(57)【要約】【課題】簡単な構成で、機器の付け外しやメンテナンスにかかる手間やコストを最小限にしながら、吊り荷の振れ角を好適に検出し得るクレーンの振れ角検出方法及び装置を提供する。【解決手段】ロープ１６，１６'、２０，２０'により吊り荷８を吊り下げて動作するモーション７と、前記ロープを駆動して吊り荷８やモーション７の動作を行うウインチドラム１５，１５'、１９，１９'とを備えたクレーンに関し、前記ロープの途中に備えられた複数のシーブ１７，１７'、２１，２１に各々シーブ荷重検出器２５を取り付けて前記ロープの張力を検出し、該張力から推定振れ角を算出し、該推定振れ角に対してカルマンフィルタによる処理を行って吊り荷８の振れ角予測値を算出する。【選択図】図３
2016120995.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロープにより吊り荷を吊り下げて動作するモーションと、前記ロープを駆動して前記吊り荷や前記モーションの動作を行うウインチドラムとを備えたクレーンの振れ角検出方法であって、
前記ロープの途中に備えられた複数のシーブに各々シーブ荷重検出器を取り付けて前記ロープの張力を検出し、該張力から推定振れ角を算出し、該推定振れ角に対してカルマンフィルタによる処理を行って吊り荷の振れ角予測値を算出することを特徴とするクレーンの振れ角検出方法。
【請求項２】
前記モーションとしてガーダやブーム上を横行するトロリを備えたトロリ式クレーンを振れ角検出の対象とし、前記トロリ式クレーンをばねマスダンパモデルと仮定して定義した数式モデルに対して前記カルマンフィルタを設計することを特徴とする請求項１に記載のクレーンの振れ角検出方法。
【請求項３】
旋回体と、該旋回体に対し起伏可能に取り付けた前記モーションとしてのジブを備えたジブクレーンを振れ角検出の対象とし、前記ジブクレーンをばねマスダンパモデルと仮定して定義した数式モデルに対して前記カルマンフィルタを設計することを特徴とする請求項１に記載のクレーンの振れ角検出方法。
【請求項４】
ロープにより吊り荷を吊り下げて動作するモーションと、前記ロープを駆動して前記吊り荷や前記モーションの動作を行うウインチドラムとを備えたクレーンの振れ角検出装置であって、
前記ロープの途中に備えられた複数のシーブと、
該シーブに各々取り付けられて前記ロープの張力を検出するシーブ荷重検出器と、
前記ロープの張力から推定振れ角を算出し、該推定振れ角に対してカルマンフィルタによる処理を行って吊り荷の振れ角予測値を算出するよう構成された制御装置と
を備えたことを特徴とするクレーンの振れ角検出装置。
【請求項５】
前記モーションとしてガーダやブーム上を横行するトロリを備えたトロリ式クレーンを振れ角検出の対象とし、前記トロリ式クレーンをばねマスダンパモデルと仮定して定義した数式モデルに対して前記カルマンフィルタを設計し、前記制御装置に実装したことを特徴とする請求項４に記載のクレーンの振れ角検出装置。
【請求項６】
旋回体と、該旋回体に対し起伏可能に取り付けた前記モーションとしてのジブを備えたジブクレーンを振れ角検出の対象とし、前記ジブクレーンをばねマスダンパモデルと仮定して定義した数式モデルに対して前記カルマンフィルタを設計し、前記制御装置に実装したことを特徴とする請求項４に記載のクレーンの振れ角検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クレーンによる荷役作業中に発生する吊り荷の振れ角を検出するためのクレーンの振れ角検出方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
クレーンによる荷役作業においては、ロープに吊るした吊り荷を移動させるのに伴い、吊り荷に振れが発生する。吊り荷が目標の位置へ到達した際に吊り荷が振れていると、振れが収まるまでは正確な位置へ運搬物の揚げ降ろしを行うことができず、作業効率が低下する。また、発生する振れの角度や大きさによっては、吊り荷やロープが周辺の機械や構造物に干渉する場合もある。このため、吊り荷の振れはできる限り抑えることが望ましい。
【０００３】
振れを抑制するためには吊り荷の振れ角を正確に検出することが必要であり、振れ角検出のために種々の技術が提案されている。例えば、ロープの基部側の支点付近に、ロープに追従するロッドを取り付け、該ロッドの角度として吊り荷の振れ角を検出するものや、モーション（ジブ）の先端にロープを挟むフォークを介してポテンショメータを備えて吊り荷の振れ角を検出するものなどが提案されている（例えば、下記特許文献１、２参照）。しかしながら、こうした機械式の振れ角検出装置は、機器の付け外しに非常に手間がかかるうえ、機器とロープとの間に接触部や摺動部が多いために汚れが溜まりやすく、そのために検出精度が低下する懸念がある。また、吊り荷側に取り付けたマーカをモーション側の撮像装置で撮影し、画像処理によって振れ角を検出する光学式の装置も実用されているが（例えば、下記特許文献３参照）、やはり機器の設置に手間がかかるし、高価な機器類を要するのでコストも高くなる。また、天候や周辺の環境によっては撮影や画像処理が困難となり、振れ角の検出が正確にできない場合がある。
【０００４】
こうした事情から、吊り荷の振れ角そのものを直接測定するのではなく、吊り荷の加速度や、ロープを繰り出すモータのトルク、吊り荷からモーションにかかる分力、ロープの支点の位置やロープの繰り出し長さ等、振れ角に関係する種々の数値を測定し、これらの測定値を基にカルマンフィルタやオブザーバを利用して振れ角を間接的に推定することが提案されている（例えば、下記特許文献４〜６参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−９７８９３号公報
【特許文献２】特開２００５−６７７４７号公報
【特許文献３】特開２００９−２３４６９９号公報
【特許文献４】特開平１０−４５３７９号公報
【特許文献５】特開２００１−４８４６７号公報
【特許文献６】特開平７−８９６９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、これらの技術にもそれぞれ欠点はある。吊り荷の加速度を基に振れ角を推定する方式（上記特許文献４）では、吊り荷側に加速度計を付け外しする作業が煩雑で手間がかかる。モータトルクを利用する方式（上記特許文献５）では、モータの停止中に外乱によって吊り荷の振れが励起された場合には正確な振れ角を推定できない。台車にかかる分力から振れ角を推定する方式（上記特許文献６）は、基本的にクラブトロリ式のクレーンに用途が限定される。このため、より取扱が簡便で、外乱により励起された振れも検出でき、且つ種々のクレーンに適用可能な振れ角の検出方法が望まれている。
【０００７】
本発明は、斯かる実情に鑑み、簡単な構成で、機器の付け外しやメンテナンスにかかる手間やコストを最小限にしながら、吊り荷の振れ角を好適に検出し得るクレーンの振れ角検出方法及び装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ロープにより吊り荷を吊り下げて動作するモーションと、前記ロープを駆動して前記吊り荷や前記モーションの動作を行うウインチドラムとを備えたクレーンの振れ角検出方法であって、前記ロープの途中に備えられた複数のシーブに各々シーブ荷重検出器を取り付けて前記ロープの張力を検出し、該張力から推定振れ角を算出し、該推定振れ角に対してカルマンフィルタによる処理を行って吊り荷の振れ角予測値を算出することを特徴とするクレーンの振れ角検出方法にかかるものである。
【０００９】
而して、このようにすれば、単純で安価な機構により、吊り荷の振れ角を精度良く予測することができる。
【００１０】
本発明のクレーンの振れ角検出方法においては、前記モーションとしてガーダやブーム上を横行するトロリを備えたトロリ式クレーンを振れ角検出の対象とし、前記トロリ式クレーンをばねマスダンパモデルと仮定して定義した数式モデルに対して前記カルマンフィルタを設計することができ、このようにすれば、単純な数式モデルで精度の高い振れ角予測値を得ることができる。
【００１１】
また、本発明のクレーンの振れ角検出方法においては、旋回体と、該旋回体に対し起伏可能に取り付けた前記モーションとしてのジブを備えたジブクレーンを振れ角検出の対象とし、前記ジブクレーンをばねマスダンパモデルと仮定して定義した数式モデルに対して前記カルマンフィルタを設計することができ、このようにすれば、単純な数式モデルで精度の高い振れ角予測値を得ることができる。
【００１２】
また、本発明は、ロープにより吊り荷を吊り下げて動作するモーションと、前記ロープを駆動して前記吊り荷や前記モーションの動作を行うウインチドラムとを備えたクレーンの振れ角検出装置であって、前記ロープの途中に備えられた複数のシーブと、該シーブに各々取り付けられて前記ロープの張力を検出するシーブ荷重検出器と、前記ロープの張力から推定振れ角を算出し、該推定振れ角に対してカルマンフィルタによる処理を行って吊り荷の振れ角予測値を算出するよう構成された制御装置とを備えたことを特徴とするクレーンの振れ角検出装置にかかるものである。
【００１３】
本発明のクレーンの振れ角検出装置においては、前記モーションとしてガーダやブーム上を横行するトロリを備えたトロリ式クレーンを振れ角検出の対象とし、前記トロリ式クレーンをばねマスダンパモデルと仮定して定義した数式モデルに対して前記カルマンフィルタを設計し、前記制御装置に実装することができる。
【００１４】
また、本発明のクレーンの振れ角検出装置においては、旋回体と、該旋回体に対し起伏可能に取り付けた前記モーションとしてのジブを備えたジブクレーンを振れ角検出の対象とし、前記ジブクレーンをばねマスダンパモデルと仮定して定義した数式モデルに対して前記カルマンフィルタを設計し、前記制御装置に実装することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のクレーンの振れ角検出方法及び装置によれば、簡単な構成で、機器の付け外しやメンテナンスにかかる手間やコストを最小限にしながら、吊り荷の振れ角を好適に検出し得るという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明を適用したトロリ式クレーン（グラブバケット式アンローダ）の一例（第一実施例）を示す側面図である。
【図２】本発明を適用したトロリ式クレーン（グラブバケット式アンローダ）の一例（第一実施例）を示す斜視図である。
【図３】本発明のクレーンの振れ角検出方法及び装置の第一実施例における制御ブロック図である。
【図４】本発明のクレーンの振れ角検出方法及び装置の第一実施例における制御ブロック図である。
【図５】シーブにかかる張力を図示する概略図である。
【図６】トロリ式クレーンの数式モデルの説明図である。
【図７】力入力モデルを速度入力モデルに変換するブロック線図である。
【図８】カルマンフィルタにおける演算の工程を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施により推定または予測された吊り荷の振れ角と、実際の振れ角とを比較して示す線図である。
【図１０】本発明のクレーンの振れ角検出方法及び装置の第二実施例における制御ブロック図である。
【図１１】シーブにかかる張力を図示する概略図である。
【図１２】本発明を適用したジブクレーンの一例（第三実施例）を示す側面図である。
【図１３】本発明を適用したジブクレーンの一例（第三実施例）を示す斜視図であり、シーブにかかる張力を図示する概略図である。
【図１４】本発明のクレーンの振れ角検出方法及び装置の第三実施例における制御ブロック図である。
【図１５】本発明のクレーンの振れ角検出方法及び装置の第三実施例における制御ブロック図である。
【図１６】ジブクレーンの数式モデルの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１〜図９は本発明のクレーンの振れ角検出方法及び装置を実施する形態の第一例を示すものである。本第一実施例においては、グラブバケット式アンローダに対して本発明を適用した場合を例示している。
【００１８】
グラブバケット式アンローダは、バラ物運搬船に積載された鉱石、石炭等のバラ物を荷揚げするために、岸壁に備えられる橋形クレーンの一種で、吊り荷を吊り下げるモーションとしてトロリを用いるトロリ式のクレーンである。図１に示したグラブバケット式アンローダは、海側の海脚１と陸側の陸脚２を有して岸壁上のレール３上を走行する機械本体４と、該機械本体４上部の陸側に設けられたガーダ５から海側へ張り出しピン６ａを中心に俯仰が可能なブーム６と、該ブーム６及びガーダ５の長手方向に沿って横行するトロリ（モーション）７と、該トロリ７から吊下げられて昇降と開閉を行うようにした吊り荷としてのグラブバケット８とを有している。そして、前記ブーム６の海側に位置したトロリ７から開いた状態のグラブバケット８をバラ物運搬船９の上部開口９ａから船内に吊り下げてバラ物上に載置し、グラブバケット８を閉じることによりバラ物を掴んだ後、グラブバケット８を上昇させ、続いて、トロリ７を陸側に横行させることによりグラブバケット８を陸側に移動させ、グラブバケット８が前記機械本体４に備えたホッパ１０上に来たときに開くことによりバラ物をホッパ１０内へ投入するようにしている。ホッパ１０内に投入されたバラ物は、機械本体４に備えた機内コンベヤ１１等により陸上の搬送コンベヤ１２に供給されるようになっている。尚、図２中、１３はアンローダを操作するオペレータが搭乗する移動運転室、１４は機械本体４の上部の陸側端に設けられた機械室である。
【００１９】
前述の如きグラブバケット式アンローダとしては、例えば、図２に示される如く、４本のウインチドラムを備え、該ウインチドラムの駆動により前記トロリ７を横行させると共にグラブバケット８を昇降・開閉させるようにした４ドラム式のアンローダがある。
【００２０】
前記ウインチドラムとしての巻上ドラム１５から繰り出した巻上ロープ１６はガーダ５（図１参照）の陸側端部に設けたシーブ１７を経てトロリ７上のシーブ１８に導かれた後、下方に向けられて下端がグラブバケット８の一側（陸側）に固定されている。又、前記ウインチドラムとしての巻上ドラム１５'から繰り出した巻上ロープ１６'はブーム６（図１参照）の海側端部に設けたシーブ１７'を経てトロリ７上のシーブ１８'に導かれた後、下方に向けた下端がグラブバケット８の他側（海側）に固定されている。
【００２１】
又、前記ウインチドラムとしての開閉ドラム１９から繰り出した開閉ロープ２０はガーダ５（図１参照）の陸側端部に設けたシーブ２１を経てトロリ７上のシーブ２２に導かれた後、下方に導かれてグラブバケット８のバケット本体８ａ，８ａの連結部に取り付けた下部移動シーブ２３と、タイロッド８ｂを介しピン連結により前記バケット本体８ａを支持する上部フレーム８ｃに取り付けた上部固定シーブ２４（図１参照）との間に複数回掛け回され、グラブバケット８の所要箇所に固定されている。一方、前記ウインチドラムとしての開閉ドラム１９'から繰り出した開閉ロープ２０'はブーム６（図１参照）の海側端部に設けたシーブ２１'を経てトロリ７上のシーブ２２'に導かれた後、下方に導かれてグラブバケット８の下部移動シーブ２３と上部固定シーブ２４（図１参照）との間に複数回掛け回され、グラブバケット８の所要箇所に固定されている。
【００２２】
図２に示した４ドラム式のアンローダでは、巻上ドラム１５，１５'を停止した状態において、開閉ドラム１９，１９'により開閉ロープ２０，２０'を同時に繰り出すと、グラブバケット８の下部移動シーブ２３と上部固定シーブ２４（図１参照）の間隔が開いて前記グラブバケット８は開き、開閉ドラム１９，１９'により開閉ロープ２０，２０'を同時に巻き込むと、下部移動シーブ２３と上部固定シーブ２４（図１参照）の間隔が狭くなりグラブバケット８は閉じられる。
【００２３】
又、前記巻上ドラム１５，１５'により巻上ロープ１６，１６'を繰り出す操作と、開閉ドラム１９，１９'により開閉ロープ２０，２０'を繰り出す操作を同時に行うと、グラブバケット８は下降し、又、前記巻上ドラム１５，１５'により巻上ロープ１６，１６'を巻き込む操作と、開閉ドラム１９，１９'により開閉ロープ２０，２０'を巻き込む操作を同時に行うと、グラブバケット８は上昇する。
【００２４】
一方、陸側のシーブ１７，２１からトロリ７上の陸側のシーブ１８，２２に巻上ロープ１６及び開閉ロープ２０を導いている巻上ドラム１５及び開閉ドラム１９の巻き込み操作と、海側のシーブ１７'，２１'からトロリ７の海側のシーブ１８'，２２'に巻上ロープ１６'及び開閉ロープ２０'を導いている巻上ドラム１５'及び開閉ドラム１９'の繰り出し操作を同時に行うと、トロリ７とグラブバケット８は陸側へ横行する。逆に、巻上ドラム１５及び開閉ドラム１９の繰り出し操作と、巻上ドラム１５'及び開閉ドラム１９'の巻き込み操作を同時に行うと、トロリ７及びグラブバケット８は海側へ横行する。即ち、巻上ドラム１５，１５'と開閉ドラム１９，１９'の操作によって、トロリ７及びグラブバケット８の横行を行わせることができる。
【００２５】
そして、本第一実施例においては、シーブ荷重検出器２５を用いて検出した各ロープ（巻上ロープ１６，１６'及び開閉ロープ２０，２０'）の張力に基づいて吊り荷（グラブバケット）８の振れ角を推定すると共に、吊り荷現状位置検出器２６によって吊り荷８の現状位置を検出するようにしてある。
【００２６】
シーブ荷重検出器２５は、前記巻上シーブ１７，１７'及び開閉シーブ２１，２１'に取り付けられたロードセル等の荷重センサであり、図３、図４に示す如く、前記４つのシーブにおいて検出された荷重を荷重信号２５ａとして制御装置２７の振れ角算出部２８に入力するようになっている。
【００２７】
吊り荷現状位置検出器２６は、トロリ７を横行させると共にグラブバケット８を昇降・開閉させるためのロープ（巻上ロープ１６，１６'及び開閉ロープ２０，２０'）を駆動するウインチドラム（巻上ドラム１５，１５'及び開閉ドラム１９，１９'）のドラム回転数を計測するエンコーダ等の回転センサであり、計測したドラム回転数を回転数信号２６ａとして制御装置２７の吊り荷現状位置計算部２９に入力するようになっている。
【００２８】
制御装置２７は、シーブ荷重検出器２５から入力される荷重信号２５ａに基づいてグラブバケット（吊り荷）８の振れ角θを推定し、この振れ角θの推定値と、トロリ７の位置検出値や速度検出値、吊下ロープ長をカルマンフィルタに入力することで振れ角θを予測するようになっている。
【００２９】
また、移動運転室１３に設けられたコントローラ３０をオペレータが操作することにより、その操作信号３０ａがトロリ７への横行操作速度指令や横行目標位置指令として制御装置２７に入力されるようになっている。
【００３０】
制御装置２７は、シーブ荷重検出器２５から入力される荷重信号２５ａに基づいてグラブバケット８の振れ角θを推定し、推定した振れ角θと、吊り荷現状位置検出器２６から入力される回転数信号２６ａから算出される吊り荷８の吊下ロープ長ｌやトロリ７の横行位置ｘ等に基づいて振れ止めフィードバック制御速度指令を算出し、該振れ止めフィードバック制御速度指令をコントローラ３０からの前記横行操作速度指令とに加味した振れ止め制御速度指令ｕを制御信号２７ａとして前記ウインチドラムのモータ３１のインバータ３２に対し出力するようになっている。インバータ３２は、制御信号２７ａに基づいてモータ３１を介し前記ウインチドラムの横行動作を制御する。
【００３１】
次に、上記本第一実施例における振れ角予測の詳細について、図３〜図９を参照して説明する。
【００３２】
制御装置２７の吊り荷現状位置計算部２９（図４参照）は、吊り荷現状位置検出器２６から入力される回転数信号２６ａをもとに、モーション（トロリ７）の横行位置（位置検出値）ｘｒ、モーション（トロリ７）の横行速度（速度検出値）Ｖｆｂ、及びモーション（トロリ７）から吊り荷（グラブバケット）８までの距離（吊下ロープ長検出値）ｌを算出する。このとき、トロリ７の横行速度はトロリ７の横行方向位置の微分値として算出することができる。
【００３３】
次に、制御装置２７の振れ角算出部２８は、シーブ荷重検出器２５から入力されるシーブ荷重信号２５ａをもとに、吊り荷８の振れ角θを推定する。具体的には、図５に示す如く、前記シーブ（巻上シーブ１７，１７'、開閉シーブ２１，２１'）には、それぞれＴｍ１、Ｔｍ２、Ｔａ１、Ｔａ２の張力がかかるが、これらの張力は、吊り荷８の推定振れ角θＴに応じて変化する。すなわち、推定振れ角θＴは、以下の通り、張力Ｔｍ１、Ｔｍ２、Ｔａ１、Ｔａ２を独立変数とした関数として算出できる。
θＴ＝ｆ（Ｔｍ１，Ｔｍ２，Ｔａ１，Ｔａ２）
【００３４】
次に、制御装置２７は、上記吊り荷現状位置計算部２９で算出した位置検出値ｘｒ、速度検出値Ｖｆｂ、吊下ロープ長検出値ｌと、上記振れ角算出部２８で算出した推定振れ角θＴをカルマンフィルタ３３に入力する（図４参照）。このカルマンフィルタ３３は、該カルマンフィルタ３３の内部で定義するクレーンモデル３４で吊り荷８の振れ角を予測し、この予測した振れ角を前記推定振れ角θＴと比較して、その誤差分散が最小となるように推定し、振れ角についての最適な推定結果を返すシステム構成になっている。
【００３５】
以下、カルマンフィルタ３３の設計手順を説明する。カルマンフィルタ３３を設計するためには、制御対象であるクレーン（本実施例の場合は、トロリ式クレーンの一種であるグラブバケット式アンローダ）の数式モデル（クレーンモデル）３４を導出する必要がある。
【００３６】
数式モデル３４を導出する手順を説明する。上述のグラブバケット式アンローダのようなトロリ式のクレーンの場合、モーションであるトロリの運動については横行方向の運動のみを考慮すれば良いので、数式モデル３４を導出するためのモデル定義を以下の通り仮定する。
ａ）ロープ質量は考慮しない。
ｂ）モーション（トロリ７）は横行方向（ｘ方向）の運動のみを考慮した、ばねマスダンパの１質点系モデルとする。
ｃ）制御入力（振れ止め制御速度指令）ｕは直接トロリ７に作用する。
【００３７】
以上の定義をもとに、トロリ式クレーンの数式モデル３４を図６に示す通りに仮定する。主な記号の定義を以下に示す。
【００３８】
Ｍｔ：モーション（トロリ７）質量［ｋｇ］、Ｍｏ：吊り荷質量［ｋｇ］、ｌ（ｔ）：吊下ロープ長［ｍ］、ｕ（ｔ）：制御入力［Ｎ］、ｘｒ（ｔ）：モーション（トロリ７）のｘ方向位置（横行位置）［ｍ］、ｘｏ（ｔ）：吊り荷８のｘ方向位置［ｍ］、ｙｏ（ｔ）：吊り荷８のｙ方向位置［ｍ］、θ（ｔ）：吊り荷８の振れ角［ｒａｄ］、ｋｔ：モーション（トロリ７）の等価的ばね定数［Ｎ／ｍ］、ｃｔ：モーション（トロリ７）の等価的減衰係数［Ｎ・ｓ／ｍ］、Ｋｐｐ：インバータ相当速度ゲイン、ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］、ｔ：時間［ｓ］である。尚、添字ｔはモーションであるトロリを、添字ｏは吊り荷を表す。
【００３９】
トロリ７のもつ運動エネルギーＴｔ、位置エネルギーＶｔ、トロリ７にかかる外力Ｐｔは以下の通りである。ここで、変数の上部に記したドット記号（・）は、その変数の導関数（時間による微分値）を表す。尚、ドット記号が二個付されている場合には、その変数の二次導関数を表す。
【数１】
2016120995.tif 000003
【００４０】
吊り荷８のもつ運動エネルギーＴｏ、位置エネルギーＶｏ、吊り荷８にかかる外力Ｐｏは以下の通りである。
【数２】
2016120995.tif 000004
【００４１】
上記［数１］、［数２］をラグランジュ方程式に当てはめて運動方程式を導出する。ｑｉを一般化座標とすると、ラグランジュ方程式は以下の通りである。
【数３】
2016120995.tif 000005
【００４２】
上記［数３］より、以下の運動方程式が求まる。
【数４】
2016120995.tif 000006
Ｍは２×２の質量行列、Ｃは２×２の減衰行列、Ｋは２×２の剛性行列、Ｆは２×１の入力行列である。
【００４３】
さらに、状態量ｘを
【数５】
2016120995.tif 000007
として展開すると、状態方程式および出力方程式は以下の通りとなる。
【数６】
2016120995.tif 000008
【００４４】
ここで、上記状態方程式は力入力であるが、実機においてはトロリ７はインバータ３２を介した横行操作速度指令によって駆動される。そこで、インバータ３２の速度制御ゲイン相当をＫｐｐとし、図７に示すブロック線図により速度制御を実現する。よって、上記［数６］の状態方程式は、以下の速度制御入力モデルの状態方程式で表現できる。
【数７】
2016120995.tif 000009
【００４５】
上記［数６］の出力方程式および［数７］の状態方程式に基づき、カルマンフィルタ３３を設計する。カルマンフィルタ３３の制御対象とするトロリ式クレーンは、［数６］および［数７］に共分散行列で定義されるプロセスノイズｗおよび観測ノイズｖを加味し、以下の状態方程式および出力方程式で与えられる。
【数８】
2016120995.tif 000010
【００４６】
プロセスノイズｗは、数式モデルでシミュレートされる挙動と実際の挙動との誤差である。このプロセスノイズｗの大きさを共分散行列Ｑで設定する。共分散行列Ｑの算出は、プロセスノイズｗの各成分の標準偏差σｗを設定することで行う。
【数９】
2016120995.tif 000011
【００４７】
尚、プロセスノイズの要因としては、風などの外乱、モデル化に伴う誤差、運動方程式を離散化することによる誤差、制御装置における計算誤差などが考えられる。
【００４８】
観測ノイズｖについても、その大きさを共分散行列Ｒで設定する。上記プロセスノイズｗの場合と同様、共分散行列Ｒの算出は、観測ノイズｖの各成分の標準偏差σｖを設定することで行う。
【数１０】
2016120995.tif 000012
【００４９】
尚、観測ノイズの要因としては、センサ固有の電気的なノイズやドリフト、１質点振り子振動以外のロープやその他機械の振動などが考えられる。
【００５０】
カルマンフィルタ３３内部において実行される制御演算について、図８を参照しながら説明する。制御演算の実行にあたっては、まずステップＳ１として、上記プロセスノイズｗと観測ノイズｖ、およびその共分散行列Ｑ、Ｒについて、各成分の具体的な数値を設定する。これらの数値については、経験的に決定する。
【００５１】
さらに、カルマンフィルタ３３内部における数式モデル３４の状態量
【数１１】
2016120995.tif 000013
の初期値
【数１２】
2016120995.tif 000014
および初期共分散ＣｏｖＸ０を以下の通り設定する。ここで、ハット記号（＾）は上記モデルを用いた予測値であることを表す。
【数１３】
2016120995.tif 000015
【００５２】
次に、ステップＳ２として、上記クレーンモデル３４（［数８］参照）における係数行列の離散化を行い、離散化した係数行列Ａｔ、Ｂｔ、Ｃｔを算出する。尚、この演算における添字ｔは離散的な時間を表す。
【００５３】
次に、ステップＳ３として、現時点（ｔ時刻）における内部状態の推定結果から、Δｔ時間後（ｔ＋Δｔ時刻）における内部状態と観測値を予測する。尚、Δｔは制御演算周期を表す。ここで、制御入力にはモーション（トロリ７）への横行操作速度指令Ｖｒｅｆではなく、モーション（トロリ７）の実際の速度であるセンサ検出値Ｖｆｂを用いる。初期演算時の内部状態としては上記［数１２］の値を用いる。
【数１４】
2016120995.tif 000016
【００５４】
さらに、ステップＳ４として、Δｔ時間後（ｔ＋Δｔ時刻）における内部状態と観測値の共分散を予測する。ここで、各共分散にはプロセスノイズ、観測ノイズが含まれるため、共分散の予測値は以下の通りとなる。
【数１５】
2016120995.tif 000017
【００５５】
ステップＳ５として、内部状態の修正量の重みとなるカルマンゲインＫｔ＋Δｔを算出する。このカルマンゲインは上記［数１５］で算出した共分散から構成され、プロセスノイズを含む。
【数１６】
2016120995.tif 000018
【００５６】
ステップＳ６として、内部状態を予測した観測値と、実際の観測値とから、内部状態の推定値を下記［数１７］により更新する。ここで更新した推定値は、次の演算周期のステップＳ３において代入される。
【数１７】
2016120995.tif 000019
【００５７】
さらにステップＳ７として、内部状態の共分散を以下の［数１８］により更新する。ここで更新した推定値は、次の演算周期のステップＳ４において代入される。
【数１８】
2016120995.tif 000020
【００５８】
ステップＳ７までの演算が終了したら、ステップＳ２に戻り、内部状態およびその共分散を修正しながらステップＳ２からＳ７までの工程を上記演算周期で繰り返す。これにより、吊り荷８の振れ角θをリアルタイムで正確に推定することができる。
【００５９】
図９は、グラブバケット式アンローダの実験機において、上記工程により予測した吊り荷の振れ角のデータと、実際の振れ角のデータとを比較して示す線図である。尚、本比較検証実験に用いた実験機は、グラブバケット式アンローダの実機のサイズを縮小して製作したスケールダウン型のものである。一点鎖線で示されるのがシーブ荷重検出器２５から入力される荷重信号２５ａに基づく推定振れ角θＴであり、破線で示されるのが推定振れ角θＴから上記カルマンフィルタ処理工程により予測した振れ角予測値
【数１９】
2016120995.tif 000021
である。実線はシーブ荷重検出器（ロードセル）２５とは別のセンサにより検出した振れ角を示しており、これを真値であると仮定することができる。破線で示される振れ角予測値は、実線で示される真値とよく適合していることがわかる。このように、本第一実施例においては、巻上シーブ１７，１７'や開閉シーブ２１，２１'にかかる張力から吊り荷８の振れ角を推定し、さらにカルマンフィルタ３３による処理を行って吊り荷８の振れ角を予測しているので、単純で安価な機器により吊り荷８の振れ角を精度良く予測することができる。
【００６０】
制御装置２７は、上記工程により予測した吊り荷８の振れ角を用い、該振れ角予測値と、吊り荷現状位置検出器２６から入力される回転数信号２６ａから算出される吊り荷８の吊下ロープ長ｌやトロリ７の横行位置ｘ等とに基づいて振れ止めフィードバック制御速度指令を算出する。該振れ止めフィードバック制御速度指令は、例えば、吊り荷の吊下ロープ長ｌの変動に対応したゲインスケジュールＨ∞制御器を導出することによって算出することができる。算出した前記振れ止めフィードバック制御速度指令は、制御信号２７ａとして前記ウインチドラムのモータ３１のインバータ３２に対し出力される。インバータ３２は、制御信号２７ａに基づいてモータ３１を介し前記ウインチドラムの横行動作を制御する。
【００６１】
このように、上記本第一実施例においては、ロープ（巻上ロープ１６，１６'、開閉ロープ２０，２０'）により吊り荷（グラブバケット）８を吊り下げて動作するモーション（トロリ）７と、前記ロープを駆動して吊り荷（グラブバケット）８やモーション（トロリ）７の動作を行うウインチドラム（巻上ドラム１５，１５'、開閉ドラム１９，１９'）とを備えたクレーンの振れ角検出方法に関し、前記ロープの途中に備えられた複数のシーブ（巻上シーブ１７，１７'、開閉シーブ２１，２１'）に各々シーブ荷重検出器２５を取り付けて前記ロープの張力を検出し、該張力から推定振れ角θＴを算出し、該推定振れ角θＴに対してカルマンフィルタ３３による処理を行って吊り荷（グラブバケット）８の振れ角予測値を算出するので、単純で安価な機構により、吊り荷（グラブバケット）８の振れ角を精度良く予測することができる。
【００６２】
また、上記本第一実施例においては、モーションとしてガーダ５やブーム６上を横行するトロリ７を備えたトロリ式クレーンを振れ角検出の対象とし、前記トロリ式クレーンをばねマスダンパモデルと仮定して定義した数式モデル３４に対してカルマンフィルタ３３を設計しているので、単純な数式モデル３４で精度の高い振れ角予測値を得ることができる。
【００６３】
したがって、上記本第一実施例によれば、簡単な構成で、機器の付け外しやメンテナンスにかかる手間やコストを最小限にしながら、吊り荷の振れ角を好適に検出し得る。
【００６４】
次に、本発明の第二実施例として、本発明を３ドラム式のグラブバケット式アンローダに適用した場合を説明する。
【００６５】
図１０、図１１は本発明を適用した３ドラム式のグラブバケット式アンローダを示すもので、基本的な構成は上記第一実施例の４ドラム式のグラブバケット式アンローダと同じである。
【００６６】
本第二実施例の場合、巻上ドラム３５と開閉ドラム３６によりグラブバケット８の巻上動作と開閉動作を行い、横行ドラム３７によりトロリ７の横行動作を行うようになっている。すなわち、本第二実施例の３ドラム式のグラブバケット式アンローダは、トロリ７の横行とグラブバケット８の昇降および開閉に、巻上ドラム３５、開閉ドラム３６、横行ドラム３７の合計３つのウインチドラムを用いる構成であり、各動作に専用の駆動ドラムを有する点で、上記第一実施例の４ドラム式のグラブバケット式アンローダとは異なる。
【００６７】
本第二実施例におけるトロリ７とグラブバケット８の駆動の機構を、図１１を参照しながら説明する。本第二実施例の３ドラム式のグラブバケット式アンローダは、トロリ７の他に、図示しないガーダと図示しないブームの長手方向に沿って走行し、ロープの張力を調整して弛みを防止する補助トロリ３８を備えている。該補助トロリ３８は、巻上ロープ調整シーブ３９，３９'、開閉ロープ調整シーブ４０，４０'、横行ロープ調整シーブ４１，４１'の合計６つのシーブを備え、それぞれのシーブにロープを巻き掛けられて図示しないガーダや図示しないブーム上を走行するようになっている。
【００６８】
巻上ドラム３５からは２本の巻上ロープ４２，４２'が繰り出されており、巻上ロープ４２は図示しないガーダの適宜位置に設けられた固定シーブ４３を介して補助トロリ３８の巻上ロープ調整シーブ３９に巻き掛けられ、さらにトロリ７上の吊下シーブ４４に導かれた後、下方に向けられて下端がグラブバケット８の一側に固定されている。巻上ロープ４２'は、図示しないガーダの適宜位置に設けられた固定シーブ４３'を介して補助トロリ３８の巻上ロープ調整シーブ３９'に巻き掛けられ、さらにトロリ７上の吊下シーブ４４'に導かれた後、下方に向けられた下端がグラブバケット８の他側に固定される。
【００６９】
開閉ドラム３６からは２本の開閉ロープ４５，４５'が繰り出されており、開閉ロープ４５は図示しないガーダの適宜位置に設けられた固定シーブ４６を介して補助トロリ３８の開閉ロープ調整シーブ４０に巻き掛けられ、さらにトロリ７上の吊下シーブ４７に導かれた後、下方に導かれてグラブバケット８の下部移動シーブ２３と上部固定シーブ２４（図１０参照）との間に複数回掛け回され、グラブバケット８の所要箇所に固定されている。開閉ロープ４５'は、図示しないガーダの適宜位置に設けられた固定シーブ４６'を介して補助トロリ３８の開閉ロープ調整シーブ４０'に巻き掛けられ、さらにトロリ７上の吊下シーブ４７'に導かれた後、下方に導かれてグラブバケット８の下部移動シーブ２３と上部固定シーブ２４（図１０参照）との間に複数回掛け回され、グラブバケット８の所要箇所に固定されている。
【００７０】
横行ドラム３７からは、海側横行ロープ４８，４８'と陸側横行ロープ４９，４９'の合計４本のロープが繰り出されている。海側横行ロープ４８は、図示しないブームの海側（図１１中左側）端部に設けたシーブ５０を介してトロリ７に導かれ、端部がトロリ７に固定されている。海側横行ロープ４８'は、図示しないブームの海側端部に設けたシーブ５０'を介してトロリ７に導かれ、端部がトロリ７に固定されている。
【００７１】
陸側横行ロープ４９は、図示しないガーダの陸側（図１１中右側）端部に設けたシーブ５１を介して補助トロリ３８の横行ロープ調整シーブ４１に導かれた後、図示しないガーダの陸側端部に再び導かれて端部を固定されている。陸側横行ロープ４９'は、図示しないガーダの陸側端部に設けたシーブ５１'を介して補助トロリ３８の横行ロープ調整シーブ４１'に導かれた後、図示しないガーダの陸側端部に再び導かれて端部を固定されている。
【００７２】
図１１に示した３ドラム式のアンローダでは、巻上ドラム３５、横行ドラム３７を停止した状態において、開閉ドラム３６により開閉ロープ４５，４５'を同時に繰り出すと、グラブバケット８の下部移動シーブ２３と上部固定シーブ２４（図１０参照）の間隔が開いて前記グラブバケット８は開き、開閉ドラム３６により開閉ロープ４５，４５'を同時に巻き込むと、下部移動シーブ２３と上部固定シーブ２４（図１０参照）の間隔が狭くなりグラブバケット８は閉じられる。
【００７３】
また、横行ドラム３７を停止した状態において、巻上ドラム３５により巻上ロープ４２，４２'を繰り出す操作と、開閉ドラム３６により開閉ロープ４５，４５'を繰り出す操作を同時に行うと、グラブバケット８は降下し、巻上ドラム３５により巻上ロープ４２，４２'を巻き込む操作と、開閉ドラム３６により開閉ロープ４５，４５'を巻き込む動作を同時に行うと、グラブバケット８は上昇する。
【００７４】
巻上ドラム３５により巻上ロープ４２，４２'を繰り出す操作と、開閉ドラム３６により開閉ロープ４５，４５'を繰り出す操作と、横行ドラム３７により海側横行ロープ４８，４８'を巻き込む操作を同時に行うと、トロリ７は海側に向かって横行する。このとき、横行ドラム３７においては、海側横行ロープ４８，４８'が巻き込まれると同時に、陸側横行ロープ４９，４９'が繰り出される。そして、ロープの動きに合わせて補助トロリ３８が図示しないガーダや図示しないブーム上を適宜横行動作することにより、巻上ロープ４２，４２'、開閉ロープ４５，４５'、海側横行ロープ４８，４８'、陸側横行ロープ４９，４９'の張力が調整され、弛みが防止される。
【００７５】
巻上ドラム３５により巻上ロープ４２，４２'を巻き込む操作と、開閉ドラム３６により開閉ロープ４５，４５'を巻き込む操作と、横行ドラム３７により海側横行ロープ４８，４８'を繰り出す操作を同時に行うと、トロリ７は陸側に向かって横行する。このとき、横行ドラム３７においては、海側横行ロープ４８，４８'が繰り出されると同時に、陸側横行ロープ４９，４９'が巻き込まれる。この場合も、ロープの動きに合わせて補助トロリ３８が図示しないガーダや図示しないブーム上を適宜横行動作することにより、巻上ロープ４２，４２'、開閉ロープ４５，４５'、海側横行ロープ４８，４８'、陸側横行ロープ４９，４９'の張力が調整され、弛みが防止される。
【００７６】
尚、図１０、図１１においては、説明の都合上、補助トロリ３８の巻上ロープ調整シーブ３９，３９'、開閉ロープ調整シーブ４０，４０'、横行ロープ調整シーブ４１，４１'、図示しないガーダの固定シーブ４３，４３'、固定シーブ４６，４６'、トロリ７の吊下シーブ４４，４４'、吊下シーブ４７，４７'は別々の中心軸を有する形として図示しているが、実際の３ドラム式のアンローダにおいては、補助トロリ３８の巻上ロープ調整シーブ３９，３９'と開閉ロープ調整シーブ４０，４０'と横行ロープ調整シーブ４１，４１'、図示しないガーダの固定シーブ４３，４３'と固定シーブ４６，４６'、トロリ７の吊下シーブ４４，４４'と吊下シーブ４７，４７'については、装置のレイアウトによっては、それぞれ中心軸を一致させるよう構成することもできる。
【００７７】
そして、本第二実施例においては、シーブ荷重検出器２５を用いて検出した巻上ロープ４２，４２'の張力に基づいて吊り荷（グラブバケット）８の振れ角を推定すると共に、吊り荷現状位置検出器２６によって吊り荷８の現状位置を検出するようにしてある。
【００７８】
本第二実施例の場合、シーブ荷重検出器２５は、巻上ロープ４２，４２の巻き掛けられた固定シーブ４３，４３'に取り付けたロードセル等の荷重センサであり、図１０に示す如く、固定シーブ４３，４３'において検出された荷重を荷重信号２５ａとして制御装置２７に入力するようになっている。
【００７９】
また、本第二実施例の場合、吊り荷現状位置検出器２６は、トロリ７を横行させると共にグラブバケット８を昇降・開閉させるためのロープ（巻上ロープ４２，４２'、開閉ロープ４５，４５'および海側横行ロープ４８，４８'、陸側横行ロープ４９，４９'）を駆動するウインチドラム（巻上ドラム３５、開閉ドラム３６および横行ドラム３７）のドラム回転数を計測するエンコーダ等の回転センサであり、計測したドラム回転数を回転数信号２６ａとして制御装置２７に入力するようになっている。
【００８０】
制御装置２７は、上記第一実施例と同様、図４に示す如く、振れ角算出部２８と吊り荷現状位置計算部２９を備えており、シーブ荷重検出器２５から入力される荷重信号２５ａに基づいてグラブバケット８の振れ角θを推定し、推定した振れ角θと、吊り荷現状位置検出器２６から入力される回転数信号２６ａから算出される吊り荷８の吊下ロープ長ｌやトロリ７の横行位置ｘ、およびコントローラ３０からの横行操作速度指令等に基づいて振れ止めフィードバック制御速度指令を算出し、該振れ止めフィードバック制御速度指令を制御信号２７ａとして前記ウインチドラムのモータ３１のインバータ３２に対し出力するようになっている。インバータ３２は、制御信号２７ａに基づいてモータ３１を介し前記ウインチドラムの横行動作を制御する。
【００８１】
本第二実施例においては、制御装置２７の振れ角算出部２８は、シーブ荷重検出器２５から入力される荷重信号２５ａをもとに、吊り荷８の振れ角の推定を以下のようにして行う。図１１に示す如く、巻上ロープ４２，４２'を巻き掛けられた固定シーブ４３，４３'）には、それぞれＴｍ１、Ｔｍ２の張力がかかる。これらの張力は、吊り荷８の振れ角に対応して変化するので、本第二実施例においては、Ｔｍ１、Ｔｍ２を独立変数とした関数として、吊り荷８の推定振れ角θＴを算出する。すなわち、
θＴ＝ｆ（Ｔｍ１，Ｔｍ２）
と表せる。
【００８２】
制御装置２７は、この振れ角相当検出値θＴと、トロリ７の横行位置や速度、吊下ロープ長とをカルマンフィルタ３３に入力し、吊り荷８の振れ角θを予測する。制御装置２７の構成や、カルマンフィルタ３３の設計要領等に関しては、上記第一実施例の場合と同様であるので省略する。カルマンフィルタの設計対象とする数式モデル３４についても、上記第一実施例で定義したものと同様のばねマスダンパの１質点系モデルを用いることができる。尚、同様にばねマスダンパモデルを定義してカルマンフィルタを設計し、吊り荷の振れ角を予測する方法は、上記第一実施例や本第二実施例のアンローダに限らず、トロリ式のクレーンであれば種々の形式のクレーンに対して適用することができる。
【００８３】
このように、上記本第二実施例においては、ロープ（巻上ロープ４２，４２'）により吊り荷（グラブバケット）８を吊り下げて動作するモーション（トロリ）７と、前記ロープを駆動して前記吊り荷（グラブバケット）８や前記モーション（トロリ）７の動作を行うウインチドラム（巻上ドラム３５）とを備えたクレーンの振れ角検出方法に関し、前記ロープの途中に備えられた複数のシーブ（固定シーブ４３，４３'）に各々シーブ荷重検出器２５を取り付けて前記ロープの張力を検出し、該張力から推定振れ角θＴを算出し、該推定振れ角θＴに対してカルマンフィルタ３３による処理を行って吊り荷（グラブバケット）８の振れ角予測値を算出するので、単純で安価な機構により、吊り荷８の振れ角を精度良く予測することができる。
【００８４】
また、上記本第二実施例においては、モーションとしてガーダやブーム上を横行するトロリ７を備えたトロリ式クレーンを振れ角検出の対象とし、前記トロリ式クレーンをばねマスダンパモデルと仮定して定義した数式モデル３４に対してカルマンフィルタ３３を設計しているので、単純な数式モデル３４で精度の高い振れ角予測値を得ることができる。
【００８５】
したがって、上記本第二実施例によれば、簡単な構成で、機器の付け外しやメンテナンスにかかる手間やコストを最小限にしながら、吊り荷の振れ角を好適に検出し得る。
【００８６】
次に、第三実施例として、本発明をジブクレーンに対して適用した場合を説明する。
【００８７】
ジブクレーンは、モーションとしてジブを備えた形式のクレーンであり、例えば、図１２に示す如く、鉛直に立設したタワー５２と、該タワー５２に対して鉛直軸を中心に旋回自在な旋回体５３を備え、該旋回体５３にジブ（モーション）５４を起伏自在に取り付けた構成を備えてなる。旋回体５３上のジブ５４と反対側にはカウンターフレーム５５が取り付けられ、該カウンターフレーム５５にジブ５４を起伏させるためのウインチドラムとしての起伏ドラム５６，５６'と、ジブ５４の先端に吊るした吊り荷５７を昇降させるためのウインチドラムとしての巻上ドラム５８を備えている。
【００８８】
旋回体５３上には、さらにガイサポートフレーム５９が立設されており、起伏ドラム５６，５６'や巻上ドラム５８から、ガイサポートフレーム５９の頂部、ジブ５４の先端部、さらに吊り荷５７にかけて、巻上ロープ６０，６０'、および起伏ロープ６１が張り渡されている。６２は旋回体５３上に備えられた運転室である。
【００８９】
ジブクレーンの一側（図１２、図１３における奥側）の起伏ドラム５６から繰り出された巻上ロープ６０は、図１３に示す如く、ガイサポートフレーム５９の頂部に設置された巻上シーブ６３を介してジブ５４の先端側へ導かれ、ジブ５４の先端部に設置された巻上シーブ６４に巻き掛けられて下方の吊り荷５７へ向かう。
【００９０】
吊り荷５７は、本第三実施例の場合、シーブ部５７ａを備えたフックである。シーブ部５７ａにはフック吊下ロープ６５が巻き掛けられており、該フック吊下ロープ６５の両端は、２つのフック吊下シーブ６６，６６'の中心軸に取り付けられ、前記２つのフック吊下シーブ６６，６６'により、フック吊下ロープ６５を介して吊り荷であるフック５７が吊下げ保持されるようになっている。
【００９１】
巻上シーブ６４を経由して下方の吊り荷５７へ向かった前記巻上ロープ６０は、一方のフック吊下シーブ６６に巻き掛けられた後、折り返して上方へ向かい、ジブ５４の先端部に設置された巻上シーブ６７に導かれた後、ガイサポートフレーム５９の頂部に設置された巻上シーブ６８に巻き掛けられて下方へ向かい、巻上ドラム５８に巻き取られる。
【００９２】
一方、ジブクレーンの他側（図１２、図１３における手前側）の起伏ドラム５６'から繰り出された巻上ロープ６０'は、図１３に示す如く、ガイサポートフレーム５９の頂部に設置された巻上シーブ６３'を介してジブ５４の先端側へ導かれ、ジブ５４の先端部に設置された巻上シーブ６４'に巻き掛けられて下方のフック５７へ向かう。巻上ロープ６０'は、フック５７を吊下げ保持する他方のフック吊下シーブ６６'に巻き掛けられた後、折り返して上方へ向かい、ジブ５４の先端部に設置された巻上シーブ６７'に導かれた後、ガイサポートフレーム５９の頂部に設置された巻上シーブ６８'に巻き掛けられて下方へ向かい、巻上ドラム５８に巻き取られる。
【００９３】
さらに、ガイサポートフレーム５９の頂部とジブ５４の先端の間の所定位置には、補助動滑車６９，６９'が配置されている。補助動滑車６９，６９'は、牽引ロープ７０によってジブ５４の先端側と接続されている。
【００９４】
そして、起伏ドラム５６から繰り出された起伏ロープ６１が、ガイサポートフレーム５９の頂部に設置された起伏シーブ７１に巻き掛けられた後、ジブ５４の先端側へ向かい、補助動滑車６９，６９'に順次巻き掛けられる。補助動滑車６９，６９'に巻き掛けられた起伏ロープ６１は、折り返してガイサポートフレーム５９の頂部に設置された起伏シーブ７１'に巻き掛けられ、起伏ドラム５６'に巻き取られる。ここで、起伏ロープ６１の起伏ドラム５６，５６'への巻方向は、巻上ロープ６０，６０'の起伏ドラム５６，５６'への巻方向と逆になっている。
【００９５】
図１２、図１３に示したジブクレーンにおいて、起伏ドラム５６，５６'を停止した状態で、巻上ドラム５８から巻上ロープ６０，６０'を繰り出す操作を行うと、フック５７は降下する。逆に、起伏ドラム５６，５６'を停止した状態で、巻上ドラム５８に巻上ロープ６０，６０'を巻き込む操作を行うと、フック５７は上昇する。
【００９６】
巻上ドラム５８を停止した状態で、起伏ドラム５６，５６'に起伏ロープ６１を巻き込む動作を行うと、起伏ロープ６１の巻き掛けられた補助動滑車６９，６９'がガイサポートフレーム５９の頂部側へ引き寄せられ、補助動滑車６９，６９'と接続された牽引ロープ７０から張力を受けてジブ５４の先端部が起立する。逆に、巻上ドラム５８を停止した状態で、起伏ドラム５６，５６'から起伏ロープ６１を繰り出す動作を行うと、起伏ロープ６１の巻き掛けられた補助動滑車６９，６９'がガイサポートフレーム５９の頂部側からジブ５４の先端側へ離れる方向に移動し、ジブ５４は牽引ロープ７０の張力に支えられながら倒れる方向に動作する。
【００９７】
尚、上記したように、起伏ロープ６１の起伏ドラム５６，５６'への巻方向は、巻上ロープ６０，６０'の起伏ドラム５６，５６'への巻方向と逆になっている。このため、起伏ロープ６１が起伏ドラム５６，５６'へ巻き込まれるときには、同時に巻上ロープ６０，６０'が起伏ドラム５６，５６'から繰り出され、起伏ロープ６１が起伏ドラム５６，５６'から繰り出されるときには、同時に巻上ロープ６０，６０'が起伏ドラム５６，５６'へ巻き込まれる。これにより、ジブ５４の起伏に従って巻上ロープ６０，６０'の長さも変動するので、フック５７の高さをあまり変えることなくジブ５４の起伏動作を行うことができる。
【００９８】
尚、説明の都合上、巻上ロープ６０，６０'は別々のロープとして説明したが、ジブクレーンの構造によっては繋がった一本のロープとして構成することもできる。また、例えば、起伏ロープ６１を起伏ドラム５６に巻き取られるロープと起伏ドラム５６'に巻き取られるロープの２本のロープとして構成しても良いし、例えば、巻上ロープ６０、起伏ロープ６１、巻上ロープ６０'を繋がった一本のロープとして構成しても良い。
【００９９】
シーブについても、ロープの経路上の所要箇所に、必要に応じて上記各シーブ（巻上シーブ６３，６３'、６４，６４'、６７，６７'、６８，６８'、起伏シーブ７１，７１'）や補助動滑車６９，６９'とは別のシーブや動滑車を設け、該シーブや動滑車にロープを経由させることによって張力やロープ長を調整したり、モータトルクを分散させるよう構成しても良い。
【０１００】
そして、本第三実施例においては、シーブ荷重検出器２５を用いて検出した巻上ロープ６０，６０'の張力から算出した値に基づいて吊り荷（フック）５７の振れ角を推定すると共に、吊り荷現状位置検出器２６によって吊り荷５７の現状位置を検出し、且つ旋回角検出装置７２によって旋回体５３の旋回角を検出するようにしてある。
【０１０１】
本第三実施例の場合、シーブ荷重検出器２５は、ジブ５４の先端部に備えた巻上シーブ６４，６４'及び巻上シーブ６７，６７'に取り付けられたロードセル等の荷重センサであり、図１４、図１５に示す如く、前記４つのシーブにおいて検出された荷重を荷重信号２５ａとして制御装置７３の振れ角算出部７４に入力するようになっている。
【０１０２】
吊り荷現状位置検出器２６は、ジブ５４を起伏させ、フック５７を巻上させるためのロープ（巻上ロープ６０，６０'及び起伏ロープ６１）を駆動するウインチドラム（起伏ドラム５６，５６'及び巻上ドラム５８）のドラム回転数を計測するエンコーダ等の回転センサであり、計測したドラム回転数を回転数信号２６ａとして制御装置７３の吊り荷現状位置計算部７５に入力するようになっている。
【０１０３】
旋回角検出装置７２は、旋回体５３のタワー５２との接続部に取り付けられたエンコーダ等の回転センサであり、旋回体５３のタワー５２に対する旋回角を旋回角信号７２ａとして制御装置７３の旋回角計算部７６に入力するようになっている。
【０１０４】
そして、運転室６２に設けられたコントローラ７７をオペレータが操作することにより、その操作信号７７ａが旋回体５３への旋回速度指令やジブ５４への起伏速度指令として制御装置７３に入力されるようになっている。
【０１０５】
制御装置７３は、シーブ荷重検出器２５から入力される荷重信号２５ａに基づいて吊り荷（フック）５７のジブ起伏方向（ジブ５４から見た前後方向）の振れ角θおよびジブ旋回方向（ジブ５４から見た左右方向）の振れ角ψを推定し、推定した振れ角θ、ψと、吊り荷現状位置検出器２６から入力される回転数信号２６ａから算出される吊り荷５７の吊下ロープ長ｌやジブ５４の起伏角ν、旋回角検出装置７２から入力される旋回角信号７２ａから算出されるジブ５４の旋回角ζ、及びコントローラ７７からの起伏速度操作指令ＤＶｒｅｖ、旋回速度操作指令ＲＶｒｅｖ等に基づき、吊り荷５７のジブ起伏方向の振れ止めフィードバック制御速度指令と、吊り荷５７のジブ旋回方向の振れ止めフィードバック制御速度指令とをそれぞれ算出する。前記ジブ起伏方向の振れ止めフィードバック制御速度指令は、制御信号７３ａとして前記ウインチドラムのモータ７８のインバータ７９に対し出力されるようになっている。前記ジブ旋回方向の振れ止めフィードバック制御速度指令は、制御信号７３ｂとして旋回体５３のモータ８０のインバータ８１に対し出力されるようになっている。インバータ７９は、制御信号７３ａに基づいてモータ７８を介して前記ウインチドラムの動作を制御し、インバータ８１は、制御信号７３ｂに基づいてモータ８０を介して旋回体５３の動作を制御する。
【０１０６】
次に、本第三実施例における振れ角予測について、図１５を参照して説明する。
【０１０７】
制御装置７３は、ジブ５４への起伏速度指令入力ＤＶｒｅｆに基づいてジブ５４を起伏させるとともに、旋回体５３への旋回速度入力ＲＶｒｅｆに基づいて旋回体５３をジブ５４と一体に旋回させながら、吊り荷５７のジブ起伏方向の推定振れ角θＴおよびジブ旋回方向の推定振れ角ψＴをもとに吊り荷５７の振れ角を零に収束させるものである。
【０１０８】
まず、制御装置６９の吊り荷現状位置計算部７１は、吊り荷現状位置検出器２６から入力される回転数信号２６ａをもとに、ジブ５４の起伏角ν、ジブ５４の起伏速度ＤＶｆｂ、及びジブ５４先端部から吊り荷（フック）５７までの距離（吊下ロープ長検出値）ｌを算出する。このとき、ジブ５４の起伏速度は起伏角の微分値として算出することができる。
【０１０９】
制御装置６９の旋回角計算部７２は、旋回角検出装置６８から入力される旋回角信号６８ａをもとに、ジブ５４の旋回角ζとジブ５４の旋回速度ＲＶｆｂを算出する。このとき、ジブ５４の旋回速度は起伏角の微分値として算出することができる。
【０１１０】
制御装置６９の振れ角算出部７０は、シーブ荷重検出器２５から入力される荷重信号２５ａをもとに、吊り荷５７のジブ起伏方向の振れ角θ及びジブ旋回方向の振れ角ψを推定する。具体的には、図１３に示す如く、ジブ５４先端部の４つのシーブ（巻上シーブ６４，６７，６７'，６４'）には、それぞれＴｍ１、Ｔｍ２、Ｔｍ３、Ｔｍ４の張力がかかり、これらの張力は吊り荷５７の振れ角に対応して変化する。すなわち、吊り荷のジブ起伏方向の振れ角θおよびジブ旋回方向の振れ角ψは前記張力を独立変数とした関数として求めることができ、各方向の振れ角推定値θ、ψは以下の式
θＴ＝ｆ（Ｔｍ１，Ｔｍ２，Ｔｍ３，Ｔｍ４）
ψＴ＝ｆ（Ｔｍ１，Ｔｍ２，Ｔｍ３，Ｔｍ４）
で表せる。
【０１１１】
次に、制御装置７３は、上記吊り荷現状位置計算部７５で算出したジブ起伏角νとジブ起伏速度ＤＶｆｂと吊下ロープ長検出値ｌ、および上記旋回角計算部７６で算出したジブ旋回角ζとジブ旋回速度ＲＶｆｂとともに、上記振れ角算出部７４で算出した前記ジブ起伏方向の推定振れ角θＴと前記ジブ旋回方向の推定振れ角ψＴをカルマンフィルタ８２に入力する（図１５参照）。このカルマンフィルタ８２は、該カルマンフィルタ８２の内部で定義するクレーンモデル８３で吊り荷５７のジブ起伏方向の振れ角とジブ旋回方向の振れ角をそれぞれ予測し、この予測した振れ角を前記ジブ起伏方向の推定振れ角θＴ、前記ジブ旋回方向の推定振れ角ψＴと比較して、その誤差分散が最小となるように推定し、振れ角についての最適な推定結果を返すシステム構成になっている。
【０１１２】
本第三実施例の場合、カルマンフィルタ８２の制御対象である数式モデル８３は、以下に説明する手順により導出される。まず、ジブクレーンの数式モデル８３を導出されるためのモデル定義を、次の通り仮定する。
ａ）ロープ質量は考慮しない。
ｂ）タワー５２のねじり振動は、微小なものと考え無視する。
ｃ）タワー５２をｘ−ｙ面内並進方向のみの１質点系のモデルとする。
ｄ）ジブ５４は剛体とする。
ｅ）入力トルクは直接ジブ５４先端に作用する。
【０１１３】
以上の定義をもとに、ジブクレーンの数式モデル８３を図１６に示す通りに仮定する。主な記号の定義を以下に示す。
【０１１４】
ＤＶｒｅｆ：起伏速度指令入力、ＲＶｒｅｆ：旋回速度指令入力、ｘ１：タワー上部のｘ方向絶対変位、ｙ１：タワー上部のｙ方向絶対変位、ν：ジブ起伏角［ｒａｄ］、θ：ジブ起伏方向（ｘ軸方向）の吊り荷振れ角［ｒａｄ］、ζ：ジブ旋回角［ｒａｄ］、ψ：ジブ旋回方向（ｙ軸方向）の吊り荷振れ角［ｒａｄ］、Ωｂ：ガイサポートの水平面に対する角度［ｒａｄ］、Ｌ：ジブ全長［ｍ］、Ｒｂ：起伏ドラム半径、ｌ：吊下ロープ長［ｍ］、Ｌｔ：タワー高さ［ｍ］、ａ：ジブ下端と原点の距離［ｍ］、ａｂ：ジブ下端とガイサポート上端との距離［ｍ］、Ｗｂ：ジブ質量［ｋｇ］、Ｗｏ：吊り荷質量［ｋｇ］、Ｍｄ：クレーンの等価質量［ｋｇ］、ｋｔ：クレーンの等価的ばね定数［Ｎ／ｍ］、ｃｔ：クレーンの等価的減衰係数［Ｎ・ｓ／ｍ］、ｘｒ：タワー最上部の起伏方向（ｘ軸方向）変位［ｍ］、ｙｒ：タワー最上部の起伏方向と直角方向（ｙ軸方向）変位［ｍ］、ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ２］、ｔ：時間［ｓ］である。
【０１１５】
前記ジブ型クレーンのクレーンモデル８３は、第一実施例のトロリ式クレーンの場合と同様の状態空間表現形式で算出することができ、プロセスノイズｗおよび観測ノイズｖを加味して以下の状態方程式および出力方程式で表現できる。方程式の導出は、例えば上記特許文献２に記載されている過程と同様の過程による。
【数２０】
2016120995.tif 000022
【０１１６】
上記［数２０］の状態方程式および出力方程式で表されるクレーンモデル８３に対し、カルマンフィルタ８２による処理を行って吊り荷５７のジブ起伏方向の振れ角θおよびジブ旋回方向の振れ角ψを予測する。具体的には、プロセスノイズｗと観測ノイズｖ、およびその共分散を設定し、上記第一実施例と同様に図８に示す工程に従って吊り荷５７のジブ起伏方向の振れ角θおよびジブ旋回方向の振れ角ψを予測する。尚、詳細な計算手順については上記第一実施例と同様であるため省略する。
【０１１７】
このように、上記本第三実施例においては、ロープ（巻上ロープ６０，６０'）により吊り荷（フック）５７を吊り下げて動作するモーション（ジブ）５４と、前記ロープを駆動して吊り荷（フック）５７やモーション（ジブ）５４の動作を行うウインチドラム（起伏ドラム５６，５６'、巻上ドラム５８）とを備えたクレーンの振れ角検出方法に関し、前記ロープの途中に備えられた複数のシーブ（巻上シーブ６４，６４'、６７，６７'）に各々シーブ荷重検出器２５を取り付けて前記ロープの張力を検出し、該張力から推定振れ角（ジブ起伏方向の振れ角θＴおよびジブ旋回方向の振れ角ψＴ）を算出し、該推定振れ角θＴ、ψＴに対してカルマンフィルタ８２による処理を行って吊り荷（フック）５７の振れ角予測値を算出するので、単純で安価な機構により、吊り荷（フック）５７の振れ角を精度良く予測することができる。
【０１１８】
また、上記本第三実施例においては、旋回体５３と、該旋回体５３に対し起伏可能に取り付けた前記モーションとしてのジブ５４を備えたジブクレーンを振れ角検出の対象とし、前記ジブクレーンをばねマスダンパモデルと仮定して定義した数式モデル８３に対してカルマンフィルタ８２を設計しているので、単純な数式モデル８３で精度の高い振れ角予測値を得ることができる。
【０１１９】
したがって、上記本第三実施例によれば、簡単な構成で、機器の付け外しやメンテナンスにかかる手間やコストを最小限にしながら、吊り荷の振れ角を好適に検出し得る。
【０１２０】
尚、本発明のクレーンの振れ角検出方法及び装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【０１２１】
５  ガーダ
６  ブーム
７  モーション（トロリ）
８  吊り荷（グラブバケット）
１５，１５'  ウインチドラム（巻上ドラム）
１６，１６'  ロープ（巻上ロープ）
１７，１７'  シーブ（巻上シーブ）
１９，１９'  ウインチドラム（開閉ドラム）
２０，２０'  ロープ（開閉ロープ）
２１，２１'  シーブ（開閉シーブ）
２５  シーブ荷重検出器
２７  制御装置
３３  カルマンフィルタ
３４  クレーンモデル（数式モデル）
３５  ウインチドラム（巻上ドラム）
４２，４２'  ロープ（巻上ロープ）
４３，４３'  シーブ（固定シーブ）
５４  モーション（ジブ）
５６，５６'  ウインチドラム（起伏ドラム）
５７  吊り荷（フック）
５８  ウインチドラム（巻上ドラム）
６０，６０'  ロープ（巻上ロープ）
６４，６４'  シーブ（巻上シーブ）
６７，６７'  シーブ（巻上シーブ）
７３  制御装置
８２  カルマンフィルタ
８３  クレーンモデル（数式モデル）
【図１】
2016120995.tif 000023
【図２】
2016120995.tif 000024
【図３】
2016120995.tif 000025
【図４】
2016120995.tif 000026
【図５】
2016120995.tif 000027
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2016120995.tif 000032
【図１１】
2016120995.tif 000033
【図１２】
2016120995.tif 000034
【図１３】
2016120995.tif 000035
【図１４】
2016120995.tif 000036
【図１５】
2016120995.tif 000037
【図１６】
2016120995.tif 000038