JPH1160153A - クレ−ンの吊り荷の振れ角計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加速度計と演算装置を用いて正確で信頼性の
高いクレ−ンの吊り荷の振れ角計測装置を提供すること
を課題とする。 【解決手段】 クレ−ンにおいて、吊り具６に取り付け
た第一加速度計１により計測された吊り荷の加速度情報
と、トロリ７に取り付けた第二加速度計２により計測さ
れたトロリ７の加速度情報を利用し、オブザ−バ演算方
式を用いて吊り荷８の鉛直方向からの振れ角度および角
速度を推定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はクレ−ン等で荷を吊
下げた際に、吊り荷の鉛直方向からの振れ角度（振れ
角）を計測する装置に関するものである。特に加速度計
と演算装置を利用することにより、正確な計測を行うこ
とのできる吊り荷の振れ角計測装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】クレ−ンにおいては吊り荷を巻き上げる
時、クレ−ンの横行あるいは走行時に、吊り荷の振れが
発生する。特に自動クレ−ンにより吊り荷を運搬し、所
望位置に正確に吊り荷を着床させるときには、この吊り
荷の振れを検出して振れを抑制する制御を行う必要があ
る。従来、クレ−ン等で荷を吊り下げた際に、その荷の
鉛直方向からの振れ角度は、傾斜計や画像処理等によっ
て計測されているが、それぞれ次の(１)〜(４)に示すよ
うな問題点があった。

【０００３】（１）傾斜計では、計測の対象を吊り荷で
はなくロ−プにとる。このため、ロ−プに曲がりやたわ
みがある際には誤差が大きくなる。また、ロ−プを複数
本で吊った場合には正しく計測できない。 （２）画像処理は、雪などの自然環境に影響を受けやす
い。また、目標を誤って認識することがあり、この時の
危険性が高く、正しい目標の認識が難しい。加えて、画
像処理装置は非常に高価である。 （３）また、加速度計を用いて計測する場合には、次の
ような問題が存在し、これを解決しなければ正しい値を
求めることができない。即ち、加速度計には、取り付け
た物体の運動による加速度と、傾きに応じた重力加速度
成分の２つを足し合せた加速度がかかるが、これらを分
離して別々に計測することができない。ジャイロを併用
すればこれらを分離する演算も可能であるが、装置がコ
スト高となる。 （４）加速度計を利用して角度等を求める場合、単純に
加速度情報を積分する手法では、風や振動などによって
受けた外乱や測定誤差が、時間とともに蓄積してしま
う。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上にのべた従来技術の
問題点を解決し、加速度計と演算装置を用いて正確で信
頼性の高いクレ−ンの吊り荷の振れ角計測装置を提供す
ることを課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係るクレ−ンの
吊り荷の振れ角計測装置は、クレ−ンにおいて、吊り具
に取り付けた第一加速度計により計測された吊り荷の加
速度情報と、トロリに取り付けた第二加速度計により計
測されたトロリの加速度情報を利用し、オブザ−バ演算
方式を用いて吊り荷の鉛直方向からの振れ角度および角
速度を推定することを特徴とする。また、トロリに取り
付けた第二加速度計により計測されたトロリの加速度情
報に代えて、モ−タの回転速度計により計測されるトロ
リの速度、モ−タコントロ−ラへの指令値またはモ−タ
への指令値等の駆動部への指令値、またはモ−タの電圧
または電流等の駆動力の何れかの情報を利用してもよ
い。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１に基いて、本発明装置の実施
の形態の一例を説明する。図１の装置は、第一加速度計
１と第二加速度計２及び演算装置３により構成されてい
る。第一加速度計１は、吊り荷８の吊り具６にネジ等で
固定されている。第二加速度計２は、横行台車(以下ト
ロリ)７にネジ等で固定されている。第一加速度計１お
よび第二加速度計２の出力信号は、それぞれ第一通信線
４および第二通信線５を介して演算装置３に伝達され
る。演算装置３は、図２で表わされる構造を持ったオブ
ザ−バ演算手法（１９８６年オ−ム社発行・上滝・明石
著「制御理論の基礎と応用」参照）が用いられており、
これにより第一加速度計１および第二加速度計２の情報
から、吊り荷８の鉛直方向からの角度および角速度を推
定することができる。

【０００７】因みに、オブザ−バ（observer）は制御対
象の状態を、そのモデルを利用して推定する演算手法で
ある。一般に実際の制御対象を完全にモデル化する事は
できないため、モデルに制御対象と同一の入力を与えて
も、モデルの状態から制御対象の状態を知ることはでき
ない。同一入力に対する制御対象の出力とモデルの出力
の差を利用して、状態を補正しながら推定するシステム
をオブザ−バ(観測器)という。

【０００８】以下にオブザ−バについて図３を参照して
概略説明する。動特性が次式、即ち

【０００９】

【数１】

【００１０】で表される系について図３を用いてオブザ
−バの構成を説明する。図３の上部の点線の枠の中が制
御対象であり、下部の点線の枠の中が系のモデルで、そ
の動特性を

【００１１】

【数２】

【００１２】

【数３】

【００１３】

【数４】

【００１４】

【数５】

【００１５】さて、本発明に於けるオブザ−バは、図２
に示すような構成となっている。第一加速度計１の出力
信号を伝達する第一通信線４および第二加速度計２の出
力信号を伝達する第二通信線５からは、それぞれ第一加
速度計１および第二加速度計２からの加速度信号が出力
される。積分器９への入力は、第一加速度計１および第
二加速度計２から第一通信線４と第二通信線５を介し伝
達される各加速度信号と、積分器９の出力とに、それぞ
れ図２に示すように、適切なゲインＢ，Ｅ及び（Ａ−Ｅ
Ｃ）をかけてから加え合わせることによって算出され
る。それぞれのゲインは以下に示すようにして求められ
る。かくして積分器９の出力がそれぞれ角度，角速度お
よび外乱の推定値となる。

【００１６】

【数６】

【００１７】ｕ(ｔ)＝［トロリ駆動力］、ｙ(ｔ)＝［吊
り荷加速度］とおくと、これらの関係を、次のような形
の数式で表わすことができる。

【００１８】

【数７】

【００１９】ロ−プ長ｌの横行クレ−ンであれば、クレ
−ンによって決まる定数δおよび重力加速度ｇを用い
て、Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ、

【００２０】

【数８】

【００２１】このようにクレ−ンを数式表現することに
より、前記オブザ−バとなる状態推定機構を設計するこ
とができる。このオブザ−バを利用することにより、単
純に加速度情報を積分するという手法で起きる測定誤差
や外乱の蓄積を防ぐことができる。実際の計測では、次
のような問題が生じることがある。 （１）ロ−プの長さ、ロ−プの掛け方、荷の状態等によ
って振れ方が変わる。 （２）吊り荷の加速度のみを正しく測定することができ
ない。 加速度計に、吊り荷の振れによって生じる加速度と、吊
り荷の傾きに応じた重力加速度の成分の２つを足しあわ
せた値が計測されることによる問題として、次のような
ものがある。 （２−１）荷の偏りのために定常的に傾くことなどによ
るもの。 （２−２）ロ−プを複数本で吊ることによって生じる振
れにしたがった傾きによるもの。 （３）トロリの駆動力ｕ(ｔ)を測定することができな
い。

【００２２】これらの問題は、Ａ，Ｂ，Ｃおよびｘ
(ｔ)，ｙ(ｔ)，ｕ(ｔ)をそれぞれ次のように設定して、
オブザ−バを設計することにより解決する。

【００２３】（１）のロ−プの長さ、ロ−プの掛け方、
荷の状態によって荷の振れ方が変わる問題について ロ−プの長さが変化すると、振れの周期が変化する。こ
のため、適切なロ−プ長のモデルを用いないと（適切に
Ａ，Ｂ，Ｃを設定しないと）、正しい推定ができない。
正確な推定のためには、それぞれのロ−プ長ごとにＡ，
Ｂ，Ｃを求め、オブザ−バを設計する。このオブザ−バ
のパラメ−タとロ−プ長の関係の関数または対応表を求
め利用する（図４のロ−プ長とゲインの対応表参照）。

【００２４】また、複数本のロ−プで吊った場合にも振
れ方が変わる。さらに、吊り荷の有無や、重心の変化に
よっても振れ方が変わる。振れ方の変化は主に周期に表
われる。そこで、同じ周期となる単振り子のクレ−ンの
モデルで近似する。この関係について関数または対応表
を求め利用する（図５の同じ振れ周期となるロ−プ長の
表参照）。

【００２５】（２−１）荷の偏りのために通常的に傾く
ことによる問題について 荷の偏りによって吊り荷が傾く、または加速度計自体に
オフセットがあるといった定常的な外乱は、その外乱を
推定するという手法をとることによって、悪影響を抑え
ることができる。具体的には外乱量をｘ(ｔ)の要素に追
加する。この結果、

【００２６】

【数９】

【００２７】（２−２）ロ−プを複数本で吊ることによ
って生じる振れに従った傾きについて 吊り荷を複数本のロ−プで吊ると、振れにしたがって傾
く（図６参照）。このため、吊り荷の運動による加速度
のみでなく、傾きにしたがった重力加速度の成分が加速
度計に計測される。この重力加速度の成分と、振れ角度
の関係の関数または対応表を求め利用する（図７参
照）。

【００２８】例えば、図７のようであれば、Ｃ＝（０−
1.8 ００１）とすることにより、 ｙ(ｔ)＝[運動による加速度]＋[振れに従った重力加速
度]＋[オフセット]＝[加速度計出力値] となる。

【００２９】（３）トロリの駆動力ｕ(ｔ)を測定するこ
とができない問題について ｕ(ｔ)とｙ(ｔ)を独立の量に設定すれば、変数変換によ
って、同様の設計が可能である。ｙ(ｔ)と独立な量のう
ち、トロリの加速度，トロリの速度，トロリ駆動部への
指令値等は、計測可能であり、ｕ(ｔ)として利用でき
る。ｕ(ｔ)＝［トロリ加速度］とするならば、Ａ，Ｂ，
Ｃはそれぞれ次のように変換される。

【００３０】

【数１０】

【００３１】

【数１１】

【００３２】このように求まったＡ，Ｂ，Ｃについてオ
ブザ−バを設計すると、オブザ−バのゲインＥはロ−プ
長にしたがって変わる値として求まる。図８はこの対応
関係を示したものである。

【００３３】（作動）以上の如き構成であって、その動
作を下記に示す。吊り具６の振れとトロリ７の動きに従
って、第一加速度計１および第二加速度計２で加速度情
報が計測される。この加速度情報は、第一通信線４およ
び第二通信線５を介して演算装置３に伝わる。演算装置
３では、オブザ−バによりこの加速度情報を用いて吊り
荷８の鉛直方向からの角度および角速度が算出される。
オブザ−バには、クレ−ンの運動のモデルを内部に含ん
でおり、計測値に誤差や外乱が含まれても、フィ−ドバ
ックにより値を修正しながら推定を行う。また、このオ
ブザ−バのモデルには第一加速度計１の測定値に、吊り
具６の運動による加速度と吊り具６の傾きによる重力加
速度の２つが含まれることが考慮されているので、この
２種類の加速度が分離できないことによる悪影響は生じ
ない。

【００３４】（実施の形態２）本装置の基本的な構成は
上記の前記実施形態１と同じであるが、トロリ７の速
度，駆動部への指令値，駆動力のどれかを知ることが可
能であれば、吊り具６に取り付けた第一加速度計１のみ
でも、角度および角速度の推定が可能となる。このとき
第二加速度計２は不必要で、第二通信線５は代わりの測
定箇所と演算装置をつなぐように配される。トロリ駆動
モ−タへの指令値が既知の場合第一加速度計１からの信
号と、トロリ７の駆動部への指令値は、それぞれ第一通
信線４と第二通信線５を介して、演算装置３に伝達され
る。演算装置３では、オブザ−バを利用して第一加速度
計１の情報と指令値から角度および角速度を推定する。
オブザ−バの構造は図３の実施形態１と同じで、パラメ
−タのみ異なる。パラメ−タの設定は、前記実施形態１
に従って行うことができる。

【００３５】

【発明の効果】クレ−ンにおいて、請求項１の如く吊り
具に取り付けた第一加速度計による吊り荷の加速度情報
と、トロリに取り付けた第二加速度計によるトロリの加
速度情報を利用し、オブザ−バ演算方式を用いて吊り荷
の鉛直方向からの振れ角を計測するようにした。以上の
如く、オブザ−バには、クレ−ンの運動のモデルを内部
に含んでおり、計測値に誤差や外乱が含まれても、フィ
−ドバックにより値を修正しながら推定を行うことがで
きる。また、このオブザ−バのモデルには第一加速度計
１の測定値に、吊り具６の運動による加速度と吊り具６
の傾きによる重力加速度の２つが含まれることが考慮さ
れているので、この２種類の加速度が分離できないこと
による悪影響は生じないで正確性において極めて信頼性
が高い。あるいは又請求項２の如く、トロリに付けた第
二加速度情報に代え、モ−タの回転速度計により求まる
トロリの速度、モ−タコントロ−ラへの指令値、モ−タ
への指令値等駆動部への指令値又はモ−タの電圧又は電
流等の駆動力の何れかの情報にしたので、同様に加速度
計と演算装置により正確で信頼性の高いクレ−ンの吊り
荷の振れ角計測装置を得ることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る振れ角計測装置の構成を示す概念
図。

【図２】本発明のオブザ−バの構成図。

【図３】一般のオブザ−バの構成説明図。

【図４】ロ−プ長とオブザ−バゲインの対応を示すグラ
フ。

【図５】同じ振れ周期となるロ−プ長と単振り子ロ−プ
長の関係を示すグラフ。

【図６】吊り荷の傾き想定図。

【図７】振れ角度と動加速度の対応を示すグラフ。

【図８】ロ−プ長とオブザ−バゲインとの関係を示すグ
ラフ。

【符号の説明】

１ 第一加速度計 ２ 第二加速度計 ３ 演算装置 ４ 第一通信線 ５ 第二通信線 ６ 吊り具 ７ トロリ ８ 吊り荷 ９ 積分器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クレ−ンにおいて、吊り具に取り付けた
   第一加速度計により計測された吊り荷の加速度情報と、
   トロリに取り付けた第二加速度計により計測されたトロ
   リの加速度情報を利用し、オブザ−バ演算方式を用いて
   吊り荷の鉛直方向からの振れ角度および角速度を推定す
   ることを特徴とするクレ−ンの吊り荷の振れ角計測装
   置。
2. 【請求項２】 トロリに取り付けた第二加速度計により
   計測されたトロリの加速度情報に代えて、モ−タの回転
   速度計により計測されるトロリの速度、モ−タコントロ
   −ラへの指令値またはモ−タへの指令値等の駆動部への
   指令値、またはモ−タの電圧または電流等の駆動力の何
   れかの情報を利用することを特徴とする請求項１記載の
   クレ−ンの吊り荷の振れ角計測装置。