JP7365975B2

JP7365975B2 - 制御システムおよび走行体

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Publication number: JP7365975B2
Application number: JP2020117534A
Authority: JP
Inventors: 成幸中田; 義晴中島; 一輝星島; 淳也宮田
Original assignee: Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui E&S Co Ltd
Priority date: 2020-07-08
Filing date: 2020-07-08
Publication date: 2023-10-20
Anticipated expiration: 2040-07-08
Also published as: JP2022014976A

Description

本発明は、制御システムおよび走行体に関し、より詳しくは、全球測位衛星システムのアンテナを用いた走行制御を行う制御システムおよび走行体に関する。

コンテナターミナルでコンテナを運搬したり、荷役したりするクレーンや搬送台車などのタイヤの転動により走行する走行体の走行制御においては、全球測位衛星システムを用いてその走行体の現在位置を取得している（例えば、特許文献１参照）。

走行中の走行体には走行方向に直交する水平方向を軸として鉛直方向上下に回転するピッチング振動が生じる。走行体に立設された全球測位衛星システムのアンテナはそのピッチング振動の影響や路面の荒れや風などの外乱の影響により正確な現在位置を取得できない場合がある。それ故、走行体を目標位置に向けて走行させる場合にピッチング振動や外乱が生じるとそれらの影響が収まるまでクリープ速度を維持する必要があり、走行に要する時間が長くなるという問題があった。

走行体の目標位置に対する精度に関する方法ではないが、走行中のクレーンが吊り上げた吊荷の振れを制振することを目的として、吊荷の振れを一自由度のバネ質点系とするインプットシェイピング法を用いた方法（例えば、特許文献２、３参照）や吊荷の振れ角に対してカルマンフィルタを適用する方法（例えば、特許文献４参照）が提案されている。インプットシェイピング法を用いた方法は吊荷の振れの固有周波数および減衰比に基づいたインパルス列の条件を決定し、目標速度とインパルス列とで畳み込み積分を行うことでクレーンの速度指令を算出している。また、カルマンフィルタを用いた方法は吊荷の真の振れ角を求めることにより吊荷の振れを抑制するフィードバック制御を行っている。

特開２００４－２８４６９９号公報特開２００７－１６１３９３号公報特開２００９－０２９６１７号公報特開２０１６－１２０９９６号公報

上述したとおり、走行体の目標位置に対する精度を最も阻害するのは走行体の走行中に生じるピッチング振動や外乱であり、吊荷の振れを制振する方法では全球測位衛星システムのアンテナを用いた走行体の目標位置に対する精度の向上には効果がない。例えば、吊荷の振れを制振させた状態で走行体を走行させても、ピッチング振動や外乱の影響により走行体が停止したときに目標位置に精度良く停止させることができない。それ故、目標位置に対する位置合わせのために再び走行体を走行させる必要がある。このように、特許文献２～４の発明を単純に利用しても走行に要する時間を短縮する有効な解決策とはならない。

本開示の目的は、全球測位衛星システムのアンテナを用いた走行制御における目標位置に対する精度を向上して、走行に要する時間を短縮する制御システムおよび走行体を提供することである。

上記の目的を達成する本発明の一態様の制御システムは、電動モータの回転速度を調節するインバータと、前記電動モータによりタイヤを転動させて走行する走行体に立設された全球測位衛星システムのアンテナと、前記電動モータの回転速度を取得する回転速度取得装置と、前記インバータに速度指令を出力する制御装置と、を備える制御システムにおいて、前記制御装置は状態推定部と目標速度作成部と速度指令作成部とを有し、予め設定された周期ごとに、前記状態推定部が前記アンテナにより取得した現在位置および前記回転速度取得装置により取得した前記電動モータの回転速度に基づいて前記現在位置から少なくとも走行中の前記走行体の走行方向に対して直交する水平方向を回転軸とするピッチング振動を含むノイズを除去した推定位置を推定し、次いで、前記目標速度作成部が前記走行体を移動させる目標位置および前記推定位置の偏差に基づいて前記電動モータの回転速度の目標回転速度を作成し、次いで、前記速度指令作成部が前記目標回転速度から前記ピッチング振動の残留振動がゼロとなる速度指令を作成し、その速度指令を前記インバータに出力することを特徴とする。

上記の目的を達成する本発明の一態様の走行体は、上記の制御システムを備えることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、走行体の走行制御において少なくともピッチング振動を含むノイズの影響を抑制することができる。これにより、全球測位衛星システムのアンテナを用いた走行制御における目標位置に対する精度を向上するには有利になり、走行に要する時間を短縮することができる。

制御システムを備えた走行体の第一実施形態を例示する構成図である。図１の走行体のピッチング振動を例示する図である。図１の走行体の走行制御における位置関係と時間と走行速度との関係を例示する関係図である。図１の速度指令作成部におけるインパルス列と目標回転速度と速度指令との関係を示す関係図である。図１の走行体を走行させたときの時間と現在位置と推定位置との関係を例示する関係図である。制御システムを備えた走行体の第二実施形態を例示する構成図である。図１の走行体のピッチング振動および吊具の振れによる単振動を例示する図である。

以下、本開示の制御システム２０および走行体１０（以下、クレーン１０とする）の実施形態について説明する。図中では、Ｘ方向をクレーン１０の走行方向とし、Ｙ方向をＸ方向に直交する水平方向であって、クレーン１０の桁１１に沿って横行するトロリ１２の横行方向とし、Z方向を鉛直方向とする。本明細書において、ｘはＸ方向の座標を示し、Ｔは経過時刻を示し、ｔおよび（ｔ＋１）は周期を示し、周期ｔは現在の周期、周期（ｔ＋１）は次回の周期を示すものとする。なお、周期ｔ、（ｔ＋１）は予め設定された任意の周期とし、制御システム２０における制御周期であり、アンテナ２２の測位周期や回転速度取得装置２３の取得周期も同期する。また、座標および位置に関してはＸ方向の成分とする。

図１に例示するように、第一実施形態のクレーン１０は図示しないコンテナターミナルの蔵置レーンをＹ方向に跨いでＸ方向に走行するクレーンであり、桁１１、トロリ１２、吊具１３、脚構造物１４、走行装置１５、および、制御システム２０を備える。制御システム２０はクレーン１０の走行制御を行うシステムであり、インバータ２１、全球測位衛星システムのアンテナ２２、回転速度取得装置２３、および、制御装置３０を備えて構成される。

桁１１はトロリ１２を介して吊具１３を吊り下げ支持するとともに、Ｙ方向に延在する。トロリ１２は桁１１に沿って横行可能に構成される。吊具１３はトロリ１２から吊架したワイヤによりＺ方向に昇降可能に構成される。脚構造物１４は桁１１を上部に支持する。走行装置１５は平面視で桁１１の延在方向（Ｙ方向）に離間して少なくとも二つ配置されて、脚構造物１４の下端に取り付けられる装置である。

走行装置１５のそれぞれはタイヤ１６と電動モータ１７とを有し、電動モータ１７が脚構造物１４に設置されたインバータ２１に電気的に接続される。電動モータ１７は減速機を含むものとする。インバータ２１は電動モータ１７の回転速度Ｎｍを調節する装置である。走行装置１５のそれぞれはそれぞれの電動モータ１７の回転速度Ｎｍが等しい場合にそれぞれの走行速度Ｖｔが等しくなり、クレーン１０は向きを変えずに直進する。一方で、電動モータ１７の回転速度Ｎｍが異なる場合にそれぞれの走行装置１５に走行速度差が生じ、この走行速度差に応じてクレーン１０は進む向きを変えて進む。本開示で、走行速度Ｖｔはクレーン１０の単位時間当たりの位置の変化量を示すものとする。また、回転速度Ｎｍは電動モータ１７の回転速度の最大値を百％とする百分率で示され、タイヤ１６の単位時間当たりの回転角度に対して正の相関となる。

アンテナ２２は全球測位衛星システム（ＧＮＳＳ）のアンテナであり、桁１１から上方に向かって立設された支持体２４の上部に受信部２５が支持された構成である。支持体２４は、その下部が桁１１に接合され、その上部に受信部２５が設置される。支持体２４は受信部２５を桁１１の上方に支持可能であることが望ましい。

各アンテナ２２は周期ｔごとに複数の人工衛星から受信する時刻等の情報に基づき経度、緯度、及び高度からなる位置座標を測位する。位置座標を測位する方法としては、単独測位、相対測位、ＤＧＰＳ（ディファレンシャルＧＰＳ）測位、ＲＴＫ（リアルタイムキネマティックＧＰＳ）測位が例示できる。各アンテナ２２は平面座標として経度と緯度とを取得可能な構成であればよい。各アンテナ２２は、平面視で、桁１１の延在方向であるＹ方向の両端部に離間配置される。

アンテナ２２は複数であることが望ましく、測位した複数の位置座標とクレーン１０の立体的な形状を示す形状パラメータとに基づいてクレーン１０の現在位置ｘｔを取得可能に構成される。なお、各アンテナ２２は、平面視で、桁１１の走行方向であるＸ方向の両端部に離間配置されてもよく、三つ以上配置されてもよい。

回転速度取得装置２３は電動モータ１７の回転速度Ｎｍを取得する装置である。回転速度取得装置２３は直に電動モータ１７の回転速度Ｎｍを取得する装置に限定されるものではなく、例えば、タイヤ１６の回転速度やクレーン１０の走行速度Ｖｔを取得して電動モータ１７の回転速度Ｎｍに変換する装置でもよい。

制御装置３０は各種情報処理を行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。制御装置３０はクレーン１０に設置されるが、クレーン１０から離間した遠隔地に設置されて、無線によりインバータ２１、アンテナ２２、および、回転速度取得装置２３と通信可能な構成にしてもよい。

図２に例示するように、走行中のクレーン１０にはＸ方向に直交するＹ方向を軸としてＺ方向上下に回転するピッチング振動が生じる。クレーン１０に立設されたアンテナ２２はそのピッチング振動の影響によりその影響が無い場合の位置座標から離間した位置座標を測位することになる。同様に、アンテナ２２は路面の荒れや風などの外乱の影響によりその影響が無い場合の位置座標から離間した位置座標を測位することになる。つまり、アンテナ２２により取得されるクレーン１０の現在位置ｘｔはそれらの影響の無い状態の位置ｘから少なくともＸ方向に離間することになる。

クレーン１０の走行中のピッチング振動はＸＺ平面において一自由度の振動系として下記の数式（１）で表される。ここで、クレーン１０のピッチング振動による回転中心Ｏ回りの回転角をθとし、クレーン１０の回転中心Ｏの位置座標をｘとし、ゲインをＫｓとし、固有周波数をω_１とし、減衰比をζ_１とする。本開示のピッチング振動の固有周波数ω_１と減衰比ζ_１とのそれぞれとゲインＫｓは予め実験や試験、シミュレーションにより求められて制御装置３０の内部記憶装置に記憶された固定値である。固有周波数ω_１と減衰比ζ_１とゲインＫｓはクレーン１０ごとに設定されてもよく、クレーン１０の形状パラメータやクレーン１０の走行装置１５の仕様、コンテナターミナルの路面状況に応じて設定されてもよい。

図１に例示するように、制御装置３０は上記の数式（１）を利用してピッチング振動の影響を排除した走行制御を行う。制御装置３０は、各機能要素として目標位置更新部３１、現在位置取得部３２、状態推定部３３、目標速度作成部３４、および、速度指令作成部３５を有する。各機能要素は、プログラムとして制御装置３０の内部記憶装置に記憶されて、中央処理装置により読み出されて、適宜実行される。なお、各機能要素としては、プログラムの他にそれぞれが独立して機能する電気回路も例示される。また、各機能要素のそれぞれをプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）で構成して、制御装置３０を複数のＰＬＣの集合体としてもよい。

目標位置更新部３１は停止位置ｘｇが入力されて、周期ｔごとに目標位置ｘＲｔを更新し、更新した目標位置ｘＲｔを目標速度作成部３４に出力する機能要素である。目標位置更新部３１は走行速度算出部３６と目標位置算出部３７とを有して構成される。走行速度算出部３６は走行制御の開始位置ｘｓで停止位置Ｘｇが入力されると開始位置ｘｓから停止位置ｘｇまでの走行速度パターン３８を作成する機能と、作成した走行速度パターン３８に基づいて周期ｔごとに次回の周期（ｔ＋１）で到達すべき目標走行速度Ｖ（ｔ＋１）を算出する機能とを有する。目標位置算出部３７はその目標走行速度Ｖ（ｔ＋１）になるまでの走行速度パターン３８の時間積分値として目標位置ｘＲｔを算出する機能を有する。

図３に例示するように、作成される走行速度パターン３８は、開始位置ｘｓから停止位置ｘｇまでの台形パターンであり、走行速度Ｖｔがゼロから定格速度βになるまで予め設定された加速度αで加速走行する加速期間３８ａと定格速度βで走行する定速期間３８ｂと定格速度βからゼロになるまで予め設定された減速度γで減速走行する減速期間３８ｃとからなる。加速度α、定格速度β、減速度γのそれぞれは予め任意に設定されているものとする。

現在位置取得部３２はアンテナ２２が測位した位置座標が入力されて、それらの位置座標と予め入力されたクレーン１０の形状パラメータとに基づいてクレーン１０の現在位置ｘｔを算出し、算出した現在位置ｘｔを状態推定部３３に出力する機能要素である。本実施形態において、クレーン１０の現在位置ｘｔは平面視でクレーン１０の中心に設定したが、Ｙ方向視で上記の数式（１）で示されるピッチング振動におけるクレーン１０の回転中心Ｏの位置座標の鉛直線上に設定すればよい。

状態推定部３３は周期ｔごとに現在位置取得部３２から出力された現在位置ｘｔおよび回転速度取得装置２３が取得した電動モータ１７の回転速度Ｎｍに基づいて現在位置ｘｔから少なくとも走行中のピッチング振動を含むノイズを除去した推定位置ｘＬｔを推定し、推定した推定位置ｘＬｔを目標速度作成部３４に出力する機能要素である。本開示においてピッチング振動を含むノイズとは、ピッチング振動によるノイズに加えて、ピッチング振動よりも大きな路面の荒れや風などの外乱によるノイズを含む。

本実施形態の状態推定部３３はカルマンフィルタで構成される。このカルマンフィルタは観測方程式と状態法定式との二つの方程式に基づいて設計される。観測方程式は現在位置ｘｔおよび電動モータ１７の回転速度Ｎｍを観測値とする。状態方程式は少なくとも現在位置ｘｔおよび電動モータ１７の回転速度Ｎｍを状態量とし、電動モータ１７の回転速度Ｎｍが目標速度作成部３４から出力される目標回転速度Ｎｒに達する動特性を所定の時定数の一時遅れ特性と仮定して上記の数式（１）を組み入れる。

本実施形態のカルマンフィルタの設計方法を説明する。状態量のベクトルをｖ、観測値のベクトルをｗ、入力ベクトルをｕ、状態方程式の係数行列をＡ、状態方程式のベクトルをｂ、観測方程式の係数行列をＣ、推定ゲイン行列をＬとすると、カルマンフィルタは以下の数式（２）で示される。なお、上付き記号＾はカルマンフィルタにおける推定値を示す。

推定ゲイン行列Ｌの収束値は、制御対象に混入するプロセスノイズの共分散行列Ｑ、観測値に含まれる観測ノイズの共分散行列Ｒを設計パラメータとし、以下の数式（３）で示すリカッチ方程式を解くことで求まる事前誤差共分散行列Ｐを用いて、以下の数式（４）で求まる。なお、下記の数式（３）、（４）における「Ｔ」は転置行列を示すものとする。

プロセスノイズの共分散行列Ｑと観測ノイズの共分散行列Ｒとは予め実験や試験、シミュレーションにより最適化される。状態推定部３３は上記のカルマンフィルタにより推定された状態量ベクトルのうちの推定位置ｘＬｔのみを目標速度作成部３４に出力する。

目標速度作成部３４は周期ｔごとに目標位置更新部３１が更新した目標位置ｘＲｔと状態推定部３３から出力された推定位置ｘＬｔとの偏差（ｘＲｔ－ｘＬｔ）に基づいて電動モータ１７の目標回転速度Ｎｒを算出して、速度指令作成部３５に出力する機能要素である。目標速度作成部３４は比例ゲインＫｐを用いて下記の数式（５）で求まる目標回転速度Ｎｒを出力する。なお、比例ゲインＫｐは予め実験や試験、シミュレーションによりステップ応答法や限界感度法により求めてもよく、目標回転速度Ｎｒに基づいた制御結果から学習により最適な値を求めるオートチューニングを用いて求めてもよい。

速度指令作成部３５は周期ｔごとに目標回転速度Ｎｒからピッチング振動を一自由度の振動系としてその残留振動がゼロとなる速度指令Ｅｉ_１を作成し、その速度指令Ｅｉ_１をインバータ２１に出力する機能要素である。

速度指令作成部３５はインプットシェイピングを用いており、予め入力された上記の数式（１）の固有周波数ω_１および減衰比ζ_１に基づいた第一インパルス列３９と目標回転速度Ｎｒとで畳み込み積分を行うことで速度指令Ｅｉ_１を作成する。

インプットシェイピングにおいてはインパルス数が増えると時間遅れが大きくなることから、二つの第一インパルス列３９で構成されるＺＶ（ＺｅｒｏＶｉｂｒａｔｉｏｎ）シェーパを用いることが望ましい。なお、周期ｔの設定によっては第一インパルス列３９を三つ以上のインパルスで構成してもよく、本実施形態の速度指令作成部３５はＺＶシャーパに限定されるものではない。

図４に例示するように、ＺＶシェーパの二つの第一インパルス列３９の振幅の大きさＡ１、Ａ２と、それぞれの第一インパルス列３９を与えるタイミングｔ１、ｔ２とは下記の数式（６）～（９）で示される。

制御システム２０は、停止位置ｘｇが入力されてクレーン１０の走行が停止するまで、つまり、目標位置ｘＲｔと推定位置ｘＬｔとが一致して、目標回転速度Ｎｒと速度指令Ｅｉ_１とがゼロになるまで周期ｔごとに速度指令Ｅｉ_１をインバータ２１に出力する。インバータ２１は入力された速度指令Ｅｉ_１に基づいて電動モータ１７の回転速度を調節する。

図５に例示するように、点線は状態推定部３３と速度指令作成部３５との両方を機能させない状態の走行制御によりクレーン１０を走行させた場合の現在位置ｘｔの時間経過の変位を示す。一点鎖線は状態推定部３３のみを機能させない状態の走行制御によりクレーン１０を走行させた場合の現在位置ｘｔの時間経過の変位を示す。実線は状態推定部３３と速度指令作成部３５との両方を機能させた本実施形態の走行制御によりクレーン１０を走行させた場合の推定位置ｘＬｔの時間経過の変位を示す。

点線と一点鎖線とを比較すると、速度指令作成部３５で作成された速度指令Ｅｉ_１に基づいた走行制御によってクレーン１０の走行時のＸ方向の振幅が減少していることが分かる。また、点線と実線とを比較すると、状態推定部３３により推定された推定位置ｘＬｔはクレーン１０の走行時のピッチング振動や外乱の影響によるＸ方向のずれが取り除かれていることが分かる。つまり、インバータ２１に出力される速度指令Ｅｉ_１は時間経過に対して大きく変動せず、滑らかに推移する。

本実施形態のクレーン１０の制御システム２０は状態推定部３３と目標速度作成部３４と速度指令作成部３５との三つの機能要素を同時に適用した走行制御を行う。つまり、本実施形態の制御システム２０によれば、目標位置ｘＲｔに対する位置偏差フィードバック制御に現在位置ｘｔから少なくともピッチング振動を含むノイズを除去した推定位置ｘＬｔを用いるとともに加減速終了時のピッチング振動を抑制する速度指令Ｅｉ_１を作成するフィードフォワード制御を組み込むことで、クレーン１０の走行中のピッチング振動の影響を抑制することができる。これにより、全球測位衛星システムのアンテナ２２を用いた走行制御における目標位置ｘＲｔに対する精度を向上するには有利になり、ピッチング振動や外乱の影響が収まるまでに必要であったクリープ速度での走行距離を削減することで、走行に要する時間を短縮することができる。

制御システム２０は、ピッチング振動を一自由度の振動系と見做した場合の固有周波数ω_１および減衰比ζ_１と、プロセスノイズの共分散行列Ｑおよび観測ノイズの共分散行列Ｒとを予め実験や試験、シミュレーションにより求めて予め制御装置３０に入力しておく必要がある。つまり、制御システム２０による走行制御にはモデル化誤差が生じるおそれがある。このようなモデル化誤差が生じる場合に、状態推定部３３と目標速度作成部３４と速度指令作成部３５との三つの機能要素を同時に適用した走行制御を行うことでモデル化誤差の影響を抑制することが可能となる。例えば、モデル化誤差により速度指令作成部３５から出力される速度指令Ｅｉ_１で残留振動をゼロに近づけられない場合でも状態推定部３３により振動を取り除くことができる。また、モデル化誤差により状態推定部３３が所定の性能を得られない場合でも、速度指令作成部３５によりピッチング振動の影響を低減しておけば、状態推定部３３の推定精度は向上する。以上のように、制御システム２０は状態推定部３３と目標速度作成部３４と速度指令作成部３５との三つの機能要素を同時に適用した走行制御を行うことで走行制御の精度を向上することができる。

本実施形態では走行体としてクレーン１０を例示したが、走行体はクレーン１０に限定されず、インバータ制御の電動モータによりタイヤを転動させて走行するものであればよい。例えば、コンテナターミナルでコンテナを運搬する運搬台車やストラドルキャリアが例示される。また、クレーン１０の走行方向はＸ方向に限定されずに、Ｙ方向でも適用可能である。なお、クレーン１０の走行方向がＹ方向の場合に、ピッチング振動の固有周波数ω１、減衰比ζ１、ゲインＫｓは走行方向がＸ方向の場合と異なってもよい。

図６に例示するように、第二実施形態のクレーン１０の制御システム２０は第一実施形態の速度指令作成部３５に代えて速度指令作成部４０およびパラメータ取得装置４１を備える点が異なる。

速度指令作成部４０は周期ｔごとに目標回転速度Ｎｒからピッチング振動の残留振動がゼロとなり、かつ、吊具１３のＸ方向の振れを単振り子と見做した単振動の残留振動がゼロとなる速度指令Ｅｉ_２を作成し、その速度指令Ｅｉ_２をインバータ２１に出力する機能要素である。

パラメータ取得装置４１は単振動の固有周波数ω_２と減衰比ζ_２とを算出するためのパラメータを速度指令作成部４０に出力する機能要素である。本開示の単振動の固有周波数ω_２は振り子の等時性からトロリ１２の所定位置の支点から吊具１３までのワイヤの長さｌに対して正の相関となる。また、減衰比ζ_２は長さｌ、吊具１３および吊荷の合計の重さＷ、吊具１３および吊荷の合計の空気抵抗Ｎをパラメータとして求められる。これらの固有周波数ω２は長さｌごとに設定されることが望ましく、減衰比ζ２は長さｌ、重さＷ、および、空気抵抗Ｎの相関に基づいて設定されることが望ましい。パラメータ取得装置４１は、これらの長さｌ、重さＷ、および、空気抵抗Ｎを含むパラメータを取得する装置である。なお、長さｌを取得する手段としては、図示しないワイヤを巻き上げまたは繰り出すドラムの回転数を検出し、検出したその回転数に基づいて長さｌを出力するエンコーダを用いる手段や、トロリ１２に設置された送信器から発射された電波を吊具１３に設置された受信器で受信することにより長さｌを出力するビーコンを用いる手段が例示される。また、吊具１３および吊荷の合計の重さを取得する手段としては、吊具１３の重さを既知として、図示しない荷役管理装置（ターミナルオペレーションシステム）から吊荷の重さを得る手段や吊具１３を昇降する際に生じるトルクに基づいて吊荷の重さを得る手段が例示される。また、吊具１３および吊荷の合計の空気抵抗は既知であり、吊荷の吊り上げの有無により設定される。

図７に例示するように、Ｘ方向に走行中のクレーン１０の吊具１３はＹ方向視でピッチング振動におけるクレーン１０の回転中心Ｏの位置座標の鉛直線上に設定された所定位置を支点としてワイヤにより吊るされた単振り子と見做すことができ、Ｘ方向に揺動する単振動が生じる。本実施形態においてアンテナ２２により取得されるクレーン１０の現在位置ｘｔは単振動の支点に設定することが望ましい。

本開示の単振動は、吊具１３が吊荷であるコンテナを吊っていない状態の単振動を例示するが、吊具１３が吊荷を吊った状態の単振動でもよい。この単振動はクレーン１０のピッチング振動の影響も受けることから、クレーン１０の走行中の単振動はＸＺ平面において二自由度の振動系として下記の数式（１１）で表される。ここで、単振動による振り子角度をφとし、単振り子の支点の位置座標をｘｔ（＝ｘ＋Ｈθ）とする。

速度指令作成部４０はインプットシェイピングを用いており、予め入力された上記の数式（１）の固有周波数ω_１および減衰比ζ_１に基づいた第一インパルス列３９と予め入力された上記の数式（１０）の固有周波数ω２および減衰比ζ２に基づいた第二インパルス列４２とで畳み込み積分を行うことで第三インパルス列４３を作成する。ついで、速度指令作成部４０は作成した第三インパルス列４３と目標回転速度Ｎｒとで畳み込み積分を行うことで速度指令Ｅｉ_２を作成する。

ＺＶシェーパの二つの第二インパルス列４２の振幅の大きさＡ３、Ａ４と、それぞれの第二インパルス列４２を与えるタイミングｔ３、ｔ４とは下記の数式（１１）～（１４）で示される。

単振動の固有周波数ω_２とピッチング振動の固有周波数ω_１とは異なる周波数であり、単振動の固有周波数ω_２がピッチング振動の固有周波数ω_１よりも低い。それ故、二つのインパルスで構成される第一インパルス列３９と二つのインパルスで構成される第二インパルス列４２とで畳み込み積分を行うことで作成される第三インパルス列４３は四つのインパルスで構成され、下記の数式（１５）で示される。ここで、下付きのｉは「１～４」を示すこととする。

制御システム２０は、停止位置ｘｇが入力されてクレーン１０の走行が停止するまで、つまり、目標位置ｘＲｔと推定位置ｘＬｔとが一致して、目標回転速度Ｎｒと速度指令Ｅｉ_２とがゼロになるまで周期ｔごとに速度指令Ｅｉ_２をインバータ２１に出力する。インバータ２１は入力された速度指令Ｅｉ_２に基づいて電動モータ１７の回転速度を調節する。

以上の本実施形態の制御システム２０によれば、加減速終了時のピッチング振動と吊具１３に生じる単振動との両方の振動を抑制する速度指令Ｅｉ_２を作成するフィードフォワード制御を組み込むことで、クレーン１０の走行中のピッチング振動と単振動との影響を抑制することができる。これにより、目標位置ｘＲｔに対する精度を向上しつつ、吊具１３のクレーン１０の走行方向への振れを抑制するには有利になり、ピッチング振動の影響や吊具１３の振れが収まるまでに必要であったクリープ速度での走行距離を削減することで、走行に要する時間を短縮することができる。

既述した実施形態では、クレーン１０がＸ方向に走行したときのＹ方向を軸とするピッチング振動や吊具１３のＸ方向への振れを例示したが、本開示の制御システム２０はクレーン１０がＹ方向に走行したときのＸ方向を軸とするピッチング振動や吊具１３のＹ方向への振れにも適用可能である。

本開示の制御システム２０は、コンテナターミナルの蔵置レーンをＹ方向に跨いでＸ方向に走行するクレーン１０に搭載されるシステムに限定されるものではなく、コンテナターミナルの岸壁に接岸した船舶に対して荷役するクレーンにも適用可能である。また、吊具１３が吊り上げる吊荷はコンテナに限定されるものではない。

本開示の制御システム２０は、クレーン１０のＹ方向両端のそれぞれに現在位置を設定し、左右の走行装置１５のそれぞれに異なる目標速度が設定され、それぞれの目標速度に対して速度指令が生成される構成にしてもよい。

１０走行体（クレーン）
１１桁
１２トロリ
１３吊具
１４脚構造物
１５走行装置
１６タイヤ
１７電動モータ
２０制御システム
２１インバータ
２２全球測位衛星システムのアンテナ
２３回転速度取得装置
３０制御装置
３１目標位置更新部
３２現在位置取得部
３３状態推定部
３４目標速度作成部
３５、４０速度指令作成部
３８走行速度パターン
３９第一インパルス列
４１パラメータ取得装置
４２第二インパルス列
４３第三インパルス列
ｘｔ現在位置
ｘＲｔ目標位置
ｘＬｔ推定位置
Ｎｒ目標回転速度
Ｅｉ_１速度指令

Claims

電動モータの回転速度を調節するインバータと、前記電動モータによりタイヤを転動させて走行する走行体に立設された全球測位衛星システムのアンテナと、前記電動モータの回転速度を取得する回転速度取得装置と、前記インバータに速度指令を出力する制御装置と、を備える制御システムにおいて、
前記制御装置は状態推定部と目標速度作成部と速度指令作成部とを有し、予め設定された周期ごとに、前記状態推定部が前記アンテナにより取得した現在位置および前記回転速度取得装置により取得した前記電動モータの回転速度に基づいて前記現在位置から少なくとも走行中の前記走行体の走行方向に対して直交する水平方向を回転軸とするピッチング振動を含むノイズを除去した推定位置を推定し、次いで、前記目標速度作成部が前記走行体を移動させる目標位置および前記推定位置の偏差に基づいて前記電動モータの回転速度の目標回転速度を作成し、次いで、前記速度指令作成部が前記目標回転速度から前記ピッチング振動の残留振動がゼロとなる速度指令を作成し、その速度指令を前記インバータに出力することを特徴とする制御システム。
前記速度指令作成部はインプットシェイピングを用いており、予め入力された前記ピッチング振動の固有周波数および減衰比に基づいた第一インパルス列と前記目標回転速度とで畳み込み積分を行うことで前記速度指令を作成する請求項１に記載の制御システム。
前記状態推定部はカルマンフィルタであり、前記現在位置および前記電動モータの回転速度を観測値とする観測方程式と、少なくとも前記現在位置および前記電動モータの回転速度を状態量とし、前記電動モータの回転速度が前記目標回転速度に達する動特性を所定の時定数の一時遅れ特性と仮定して前記ピッチング振動の系を組み入れた状態方程式と、予め設定された前記観測方程式のノイズの共分散および前記状態方程式のノイズの共分散と、に基づいて前記推定位置を推定する請求項１または２に記載の制御システム。
前記制御装置は目標位置更新部を有し、この目標位置更新部が前記周期ごとに予め入力された停止位置に応じて設定された走行速度パターンに基づいて前記目標位置を算出する請求項１～３のいずれか１項に記載の制御システム。
請求項１～４のいずれか１項に記載の制御システムを備えたことを特徴とする走行体。
一方向に延在する桁と、この桁に沿って横行するトロリと、このトロリから吊り下げられた吊具と、前記桁を上部に支持する脚構造体と、この脚構造体の下端に設置されて前記電動モータおよび前記タイヤを有する走行装置と、を備え、前記桁に前記アンテナが設置されたクレーンである請求項５に記載の走行体。
前記速度指令作成部は、前記目標回転速度から前記ピッチング振動の残留振動がゼロとなり、かつ、前記吊具の前記走行方向の振れを単振り子と見做した単振動の残留振動がゼロとなる速度指令を作成し、その速度指令を前記インバータに出力する請求項６に記載の走行体。
前記速度指令作成部はインプットシェイピングを用いており、予め入力された前記ピッチング振動の固有周波数および減衰比に基づいた第一インパルス列と予め入力された前記単振動の固有周波数および減衰比に基づいた第二インパルス列とを畳み込み積分して第三インパルス列を算出し、算出したその第三インパルス列と前記目標回転速度とで畳み込み積分を行うことで前記速度指令を作成する請求項７に記載の走行体。