、旋回モータ１６の制御指令値ｕが求められ、この制御指令値ｕに基づくモータ制御がされることによって、図９（ｂ）〜（ｄ）に示すように、吊荷旋回角ζ、吊具角β、旋回相対角θが変化し、制御開始から約２０秒経過後あたりで、吊荷旋回角ζが目標吊荷旋回角ζrefであるゼロに収束し、吊具角βがゼロに収束した。
これにより、本発明による吊荷旋回制御装置の有効性が検証できた。
【００５９】
以上、本発明の一実施形態における吊荷旋回制御装置について説明してきたが、図５に示した制御装置５０の各機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各種の処理を実行してもよい。
なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
【００６０】
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ等の光ディスク、ＭＯ，ＭＤ等の光磁気ディスク、ＨＤＤ，ＦＤ等の磁気記憶媒体、フラッシュメモリ等の半導体メモリなどの可搬型記録媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。
さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
【００６１】
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。
【００６２】
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、ジブ先端から吊具をつり下げ、該吊具からロープを介して吊荷を吊り下げ、該吊具に設けられた旋回モータによって、ロープの吊具側の支持端を回転させて吊荷を旋回させるクレーンにおいて、前記ジブ先端辺と前記吊荷との相対角度である吊荷旋回角（ζ）と、前記ジブ先端辺と前記吊具との相対角度である吊具旋回角（吊具角）（β）とを検出し、予め設定されている目標吊荷旋回角（ζ ref ）と前記吊荷旋回角（ζ）との偏差（ζ ref −ζ）及び前記吊具旋回角（β）を変数とする前記旋回モータへのモータ制御指令値（ｕ）を算出する所定の関係式に基づき、前記旋回モータを制御するので、自動的に吊荷旋回角を目標吊荷旋回角に一致させることができ、吊荷の旋回に係る作業者の労力を著しく軽減させることができる。
【００６４】
また、請求項２に記載の発明によれば、モータ制御指令値ｕを算出するための変数として、吊荷旋回角速度（ζ’）及び吊具旋回角速度（β’）をも使用するので、吊具及び吊荷の変位状態をより詳細に反映させた制御を行うことが可能となる。この結果、旋回振れを極めて小さい振れに抑えながら、吊荷の旋回角を速やかに目標旋回角まで回転させることができる。
【００６５】
また、請求項３に記載の発明によれば、従来から良く知られた技術であり、一般的にクレーンに用いられている技術を用いて、簡単に吊具角を取得することができるため、吊具角を検出するための新たなセンサ等の設置を不要とすることができる。
【００６６】
また、請求項４に記載の発明によれば、吊具と吊荷の状態変数に適切な比例ゲインを乗算することにより、旋回振れを抑えながら、吊荷の旋回角を速やかに目標旋回角まで回転させることが可能となる。
【００６７】
また、請求項５に記載の発明によれば、比例ゲインは、吊荷旋回角と目標吊荷旋回角との偏差、及び吊具角を、ともに０に収束させる、最適な値に設定されているため、吊具及び吊荷の旋回振れを抑えながら、極めて効率よく吊荷を目標旋回角まで旋回させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一般的なモバイルハーバクレーンの概略図である。
【図２】 ジブ先端Ｈからコンテナまでを図１のＳ方向から見たときの図である。
【図３】 旋回モータ１６の制御系を示す概略図である。
【図４】 図３に示した吊荷旋回制御装置の制御系の概念を示した図である。
【図５】 制御装置５０の制御ロジックを示す図である。
【図６】 各種パラメータを定義するための吊荷と吊具との関係を示す図である。
【図７】 シミュレーションにおける各種パラメータの設定値を示した図である。
【図８】 シミュレーションによって得られた比例ゲインｋ１〜ｋ４の値を示す図である。
【図９】 本発明の一実施形態に係る吊荷旋回制御装置の実現性を検証するシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
３，３ｂ，３０ ロープ
１５ 吊具
１６ 旋回モータ
１７ フック
１８ スプレッダ
１９ コンテナ
２０，２１ マーカ
２２，２３ カメラ
５０ 制御装置
５２ 制御対象
６１，６３ 減算器
６２，６４ 微分器
６５ 制御演算器（制御演算手段）
６６ フィードバック制御部（フィードバック制御手段）
Ｈ ジブ先端
Ｇ 吊荷
ζref 目標吊荷旋回角
ζ 吊荷旋回角
θ 旋回相対角
ｕ モータ制御指令値
【発明の属する技術分野】
本発明は、吊荷の旋回振れを低減させながら速やかに吊荷を旋回させることが可能なクレーンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ジブ先端から吊具をつり下げ、該吊具からロープを介して吊荷を吊り下げ、該吊具に設けられた旋回モータによって、ロープの吊具側の支持端を回転させて吊荷を旋回させるようなモバイルハーバクレーンにおいて、船上の岸壁と垂直方向に置かれたコンテナを陸上に岸壁と並行に陸揚げすることが要求された場合、コンテナの旋回制御は、クレーンの運転手が手動操作で旋回モータを制御することにより行う。（特許文献１等参照。）
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２４６１７０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、旋回モータを回転させると、吊荷を旋回させる反力により吊具が旋回振れを起こしてしまう。そして、その吊具の振れが吊荷に作用してしまうことにより、吊荷も旋回振れを起こしてしまう。
このように、吊具と吊荷とが、ともに旋回振れを起こしている状況下での吊荷の旋回制御は、熟練したクレーンの運転手でも非常に困難なものであり、労力を要する作業であった。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、吊荷の旋回を自動化することにより、吊荷旋回に係る作業者の労力を軽減させるクレーンを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、ジブ先端から吊具をつり下げ、該吊具からロープを介して吊荷を吊り下げ、該吊具に設けられた旋回モータによって、ロープの吊具側の支持端を回転させて吊荷を旋回させるクレーンにおいて、前記ジブ先端辺と前記吊荷との相対角度である吊荷旋回角（ζ）と、前記ジブ先端辺と前記吊具との相対角度である吊具旋回角（吊具角）（β）とを検出し、予め設定されている目標吊荷旋回角（ζ ref ）と前記吊荷旋回角（ζ）との偏差（ζ ref −ζ）及び前記吊具旋回角（β）を変数とする前記旋回モータへのモータ制御指令値（ｕ）を算出する所定の関係式に基づき、前記旋回モータを制御することを特徴とするクレーンを提供する。
【０００７】
このように、所定の関係式を用いて、旋回モータのモータ制御指令値ｕを算出し、このモータ制御指令値ｕを用いて旋回モータを制御することにより、自動的に吊荷旋回角を目標吊荷旋回角に一致させることができ、吊荷の旋回に係る作業者の労力を著しく軽減させることができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、ジブ先端から吊具をつり下げ、該吊具からロープを介して吊荷を吊り下げ、該吊具に設けられた旋回モータによって、ロープの吊具側の支持端を回転させて吊荷を旋回させるクレーンにおいて、前記ジブ先端辺と前記吊荷との相対角度である吊荷旋回角（ζ）と、前記ジブ先端辺と前記吊具との相対角度である吊具旋回角（β）とを検出し、予め設定されている目標吊荷旋回角（ζ ref ）と前記吊荷旋回角（ζ）との偏差、前記吊荷旋回角（ζ）の微分値である吊荷旋回角速度（ζ’）、前記吊具旋回角（β）及び前記吊具旋回角（β）の微分値である吊具旋回角速度（吊具角速度）（β’）を変数とする前記旋回モータへのモータ制御指令値を算出する所定の関係式に基づき、前記旋回モータを制御することを特徴とするクレーンを提供する。
【０００９】
このように、変数として、吊荷旋回角速度（ζ’）及び吊具旋回角速度（β’）をも使用することにより、吊具及び吊荷の変位状態をより詳細に反映させた制御を行うことが可能となる。この結果、旋回振れを極めて小さい振れに抑えながら、吊荷の旋回角を速やかに目標旋回角まで到達させることが可能となる。
なお、本文中においては、各記号の一回微分には（’）を、二回微分には（”）を、各々付して示すこととする。例えば、記号βの一回微分はβ’、二回微分はβ”の如きである。各数式及び図面においては、各記号上側に点を付して、微分された量であることを示している（一回微分は点一つ、二回微分は点二つ）が、本文中における（’）、（”）は、これらに各々対応するものである。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のクレーンにおいて、ジブ先端に取り付けられたカメラと旋回モータを介して吊具に吊るされるスプレッダに取り付けられたマーカとにより前記吊荷旋回角（ζ）を検出し、前記旋回モータに取り付けられた旋回相対角検出手段により吊具と吊荷との相対角度である旋回相対角（θ）を求め、前記吊荷旋回角（ζ）から当該旋回相対角（θ）を減算することにより前記吊具旋回角（β）を検出することを特徴とする。
【００１１】
上記旋回相対角検出手段は旋回モータに取り付けられているエンコーダであり、また、ジブに設けられているカメラで吊荷に付されているマーカを撮影し、撮影した画像からマーカの変位を検出することにより吊荷旋回角ζを求めるものである。
ここで、上記エンコーダによる旋回相対角の検出もカメラ等による吊荷旋回角検出も従来から良く知られた技術であり、クレーンにはよく設けられている検出手段である。従って、クレーンに既に設けられているような各種検出手段によって検出された検出値に基づいて吊具旋回角を算出することにより、非常に簡単に吊具旋回角を取得することができ、しかも、吊具旋回角を検出するための新たなセンサ等の設置を不要とすることができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載のクレーンにおいて、前記所定の関係式は、前記変数にそれぞれ固有の比例ゲインが乗算されるものであることを特徴とする。
【００１３】
このように、吊具と吊荷の状態変数に適切な比例ゲインを乗算することにより、旋回振れを抑えながら、吊荷の旋回角を速やかに目標旋回角まで回転させることが可能となる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のクレーンにおいて、前記比例ゲインは、前記目標吊荷旋回角と前記吊荷旋回角との偏差及び前記吊具旋回角をともに０に収束させることを条件として最適制御理論に基づいて決定される値であることを特徴とする。
【００１５】
このように、所定の関係式における比例ゲインを最適な値に決定することにより、吊具及び吊荷の旋回振れを抑えながら、極めて効率よく吊荷を目標旋回角まで旋回させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。
以下、本発明の一実施形態に係る吊荷旋回制御装置が適用されるクレーンとして、モバイルハーバクレーンを例に挙げた場合について説明する。
【００１９】
（１）モバイルハーバクレーンの概要
図１はモバイルハーバクレーン全体の概略図である。
図１において、符号１は港湾設備として用いられて好適なモバイルハーバクレーン（以下、単に「機体」ともいう。）を示している。このモバイルハーバクレーンの機体１は、複数のアウトリガ１２を備えたキャリアフレーム１１と、該キャリアフレーム１１に載上された旋回フレーム１３及び本体フレーム１４と、本体フレーム１４に取り付けられたジブ２とを主たる構成とする。
【００２０】
キャリアフレーム１１は、このほぼ両端側から長手方向に対して直角となる方向に各アウトリガ１２を張り出して機体１の安定を確保している。
そして、アウトリガ１２がキャリアフレーム１１に格納された場合は、図示しない走行タイヤ等によって港湾の構内を移動可能としている。
【００２１】
キャリアフレーム１１のほぼ中央部には、円環状の旋回ベアリング（図示せず）が設けられ、これを介して旋回フレーム１３が載上されている。旋回ベアリングの周部にはラック状の歯が形成され、旋回駆動装置（図示せず）に取り付けられたピニオン（図示せず）が噛み合わされている。なお、旋回駆動装置は旋回フレーム１３側に取り付けられている。
【００２２】
従って、旋回フレーム１３は、ピニオンの回転によって旋回ベアリング１６の中心で３６０度回転可能とされている。なお、旋回ベアリング１６の中心は旋回中心Ｏをいうものであり、クレーンでの荷役作業を行う上での作業半径の中心を意味している。
また、旋回フレーム１３の旋回中心Ｏ付近には、キャリアフレーム１１に対して旋回フレーム１３の旋回方向を検出する旋回各検出装置５ａが備わり、制御部１０と点線で示されるケーブルによって接続されている。
【００２３】
旋回フレーム１３上には、ジブ２の基端部を回動可能に支持する本体フレーム１４と、吊具１５に繋がる２本のロープ３，３ｂ（「ワイヤ」ともいう）をそれぞれ巻き取るウインチ４，４ｂ（図示せず）と、ジブ２を起伏させるシリンダ６と、オペレータが登場してクレーン操作を行う運転室（図示せず）とが主として設けられている（ロープ３ｂについては、図２を参照）。
なお、ロープ３ｂはロープ３と並行に、ウインチ４ｂはウインチ４と並行にそれぞれ図の奥方向に設けられている。また、ウインチ４及び４ｂには、ロープ３、ロープ３ｂの繰り出し状態を検出するエンコーダ４Ａ１、４Ａ２（図示せず）が設けられている。
【００２４】
本体フレーム１４は、棒状の部材が複数組み合わされたトラス構造として形成されている、この本体フレーム１４のほぼ中間に当たる位置には、ジブ２の基端部（図において左側）がジブフートピン（図示せず）を介して取り付けられている。
ジブは、トラス構造の長尺な形状で形成されており、この一端である基端部は上述したように本体フレーム１４に回動可能に支持されている。また、ジブ２の基端部からわずかに先端側に位置した下側には、シリンダ６のロッド側端部が図示しないピンを介して回道可能に取り付けられ、ジブ２の支持がなされている。このシリンダ６のボトム側端部は旋回フレーム１３の前部にピン（図示せず）を介して回動可能に取り付けられている。
ジブ２は、該シリンダ６の伸縮動作によってジブフートピンを中心に起伏動作がなされ、ジブ先端Ｈにおける荷役作業の作業半径が規定されることになる。
【００２５】
続いて、図２及び図３を参照することにより、ジブ先端Ｈから吊具１５、吊荷Ｇまでの構成について説明する。ここで、図２は、ジブ先端Ｈからコンテナ１９までを図１のＳ方向から見たときの図であり、図３は旋回モータ１６の制御系を示す概略図である。
【００２６】
まず、ロープ３及び３ｂは、一端部が吊具１５に固定されており、他端部が図１に示した旋回フレーム２上に設置されたウインチ４、４ｂによってそれぞれ巻き取られるようになっている。このように、ウインチ４及び４ｂによってロープ３、３ｂがそれぞれ巻き取られることにより、吊具１５が上方に移動することになる。また、ウインチ４の逆回転動作によって吊具１５は下方に移動することになる。また、この吊具１５の上下移動に伴い、吊具１５の下方にロープ３０を介してつり下げられているスプレッダ１８及びコンテナ１９（以下、これらをまとめて「吊荷Ｇ」とする）も上下移動する。
【００２７】
吊具１５の下側には、旋回モータ１６が設けられており、更に、旋回モータ１６の下側には、フック１７が設けられている。また、フック１７によってロープ３０を介してスプレッダ１８が吊り下げられている。
旋回モータ１６には、エンコーダ（図示せず）が取り付けられており、このエンコーダが吊具１５に対する吊荷の相対角度である旋回相対角θを検出する。そして、検出した旋回相対角θを制御装置５０へ送信する。なお、この制御装置５０は、上述した制御部１０（図１参照）の一部に設けられているものである。
【００２８】
また、スプレッダ１８の上面には、マーカ２０，２１が付されており、このマーカの位置をジブ先端Ｈの左右両端に設けられたカメラ２２、２３によってそれぞれ撮像し、この映像を画像処理部（図示せず）へ送信する。画像処理部は、左右のマーカ位置を検出し、両者の変位差を左右マーカ間の距離で割ることにより、ジブ先端Ｈに対する吊荷の相対角度である吊荷旋回角ζを検出する。そして、検出した吊荷旋回角ζを制御部１０へ送信する。
【００２９】
制御装置５０は、カメラの画像処理部によって検出された吊荷旋回角ζと、旋回モータ１６に取り付けられたエンコーダによって検出された旋回相対角θと、上位計算機によって算出される、又はクレーンの運転手によって入力された目標吊荷旋回角ζrefとを入力信号として受け取り、実際の吊荷旋回角ζが目標吊荷旋回角ζrefに一致するような旋回モータ１６のモータ制御指令値ｕを求め、このモータ制御指令値ｕを旋回モータ１６の駆動制御部（図示せず）へ出力する。これにより、旋回モータの駆動制御部がモータ制御指令値ｕに基づいて旋回モータ１６を駆動する。実際には、インバータ等に流れる電流を制御する。このようにモータ制御指令値ｕに基づいて旋回モータが回転することにより、この回転に伴って、旋回モータ１６に取り付けられているフック１７により支持されているロープ３０の吊具側の支持端が回転し、吊荷Ｇを旋回させることができる。
【００３０】
なお、図３において、本実施形態における吊荷旋回制御装置は、吊荷旋回角ζを検出する吊荷旋回角取得手段としてのマーカ２０．２１、カメラ２２，２３、及び画像処理部（図示せず）と、旋回相対角検出手段としてのエンコーダ（図示せず）と、制御装置５０と、旋回モータ１６の駆動制御を行う駆動制御部（図示せず）とを主な構成要素とする。
【００３１】
（２）各種パラメータの定義について
ここで、図６を参照して、上述した吊荷旋回角ζ、旋回相対角θ、吊具角β等の定義付けを行う。なお、図６では、簡単のため、ロープ３０を省略している。
【００３２】
今、ジブ先端Ｈにおけるロープ３、ロープ３ｂのそれぞれの端部をＥ１，Ｅ２とし、一方、吊具１５側のロープ３，３ｂの端部をＥ３，Ｅ４と定めた場合、ジブ先端Ｈの上辺（これを基準線ｑとする）と端部Ｅ１と端部Ｅ２とを結ぶ線とがなす角を支点角φとする。また、このとき、端部Ｅ１と端部Ｅ２とを結ぶ線と端部Ｅ３と端部Ｅ４とを結ぶ線とがなす角を吊具角βとする。また、端部Ｅ３と端部Ｅ４とを結ぶ線と吊荷Ｇの長手方向の辺とがなす角を旋回相対角θとする。即ち、この旋回相対角θは、吊具１５と吊荷Ｇとの相対角度である。
また、ジブ先端から吊具１５までのロープの長さをロープ長ｌとする。即ち、ロープ長ｌ＝端部Ｅ１から端部Ｅ３までの距離＝端部Ｅ２から端部Ｅ４までの距離とする。また、吊具の質量を吊具質量ｍ、吊荷の質量を吊荷質量Ｍとする。ここで、吊荷質量Ｍは、スプレッダ１８の質量とコンテナ１９の質量との和である。また、ジブ先端Ｈにおける２本のロープ間の距離、即ち端部Ｅ１から端部Ｅ２までの距離を距離２ｄとする。
【００３３】
なお、本実施形態においては、ジブ先端Ｈにおいて、ロープ３、３ｂは、ほぼ固定されている状態と代わらない。従って、支点角φ＝０とすることができる。これにより、吊具角βは基準線ｑに対する吊具の角度と見なすことができる。また、基準線ｑに対する吊荷の角度、即ち吊荷旋回角度ζは、吊具角βと旋回相対角θとの和（ζ＝β＋θ）で表すことができる。
【００３４】
（３）本実施形態に係る吊荷旋回制御装置の制御系について
次に、図４は、図３に示した吊荷旋回制御装置の制御系の概念を示した図である。同図に示すように、制御装置５０には、検出信号として吊荷旋回角ζと旋回相対角θが入力されるとともに、目標吊荷旋回角ζrefが入力される。
制御装置５０は、これらの入力情報に基づいてモータ制御指令値ｕを算出し、出力する。更に、吊荷旋回角ζが目標吊荷旋回角ζrefと一致するように、検出値として吊荷旋回角ζと旋回相対角θとをフィードバック制御する。
このように、上記モータ制御指令値ｕに基づくモータ駆動を行うことにより変位した吊荷旋回角ζと旋回相対角θとをフィードバック制御することにより、吊荷Ｇの旋回角を効率よく目標吊荷旋回角ζrefに一致させることができる。
【００３５】
（４）制御装置５０の制御ロジックについて
次に、図５に制御装置５０の制御ロジックを示す。まず、制御装置５０は目標吊荷旋回角ζrefと吊荷旋回角ζとの偏差（ζref−ζ）と、吊具角βと、旋回モータ１６を駆動するためのモータ制御指令値ｕとが対応付けられた所定の関係式に基づいて、モータ制御指令値ｕを算出する制御演算器６５と、荷旋回角ζと旋回相対角θの検出値をフィードバックするとともに、所定の関係式に代入する各変数をフィードバックした吊荷旋回角ζと旋回相対角θとから算出するフィードバック制御部６６とからなる。
【００３６】
フィードバック制御部６６は、フィードバックさせた吊荷旋回角ζを目標吊荷旋回角ζrefから減算して偏差を求める減算器６１と、吊荷旋回角ζを微分して吊荷旋回角速度ζ’を算出する微分器６２と、吊荷旋回角ζから旋回相対角θを減算して吊具旋回角βを算出する減算器６３と、減算器６３によって求められた吊具旋回角βを微分して吊具旋回角速度β’を算出する微分器６４とを備え、これら算出結果を制御演算器６５へ出力する。
なお、本文中においては、各記号の一回微分には（’）を、二回微分には（”）を、各々付して示すこととする。例えば、記号βの一回微分はβ’、二回微分はβ”の如きである。各数式及び図面においては、各記号上側に点を付して、微分された量であることを示している（一回微分は点一つ、二回微分は点二つ）が、本文中における（’）、（”）は、これらに各々対応するものである。
【００３７】
制御演算器６５は、フィードバック制御部６６から入力された各算出値を以下に示す所定の関係式（１）に代入し、
【数１】
【００３８】
なお、上記関係式（１）において、ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４は比例ゲインであり、吊荷旋回角ζと目標吊荷旋回角ζrefとの偏差、及び吊具角βを、ともに０に収束させることを条件として、最適制御理論に基づいて決定した値である。なお、この比例ゲインの決定に係る手順は後述する。
【００３９】
上述したように、本実施形態による吊荷旋回制御装置によれば、吊荷及び吊具の挙動を表すことができる変数である吊具角β及び吊荷旋回角ζと、目標吊荷旋回角ζrefと、旋回モータのモータ制御指令値ｕとを対応付けた所定の関係式を用いて、旋回モータのモータ制御指令値ｕを算出し、このモータ制御指令値ｕを用いて旋回モータを駆動し、更に、吊具及び吊荷の変位状態を表す吊荷旋回角ζ及び旋回相対角θをフィードバック制御する。
これにより、自動的に吊荷旋回角を目標吊荷旋回角に一致させることができ、吊荷の旋回に係る作業者の労力を著しく軽減させることができる。
更に、所定の関係式における比例ゲインを最適な値に決定することにより、吊具及び吊荷の旋回振れを抑えながら、極めて効率よく吊荷を目標旋回角まで旋回させることができる。
また、変数として、検出値の微分値（具体的には、吊荷旋回角速度ζ’及び吊具角速度β’）をも使用することにより、吊具及び吊荷の変位状態をより詳細に反映させた制御を行うことが可能となる。
【００４０】
（５）比例ゲインｋ１〜ｋ４の決定及び、本発明における吊荷旋回制御装置の検証を目的として実施したシミュレーションについて
【００４１】
（５−１）制御対象全体の状態方程式の導出
まず、式（１）における比例ゲインｋ１〜ｋ４を決定するためのシミュレーションを行うためには、吊具１５と吊荷Ｇと旋回モータとの関係を表す制御対象全体の状態方程式が必要となる。
従って、まず、シミュレーションに必須となる制御対象全体の状態方程式の導出について説明する。
【００４２】
まず、図６に示した吊具と吊荷との関係において、吊具１５と吊荷Ｇの旋回運動についての運動方程式を導く。
今、吊具角β＝０の場合に、吊具１５及び吊荷Ｇは最下点にあるものとし、吊具角β≠０の場合に、それぞれの最下点に対する吊具１５と吊荷Ｇの移動距離ｚは次の式（２）で表される。
【数２】
【数３】
【数４】
続いて、上記式（２）〜式（４）を次の式（５）に示すLagrangeの方程式に適用し、ロープ長ｌが時変であるとして、吊具角β、旋回相対角θとについての運動方程式を導く。
【数５】
続いて、上記式（５）に示した運動方程式に対して、制御系設計を行うための線形化を行う。
まず、ロープ長ｌに関してｌ’＝ｌ”＝０とする。
また、β≪１とすると、sinβ≒β、cosβ＝１となる。
これらを上記式（５）の運動方程式に代入し、吊具角βに関する２次以上の項を無視すると、次の２つの式（６）、式（７）が導出される。
【００４５】
【数６】
更に、上記式（６）、式（７）は、それぞれ以下のように変形できる。
【数８】
上記式（８）、式（９）において、Ａ１は以下に示す式（１０）の通りである。
【数１０】
【数１１】
次に、これまで導出してきた旋回運動についての状態方程式に対して、アクチュエータである旋回モータ１６の数式モデルを加え、制御対象全体としての状態方程式を導出する。ここで、旋回モータ１６の数式モデルは以下に示すような式で表される。
【数１２】
ここで、ｆは旋回モータ１６による駆動トルク、ｕは旋回モータ１６の駆動を制御するためのモータ制御指令値（例えば、速度指令値）、Ｋｐ及びＴＩは各々モータ制御系の比例ゲインと積分ゲイン、Ｉｍはモータ＋ギヤのギヤ出側軸換算の慣性モーメントである。
ここで、ｕの積分量ｕＩを状態量として追加し、状態ベクトルｘをｘ＝［β，β’，θ，θ’，ｕＩ］と定義すると、旋回モータ１６の数式モデルは以下の式（１３）に示すようになる。
【数１３】
上記式（１３）を旋回運動の状態方程式である式（１１）と合わせて、制御対象全体の状態方程式を導出すると、以下に示す式（１４）が得られる。
【数１４】
（５−２）シミュレーションの実施
続いて、比例ゲインｋ１〜ｋ４の決定及び、本発明における吊荷旋回制御装置の検証を目的として実施したシミュレーションについて述べる。
まず、ここでのシミュレータのブロック図は、図４に示したブロック図と同様である。ただし、制御対象５２として、上述したようにして導出された制御対象全体の状態方程式である（１４）式を使用した。また、制御装置５０は、図５に示したものである。また、制御対象の各種パラメータは、図７に示した通りである。これら各種パラメータの設定値としては、できるだけ実機図面等から決まる具体的な値を使用した。
【００５２】
次に、比例ゲインｋ１〜ｋ４の決定までの手順について説明する。
まず、制御対象全体の状態方程式は、式（１４）に示した通り以下の式（１５）で与えられる。
【数１５】
また、評価関数は以下の式（１６）のように設定した。
【数１６】
【００５４】
そして、市販の制御系設計ツールＭＡＴＬＡＢを用いて、評価関数Ｊを最小化する（小さなｕでｘを速やかにゼロにする）ような、式（１７）における比例ゲインｋ１〜ｋ４を求めた。
【数１７】
ここで、Ｑ、ｒは調整パラメータであり、上記シミュレーションを繰り返し行い、以下の評価条件で調整を行った。
（条件１）吊荷旋回角ζが目標吊荷旋回角ζrefに速やかに制定すること
（条件２）発生した吊具角度β、即ち吊具の振れが速やかに減衰すること
【００５６】
この結果、上記調整パラメータＱ、ｒは以下の式（１８）に示すような値に決定した。
【数１８】
【００５７】
続いて、同様のシミュレータを使用して、本実施形態に係る吊荷旋回制御装置の検証を行った。なお、ここで使用した比例ゲインｋ１〜ｋ４は、図８に示す値である。このときのシミュレーション結果を図９に示す。
図９に示したシミュレーション結果の各種条件としては、図７に示したように各種パラメータの値を設定し、また、初期設定として目標吊荷旋回角ζref＝ゼロ、吊具角β＝ゼロ、旋回相対角θ＝０．１radとした。即ち、この場合、吊荷旋回角ζは、
ζ＝β＋θ＝０．１rad
であるので、制御装置５０は、吊荷旋回角ζが目標吊荷旋回角である０radとなるように、旋回モータのモータ制御指令値ｕを、吊具及び吊荷の状態量［β，β’，θ，θ’］をフィードバック制御しながら求めることとなる。
【００５８】
この結果、図９（ａ）に示すようなパターンで、旋回モータ１６の制御指令値ｕが求められ、この制御指令値ｕに基づくモータ制御がされることによって、図９（ｂ）〜（ｄ）に示すように、吊荷旋回角ζ、吊具角β、旋回相対角θが変化し、制御開始から約２０秒経過後あたりで、吊荷旋回角ζが目標吊荷旋回角ζrefであるゼロに収束し、吊具角βがゼロに収束した。
これにより、本発明による吊荷旋回制御装置の有効性が検証できた。
【００５９】
以上、本発明の一実施形態における吊荷旋回制御装置について説明してきたが、図５に示した制御装置５０の各機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各種の処理を実行してもよい。
なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
【００６０】
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ等の光ディスク、ＭＯ，ＭＤ等の光磁気ディスク、ＨＤＤ，ＦＤ等の磁気記憶媒体、フラッシュメモリ等の半導体メモリなどの可搬型記録媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。
さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
【００６１】
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。
【００６２】
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、ジブ先端から吊具をつり下げ、該吊具からロープを介して吊荷を吊り下げ、該吊具に設けられた旋回モータによって、ロープの吊具側の支持端を回転させて吊荷を旋回させるクレーンにおいて、前記ジブ先端辺と前記吊荷との相対角度である吊荷旋回角（ζ）と、前記ジブ先端辺と前記吊具との相対角度である吊具旋回角（吊具角）（β）とを検出し、予め設定されている目標吊荷旋回角（ζ ref ）と前記吊荷旋回角（ζ）との偏差（ζ ref −ζ）及び前記吊具旋回角（β）を変数とする前記旋回モータへのモータ制御指令値（ｕ）を算出する所定の関係式に基づき、前記旋回モータを制御するので、自動的に吊荷旋回角を目標吊荷旋回角に一致させることができ、吊荷の旋回に係る作業者の労力を著しく軽減させることができる。
【００６４】
また、請求項２に記載の発明によれば、モータ制御指令値ｕを算出するための変数として、吊荷旋回角速度（ζ’）及び吊具旋回角速度（β’）をも使用するので、吊具及び吊荷の変位状態をより詳細に反映させた制御を行うことが可能となる。この結果、旋回振れを極めて小さい振れに抑えながら、吊荷の旋回角を速やかに目標旋回角まで回転させることができる。
【００６５】
また、請求項３に記載の発明によれば、従来から良く知られた技術であり、一般的にクレーンに用いられている技術を用いて、簡単に吊具角を取得することができるため、吊具角を検出するための新たなセンサ等の設置を不要とすることができる。
【００６６】
また、請求項４に記載の発明によれば、吊具と吊荷の状態変数に適切な比例ゲインを乗算することにより、旋回振れを抑えながら、吊荷の旋回角を速やかに目標旋回角まで回転させることが可能となる。
【００６７】
また、請求項５に記載の発明によれば、比例ゲインは、吊荷旋回角と目標吊荷旋回角との偏差、及び吊具角を、ともに０に収束させる、最適な値に設定されているため、吊具及び吊荷の旋回振れを抑えながら、極めて効率よく吊荷を目標旋回角まで旋回させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一般的なモバイルハーバクレーンの概略図である。
【図２】 ジブ先端Ｈからコンテナまでを図１のＳ方向から見たときの図である。
【図３】 旋回モータ１６の制御系を示す概略図である。
【図４】 図３に示した吊荷旋回制御装置の制御系の概念を示した図である。
【図５】 制御装置５０の制御ロジックを示す図である。
【図６】 各種パラメータを定義するための吊荷と吊具との関係を示す図である。
【図７】 シミュレーションにおける各種パラメータの設定値を示した図である。
【図８】 シミュレーションによって得られた比例ゲインｋ１〜ｋ４の値を示す図である。
【図９】 本発明の一実施形態に係る吊荷旋回制御装置の実現性を検証するシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
３，３ｂ，３０ ロープ
１５ 吊具
１６ 旋回モータ
１７ フック
１８ スプレッダ
１９ コンテナ
２０，２１ マーカ
２２，２３ カメラ
５０ 制御装置
５２ 制御対象
６１，６３ 減算器
６２，６４ 微分器
６５ 制御演算器（制御演算手段）
６６ フィードバック制御部（フィードバック制御手段）
Ｈ ジブ先端
Ｇ 吊荷
ζref 目標吊荷旋回角
ζ 吊荷旋回角
θ 旋回相対角
ｕ モータ制御指令値
Claims (5)
- ジブ先端から吊具をつり下げ、該吊具からロープを介して吊荷を吊り下げ、該吊具に設けられた旋回モータによって、ロープの吊具側の支持端を回転させて吊荷を旋回させるクレーンにおいて、
前記ジブ先端辺と前記吊荷との相対角度である吊荷旋回角と、前記ジブ先端辺と前記吊具との相対角度である吊具旋回角とを検出し、予め設定されている目標吊荷旋回角と前記吊荷旋回角との偏差及び前記吊具旋回角を変数とする前記旋回モータへのモータ制御指令値を算出する所定の関係式に基づき、前記旋回モータを制御することを特徴とするクレーン。 - ジブ先端から吊具をつり下げ、該吊具からロープを介して吊荷を吊り下げ、該吊具に設けられた旋回モータによって、ロープの吊具側の支持端を回転させて吊荷を旋回させるクレーンにおいて、
前記ジブ先端辺と前記吊荷との相対角度である吊荷旋回角と、前記ジブ先端辺と前記吊具との相対角度である吊具旋回角とを検出し、予め設定されている目標吊荷旋回角と前記吊荷旋回角との偏差、前記吊荷旋回角の微分値である吊荷旋回角速度、前記吊具旋回角及び前記吊具旋回角の微分値である吊具旋回角速度を変数とする前記旋回モータへのモータ制御指令値を算出する所定の関係式に基づき、前記旋回モータを制御することを特徴とするクレーン。 - ジブ先端に取り付けられたカメラと旋回モータを介して吊具に吊るされるスプレッダに取り付けられたマーカとにより前記吊荷旋回角を検出し、前記旋回モータに取り付けられた旋回相対角検出手段により吊具と吊荷との相対角度である旋回相対角を求め、前記吊荷旋回角から当該旋回相対角を減算することにより前記吊具旋回角を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のクレーン。
- 前記所定の関係式は、前記変数にそれぞれ固有の比例ゲインが乗算されるものであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のクレーン。
- 前記比例ゲインは、前記目標吊荷旋回角と前記吊荷旋回角との偏差及び前記吊具旋回角をともに０に収束させることを条件として最適制御理論に基づいて決定される値であることを特徴とする請求項４に記載のクレーン。
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