WO2020013054A1 - クレーン - Google Patents
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Definitions
- the low-pass filter Lp attenuates frequencies above a predetermined frequency.
- the target trajectory calculation unit 31a applies a low-pass filter Lp to the target speed signal Vd to prevent the occurrence of a singular point (rapid position change) due to the differential operation.
- the low-pass filter Lp uses the fourth-order low-pass filter Lp in order to cope with the fourth order differentiation at the time of calculating the spring constant kf.
- the low-pass filter Lp of the order matching the desired characteristics is applied. be able to.
- a and b in the equation (3) are coefficients.
- step S250 the boom position calculation unit 31b calculates the acceleration of the luggage W from the current position coordinates p (n) of the luggage W and the target position coordinates p (n + 1) of the luggage W, and calculates the above-described equation using the gravitational acceleration.
- the direction vector e (n + 1) of the wire rope is calculated using (5), and the process proceeds to step S260.
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Abstract
荷物を基準としてアクチュエータを制御する際に高精度に荷物の揺れを抑制することができるクレーンを提供する。旋回台カメラ(7a)がワイヤロープに吊られる荷物Wを検出し、検出した荷物Wの位置から荷物Wの現在座標位置p(n)を算出し、クレーン(1)の姿勢から、ブーム(9)の先端の現在座標位置q(n)を算出し、操作具から入力された目標速度信号Vdを荷物Wの目標座標位置p(n+1)に変換し、荷物Wの現在座標位置p(n)と荷物Wの目標座標位置p(n+1)とから、ワイヤロープの方向ベクトルe(n)を算出し、ワイヤロープの繰り出し量l(n)とワイヤロープの方向ベクトルe(n)とから、荷物Wの目標座標位置p(n+1)におけるブーム(9)の先端の目標位置q(n+1)を算出し、アクチュエータの作動信号Mdを生成する。
Description
本発明は、監視装置を備えるクレーンに関する。
従来、移動式クレーン等において、走行時および作業時の障害物の視認性を向上させるために障害物報知システムを備えたクレーンが提案されている。障害物報知システムは、クレーンの走行時の車両側方、および作業時の作業領域内での障害物の有無、人、車両等の近接を検出し、操縦者に報知するシステムである。障害物報知システムは、カメラやミリ波レーダー等によって障害物を検知し、キャビン内に設置されたモニタ等に検知状態を表示するように構成されている。例えば、特許文献1の如くである。
特許文献1に記載の障害物報知システムは、クレーンのクレーン装置(旋回台上のブームサポートカバー)に設けられているテレビカメラ、監視映像をリアルタイムで表示処理する表示制御部、監視映像を表示するモニタ、操縦者(運転者)に報知する報知部等を具備する。テレビカメラは、キャビン内の操縦者から視認が難しいブームサポートカバー側(ブームを挟んだ反対側)の範囲を撮影するように設けられている。これにより、操縦者は、ブームの起伏角度によって視野が変動する範囲をキャビン内のモニタで確認することで、より確実に障害物の有無を認識することができる。
一方、遠隔操作端末などによって各アクチュエータが遠隔操作されるクレーンが提案されている。このようなクレーンにおいて、クレーンと遠隔操作端末との相対的な位置関係に関わらず、遠隔操作端末の操作具の操作方向とクレーンの作動方向とを一致させて、クレーンの操作を容易かつ簡単に行うことができる遠隔操作端末およびクレーンが知られている。例えば、特許文献2の如くである。
特許文献2に記載のクレーンは、遠隔操作装置からの荷物を基準とした操作指令信号によって操作される。つまり、クレーンは、荷物の移動方向と移動速度に関する指令に基づいて各アクチュエータが制御されるので、各アクチュエータの作動速度、作動量、作動タイミング等を意識することなく直観的に操作することができる。しかし、クレーンは、遠隔操作装置からの速度信号がステップ関数の態様で入力される移動開始時や停止時に不連続な加速度が生じて荷物に揺れが発生する場合があった。また、クレーンは、荷物が常にブーム先端の鉛直下方にあるものと仮定して制御するため、ワイヤロープの影響によって生じる荷物の位置ずれや揺れの発生を抑制することができない。
本発明の目的は、荷物を基準としてアクチュエータを制御する際に、高精度に荷物の揺れを抑制しつつ目標軌道に沿って移動させることができるクレーンおよびクレーンの制御方法の提供を目的とする。
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
即ち、第1の発明は、クレーン装置に周辺を監視する監視装置が設けられているクレーンであって、荷物の移動方向と速さに関する目標速度信号を入力する操作具と、前記ブームの旋回角度検出手段と、前記ブームの起伏角度検出手段と、前記ブームの伸縮長さ検出手段と、を備え、前記監視装置がワイヤロープに吊られる荷物を検出し、検出した前記荷物の位置から基準位置に対する前記荷物の現在位置を算出し、前記旋回角度検出手段が検出した旋回角度、前記起伏角度検出手段が検出した起伏角度および前記伸縮長さ検出手段が検出した伸縮長さから、基準位置に対するブーム先端の現在位置を算出し、前記操作具から入力された前記目標速度信号を前記基準位置に対する荷物の目標位置に変換し、前記荷物の現在位置と、前記ブーム先端の現在位置とから、前記ワイヤロープの繰り出し量を算出し、前記荷物の現在位置と前記荷物の目標位置とから、前記ワイヤロープの方向ベクトルを算出し、前記ワイヤロープの繰り出し量と前記ワイヤロープの方向ベクトルとから、前記荷物の目標位置におけるブーム先端の目標位置を算出し、前記ブーム先端の目標位置に基づいて前記クレーン装置のアクチュエータの作動信号を生成するクレーンである。
第2の発明は、前記監視装置が検出した前記荷物の位置から前記荷物の現在速度を算出し、前記目標速度信号を積分し、所定の周波数範囲の周波数成分を減衰させた目標軌道信号を算出し、前記目標速度信号と前記現在速度との速度差を算出し、前記速度差を小さくする補正係数を前記目標軌道信号に乗じて補正軌道信号を算出し、前記補正軌道信号を前記基準位置に対する前記荷物の目標位置に変換するクレーンである。
第3の発明は、前記監視装置が複数のカメラであり、前記複数のカメラをステレオカメラとして構成して荷物を撮影し、前記複数のカメラが撮影した映像から、基準位置に対する前記荷物の現在位置を算出するクレーンである。
本発明は、以下に示すような効果を奏する。
第1の発明においては、監視装置を利用して荷物の現在位置を検出し、荷物の現在位置および目標位置とブーム先端の現在位置からワイヤロープの方向ベクトルを算出し、ワイヤロープの繰り出し長さと方向ベクトルからブーム先端の目標位置を算出するので、荷物を基準としてクレーンを操作しつつ、荷物が目標軌道に沿って移動するようにブームが制御される。これにより、荷物を基準としてアクチュエータを制御する際に、高精度に荷物の揺れを抑制しつつ目標軌道に沿って移動させることができる。
第2の発明においては、荷物の現在速度v(n)が算出され、荷物の目標速度信号と現在速度v(n)との差異が小さくなるように荷物の目標速度信号が補正されるので、目標軌道に対する現在位置の誤差の累積が抑制される。これにより、荷物を基準としてアクチュエータを制御する際に、高精度に荷物の揺れを抑制しつつ目標軌道に沿って移動させることができる。
第3の発明においては、クレーン装置の周辺を監視する複数のカメラから構成されるステレオカメラによって荷物の空間位置を検出しているので、荷物の位置、速度を精度よく算出される。これにより、荷物を基準としてアクチュエータを制御する際に、高精度に荷物の揺れを抑制しつつ目標軌道に沿って移動させることができる。
以下に、図1から図5を用いて、本発明の一実施形態に係る作業車両として移動式クレーン(ラフテレーンクレーン)であるクレーン1について説明する。なお、本実施形態においては、作業車両としてクレーン1(ラフテレーンクレーン)ついて説明を行うが、オールテレーンクレーン、トラッククレーン、積載型トラッククレーン、高所作業車等でもよい。
図1に示すように、クレーン1は、不特定の場所に移動可能な移動式クレーンである。クレーン1は、車両2、作業装置であるクレーン装置6を有する。
車両2は、クレーン装置6を搬送する走行体である。車両2は、複数の車輪3を有し、エンジン4を動力源として走行する。車両2には、アウトリガ5が設けられている。アウトリガ5は、車両2の幅方向両側に油圧によって延伸可能な張り出しビームと地面に垂直な方向に延伸可能な油圧式のジャッキシリンダとから構成されている。車両2は、アウトリガ5を車両2の幅方向に延伸させるとともにジャッキシリンダを接地させることにより、クレーン1の作業可能範囲を広げることができる。
クレーン装置6は、荷物Wをワイヤロープによって吊り上げる作業装置である。クレーン装置6は、旋回台7、旋回台7カメラ、ブーム9、ジブ9a、メインフックブロック10、サブフックブロック11、起伏用油圧シリンダ12、メインウインチ13、メインワイヤロープ14、サブウインチ15、サブワイヤロープ16、キャビン17、制御装置31および操作端末等を具備する。
旋回台7は、クレーン装置6を旋回させる旋回台である。旋回台7は、円環状の軸受を介して車両2のフレーム上に設けられる。旋回台7は、円環状の軸受の中心を回転中心として回転自在に構成されている。旋回台7には、周辺を監視する複数の旋回台カメラ7aが設けられている。また、旋回台7は、アクチュエータである油圧式の旋回用油圧モータ8が設けられている。旋回台7は、旋回用油圧モータ8によって一方向と他方向とに旋回可能に構成されている。
図1と図2とに示すように、旋回台カメラ7aは、旋回台7の周辺の障害物や人物等を撮影する監視装置である。旋回台カメラ7aは、旋回台7の前方の左右両側および旋回台7の後方の左右両側に設けられている。各旋回台カメラ7aは、それぞれの設置個所の周辺を撮影することで、旋回台7の全周囲を監視範囲としてカバーしている。また、旋回台7の前方の左右両側にそれぞれ配置されている旋回台カメラ7aは、一組のステレオカメラとして使用可能に構成されている。つまり、旋回台7の前方の左右両側の旋回台カメラ7aは、一組のステレオカメラとして使用することで吊り下げられている荷物Wの位置情報を三次元の座標値として検出する荷物位置検出手段として用いられる。この際、クレーン1は、一組のステレオカメラとして使用されている旋回台カメラ7aの周辺監視手段としての撮影範囲を他のカメラ(例えばブームカメラ)やセンサ等で補うように構成されている。なお、荷物位置検出手段は、他の位置に設けられている旋回台カメラ7aやブームカメラ9b等の他のカメラで構成してもよい。また、荷物位置検出手段は、ミリ波レーダー、GNSS装置等の荷物Wの現在位置情報を検出できるものであればよい。
図1に示すように、アクチュエータである旋回用油圧モータ8は、電磁比例切換弁である旋回用バルブ23(図3参照)によって回転操作される。旋回用バルブ23は、旋回用油圧モータ8に供給される作動油の流量を任意の流量に制御することができる。つまり、旋回台7は、旋回用バルブ23によって回転操作される旋回用油圧モータ8を介して任意の旋回速度に制御可能に構成されている。旋回台7には、旋回台7の旋回角度θz(角度)と旋回速度θzを検出する旋回角度検出手段である旋回用センサ27(図3参照)が設けられている。
ブーム9は、荷物Wを吊り上げ可能な状態にワイヤロープを支持する可動支柱である。ブーム9は、複数のブーム部材から構成されている。ブーム9は、ベースブーム部材の基端が旋回台7の略中央に揺動可能に設けられている。ブーム9は、各ブーム部材をアクチュエータである図示しない伸縮用油圧シリンダで移動させることで軸方向に伸縮自在に構成されている。また、ブーム9には、ジブ9aが設けられている。
アクチュエータである図示しない伸縮用油圧シリンダは、電磁比例切換弁である伸縮用バルブ24(図3参照)によって伸縮操作される。伸縮用バルブ24は、伸縮用油圧シリンダに供給される作動油の流量を任意の流量に制御することができる。ブーム9には、ブーム9の長さを検出する伸縮長さ検出手段である伸縮用センサ28と、ブーム9の先端を中心とする方位を検出する方位センサ29とが設けられている。
検知装置であるブームカメラ9b(図3参照)は、荷物Wおよび荷物W周辺の地物を撮影する画像取得手段である。ブームカメラ9bは、ブーム9の先端部に設けられている。ブームカメラ9bは、荷物Wの鉛直上方から荷物Wおよびクレーン1周辺の地物や地形を撮影可能に構成されている。
メインフックブロック10とサブフックブロック11とは、荷物Wが吊られる部材である。メインフックブロック10には、メインワイヤロープ14が巻き掛けられる複数のフックシーブと、荷物Wを吊るメインフック10aとが設けられている。サブフックブロック11には、荷物Wを吊るサブフック11aが設けられている。
起伏用油圧シリンダ12は、ブーム9を起立および倒伏させ、ブーム9の姿勢を保持するクチュエータである。起伏用油圧シリンダ12は、シリンダ部の端部が旋回台7に揺動自在に連結され、ロッド部の端部がブーム9のベースブーム部材に揺動自在に連結されている。起伏用油圧シリンダ12は、電磁比例切換弁である起伏用バルブ25(図3参照)によって伸縮操作される。起伏用バルブ25は、起伏用油圧シリンダ12に供給される作動油の流量を任意の流量に制御することができる。ブーム9には、起伏角度θxを検出する起伏角度検出手段である起伏用センサ30(図3参照)が設けられている。
メインウインチ13とサブウインチ15とは、メインワイヤロープ14とサブワイヤロープ16との繰り入れ(巻き上げ)および繰り出し(巻き下げ)を行うアクチュエータである。メインウインチ13は、メインワイヤロープ14が巻きつけられるメインドラムがアクチュエータである図示しないメイン用油圧モータによって回転され、サブウインチ15は、サブワイヤロープ16が巻きつけられるサブドラムがアクチュエータである図示しないサブ用油圧モータによって回転されるように構成されている。
メイン用油圧モータは、電磁比例切換弁であるメイン用バルブ26m(図3参照)によって回転操作される。メインウインチ13は、メイン用バルブ26mによってメイン用油圧モータを制御し、任意の繰り入れおよび繰り出し速度に操作可能に構成されている。同様に、サブウインチ15は、電磁比例切換弁であるサブ用バルブ26s(図3参照)によってサブ用油圧モータを制御し、任意の繰り入れおよび繰り出し速度に操作可能に構成されている。メインウインチ13とサブウインチ15とには、メインワイヤロープ14とサブワイヤロープ16の繰り出し量lをそれぞれ検出する巻回用センサ43(図3参照)が設けられている。
キャビン17は、操縦席を覆う筐体である。キャビン17は、旋回台7に搭載されている。キャビン17には、図示しない操縦席が設けられている。操縦席には、車両2を走行操作するための操作具やクレーン装置6を操作するための旋回操作具18、起伏操作具19、伸縮操作具20、メインドラム操作具21m、サブドラム操作具21s、操作端末32等が設けられている(図3参照)。旋回操作具18は、旋回用油圧モータ8を操作することができる。起伏操作具19は、起伏用油圧シリンダ12を操作することができる。伸縮操作具20は、伸縮用油圧シリンダを操作することができる。メインドラム操作具21mは、メイン用油圧モータを操作することができる。サブドラム操作具21sは、サブ用油圧モータを操作することができる。
図3に示すように、制御装置31は、各操作弁を介してクレーン装置6のアクチュエータを制御する。制御装置31は、キャビン17内に設けられている。制御装置31は、実体的には、CPU、ROM、RAM、HDD等がバスで接続される構成であってもよく、あるいはワンチップのLSI等からなる構成であってもよい。制御装置31は、各アクチュエータや切換えバルブ、センサ等の動作を制御するために種々のプログラムやデータが格納されている。
制御装置31は、旋回台カメラ7a、ブームカメラ9bに接続され、旋回台カメラ7aからの映像i1、ブームカメラ9bからの映像i2、を取得することができる。また、制御装置31は、取得した旋回台カメラ7aからの映像i1から、荷物Wの現在位置座標p(n)および荷物Wの大きさを算出することができる。
制御装置31は、旋回操作具18、起伏操作具19、伸縮操作具20、メインドラム操作具21mおよびサブドラム操作具21sに接続され、旋回操作具18、起伏操作具19、メインドラム操作具21mおよびサブドラム操作具21sのそれぞれの操作量を取得することができる。
制御装置31は、操作端末32の端末側制御装置41(図参照)に接続され、操作端末32からの制御信号を取得することができる。
制御装置31は、旋回用バルブ23、伸縮用バルブ24、起伏用バルブ25、メイン用バルブ26mおよびサブ用バルブ26sに接続され、旋回用バルブ23、起伏用バルブ25、メイン用バルブ26mおよびサブ用バルブ26sに作動信号Mdを伝達することができる。
制御装置31は、旋回用センサ27、伸縮用センサ28、方位センサ29、起伏用センサ30および巻回用センサ43に接続され、旋回台7の旋回角度θz、伸縮長さLb、起伏角度θx、メインワイヤロープ14またはサブワイヤロープ16(以下、単に「ワイヤロープ」と記す)の繰り出し量l(n)のおよびブーム9の先端を中心とする方位を取得することができる。
制御装置31は、旋回操作具18、起伏操作具19、メインドラム操作具21mおよびサブドラム操作具21sの操作量に基づいて各操作具に対応した作動信号Mdを生成する。
このように構成されるクレーン1は、車両2を走行させることで任意の位置にクレーン装置6を移動させることができる。また、クレーン1は、起伏操作具19の操作によって起伏用油圧シリンダ12でブーム9を任意の起伏角度θxに起立させて、伸縮操作具20の操作によってブーム9を任意のブーム9長さに延伸させたりすることでクレーン装置6の揚程や作業半径を拡大することができる。また、クレーン1は、サブドラム操作具21s等によって荷物Wを吊り上げて、旋回操作具18の操作によって旋回台7を旋回させることで荷物Wを搬送することができる。
図4と図5に示すように、操作端末32は、荷物Wを移動させる方向と速さに関する目標速度信号Vdを入力する端末である。操作端末32は、筐体33、筐体33の操作面に設けられる吊り荷移動操作具35、端末側旋回操作具36、端末側伸縮操作具37、端末側メインドラム操作具38m、端末側サブドラム操作具38s、端末側起伏操作具39、端末側表示装置40および端末側制御装置41(図3、図5参照)等を具備する。操作端末32は、吊り荷移動操作具35または各種操作具の操作により生成される荷物Wの目標速度信号Vdをクレーン1(クレーン装置6)の制御装置31に送信する。
図4に示すように、筐体33は、操作端末32の主たる構成部材である。筐体33は、操縦者が手で保持可能な大きさの筐体に構成されている。筐体33には、操作面に吊り荷移動操作具35、端末側旋回操作具36、端末側伸縮操作具37、端末側メインドラム操作具38m、端末側サブドラム操作具38s、端末側起伏操作具39および端末側表示装置40が設けられている。
図4と図5に示すように、吊り荷移動操作具35は、水平面において荷物Wの移動方向と速さについての指示を入力する操作具である。吊り荷移動操作具35は、筐体33の操作面から略垂直に起立した操作スティックおよび操作スティックの傾倒方向および傾倒量を検出する図示しないセンサから構成されている。吊り荷移動操作具35は、操作スティックが任意の方向に傾倒操作可能に構成されている。吊り荷移動操作具35は、操作面に向かって上方向(以下、単に「上方向」と記す)をブーム9の延伸方向として図示しないセンサで検出した操作スティックの傾倒方向とその傾倒量についての操作信号を端末側制御装置41に伝達するように構成されている。
端末側旋回操作具36は、クレーン装置6の旋回方向と速さについての指示が入力される操作具である。端末側伸縮操作具37は、ブーム9の伸縮と速さについての指示を入力する操作具である。端末側メインドラム操作具38m(端末側サブドラム操作具38s)は、メインウインチ13の回転方向と速さについての指示を入力する操作具である。端末側起伏操作具39は、ブーム9の起伏と速さについての指示を入力する操作具である。各操作具は、筐体33の操作面から略垂直に起立した操作スティックおよび操作スティックの傾倒方向および傾倒量を検出する図示しないセンサから構成されている。各操作具は、一側および他側に傾倒可能に構成されている。
図5に示すように、端末側表示装置40は、クレーン1の姿勢情報や荷物Wの情報等の様々な情報を表示する。端末側表示装置40は、液晶画面等の画像表示装置から構成されている。端末側表示装置40は筐体33の操作面に設けられている。端末側表示装置40には、ブーム9の延伸方向を端末側表示装置40に向かって上方向とし、その方位が表示されている。
制御部である端末側制御装置41は、操作端末32を制御する。端末側制御装置41は、操作端末32の筐体33内に設けられている。端末側制御装置41は、実体的には、CPU、ROM、RAM、HDD等がバスで接続される構成であってもよく、あるいはワンチップのLSI等からなる構成であってもよい。端末側制御装置41は、吊り荷移動操作具35、端末側旋回操作具36、端末側伸縮操作具37、端末側メインドラム操作具38m、端末側サブドラム操作具38s、端末側起伏操作具39および端末側表示装置40等の動作を制御するために種々のプログラムやデータが格納されている。
端末側制御装置41は、吊り荷移動操作具35、端末側旋回操作具36、端末側伸縮操作具37、端末側メインドラム操作具38m、端末側サブドラム操作具38sおよび端末側起伏操作具39に接続され、各操作具の操作スティックの傾倒方向および傾倒量からなる操作信号を取得することができる。
端末側制御装置41は、端末側旋回操作具36、端末側伸縮操作具37、端末側メインドラム操作具38m、端末側サブドラム操作具38sおよび端末側起伏操作具39の各センサから取得した各操作スティックの操作信号から、荷物Wの目標速度信号Vdを生成することができる。また、端末側制御装置41は、クレーン装置6の制御装置31に有線または無線で接続され、生成した荷物Wの目標速度信号Vdをクレーン装置6の制御装置31に送信することができる。
次に、図6を用いて、操作端末32によるクレーン装置6の制御について説明する。
図6に示すように、ブーム9の先端が北を向いている状態において操作端末32の吊り荷移動操作具35が上方向に対して左方向に傾倒角度θ2=45°の方向に任意の傾倒量だけ傾倒操作された場合、端末側制御装置41は、ブーム9の延伸方向である北から傾倒角度θ2=45°の方向である北西への傾倒方向と傾倒量についての操作信号を吊り荷移動操作具35の図示しないセンサから取得する。さらに、端末側制御装置41は、取得した操作信号から、北西に向かって傾倒量に応じた速さで荷物Wを移動させる目標速度信号Vdを単位時間t毎に算出する。操作端末32は、算出した目標速度信号Vdを単位時間t毎にクレーン装置6の制御装置31に送信する。
制御装置31は、操作端末32から目標速度信号Vdを単位時間t毎に受信すると、方位センサ29が取得したブーム9の先端の方位に基づいて、荷物Wの目標軌道信号Pdを算出する。さらに、制御装置31は、目標軌道信号Pdから荷物Wの目標位置である荷物Wの目標位置座標p(n+1)を算出する。制御装置31は、目標位置座標p(n+1)に荷物Wを移動させる旋回用バルブ23、伸縮用バルブ24、起伏用バルブ25、メイン用バルブ26mおよびサブ用バルブ26sの作動信号Mdを生成する(図7参照)。クレーン1は、吊り荷移動操作具35の傾倒方向である北西に向けて傾倒量に応じた速さで荷物Wを移動させる。この際、クレーン1は、旋回用油圧モータ8、縮用油圧シリンダ、起伏用油圧シリンダ12およびメイン用油圧モータ等を作動信号Mdによって制御する。
このように構成することで、クレーン1は、操作端末32からブーム9の延伸方向を基準として、吊り荷移動操作具35の操作方向に基づいた移動方向と速さの目標速度信号Vdを単位時間t毎に取得し、荷物Wの目標位置座標p(n+1)を決定するので、操縦者が吊り荷移動操作具35の操作方向に対するクレーン装置6の作動方向の認識を喪失することがない。つまり、吊り荷移動操作具35の操作方向と荷物Wの移動方向とが共通の基準であるブーム9の延伸方向に基づいて算出されている。これにより、クレーン装置6の操作を容易かつ簡単に行うことができる。なお、本実施形態において、操作端末32は、キャビン17の内部に設けられているが、端末側無線機を設けてキャビン17の外部から遠隔操作可能な遠隔操作端末として構成してもよい。
次に、図7から図12を用いて、クレーン装置6の制御装置31における作動信号Mdを生成するための荷物Wの目標軌道信号Pd、およびブーム9の先端の目標位置座標q(n+1)を算出する制御工程の第一実施形態について説明する。制御装置31は、目標軌道算出部31a、ブーム位置算出部31b、作動信号生成部31cを有している。また、制御装置31は、旋回台7の前方の左右両側の一組の旋回台カメラ7aを荷物位置検出手段であるステレオカメラとし、荷物Wの現在位置情報を取得可能に構成されている(図2参照)。
図7に示すように、目標軌道算出部31aは、制御装置31の一部であり、荷物Wの目標速度信号Vdを荷物Wの目標軌道信号Pdに変換する。目標軌道算出部31aは、荷物Wの移動方向および速さから構成されている荷物Wの目標速度信号Vdを操作端末32から単位時間t毎に取得することができる。また、目標軌道算出部31aは、取得した目標速度信号Vdを積分して荷物Wの目標位置情報を算出することができる。また、目標軌道算出部31aは、荷物Wの目標位置情報にローパスフィルタLpを適用して単位時間t毎に荷物Wの目標位置情報である目標軌道信号Pdに変換するように構成されている。
図7と図8に示すように、ブーム位置算出部31bは、制御装置31の一部であり、ブーム9の姿勢情報と荷物Wの目標軌道信号Pdからブーム9の先端の位置座標を算出する。ブーム位置算出部31bは、目標軌道算出部31aから目標軌道信号Pdを取得することができる。ブーム位置算出部31bは、旋回用センサ27から旋回台7の旋回角度θz(n)を取得し、伸縮用センサ28から伸縮長さlb(n)を取得し、起伏用センサ30から起伏角度θx(n)を取得し、巻回用センサ43からメインワイヤロープ14またはサブワイヤロープ16(以下、単に「ワイヤロープ」と記す)の繰り出し量l(n)を取得し、旋回台7の前方の左右両側にそれぞれ配置されている一組の旋回台カメラ7aが撮影した荷物Wの画像から荷物Wの現在位置情報を取得することができる(図2参照)。
ブーム位置算出部31bは、取得した荷物Wの現在位置情報から荷物Wの現在位置座標p(n)を算出し、取得した旋回角度θz(n)、伸縮長さlb(n)、起伏角度θx(n)からブーム9の先端の現在位置であるブーム9の先端(ワイヤロープの繰り出し位置)の現在位置座標q(n)(以下、単に「ブーム9の現在位置座標q(n)」と記す)を算出することができる。また、ブーム位置算出部31bは、荷物Wの現在位置座標p(n)とブーム9の現在位置座標q(n)とからワイヤロープの繰り出し量l(n)を算出することができる。さらに、ブーム位置算出部31bは、荷物Wの現在位置座標p(n)と単位時間t経過後の荷物Wの位置である荷物Wの目標位置座標p(n+1)とから荷物Wが吊り下げられているワイヤロープの方向ベクトルe(n+1)を算出することができる。ブーム位置算出部31bは、逆動力学を用いて荷物Wの目標位置座標p(n+1)と、ワイヤロープの方向ベクトルe(n+1)とから単位時間t経過後のブーム9の先端の位置であるブーム9の目標位置座標q(n+1)を算出するように構成されている。
作動信号生成部31cは、制御装置31の一部であり、単位時間t経過後のブーム9の目標位置座標q(n+1)から各アクチュエータの作動信号Mdを生成する。作動信号生成部31cは、ブーム位置算出部31bから単位時間t経過後のブーム9の目標位置座標q(n+1)を取得することができる。作動信号生成部31cは、旋回用バルブ23、伸縮用バルブ24、起伏用バルブ25、メイン用バルブ26mまたはサブ用バルブ26sの作動信号Mdを生成するように構成されている。
次に、図8に示すように、制御装置31は、ブーム9の先端の目標位置座標q(n+1)を算出するためのクレーン1の逆動力学モデルを定める。逆動力学モデルは、XYZ座標系に定義され、原点Oをクレーン1の旋回中心とする。制御装置31は、逆動力学モデルにおいて、q、p、lb、θx、θz、l、fおよびeをそれぞれ定義する。qは、例えばブーム9の先端の現在位置座標q(n)を示し、pは、例えば荷物Wの現在位置座標p(n)を示す。lbは、例えばブーム9の伸縮長さlb(n)示し、θxは、例えば起伏角度θx(n)を示し、θzは、例えば旋回角度θz(n)を示す。lは、例えばワイヤロープの繰り出し量l(n)を示し、fはワイヤロープの張力fを示し、eは、例えばワイヤロープの方向ベクトルe(n)を示す。
このように定まる逆動力学モデルにおいてブーム9の先端の目標位置qと荷物Wの目標位置pとの関係が、荷物Wの目標位置pと荷物Wの質量mとワイヤロープのばね定数kfとから式(1)によって表され、ブーム9の先端の目標位置qが、荷物Wの時間の関数である式(2)によって算出される。
f:ワイヤロープの張力、kf:ばね定数、m:荷物Wの質量、q:ブーム9の先端の現在位置または目標位置、p:荷物Wの現在位置または目標位置、l:ワイヤロープの繰り出し量、e:方向ベクトル、g:重力加速度
ローパスフィルタLpは、所定の周波数以上の周波数を減衰させる。目標軌道算出部31aは、目標速度信号VdにローパスフィルタLpを適用することにより微分操作による特異点(急激な位置変動)の発生を防止している。本実施形態において、ローパスフィルタLpは、ばね定数kfの算出時における四階微分に対応するため四次のローパスフィルタLpを用いているが、所望する特性に合わせた次数のローパスフィルタLpを適用することができる。式(3)におけるa、bは係数である。
ワイヤロープの繰り出し量l(n)は、以下の式(4)から算出される。
ワイヤロープの繰り出し量l(n)は、ブーム9の先端位置であるブーム9の現在位置座標q(n)と荷物Wの位置である荷物Wの現在位置座標p(n)の距離で定義される。
ワイヤロープの繰り出し量l(n)は、ブーム9の先端位置であるブーム9の現在位置座標q(n)と荷物Wの位置である荷物Wの現在位置座標p(n)の距離で定義される。
ワイヤロープの方向ベクトルe(n)は、以下の式(5)から算出される。
ワイヤロープの方向ベクトルe(n)は、ワイヤロープの張力f(式(1)参照)の単位長さのベクトルである。ワイヤロープの張力fは、荷物Wの現在位置座標p(n)と単位時間t経過後の荷物Wの目標位置座標p(n+1)から算出される荷物Wの加速度から重力加速度を減算して算出される。
ワイヤロープの方向ベクトルe(n)は、ワイヤロープの張力f(式(1)参照)の単位長さのベクトルである。ワイヤロープの張力fは、荷物Wの現在位置座標p(n)と単位時間t経過後の荷物Wの目標位置座標p(n+1)から算出される荷物Wの加速度から重力加速度を減算して算出される。
単位時間t経過後のブーム9の先端の目標位置であるブーム9の目標位置座標q(n+1)は、式(1)をnの関数で表した式(6)から算出される。ここで、αは、ブーム9の旋回角度θz(n)を示している。
ブーム9の目標位置座標q(n+1)は、逆動力学を用いてワイヤロープの繰り出し量l(n)と荷物Wの目標位置座標p(n+1)と方向ベクトルe(n+1)とから算出される。
ブーム9の目標位置座標q(n+1)は、逆動力学を用いてワイヤロープの繰り出し量l(n)と荷物Wの目標位置座標p(n+1)と方向ベクトルe(n+1)とから算出される。
次に図9から図12を用いて、制御装置31における作動信号Mdを生成するための荷物Wの目標軌道信号Pdの算出およびブーム9の先端の目標位置座標q(n+1)の算出の制御工程について詳細に記載する。
図9に示すように、ステップS100において、制御装置31は、クレーン1の制御方法における目標軌道算出工程Aを開始し、ステップをステップS110に移行させる(図10参照)。そして、目標軌道算出工程Aが終了するとステップをステップS200に移行させる(図9参照)。
ステップ200において、制御装置31は、クレーン1の制御方法におけるブーム位置算出工程Bを開始し、ステップをステップS210に移行させる(図11参照)。そして、ブーム位置算出工程Bが終了するとステップをステップS300に移行させる(図9参照)。
ステップ300において、制御装置31は、クレーン1の制御方法における作動信号生成工程Cを開始し、ステップをステップS310に移行させる(図12参照)。そして、作動信号生成工程Cが終了するとステップをステップS100に移行させる(図9参照)。
図10に示すように、ステップS110において、制御装置31の目標軌道算出部31aは、荷物Wの目標速度信号Vdを取得したか否か判定する。
その結果、荷物Wの目標速度信号Vdを取得した場合、目標軌道算出部31aはステップをS120に移行させる。
一方、荷物Wの目標速度信号Vdを取得していない場合、目標軌道算出部31aはステップをS110に移行させる。
その結果、荷物Wの目標速度信号Vdを取得した場合、目標軌道算出部31aはステップをS120に移行させる。
一方、荷物Wの目標速度信号Vdを取得していない場合、目標軌道算出部31aはステップをS110に移行させる。
ステップS120において、制御装置31のブーム位置算出部31bは、旋回台7の前方の左右両側の一組の旋回台カメラ7aをステレオカメラとして構成し、荷物Wを撮影してステップをステップS130に移行させる。
ステップS130において、ブーム位置算出部31bは、一組の旋回台カメラ7aが撮影した画像から荷物Wの現在位置情報を算出し、ステップをステップS140に移行させる。
ステップS140において、目標軌道算出部31aは、取得した荷物Wの目標速度信号Vdを積分して荷物Wの目標位置情報を算出し、ステップをステップS150に移行させる。
ステップS150において、目標軌道算出部31aは、算出した荷物Wの目標位置情報に式(3)の伝達関数G(s)で示されるローパスフィルタLpを適用して目標軌道信号Pdを単位時間t毎に算出し、目標軌道算出工程Aを終了してステップをステップS200に移行させる(図9参照)。
図11に示すように、ステップS210において、制御装置31のブーム位置算出部31bは、任意に定めた位置として、例えばブーム9の旋回中心である原点Oを基準位置Oとして、取得した荷物Wの現在位置情報から荷物Wの現在位置である荷物Wの現在位置座標p(n)を算出し、ステップをステップS220に移行させる。
ステップS220において、ブーム位置算出部31bは、取得した旋回台7の旋回角度θz(n)、伸縮長さlb(n)およびブーム9の起伏角度θx(n)からブーム9の先端の現在位置座標q(n)を算出し、ステップをステップS230に移行させる。
ステップS230において、ブーム位置算出部31bは、荷物Wの現在位置座標p(n)とブーム9の現在位置座標q(n)から上述の式(4)を用いてワイヤロープの繰り出し量l(n)を算出し、ステップをステップS240に移行させる。
ステップS240において、ブーム位置算出部31bは、荷物Wの現在位置座標p(n)を基準として、目標軌道信号Pdから単位時間t経過後の荷物Wの目標位置である荷物Wの目標位置座標p(n+1)を算出し、ステップをステップS250に移行させる。
ステップS250において、ブーム位置算出部31bは、荷物Wの現在位置座標p(n)と荷物Wの目標位置座標p(n+1)とから荷物Wの加速度を算出し、重力加速度を用いて上述の式(5)を用いてワイヤロープの方向ベクトルe(n+1)を算出し、ステップをステップS260に移行させる。
ステップS260において、ブーム位置算出部31bは、算出したワイヤロープの繰り出し量l(n)とワイヤロープの方向ベクトルe(n+1)とから上述の式(6)を用いてブーム9の目標位置座標q(n+1)を算出し、ブーム位置算出工程Bを終了してステップをステップS300に移行させる(図9参照)。
図12に示すように、ステップS310において、制御装置31の作動信号生成部31cは、ブーム9の目標位置座標q(n+1)から単位時間t経過後の旋回台7の旋回角度θz(n+1)、伸縮長さLb(n+1)、起伏角度θx(n+1)およびワイヤロープの繰り出し量l(n+1)を算出し、ステップをステップS320に移行させる。
ステップS320において、作動信号生成部31cは、算出した旋回台7の旋回角度θz(n+1)、伸縮長さLb(n+1)、起伏角度θx(n+1)、ワイヤロープの繰り出し量l(n+1)から旋回用バルブ23、伸縮用バルブ24、起伏用バルブ25、メイン用バルブ26mまたはサブ用バルブ26sの作動信号Mdをそれぞれ生成し、作動信号生成工程Cを終了してステップをステップS100に移行させる(図9参照)。
制御装置31は、目標軌道算出工程Aとブーム位置算出工程Bと作動信号生成工程Cとを繰り返すことで、ブーム9の目標位置座標q(n+1)を算出し、単位時間t経過後に、ワイヤロープの繰り出し量l(n+1)と荷物Wの現在位置座標p(n+1)と荷物Wの目標位置座標p(n+2)からワイヤロープの方向ベクトルe(n+2)を算出し、ワイヤロープの繰り出し量l(n+1)とワイヤロープの方向ベクトルe(n+2)とから、更に単位時間t経過後のブーム9の目標位置座標q(n+2)を算出する。つまり、制御装置31は、ワイヤロープの方向ベクトルe(n)を算出し、逆動力学を用いて荷物Wの現在位置座標p(n+1)と荷物Wの目標位置座標p(n+1)とワイヤロープの方向ベクトルe(n)とから単位時間t経過後のブーム9の目標位置座標q(n+1)を順次算出する。制御装置31は、ブーム9の目標位置座標q(n+1)に基づいて作動信号Mdを生成するフィードフォワード制御によって各アクチュエータを制御している。
また、制御装置31は、荷物Wの現在位置座標p(n)に基づいて水平面における基準位置Oから荷物Wまでの距離と、荷物Wの底面から地面までの距離(高さ)と、を端末側表示装置40等に表示することができる。つまり、制御装置31は、キャビン17内の操縦席から荷物Wまでのおおよその距離と地面から荷物Wの底面までの距離とを数値で客観的に表示することができる。この際、制御装置31は、基準位置Oから任意に指定した範囲内、または地面から任意に指定した高さ以下に荷物がある場合、対象となる距離の表示を強調したり警報を鳴らしたりして操縦者に報知する。
また、本実施形態において、クレーン1は、旋回台カメラ7aが撮影した画像から障害物を検知する機能を有してもよい。制御装置31は、画像認識によって経路上の障害物を検知した場合、荷物Wと障害物との接触を回避するように各アクチュエータを制御する。例えば、制御装置31は、揺れを抑制しながら停止するように作動信号Mdを生成して各アクチュエータのバルブを制御する。もしくは、制御装置31は、所定の条件に基づいて障害物を回避する荷物Wの目標軌道信号Pdを生成する。制御装置31は、旋回台カメラ7aが撮影した荷物Wの現在位置座標p(n)と荷物Wの目標位置座標p(n+1)とに基づいて算出した速度ベクトルから障害物と荷物Wの衝突までの時間を推測することで余裕時間の判定が可能である。
このように構成することで、クレーン1は、操作端末32から任意に入力される荷物Wの目標速度信号Vdに基づいて目標軌道信号Pdを算出しているので、規定の速度パターンに限定されない。また、クレーン1は、荷物Wを基準としてブーム9の制御信号を生成するとともに、操縦者の意図する目標軌道に基づいてブーム9の制御信号が生成されるフィードフォワード制御が適用されている。このため、クレーン1は、操作信号に対する応答遅れが小さく、応答遅れによる荷物Wの揺れを抑制している。また、逆動力学モデルを構築し、旋回台カメラ7aを利用して実測した荷物Wの現在位置座標p(n)とワイヤロープの方向ベクトルe(n)と荷物Wの目標位置座標p(n+1)とからブーム9の目標位置座標q(n+1)が算出されるので誤差を抑制することができる。更に、ブーム9の目標位置座標q(n+1)を算出する際の微分操作によって生じる特異点を含む周波数成分が減衰されるので、ブーム9の制御が安定する。また、クレーン1は、荷物Wが地面、地物、クレーン1等に衝突しないように荷物Wの現在位置座標p(n)が数値で端末側表示装置40等に表示されている。これにより、クレーン1は、荷物Wを基準としてアクチュエータを制御する際に、荷物Wの揺れを高精度に抑制しつつ目標軌道に沿って移動させることができる。
次に、図13と図14を用いて、クレーン装置6の制御装置31における目標速度信号Vdの補正について説明する。制御装置31は、ステレオカメラとして構成されている一組の旋回台カメラ7aが撮影した荷物Wの映像から荷物Wの現在速度情報を取得することができるものとする。なお、以下の実施形態に係る目標速度信号Vdの補正は、図1から図12に示すクレーン1および制御工程において、不使用フックの制振制御に替えて適用されるものとして、その説明で用いた名称、図番、符号を用いることで、同じものを指すこととし、以下の実施形態において、既に説明した実施形態と同様の点に関してはその具体的説明を省略し、相違する部分を中心に説明する。
図13に示すように、目標軌道算出部31aは、ブーム位置算出部31bから荷物Wの現在速度v(n)を単位時間t毎に取得することができる。また、目標軌道算出部31aは、取得した荷物Wの現在速度v(n)と操作端末32から取得した荷物Wの目標速度信号Vdとの速度差を単位時間t毎に算出することができる。また、目標軌道算出部31aは、算出した目標軌道信号Pdに速度差を小さくする補正係数Gnを乗じた補正軌道信号Pdcを単位時間t毎に算出することができる。補正係数Gnは、目標速度信号Vdのゲインを示している。目標軌道算出部31aは、速度差に応じて目標軌道信号Pdに乗ずる補正係数Gnが定められている。
ブーム位置算出部31bは、一組の旋回台カメラ7aが撮影した荷物Wの画像から荷物Wの現在速度情報を取得することができる。さらに、ブーム位置算出部31bは、取得した荷物Wの現在速度情報から荷物Wの現在速度V(n)を算出することができる。
図14に示すように、制御装置31は、目標軌道算出部31aで取得した荷物Wの現在速度v(n)(図における一点鎖線)と目標速度信号Vd(図における実線)との速度差に応じて補正係数Gnを決定する。そして、制御装置31は、既に算出されている目標軌道信号Pd(図における二点鎖線)に補正係数Gnを乗算して補正軌道信号Pdcを算出する。例えば、制御装置31は、現在速度v(n)が目標速度信号Vdよりも大きい場合、目標速度信号Vdを大きくする補正係数Gnを目標軌道信号Pdに乗算する。
次に図15を用いて、制御装置31における作動信号Mdを生成するための荷物Wの補正軌道信号Pdcの算出およびブーム9の先端の目標位置座標q(n+1)の算出の制御工程について詳細に記載する。
図15に示すように、ステップS120において、制御装置31のブーム位置算出部31bは、旋回台7の前方の左右両側の一組の旋回台カメラ7aをステレオカメラとして構成し、荷物Wを撮影してステップをステップS121に移行させる。
ステップS121において、ブーム位置算出部31bは、一組の旋回台カメラ7aが撮影した映像から荷物Wの現在速度情報を取得し、荷物Wの現在速度v(n)を算出し、ステップをステップS122に移行させる。
ステップS122において、制御装置31の目標軌道算出部31aは、算出した荷物Wの現在速度v(n)と目標速度信号Vdとの速度差から補正係数Gnを決定し、ステップをステップS140に移行させる。
ステップS140、ステップS150は上述の通りである。
ステップS151において、目標軌道算出部31aは、算出した目標軌道信号Pdに補正係数Gnを乗じて補正軌道信号Pdcを算出し、目標軌道算出工程Aを終了してステップをステップS200に移行させる(図9参照)。
このように構成することで、クレーン1は、旋回台カメラ7aを用いて荷物Wの現在速度v(n)を計測し目標速度信号Vdと現在速度v(n)との速度差に基づいて目標軌道信号Pdが補正されるので、目標軌道信号Pdと荷物Wの現在位置p(n)とのずれ量を小さくすることができる。この際、クレーン1は、所定の周波数以上の周波数を減衰させた目標軌道信号Pdを補正しているので、荷物Wの揺れを高精度に抑制しつつ荷物Wの現在位置p(n)に対するずれ量を小さくすることができる。
次に、図2と図16を用いてステレオカメラとして構成される一組の旋回台カメラ7aの校正方法について説明する。
図2に示すように、クレーン1の一組の旋回用カメラ7bは、所定の設置幅L1で設けられている。また、クレーン1のメインフックブロック10と図示しないサブフックブロック11)とには、校正用の一組のマーカー42が所定のピッチL2で設けられている。
図16に示すように、マーカー42は、校正の基準となる印である。マーカー42は、LEDや蛍光塗料から構成されている。校正作業時、クレーン1は、ブーム9の先端の鉛直方向にメインフックブロック10が配置されるように制御されている。クレーン装置6の制御装置31は、任意に定めた基準位置Oを原点とするブーム9の現在位置座標q(n)と旋回台カメラ7aが設けられている位置、およびワイヤロープの繰り出し量l(n)から、メインフックブロック10と旋回台カメラ7aとの距離L3を算出する。つまり、制御装置31は、クレーン1の姿勢情報を利用して旋回台カメラ7aからマーカー42までの距離L3を算出する。次に、制御装置31は、一組の旋回用カメラ7bの設置幅L1、一組のマーカー42のピッチL2およびマーカー42までの距離L3から、被写体である荷物Wまでの距離を画像中の荷物Wの大きさから算出できるように校正を行う。
このようにクレーン1は、ブーム9の現在位置座標q(n)と旋回台カメラ7aが設けられている位置、およびワイヤロープの繰り出し量l(n)を利用して、ステレオカメラとして構成されている旋回台カメラ7aの校正が自動的に行われる。このように構成することで、クレーン1は、レーザー測距計等の測定器具を用いることなく、旋回台カメラ7aからメインフックブロック10(荷物W)までの空間距離である距離L3を正確に算出することができる。
上述の実施形態は、代表的な形態を示したに過ぎず、一実施形態の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。
本発明は、監視装置を備えるクレーンに利用可能である。
1 クレーン
6 クレーン装置
7a 旋回台カメラ
9 ブーム
O 基準位置
Vd 目標速度信号
p(n) 荷物Wの現在位置座標
p(n+1) 荷物Wの目標位置座標
q(n) ブームの現在位置座標
q(n+1) ブームの目標位置座標
6 クレーン装置
7a 旋回台カメラ
9 ブーム
O 基準位置
Vd 目標速度信号
p(n) 荷物Wの現在位置座標
p(n+1) 荷物Wの目標位置座標
q(n) ブームの現在位置座標
q(n+1) ブームの目標位置座標
Claims (3)
- クレーン装置に周辺を監視する監視装置が設けられているクレーンであって、
荷物の移動方向と速さに関する目標速度信号を入力する操作具と、
前記ブームの旋回角度検出手段と、
前記ブームの起伏角度検出手段と、
前記ブームの伸縮長さ検出手段と、を備え、
前記監視装置がワイヤロープに吊られる荷物を検出し、検出した前記荷物の位置から基準位置に対する前記荷物の現在位置を算出し、
前記旋回角度検出手段が検出した旋回角度、前記起伏角度検出手段が検出した起伏角度および前記伸縮長さ検出手段が検出した伸縮長さから、基準位置に対するブーム先端の現在位置を算出し、
前記操作具から入力された前記目標速度信号を前記基準位置に対する荷物の目標位置に変換し、
前記荷物の現在位置と、前記ブーム先端の現在位置とから、前記ワイヤロープの繰り出し量を算出し、
前記荷物の現在位置と前記荷物の目標位置とから、前記ワイヤロープの方向ベクトルを算出し、
前記ワイヤロープの繰り出し量と前記ワイヤロープの方向ベクトルとから、前記荷物の目標位置におけるブーム先端の目標位置を算出し、
前記ブーム先端の目標位置に基づいて前記クレーン装置のアクチュエータの作動信号を生成するクレーン。 - 前記監視装置が検出した前記荷物の位置から前記荷物の現在速度を算出し、
前記目標速度信号を積分し、所定の周波数範囲の周波数成分を減衰させた目標軌道信号を算出し、
前記目標速度信号と前記現在速度との速度差を算出し、
前記速度差を小さくする補正係数を前記目標軌道信号に乗じて補正軌道信号を算出し、
前記補正軌道信号を前記基準位置に対する前記荷物の目標位置に変換する請求項1に記載のクレーン。 - 前記監視装置が複数のカメラであり、前記複数のカメラをステレオカメラとして構成して荷物を撮影し、前記複数のカメラが撮影した映像から、基準位置に対する前記荷物の現在位置を算出する請求項1または請求項2に記載のクレーン。
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