JP6189117B2

JP6189117B2 - 回転量算出装置及び回転量算出方法

Info

Publication number: JP6189117B2
Application number: JP2013145566A
Authority: JP
Inventors: 典昭守屋; 俊司帯田; 智成松岡; 和朗樋渡
Original assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd
Current assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2033-07-11
Also published as: JP2015017897A

Description

本発明は、ブームに吊り下げられた物体の基準方向に対する回転量を求める技術に関する。

グラブ浚渫においては、グラブバケットを浚渫予定位置に正確に降下させることが求められるが、降下させる位置とともに問題となるのが、グラブバケットの回転である。グラブバケットはクレーンのブームからワイヤーで吊り上げられているため、水流や浚渫船の揺れなどの影響により水中でグラブバケットが動揺し、ワイヤーが捻じれる向きの回転が生じる。グラブバケットは、一対のシェルを開閉させて土砂を掴み取る構造のため、グラブバケットが回転すると、浚渫に過不足が生じてしまう。このような問題を解決するための技術として、例えば、特許文献１では、グラブバケットに設けた角速度センサによってグラブバケットの回動量を測定し、実際の掘削領域を操作室に表示することが提案されている。

特許４９６０４０２号公報

しかし、角速度センサは、時間の経過とともに誤差が変動するドリフトの問題がある。角速度センサよりも高精度なものとして真方位計を用いることが考えられるが、コストや耐衝撃性などの問題がある。
そこで、本発明は、ブームに吊り下げられた物体の基準方向に対する回転量を低コストな構成で求めることを目的とする。

本発明は、ブームが向けられている方位を特定する方位特定手段と、前記ブームから吊り下げられた物体を撮像する撮像手段と、前記方位特定手段によって特定された方位と、前記撮像手段によって撮像された画像とに基づいて、基準方向に対する前記物体の回転量を算出する回転量算出手段と、前記物体に設けられ、前記基準方向に対する前記物体の回転量を計測する回転量計測手段と、前記回転量算出手段によって算出された回転量に基づいて、前記回転量計測手段によって計測された回転量の補正量を算出する補正量算出手段と、前記物体が水中にある場合に、前記回転量計測手段によって計測された回転量と、前記補正量算出手段によって算出された補正量とに基づいて、前記基準方向に対する前記物体の回転量を算出する水中回転量算出手段とを備えた回転量算出装置を提供する。

上記の構成において、前記撮像手段の姿勢を計測する姿勢計測手段を備え、前記補正量算出手段は、前記方位特定手段によって特定された方位と、前記撮像手段によって撮像された画像と、前記姿勢計測手段によって計測された姿勢とに基づいて、前記補正量を算出するようにしてもよい。

また、本発明は、ブームが向けられている方位を特定する方位特定ステップと、前記ブームから吊り下げられた物体を撮像する撮像ステップと、前記方位特定ステップにおいて特定された方位と、前記撮像ステップにおいて撮像された画像とに基づいて、基準方向に対する前記物体の回転量を算出する回転量算出ステップと、前記物体に設けられた回転量計測手段によって、前記基準方向に対する前記物体の回転量を計測する回転量計測ステップと、前記回転量算出ステップにおいて算出された回転量に基づいて、前記回転量計測ステップにおいて計測された回転量の補正量を算出する補正量算出ステップと、前記物体が水中にある場合に、前記回転量計測ステップにおいて計測された回転量と、前記補正量算出ステップにおいて算出された補正量とに基づいて、前記基準方向に対する前記物体の回転量を算出する水中回転量算出ステップとを備えた回転量算出方法を提供する。

上記の構成において、前記撮像ステップにおいて前記物体を撮像する撮像手段の姿勢を計測する姿勢計測ステップを備え、前記補正量算出ステップにおいては、前記方位特定ステップにおいて特定された方位と、前記撮像ステップにおいて撮像された画像と、前記姿勢計測ステップにおいて計測された姿勢とに基づいて、前記補正量を算出するようにしてもよい。

本発明によれば、ブームに吊り下げられた物体の基準方向に対する回転量を低コストな構成で求めることができる。

実施形態の全体を示す図。計測ユニット１３の構成を示す図。グラブバケット１２の側面図。グラブバケット１２の平面図。回転量算出装置２０のハードウェア構成を示す図。回転量算出装置２０の機能構成を示す図。回転量算出の原理を示す図。計測ユニット１３Ａの構成を示す図。

本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。図１は、実施形態の全体を示す図である。浚渫船１は、作業台船２とクレーン３を有する。クレーン３の操作室には、作業員がクレーン３を操作するための装置が備えられている。また、操作室には、回転量算出装置２０が備えられている。ワイヤー１０の一端はウインチ６に固定され、他端がグラブバケット１２に固定されている。ワイヤー１０は、ブーム５の先端に設けられた滑車８に掛け回されており、グラブバケット１２は、ワイヤー１０によって吊り下げられ、ウインチ６の回転によって昇降する。

ブーム５の先端部には、計測ユニット１３が設けられている。図２は、計測ユニット１３の構成を示す図である。計測ユニット１３は、方位特定手段１４、撮像手段１５、位置計測手段１６、及び、通信手段１７を有する。方位特定手段１４は、例えばジャイロコンパスであり、ブーム５が向けられている方位を特定し、特定された方位を示す方位データを出力する。方位の基準方向は、例えば真北であり、真北を基準として時計回りを正とする角度で方位を表す。撮像手段１５は、例えばビデオカメラであり、グラブバケット１２を上方から撮像し、撮像した画像を表す画像データを出力する。位置計測手段１６は、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）信号を受信する受信機であり、ＧＰＳ信号から算出した位置を表す位置データを出力する。通信手段１７は、方位データ、画像データ及び位置データを無線通信によって回転量算出装置２０に送信する。

図３は、グラブバケット１２の側面図である。図４は、グラブバケット１２の平面図である。グラブバケット１２は、フレーム１２１と、一対のタイロッド１２２と、一対のシェル１２３を有する。一対のシェル１２３は、共通の回転軸１２４によって結合され、２つのシェル１２３はそれぞれタイロッド１２２によってフレーム１２１に結合されている。シェル１２３とタイロッド１２２、フレーム１２１とタイロッド１２２は、いずれもピン結合されており、一対のシェル１２３が矢印の方向に開閉する。

グラブバケット１２のフレーム１２１には、回転量計測手段１８が設けられている。回転量計測手段１８は、例えばジャイロセンサであり、基準方向に対するグラブバケット１２の回転量を計測し、回転量を表す回転量データを出力する。回転量の基準方向は、例えば真北であり、真北を基準として時計回りを正とする角度で回転量を表す。回転量計測手段１８は、通信手段を備え、回転量データを無線通信によって回転量算出装置２０に送信する。

フレーム１２１の上面には、例えば２つのマーカー１２５が設けられている。マーカー１２５は、特定の色で着色された印でもよいし、特定の色の光を発する発光ダイオードなどでもよい。マーカー１２５は、撮像手段１５によって撮像された画像からグラブバケット１２の回転量を算出するために用いられる。

図５は、回転量算出装置２０のハードウェア構成を示す図である。回転量算出装置は、例えばパーソナルコンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算装置とＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置とを備えた制御部２１と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの記憶装置を備えた記憶部２２と、回転量算出装置２０と計測ユニット１３及び回転量計測手段１８との間の通信を仲介するインターフェースを備えた通信部２３と、液晶ディスプレイなどの表示装置を備えた表示部２４と、キーやタッチパネルなどの入力装置や、接点出力信号などを出力する出力装置などを備えた入出力部２５とを備える。記憶部２２には、ＯＳ（Operating System）や、回転量算出の手順を記述したアプリケーションプログラム（以下、回転量算出プログラムという。）が記憶されている。制御部２１は、回転量算出プログラムを実行することによってグラブバケットの回転量を算出し、この回転量等の情報を図表などで表したグラフィック画像を表示部２４に表示する。

図６は、回転量算出装置２０の機能構成を示す図である。最初に、回転量算出手段２０１について説明する。回転量算出手段２０１は、方位特定手段１４によって特定された方位と、撮像手段１５によって撮像された画像とに基づいて、基準方向に対するグラブバケット１２の回転量を算出する。回転量の基準方向は、例えば真北であり、真北を基準として時計回りを正とする角度で回転量を表す。

図７は、回転量算出の原理を示す図である。同図は、撮像手段１５によって撮像されたグラブバケット１２のフレーム１２１の上面を示している。図中の縦方向の破線は、ブーム５の軸方向を示し、横方向の破線は、ブーム５の軸に垂直な方向を示す。図７（ａ）は、グラブバケット１２に回転が生じていない場合であり、図７（ｂ）は、グラブバケット１２に回転が生じている場合である。回転量算出手段２０１は、画像処理によって２つのマーカー１２５を特定し、２つのマーカー１２５を通る直線とブーム５の軸方向とのなす角度θを算出する。２つのマーカー１２５は、ブーム５に対するグラブバケット１２の回転が生じていない状態において、２つのマーカー１２５を通る直線がブーム５の軸方向と平行になる位置に設けられている。つまり、ブーム５に対するグラブバケット１２の回転が生じていない状態において、角度θは０となる。回転量算出手段２０１は、この角度θと、方位データが示す方位とに基づいて、基準方向に対するグラブバケット１２の回転量を算出する。例えば、方位データが示す方位が基準方向（この例では真北）から＋３０度であり、角度θが＋５度であったとすると、基準方向に対するグラブバケット１２の回転量は＋３５度となる。また、方位データが示す方位が基準方向から＋３０度であり、角度θが−５度である場合、基準方向に対するグラブバケット１２の回転量は＋２５度となる。

要するに、上記の構成によれば、ブーム５に対するグラブバケット１２の回転量が撮像手段１５によって撮像された画像から求められ、この回転量をブーム５の方位角に加算することによって基準方向に対するグラブバケット１２の回転量が求められる。

次に、補正量算出手段２０２について説明する。補正量算出手段２０２は、回転量算出手段２０１によって算出された回転量に基づいて、回転量計測手段１８によって計測された回転量の補正量を算出する。具体的には、補正量算出手段２０２は、回転量計測手段１８で計測された回転量を回転量算出手段２０１で算出された回転量に補正するための補正量を算出する。例えば、回転量算出手段２０１で算出された回転量が＋３５度であり、回転量計測手段１８で計測された回転量が＋３４度である場合、補正量は、＋１度となる。

次に、水中回転量算出手段２０３について説明する。水中回転量算出手段２０３は、グラブバケット１２が水中にある場合に、回転量計測手段１８によって計測された回転量と、補正量算出手段２０２によって算出された補正量とに基づいて、基準方向に対するグラブバケット１２の回転量を算出する。具体的には、水中回転量算出手段２０３は、回転量計測手段１８によって計測された回転量に補正量算出手段２０２によって算出された補正量を加算することによって回転量を算出する。例えば、回転量計測手段１８によって計測された回転量が＋３０度であり、補正量算出手段２０２によって算出された補正量が＋１度である場合、回転量は、＋３１度となる。

このようにして算出された回転量と、位置計測手段１６から受信した位置データとに基づいて、グラブバケット１２が実際に浚渫する領域を図化して表示部２４に表示することにより、クレーン３の作業員にグラブバケット１２が実際に浚渫する領域を知らせることができる。

このような構成とした理由は、次のとおりである。前述のとおり、気中では、ブーム５に対するグラブバケット１２の回転量が撮像手段１５によって撮像された画像から求められる。これに対して、浚渫の現場では水の透明度が低下しているためマーカー１２５を撮像することは困難である。マーカー１２５の発光を強力にしたとしても、水中では光が屈折したり散乱したりするから、マーカー１２５の本来の位置を特定することが困難である。つまり、水中では、ブーム５に対するグラブバケット１２の回転量を撮像された画像から求めることはほぼ不可能である。そこで、本実施形態では、気中での撮像によって算出された補正量を利用して、水中でのグラブバケット１２の回転量を算出するように構成した。この構成によれば、グラブバケット１２に設けられた回転量計測手段１８による計測値が気中での撮像によって算出された補正量で補正されるから、回転量の精度を高めることができる。また、角速度センサでグラブバケットの回転量を計測する構成ではドリフトが計測値に悪影響を与えるが、本実施形態ではドリフトによる悪影響はほとんどない。また、本実施形態の構成は、真方位計でグラブバケットの回転量を計測する構成と比べて低コストであり、耐衝撃性も優れている。
以上、説明したとおり、本実施形態によれば、ブーム５に吊り下げられた物体の基準方向に対する回転量を低コストな構成で求めることができる。

（変形例）
上記の実施形態を次のように変形してもよい。また、複数の変形例を組み合わせもよい。
（変形例１）
図８は、計測ユニット１３Ａの構成を示す図である。計測ユニット１３Ａには、実施形態の構成に加えて、姿勢計測手段１９が設けられている。姿勢計測手段１９は、例えば３軸の傾斜計であり、撮像手段１５の傾斜角を計測し、撮像手段１５の傾斜角を表す傾斜角データを出力する。上記の実施形態は、撮像手段１５の姿勢変化を考慮していない。これに対して、本変形例では、撮像手段１５の姿勢変化を考慮して画像データを補正する。例えば、浚渫船１にピッチングやローリングやヨーイングが発生した場合、撮像手段１５のレンズの光軸の方向も変化するから、撮像された画像から算出されたグラブバケット１２の回転量が実際の回転量と異なってしまうおそれがある。このようなことを防ぐために、本変形例では、姿勢計測手段１９によって撮像手段１５の姿勢を計測し、計測された姿勢に基づいて、例えば公知の台形補正などの手法によって画像を補正してからグラブバケット１２の回転量を算出する。

（変形例２）
実施形態では、方位特定手段１４、撮像手段１５、位置計測手段１６、及び、通信手段１７をひとまとめにした計測ユニット１３がブーム５の先端に設けられた例を示したが、これらの各手段が別々に設けられていてもよい。また、これらの各手段は、ブーム５の先端以外の部分に設けられていてもよい。
撮像手段１５は、グラブバケット１２を真上から撮像する位置に設けられていてもよいし、斜め上から撮像する位置に設けられていてもよい。
実施形態では、方位データ、画像データ、位置データ、回転量データを無線通信で回転量算出装置２０に送信する例を示したが、これらのデータを有線通信で送信するようにしてもよい。

（変形例３）
実施形態では、グラブバケット１２の回転量を算出する例を示したが、グラブバケット１２以外の物体の回転量算出に本発明を適用してもよい。例えば、ブロックやケーソンなどの物体を水底に据え付ける場合のこれらの物体の回転量算出に本発明を適用してもよい。

（変形例４）
実施形態では、グラブバケット１２の回転量を求める際に、フレーム１２１の上面に設けられた２つのマーカー１２５を通る直線とブーム５の軸方向とのなす角度θを算出する例を示したが、角度θを別の方法で算出するようにしてもよい。例えば、２つのマーカー１２５の代わりに１本の帯状のマーカーを設け、このマーカーの長手方向を画像処理によって特定し、この長手方向とブーム５の軸方向とのなす角度θを算出するようにしてもよい。あるいは、マーカーを設けずに、例えば、グラブバケット１２の輪郭を画像処理によって抽出し、ブーム５に対するグラブバケット１２の回転が生じていない状態におけるグラブバケット１２の輪郭を基準として角度θを算出するようにしてもよい。

１浚渫船、２作業台船、３クレーン、５ブーム、６ウインチ、８滑車、１０ワイヤー、１２グラブバケット、１２１フレーム、１２２タイロッド、１２３シェル、１２４回転軸、１２５マーカー、１３計測ユニット、１４方位特定手段、１５撮像手段、１６位置計測手段、１７通信手段、１８回転量計測手段、１９姿勢計測手段、２０回転量算出装置、２１制御部、２２記憶部、２３通信部、２４表示部、２５入出力部、２０１回転量算出手段、２０２補正量算出手段、２０３水中回転量算出手段

Claims

ブームが向けられている方位を特定する方位特定手段と、
前記ブームから吊り下げられた物体を撮像する撮像手段と、
前記方位特定手段によって特定された方位と、前記撮像手段によって撮像された画像とに基づいて、基準方向に対する前記物体の回転量を算出する回転量算出手段と、
前記物体に設けられ、前記基準方向に対する前記物体の回転量を計測する回転量計測手段と、
前記回転量算出手段によって算出された回転量に基づいて、前記回転量計測手段によって計測された回転量の補正量を算出する補正量算出手段と、
前記物体が水中にある場合に、前記回転量計測手段によって計測された回転量と、前記補正量算出手段によって算出された補正量とに基づいて、前記基準方向に対する前記物体の回転量を算出する水中回転量算出手段と
を備えた回転量算出装置。
前記撮像手段の姿勢を計測する姿勢計測手段を備え、
前記補正量算出手段は、前記方位特定手段によって特定された方位と、前記撮像手段によって撮像された画像と、前記姿勢計測手段によって計測された姿勢とに基づいて、前記補正量を算出する
請求項１に記載の回転量算出装置。
ブームが向けられている方位を特定する方位特定ステップと、
前記ブームから吊り下げられた物体を撮像する撮像ステップと、
前記方位特定ステップにおいて特定された方位と、前記撮像ステップにおいて撮像された画像とに基づいて、基準方向に対する前記物体の回転量を算出する回転量算出ステップと、
前記物体に設けられた回転量計測手段によって、前記基準方向に対する前記物体の回転量を計測する回転量計測ステップと、
前記回転量算出ステップにおいて算出された回転量に基づいて、前記回転量計測ステップにおいて計測された回転量の補正量を算出する補正量算出ステップと、
前記物体が水中にある場合に、前記回転量計測ステップにおいて計測された回転量と、前記補正量算出ステップにおいて算出された補正量とに基づいて、前記基準方向に対する前記物体の回転量を算出する水中回転量算出ステップと
を備えた回転量算出方法。
前記撮像ステップにおいて前記物体を撮像する撮像手段の姿勢を計測する姿勢計測ステップを備え、
前記補正量算出ステップにおいては、前記方位特定ステップにおいて特定された方位と、前記撮像ステップにおいて撮像された画像と、前記姿勢計測ステップにおいて計測された姿勢とに基づいて、前記補正量を算出する
請求項３に記載の回転量算出方法。