JP4574609B2 - レーザーポインタを用いた天井クレーンによる搬送方法及び天井クレーンシステム - Google Patents
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- Control And Safety Of Cranes (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Description
非特許文献1:西村秀和、種村英朗、野波健蔵、走行クレーンのロープ長変動に対するゲインスケジュール位置決め制御、日本機械学会論文集(C編)、Vol。62、No。599、pp.2692−2697、(1996)
非特許文献2:橋本幸雄、土谷武士、松田俊彦、杉岡一郎、荷振れ情報を必要としないクレーンの吊り荷の振動抑制制御、計測自動制御学会論文集、Vol。30、No。2、pp。172−180、(1994)
非特許文献3:兼重明宏、寺嶋一彦、鈴木薪雄、殷雷、障害物認識と経路計画を考慮した天井クレーンの自律化、“日本機械学会論文集(C)”、Vol。64、No。618、(1998)、pp.487−494
非特許文献4:井口征士、3次元画像計測、昭晃堂、(1990)
非特許文献5:G.K. Schmidt, K.Azarm, Mobile robot path planning and execution based on a diffusion equation
strategy”, Advanced Robotics 7-5(1993),pp.479-490
非特許文献6:斎藤武雄、“数値伝熱学”、養賢堂、(1986)
非特許文献7:杉原厚吉、“グラフィックスの数理”、共立出版、(1995)
非特許文献8:David F. Rogers、 J.Alan Adams、山口富士夫、“コンピュータグラフィックス”、日刊工業新聞社(1979)
非特許文献9:須永照雄、“機械工学における最適化手法”、機械の研究、41−8、(1989)、pp.867−872
非特許文献10:柳井法貴、山本元司、毛利彰、“逆動力学計算に基づくクレーンのフィードバック制御”、計測自動制御学会論文集、37−11、(2001)、pp.1048−1055
非特許文献11:Yanai N, Yamamoto M, Mohri A, “Anti-Sway Control for Wire-Suspended Mechanism Based on Dynamics Compensation”, Proc IEEE Int Conf Rob Autom, 4,(2002),pp.4287-4292
非特許文献12:高橋伸寿,中沢洋介,梅田和昇,レーザーポインタを用いたホームロボット操作システムの構築,日本機械学会ロボティスク・メカトロニクス講演会講演論文集,pp2P1-K03(1)-2P1-K03(2),(2002)
非特許文献13:PAROMTCHIK.I.E, ASAMA.H,“Mobile robot guidance by means of a laser pointer”, Proc ASTED IntConf Model Identif Control, Vol.2,pp.718-721,(2001)
1・1 スポット光位置の求め方
本発明では図1に示すように、スポット光認識のために2つのカメラ11A,11Bをクレーンのフレーム3に固定する。障害物の設置位置によってはカメラの死角が存在するため、図2を使って想定される状況を述べる。
カメラが2台ともスポット光を認識できる場合は本節で述べる方法によりスポット光のクレーン座標を求める。図2のカメラ11AのカメラのパラメータをCA1〜CA11、カメラ座標を(UA、VA)、カメラ111BのカメラのパラメータをCB1〜CB11、カメラ座標を(UB、VB)、スポット光の座標を(X,Y,Z)とすると,非特許文献4に記載されるように、次式の関係が成り立つ。次式を行列で表したあと,一般逆行列を用いて最小二乗解を求めることで(X,Y,Z)を求める。
障害物によってカメラの死角が生じる。このような場合はカメラ1台しかスポット光を認識できない場合もある。このときは(2)式によりスポット光の2次元クレーン座標を求める。(2)式はZ=0のときの(1)式を変形させた式である。(2)式はカメラ11Aのものであるが,カメラ11Bのものも同様な式で求めることができる。
図2のC領域(小さな方の障害物の上面)に吊り荷を搬送したい場合の例を図3に示す。C領域は、先に述べたように、A1領域を有する大きい方の障害物にじゃまされてカメラ11Bでは撮像できないが、カメラ11Aで撮像可能である。
2・1 2台のカメラによる計測校正済みカメラで静止した物体の座標を求めることで精度の確認を行う。ここで静止した物体の座標を求めているのは,レーザーポインタのスポット光ではmm単位での位置決めは困難であり,計測誤差の確認には静止した物体の座標を求める方が容易であるためである。表1には実際に3次元座標を求めたときの例を示し,表の左に本来の3次元座標,右に計測結果を示す。単位はmmである。最大で11mmの誤差、最小で0mmの誤差であった。
図4に示す障害物環境下で、校正済みカメラで静止した物体の座標を求めたときの計測結果を表2に示す。表の左に本来の3次元座標、右に計測結果を示す。単位はmmである。撮像に使ったカメラはカメラ11Aであるが、カメラ11Bで撮像した場合も同様な結果になるため省略する。この結果より3次元座標を決定できた。最大で14mmの誤差、最小で0mmの計測誤差であった。
一般的にスポット光は大きさを持っている。レーザーポインタの当て方によっては大きな楕円となってしまい、楕円のどの位置を計測するかによって測定値が変わる問題が生じる。そこで本発明ではスポット光の重心位置を求めることでこの問題を解決する。スポット光の重心を求める方法としては、下に述べるアルゴリズムを用いる。
1)カメラで撮像した画像から輝度値を取得し、輝度値200以上の座標(図5の例では最も色の濃い領域)を取得する。
3・1 ポテンシャル法
ポテンシャル法とは、非特許文献5に説明されるように、拡散方程式を用い、搬送領域内に仮想的な拡散物質を拡散させ、その濃度勾配(ポテンシャル場)を用いて経路を得るものである。3次元拡散方程式は次式となる。
1)対象となる3次元搬送領域(X,Y,Z)をグリッド幅Δhのメッシュで区切り、障害物を該当するグリッドに配置する。
図8に示すように、ポテンシャル法によって得られた経路は折れ点の多い経路となる。台車軌道は折れ点の影響を受けやすく、不要な折れ点は搬送時間の増大を招く。そのため、最大濃度グリッドの点群を折れ線近似法により直線で近似する。この手法により不必要な折れ点を少なくする。近似の際には、経路が障害物領域に侵入しないことを条件に近似を行う。図9に障害物環境を用いた折れ線近似法の概要を示す。図中_印で示されるスタート地点を線分の始点とする。線分の終点をゴール地点から経路データの点群(同図。印)を走査していき、障害物と衝突しない直線を探索する。図中の破線は障害物領域へ進入してしまうため選択されない。障害物と衝突しない直線を決定したならば、その直線の終点を新たに始点として直線を探索する。この操作を繰り返し行うと図10に示すような近似結果が得られる。同図破線がポテンシャル法により得られた経路を表し、実線が直線近似を行った近似経路である。近似経路の折れ点数は14点から4点に減少し、搬送距離が短縮されていることが分かる。以下に折れ線近似法の手順を示す。
1)ポテンシャル法により得られた選択グリッドをPi(i=1、・・・、n)として、s=1、g=nとおく。
4・1 5次Bスプライン曲線
逆動力学計算を用いた制御系において、荷物軌道は4階微分が可能であることが求められるため、本発明では5次Bスプライン曲線を用いて荷物軌道を表現する。区間[i,i+1]、(i=0、・・・、N−1)における5次Bスプライン曲線で表現された荷物軌道
制御点及び終端時刻を記述する制御点ベクトルを
次に各種制約条件について述べる。モータには有限の速度,加速度を有するので,モータの装置制約を考慮する必要がある。最適制御問題における制約条件をgi(t)≧0の形で表すと,台車速度
荷物の障害物領域内への進入を抑制する制約としてラプラス方程式を用いた障害物回避のための制約条件を利用する。この制約条件を利用することで,求めた荷物軌道が障害物領域内に進入していないかを評価できる。次の手順で制約のための荷物軌道
1) 折れ点近似法により得られた制御点ベクトルを
5・1 逆動力学計算によるFF制御
本発明では、荷物の軌道追従、振動抑制を非特許文献10に記載される逆動力学計算によるフィードフォワード制御により行う。この手法は荷物軌道
図6(a)に示す障害物環境で,各節で述べた方法を統合してシミュレーションと搬送実験を行った。その結果を図14に重ねて示す。3次元で表した図の上側にある軌道が台車のロープ繰り出し点,下側にある軌道が吊り荷重心を表し,細線がロープ,マップ中央に障害物,その周辺の床面に示したものは,吊り荷の半径分拡大した障害物領域を示している。2次元で表したグラフの中で,位置は吊り荷重心の位置を示し,速度と加速度は台車軌道の速度,加速度である。振れ角はロープのものである。実験結果より最大残留振動は0.081[rad]であり,良好に残留振動の抑制ができている。位置決め誤差は10[mm]でありシミュレーション結果と実験結果はほぼ一致している。また,最大速度,最大加速度制約を満たしている。
レーザーポインタのスポット光で目標搬送位置を照らし,吊り荷をスポット光の位置まで操作することを行う。目標搬送位置はカメラによって計測されたスポット光の位置とするが,Z軸をカメラで認識した座標をそのまま目標搬送位置として使うと吊り荷下部が障害物に激突するため、安全マージンも含めて測定値に0.15[m]プラスして目標搬送位置とする。図15はスポット光の位置へ,実際にクレーンを操作したときの実験データを示す。吊り荷はスポット光の上部に移動でき、残留振動の抑制を行いながら障害物の回避ができていることが図より確認できる。
カメラ2台でスポット光を計測する場合は11mmの誤差以内、カメラ1台でスポット光を計測する場合は14mmの誤差以内で3次元位置の計測ができることを実験により示した。ポテンシャル法を用いた経路計画、5次Bスプライン曲線の制御点と搬送時間をコンプレックス法による同時最適化、逆動力学計算による制振FF制御系を適用することで吊り荷の残留振動抑制と障害物回避を実現することができた。また、これらの要素技術を統合し、スポット光の位置へクレーンを操作することを行い、スポット光の位置へ残留振動抑制と障害物回避を行いながら位置決めができることを示した。
2 台車
3 フレーム
4 ガーダ
5A,5B タイミングベルト
6 コントローラ
7 ワイヤーロープ
10 搬送物
11A,11B カメラ
Claims (12)
- コントローラを介して自動運転される天井クレーンを用いて搬送物を搬送開始位置から目標搬送位置の真上までの3次元空間における搬送径路に沿って自動的に搬送する方法であって、
少なくとも2台のカメラを設置し、そのうちの少なくとも一方のカメラは位置座標が既知であり、
レーザーポインタによりレーザー光線を目標搬送位置の床表面に照射してスポット光を生成し、
前記少なくとも2台のカメラと前記スポット光との間に障害物が存在しない場合には、該2台のカメラにより前記スポット光を撮像し、その撮像された画像から前記スポット光に対応する輝度値を取得し、この輝度値に基づいてスポット光重心位置の3次元空間座標を決定すると共に、この3次元空間座標を前記目標搬送位置として利用して前記コントローラによって前記搬送径路を決定し、該搬送径路に沿って前記搬送物を前記搬送開始位置から前記目標搬送位置の真上まで自動的に搬送し、
前記少なくとも2台のカメラのうちの前記位置座標が既知である一方のカメラのみが前記スポット光を撮像でき、他方のカメラが障害物のために前記スポット光を撮像できない場合には、前記位置座標が既知であり、前記スポット光を撮像できる前記一方のカメラにより前記スポット光を撮像し、その撮像された画像から輝度値を取得し、この輝度値に基づいてスポット光重心位置の3次元空間座標を決定し、且つこのスポット光重心位置の3次元空間座標と、前記一方のカメラの前記既知の位置座標と、光切断法により予め求めておいた前記障害物の位置情報とに基づいて前記天井クレーンの3次元空間座標を決定すると共に、この3次元空間座標を前記目標搬送位置として利用して前記コントローラによって前記搬送径路を決定し、該搬送径路に沿って前記搬送物を前記搬送開始位置から前記目標搬送位置の真上まで自動的に搬送することを含んでなる自動搬送方法。 - 請求項1に記載の自動搬送方法であって、前記搬送開始位置と、前記スポット光重心位置とを結ぶ直線上に障害物が存在するとき、3次元拡散方程式に基づくポテンシャル法を適用して前記障害物の3次元障害物を回避するための折れ線状の障害物回避径路を計算し、前記搬送物を該障害物回避径路上で搬送する自動搬送方法。
- 請求項2に記載の自動搬送方法であって、前記障害物回避径路に関して折れ線近似法を適用して前記障害物回避径路の折れ線の数を減少した搬送径路を決定することを含んでなる自動搬送方法。
- 請求項3に記載の自動搬送方法であって、前記折れ線の数を減少した搬送径路を5次Bスプライン曲線で表し、該曲線を搬送径路とすることを含んでなる自動搬送方法。
- 請求項2に記載の自動搬送方法であって、ラプラス方程式を用いた障害物回避のための制約条件を利用することを含んでなる自動搬送方法。
- 請求項3に記載の自動搬送方法であって、前記折れ線の数を減少した搬送径路にコンプレックス法を適用して搬送径路を非線形最適化することを含んでなる自動搬送方法。
- 請求項4に記載の自動搬送方法であって、前記5次Bスプライン曲線の搬送径路に関して逆動力学計算によるフィードフォワード制御を行うことを含んでなる自動搬送方法。
- レーザーポインタによって搬送物の目標搬送位置の床表面にレーザー光線を照射して生成したスポット光を利用し、天井クレーンを用いて搬送物を搬送開始位置から目標搬送位置の真上までの3次元空間における搬送径路に沿って自動的に搬送するクレーンシステムであって、
搬送物を垂直方向に移動させることができ、かつ、水平面内で移動可能な台車と、該台車を水平移動自在に支持するフレームを含む天井クレーンと、
前記スポット光を認識するための少なくとも2台のカメラであり、そのうちの少なくとも一方のカメラは位置座標が既知であるカメラと、
前記少なくとも2台のカメラに接続されたコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記2台のカメラと前記スポット光との間に障害物が存在しない場合には、前記2台のカメラにより前記スポット光を撮像し、その撮像された画像から前記スポット光に対応する輝度値を取得し、この輝度値に基づいてスポット光重心位置の3次元空間座標を決定すると共に、この3次元空間座標を前記目的搬送位置として前記天井クレーンの駆動装置に指令し、
更に前記コントローラは、前記少なくとも2台のカメラのうちの前記位置座標が既知である一方のカメラのみが前記スポット光を撮像でき、他方のカメラが障害物のために前記スポット光を撮像できない場合には、前記位置座標が既知であり、前記スポット光を撮像できる前記一方のカメラにより前記スポット光を撮像し、その撮像された画像から輝度値を取得し、この輝度値に基づいてスポット光重心位置の3次元空間座標を決定し、且つこのスポット光重心位置の3次元空間座標と、前記一方のカメラの前記既知の位置座標と、光切断法により予め求めておいた前記障害物の位置情報とに基づいて前記天井クレーンの3次元空間座標を決定すると共に、この3次元空間座標を前記目的搬送位置として前記天井クレーンの駆動装置に指令するクレーンシステム。 - 請求項8に記載のクレーンシステムであって、前記少なくとも2台のカメラはCCDカメラであるクレーンシステム。
- 請求項8に記載のクレーンシステムであって、前記少なくとも2台のカメラを前記天井クレーンの前記フレームに固定して設けたクレーンシステム。
- 請求項8に記載のクレーンシステムであって、前記搬送開始位置と、前記スポット光重心位置とを結ぶ直線上に障害物が存在するとき、前記コントローラは、3次元拡散方程式に基づくポテンシャル法を適用して前記障害物の3次元障害物を回避するための折れ線状の障害物回避径路を計算し、該障害物回避径路を前記搬 送径路として前記天井クレーンの駆動装置に指令するクレーンシステム。
- 請求項8に記載のクレーンシステムであって、前記コントローラは、前記障害物回避径路に関して折れ線近似法を適用して前記障害物回避径路の折れ線の数を減少した搬送径路を決定し、該決定した搬送径路を前記天井クレーンの駆動装置に指令するクレーンシステム。
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