吊物的擺動角計算裝置的製作方法

2023-06-04 01:27:36 1

本發明是涉及在例如港口、煉鋼廠、各種工廠等使用的裝卸作業用的起重機中，對從橫移的小車(trolly)懸吊的吊物的擺動角進行計算的技術。

背景技術：

通常，在由起重機進行的裝卸作業中，使吊物在短時間準確地到達目標位置並且使在到達目標位置為止或者已經到達目標位置時的吊物的擺動角為零的情況是理想的。

以往，提供有各種使吊物的擺動角為零的防擺控制技術，特別是近年來，由計算機控制進行的電氣式防擺控制備受矚目。

在電氣防擺控制中，存在通過計算求出使加減速結束時的擺動衰減的速度模型，並將該速度模型作為控制指令使起重機運轉的情況，以及檢測吊物的擺動角並將其檢測值反饋到驅動系統而進行控制的情況等。

其中，在進行反饋控制的情況下，擺動角檢測裝置是必要的，在使用速度模型的控制的情況下，為了保證控制性能，多數情況下也具備擺動角檢測裝置。應予說明，起重機中的吊物的擺動角可以主要大體分為在小車的橫移方向擺動的偏移(sway)擺動角和在繞垂直軸扭轉的偏轉(skew)擺動角。

這裡，圖9表示記載於專利文獻1的擺動角檢測裝置的主要部分，圖9(a)是表示起重機的全體構成的側視圖，圖9(b)是設置於吊具的標誌物的俯視圖。

在圖9(a)中，51是小車，52是吊繩，53是吊具，54是設置在吊具53的上表面的標誌物，在小車51的下表面設置有照相機55。如圖9(b)所示，在標誌物54的中央部，設置例如帶狀的標識符(或者半導體發光元件等)54a，通過將由照相機55拍攝到的標識符54a的拍攝圖像利用計算機進行圖像處理，從而檢測吊具53的移動狀態，並計算與該吊具53保持為一體的吊物(未圖示)的擺動角。

另外，作為其他現有技術，專利文獻2公開了如下擺動角檢測裝置，該擺動角檢測裝置在吊具的上表面配置多個標誌物，並且與各標誌物對應地將廣角用照相機以及望遠用照相機分別配置在小車的下表面，基於根據由這些多臺照相機拍攝的拍攝圖像求出的重心位置的時間的變化來檢測吊物的偏移擺動角和偏轉擺動角。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開平6-219681號公報(第[0011]～[0021]段，圖1、圖2等)

專利文獻2：日本特開平9-257475號公報(第[0021]～[0024]段，圖1、圖2等)

技術實現要素：

技術問題

這裡，若假設為貨櫃起重機等屋外使用的情況，如專利文獻1記載的那樣，在基於由照相機拍攝的拍攝圖像來檢測擺動角的情況下，容易受到拍攝時的太陽光、霧和/或降雨等光學幹擾的影響。因此，存在暫時發生擺動角的誤檢測、檢測報錯，無法穩定地檢測擺動角的問題。

另外，如專利文獻2記載的那樣，通過使用多臺照相機，能夠一定程度防止誤檢測、檢測報錯，但多臺照相機和其圖像處理單元等會導致裝置的高成本。

因此，本發明的解決課題在於，提供即使在暫時發生了擺動角的誤檢測、檢測報錯的情況下，也能夠利用計算處理對擺動角進行推定來無障礙地進行防擺控制的吊物的擺動角計算裝置。

技術方案

為了解決上述課題，技術方案1的發明為一種吊物的擺動角計算裝置，其按照預定周期對從橫移的小車懸吊的吊物的擺動角檢測值進行計算處理並生成擺動角推定值，上述吊物的擺動角計算裝置具備：

檢測值異常判定部，其對上述擺動角計算裝置接收到的擺動角檢測值是正常還是異常進行判定；

前次推定值和角速度保存部，其根據前次計算周期的上述擺動角推定值對擺動角速度進行計算，並保存該擺動角推定值以及擺動角速度；以及

擺動角推定部，當由上述檢測值異常判定部判定為正常時，上述擺動角推定部進行第1處理，在上述第1處理中將上述擺動角檢測值作為本次的擺動角推定值而生成，當由上述檢測值異常判定部判定為異常時，上述擺動角推定部進行第2處理，在上述第2處理中基於保存在上述前次推定值和角速度保存部的前次計算周期的擺動角推定值以及擺動角速度對本次的擺動角推定值進行計算。

技術方案2的發明是一種吊物的擺動角計算裝置，其按照預定周期對從橫移的小車懸吊的吊物的擺動角檢測值進行計算處理並生成擺動角推定值，上述擺動角推定值用於生成防擺控制用的驅動器位置指令，上述吊物的擺動角計算裝置具備：

檢測值異常判定部，其對上述擺動角計算裝置接收到的擺動角檢測值是正常還是異常進行判定；

擺動角推定部，當由上述檢測值異常判定部判定為正常時，上述擺動角推定部進行第1處理，在上述第1處理中根據上述擺動角檢測值、上述驅動器位置指令或驅動器位置檢測值、前次計算周期的擺動角推定值來求出擺動角速度推定值，並且，根據該擺動角速度推定值和上述擺動角檢測值生成本次的擺動角推定值；當由上述檢測值異常判定部判定為異常時，上述擺動角推定部進行第2處理，在上述第2處理中根據上述驅動器位置指令或者上述驅動器位置檢測值、前次計算周期的擺動角推定值求出擺動角速度推定值，並且，根據該擺動角速度推定值生成本次的擺動角推定值。

技術方案3的發明是，在記載於技術方案1或技術方案2的吊物的擺動角計算裝置中，上述擺動角推定部在存在多種上述擺動角檢測值時，在多個擺動角檢測值中，針對由上述檢測值異常判定部判定為正常的擺動角檢測值進行上述第1處理，並且針對判定為異常的剩餘的擺動角檢測值進行上述第2處理。

技術方案4的發明是，在記載於技術方案1～技術方案3中任一個吊物的擺動角計算裝置中，上述檢測值異常判定部在接收到的本次的擺動角檢測值與前次計算周期的擺動角推定值的偏差超過預定的判定閾值時，判定為異常。

技術方案5的發明是，在記載於技術方案4的吊物的擺動角計算裝置中，上述檢測值異常判定部在接收到的本次的擺動角檢測值與前次計算周期的擺動角推定值的偏差在預定的判定閾值以下的狀態持續了一定時間的情況下，判定為正常，並在上述偏差超過上述判定閾值時立即判定為異常。

技術方案6的發明是，在記載於技術方案1～技術方案5中任一個的吊物的擺動角計算裝置中，上述擺動角檢測值包括偏轉擺動角檢測值以及偏移擺動角檢測值。

技術方案7的發明是，在記載於技術方案1～技術方案6中任一個的吊物的擺動角計算裝置中，基於與上述吊物一體地移動的標誌物的拍攝圖像得到上述擺動角檢測值。

發明效果

根據本發明，即使在暫時地發生擺動角的誤檢測、檢測報錯的情況下也能夠通過計算處理對擺動角進行推定，因此能夠穩定地求出用於防擺控制的擺動角。另外，不需要使用多臺照相機等拍攝裝置，因此也有助於成本的降低。

附圖說明

圖1是本發明的第1實施方式的擺動角計算裝置的功能框圖。

圖2是表示應用了本發明的各實施方式的起重機的主要部分以及偏移擺動角的構成圖。

圖3是圖2中的吊具的俯視圖。

圖4是偏轉擺動角的說明圖。

圖5是xyz坐標系中的偏移擺動角以及偏轉擺動角的說明圖。

圖6是本發明的第2實施方式的擺動角計算裝置的功能框圖。

圖7是圖6中的偏轉擺動角檢測值異常判定部的構成圖。

圖8是圖6中的偏轉擺動角推定部的構成圖。

圖9是記載於專利文獻1的擺動角檢測裝置的主要部分的說明圖。

標記說明

1：小車

2：梁

3：繩索(吊繩)

4：滑輪

5：吊具

6：吊物

7：標誌物

8：照相機

10、20：擺動角計算裝置

11：檢測值異常判定部

12：擺動角推定部

13：前次推定值和角速度保存部

14：擺動角計算部

21：偏轉擺動角檢測值異常判定部

21a：減法單元

21b：絕對值計算單元

21c：比較單元

21d：接通延時單元

22：偏轉擺動角推定部

22a、22b：切換單元

22c：減法單元

22d、22e：加法單元

22f、22g：積分單元

30：偏轉擺動角控制部

具體實施方式

以下，根據附圖對本發明的實施方式進行說明。首先，圖2表示應用了該實施方式的擺動角計算裝置的起重機的主要部分。

在圖2中，1是小車，2是供小車1進行橫移動作的梁，5是經由繩索(吊繩)3以及滑輪4被小車1支持的吊具，6是與吊具5保持為一體的吊物，7是配置於吊具5的上表面的標誌物，8是配置於小車1的下表面對標誌物7進行拍攝的照相機。

圖3是吊具5的俯視圖，相當於通過上述照相機8拍攝的吊具5以及標誌物7等的拍攝圖像。這裡，標誌物7例如在吊具5的大致兩端部各配置一個。

應予說明，吊物6與吊具5保持為一體，因此只對擺動角進行考察時，將吊具5與吊物6當做同等的部件。

接下來，對該實施方式中的檢測對象和推定對象即擺動角進行說明。

前述的圖2中的θ是因小車1的橫移動作而產生的偏移擺動角，是當吊物6擺動時，在吊物6的重心與垂直軸x之間形成的角度。

另外，圖4中的φ表示由吊物6的重心處在偏心狀態等而造成的，由於吊物6以垂直軸x為中心旋轉從而形成的偏轉擺動角。

接著，圖5是表示xyz坐標系中的偏移擺動角以及偏轉擺動角的說明圖。圖5所示的xyz坐標是以照相機8的位置為原點o的三維坐標，e1、e2表示前述的兩個標誌物7的位置。

圖5中的θ1、θ2是在xoz平面上測定的偏移擺動角，θ1是o-e1在xoz平面上的正交投影軸與x軸之間的角度，θ2是o-e2在xoz平面上的正交投影軸與x軸之間的角度。

另外，φ1、φ2是在xoy平面上測定的偏轉擺動角，φ1是o-e1在xoy平面上的正交投影軸與x軸之間的角度，φ2是o-e2在xoy平面上的正交投影軸與x軸之間的角度。

對於使用這些角度來計算吊物6的偏移擺動角θ以及偏轉擺動角φ來說，使用算式1、算式2。

[算式1](偏移擺動角θ)

θ＝(θ1+θ2)/2

[算式2](偏轉擺動角φ)

φ＝tan-1[{tan(θ1)－tan(θ2)}/{tan(φ1)－tan(φ2)}]

接下來，參照圖1對本發明的第1實施方式的擺動角計算裝置進行說明。該第1實施方式相當於技術方案1的發明。

圖1是通過商用的plc(可編程邏輯控制器)等計算處理裝置實現的擺動角計算裝置10的功能框圖。在該擺動角計算裝置10中，11是檢測值異常判定部，12是擺動角推定部，13是前次推定值和角速度保存部，14是計算偏移擺動角以及偏轉擺動角的擺動角計算部。

以下，對圖1的動作進行說明。

基於由圖2的照相機8進行的標誌物的拍攝圖像而檢測出的擺動角檢測值θ1、θ2、φ1、φ2經由串行通信等傳輸單元被輸入到擺動角計算裝置10。在該擺動角計算裝置10中，以固定周期執行計算。

檢測值異常判定部11對本次被輸入的檢測值θ1、θ2、φ1、φ2和被保存在前次推定值和角速度保存部13的前次計算周期的推定值θ1』、θ2』、φ1』、φ2』分別進行比較，在各擺動角的偏差超過了預先設定的判定閾值的情況下，判定為異常而輸出例如邏輯「0」的正常/異常判定信號a。該判定信號a在各擺動角的檢測值與推定值之差的絕對值在上述判定閾值以下的情況下，判定為正常而成為邏輯「1」。

在此情況下，優選為，在上述偏差超過了判定閾值時立即判定為異常，並且在上述偏差在判定閾值以下的狀態持續了一定時間的情況下判定為正常。

在正常/異常判定信號a的邏輯為「1」而檢測值被判定為正常的情況下，擺動角推定部12將接收到的檢測值θ1、θ2、φ1、φ2保持不變地作為推定值θ1』，θ2』，φ1』，φ2』輸出(技術方案1中的第1處理)。

另外，在正常/異常判定信號a的邏輯為「0」而檢測值被判定為異常的情況下，將保存在前次推定值和角速度保存部13的前次推定值θ1』、θ2』、φ1』、φ2』與前次角速度δθ1』、δθ2』、δφ1』、δφ2』相加得到的值作為本次的推定值θ1』、θ2』、φ1』、φ2』輸出(技術方案1中的第2處理)。

在前次推定值和角速度保存部13中，保存推定值θ1』、θ2』、φ1』、φ2』直到下次的計算，並且求出前次推定值與本次推定值的差來計算前次角速度δθ1』、δθ2』、δφ1』、δφ2』，並對這些值進行保存。

在擺動角計算部14中，使用推定值θ1』、θ2』、φ1』、φ2』作為前述的算式1以及算式2中的θ1、θ2、φ1、φ2，由此計算偏移擺動角θ以及偏轉擺動角φ並輸出。

利用上述的處理計算得到的偏移擺動角θ以及偏轉擺動角φ在提供給用於進行所謂的防擺控制的驅動器的位置指令的生成中使用。

應予說明，在標誌物拍攝時由於光學幹擾等，所有的擺動角檢測值θ1、θ2、φ1、φ2瞬間變得異常的情況下，使用前次的擺動角推定值以及角速度對所有這些擺動角檢測值進行推定即可。在由於其它的理由擺動角檢測值θ1、θ2、φ1、φ2中的任一個變得異常的情況下，保持正常的擺動角檢測值不變而輸出，只對異常的擺動角檢測值進行上述的推定處理，由此生成擺動角推定值即可。

根據該第1實施方式，無需如前述的專利文獻2那樣使用多臺拍攝裝置，並且在暫時發生擺動角的誤檢測、檢測報錯的情況下，也能夠利用計算處理適當地推定出擺動角而用於防擺控制。

接著，對本發明的第2實施方式的擺動角計算裝置進行說明。該第2實施方式相當於技術方案2的發明。

本實施方式假設了通過使用擺動角推定值使驅動器動作，從而進行防擺控制的情況。

接下來，圖6是將本發明的第2實施方式的擺動角計算裝置20與偏轉擺動角控制部30一起表示的功能框圖。這些擺動角計算裝置20以及偏轉擺動角控制部30也可以通過商用的plc等計算處理裝置實現。

應予說明，以下雖然對偏轉擺動角的計算以及控制進行說明，但也可以應用於偏移擺動角的計算以及控制。

在圖6中，擺動角計算裝置20具備偏轉擺動角檢測值異常判定部21和偏轉擺動角推定部22，該偏轉擺動角檢測值異常判定部21判定偏轉擺動角檢測值φ是正常還是異常，偏轉擺動角推定部22接收偏轉擺動角檢測值異常判定部21的輸出即正常/異常判定信號a、偏轉擺動角檢測值φ、和從偏轉擺動角控制部30輸出的驅動器位置指令(或者驅動器位置檢測值)來計算偏轉擺動角推定值φ』。

另外，偏轉擺動角控制部30使用從偏轉擺動角推定部22輸出的偏轉擺動角推定值φ』來生成驅動器位置指令，控制未圖示的驅動器的動作來進行防擺控制。該偏轉擺動角控制部30例如由比例積分微分(pid)控制單元構成。

作為防擺控制的具體的方法，例如已知有通過利用驅動器控制偏轉油缸的位置，從而調整對吊物(吊具)在多個位置上進行支承的多根繩索(吊繩)的長度來使偏轉擺動角衰減的方法，但在本發明中並沒有特別地限定。

圖7是圖6中的偏轉擺動角檢測值異常判定部21的構成圖。該異常判定部21的構成以及功能實際上與圖1的檢測值異常判定部11相同。

即，在圖7中，利用減法單元21a求出偏轉擺動角檢測值φ與偏轉擺動角推定值φ』的偏差，並利用絕對值計算單元21b計算偏差的絕對值。將該絕對值與判定閾值一起輸入到比較單元21c，並且將比較單元21c的輸出輸入到接通延時(on-delay)單元21d而得到正常/異常判定信號a。

利用上述構成，若偏差的絕對值大於判定閾值，則立即將正常/異常判定信號a的邏輯設置在異常側而輸出，在偏差的絕對值在判定閾值以下的狀態經過了一定時間的情況下，將正常/異常判定信號a的邏輯設置在正常側而輸出。其中，優選為，在計算開始時，僅在擺動角推定值追隨擺動角檢測值之前的時間不進行擺動角檢測值的正常/異常判定。

接下來，圖8是將圖6中的偏轉擺動角推定部22的構成與偏轉擺動角檢測值異常判定部21一起表示的圖。

偏轉擺動角推定部22具備：根據來自於偏轉擺動角檢測值異常判定部21的正常/異常判定信號a進行切換動作的第1切換單元22a和第2切換單元22b；減法單元22c；加法單元22d、22e；第1積分單元22f、第2積分單元22g；以及第1比例係數k1、第2比例係數k2、第3比例係數k3、第4比例係數k4。

該偏轉擺動角推定部22的動作如下所述。

首先，預先取得偏轉擺動角速度變化率相對於驅動器的位移的關係，將該比設定為第1比例係數k1，將相對於偏轉擺動角產生的偏轉擺動角加速度之比設定為第2比例係數k2，相對於偏轉擺動角檢測值φ與偏轉擺動角推定值φ』之差分別設定第3比例係數k3、第4比例係數k4。

在正常/異常判定信號a為正常的情況下，將第1切換單元22a設置在第3比例係數k3側，將第2切換單元22b設置在第4比例係數k4側。

由此，將第1比例係數k1乘以驅動器位置指令(或者檢測值)而得的結果與第1切換單元22a的輸出相加，從得到的相加值中減去偏轉擺動角推定值與第2比例係數k2相乘的結果，將得到的值利用第1積分單元22f進行積分而對偏轉擺動角速度推定值進行更新。進而，將該偏轉擺動角速度推定值與第2切換單元22b的輸出的相加值利用第2積分單元22g進行積分而對偏轉擺動角推定值進行更新(技術方案2中的第1處理)。

應予說明，若基於狀態推定器設計法提供第3比例係數k3、第4比例係數k4，則能夠得到跟隨偏轉擺動角檢測值的偏轉擺動角推定值。

在正常/異常判定信號a為異常的情況下，將第1切換單元22a、第2切換單元22b切換到「0」側，由此不將使用來自於減法單元22c的輸出信號與第3比例係數k3、第4比例係數k4的乘法結果加進來。

即，將由驅動器位置指令(或者檢測值)與第1比例係數k1相乘的乘法結果和由偏轉擺動角推定值與第2比例係數k2相乘的乘法結果之間的偏差利用第1積分單元22f進行積分來對偏轉擺動角速度推定值進行更新，進而保持該偏轉擺動角速度推定值不變地利用第2積分單元22g進行積分來對偏轉擺動角推定值進行更新(技術方案2中的第2處理)。

換句話說，在擺動角檢測值為異常的情況下，可以只構成將由偏轉擺動角推定值與第2比例係數k2相乘的乘法結果反饋到由驅動器位置指令(或者檢測值)與第1比例係數k1相乘的乘法結果來對偏轉擺動角速度推定值以及偏轉擺動角推定值進行更新的偏轉運動模型。

與第1實施方式相同地，如上所述根據第2實施方式，在能夠對偏轉擺動角正常地進行檢測的期間，偏轉擺動角推定值跟隨偏轉擺動角檢測值，因此能夠對偏轉擺動角進行適當地控制來進行防擺控制。

另外，在因光學幹擾等影響在偏轉擺動角檢測值發生了異常的情況下，直到偏轉擺動角檢測值恢復正常為止，偏轉擺動角推定值基於偏轉運動模型被更新。因此，即使在無法忽視偏轉擺動角的變化的程度的整個期間發生了檢測值的異常，也能夠將推定值更新為接近真值的偏轉擺動角，能夠無障礙地繼續偏轉擺動角的控制乃至防擺控制。

應予說明，在上述的第1實施方式、第2實施方式中，也可以使用除由照相機進行的拍攝圖像以外的單元作為用於取得吊物的擺動角檢測值的單元。

工業上的利用可能性

本發明可以作為利用貨櫃起重機等對吊物進行搬運的裝卸領域中的偏轉擺動角、偏移擺動角的計算裝置來使用。