(57)【要約】【課題】運転前に予定した移動軌跡を維持しながら速度変更を行い、吊り荷の振れを抑制可能としたクレーンの運転制御装置を提供する。【解決手段】吊り荷の昇降及び水平方向の移動を行って目標位置まで搬送するクレーンの運転制御装置において、吊り荷２０の移動軌跡を予め作成する軌跡作成部４１と、移動軌跡における吊り荷２０の水平方向位置と高さとの関係を示す関数を作成する関数作成部４２と、水平方向位置に応じて吊り荷２０があるべき高さを前記関数により逐次更新する垂直方向指令値更新部５３と、垂直方向位置指令値に基づいて垂直方向速度指令値を生成する垂直方向制御部５４と、垂直方向速度指令値に従って吊り荷２０を昇降させる垂直方向駆動部と、水平方向の速度変化量に基づいて垂直方向速度指令値を生成するための加減速パターン演算部５１、水平方向指令値更新部５２、水平方向制御部５５等を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吊り荷の昇降及び水平方向の移動を行って前記吊り荷を目標位置まで搬送するクレーンの運転制御装置において、
前記吊り荷の移動軌跡を予め作成する軌跡作成手段と、
前記移動軌跡における前記吊り荷の水平方向位置と高さとの関係を示す関数を作成する関数作成手段と、
前記吊り荷の水平方向位置に応じて前記吊り荷があるべき高さを前記関数により逐次更新して垂直方向位置指令値を生成する垂直方向指令値更新手段と、
前記垂直方向位置指令値に基づいて前記吊り荷の垂直方向速度指令値を生成する垂直方向制御手段と、
前記垂直方向速度指令値に従って前記吊り荷を昇降させる垂直方向駆動手段と、
を備えたことを特徴とするクレーンの運転制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載したクレーンの運転制御装置において、
前記吊り荷の水平方向の速度変化量に基づいて前記吊り荷の水平方向位置指令値を逐次更新する水平方向指令値更新手段と、
前記水平方向位置指令値に基づいて前記吊り荷の水平方向速度指令値を生成する水平方向制御手段と、
前記水平方向速度指令値に従って前記吊り荷を水平方向に移動させる水平方向駆動手段と、
を備えたことを特徴とするクレーンの運転制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載したクレーンの運転制御装置において、
前記吊り荷の水平方向の速度変更開始時における水平方向位置に対応する第１の高さと、前記吊り荷の水平方向の速度変更完了時における水平方向位置に対応する第２の高さと、前記吊り荷の水平方向の速度変更に要する時間と、を用いて、前記吊り荷を支持する支持部材の長さの変化率平均値を算出し、この変化率平均値を用いて、水平方向の速度変更に伴う前記吊り荷の振れを抑制するように速度変更期間の加減速パターンを生成する加減速パターン演算手段を備え、
前記水平方向指令値更新手段は、前記加減速パターンに基づいて前記水平方向位置指令値を更新することを特徴とするクレーンの運転制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載したクレーンの運転制御装置において、
前記吊り荷の水平方向の速度変更期間に前記支持部材の長さの変化率平均値が一定であるという条件のもとで、前記速度変更期間の前記支持部材に対する前記吊り荷の理想振れ角を演算する理想振れ角演算手段と、
前記理想振れ角と実際の振れ角との偏差がゼロに近付くように補正量を演算し、当該補正量により前記水平方向速度指令値を補正して前記吊り荷の水平方向の振れを抑制する振れ止め制御手段と、
を備えたことを特徴とするクレーンの運転制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載したクレーンの運転制御装置において、
前記理想振れ角演算手段を前記加減速パターン演算手段に設けたことを特徴とするクレーンの運転制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吊り荷の昇降（巻上げまたは巻下げ）及び水平方向の移動を行って前記吊り荷を目標位置まで搬送するためのクレーンの運転制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
クレーンを自動運転する際には、障害物への衝突を避けるよう吊り荷の移動軌跡を決定し、また、加減速時以外において吊り荷の振れがなるべく小さくなるように、水平方向に移動する際の加減速パターンを決定して運転することが一般的である。
【０００３】
通常、吊り荷を所定の軌跡に沿って移動させるクレーンの運転方法としては、クレーンの運転開始前に、吊り荷の水平方向の移動を許可する巻上げ高さと巻下げを開始する水平方向位置とを予め決定しておき、クレーンの運転中に、吊り荷が上記の巻上げ高さや水平方向位置に達した時点で水平方向の移動及び巻下げをそれぞれ開始している。
【０００４】
吊り荷の振れを抑える加減速方法に関して最も簡単な方法は、吊り荷を支持するロープ長が一定である場合に、加減速時間が吊り荷の振動周期と一致するような一定加速度によって加減速する方法が知られている。
また、特許文献１には、吊り荷の昇降によりロープ長が変化する場合においても、ロープ長変化率が一定であることを条件として、加減速完了時に吊り荷の振れが収まるように加減速パターンを決定する制振起動方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３７４２７０７号公報（段落［００２０］〜［００４０］、図１〜図５等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
クレーンの実際の運転制御では、例えば運転中に強風が発生したときなどに、速度を一時的に減速し、問題が解消されたら元の速度に復帰させるなど、運転中に速度を変更したい場合が発生する。しかし、例えば巻上げまたは巻下げを行いながら吊り荷を水平方向に移動させている時に水平方向の速度だけを変更すると、吊り荷は運転前に予定した軌跡をたどれなくなり、最悪の場合には障害物に衝突する恐れもある。
【０００７】
この場合、水平方向の移動速度を変化させた割合だけ、巻上げ速度や巻下げ速度を変化させれば、予定した軌跡からのずれを軽減することが可能である。しかし、これらの速度を瞬時に変更することはできず、速度変更にはある程度の時間が必要であるため、この方法を用いても、吊り荷の実際の移動軌跡を予定した軌跡に完全に一致させることはできない。
更に、速度変更によって生じる吊り荷の振れを抑制するために、仮に速度変更開始時のロープ長変化率を用いて加減速パターンを決定しても、速度変更が完了するまでロープ長変化率が一定である保証はないので、結局、吊り荷の振れを完全に抑制することは困難である。
【０００８】
そこで、本発明の解決課題は、クレーン運転中に速度変更を行う必要が生じた場合でも、運転前に予定した吊り荷の移動軌跡を維持した状態で速度変更を可能とし、しかも速度変更中の吊り荷の振れを抑制することができるクレーンの運転制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、
吊り荷の昇降及び水平方向の移動を行って前記吊り荷を目標位置まで搬送するクレーンの運転制御装置において、
前記吊り荷の移動軌跡を予め作成する軌跡作成手段と、
前記移動軌跡における前記吊り荷の水平方向位置と高さとの関係を示す関数を作成する関数作成手段と、
前記吊り荷の水平方向位置に応じて前記吊り荷があるべき高さを前記関数により逐次更新して垂直方向位置指令値を生成する垂直方向指令値更新手段と、
前記垂直方向位置指令値に基づいて前記吊り荷の垂直方向速度指令値を生成する垂直方向制御手段と、
前記垂直方向速度指令値に従って前記吊り荷を昇降させる垂直方向駆動手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明は、
請求項１に記載したクレーンの運転制御装置において、
前記吊り荷の水平方向の速度変化量に基づいて前記吊り荷の水平方向位置指令値を逐次更新する水平方向指令値更新手段と、
前記水平方向位置指令値に基づいて前記吊り荷の水平方向速度指令値を生成する水平方向制御手段と、
前記水平方向速度指令値に従って前記吊り荷を水平方向に移動させる水平方向駆動手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明は、
請求項２に記載したクレーンの運転制御装置において、
前記吊り荷の水平方向の速度変更開始時における水平方向位置に対応する第１の高さと、前記吊り荷の水平方向の速度変更完了時における水平方向位置に対応する第２の高さと、前記吊り荷の水平方向の速度変更に要する時間と、を用いて、前記吊り荷を支持する支持部材の長さの変化率平均値を算出し、この変化率平均値を用いて、水平方向の速度変更に伴う前記吊り荷の振れを抑制するように速度変更期間の加減速パターンを生成する加減速パターン演算手段を備え、
前記水平方向指令値更新手段は、前記加減速パターンに基づいて前記水平方向位置指令値を更新することを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明は、
請求項３に記載したクレーンの運転制御装置において、
前記吊り荷の水平方向の速度変更期間に前記支持部材の長さの変化率平均値が一定であるという条件のもとで、前記速度変更期間の前記支持部材に対する前記吊り荷の理想振れ角を演算する理想振れ角演算手段と、
前記理想振れ角と実際の振れ角との偏差がゼロに近付くように補正量を演算し、当該補正量により前記水平方向速度指令値を補正して前記吊り荷の水平方向の振れを抑制する振れ止め制御手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る発明は、
請求項４に記載したクレーンの運転制御装置において、
前記理想振れ角演算手段を前記加減速パターン演算手段に設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、クレーンの運転中に水平方向の速度変更が必要になった場合でも、予定した吊り荷の移動軌跡を維持しながら速度を変更することによって障害物との衝突等を防ぎ、しかも吊り荷の振れを最小限に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態における吊り荷の移動軌跡を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態において、水平方向の移動速度を変更する際の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態における運転制御装置の主要部を示す制御ブロック図である。
【図４】本発明の実施形態におけるトロリー、吊り荷等の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図４は、本発明の実施形態におけるトロリー、吊り荷等の模式図である。
図４において、１０はＸ方向（水平方向）に走行可能なトロリー、２０はトロリー１０に支持部材としてのロープ３０によって吊り下げられた吊り荷であり、Ｙ方向（垂直方向）に巻上げ・巻下げが可能である。上記支持部材としては、ロープ３０以外のワイヤー等であっても良いことは言うまでもない。なお、ｌはロープ長、θは鉛直線を基準とした吊り荷２０の振れ角を示している。
ここで、トロリー１０を走行させて吊り荷２０を水平方向に移動させる水平方向駆動機構、及び、吊り荷２０の巻上げ・巻下げを行う垂直方向駆動機構は、本発明の主要部ではないため説明を省略する。
【００１７】
この実施形態においては、クレーンの運転を開始する前に、吊り荷２０の始点、終点、吊り荷２０が回避するべき障害物の位置や水平・垂直各方向の上限速度、適切な加減速時間等に基づいて、吊り荷２０がたどるべき軌跡を図１のように予め作成する。
そして、上記の軌跡のうち、吊り荷２０の水平方向の移動範囲（図１のＡ〜Ｂの範囲）において、水平方向の位置Ｘから軌跡上の吊り荷２０の高さＹを求める関数Ｙ＝ｆ（Ｘ）を生成する。
【００１８】
クレーンの運転中、吊り荷２０の水平方向位置が上記の範囲Ａ〜Ｂにある場合には、水平方向位置Ｘに対して吊り荷があるべき高さＹを、Ｙ＝ｆ（Ｘ）に従って逐次更新しつつ吊り荷２０を移動させる。
例えば、吊り荷２０の移動中に強風が発生して水平方向の速度変更を余儀なくされる場合には、吊り荷２０の実際の水平方向位置と高さとが図１の軌跡から外れたものとなる。このような場合に、本実施形態においては、図１の移動軌跡に従って、吊り荷２０の実際の水平方向位置Ｘに応じて吊り荷２０があるべき高さＹをＹ＝ｆ（Ｘ）により求め、その結果に基づいて吊り荷２０の水平・垂直各方向の速度をそれぞれ制御することにより、吊り荷２０を予定した軌跡どおりに移動させることができる。
【００１９】
クレーンの運転中に吊り荷２０の水平方向の移動速度を変更する必要があるのは、少なくとも水平方向の移動開始時及び完了時、更には、強風その他の異常事象が発生して速度変更が要求された場合である。
上記のように速度変更が必要となった場合の本実施形態による具体的処理手順を、図２のフローチャートを参照しつつ説明する。
【００２０】
速度変更が必要となった場合には、まず、速度変更開始時の吊り荷２０の水平方向位置Ｘ１における吊り荷２０の現在の高さＹ１＝ｆ（Ｘ１）を取得する（ステップＳ１）。この時点ではまだ速度変更が行われていないため、Ｘ１に対応するＹ１は図１に示した軌跡上にある。
【００２１】
次に、速度変更中の吊り荷２０走行距離ΔＸを求め、速度変更完了時の吊り荷２０の水平方向位置Ｘ２を求めてＸ２に対応する吊り荷２０の高さＹ２を取得する（ステップＳ２）。
すなわち、速度変更開始時点から時間Ｔをかけて、吊り荷２０の速度Ｖ１をΔＶだけ変化させて速度Ｖ２（＝Ｖ１＋ΔＶ）に変更する場合、ΔＸは、速度の平均値（Ｖ１＋Ｖ２）／２を用いて、ΔＸ＝（Ｖ１＋Ｖ２）Ｔ／２として求めることができる。更に、速度変更完了時の水平方向位置Ｘ２は、Ｘ２＝Ｘ１＋ΔＸであるから、このＸ２に対応する吊り荷２０の高さＹ２は、Ｙ２＝ｆ（Ｘ２）＝ｆ（Ｘ１＋ΔＸ）として求めることができる。
つまり、このステップＳ２では、吊り荷２０の水平方向の速度を変更したときに到達する水平方向位置Ｘ２に対して、吊り荷２０が本来あるべき高さＹ２を求めることになる。
【００２２】
次いで、吊り荷２０を支持しているロープ長の速度時間Ｔ内の変化率平均値νを算出する（ステップＳ３）。
このロープ長変化率平均値νは速度変更時間Ｔの前後における高さ変化率平均値に等しいため、ν＝−（Ｙ２−Ｙ１）／Ｔとして求めることができる。
【００２３】
更に、吊り荷２０の速度をＶ１からＶ２＝Ｖ１＋ΔＶに変更する際に、ロープ長変化率平均値νを一定とした場合に吊り荷２０の振れを抑えることができる加速度を求め、この加速度に基づく加減速パターンを用いて速度変更を行う（ステップＳ４）。
【００２４】
一例として、速度変更中の吊り荷２０の振れ角θ［ｒａｄ］を数式１のような形に制御して速度変更完了時（τ＝１）の吊り荷２０の振れを抑える場合の加減速パターンについて考える。
［数式１］
θ＝−Ａτ２（１−τ）２
（ここで、ＡはΔＶの関数、τは速度変更開始からの経過時間ｔと速度変更時間Ｔとの比であり、τ＝ｔ／Ｔ）
【００２５】
例えば、クレーンによって吊り荷２０を水平・垂直方向に移動させる場合のようにロープ長が変化する場合の運動方程式は、前述した特許文献１の数式１０に示すように、以下の数式２によって表すことができる。なお、数式２では、吊り荷２０に対する空気抵抗による摩擦やロープ３０の曲げによるエネルギー損失等を無視している。
［数式２］
ｄ２Ｚ／ｄｔ２＋（ｇ／ｌ）Ｚ＝−ｄ２Ｘ／ｄｔ２
（ここで、Ｚ＝ｌθ、ｌ＝ｌ０＋νｔ、ｇ：重力加速度、ｌ０：初期ロープ長）
【００２６】
ｔ＝Ｔ、すなわちτ＝１（速度変更完了時）に速度がΔＶ変化するような水平方向の加速度（ｄ２Ｘ／ｄｔ２）は、上記の数式２の左辺に基づいて、特許文献１の数式１４に示すように以下の数式３となる。
［数式３］
ｄ２Ｘ／ｄｔ２＝（３０ΔＶ／ｇＴ３）［ｌ０（２−１２τ＋１２τ２）＋（νＴ）（６τ−２４τ２＋２０τ３）＋（ｇＴ２）τ２（１−τ）２］
なお、水平方向に加速する際の実際のロープ長変化率は一定にはならないが、ロープ長変化率平均値νを一定とおくことで、速度変更に伴って生じる吊り荷２０の振れを低減することができる。
【００２７】
また、上記のように吊り荷２０に加速度を与えた場合の速度変更中の理想振れ角θ＊は、前述の数式１に基づいて数式４のようになる。
［数式４］
θ＊＝−（３０ΔＶ／ｇＴ）τ２（１−τ）２
速度変更中の実際の振れ角θが理想振れ角θ＊に近いほど、速度変更完了時に残る振れをゼロに近付けることができる。このため、振れ角の偏差Δθ＝θ＊−θをゼロに近付けるように水平方向の速度を補正する振れ止め制御を加えることにより、吊り荷２０の振れを更に抑制しながら移動させることが可能である。
【００２８】
以上の説明は、速度変更中の吊り荷２０の振れを数式１，数式４に基づいて抑制する場合のものであるが、これ以外でも、例えば数式５に基づいて吊り荷２０の振れを抑制した速度変更が可能である。
［数式５］
θ＝−Ａ（１−ｃｏｓωｔ）
（ここで、ω＝２π／Ｔ）
この場合、吊り荷２０の加速度（ｄ２Ｘ／ｄｔ２）及び理想振れ角θ＊は、数式６，数式７のように与えればよい。
［数式６］
ｄ２Ｘ／ｄｔ２＝（ΔＶ／ｇＴ）［ｇ（１−ｃｏｓωｔ）＋２νωｓｉｎωｔ＋（ｌ０＋νｔ）ω２ｃｏｓωｔ］
［数式７］
θ＊＝−（ΔＶ／ｇＴ）（１−ｃｏｓωｔ）
【００２９】
図３は、本実施形態におけるクレーンの運転制御装置の主要部を示す制御ブロック図である。
図３において、軌跡作成部４１には、予め作成した図１の移動軌跡が記憶されている。関数作成部４２は、上記の移動軌跡から関数Ｙ＊＝ｆ（Ｘ＊）を作成する。
垂直方向指令値更新部５３は関数Ｙ＊＝ｆ（Ｘ＊）を参照可能であると共に、水平方向速度Ｖｘ、水平方向の速度変化量ΔＶ、及び、後述の水平方向指令値更新部５２により更新された吊り荷２０の水平方向位置指令値Ｘ＊が入力されている。
【００３０】
垂直方向指令値更新部５３は、速度変更開始時の水平方向位置Ｘ１が位置指令値Ｘ１＊に一致しているという前提で、関数作成部４２の関数Ｙ＊＝ｆ（Ｘ＊）を用いて吊り荷２０の高さＹ１を求める。
また、垂直方向指令値更新部５３は、逐次入力される水平方向速度Ｖｘによる速度変更開始時のＶ１と速度変化量ΔＶとから、速度Ｖ２（＝Ｖ１＋ΔＶ）を演算する。そして、ΔＸ＝（Ｖ１＋Ｖ２）Ｔ／２によりΔＸを求め、速度変更完了時の水平方向位置Ｘ２（＝Ｘ１＋ΔＸ）から、関数Ｙ＊＝ｆ（Ｘ＊）を用いて、速度変更完了時に吊り荷２０が到達するべき高さＹ２を求める。
【００３１】
一方、加減速パターン演算部５１は、例えば数式３の右辺の演算を行い、その結果を水平方向の加速度指令値（ｄ２Ｘ＊／ｄｔ２）として出力する。なお、数式３の右辺におけるロープ長変化率平均値νは、垂直方向指令値更新部５３により演算される垂直方向位置指令値Ｙ＊、すなわち第１，第２の高さＹ１，Ｙ２を用いて、前述のν＝−（Ｙ２−Ｙ１）／Ｔから算出可能である。
【００３２】
水平方向指令値更新部５２は、加速度指令値（ｄ２Ｘ＊／ｄｔ２）を２階積分して水平方向位置指令値Ｘ＊を演算する。この水平方向位置指令値Ｘ＊は、ΔＶに基づく速度変更の完了時に吊り荷２０が到達する水平方向位置Ｘ２に相当しており、水平方向制御部５５は、水平方向位置指令値Ｘ＊及び図示しない水平方向位置検出値Ｘに基づき、トロリー１０を駆動して吊り荷２０を水平移動させるための水平方向速度指令値Ｖｘ＊を生成する。
また、垂直方向制御部５４は、垂直方向指令値更新部５３によって得られる、水平方向位置指令値Ｘ＊における垂直方向位置指令値Ｙ＊＝ｆ（Ｘ＊）に基づき、吊り荷２０（ロープ３０）の巻上げ・巻下げを行うための垂直方向速度指令値Ｖｙ＊を生成し、この速度指令値Ｖｙ＊に従って垂直方向駆動機構（図示せず）を制御する。
【００３３】
なお、加減速パターン演算部５１は、例えば前述した数式４により理想振れ角θ＊を演算する。この理想振れ角θ＊と現在の振れ角θとの偏差Δθを減算器５６により求め、振れ止め制御部５７は、上記偏差Δθがゼロに近付くように演算を行って補正量ΔＶｘを出力する。この補正量ΔＶｘを加算器５８により水平方向制御部５５の出力に加算して最終的な水平方向速度指令値Ｖｘ＊が生成され、この速度指令値Ｖｘ＊に従って水平方向駆動機構（図示せず）を制御すれば、振れ角θを最小限に抑制しながら吊り荷２０を水平方向に搬送することができる。
【００３４】
以上説明したように、この実施形態では、クレーンの自動運転において、吊り荷２０の水平方向の移動速度を変更する際に図２の手順に従って所定の加減速パターンを生成し、この加減速パターンに基づく水平方向位置Ｘに応じて高さＹを逐次更新することにより、運転前に予定した吊り荷２０の移動軌跡を維持しながら速度変更を行うことができ、しかも吊り荷２０の振れを軽減することができる。
また、加減速パターン演算部５１から生成される理想振れ角θ＊と実際値θとの差に基づいて水平方向速度指令値Ｖｘ＊を補正することにより、吊り荷２０の振れを更に抑制することが可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１０：トロリー
２０：吊り荷
３０：ロープ
４１：軌跡作成部
４２：関数作成部
５１：加減速パターン演算部
５２：水平方向指令値更新部
５３：垂直方向指令値更新部
５４：垂直方向制御部
５５：水平方向制御部
５６：減算器
５７：振れ止め制御部
５８：加算器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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