JP5978298B2 - クレーングラップル部材の位置およびスキュー判定システムおよび方法 - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、クレーングラップル部材の水平位置およびスキューの判定システムおよび方法に関するものである。本発明の意味において、クレーンとは、コンテナなどの積荷を人の操作または自動化で持ち上げ、扱うことができる装置を言う。本発明の特定の適用例は、コンテナクレーンのコンテナグラップルの位置決めである。

発明の背景

国際貨物輸送の大部分はコンテナ1によって行なわれる。コンテナは、貨物を移送中積載しておく統一規格形状の輸送装置である。典型的には、コンテナの寸法は、20フィート、40フィートまたは45フィートの３つの異なる長さに分かれている。コンテナの幅は約2.5メートルである。

各コンテナは、コンテナターミナル(港またはアイランドのいずれかの)で独特のコンテナクレーンによって扱われ、これは、レール走行ガントリクレーン(RMGクレーン)およびゴムタイヤガントリクレーン(RTGクレーン)を包含する。特定の型のレール走行ガントリクレーンは、コンテナを吊り上げて船舶から埠頭へ荷揚げしたり、埠頭に運ばれたコンテナをコンテナ船に積載したりするのに使用される船舶荷揚げ用クレーンである。

コンテナを扱うために、コンテナクレーンには一般に、コンテナを把持して吊り上げる特有のコンテナグラップルが装着されている。コンテナグラップルの長さは、扱うコンテナの長さに応じて可変である。

現状の目的は、コンテナクレーンを自動化してコンテナクレーン操作者の作業を簡単かつ迅速化し、またはコンテナ取扱機から操作者を完全になくして、コンテナ取扱機を操作者なしで運転し、無人化することである。

目的が操作者の作業の容易化であれば、一般には、作業サイクルにおける作業工程をコンピュータ制御で自動的に行なう。そこで目的は、その個々の作業部分を高速化し、精度を向上させ、信頼性もしくは安全性を高め、または単に操作者の作業を容易化することである。

コンテナ取扱機の操作席から操作者が完全になくなり、コンテナ取扱機を無人で運転すれば、コンテナ取扱機の作業工程のかなりの部分がコンピュータ制御で自動的に行なわれる。

目的がコンテナクレーンの自動運転化であれば、自動化すべき１つの機能は、コンテナ同士を自動的に積み上げ、および／またはコンテナを地上の所望の場所に正確に配置することである。その場合、コンテナの角部の位置精度は、典型的には5 cmが目標である。コンテナグラップルをコンテナクレーンから吊上げロープまたは何らかの他の搖動懸垂で吊り上げると、とりわけ、風や積荷の偏りおよび吊上げロープの伸びが原因となって、コンテナグラップルが十分な精度でクレーンの下方へ垂直に垂下して正しい姿勢をとることは、不可能である。

当業者なら解るように、上のコンテナを下のコンテナの頂部に所望の位置でコンピュータ制御により配置すること、例えば、コンテナグラップルの横方向位置、長手方向位置およびコンテナのスキューを水平方向に正確に測定できること、ならびに、必要によりコンテナグラップルを正しい位置に案内できることが必要である。これまで知られているように、前記各位置およびスキューは、典型的には、例えばコンテナグラップルに装着されたステー操作ロープによって制御することができる。当業者なら解るように、従来技術によれば、例えば４本のステーロープをコンテナグラップルの各角部に装着することによって、各操作ロープの相対的長さの調節でコンテナグラップルを水平方向において移動させ、かつ回転させることができる。クレーンを自動化すると、とくに操作ロープをコンピュータによって制御することができる。

上のコンテナを下のコンテナの頂部に、例えばコンピュータを使って円滑に降ろすことができるためには、降ろそうとするコンテナの精密な揚高および長手方向トリムは、好ましくはトリムを調節可能にして下のコンテナまたは地上に吊上げロープの巻上げドラムを使って対応させ、コンテナが下のコンテナまたは地面に着く直前に下降動作を最適に徐行させるようにすべきことが知られている。当業者なら解るように、コンテナの長手方向トリムの、とりわけ巻上げドラムのスキュー測定による精度は、吊上げロープの伸びと、場合によってはコンテナの積荷の偏りのために、信頼性が低い。

コンテナグラップルの位置および位置決めを決定可能な従来技術のシステムは、クレーンに装着されたカメラ、およびコンテナグラップルに装着された能動型赤外発光ビーコンを含むものである。しかし、このシステムの欠点は、カメラ(少なくとも２台)、およびコンテナグラップル要素に装着されたビーコン(少なくとも３台)の数が多く複雑であり、その結果、装置価格が高いことである。また、揚高測定および長手方向トリムの測定精度は、上述の適用例にとって十分なものでない。

そこで本発明は、上述の問題点の少なくとも１つを軽減または解消することが可能なシステムおよび方法を提供することを目的とする。本発明の目的は、請求項１および10に記載の事項を特徴とするシステムおよび方法によって達成される。本発明の好ましい実施例は、従属請求項に記載されている。

本発明によるコンテナグラップルの位置決めシステムは、コンテナクレーンに装着された走査型距離センサ、およびコンテナグラップルにある反射体に基づいている。距離センサは、典型的にはレーザ技術、とくにレーザビームの伝播時間の測定に基づくセンサであるが、本発明によるシステムは、同様の測定量を出力する他のセンサで実現してもよい。本発明の観点から、反射体とは、コンテナグラップルにおける物体であり、走査型距離センサの視野内で反射体を他の物体と区別可能な１組の明確な特性を有するものである。そのような１組の明確な特性は、少なくとも反射体の形状および／または相対的位置を含む。距離センサの視野内の物体の形状は、例えば物体までの複数の方向における距離を、複数の方向および距離の測定に際して、コンテナグラップルの動き(搖動)を無視可能な程度の時間間隔で測定することによって判定してもよい。複数の方向および距離を基に検出した物体の形状がデータ処理装置のメモリに蓄積した反射体の形状に対応すれば、その検出物体は反射体であると考えてよい。または、その物体の相対的位置に基づいてこれは反射体であると判定することもできる。形状および相対的位置の他に、反射体の１組の特性は、例えば色を含んでもよい。

本発明とその好ましい実施例によれば、コンテナグラップルの水平位置および姿勢(x_spr、y_spr、skew)とその垂直位置およびトリム(h_spr、trim)の両方の判定に同じセンサを使うことができる。同じセンサをいくつかの異なる目的に使用することによって、十分なコスト低減と装置較正の容易化を達成することができる。
ここで、好ましい実施例によって、また添付図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

コンテナクレーンと、これに装着されたコンテナグラップルおよび反射体の側面図であり、コンテナクレーンがコンテナを別のコンテナに積み重ねるところを示す。 コンテナクレーングラップルとこれに装着された反射体の上面図である。 反射体の好ましい形状、および反射体の検出に使用する変数を示す図である。

発明の詳細な説明

説明用実施例としてコンテナクレーン10を使って本発明を説明するが、これに限定されるものではない。このクレーンにおいて、荷揚げ部材、ここではコンテナグラップル2がコンテナクレーン10から(典型的には、ある台車から)、ある吊上げロープ4および吊上げ輪3(図１)によって懸下されている。巻上げドラム11を回転させることによって、吊上げロープ4の長さを変えることができ、その結果、コンテナグラップル2が上下動する。前端および後端の吊上げロープ4を別々の長さに伸縮することによって、コンテナグラップル2の長手方向トリムを変えることができる。これは、移動させるコンテナ1を下のコンテナ1'の上に積み重ね上のコンテナの前端および後端が同時に下のコンテナ(または地面)に触れるようにするときに、必要なことがある。これは、コンテナを正確に位置決めしようとする際、最も好ましいことである。

図１、図２および図３は、走査型レーザセンサ7の動作原理、および本発明によるコンテナクレーン10への実装方法を示す。レーザ型距離センサはレーザ光パルスを発光し、これは、ビーム8に当たって物体5、6から反射し、レーザ光の一部がレーザ型距離センサの受光部に戻る。レーザ型距離センサは、光パルスの発光と受光の間の光伝播時間を判定し、伝播時間を基に反射体の距離Rを算出する。レーザ型距離センサは、垂直軸14を中心としてレーザビームに対して回転する回転体に緊定され、レーザ光パルス8は高いレートで発光される。そこで、典型的には、各レーザビーム8は互いに重なり合い、その場合、各レーザビーム間に間隙がなく、反射体が小さくても検出可能である。走査レーザ型距離センサ7は、レーザビーム8の発光角もその内部検出器で測定する。

図２に示すように、ステー操作ロープ12が４本あり(１本のみ図示)、これらもコンテナグラップル2の各角部に装着され、それらの相対的長さを変えることでコンテナグラップル2を横に動かし、水平に回転させることが可能である。これらの操作ロープ12は、データ処理装置13(コンピュータ)によって制御可能である。

本発明の方法の実施例では、コンテナクレーン10の構造体のコンテナグラップル2のできるだけ直上近くに１つのレーザセンサ7が装着され、ビーム8の描く軌跡8がコンテナグラップル(図２)の長さ方向にわたって頂面へ当たり、コンテナグラップル要素の頂面に装着された３つの反射体5、6をレーザ型距離センサが検出するようになっている。レーザ型距離センサは、明るい色に塗装された金属シート製の反射体を、例えば典型的には30メートルでも確実に検出することができる。反射体は、何らかの他の材料で作成してもよいことは、言うまでもない。

典型的には、センサ7は、個々のレーザ型距離測定ごとに以下の情報を出力する。すなわち、測定角a、測定距離R、および場合によっては反射強度Iである。上述のように、本発明によるシステムは、測定した変数{a、R}または{a、R、I}を出力する他のセンサで実現してもよく、したがってレーザ技術の使用にのみ限定されることはない。

当業者なら解るように、例えば、図３に示すように走査型レーザセンサのレーザビームが反射体に当たると、センサ7で測定した角度値aおよび距離読取り値Rから、センサ7およびコンテナクレーン10に対する反射体表面の測定座標(h、y)を式(1)で算出することができる。

h = R cos(a) (1)
y = R sin(a)

以下に、本発明の方法の実現例を詳細に説明する。第１の工程は、センサ7およびコンテナクレーン10(図３)に対する三角形反射体6の長手方向位置(y_taka)を判定することを含む。コンテナグラップル2の長手方向の動きは、ロープ4、12によって、典型的には+/- 100 cmの範囲に限られるので、判定作業は距離センサ7で測定した反射値8 (Rn、an)に限られ、式(1)で算出したそのy値は、反射体6の既知の長手方向の中立位置(コンテナグラップル2がクレーン10の直下にあるときの)から+/- 100 cmにある。コンテナグラップル2の反射体6の周りの部分が反射体6より低い位置にあると、反射体6の頂部は、一連の反射値(Rn、an)のなかで式(1)で算出した最高の高さ値を有するものを選択することによって、大まかに位置を求めることができる。

y_taka = Rn sin(an) (2)
n = 項[Rn cos(an)]が最小になる反射

やはり当業者なら解るように、このようにして求めた値y_takaは、必要により、反射体6に当たるいくつかの反射値(Rn、an)を調べ、反射体6の既知の形状を各測定値に当てはめることによって、さらに確定できる。同じく当業者なら解るように、コンテナグラップル2の可能な横方向偏移(x_etu、x_taka)は、図３に示すタイプの反射体6の検出に影響を与えない。

コンテナグラップルの長手方向位置y_takaが確定した後、第２の工程は、楔状反射体5の理論的長手方向位置を反射体5、6の相対的長手方向位置(y1...y4)(図３)に基づいて算出することを含む。そこで、式(1)で算出した長手方向の値yが理論値に最もよく対応する反射値(R1、a1 ... R4、a4)は、距離センサ7で測定した反射値から選択される。

第３の工程は、高さ値h1...h4を反射値(R1、a1 ... R4、a4)から式(1)によって算出することを含む。図３に示す楔状反射体5を位置決めに使用すると、高さ値h1およびh2の間(および、それぞれh3およびh4の間)の差は、次のようにコンテナグラップルの横方向位置に線形に依存する。

x_etu = A (h1-h2) + B_etu (3)
x_taka = A (h3-h4) + B_taka

ただし、定数Aは反射体5の形状に基づいて決定し、較正係数B_etuおよびB_takaは、反射体および距離センサ7の実装状態に基づいて決定する。距離センサ7の横方向トリムが垂直方向と異なると、当業者なら解るように、較正係数B_etuおよびB_takaは高さ(h)に線形に依存し、別途較正する必要がある。

本発明の方法の実施例によれば、反射体の正確な高さは以下の式でも定義できる。

h_etu = (h1+h2)/2 (4)
h_taka = (h3+h4)/2

最後に、中心点の位置およびコンテナグラップルの位置を確定する。コンテナグラップル2の長手方向位置は、測定値y_takaによって次のように決まる。

y_spr = y_taka + C (5)

ただし、較正定数Cは、反射体6の既知の相対的位置および距離センサ7の実装状態によって決まる。コンテナグラップル2の中心点の位置およびスキューは、値x_etuおよびx_takaから以下のようにして算出する。

x_spr = (x_etu+x_taka)/2 (6)
skew = arctan2[x_etu-x_taka, D]

ただしDは反射体5の既知の距離である。

本発明の方法の実施例によれば、コンテナグラップル2の中心点の高さおよび長手方向トリムは、値h_etuおよびh_takaを使用して以下のように算出できる。

h_T = (h_etu+h_taka)/2 (7)
trim = arctan2[h_etu-h_taka, D]

当業者に明らかなように、本発明の基本思想は、技術の進展に伴い、さまざまな方法で実現できる。したがって本発明とその実施例は、上述の例に限定されず、請求項の記載の範囲内で変えることができる。例えば、距離センサをコンテナグラップルに、また反射体表面はクレーンに配置することによって、本質的に同じ動作を実現し、同じ効果を得ることが可能である。

Claims (18)

1. クレーンのグラップル部材の水平位置およびスキューの判定システムにおいて、該システムは、
   - 前記グラップル部材に配設され相対的位置および形状が既知の少なくとも２つの型の３次元反射体を含み、該反射体の上面は、水平面に対する少なくとも１つの傾斜面を含み、
   - 前記クレーンに装着され、レーザ光を発光し、前記反射体で反射したレーザ光を受光し、該クレーンから前記反射体への距離および方向を測定するように配設された１つの走査型距離センサと、
   - データ処理装置とを含み、該データ処理装置は、
   - 前記反射体の相対的位置および形状をそのメモリに蓄積し、
   - 前記グラップル部材の水平位置およびスキューを、少なくとも前記反射体の相対的位置および３次元形状、ならびに前記クレーンから前記反射体への測定距離および方向を基に、判定することを特徴とするクレーンのグラップル部材の水平位置およびスキューの判定システム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、該システムは、前記グラップル部材の高さおよび／または長手方向トリムも判定するように構成されていることを特徴とする判定システム。
3. 請求項１または２に記載のシステムにおいて、１つの型の反射体が前記グラップル部材の長手方向位置を判定し、該１つの型の反射体は、該１つの型の反射体の形状に応じて配置されていることを特徴とする判定システム。
4. 請求項３に記載のシステムにおいて、他の型の反射体を使用して前記グラップル部材の横方向位置およびスキューを判定し、該他の型の反射体は、該他の型の反射体の相対的位置情報に基づいて配置されていることを特徴とする判定システム。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載のシステムにおいて、前記距離センサはレーザセンサであることを特徴とする判定システム。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載のシステムにおいて、該システムは、前記クレーンを自動制御するように構成されていることを特徴とする判定システム。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載のシステムにおいて、前記クレーンは無人で作動するように構成されていることを特徴とする判定システム。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載のシステムにおいて、前記クレーンはコンテナクレーンであり、前記グラップル部材はコンテナグラップルであることを特徴とする判定システム。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載のシステムにおいて、前記反射体は、その横方向から見たときの側面プロファイルが三角形状または楔状であることを特徴とする判定システム。
10. クレーンのグラップル部材の水平位置およびスキューの判定方法において、該方法は、前記グラップル部材に配設された少なくとも２つの型の３次元反射体を使用し、該反射体の相対的位置および形状は既知であり、該反射体の上面は、水平面に対する少なくとも１つの傾斜面を含み、前記クレーンに装着され、レーザ光を発光し、前記反射体で反射したレーザ光を受光し、該クレーンから前記反射体への距離および方向を測定する１つの走査型距離センサと、データ処理装置とを使用し、該データ処理装置は、
    - 前記クレーンから前記反射体への距離および方向を前記距離センサから受信する工程と、
    - 前記反射体の相対的位置および形状をメモリに蓄積する工程と、
    - 前記グラップル部材の水平位置およびスキューを、少なくとも前記反射体の相対的位置および３次元形状、ならびに前記クレーンから前記反射体への測定距離および方向を基に、判定する工程とを含むことを特徴とするクレーンのグラップル部材の水平位置およびスキューの判定方法。
11. 請求項10に記載の方法において、該方法は、グラップル部材の高さおよび／または長手方向トリムも判定することを特徴とする判定方法。
12. 請求項10または11のいずれかに記載の方法において、１つの型の反射体が前記グラップル部材の長手方向位置を判定し、該１つの型の反射体は、該１つの型の反射体の形状に応じて配置されていることを特徴とする判定方法。
13. 請求項12に記載の方法において、他の型の反射体を使用して前記グラップル部材の横方向位置およびスキューを判定し、該他の型の反射体は、該他の型の反射体の相対的位置情報に基づいて配置されていることを特徴とする判定方法。
14. 請求項10ないし13のいずれかに記載の方法において、レーザセンサを前記距離センサとして使用することを特徴とする判定方法。
15. 請求項10ないし14のいずれかに記載の方法において、前記クレーンを自動制御することを特徴とする判定方法。
16. 請求項10ないし15のいずれかに記載の方法において、前記クレーンを無人で作動させることを特徴とする判定方法。
17. 請求項10ないし16のいずれかに記載の方法において、前記クレーンはコンテナクレーンであり、前記グラップル部材はコンテナグラップルであることを特徴とする判定方法。
18. 請求項10ないし17のいずれかに記載の方法において、前記反射体は、その横方向から見たときの側面プロファイルが三角形状または楔状であることを特徴とする判定方法。

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