吊物的摆动角计算装置的制作方法

本发明是涉及在例如港口、炼钢厂、各种工厂等使用的装卸作业用的起重机中，对从横移的小车(trolly)悬吊的吊物的摆动角进行计算的技术。

背景技术：

通常，在由起重机进行的装卸作业中，使吊物在短时间准确地到达目标位置并且使在到达目标位置为止或者已经到达目标位置时的吊物的摆动角为零的情况是理想的。

以往，提供有各种使吊物的摆动角为零的防摆控制技术，特别是近年来，由计算机控制进行的电气式防摆控制备受瞩目。

在电气防摆控制中，存在通过计算求出使加减速结束时的摆动衰减的速度模型，并将该速度模型作为控制指令使起重机运转的情况，以及检测吊物的摆动角并将其检测值反馈到驱动系统而进行控制的情况等。

其中，在进行反馈控制的情况下，摆动角检测装置是必要的，在使用速度模型的控制的情况下，为了保证控制性能，多数情况下也具备摆动角检测装置。应予说明，起重机中的吊物的摆动角可以主要大体分为在小车的横移方向摆动的偏移(sway)摆动角和在绕垂直轴扭转的偏转(skew)摆动角。

这里，图9表示记载于专利文献1的摆动角检测装置的主要部分，图9(a)是表示起重机的全体构成的侧视图，图9(b)是设置于吊具的标志物的俯视图。

在图9(a)中，51是小车，52是吊绳，53是吊具，54是设置在吊具53的上表面的标志物，在小车51的下表面设置有照相机55。如图9(b)所示，在标志物54的中央部，设置例如带状的标识符(或者半导体发光元件等)54a，通过将由照相机55拍摄到的标识符54a的拍摄图像利用计算机进行图像处理，从而检测吊具53的移动状态，并计算与该吊具53保持为一体的吊物(未图示)的摆动角。

另外，作为其他现有技术，专利文献2公开了如下摆动角检测装置，该摆动角检测装置在吊具的上表面配置多个标志物，并且与各标志物对应地将广角用照相机以及望远用照相机分别配置在小车的下表面，基于根据由这些多台照相机拍摄的拍摄图像求出的重心位置的时间的变化来检测吊物的偏移摆动角和偏转摆动角。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平6-219681号公报(第[0011]～[0021]段，图1、图2等)

专利文献2：日本特开平9-257475号公报(第[0021]～[0024]段，图1、图2等)

技术实现要素：

技术问题

这里，若假设为集装箱起重机等屋外使用的情况，如专利文献1记载的那样，在基于由照相机拍摄的拍摄图像来检测摆动角的情况下，容易受到拍摄时的太阳光、雾和/或降雨等光学干扰的影响。因此，存在暂时发生摆动角的误检测、检测报错，无法稳定地检测摆动角的问题。

另外，如专利文献2记载的那样，通过使用多台照相机，能够一定程度防止误检测、检测报错，但多台照相机和其图像处理单元等会导致装置的高成本。

因此，本发明的解决课题在于，提供即使在暂时发生了摆动角的误检测、检测报错的情况下，也能够利用计算处理对摆动角进行推定来无障碍地进行防摆控制的吊物的摆动角计算装置。

技术方案

为了解决上述课题，技术方案1的发明为一种吊物的摆动角计算装置，其按照预定周期对从横移的小车悬吊的吊物的摆动角检测值进行计算处理并生成摆动角推定值，上述吊物的摆动角计算装置具备：

检测值异常判定部，其对上述摆动角计算装置接收到的摆动角检测值是正常还是异常进行判定；

前次推定值和角速度保存部，其根据前次计算周期的上述摆动角推定值对摆动角速度进行计算，并保存该摆动角推定值以及摆动角速度；以及

摆动角推定部，当由上述检测值异常判定部判定为正常时，上述摆动角推定部进行第1处理，在上述第1处理中将上述摆动角检测值作为本次的摆动角推定值而生成，当由上述检测值异常判定部判定为异常时，上述摆动角推定部进行第2处理，在上述第2处理中基于保存在上述前次推定值和角速度保存部的前次计算周期的摆动角推定值以及摆动角速度对本次的摆动角推定值进行计算。

技术方案2的发明是一种吊物的摆动角计算装置，其按照预定周期对从横移的小车悬吊的吊物的摆动角检测值进行计算处理并生成摆动角推定值，上述摆动角推定值用于生成防摆控制用的驱动器位置指令，上述吊物的摆动角计算装置具备：

检测值异常判定部，其对上述摆动角计算装置接收到的摆动角检测值是正常还是异常进行判定；

摆动角推定部，当由上述检测值异常判定部判定为正常时，上述摆动角推定部进行第1处理，在上述第1处理中根据上述摆动角检测值、上述驱动器位置指令或驱动器位置检测值、前次计算周期的摆动角推定值来求出摆动角速度推定值，并且，根据该摆动角速度推定值和上述摆动角检测值生成本次的摆动角推定值；当由上述检测值异常判定部判定为异常时，上述摆动角推定部进行第2处理，在上述第2处理中根据上述驱动器位置指令或者上述驱动器位置检测值、前次计算周期的摆动角推定值求出摆动角速度推定值，并且，根据该摆动角速度推定值生成本次的摆动角推定值。

技术方案3的发明是，在记载于技术方案1或技术方案2的吊物的摆动角计算装置中，上述摆动角推定部在存在多种上述摆动角检测值时，在多个摆动角检测值中，针对由上述检测值异常判定部判定为正常的摆动角检测值进行上述第1处理，并且针对判定为异常的剩余的摆动角检测值进行上述第2处理。

技术方案4的发明是，在记载于技术方案1～技术方案3中任一个吊物的摆动角计算装置中，上述检测值异常判定部在接收到的本次的摆动角检测值与前次计算周期的摆动角推定值的偏差超过预定的判定阈值时，判定为异常。

技术方案5的发明是，在记载于技术方案4的吊物的摆动角计算装置中，上述检测值异常判定部在接收到的本次的摆动角检测值与前次计算周期的摆动角推定值的偏差在预定的判定阈值以下的状态持续了一定时间的情况下，判定为正常，并在上述偏差超过上述判定阈值时立即判定为异常。

技术方案6的发明是，在记载于技术方案1～技术方案5中任一个的吊物的摆动角计算装置中，上述摆动角检测值包括偏转摆动角检测值以及偏移摆动角检测值。

技术方案7的发明是，在记载于技术方案1～技术方案6中任一个的吊物的摆动角计算装置中，基于与上述吊物一体地移动的标志物的拍摄图像得到上述摆动角检测值。

发明效果

根据本发明，即使在暂时地发生摆动角的误检测、检测报错的情况下也能够通过计算处理对摆动角进行推定，因此能够稳定地求出用于防摆控制的摆动角。另外，不需要使用多台照相机等拍摄装置，因此也有助于成本的降低。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式的摆动角计算装置的功能框图。

图2是表示应用了本发明的各实施方式的起重机的主要部分以及偏移摆动角的构成图。

图3是图2中的吊具的俯视图。

图4是偏转摆动角的说明图。

图5是xyz坐标系中的偏移摆动角以及偏转摆动角的说明图。

图6是本发明的第2实施方式的摆动角计算装置的功能框图。

图7是图6中的偏转摆动角检测值异常判定部的构成图。

图8是图6中的偏转摆动角推定部的构成图。

图9是记载于专利文献1的摆动角检测装置的主要部分的说明图。

标记说明

1：小车

2：梁

3：绳索(吊绳)

4：滑轮

5：吊具

6：吊物

7：标志物

8：照相机

10、20：摆动角计算装置

11：检测值异常判定部

12：摆动角推定部

13：前次推定值和角速度保存部

14：摆动角计算部

21：偏转摆动角检测值异常判定部

21a：减法单元

21b：绝对值计算单元

21c：比较单元

21d：接通延时单元

22：偏转摆动角推定部

22a、22b：切换单元

22c：减法单元

22d、22e：加法单元

22f、22g：积分单元

30：偏转摆动角控制部

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。首先，图2表示应用了该实施方式的摆动角计算装置的起重机的主要部分。

在图2中，1是小车，2是供小车1进行横移动作的梁，5是经由绳索(吊绳)3以及滑轮4被小车1支持的吊具，6是与吊具5保持为一体的吊物，7是配置于吊具5的上表面的标志物，8是配置于小车1的下表面对标志物7进行拍摄的照相机。

图3是吊具5的俯视图，相当于通过上述照相机8拍摄的吊具5以及标志物7等的拍摄图像。这里，标志物7例如在吊具5的大致两端部各配置一个。

应予说明，吊物6与吊具5保持为一体，因此只对摆动角进行考察时，将吊具5与吊物6当做同等的部件。

接下来，对该实施方式中的检测对象和推定对象即摆动角进行说明。

前述的图2中的θ是因小车1的横移动作而产生的偏移摆动角，是当吊物6摆动时，在吊物6的重心与垂直轴x之间形成的角度。

另外，图4中的φ表示由吊物6的重心处在偏心状态等而造成的，由于吊物6以垂直轴x为中心旋转从而形成的偏转摆动角。

接着，图5是表示xyz坐标系中的偏移摆动角以及偏转摆动角的说明图。图5所示的xyz坐标是以照相机8的位置为原点o的三维坐标，e1、e2表示前述的两个标志物7的位置。

图5中的θ1、θ2是在xoz平面上测定的偏移摆动角，θ1是o-e1在xoz平面上的正交投影轴与x轴之间的角度，θ2是o-e2在xoz平面上的正交投影轴与x轴之间的角度。

另外，φ1、φ2是在xoy平面上测定的偏转摆动角，φ1是o-e1在xoy平面上的正交投影轴与x轴之间的角度，φ2是o-e2在xoy平面上的正交投影轴与x轴之间的角度。

对于使用这些角度来计算吊物6的偏移摆动角θ以及偏转摆动角φ来说，使用算式1、算式2。

[算式1](偏移摆动角θ)

θ＝(θ1+θ2)/2

[算式2](偏转摆动角φ)

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

接下来，参照图1对本发明的第1实施方式的摆动角计算装置进行说明。该第1实施方式相当于技术方案1的发明。

图1是通过商用的plc(可编程逻辑控制器)等计算处理装置实现的摆动角计算装置10的功能框图。在该摆动角计算装置10中，11是检测值异常判定部，12是摆动角推定部，13是前次推定值和角速度保存部，14是计算偏移摆动角以及偏转摆动角的摆动角计算部。

以下，对图1的动作进行说明。

基于由图2的照相机8进行的标志物的拍摄图像而检测出的摆动角检测值θ1、θ2、φ1、φ2经由串行通信等传输单元被输入到摆动角计算装置10。在该摆动角计算装置10中，以固定周期执行计算。

检测值异常判定部11对本次被输入的检测值θ1、θ2、φ1、φ2和被保存在前次推定值和角速度保存部13的前次计算周期的推定值θ1’、θ2’、φ1’、φ2’分别进行比较，在各摆动角的偏差超过了预先设定的判定阈值的情况下，判定为异常而输出例如逻辑“0”的正常/异常判定信号a。该判定信号a在各摆动角的检测值与推定值之差的绝对值在上述判定阈值以下的情况下，判定为正常而成为逻辑“1”。

在此情况下，优选为，在上述偏差超过了判定阈值时立即判定为异常，并且在上述偏差在判定阈值以下的状态持续了一定时间的情况下判定为正常。

在正常/异常判定信号a的逻辑为“1”而检测值被判定为正常的情况下，摆动角推定部12将接收到的检测值θ1、θ2、φ1、φ2保持不变地作为推定值θ1’，θ2’，φ1’，φ2’输出(技术方案1中的第1处理)。

另外，在正常/异常判定信号a的逻辑为“0”而检测值被判定为异常的情况下，将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’与前次角速度δθ1’、δθ2’、δφ1’、δφ2’相加得到的值作为本次的推定值θ1’、θ2’、φ1’、φ2’输出(技术方案1中的第2处理)。

在前次推定值和角速度保存部13中，保存推定值θ1’、θ2’、φ1’、φ2’直到下次的计算，并且求出前次推定值与本次推定值的差来计算前次角速度δθ1’、δθ2’、δφ1’、δφ2’，并对这些值进行保存。

在摆动角计算部14中，使用推定值θ1’、θ2’、φ1’、φ2’作为前述的算式1以及算式2中的θ1、θ2、φ1、φ2，由此计算偏移摆动角θ以及偏转摆动角φ并输出。

利用上述的处理计算得到的偏移摆动角θ以及偏转摆动角φ在提供给用于进行所谓的防摆控制的驱动器的位置指令的生成中使用。

应予说明，在标志物拍摄时由于光学干扰等，所有的摆动角检测值θ1、θ2、φ1、φ2瞬间变得异常的情况下，使用前次的摆动角推定值以及角速度对所有这些摆动角检测值进行推定即可。在由于其它的理由摆动角检测值θ1、θ2、φ1、φ2中的任一个变得异常的情况下，保持正常的摆动角检测值不变而输出，只对异常的摆动角检测值进行上述的推定处理，由此生成摆动角推定值即可。

根据该第1实施方式，无需如前述的专利文献2那样使用多台拍摄装置，并且在暂时发生摆动角的误检测、检测报错的情况下，也能够利用计算处理适当地推定出摆动角而用于防摆控制。

接着，对本发明的第2实施方式的摆动角计算装置进行说明。该第2实施方式相当于技术方案2的发明。

本实施方式假设了通过使用摆动角推定值使驱动器动作，从而进行防摆控制的情况。

接下来，图6是将本发明的第2实施方式的摆动角计算装置20与偏转摆动角控制部30一起表示的功能框图。这些摆动角计算装置20以及偏转摆动角控制部30也可以通过商用的plc等计算处理装置实现。

应予说明，以下虽然对偏转摆动角的计算以及控制进行说明，但也可以应用于偏移摆动角的计算以及控制。

在图6中，摆动角计算装置20具备偏转摆动角检测值异常判定部21和偏转摆动角推定部22，该偏转摆动角检测值异常判定部21判定偏转摆动角检测值φ是正常还是异常，偏转摆动角推定部22接收偏转摆动角检测值异常判定部21的输出即正常/异常判定信号a、偏转摆动角检测值φ、和从偏转摆动角控制部30输出的驱动器位置指令(或者驱动器位置检测值)来计算偏转摆动角推定值φ’。

另外，偏转摆动角控制部30使用从偏转摆动角推定部22输出的偏转摆动角推定值φ’来生成驱动器位置指令，控制未图示的驱动器的动作来进行防摆控制。该偏转摆动角控制部30例如由比例积分微分(pid)控制单元构成。

作为防摆控制的具体的方法，例如已知有通过利用驱动器控制偏转油缸的位置，从而调整对吊物(吊具)在多个位置上进行支承的多根绳索(吊绳)的长度来使偏转摆动角衰减的方法，但在本发明中并没有特别地限定。

图7是图6中的偏转摆动角检测值异常判定部21的构成图。该异常判定部21的构成以及功能实际上与图1的检测值异常判定部11相同。

即，在图7中，利用减法单元21a求出偏转摆动角检测值φ与偏转摆动角推定值φ’的偏差，并利用绝对值计算单元21b计算偏差的绝对值。将该绝对值与判定阈值一起输入到比较单元21c，并且将比较单元21c的输出输入到接通延时(on-delay)单元21d而得到正常/异常判定信号a。

利用上述构成，若偏差的绝对值大于判定阈值，则立即将正常/异常判定信号a的逻辑设置在异常侧而输出，在偏差的绝对值在判定阈值以下的状态经过了一定时间的情况下，将正常/异常判定信号a的逻辑设置在正常侧而输出。其中，优选为，在计算开始时，仅在摆动角推定值追随摆动角检测值之前的时间不进行摆动角检测值的正常/异常判定。

接下来，图8是将图6中的偏转摆动角推定部22的构成与偏转摆动角检测值异常判定部21一起表示的图。

偏转摆动角推定部22具备：根据来自于偏转摆动角检测值异常判定部21的正常/异常判定信号a进行切换动作的第1切换单元22a和第2切换单元22b；减法单元22c；加法单元22d、22e；第1积分单元22f、第2积分单元22g；以及第1比例系数k1、第2比例系数k2、第3比例系数k3、第4比例系数k4。

该偏转摆动角推定部22的动作如下所述。

首先，预先取得偏转摆动角速度变化率相对于驱动器的位移的关系，将该比设定为第1比例系数k1，将相对于偏转摆动角产生的偏转摆动角加速度之比设定为第2比例系数k2，相对于偏转摆动角检测值φ与偏转摆动角推定值φ’之差分别设定第3比例系数k3、第4比例系数k4。

在正常/异常判定信号a为正常的情况下，将第1切换单元22a设置在第3比例系数k3侧，将第2切换单元22b设置在第4比例系数k4侧。

由此，将第1比例系数k1乘以驱动器位置指令(或者检测值)而得的结果与第1切换单元22a的输出相加，从得到的相加值中减去偏转摆动角推定值与第2比例系数k2相乘的结果，将得到的值利用第1积分单元22f进行积分而对偏转摆动角速度推定值进行更新。进而，将该偏转摆动角速度推定值与第2切换单元22b的输出的相加值利用第2积分单元22g进行积分而对偏转摆动角推定值进行更新(技术方案2中的第1处理)。

应予说明，若基于状态推定器设计法提供第3比例系数k3、第4比例系数k4，则能够得到跟随偏转摆动角检测值的偏转摆动角推定值。

在正常/异常判定信号a为异常的情况下，将第1切换单元22a、第2切换单元22b切换到“0”侧，由此不将使用来自于减法单元22c的输出信号与第3比例系数k3、第4比例系数k4的乘法结果加进来。

即，将由驱动器位置指令(或者检测值)与第1比例系数k1相乘的乘法结果和由偏转摆动角推定值与第2比例系数k2相乘的乘法结果之间的偏差利用第1积分单元22f进行积分来对偏转摆动角速度推定值进行更新，进而保持该偏转摆动角速度推定值不变地利用第2积分单元22g进行积分来对偏转摆动角推定值进行更新(技术方案2中的第2处理)。

换句话说，在摆动角检测值为异常的情况下，可以只构成将由偏转摆动角推定值与第2比例系数k2相乘的乘法结果反馈到由驱动器位置指令(或者检测值)与第1比例系数k1相乘的乘法结果来对偏转摆动角速度推定值以及偏转摆动角推定值进行更新的偏转运动模型。

与第1实施方式相同地，如上所述根据第2实施方式，在能够对偏转摆动角正常地进行检测的期间，偏转摆动角推定值跟随偏转摆动角检测值，因此能够对偏转摆动角进行适当地控制来进行防摆控制。

另外，在因光学干扰等影响在偏转摆动角检测值发生了异常的情况下，直到偏转摆动角检测值恢复正常为止，偏转摆动角推定值基于偏转运动模型被更新。因此，即使在无法忽视偏转摆动角的变化的程度的整个期间发生了检测值的异常，也能够将推定值更新为接近真值的偏转摆动角，能够无障碍地继续偏转摆动角的控制乃至防摆控制。

应予说明，在上述的第1实施方式、第2实施方式中，也可以使用除由照相机进行的拍摄图像以外的单元作为用于取得吊物的摆动角检测值的单元。

工业上的利用可能性

本发明可以作为利用集装箱起重机等对吊物进行搬运的装卸领域中的偏转摆动角、偏移摆动角的计算装置来使用。