(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トロリーの巻き上げ装置に取付けられたケーブルで吊られている荷物の揺れを排除するシステムであって、上記荷物の位置は垂直方向及び水平方向に調整可能になっており、
運転者による巻き上げ速度の入力信号を受信又は生成して上記荷物を垂直方向に調整する巻き上げ速度制御装置と、
上記運転者によるトロリー速度の入力信号ｖxを生成して上記ケーブルで吊られている荷物を水平方向に移動させるトロリー速度制御装置と、
揺れ防止制御装置と、
上記巻き上げ装置と上記巻き上げ速度制御装置とに接続され、上記ケーブルの長さ、該ケーブルの長さの時間導関数を測定するセンサと、
上記トロリーに接続され、上記荷物の測定揺れ角、上記荷物の測定揺れ速度を測定するセンサと、
上記揺れ防止制御装置からの入力を受ける予測モジュールと、
上記トロリー速度の入力信号ｖxから速度要求信号ｖrefを算出して、該速度要求信号ｖrefの時間導関数である加速度要求信号ａrefを算出する手段と、
上記加速度要求信号ａrefを所定の制約因子λmによって乗算して、調整済みの運転者命令による加速度信号ａadjを生成する飽和制御装置と、
上記巻き上げ装置と上記巻き上げ速度制御装置とに接続された上記センサと、上記トロリーに接続された上記センサと、上記揺れ防止制御装置とに接続されており、上記荷物の測定揺れ角、上記荷物の測定揺れ速度、上記荷物のモデル揺れ角、及び上記荷物のモデル揺れ速度に基づいて、外部要因による揺れ低減用の加速度信号ａeを生成するフィードバックモジュールとを備え、
上記揺れ防止制御装置は、
常微分方程式のソルバーを用いて、上記ケーブルの長さ、該ケーブルの長さの時間導関数、及び上記調整済みの運転者命令による加速度信号ａadjに基づいて揺れ相殺用の加速度信号ａcを生成し、
上記調整済みの運転者命令による加速度信号ａadj、上記揺れ相殺用の加速度信号ａc、及び上記外部要因による揺れ低減用の加速度信号ａeに基づいて速度出力信号ｖoを生成し、
上記荷物の揺れを排除するために、上記トロリー速度制御装置に対して上記速度出力信号ｖoを送信し、
複数の常微分方程式を用いて、上記ケーブルの長さ、該ケーブルの長さの時間導関数、及び上記調整済みの運転者命令による加速度信号ａadjに基づいて複数の予測モデルの修正加速度信号を生成するものであり、
上記予測モジュールは、
上記揺れ防止制御装置で生成された上記複数の予測モデルの修正加速度信号の和を算出して速度変化信号ｖpmを生成し、
上記速度変化信号ｖpmと上記速度出力信号ｖoとを比較し、この比較結果に基づいて速度補償信号ｖcompを生成し、
上記速度補償信号ｖcompを、上記運転者によるトロリー速度の入力信号ｖxに加味するものである、システム。
【請求項２】
上記フィードバックモジュールは、上記揺れ防止制御装置においてモデル揺れ角信号を生成する手段をさらに備えている請求項１記載のシステム。
【請求項３】
上記フィードバックモジュールは、上記揺れ防止制御装置においてモデル揺れ速度信号を生成する手段をさらに備えている請求項２記載のシステム。
【請求項４】
上記運転者によるトロリー速度の入力信号をフィルタに通して上記トロリーの最大許容速度を設定する手段をさらに備え、上記最大許容速度を設定するフィルタ手段により速度要求信号が生成される請求項１記載のシステム。
【請求項５】
上記運転者による巻き上げ速度の入力信号をフィルタに通して上記巻き上げの最大許容速度を設定する手段をさらに備え、上記巻き上げ速度の入力信号のフィルタ手段によりケーブルの速度要求信号が生成され、該ケーブルの速度要求信号は巻き上げ速度制御装置へ送られる請求項１記載のシステム
【請求項６】
上記運転者によるトロリー速度の入力信号を時間に関して微分して基準となる加速度信号を算出し、さらに該基準加速度信号の大きさを２分の１に低減して上記揺れ相殺用の加速度信号の遅延効果をもたらすことにより、上記運転者によるトロリー速度の入力信号をフィルタに通す手段をさらに備えている請求項１記載のシステム。
【請求項７】
上記速度要求信号を時間に関して微分して基準となる加速度信号を算出し、さらに該基準加速度信号の大きさを２分の１に低減して上記揺れ相殺用の加速度信号の遅延効果をもたらすことにより、上記速度要求信号をフィルタに通す手段をさらに備えている請求項４記載のシステム。
【請求項８】
上記調整済みの運転者命令による加速度信号の飽和制御をおこなう手段をさらに備えている請求項１記載のシステム。
【請求項９】
上記調整済みの運転者命令による加速度の飽和制御をおこなう手段をさらに備え、
上記飽和制御をおこなう手段が上記速度要求信号、上記外部要因による揺れ低減用の加速度信号、及び上記揺れ相殺用の加速度信号を受信することにより、上記調整済みの運転者命令による加速度が生成される請求項７記載のシステム。
【請求項１０】
上記揺れ相殺用の加速度信号は、常微分方程式の群に基づいて生成される請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
上記モデル揺れ角信号は、常微分方程式の群に基づいて生成される請求項６記載のシステム。
【請求項１２】
上記モデル揺れ速度信号は、常微分方程式の群に基づいて生成される請求項６記載のシステム。
【請求項１３】
上記複数の予測モデルの修正加速度信号は、常微分方程式の群に基づいて生成される請求項６記載のシステム。
【請求項１４】
トロリーの巻き上げ装置に取付けられたケーブルで吊られている荷物の揺れを排除する方法であって、上記荷物の位置は垂直方向及び水平方向に調整可能になっており、
運転者による巻き上げ速度の入力信号を生成して上記荷物を垂直方向に調整する巻き上げ速度制御装置と、
上記運転者によるトロリー速度の入力信号ｖxを生成して上記ケーブルで吊られている荷物を水平方向に移動させるトロリー速度制御装置と、
揺れ防止制御装置と、
上記巻き上げ装置と上記巻き上げ速度制御装置とに接続され、上記ケーブルの長さ、該ケーブルの長さの時間導関数を測定するセンサと、
上記トロリーに接続され、上記荷物の測定揺れ角、上記荷物の測定揺れ速度を測定するセンサと、
上記揺れ防止制御装置からの入力を受ける予測モジュールと、
上記トロリー速度の入力信号ｖxから速度要求信号ｖrefを算出して、該速度要求信号ｖrefの時間導関数である加速度要求信号ａrefを算出する手段と、
上記加速度要求信号ａrefを所定の制約因子λmによって乗算して、調整済みの運転者命令による加速度信号ａadjを生成する飽和制御装置と、
上記巻き上げ装置と上記巻き上げ速度制御装置とに接続された上記センサと、上記トロリーに接続された上記センサと、上記揺れ防止制御装置とに接続されており、上記荷物の測定揺れ角、上記荷物の測定揺れ速度、上記荷物のモデル揺れ角、及び上記荷物のモデル揺れ速度に基づいて、外部要因による揺れ低減用の加速度信号ａeを生成するフィードバックモジュールとを備えているとともに、
上記揺れ防止制御装置において、常微分方程式のソルバーを用いて、上記ケーブルの長さ、該ケーブルの長さの時間導関数、及び上記調整済みの運転者命令による加速度信号ａadjに基づいて揺れ相殺用の加速度信号ａcを生成する工程と、
上記調整済みの運転者命令による加速度信号ａadj、上記揺れ相殺用の加速度信号ａc、及び上記外部要因による揺れ低減用の加速度信号ａeに基づいて速度出力信号ｖoを生成する工程と、
上記荷物の揺れを排除するために、上記トロリー速度制御装置に対して上記速度出力信号ｖoを送信する工程と、
上記揺れ防止制御装置において、複数の常微分方程式を用いて、上記ケーブルの長さ、該ケーブルの長さの時間導関数、及び上記調整済みの運転者命令による加速度信号ａadjに基づいて複数の予測モデルの修正加速度信号を生成する工程と、
上記予測モジュールにおいて、上記揺れ防止制御装置で生成された上記複数の予測モデルの修正加速度信号の和を算出して速度変化信号ｖpmを生成する工程と、
上記速度変化信号ｖpmと上記速度出力信号ｖoとを比較し、この比較結果に基づいて速度補償信号ｖcompを生成する工程と、
上記速度補償信号ｖcompを、上記運転者によるトロリー速度の入力信号ｖxに加味する工程とを備えた、方法。
【請求項１５】
上記揺れ相殺用の加速度は、常微分方程式の群に基づいて生成される請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
上記モデル揺れ角の信号は、常微分方程式の群に基づいて生成される請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
上記モデル揺れ速度の信号は、常微分方程式の群に基づいて生成される請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
上記速度補償信号は、常微分方程式の群に基づいて生成される請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
上記運転者によるトロリー速度の入力信号をフィルタに通すとともに、上記速度補償信号をフィルタに通す工程をさらに備えている請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
上記フィルタに通された運転者によるトロリー速度の入力信号及び上記速度補償信号に基づいて、調整済みの運転者命令による加速度信号を生成する工程をさらに備えている請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケーブルにより吊られた荷物の運搬装置を制御するためのシステム及び方法に関する。特に、本発明は、トロリーにより水平方向に移動するとともに巻き上げにより垂直方向に移動する荷物の揺れ防止制御システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
港湾作業におけるコンテナの運搬には、ガントリクレーンが広く用いられている。一般的に、クレーンは、速度に関する命令という形で２つの入力を受ける。これらの２つの速度に関する命令により、荷物の水平方向のトロリーによる移動及び垂直方向の巻き上げによる移動の制御が別個におこなわれる。運搬の最終段階での荷物の好ましくない揺れは、運搬移動を完了する際の困難な問題の１つである。荷物を積む或いは降ろす作業は、荷物が揺れていると完了することができない。現在のところ、コンテナを能率的に揺れの無い状態にすることが可能なのは、熟練した運転者のみである。その他の運転者は、揺れが収まるまで待たなければならない。一般的に、このような揺れが収まるまでの待ち時間、又は荷物を精巧に位置調整するための様々な操縦をおこなうための時間は、運搬時間全体の３分の１にも及ぶことがある。
【０００３】
様々な従来技術に関する特許文献により、揺れを低減するためのシステムが教示されている。これらの特許文献は、揺れを低減した荷物の運搬に関して異なる取り組み方をしている。例えば、幾つかの特許文献においては、システムにより荷物の始点位置及び終点位置を用いて荷物の運搬に必要な制御信号を生成する自律モードでの運転が説明されている。その他の非自律システムでは、水平方向のトロリーによる移動及び垂直方向の巻き上げによる移動のための運転者による命令に従いながら、荷物の揺れ量を最小限に抑える試みがなされている。
【０００４】
自律システムは、荷物の位置が良好に確認できるように構造化された環境に適している。一般的な港湾環境において、コンテナの位置は、クレーンに対する船の相対位置により左右される。従って、コンテナの位置を正確に知ることができるのは稀である。このような環境においては、非自律モードでの運転が好ましい。本発明は、このような非自律システムに関するものである。
【０００５】
幾つかの文献により、非自律モードでの運転が開示されている。これらの文献の多くにおいては、揺れの低減方法及び／又はシステムの基本として、一定の長さの振り子モデルを使用している。従って、これらの方策では、水平移動の際にケーブルの長さが変化するときには、揺れが排除されない。その他の幾つかの文献では、近似を用いてケーブルの垂直方向の長さを変化させる効果を扱っている。本発明では、誤差を回避し且つ揺れを排除するために、近似を用いることなく、クレーンシステムの完全な運動方程式を用いる。特に、本発明では、揺れの制御のために揺れを相殺する加速をおこなう。揺れ相殺用の信号の計算は、クレーンモデルの完全な運動方程式に基づいておこなわれるため、正確なものである。このことは、トロリーによる移動及び巻き上げによる移動が同時におこなわれる際に、特に重要である。議論を容易にするため、荷物の揺れの角度及び荷物の揺れの速度はθ及び・θとしてそれぞれ表し、トロリーの加速度は・・χとして示す。全ての制御システムにおいて、揺れの制御としてトロリーの水平方向の加速が用いられる。従って、水平方向の加速も“制御”と称する。
【０００６】
揺れを最小限に抑えるための一般的な手法は２つ存在する。第１の手法において、トロリーの加速度は、・・χ＝ｒ＋ｋ1θ＋ｋ2・θという形で、又はこれとほぼ同様の数式で示される。ここで、値ｒはトロリーの所望の運動によって決まる時間関数である。このような手法を用いることにより、さらなる減衰作用がシステムに導入され、揺れが制御される。その結果、このシステムは、ｋ1及びｋ2の適切な値を用いて如何なる所望の減衰比及び固有周波数をも有することが可能になっている。
【０００７】
幾つかの文献では、この第１の手法を採用している。これらの文献は、運動に依存する時間関数ｒ、及び減衰比の値ｋ1及びｋ2を決める特定の手順においてそれぞれ異なる。ラシュマー（ＲｕＳｈｍｅｒ）による米国特許第５４４３５６６号においては、クレーンの一定長さのケーブルモデルを用いて、揺れ角及び揺れ角速度を概算している。揺れ角θ及び揺れ角速度・θの概算値は、運転者からの入力速度要求・χdとともに用いられて、・・χ＝ｋ1（・χd−・χ）＋ｋ2θ＋ｋ3・θの制御信号が算出される。ヘイサット（Ｈｅｉｓｓａｔ）らによる米国特許第５４９０６０１号において、制御信号は、・・χ＝ｋ1θ＋ｋ2・θ＋ｋ3（χd−χ）である。ｋ1、ｋ2及びｋ3の組は、ケーブルの長さを様々に変えて実験的に決められる。ある特定のケーブル長さにおけるｋ1、ｋ2及びｋ3の正確な値は、ゲインスケジューリング、或いはファジィ又はニュートラルなネットワーク制御の形態を用いて、これらの実験的な組から補間される。ユーディエ（Ｅｕｄｉｅｒ）らによる米国特許第５８７８８９６号では、トロリーに送られる速度の要求は・χd＝ｋ1θ＋ｋ2・θ＋ｋ3（χd−χ）の形のものであり、ここでは、χdはトロリーの所望の位置である。ｋ1、ｋ2及びｋ3の値は、実験的に決められる。
【０００８】
この第１の手法は、揺れを効果的に減衰させることが可能である。この手法は、フィードバックの標準的なメカニズムに基づいているため、モデルの不正確さに対して耐性がある。
【０００９】
この手法の主な欠点は、運転者による直覚的な制御が欠如していることである。トロリーの加速度は、θ、・θ及び運転者の所望の速度により決まるため、トロリーの運動は予測不可能になり得るとともに、運転者の直覚に反したものになる可能性がある。その結果、システムを適切に停止させるために、幾つかの操縦が必要となる場合がある。従って、この第１の手法は、荷物の位置が良好に確認できる、構造化された環境での無人クレーンに適している。
【００１０】
第２の手法は、揺れを相殺するという原理に基づいている。このメカニズムは、揺れの減衰のために大多数の人間の運転者が利用しているものである。一定長さの振り子に関するこの手法の根本概念は、「フィードバック・コントロール・システム（Ｆｅｅｄｂａｃｋ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）」（米国ニューヨーク、マグロヒル社、１９５８年、Ｏ.Ｊ.スミス著）において説明されている。一定の長さの振り子において、揺れ運動は、ω＝√（ｇ／ｌ）により定義される周波数ωのほぼ正弦の時間関数である。水平方向の加速の短いパルスがｔ＝０の時刻で印加されるとすると、このパルスは周波数ωの揺れ振動を誘発することになる。この振動は、ｔ＝π／ωの時刻において同じ大きさで同じ期間印加される第２の短いパルスを用いて相殺することができる。第２のパルスが印加されると、それ以後システムは揺れを受けることがない。ダブルパルスによる制御又は揺れを相殺する制御として知られるこの方法により、一定長さのケーブルのための設定時間は可能な限り短縮される。この方法は、一定の長さの振り子には即座に適用可能であるが、ケーブルが異なる長さに伸張される振り子にその適用範囲を拡げることは容易ではない。
【００１１】
幾つかの文献においては、揺れを相殺して制御するための一般的な手法が教示されている。カワシマ（Ｋａｗａｓｈｉｍａ）らによる米国特許第４７５６４３２号においては、トロリーの運動の加速及び減速の両段階においてダブルパルスによる制御を用いることが分かっている。特定の最終的なトロリーの位置について、これらのパルスのタイミング及び大きさは一定の長さの振り子に基づいて算出される。加速段階及び減速段階のそれぞれにおいて１つのダブルパルスが用いられる。これら２つの段階の間では、トロリーは一定速度で移動し、揺れることは無い。この手法を活用するには、運転者は、パルスのタイミング及び大きさを正確に決めるためにトロリーの最終位置を定める必要がある。このシステムは、水平運動の際にケーブルの長さが一定であるときには、比較的良好に働く。
【００１２】
キイスキー（Ｋｉｉｓｋｉ）らによる米国特許第５２１９４２０号においては、揺れ角を測定し、揺れ運動から最も適切な正弦の時間関数を得ることが分かっている。この概算された正弦の関数により、揺れを相殺するためのパルスが生じ、揺れが排除される。この方法では、正弦周波数は１つだけ存在するものとしている。従って、この方法は、トロリーの水平運動の際にケーブルの長さが変化するシステムには、効果的とはいえない。
【００１３】
ハビソン（Ｈａｂｉｓｏｈｎ）による米国特許第５９６０９６９号においては、振動を減衰するためにデジタルフィルタを用いている。ここでは、クレーンの振動周波数に近い入力信号の成分をフィルタに通すことが分かっている。特に、フィルタ処理後の出力は、入力信号と荷物の振り子運動の半分の期間だけ遅延された入力信号との単純平均である。異なる期間遅延された入力信号の一次結合に基づく、幾つかの異なるフィルタが用いられている。これらの入力信号は、振り子が一定の長さであるクレーンについての方程式を用いて算出される。
【００１４】
上記文献における方法は、揺れの相殺のための一定長さの振り子によるシステムに依拠している。以下の文献においては、ケーブルの長さが変化するシステムに、揺れを相殺する制御方法の適用範囲を拡げる他の試みについて検討している。
【００１５】
フェデマ（Ｆｅｄｄｅｍａ）らによる米国特許第５７８５１９１号においては、運転者による入力の下でクレーンを制御するためのインパルス応答フィルタ及び比例積分コントローラが開示されている。逆動力学の概念をデジタル的に実現したものに基づくインパルスフィルタは、制御システムの研究において一般的に用いられている。この場合、クレーンシステムの動作を取り消すため及びユーザー定義の動作を導入にするためにフィードフォワードコントローラが用いられる。
【００１６】
ヴィルクメン（Ｖｉｒｒｋｋｕｍｅｎ）による米国特許第５１２７５３３号においては、長さが可変のケーブルを有するクレーンの制御設計に、一定長さのケーブルを有するクレーンの制御設計を適合させる試みが開示されている。振り子の振動する期間が、振り子の長さの平方根に比例することは良く知られている。この文献には、一定のケーブル長さＬ1を有するクレーンに適用可能な制御信号は、適切な遅延により、別のケーブル長さＬ2を有するクレーンにも使用可能であることが示されている。例えば、制御信号が一定長さＬ1のクレーンの設計に基づいており、第１の時刻ｔ1においてこの制御信号が印加されるとする。ヴィルクメンの教示によれば、制御信号が
【数１】
0004549629.tif 000002
の時刻で印加される場合、別の一定長さＬ2を有するクレーンにおいても同様の効果を得ることが可能である。ヴィルクメンの方法は２つの一定長さの振り子には適正であるものの、ケーブルの長さが変化する単一の振り子又は単一のクレーンには的確ではない。例えば、ケーブルの巻き上がる速度は揺れ角に影響を及ぼすのだが、ヴィルクメンはこの点に関して説明をしていない。また、第２のケーブル長さＬ2の決定においては、この長さが通常の水平運動の際に連続的に変化することがあるため、不確実性が生じる。
【００１７】
オヴァートン（Ｏｖｅｒｔｏｎ）による米国特許第５５２６９４６号における基本的な揺れ制御についての教示は、カワシマ及びヴィルクメンによる発明の適用範囲を拡げたものである。オヴァートンは、加速及び減速段階で一定のダブルパルスを用いる代わりに、速度入力に変化がある度にダブルパルスを用いるという手法を教示している。連続的に変化する速度入力の１つのシーケンスのために、２つのシーケンスのパルスが生成される。第１のシーケンスは、入力速度の変化に同期する。第２のシーケンスも生成された後、保存される。この第２のシーケンスは、ダブルパルスによる制御方法の第２のパルスに対応している。第２のシーケンスにおける各信号は、第１のシーケンスにおける信号が印加された後、振り子運動の期間の約半分の時刻で、トロリーの水平方向の加速のために印加される。オヴァ−トンは、これらの信号のタイミングの算出にヴィルクメンの手法を採用している。この第２のシーケンスは、目下のケーブルの長さに比例する可変速度で処理（又はトロリーの加速のために送信）される。ケーブルの長さが短ければ短いほど、シーケンスの入力が送り出される速度は速くなる。オヴァートンの手法は、ヴィルクメンの手法を応用したものであるため、ヴィルクメンの手法と同様の欠点を有する。
【発明の開示】
【００１８】
本発明は、揺れを相殺するためにダブルパルスによる制御をおこなう。しかしながら、本発明は、幾つかの重大な点において上記各文献とは異なる。本発明では、クレーンシステムの完全な運動方程式を用いて、第２のパルスの正確なタイミングと大きさとを算出する。この第２のパルスの適用により、ケーブルの長さが変化する際でも揺れが排除される。この正確な揺れの相殺のためのパルスの算出は、適切に揺れを排除する上で極めて重要である。また、本発明においては、トロリーの加速度及び速度の制限の形をとる物理的制約の範囲を超えてしまうことがない。さらに、本発明では、風力荷重やその他の外部からの障害などの外力に起因する揺れを排除するために、フィードバックメカニズムが設けられている。
【００１９】
本発明の目的は、クレーンにおける揺れを制御するためのコンピュータ制御システムを提供することである。本発明は、揺れを制御するための揺れ相殺用のパルスを用いる。揺れは、トロリーを加速させる事前の命令により誘発された後に、徐々に相殺されることになる。これらの揺れ相殺用のパルスのタイミング及び大きさは、目下の揺れ防止方法の有効性に関して極めて重要な要素である。本発明では、これらの揺れ相殺用の信号の算出において、変化するケーブル長さによる完全な運動力の作用も考慮する。
【００２０】
本発明の別の目的は、正確な揺れ相殺用の加速パルスを決定することである。常微分方程式の群を用いることにより、正確な揺れ相殺用の加速パルスが決定される。
【００２１】
本発明のさらなる目的は、トロリーの駆動システムの加速度及び速度の制限範囲内で揺れ防止システム及び方法の操作をおこなうことである。揺れの制御には、トロリーの駆動システムの加速度飽和又は速度飽和が生じたときに悪影響が及ぼされる。本発明は、これらの制限範囲内において揺れ防止のメカニズムを適切に機能させるシステム及び方法を包含するものである。
【００２２】
本発明のさらに別の目的は、現存のクレーンシステムに組み込まれる揺れ防止制御装置又はキットを提供することである。揺れ防止制御装置は、運転者の速度に関する命令と現存の可変速度のコントローラとの間で関連付けられる。揺れ防止制御装置は、トロリーの水平方向の移動と荷物の垂直方向の巻き上げとの両方に関して、運転者の入力した命令に従うようになっている。この制御装置は、運転者により手動でクレーンを制御できる状態に戻したい場合には、オフに切り替えることができる。
【００２３】
本発明の別の目的は、残存する揺れを排除することである。揺れをセンサにより測定する場合、フィードバックメカニズムにより本発明の効果はさらに向上する。このフィードバックメカニズムは、揺れ防止制御装置を補完して、外部要因による残存した揺れを排除する。
【００２４】
本発明のさらに別の目的は、当業者であれば、後述の詳細な説明から容易に理解できる。本発明の好適な実施形態は、本発明を実施する上で最良と考えられる形態を例示的に示し且つ説明したものである。認識されるように、本発明には、様々な明白な点において、本発明から全く逸脱することなく変更を加えることが可能である。従って、本発明の図面及び説明は、制限的なものではなくて、本質的に例示的なものとして見なされるべきである。
【発明の好適な実施形態の説明】
【００２５】
図面と併せて以下の詳細な説明を参照することにより、本発明をより良く理解することが可能である。
【００２６】
図１においては、クレーンシステム１０のモデルが示されている。クレーンシステム１０は、荷物３０をケーブル４０で調整可能に吊り下げるために、巻き上げ装置（図示せず）を有するトロリー２０を備えている。静止しているケーブル４０の位置と揺れて振動している際のケーブル４０の位置との間には、揺れ角θが生じる。荷物３０の揺れ角θの時間発展を表す微分方程式は、
ｌ（ｔ）・・θ（ｔ）＋２・ｌ（ｔ）・θ（ｔ）＋ｇｓｉｎθ（ｔ）＝・・χ（ｔ）ｃｏｓθ（ｔ）                                                                （１）
である。方程式（１）において、ｌ（ｔ）及び・ｌ（ｔ）はそれぞれ時間依存性のあるケーブル４０の長さ及びその導関数であり、・・χ（ｔ）はトロリーの加速度である。クレーンの運転が最初に開始される時刻において、システムは静止状態、即ち、θ（０）＝・θ（０）＝０，χ（０）＝χ0，・χ（０）＝０，ｌ（０）＝ｌ0，・ｌ（０）＝０の状態にある。説明を容易にするため、これらの初期条件を選択する。より一般的な初期条件の集合に対して、この微分を拡張することも可能である。
【００２７】
揺れ角θ（ｔ）はその後の運動を通して相当に小さいため、近似が可能である。ｓｉｎθ（ｔ）≒θ（ｔ）及びｃｏｓθ（ｔ）≒１を前提とする標準的な技術的手法に従って、近似がおこなわれる。このため、運動方程式は、θ（０）＝・θ（０）＝０ならば、
ｌ（ｔ）・・θ（ｔ）＋２・ｌ（ｔ）・θ（ｔ）＋ｇθ（ｔ）＝・・χ（ｔ）        （２）
により近似化される。
【００２８】
ここで図２を参照すると、補償方式は、ある時刻でのトロリー２０の加速度・・χ（ｔ）を次式の狭いパルスの和として表すことによって決まる。
【数２】
0004549629.tif 000003
但し、関数ｐ（・）は、
ｐ（ｔ）＝０，ｔ＜０                            （４ａ）
ｐ（ｔ）＝１，ｔ≦０＜Ｔ                        （４ｂ）
ｐ（ｔ）＝０，ｔ≧Ｔ                            （４ｃ）
より決められる。
【００２９】
本発明のある好適な実施形態においては、第１のパルス・・χ（０）ｐ（ｔ）のみが存在する。加速パルスＴの継続期間が短いとき、δθ0（ｔ）として表されるこのパルスに対する揺れ角応答は、以下の微分方程式の解により決まる。
【数３】
0004549629.tif 000004
全ての加速パルスが存在する場合、方程式（３）のある時刻におけるトロリー２０の任意の加速度・・χ（ｔ）に対する揺れ角応答は、
【数４】
0004549629.tif 000005
である。ここで、ｔ＞ｉＴのときは、関数１（ｔ−ｉＴ）＝１、そうでないときは、関数１（ｔ−ｉＴ）＝０である。各揺れ角応答δθi（ｔ）は、
【数５】
0004549629.tif 000006
により定義される。尚、方程式（６）において算出されるように、揺れ角θ（ｔ）は、微分方程式（２）の線形性に依存する。ｓｉｎθ（ｔ）≒θ（ｔ）及びｃｏｓθ（ｔ）≒１であるｓｉｎθ（ｔ）及びｃｏｓθ（ｔ）の近似値により生じるモデリングの誤差は、後に示すような変換により修正可能である。
【００３０】
ここで、揺れを相殺する信号を生成して第１のパルス・・χ（０）ｐ（ｔ）の効果を打ち消すための式について考える。ｉ＝０の場合の線形時変微分方程式（７）を解く際、〜ｔ0を、揺れ角応答δθ0（ｔ）がゼロになる、即ちδθ0（〜ｔ0）＝０となるｔ＝０の後の最初の時刻とする。時刻〜ｔ0のとき、対応する速度δ・θ0（〜ｔ0）が存在する。
【００３１】
【数６】
0004549629.tif 000007
として表される修正パルスχC0（ｔ）は、〜ｔ0の時刻において、Ｔの期間印加されるものとする。この修正パルスχC0（ｔ）の印加の後、揺れ角δθ0（〜ｔ）及び揺れ角速度δ・θ0（〜ｔ）は両方ともゼロに近いことが明らかである。十分に小さい値のＴを選択することにより、近似の誤りを実質的にゼロまで低減することができる。従って、修正パルスが生じたとき、δθ0（ｔ）は、ｔ≧〜ｔ0の場合に実質的にゼロとなる。
【００３２】
〜ｔ0及びδ・θ0（〜ｔ0）の決定は、方程式（７）の常微分方程式（ＯＤＥ）のソルバーを用いておこなわれる。方程式（７）は時変系であるため、このソルバーは、時間依存性のケーブル４０の長さ及びその導関数であるｌ（ｔ）及び・ｌ（ｔ）というセンサの情報を用いて、リアルタイムで機能する。使用するソルバーの選択次第では、例えばｔ＝ｉＴ及びｉＴ＋Ｔ／２など、Ｔよりも短い間隔で、時間依存性のケーブル４０の長さ及びその導関数であるｌ（ｔ）及び・ｌ（ｔ）を測定する必要が生じる場合がある。
【００３３】
以上の説明は、ｔ＝０の時刻における第１のパルスに関するものである。
【００３４】
ここで、図３を参照すると、揺れ防止システム５０の全体的な応答は、方程式（６）に示されるような間隔ｉ全体に亘る揺れ角の応答δθi（ｔ）の和である。別個の期間ｔ＝ｉＴの冒頭において、新たなＯＤＥソルバーが作られる。このＯＤＥソルバーは、必要とされる限り、即ち、揺れ角の応答がｔ＝〜ｔiにおいてゼロ、つまりδθi（ｔ）＝０となるまで、揺れ防止システム５０において保持される。〜ｔi及びδ・θi（〜ｔi）が決定されると、修正パルスが、次の利用可能なサンプル時間において、即ち、ｊＴ≧〜ｔiとなるようにｊが最小値のｊであるｔ＝ｊＴの時刻において印加される。ｔ＝ｊＴの後、ｉ番目のＯＤＥソルバーの使用が終了する。ＯＤＥソルバーの群は全て実時間が経過する間、起動状態に保たれる。このような多数の微分方程式を実時間で解くことにより、システム５０は、時間依存性の水平方向におけるトロリーの位置及び垂直方向におけるケーブルの長さに関する運転者の命令により生じる揺れの効果に対して、極めて正確に対処することが可能となる。
【００３５】
さらに、図３を参照すると、好適な実施形態による揺れ防止システム５０のブロック図が示されている。揺れ防止制御装置６０は、上述のシステムを用いて、複数のＯＤＥによるシステムを実現する。揺れ防止制御装置６０は、２つの入力と３つの出力を有している。主要な入力は、調整済みの運転者命令による加速度ａadjである。ケーブル長さ４０及びケーブル長さ４０の時間導関数ｌ（ｔ）及び・ｌ（ｔ）の測定信号をもたらす別の入力は、ＯＤＥソルバーに対して必要に応じてセンサ７０から受け取る。主要な出力は、揺れ相殺用の加速度信号ａcであり、方程式（８）の修正パルス・・χC0に相当する。揺れ防止制御装置６０の他の２つの出力は、予測モジュール８０とフィードバックモジュール９０にそれぞれ接続されている。予測モジュール８０及びフィードバックモジュール９０の機能については後述する。
【００３６】
一対の飽和及びフィルタ部１００及び１０５は、運転者の命令による水平方向のトロリーの運動及び垂直方向の巻き上げの速度入力信号ＶOX（図３参照）及びＶOL（図４参照）の高周波成分をそれぞれフィルタにかける。これらの入力信号は、一対のジョイスティック（図示せず）から受け取る。また、飽和及びフィルタ部１００及び１０５により、水平方向のトロリーの運動及び垂直方向の巻き上げ運動の速度がそれぞれ許容範囲内の最大値に設定される。
【００３７】
ここで、図４を参照すると、飽和及びフィルタ部１０５はさらに垂直方向の速度入力ＶoLをケーブル速度要求信号・ｌrefに変換する。そして、ケーブル速度要求信号・ｌrefは、ケーブルの巻き上げ駆動システムのための現存するクレーンシステムの速度制御装置１０７に送られる。
【００３８】
再び図３を参照すると、フィルタ部１１０が示されている。フィルタ部１１０により速度要求信号ｖrefが２分の１に低減され、揺れ相殺用の信号ａcによる遅延効果の原因となる。また、フィルタ１１０は、微分により、速度要求ｖrefを対応する加速度要求信号ａrefに変換する。速度要求信号ｖrefは、フィルタ処理された運転者の命令速度ｖχと補償信号ｖcompの２つの成分を有している。補償信号の成分ｖcompは、運転者の命令速度ｖχの所望の速度と速度出力信号ｖoとの間の相違を補償するために必要である。この相違は、揺れ防止制御装置６０の作用から生じる。
【００３９】
揺れ防止システム５０全体の出力は、速度出力信号ｖoであり、トロリー２０の駆動システムのための既存の速度制御装置１１２に送られる。出力信号ｖoは、１１５で示されるように、調整済みの運転者命令による加速度ａadjと、揺れ相殺用の加速度信号ａcと、外因による揺れ低減用の加速度信号ａeの３つの信号の積分の和である。加速度信号ａadjは、運転者の命令により生じる。揺れ相殺用の加速度信号ａcは、事前に調整された運転者命令による加速度ａadjによって誘発された揺れを相殺する。外因による揺れ低減用の加速度信号ａeは、風力荷重などの外因による揺れを低減する。
【００４０】
揺れ防止システム５０は、該システムに対する入力要求ｖrefがトロリー２０の速度又は加速度制限を越えると、適切に動作しなくなる。飽和制御装置１２０は、このような状況に対処するために、速度及び加速度を制限する機能を果たす。制御装置１２０は、トロリー２０の速度及び加速度制限値ｖmax及びａmaxをそれぞれ実行する。これらの制限値は、通常は既知であるか、或いは容易に概算可能である。従って、常に|ｖ0（ｔ）|≦ｖmax及び|・ｖ0（ｔ）|≦ａmaxとなるようにすることが必要である。調整済みの運転者命令による加速度、揺れ相殺用の加速度、及び外因による揺れ低減用の加速度の信号ａadj、ａc及びａeは、区分的に一定であるとともにサンプル時間ｋＴにおいてのみ変化するため、速度出力ｖ0（ｔ）は、区分的に線形であり且つ連続している。このことは、飽和制御装置１２０の設計に有用である。
【００４１】
続けて図３を参照すると、飽和制御装置１２０は、加速度要求基準信号ａrefと、揺れ相殺用の加速度信号ａcと、外因による揺れ低減用の加速度フィードバック信号ａeの入力信号を受ける。飽和制御装置１２０は、調整済みの運転者命令による加速度ａadjを出力信号として生成する。その根本概念は、
【数７】
0004549629.tif 000008
とするとともに、制約因子λの値として、加速度及び速度の制約、制限を受ける値に可能な限り近い値を選択するということである。加速度及び速度の制約は、
【数８】
0004549629.tif 000009
として表すことができる。出力速度変数ｖ-0は、ｖ0（ｋＴ−Ｔ）などの以前の時刻における出力速度ｖ0である一方、残りの変数は、現時刻ｋＴにおける全ての信号である。これらの２つの制約は、
【数９】
0004549629.tif 000010
として同等に表される。ここでの目的は、以下の最適化問題
【数１０】
0004549629.tif 000011
の最適値λであり、方程式（１１）の制約を受ける最適な制約因子λｍを見つけることである。この最適化問題は、２つの制約を受ける単一の変数に関するものであるため、最適な制約因子λｍは容易に算出できる。調整済みの運転者命令による加速度ａadjのための正確な式は、
【数１１】
0004549629.tif 000012
として示すことができる。但し、
【数１２】
0004549629.tif 000013
とする。
【００４２】
再び図３を参照すると、予測モデル８０及び予測モデルの速度変化成分の信号ｖpmと、速度出力信号の概算速度ｖpと速度補償信号ｖcompとの接続部は、フィルタ処理された運転者の速度命令ｖxの定常値と等しい出力速度信号ｖ0の定常値が作り出されるように構成されている。つまり、システムの速度出力ｖ0は、フィルタ処理された運転者の速度命令ｖxに対応している。予測モジュール８０の入力は、現時刻において揺れ防止制御装置６０に存在するＯＤＥ全体の集まりである。揺れ防止制御装置６０から予測モデル８０に延びる太い矢印は、この関係を表している。予測モジュール８０の出力は、予測モデルの速度変化成分の信号ｖpmである。予測モデルの速度変化成分ｖpmの値は、揺れ防止制御装置６０のＯＤＥにおける全ての補償信号が送り出されたときの、速度出力信号ｖ0の予測される変化である。予測モデルの速度変化成分ｖpmの算出方法を以下に述べる。ｔ＝ｋＴの現時刻において揺れ防止制御装置６０にＭ個のＯＤＥが存在し、これらはｉ＝１,...,Ｍの状態ベクトル[δθi（ｋＴ）  δ・θi（ｋＴ）]の集まりとして表されるものとする。予測モジュール８０は、現時刻ｔ＝ｋＴの後にはケーブル４０の長さが変化しないままとなることを前提としている。そして、予測モデルの修正加速度信号・・χ1pmが算出される。例えば、ｉ＝１の場合を考えてみる。この場合、ＯＤＥソルバーを用いて、初期条件が[δθi（ｋＴ）  δi・θ（ｋＴ）]の現時刻ｔ＝ｋＴから対応する時刻〜ｔiまで積分が可能である。そして、対応する予測モデルの修正加速度信号・・χipmは、方程式（８）により算出可能である。予測モジュール８０は、Ｍ個のＯＤＥをそれぞれ算出した後、補償加速度の和を算出する。予測モデルの速度変化成分ｖpmの出力は、
【数１３】
0004549629.tif 000014
であり、揺れ防止制御装置６０による今後の更なる速度要求を表している。
【００４３】
また、運転者による巻き上げ速度命令がゼロになると、ケーブル長さはその後一定に保たれる。これにより、予測モジュール８０における一定のケーブル長さの前提が移動運動の最終段階において満たされる。最終的な揺れの排除に必要なのはこれだけである。
【００４４】
上記計算において、予測モデルの修正加速度信号・・χipmは、ＯＤＥソルバーを用いて算出される。ケーブル４０の長さが一定であると、エネルギーによるアプローチは、予測モジュールの修正加速度信号・・χipmを計算する上でより計算効率が良い。ケーブル４０の長さが不変のままであるとき、クレーン１０の振り子の保存系における全エネルギーは一定である。再び、ｔ＝ｋＴの時刻で初期条件が [δθi（ｋＴ）  δ・θi（ｋＴ）]であるとすると、全エネルギーは、
【数１４】
0004549629.tif 000015
である。従って、揺れ角の応答速度δ・θi（〜ｔi）は、
【数１５】
0004549629.tif 000016
として示すことができる。方程式（１４）を用いることにより、ｌ（〜ｔ）＝ｌ（ｋＴ）の状態において方程式（８）から対応する予測モジュールの修正加速度信号・・χipmを算出することが可能である。
【００４５】
概算速度信号ｖpは、揺れ防止制御装置６０における全ての入力が送り出されるときの概算速度出力ｖoである。速度出力の概算速度信号ｖpと運転者の命令によるトロリー速度信号ｖxとを比較することにより、補償速度ｖcomが決定される。補償速度ｖcomは、所望の速度信号ｖxと速度出力信号ｖoの将来の値との間の相違を表す。補償速度ｖcomはフィルタ処理された運転者の命令による速度命令ｖxに加味され、ｖref＝ｖx＋ｖcomとなるように速度要求ｖrefが算出される。
【００４６】
上述の様々な要素を用いた揺れ防止システム５０の構成は、水平方向及び垂直方向の速度入力信号ｖox及びｖoLの両方において、運転者の命令により誘発される揺れを相殺するのに十分なものである。揺れは、積み降ろしの際に荷物にかかる風力荷重又は横方向からの衝撃力などの外部要因によっても誘発される可能性がある。しかしながら、上述の揺れを相殺する方法及びシステムを用いる揺れ防止制御装置６０は、外部要因により生じる揺れを排除しない。外部要因による揺れ、及びモデルのパラメータと実際の物理的なシステムとの間の不一致に起因する揺れを排除するために、フィードバックモジュール９０が設けられている。
【００４７】
フィードバックモジュール９０は、入力として、揺れ角誤差信号及び揺れ角誤差速度θe及び・θeを用いる。揺れ角及び揺れ角速度の誤差信号θe及び・θeは、θe（ｔ）＝θm（ｔ）−＾θ（ｔ）及び・θe（ｔ）＝・θm（ｔ）−・＾θ（ｔ）の式から算出される。但し、θm及び・θmは、適切なセンサにより測定された実際のクレーンの揺れ角及び揺れ速度をそれぞれ表す。揺れ角及び揺れ角速度を測定するセンサの例としては、フランス国のトゥールーズのジアット社（ＧＩＡＴ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ）が販売する赤外線標識によるシステムＳＩＲＲＡＨがある。＾θ（ｔ）及び・＾θ（ｔ）は、揺れ防止制御装置６０におけるクレーン１０のモデルに基づく、クレーン１０の揺れ角及び揺れ速度をそれぞれ表す。モデルの揺れ角＾θは、揺れ防止制御装置６０におけるＯＤＥの群から算出される。具体的には、現時刻ｔ＝ｋＴにおいて揺れ防止制御装置６０にＭ個のＯＤＥが存在し、各ＯＤＥは [δθi（ｋＴ）  δ・θi（ｋＴ）]の状態ベクトルを有しているものとする。モデルに基づく揺れ角＾θ（ｔ）及び揺れ速度・＾θ（ｔ）は、
【数１６】
0004549629.tif 000017
によりそれぞれ得られる。従って、θe及び・θeにより示される、運転者の命令以外の要因により生じる荷物３０の揺れ角及び揺れ速度は、フィードバックモジュール９０により排除される。
【００４８】
フィードバックモジュール９０は、フィードバックにより外部要因による揺れを低減する加速度信号ａeを生成する。フィードバック制御法則により、外部要因による揺れ角及び外部要因による揺れ角速度θe及び・θeは、ａeとして表される、広範な要因による揺れを低減するための加速度に変換される。この変換は、幾つかの方法により実現することが可能である。好適な実施形態においては、簡単な制御法則が用いられる。制御又は関連する技術分野において通常の技術を有する者であれば、様々な方法によりこの制御法則を容易に変更する或いは代えることができる。そのような制御法則の選択肢の１つは、
【数１７】
0004549629.tif 000018
である。ｋeの適切な選択のために、この制御法則により、外部要因によって誘発される揺れが減衰される。外部要因による影響が大きい場合、加速度信号ａeは、トロリーを振動させてしまうおそれがある。従って、加速度信号ａeの大きさを制限することが望ましい。
【００４９】
好適な実施形態の別の変形例においては、方程式（１）の本来の表現から方程式（２）の近似表現に移行する際におこなわれた三角法による近似について考える。これらの近似は、以下の変換式
【数１８】
0004549629.tif 000019
を方程式（１）に代入した場合に排除することができる。そして、
【数１９】
0004549629.tif 000020
となり、三角法による近似が存在しなくなる。明らかに、方程式（１８）は方程式（２）と同様の構造を有しており、〜ｕ（ｔ）を入力としている。このため、方程式（２）の・・χ（ｔ）を新しい入力〜ｕ（ｔ）に置換することにより、上述の修正パルスの展開がそのまま当てはまる。新しい入力〜ｕ（ｔ）の制限は、|ｕ（ｔ）|≦〜ａmaxの形をとる。但し、変換加速度制限〜ａmaxは、揺れ角θの予想される全ての値に関して、揺れ相殺用の加速が加速度制限を超えない、即ち、|・・χ（ｔ）|≦ａmaxであることを必要条件として、方程式（１７）から決定される。適正な揺れ角θの変化のため、変換加速度制限〜ａmaxは加速度制限ａmaxよりもほんの僅かに小さい。
【００５０】
他のモデリング誤差に対する修正も実現可能である。方程式（１）の左辺は、式ｃ・θ（ｔ）＋ｆ（・θ（ｔ））の追加された非線形減衰項を含むとする。この減衰項は、受動的な減衰素子により又は制御法則の一部として導入可能である。そして、項ｃ・θ（ｔ）が方程式（２）の右辺に追加され、項−ｆ（・θ（ｔ））が方程式（１７）の分子に追加される。さらに、この実施形態は、非線形減衰項ｃδθi（ｔ）が方程式（７）の右辺に追加されている点を除いて、先に示した好適な実施形態と同様である。
【００５１】
上述の実施形態には、荷物に取付けた巻き上げ用のケーブルを複数有するクレーンを制御するために、容易に変更が加えられる。これをおこなうには幾つかの方法がある。１つの方法は、微分方程式の形を変更して、複数のケーブルによるシステムの動作に適合させるというものである。別の方法は、複数のケーブルによるシステムの動作を、適切なケーブル長さを用いる等価の単一ケーブルによるシステムの動作に置き換えるというものである。複数のケーブルによるシステムに使用される等価長さは、ケーブルの構成によって決まる。この等価長さは、分析をおこなうこと又は実際のクレーンに対して較正をおこなうことにより求めることができる。
【００５２】
上述した好適な実施形態においては、外部からの障害によって誘発される揺れに対処するために、フィードバックモジュール９０が設けられている。クレーンの運転環境が、外部からの障害を無視できる又は高い確率で予測できるようなものである場合、本発明は、フィードバックモジュール９０及びそれに関連する揺れセンサ１２５を設けることなく実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】荷物がトロリーから吊り下げられた状態のクレーンを示す図。
【図２】区分的に一定な加速度信号としての運転者による入力信号を示すグラフ。
【図３】揺れ防止システムの互いに接続された機能ブロックを示すブロック図。
【図４】揺れ防止システムの互いに接続された機能ブロックを示すブロック図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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