(57)【要約】【課題】迅速且つ正確に低コストでクレーンの荷振れ角度を推定する。【解決手段】クレーン用荷振れ角度推定装置５０は、所定の方向に沿って配置された音波受信器Ｍ１〜３と、吊り荷支持部又は吊り荷支持部に支持された吊り荷で発生した音を各音波受信器Ｍ１〜３が受信するタイミングのずれである時間差ΔＴ１、ΔＴ２を算出する時間差算出部５１と、音の発生位置から各音波受信器Ｍ１〜３までの距離同士の差である距離差ΔＤ１、ΔＤ２を、荷振れ角度θをパラメータとする関数Ｆ１（θ）、Ｆ２（θ）で表す距離差算出部５２と、音の音速を未知数Ｖとして、距離差ΔＤ１、ΔＤ２について成り立つ「Ｖ×ΔＴ１＝Ｆ１（θ）」、及び、「Ｖ×ΔＴ２＝Ｆ２（θ）」を用いて、荷振れ角度θを算出する荷振れ角度算出部５３とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吊り荷支持部と、前記吊り荷支持部を吊り下げる吊り下げ部と、前記吊り下げ部が取り付けられた支持部とを備えたクレーンに用いられる荷振れ角度推定装置であって、
所定の方向に沿って配置された第１音波受信器、第２音波受信器及び第３音波受信器と、
前記吊り荷支持部又は前記吊り荷支持部に支持された吊り荷で発生した音を前記第１音波受信器が受信するタイミングと前記音を前記第２音波受信器が受信するタイミングとの差である第１時間差ΔＴ１、及び、前記音を前記第１音波受信器又は前記第２音波受信器が受信するタイミングと前記音を前記第３音波受信器が受信するタイミングとの差である第２時間差ΔＴ２を算出する時間差算出部と、
前記音の発生位置から前記第１音波受信器までの距離と前記音の発生位置から前記第２音波受信器までの距離との差である第１距離差ΔＤ１を、前記所定の方向における荷振れ角度θをパラメータとする第１関数Ｆ１（θ）で表すと共に、前記音の発生位置から前記第１音波受信器又は前記第２音波受信器までの距離と前記音の発生位置から前記第３音波受信器までの距離との差である第２距離差ΔＤ２を、前記荷振れ角度θをパラメータとする第２関数Ｆ２（θ）で表す距離差算出部と、
前記音の音速を未知数Ｖとして、前記第１距離差ΔＤ１について成り立つ前記音速Ｖ×前記第１時間差ΔＴ１＝前記第１関数Ｆ１（θ）、及び、前記第２距離差ΔＤ２について成り立つ前記音速Ｖ×前記第２時間差ΔＴ２＝前記第２関数Ｆ２（θ）を用いて、前記荷振れ角度θを算出する荷振れ角度算出部と、
を備える、クレーン用荷振れ角度推定装置。
【請求項２】
前記音の発生源として、前記吊り荷支持部に装着された音波発信器をさらに備える、請求項１に記載のクレーン用荷振れ角度推定装置。
【請求項３】
前記音波発信器は、可聴帯域又は非可聴帯域の音波を発信する、請求項２に記載のクレーン用荷振れ角度推定装置。
【請求項４】
前記音波発信器は、オン／オフをリモートで制御できる、請求項２又は３に記載のクレーン用荷振れ角度推定装置。
【請求項５】
前記第１音波受信器、前記第２音波受信器及び前記第３音波受信器は、指向性を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のクレーン用荷振れ角度推定装置。
【請求項６】
前記クレーンは、前記支持部であるジブと、前記ジブを支持する本体部とを備えるジブクレーンであり、
前記第１音波受信器、前記第２音波受信器及び前記第３音波受信器は、前記ジブに配置される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のクレーン用荷振れ角度推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クレーンに生じた荷振れの角度を推定するためのクレーン用荷振れ角度推定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
建設現場、工場、港湾等において様々な種類のクレーンが物資の運搬に利用されている。クレーンを用いて荷役を行う場合、巻上げ、巻下げ、旋回等の動作が行われるが、その際に吊り荷に振れ（以下、荷振れという）が生じることがある。荷振れが生じると、クレーンの操作が難しくなる。
【０００３】
ジブ先端位置と吊り荷の重心位置とを結んだ線が鉛直方向となす角度（以下、荷振れ角度という）を測定する方法が色々提案されている。尚、荷振れ角度の測定は、制振目的のみではなく、例えば、吊り荷の状態を把握する、いわゆる状態の「見える化」にも有用である。また、収集した荷振れ角度の測定データは、例えば、将来の自動運転の技術開発にも有益な情報となる。
【０００４】
クレーンは大型機械であるため、ロータリーエンコーダのような接触センサを用いて荷振れ角度を測定することは困難であるので、従来、例えばＣＣＤカメラのような視覚センサを用いた荷振れ角度の測定が行われてきた。また、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）や電波を用いて吊り荷位置を特定し、荷振れ角度を求めることも検討されてきた。
【０００５】
また、本願発明者らは、天井クレーンを対象とする荷振れ角度の推定方法として、２つのマイクロホンを用いてフックや吊り具で発生した音響信号を受信し、２つの音響信号の到来時間差を求め、この到来時間差と荷振れ角度との関係を非線形方程式で記述し、計算処理によって荷振れ角度を算出する方法を提案している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Journal of Robotics, Networking and Artificial Life, Vol. 4, No. 4, March 2018, p.322-325
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、視覚センサを利用した荷振れ角度測定には、荷振れ角度を画像として取得できる位置に視覚センサを配置しなければならないという制約があるうえに、導入やメンテナンスにもコストがかかってしまうという問題がある。
【０００８】
また、ＧＮＳＳによる吊り荷位置測定については、ＧＮＳＳの利用可能地域に関する制約に加えて、都市部のビル等の狭間でクレーンによる作業が行われる場合に衛星測位が不十分となって測定精度が悪くなるという問題がある。また、電波による吊り荷位置測定についても法規制等の問題がある。
【０００９】
また、非特許文献１に記載の方法では、音速が既知であるという条件が必要となる。一般に、音速は、音が伝搬する空気の気温に依存すると共に，風外乱の影響を大きく受ける。さらに、厳密には、音速の算出には湿度や気圧等の影響も考慮しなければならない。
【００１０】
しかし、屋外の気温は計測場所によって大きく異なる。例えば、直射日光の当たる場所と、そうではない日陰の場所とでは、気温の計測結果は大きく異なる。従って、温度センサをクレーンの機体上に設置した場合、音源とマイクロホンとの間の気温を正確に計測することは困難である。風速についても同様であり、クレーンの機体上に設置された風速計を用いて、音源とマイクロホンとの間の風速を正確に推定することは難しい。
【００１１】
以上のように、屋外で非特許文献１に記載の方法を実施する場合、気温、風速等から音速を正確に求めることは困難であるため、荷振れ角度の推定精度が悪くなるという問題がある。
【００１２】
前記に鑑み、本発明は、迅速且つ正確に低コストでクレーンの荷振れ角度を求めることを可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記の目的を達成するために、本発明に係るクレーン用荷振れ角度推定装置は、吊り荷支持部と、吊り荷支持部を吊り下げる吊り下げ部と、吊り下げ部が取り付けられた支持部とを備えたクレーンに用いられる荷振れ角度推定装置であって、所定の方向に沿って配置された第１音波受信器、第２音波受信器及び第３音波受信器と、吊り荷支持部又は吊り荷支持部に支持された吊り荷で発生した音を第１音波受信器が受信するタイミングと前記音を第２音波受信器が受信するタイミングとの差である第１時間差ΔＴ１、及び、前記音を第１音波受信器又は第２音波受信器が受信するタイミングと前記音を第３音波受信器が受信するタイミングとの差である第２時間差ΔＴ２を算出する時間差算出部と、前記音の発生位置から第１音波受信器までの距離と前記音の発生位置から第２音波受信器までの距離との差である第１距離差ΔＤ１を、所定の方向における荷振れ角度θをパラメータとする第１関数Ｆ１（θ）で表すと共に、前記音の発生位置から第１音波受信器又は第２音波受信器までの距離と前記音の発生位置から第３音波受信器までの距離との差である第２距離差ΔＤ２を、荷振れ角度θをパラメータとする第２関数Ｆ２（θ）で表す距離差算出部と、前記音の音速を未知数Ｖとして、第１距離差ΔＤ１について成り立つ音速Ｖ×第１時間差ΔＴ１＝第１関数Ｆ１（θ）、及び、第２距離差ΔＤ２について成り立つ音速Ｖ×第２時間差ΔＴ２＝第２関数Ｆ２（θ）を用いて、荷振れ角度θを算出する荷振れ角度算出部とを備える。
【００１４】
本発明に係るクレーン用荷振れ角度推定装置によると、吊り荷支持部又は吊り荷で発生した音を、３つの音波受信器で受信することによって、当該音を各音波受信器が受信するタイミングのずれ（音波到来時間差）を２つ求める。また、音の発生位置から各音波受信器までの距離同士の差を、荷振れ角度θをパラメータとする関数で表すと共に、当該距離差が、音波到来時間差と音速Ｖ（未知数）との積に等しいことを利用して、音速の測定（つまり気温、風速等の測定）を行うことなく、荷振れ角度θを算出する。すなわち、３つの音波受信器を用いて求めた２つの音波到来時間差のそれぞれについて、音波到来時間差と音速Ｖとの積と、荷振れ角度θをパラメータとする関数とが等しいという関係を利用して、音速測定の必要なく、荷振れ角度θを算出することができる。このため、迅速且つ正確に荷振れ角度θを求めることができる。ここで、荷振れ角度θと共に音速Ｖも算出可能である。
【００１５】
また、本発明に係るクレーン用荷振れ角度推定装置によると、吊り荷支持部又は吊り荷で発生した音を用いて荷振れ角度推定を行うため、地形的制約や法規制等の制約を受けにくく、音波受信器として指向性マイク等を用いれば、騒音等の周囲環境の影響も受けにくくなる。さらに、音波受信器として例えば指向性マイクを用いたとしても、従来の視覚センサを用いた場合と比較して、低コストで荷振れ角度を算出することができる。また、音速の算出のために温度や風速等の環境条件の計測を行う必要がないため、温度計や風速計等の計測器が不要となるので、さらなる低コスト化を達成できる。
【００１６】
以上のように、本発明に係るクレーン用荷振れ角度推定装置によると、迅速且つ正確に低コストでクレーンの荷振れ角度を算出することができる。
【００１７】
尚、本発明に係るクレーン用荷振れ角度推定装置において、音波受信器は４つ以上配置されていてもよい。このようにすると、故障に対する冗長性が得られるのみならず、４つ以上の音波受信器の中から選択される３つの音波受信器の組み合わせが複数存在するので、各組み合わせ毎に荷振れ角度を算出し、その平均や多数決を取ること等によって、得られる荷振れ角度の精度を向上させることができる。
【００１８】
また、本発明に係るクレーン用荷振れ角度推定装置において、各音波受信器は、例えばジブクレーンのジブや本体部等、クレーン自体に取り付けてもよいし、或いは、天井クレーンのような固定クレーンであれば、音波受信器の一部をクレーン外部の所定位置に設置してもよい。また、「所定の方向に沿って音波受信器が配置される」とは、ジブクレーンであれば、例えば、クレーンを上から見たときに「ジブ」の延びる方向に沿って各音波受信器が配置されることを意味し、必ずしも、全ての音波受信器が３次元における同一直線上に配置されることまでは必要としない。言い換えると、クレーンを上から見たときに「ジブ」の延びる方向に沿って全ての音波受信器が配置されていれば、クレーンを横（「ジブ」の延びる方向に対して垂直な方向）から見たときに各音波受信器が同一直線上に配置されていなくてもよい。
【００１９】
また、本発明に係るクレーン用荷振れ角度推定装置において、荷振れ角度θの算出には、複数の音波到来時間差に基づいて非線形方程式を解く必要がある。この非線形方程式は、陽に解くことができないので、例えばニュートン法や二分法をはじめとする繰り返し計算等を利用して、荷振れ角度θを算出してもよい。この場合、非線形関数は微分可能であるので、勾配関数（勾配ベクトル）を積極的に利用することにより、演算の高速化を図ることもできる。
【００２０】
また、本発明に係るクレーン用荷振れ角度推定装置において、音の発生源として、吊り荷支持部に装着された音波発信器をさらに備えてもよい。
【００２１】
このようにすると、音波発信に指向性を持たせたり、音波発信のタイミングや音波帯域を調整することが可能となる。このため、吊り荷支持部等で自然発生する音、例えば、吊り荷に掛け渡されたロープと当該ロープを支持するフックとの間に生じる「きしみ音」、フックと吊り具との可動接合部に生じる「摩擦音」などを用いる場合と比べて、周囲の騒音の影響を受けにくい状態で荷振れ角度を推定することができる。この場合、音波発信器は、可聴帯域又は非可聴帯域の音波を発信してもよいが、可聴帯域の音波を発信すると、周辺の人間に吊り荷又は吊り荷支持部の接近を知らせて安全性を確保することができる。また、音波発信器は、オン／オフをリモートで制御できると、荷振れ角度推定が必要なときのみ、音波を発信することができるので、騒音対策になる。
【００２２】
また、本発明に係るクレーン用荷振れ角度推定装置において、第１音波受信器、第２音波受信器及び第３音波受信器は、指向性を有してもよい。
【００２３】
このようにすると、周囲の騒音の影響を受けにくい状態で荷振れ角度を推定することができる。
【００２４】
また、本発明に係るクレーン用荷振れ角度推定装置において、クレーンは、支持部であるジブと、ジブを支持する本体部とを備えるジブクレーンであり、第１音波受信器、第２音波受信器及び第３音波受信器は、ジブに配置されてもよい。
【００２５】
このようにすると、ジブクレーンにおいて、「ジブ」の延びる方向に沿った荷振れ角度を推定することができる。従って、得られた荷振れ角度に基づいてジブの起伏角を制御することにより、荷振れの発生を防止することができる。例えば、地切りの前に、得られた荷振れ角度に基づいてジブの起伏角を制御することにより、ジブ先端と吊り荷重心とを鉛直線上に位置合わせしておけば、地切りの際に荷振れが発生することを防止することができる。
【００２６】
尚、本発明に係るクレーン用荷振れ角度推定装置において、所定の方向（以下、第１の方向ということもある）に対して垂直な第２の方向に沿って３つの他の音波受信器を配置し、当該他の音波受信器に対応して、前述の時間差算出部、距離差算出部及び荷振れ角度算出部をそれぞれ設けてもよい。このようにすると、第２の方向における荷振れ角度を算出できるので、吊り荷の正確な位置を立体的に把握することができる。
【００２７】
ここで、「第１の方向に対して垂直な第２の方向に沿って他の音波受信器が配置される」とは、ジブクレーンであれば、例えば、クレーンを上から見たときに「ジブ」の延びる方向に対して垂直な方向に沿って他の音波受信器が配置されることを意味し、必ずしも、全ての他の音波受信器が３次元における同一直線上に配置されることまでは必要としない。言い換えると、クレーンを上から見たときに「ジブ」の延びる方向に対して垂直な方向に沿って全ての他の音波受信器が配置されていれば、クレーンを正面（「ジブ」の延びる方向）から見たときに全ての他の音波受信器が同一直線上に配置されていなくてもよい。
【００２８】
また、「第１の方向に沿って配置された第１音波受信器、第２音波受信器及び第３音波受信器」のうちの１つの音波受信器と、「第２の方向に沿って配置された３つの他の音波受信器」のうちの１つの音波受信器とは、第１の方向と第２の方向とが交差する箇所に配置された共通の音波受信器であってもよい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によると、迅速且つ正確に低コストでクレーンの荷振れ角度を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施形態１に係るクレーン用荷振れ角度推定装置によってジブクレーンの荷振れ角度を推定している様子の一例を示す図である。
【図２】実施形態１に係るクレーン用荷振れ角度推定装置のブロック図である。
【図３】実施形態１に係るクレーン用荷振れ角度推定装置による荷振れ角度推定方法のフローチャートである。
【図４】実施形態１に係るクレーン用荷振れ角度推定装置で用いられる音の発生源の一例を示す図である。
【図５】実施形態１の変形例に係るクレーン用荷振れ角度推定装置のブロック図である。
【図６】実施形態２に係るクレーン用荷振れ角度推定装置によって水平ジブクレーンの荷振れ角度を推定している様子の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
（実施形態１）
以下、実施形態１に係るクレーン用荷振れ角度推定装置について、図面を参照しながら説明する。
【００３２】
図１は、本実施形態のクレーン用荷振れ角度推定装置によってジブクレーンの荷振れ角度を推定している様子の一例を示す図である。図１に示すジブクレーンは、吊り荷１の支持部（吊り荷１と一体的に図示）と、当該支持部を吊り下げるワイヤー２と、ワイヤー２が一端Ｑに取り付けられたジブ３と、ジブ３の他端Ｏを支持する本体部１０とを備えている。吊り荷１は、位置Ｐに重心を有する。ワイヤー２は、例えばシーブ（図示省略）を介して巻上げ／巻下げ可能にジブ３の一端Ｑに取り付けられている。
【００３３】
本実施形態では、ジブ３は起伏角（ジブ３の延びる方向が地平面となす角度）φで持ち上げられている。吊り荷１は、ジブ３の延びる方向に沿って荷振れを生じており、荷振れ角度はθである。荷振れ角度θは、ジブ３の一端Ｑと吊り荷１の重心位置Ｐとを結ぶ線が鉛直方向（重力方向）となす角度であり、本実施形態での推定対象である。
【００３４】
以下、簡単のため、本実施形態のクレーン用荷振れ角度推定装置で用いられる音の発生源が吊り荷１の重心位置Ｐにあるものとして説明するが、ジブ３の一端Ｑと吊り荷１の重心位置Ｐとを結ぶ線上に音の発生源があれば、得られる荷振れ角度θは同じになる。
【００３５】
図２は、本実施形態のクレーン用荷振れ角度推定装置のブロック図である。図２に示すように、クレーン用荷振れ角度推定装置５０は、３つの音波受信器Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３と、時間差算出部５１と、距離差算出部５２と、荷振れ角度算出部５３とを備える。
【００３６】
３つの音波受信器Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は、本実施形態ではジブ３に配置される。具体的には、図１に示すように、ジブ３の一端Ｑに音波受信器Ｍ１、音波受信器Ｍ１から距離Ｘ１離れた箇所に音波受信器Ｍ２、音波受信器Ｍ２から距離Ｘ２離れた箇所に音波受信器Ｍ３がそれぞれ配置される。ここで、吊り荷１の重心位置Ｐから音波受信器Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３のそれぞれまでの距離は、Ｌ、Ｌ＋ΔＤ１、Ｌ＋ΔＤ２である。音波受信器Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３としては、一般的なマイクロホンが使用可能であるが、集音器等の指向性を持つ音波受信器を使用すると、騒音等の周囲環境の影響を受けにくくなる。
【００３７】
図３は、本実施形態のクレーン用荷振れ角度推定装置による荷振れ角度推定方法のフローチャートである。
【００３８】
図３に示すように、まず、ステップＳ１において、音源（例えば吊り荷１の重心位置Ｐに位置する）から発生した音を音波受信器Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３で受信する。ここで、図１に示すように、時刻ｔ＝０に音源で音が発生し、当該音を音波受信器Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３がそれぞれ時刻ｔ＝Ｔ、Ｔ＋ΔＴ１、Ｔ＋ΔＴ２に受信したものとする。
【００３９】
次に、ステップＳ２において、時間差算出部５１は、音波受信器Ｍ１が音を受信したタイミング（ｔ＝Ｔ）と音波受信器Ｍ２が音を受信したタイミング（ｔ＝Ｔ＋ΔＴ１）との差である第１時間差ΔＴ１、及び、音波受信器Ｍ１が音を受信したタイミング（ｔ＝Ｔ）と音波受信器Ｍ３が音を受信したタイミング（ｔ＝Ｔ＋ΔＴ２）との差である第２時間差ΔＴ２を算出する。ΔＴ１、ΔＴ２の算出は、例えば、対象とする２つの音波受信器の受信信号の相関関数に基づいて行う。
【００４０】
次に、ステップＳ３において、距離差算出部５２は、音源位置（本実施形態では吊り荷１の重心位置Ｐ）から音波受信器Ｍ１までの距離（Ｌ）と音源位置から音波受信器Ｍ２までの距離（Ｌ＋ΔＤ１）との差である第１距離差ΔＤ１を、荷振れ角度θをパラメータとする第１関数Ｆ１（θ）で表すと共に、音源位置から音波受信器Ｍ１までの距離（Ｌ）と音源位置から音波受信器Ｍ３までの距離（Ｌ＋ΔＤ２）との差である第２距離差ΔＤ２を、荷振れ角度θをパラメータとする第２関数Ｆ２（θ）で表す。
【００４１】
例えば、距離Ｘ１、Ｘ２は固定で予め既知であり、ジブ３の起伏角φ、距離Ｌ（ワイヤー２の繰り出し長さ）もクレーンの操作情報として特定可能であるとして、図１に示す△ＰＭ１Ｍ２、△ＰＭ１Ｍ３に余弦定理を用いると、Ｆ１（θ）、Ｆ２（θ）はそれぞれ次のように表される。
【００４２】
ΔＤ１＝（Ｌ2 ＋Ｘ１2 ＋２Ｌ・Ｘ１・ｓｉｎ（θ−φ））0.5 −Ｌ＝Ｆ１（θ）
ΔＤ２＝（Ｌ2 ＋（Ｘ１＋Ｘ２）2 ＋２Ｌ・（Ｘ１＋Ｘ２）・ｓｉｎ（θ−φ））0.5 −Ｌ＝Ｆ２（θ）
【００４３】
次に、ステップＳ４において、荷振れ角度算出部５３は、音源から発生した音の音速を未知数Ｖとして、第１距離差ΔＤ１について成り立つ「ΔＤ１＝Ｖ×ΔＴ１＝Ｆ１（θ）」、及び、第２距離差ΔＤ２について成り立つ「ΔＤ２＝Ｖ×ΔＴ２＝Ｆ２（θ）」を用いて、荷振れ角度θを算出する。すなわち、荷振れ角度θ及び音速Ｖを未知数とする２つの連立方程式を解くことによって、荷振れ角度θ及び音速Ｖを求めることが可能である。ここで、Ｆ１（θ）、Ｆ２（θ）は非線形であるので、例えばニュートン法や二分法をはじめとする繰り返し計算等を利用して、荷振れ角度θを算出してもよい。この場合、非線形関数は微分可能であるので、勾配関数（勾配ベクトル）を積極的に利用することにより、演算の高速化を図ることもできる。
【００４４】
荷振れ角度θが得られれば、当該荷振れ角度θに基づいてジブ３の起伏角φを制御することにより、ジブ３の一端Ｑと吊り荷１の重心位置Ｐとを鉛直線上に位置合わせすることができるので、荷振れの発生を防止することができる。
【００４５】
以上に説明したように、本実施形態によると、例えば吊り荷１で発生した音を、３つの音波受信器Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３で受信することによって、当該音を各音波受信器Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３が受信するタイミングのずれを２つ（音波到来時間差ΔＴ１、ΔＴ２）求める。また、音の発生位置から各音波受信器Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３までの距離同士の差ΔＤ１、ΔＤ２を、荷振れ角度θをパラメータとする関数Ｆ１（θ）、Ｆ２（θ）で表すと共に、当該距離差ΔＤ１、ΔＤ２が、音波到来時間差ΔＴ１、ΔＴ２と音速Ｖ（未知数）との積に等しいことを利用して、音速の測定（つまり気温、風速等の測定）を行うことなく、荷振れ角度θを算出する。すなわち、３つの音波受信器Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３を用いて求めた２つの音波到来時間差ΔＴ１、ΔＴ２のそれぞれについて、音波到来時間差ΔＴ１、ΔＴ２と音速Ｖとの積が、荷振れ角度θをパラメータとする関数Ｆ１（θ）、Ｆ２（θ）と等しいという関係を利用して、音速測定の必要なく、荷振れ角度θを算出することができる。また、荷振れ角度θと共に音速Ｖも算出可能である。
【００４６】
ここで、気温や風速等を正確に計測することが困難な屋外等の環境においては、音速を推定することは困難であるので、音速を用いて荷振れ角度を推定すると、荷振れ角度の推定精度が低下する。それに対して、本実施形態では、気温や風速等から音速を計算する必要がないので，屋外等の環境においても荷振れ角度θの推定精度が向上する。すなわち、迅速且つ正確に荷振れ角度θを求めることができる。
【００４７】
また、本実施形態によると、例えば吊り荷１で発生した音を用いて荷振れ角度推定を行うため、地形的制約や法規制等の制約を受けにくく、音波受信器Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３として指向性マイク等を用いれば、騒音等の周囲環境の影響も受けにくくなる。さらに、音波受信器Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３として例えば指向性マイクを用いたとしても、従来の視覚センサを用いた場合と比較して、低コストで荷振れ角度を算出することができる。また、音速の算出のために温度や風速等の環境条件の計測を行う必要がないため、温度計や風速計等の計測器が不要となるので、さらなる低コスト化を達成できる。
【００４８】
以上のように、本実施形態のクレーン用荷振れ角度推定装置５０によると、迅速且つ正確に低コストでクレーンの荷振れ角度を算出することができる。
【００４９】
図４は、本実施形態のクレーン用荷振れ角度推定装置５０で用いられる音の発生源の一例、具体的には、吊り荷１の支持部（以下、吊り荷支持部という）１０１を示す図である。図４に示すように、吊り荷支持部１０１は、ワイヤー２の先端（下端）に取り付けられた吊り具１０２と、吊り具１０２に可動接合されたフック１０３と、フック１０３により支持され且つ吊り荷１に掛け渡されるロープ１０４とを有する。
【００５０】
例えば、吊り荷支持部１０１が吊り荷１と共に揺動する場合、音の発生源として、ロープ１０４とフック１０３との間に生じる「きしみ音」、又は、フック１０３と吊り具１０２との可動接合部に生じる「摩擦音」などの自然発生音を利用してもよい。或いは、吊り荷支持部１０１の揺動によって能動的に音を発生させる部材、例えば、風鈴、チャイム、金属パイプ等を吊り具１０２やフック１０３に装着してもよい。
【００５１】
また、吊り荷１が静止状態にあるときでも音が発生するように、例えば図４に示すように、音波発信器１０５を吊り具１０２に装着してもよい。音波発信器１０５は、フック１０３又は吊り荷１に装着してもよい。音波発信器１０５は、図５に示すように、クレーン用荷振れ角度推定装置５０の構成要素の１つとなる。音波発信器１０５を用いることにより、音波発信に指向性を持たせたり、音波発信のタイミングや音波帯域を調整することが可能となる。このため、吊り荷支持部１０１で自然発生する音を用いる場合と比べて、周囲の騒音の影響を受けにくい状態で荷振れ角度推定を行うことができる。この場合、音波発信器１０５が可聴帯域の音波を発信すると、周辺の人間に吊り荷１又は吊り荷支持部１０１の接近を知らせて安全性を確保することができる。また、音波発信器１０５のオン／オフをリモートで制御できると、荷振れ角度推定が必要なときのみ、音波を発信することができるので、騒音対策になる。
【００５２】
尚、本実施形態の荷振れ角度θの算出において、以上に述べた各種の音の発生源（音波発信器１０５を含む）は、ジブ３の一端Ｑと吊り荷１の重心位置Ｐとを結ぶ線上に位置させてもよい。このようにすると、荷振れ角度θの精度を向上させることができる。
【００５３】
また、本実施形態において、クレーン用荷振れ角度推定装置５０のうち時間差算出部５１、距離差算出部５２及び荷振れ角度算出部５３は、例えば、クレーン（本体部１０）の運転室内に制御装置（専用装置又は既存装置の一部）として搭載してもよい。また、当該制御装置は、コンピュータを備えており、当該コンピュータがプログラムを実行することによって、時間差算出部５１、距離差算出部５２及び荷振れ角度算出部５３の各機能が実施される。コンピュータは、プログラムに従って動作するプロセッサ、プログラムの実行に必要なデータ（音波受信器の位置情報等）を記憶するメモリ等を主なハードウェア構成として備える。プロセッサは、プログラムを実行することによって機能を実現することができれば、その種類は問わないが、例えば半導体集積回路（ＩＣ）又はＬＳＩ（large scale integration）を含む一つ又は複数の電子回路により構成されていてもよい。複数の電子回路は、一つのチップに集積されてもよいし、複数のチップに設けられてもよい。複数のチップは一つの装置に集約されていてもよいし、複数の装置に備えられていてもよい。プログラムやデータは、コンピュータが読み取り可能なＲＯＭ、光ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録される。プログラムやデータは、記録媒体に予め格納されていてもよいし、インターネット等を含む広域通信網を介して記録媒体に供給されてもよい。
【００５４】
また、本実施形態において、時間差算出部５１は、音波受信器Ｍ１が音を受信したタイミングと音波受信器Ｍ３が音を受信したタイミングとの差である第２時間差ΔＴ２に代えて、音波受信器Ｍ２が音を受信したタイミングと音波受信器Ｍ３が音を受信したタイミングとの差である時間差を算出してもよい。この場合、距離差算出部５２は、音源位置から音波受信器Ｍ１までの距離と音源位置から音波受信器Ｍ３までの距離との差である第２距離差ΔＤ２に代えて、音源位置から音波受信器Ｍ２までの距離と音源位置から音波受信器Ｍ３までの距離との差である距離差を、荷振れ角度θをパラメータとする関数で表してもよい。
【００５５】
（実施形態２）
以下、実施形態２に係るクレーン用荷振れ角度推定装置について、図面を参照しながら説明する。
【００５６】
図６は、本実施形態のクレーン用荷振れ角度推定装置によって水平ジブクレーンの荷振れ角度を推定している様子の一例を示す図である。尚、図６において、図１に示すジブクレーン（実施形態１）と同じ構成要素には同じ符号を付す。
【００５７】
本実施形態が図１に示す第１の実施形態と異なっている点は、図６に示すように、ジブ３が、地平面に対して水平に支柱１５によって固定されている点である。また、ワイヤー２は、ジブ３に沿って移動可能なトロリー４に巻上げ／巻下げ可能に取り付けられている。さらに、ジブ３におけるトロリー４が配置されていない側には、カウンタウェイト１６が設けられていると共に、支柱１５の上部には、ジブ３の両側を支持するアーム１７が設けられている。
【００５８】
本実施形態では、吊り荷１は、ジブ３の延びる方向に沿って荷振れを生じており、荷振れ角度はθである。荷振れ角度θは、トロリー４（ジブ３の位置Ｑに配置）と吊り荷１の重心位置Ｐとを結ぶ線が鉛直方向（重力方向）となす角度であり、本実施形態での推定対象である。
【００５９】
また、本実施形態では、３つの音波受信器Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３のうち音波受信器Ｍ１はトロリー４に配置され、音波受信器Ｍ２、Ｍ３はジブ３に配置される。具体的には、図６に示すように、音波受信器Ｍ１から距離Ｘ１離れた箇所に音波受信器Ｍ２、音波受信器Ｍ２から距離Ｘ２離れた箇所に音波受信器Ｍ３がそれぞれ配置される。ここで、吊り荷１の重心位置Ｐから音波受信器Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３のそれぞれまでの距離は、Ｌ、Ｌ＋ΔＤ１、Ｌ＋ΔＤ２である。
【００６０】
すなわち、本実施形態のクレーン用荷振れ角度推定装置が実施形態１と異なっている点は、音波受信器Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の取り付け位置、並びに、距離差算出部５２及び荷振れ角度算出部５３で用いる、荷振れ角度θをパラメータとする関数Ｆ１（θ）、Ｆ２（θ）の内容である。言い換えると、本実施形態のクレーン用荷振れ角度推定装置の構成は、図２又は図５に示す実施形態１又はその変形例のクレーン用荷振れ角度推定装置５０と基本的に同じであり、本実施形態のクレーン用荷振れ角度推定装置による荷振れ角度推定方法も、図３に示す実施形態１のフローチャートと基本的に同じである。
【００６１】
具体的には、本実施形態においても、まず、ステップＳ１において、音源（例えば吊り荷１の重心位置Ｐに位置する）から発生した音を音波受信器Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３で受信する。ここで、図６に示すように、時刻ｔ＝０に音源で音が発生し、当該音を音波受信器Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３がそれぞれ時刻ｔ＝Ｔ、Ｔ＋ΔＴ１、Ｔ＋ΔＴ２に受信したものとする。
【００６２】
次に、ステップＳ２において、時間差算出部５１は、音波受信器Ｍ１が音を受信したタイミング（ｔ＝Ｔ）と音波受信器Ｍ２が音を受信したタイミング（ｔ＝Ｔ＋ΔＴ１）との差である第１時間差ΔＴ１、及び、音波受信器Ｍ１が音を受信したタイミング（ｔ＝Ｔ）と音波受信器Ｍ３が音を受信したタイミング（ｔ＝Ｔ＋ΔＴ２）との差である第２時間差ΔＴ２を算出する。ΔＴ１、ΔＴ２の算出は、例えば、対象とする２つの音波受信器の受信信号の相関関数に基づいて行う。
【００６３】
次に、ステップＳ３において、距離差算出部５２は、音源位置（本実施形態では吊り荷１の重心位置Ｐ）から音波受信器Ｍ１までの距離（Ｌ）と音源位置から音波受信器Ｍ２までの距離（Ｌ＋ΔＤ１）との差である第１距離差ΔＤ１を、荷振れ角度θをパラメータとする第１関数Ｆ１（θ）で表すと共に、音源位置から音波受信器Ｍ１までの距離（Ｌ）と音源位置から音波受信器Ｍ３までの距離（Ｌ＋ΔＤ２）との差である第２距離差ΔＤ２を、荷振れ角度θをパラメータとする第２関数Ｆ２（θ）で表す。
【００６４】
例えば、距離Ｘ２は固定で予め既知であり、距離Ｘ１（トロリー４の配置位置）、距離Ｌ（ワイヤー２の繰り出し長さ）もクレーンの操作情報として特定可能であるとして、図６に示す△ＰＭ１Ｍ２、△ＰＭ１Ｍ３に余弦定理を用いると、Ｆ１（θ）、Ｆ２（θ）はそれぞれ次のように表される。
【００６５】
ΔＤ１＝（Ｌ2 ＋Ｘ１2 ＋２Ｌ・Ｘ１・ｓｉｎ（θ））0.5 −Ｌ＝Ｆ１（θ）
ΔＤ２＝（Ｌ2 ＋（Ｘ１＋Ｘ２）2 ＋２Ｌ・（Ｘ１＋Ｘ２）・ｓｉｎ（θ））0.5 −Ｌ
＝Ｆ２（θ）
【００６６】
次に、ステップＳ４において、荷振れ角度算出部５３は、音源から発生した音の音速を未知数Ｖとして、第１距離差ΔＤ１について成り立つ「ΔＤ１＝Ｖ×ΔＴ１＝Ｆ１（θ）」、及び、第２距離差ΔＤ２について成り立つ「ΔＤ２＝Ｖ×ΔＴ２＝Ｆ２（θ）」を用いて、荷振れ角度θを算出する。すなわち、荷振れ角度θ及び音速Ｖを未知数とする２つの連立方程式を解くことによって、荷振れ角度θ及び音速Ｖを求めることが可能である。ここで、Ｆ１（θ）、Ｆ２（θ）は非線形であるので、例えばニュートン法や二分法をはじめとする繰り返し計算等を利用して、荷振れ角度θを算出してもよい。この場合、非線形関数は微分可能であるので、勾配関数（勾配ベクトル）を積極的に利用することにより、演算の高速化を図ることもできる。
【００６７】
荷振れ角度θが得られれば、当該荷振れ角度θに基づいてトロリー４の位置を制御することにより、トロリー４（ワイヤー２の取付箇所）と吊り荷１の重心位置Ｐとを鉛直線上に位置合わせすることができるので、荷振れの発生を防止することができる。
【００６８】
以上に説明した本実施形態のクレーン用荷振れ角度推定装置においても実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【００６９】
以上、本発明についての実施形態を説明したが、本発明は前述の実施形態のみに限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。すなわち、前述の各実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００７０】
例えば、前述の各実施形態では、ジブクレーン（水平ジブクレーンを含む）を例として本発明について説明したが、吊り荷支持部と、吊り荷支持部を吊り下げる吊り下げ部と、吊り下げ部が取り付けられた支持部とを備えた他のタイプのクレーン、例えば天井クレーン、橋形クレーン等にも本発明は広く適用可能である。
【００７１】
また、前述の各実施形態では、所定の方向に沿った音波受信器の設置数を３つとしたが、４つ以上にしてもよい。このようにすると、故障に対する冗長性が得られるのみならず、４つ以上の音波受信器の中から選択される３つの音波受信器の組み合わせが複数存在するので、各組み合わせ毎に荷振れ角度を算出し、その平均や多数決を取ること等によって、得られる荷振れ角度の精度を向上させることもできる。
【００７２】
また、前述の各実施形態では、音源位置（例えば吊り荷１の重心位置Ｐ）から音波受信器Ｍ１までの距離Ｌが、ワイヤー２の繰り出し長さに等しいとして、２つの音波到来時間差ΔＴ１、ΔＴ２、及び、２つの関数Ｆ１（θ）、Ｆ２（θ）を用いて、荷振れ角度θを算出した。しかし、例えば、ワイヤー２にたるみが生じており、音源位置から音波受信器Ｍ１までの距離Ｌが未知数となる場合、所定の方向に沿った音波受信器の設置数を４つとして、３つの音波到来時間差ΔＴ１、ΔＴ２、ΔＴ３、及び、３つの関数Ｆ１（θ）、Ｆ２（θ）、Ｆ３（θ）を用いて、荷振れ角度θを算出してもよい。
【００７３】
また、前述の各実施形態では、吊り荷支持部として、フック及び吊り具を例示したが、吊り荷を支持できれば、吊り荷支持部の種類は特に限定されない。また、吊り下げ部として、ワイヤーを例示したが、吊り荷を吊り下げられれば、吊り下げ部の種類は特に限定されず、例えば、ロープやチェーン等であってもよい。
【００７４】
また、前述の各実施形態のクレーン用荷振れ角度推定装置で用いられる音、つまり、吊り荷支持部又は吊り荷で発生した音（吊り荷支持部又は吊り荷に装着された音波発信器が発生する音を含む）は、可聴音であってもよいし、或いは、超音波等の非可聴音であってもよい。
【００７５】
また、前述の各実施形態では、全ての音波受信器をジブ３に設けたが、所定の方向に沿った設置位置であれば、少なくとも一部の音波受信器を例えばクレーンの本体部等に設置してもよい。また、天井クレーンのような固定タイプのクレーンであれば、音波受信器の少なくとも一部をクレーンの外部に設置してもよい。ここで、「所定の方向に沿って音波受信器が配置される」とは、ジブクレーンであれば、例えば、クレーンを上から見たときに「ジブ」の延びる方向に沿って各音波受信器が配置されることを意味し、必ずしも、全ての音波受信器が３次元における同一直線上に配置されることまでは必要としない。言い換えると、クレーンを上から見たときに「ジブ」の延びる方向に沿って全ての音波受信器が配置されていれば、クレーンを横（「ジブ」の延びる方向に対して垂直な方向）から見たときに各音波受信器が同一直線上に配置されていなくてもよい。
【００７６】
また、前述の各実施形態において、所定の方向（以下、第１の方向という）に対して垂直な第２の方向に沿って３つの他の音波受信器を配置し、当該他の音波受信器に対応して、前述の時間差算出部５１、距離差算出部５２及び荷振れ角度算出部５３と同様の機能部をそれぞれ設けてもよい。このようにすると、第２の方向における荷振れ角度を算出できるので、吊り荷の正確な位置を立体的に把握することができる。
【００７７】
ここで、「第１の方向に対して垂直な第２の方向に沿って他の音波受信器が配置される」とは、ジブクレーンであれば、例えば、クレーンを上から見たときに「ジブ」の延びる方向に対して垂直な方向に沿って他の音波受信器が配置されることを意味し、必ずしも、全ての他の音波受信器が３次元における同一直線上に配置されることまでは必要としない。言い換えると、クレーンを上から見たときに「ジブ」の延びる方向に対して垂直な方向に沿って全ての他の音波受信器が配置されていれば、クレーンを正面（「ジブ」の延びる方向）から見たときに全ての他の音波受信器が同一直線上に配置されていなくてもよい。
【００７８】
また、「第１の方向に沿って配置された３つの音波受信器」のうちの１つの音波受信器と、「第２の方向に沿って配置された３つの他の音波受信器」のうちの１つの音波受信器とは、第１の方向と第２の方向とが交差する箇所に配置された共通の音波受信器であってもよい。
【符号の説明】
【００７９】
１    吊り荷
２    ワイヤー
３    ジブ
４  トロリー
１０    本体部
１５    支柱
１６    カウンタウェイト
１７    アーム
５０    クレーン用荷振れ角度推定装置
５１    時間差算出部
５２    距離差算出部
５３    荷振れ角度算出部
１０１  吊り荷支持部
１０２  吊り具
１０３  フック
１０４  ロープ
１０５    音波発信器
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３    音波受信器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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