JP6106602B2 - 横転限界検出システム - Google Patents

Description

本発明は、横転に至る限界の横転限界高さを検出する横転限界検出システムに関する。

車両の横転を未然に防止するため、横転の危険性を報知する技術が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
特許文献１では、車両のロール角及びロール角速度をパラメータとする二次元マップ上に横転限界曲線を設定し、ロール角及びロール角速度が大きい領域を車両横転領域として設定するとともに、ロール角速度センサ１で検出したロール角速度とロール角の履歴が横転限界曲線を超えて車両横転領域に入ったときに車両が横転する可能性があると判断している。
また、特許文献２では、作業機全体の重心位置と転倒支点とを結ぶ線の鉛直線に対するなす角（安息角）が、限界安息角より大きいときは、車体は安全姿勢にあり、限界安息角以下のときは、危険領域と判断している。

特開２０１１−６０６８号公報 特開２００７−１８６９５３号公報

しかしながら、従来技術では、重量や重量分布が明らかになっている車両が対象となっており、重量や重量分布が事前に明らかになっていない構造体の横転の危険性を判断することができないという問題点があった。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、従来技術の問題を解決し、構造体が横転してしまう限界の重心高さを横転限界高さとして算出することで、算出した横転限界高さに基づいて、重量や重量分布が事前に明らかになっていない構造体の横転の危険性を判断することができる横転限界検出システムを提供することにある。

本発明の横転限界検出システムは、基準面の基準軸を挟んだ両側がそれぞれ弾性力によって支持された構造体と、前記基準面の上下方向の往復運動を検出する上下方向検出手段と、前記弾性力によって前記基準軸を挟んで前記構造体を支持している間隔と前記上下方向検出手段の検出結果から求めた前記基準面の上下方向の縦揺れ周波数とに基づき、前記構造体の重心が前記基準軸上に存在する場合における、前記構造体が前記基準面の前記基準軸を中心とした回転方向に横転してしまう限界の重心高さを横転限界高さとして算出する演算手段を具備することを特徴とする。
さらに、横転限界検出システムにおいて、手段は、前記弾性力によって前記構造体の重心に働く前記回転方向の力が、重力に抗する復元力を得ることができなくなる重心高さを前記横転限界高さとして算出するようにしても良い。
さらに、横転限界検出システムにおいて、前記基準面の前記基準軸を中心とした回転を検出する回転方向検出手段を具備し、前記演算手段は、前記回転方向検出手段の検出結果から求めた前記基準面の静止状態の傾斜角を用いて、前記構造体の前記基準面上の重心位置における前記横転限界高さを算出するようにしても良い。
さらに、横転限界検出システムにおいて、前記演算手段は、前記回転方向検出手段の検出結果から前記基準軸を中心とする揺動の中心角度を静止状態の前記傾斜角として求めるようにしても良い。
さらに、横転限界検出システムにおいて、前記演算手段は、前記縦揺れ周波数及び前記揺動の中心角度に基づき、前記横転限界高さを算出するようにしても良い。
さらに、横転限界検出システムにおいて、前記演算手段は、前記上下方向検出手段及び前記回転方向検出手段の検出結果に基づき、前記上下方向の前記基準軸から前記構造体の重心までの重心高さを算出するようにしても良い。
さらに、横転限界検出システムにおいて、前記演算手段によって算出された前記横転限界高さと前記重心高さとに基づいて、前記構造体の前記回転方向における横転危険性を判定する横転判定手段と、前記横転判定手段による判定結果を報知する報知手段とを具備するようにしても良い。

本発明によれば、基準面の上下方向の往復運動と、基準軸を中心とした回転方向の角度とに基づいて、構造体が横転してしまう限界の重心高さを横転限界高さとして算出することで、算出した横転限界高さに基づいて、重量や重量分布が事前に明らかになっていない構造体の横転の危険性を判断することができるという効果を奏する。

本発明に係る横転限界検出システムの第１の実施の形態の構成を示す斜視図である。 図１に示す振動検出装置の側面図である。 図２に示す載置板の形状及びバネの配置を説明するための説明図である。 図１に示すデータ処理装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す振動検出装置の動作を説明するための説明図である。 図１に示す振動検出装置の動作を説明するための説明図である。 図４に示す報知部に出力される報知画面例を示す図である。 本発明に係る横転限界検出システムの第２の実施の形態が搭載されたトレーラトラックの構成を示す側面図である。 本発明に係る横転限界検出システムの第２の実施の形態が搭載されたトレーラトラックの構成を示す背面図である。 本発明に係る横転限界検出システムの第２の実施の形態の構成を示すブロック図である。 図１０に示す報知部に出力される報知画面例を示す図である。 本発明に係る横転限界検出システムの第３の実施の形態が搭載されたクレーン車の構成を示す側面図である。 本発明に係る横転限界検出システムの第３の実施の形態が搭載されたクレーン車の構成を示す背面図である。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態の横転限界検出システムは、図１を参照すると、振動検出装置１と、データ処理装置３とを備えている。振動検出装置１は、弾性力によって支持された載置板１０を備え、載置板１０に載置された被検出対象物の揺動（固有振動）を検出する。データ処理装置３は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置であり、振動検出装置１によって検出された被検出対象物の揺動（固有振動）に基づいて被検出対象物の横転限界高さと重心高さ及び重心位置とを求める。なお、横転限界高さとは、載置板１０上に載置された被検出対象物が横転してしまう限界の重心高さであり、載置板１０上において、横転限界高さ未満に被検出対象物の重心が位置しない場合には、被検出対象物は横転してしまうことになる。また、横転、転倒、転覆等の表現は、物体の重心が安定を保てず回転運動を進行させて、重力方向に抗すすべなく落下や崩落してゆく同義語とみなす。以下、本実施の形態では、この現象の総称として、横転をその代表語として用いる。

振動検出装置１は、図１及び図２を参照すると、被検出対象物が載置される基準面である載置板１０と、底板１１に植設され、載置板１０を支えるバネ１２とを備えている。なお、図２（ａ）は、振動検出装置１を図１に示すＸ軸方向から見た側面図であり、図２（ｂ）は、振動検出装置１を図１に示すＹ軸方向から見た側面図である。

載置板１０は、図１及び図３を参照すると、被検出対象物が載置される載置平面として機能する平面を有する矩形状の板である。載置板１０には、載置平面と平行な基準軸である揺動中心軸１６が、載置板１０の両端から突出するように形成されている。なお、図３は、載置板１０を裏面側から見た図である。載置板１０としては、木材やプラスチック等の任意の素材を用いることができるが、被検出対象物に対して十分に軽量であることが望ましい。載置板１０は、重量分布が均一な平板であると共に、揺動中心軸１６に対して線対称な形状に構成されている。従って、載置板１０における載置平面上の重心は、揺動中心軸１６上に位置する。

なお、第１の実施の形態では、図１に示すように、載置板１０の載置平面に対して垂直な方向を上下方向、揺動中心軸１６に平行な方向を前後方向、載置板１０の載置平面に対して平行且つ揺動中心軸１６と直交する方向を左右方向とする。また、重力が作用する自重方向をＺ軸方向、Ｚ軸方向及び前後方向と直交する方向をＸ軸方向、Ｚ軸方向及び左右方向と直交する方向をＹ軸方向とし、載置板１０が水平な状態では、上下方向とＺ軸方向とが、前後方向とＹ軸方向とが、左右方向とＸ軸方向とがそれぞれ一致する。

バネ１２は、弾性力を有して載置板１０を支持する支持手段として機能し、揺動中心軸１６を挟んだ両側を同じ弾性力で支持するように構成されている。第１の実施の形態では、同一の弾性力を有するコイル状の圧縮バネであるバネ１２が矩形状の載置板１０の四隅にそれぞれ配置されており、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、被検出対象物が載置されていない状態の載置板１０が水平に支持される。このように、同一の弾性力を有するバネ１２を揺動中心軸１６に対して線対称に配置することにより、載置板１０の揺動中心軸１６を挟んだ両側を同じ弾性力で支持することができる。なお、バネ１２は、コイル状の圧縮バネに限定されることなく、板バネや、空気バネ等を用いるようにしても良い。また、載置板１０の揺動中心軸１６を挟んだ両側を同じ弾性力で支持できるのであれば、揺動中心軸１６を挟んで異なる弾性力を有するバネ１２を揺動中心軸１６からの距離を変えて配置したり、異なる個数のバネ１２を配置したりしても良い。さらに、揺動中心軸１６上に配置させた１個もしくは複数のバネ１２（例えば、径の大きいコイル状の圧縮バネや空気バネ等）によって、載置板１０の揺動中心軸１６を挟んだ両側を同じ弾性力で支持させるように構成しても良い。さらにまた、揺動中心軸１６を挟んだ両側が同じ弾性力で支持されていることが理想ではあるが、両側を支持する弾性力が若干異なっている場合でも、被検出対象物の横転限界高さと重心高さ及び重心位置とを求めることが可能である。なお、左右の弾性力が異なっている場合には、揺動中心軸１６を載置板１０の中央から弾性力の強い側にずらすことにより、正確に測ることができる。

載置板１０の裏面には、加速度センサ１３と角速度センサ１４とが載置板１０の揺動を検出する揺動検出手段として設けられている。加速度センサ１３は、上下（自重）方向（図１に示すＺ軸方向）の加速度、すなわち基準面である載置板１０の上下方向の縦揺れ（揺動）を検出するように感度軸が調整されている。また、角速度センサ１４は、基準軸である揺動中心軸１６を中心とした回転方向の角速度、すなわち揺動中心軸１６を中心とした回転方向の横揺れ（揺動）を検出するように感度軸が調整されている。加速度センサ１３及び角速度センサ１４には、特に限定はなく、例えば水晶音叉式のセンサや振動式のセンサを用いることができ、加速度センサ１３及び角速度センサ１４として３軸（３次元）の角速度センサを用いても良い。

底板１１には、揺動中心軸１６の両端部の動きをそれぞれ規制する一対のＸ軸規制用ガイド部２１が設けられている。Ｘ軸規制用ガイド部２１には、Ｚ軸方向（自重方向）を長手方向とする長穴が形成されており、揺動中心軸１６の両端部が対象位置にあるＸ軸規制用ガイド部２１のそれぞれの長穴に嵌合されている。これにより、揺動中心軸１６は、Ｘ軸規制用ガイド部２１の長穴に沿って移動されるため、載置板１０は、Ｘ軸方向の動きが規制された状態で、上下方向の縦揺れ（揺動）と、揺動中心軸１６を中心とした回転方向の横揺れ（揺動）とが可能な状態となる。

また、底板１１には、バネ１２と干渉しない位置にＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器１５が設けられている。Ａ／Ｄ変換器１５は、加速度センサ１３及び角速度センサ１４から出力されるアナログ信号（検出結果）をデジタル信号に変換してデータ処理装置３に出力する。なお、Ａ／Ｄ変換機能が内蔵された加速度センサ１３及び角速度センサ１４を用いた場合には、Ａ／Ｄ変換器１５を省略しても良い。

データ処理装置３は、図４を参照すると、マイクロプロセッサ等からなる演算部３１と、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）やＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等からなる記憶部３２と、キーボード等の操作部３３と、液晶ディスプレイやスピーカ等の報知部３４と、受信部３５とを備え、各部はバス３６によって接続されている。

記憶部３２には、重心位置を導くための演算プログラムや、当該演算に必要な各種の入力用の定数が記憶されている。演算部３１は、操作部３３からの演算指示に基づいて、一定期間、加速度センサ１３及び角速度センサ１４から出力を記憶部３２に記憶させる。次に、演算部３１は、記憶部３２に記憶されている演算プログラムに従って、記憶部３２に記憶した加速度センサ１３及び角速度センサ１４から出力を演算することで、載置板１０に載置された被検出対象物の横転限界高さと重心位置とを算出する。演算部３１によって算出された被検出対象物の横転限界高さと重心位置とは、報知部３４から表示通知や音声通知として出力される。

次に、第１の実施の形態における横転限界高さ検出動作について図５乃至図７を参照して詳細に説明する。
まず、図５に示すように、被検出対象物４０を振動検出装置１の載置板１０に載置する。被検出対象物４０が載置板１０に載置された状態では、載置板１０を支持するバネ１２の弾性力によって支えられ、被検出対象物４０の重量及び重心位置に応じた高さに中立する。なお、本発明では、被検出対象物４０の重量やバネ１２のバネ定数は任意であるが、バネ１２の弾性力は、被検出対象物４０の重さに対して、適度な強さに設定されている必要があり、バネ１２の弾性力が弱すぎても強すぎても好ましくない。すなわち、被検出対象物４０の想定重量に応じ、被検出対象物４０が載置板１０に載置された状態では、被検出対象物４０の重量に応じた高さに中立し、被検出対象物４０を安定静止させるのみならず十分な搖動を発生するに足るようにバネ１２の弾性力が設定されている。

次に、図５に矢印で示すように、被検出対象物に対して縦振動と横揺れとを同時に発生させる外乱を作用させ、載置板１０に載置された被検出対象物４０を揺動させる。なお、外乱は、載置板１０に作用させても良く、また、振動検出装置１を台車や車両等の走行体に乗せて路面の凹凸によって作用させても良い。

載置板１０に被検出対象物４０に載置した状態で外乱を被検出対象物４０もしくは載置板１０に作用させると、被検出対象物４０は、図５に示すように、バネ１２の弾性力、被検出対象物４０の総重量及びその重心位置Ｗに依存する固有の周期（周波数）を持つ運動に基づいて揺動（固有振動）する。この運動は、Ｘ軸規制用ガイド部２１によって、Ｘ軸方向の動きが規制された状態で行われる。従って、加速度センサ１３によって、被検出対象物４０の重心Ｗの上下方向の往復運動が上下方向の縦揺れ（揺動）として正確に検出されると共に、角速度センサ１４によって、被検出対象物４０の重心Ｗの揺動中心軸１６を中心とした単振子運動が回転方向の横揺れ（揺動）として正確に検出される。

加速度センサ１３の検出結果（上下方向の加速度）と、角速度センサ１４の検出結果（回転方向の角速度）とは、データ処理装置３に入力される。データ処理装置３の演算部３１は、加速度センサ１３の検出結果（上下方向の加速度）から上下方向の縦揺れ（揺動）の縦揺れ周波数「ｖ」を求めると共に、角速度センサ１４の検出結果（回転方向の角速度）から揺動中心軸１６を中心とした回転方向の横揺れ（揺動）の横揺れ周波数「Ｖ」をそれぞれ求める。また、演算部３１は、角速度センサ１４の検出結果（回転方向の角速度）から揺動中心軸１６を通る垂直中心ラインと、横揺れの中心を示す横揺れ中心ラインとの間の角度を揺動の中心角度「α」として求める。

なお、揺動の中心角度「α」は、静止状態における水平面に対する載置板１０の回転方向の傾斜角「α」（以下、静止状態の傾斜角「α」と称す）である。従って、傾斜角センサ等の静止状態での載置板１０の角度を測定するセンサを載置板１０に取り付け、被検出対象物４０を搖動させる前の静止状態の傾斜角「α」を測定するようにしても良い。また、手間が必要になるが、水準器等を用いて静止状態の傾斜角「α」を目視し、操作部３３から入力設定することも可能である。さらに、載置板１０の角度を測定できるジャイロ等の測定手段を設け、静止状態の傾斜角「α」を測定したり、測定結果から揺動の中心角度「α」を求めるようにしたりしても良い。

次に、演算部３１は、求めた縦揺れ周波数「ｖ」及び中心角度「α」に基づいて、被検出対象物４０が左右方向に横転に至る重心高さの限界を示す横転限界高さｌ_ｍａｘを算出すると共に、求めた縦揺れ周波数「ｖ」、横揺れ周波数「Ｖ」及び中心角度「α」に基づいて、揺動中心軸１６から被検出対象物４０の重心Ｗまでの上下方向の重心高さ「ｌ（スモールエル）」と、揺動中心軸１６から被検出対象物４０の重心Ｗまでの左右方向の重心位置「ｓ」とを算出する。

まず、横転限界高さｌ_ｍａｘの算出方法について説明する。
回転方向の横揺れ（揺動）は、揺動中心軸１６を中心とした左右方向の単振子運動である。従って、回転モーメントの釣り合い式から、被検出対象物４０の重心Ｗに働く回転方向の力「ｆ」は、次式で表すことができる。

〔数１〕において、「ｍ」は被検出対象物４０の重量、「ｇ」は重力加速度、「ｋ」はバネ１２の弾性係数（バネ定数）、「ｂ」は揺動中心軸１６を挟んだバネ１２の間隔である。また、「θ’」は水平面から回転方向に中心角度「α」傾斜した面に対する被検出対象物４０の回転方向の角度であり、回転方向の横揺れ（揺動）に伴って時間と共に変化する。なお、ここで用いる弾性係数「ｋ」は、揺動中心軸１６を挟んだ左右片側全体のバネ１２を一つのバネとして見立てたものである。

ここで、図６（ａ）に示すように、被検出対象物４０の重心Ｗが垂直中心ライン上に存在する場合について考察する。被検出対象物４０の重心Ｗが垂直中心ライン上に存在する場合には、「ｓ」＝０、中心角度「α」＝０となる。従って、この状態の時の重心Ｗの高さを「ｌ_０」とすると、〔数１〕は次式となる。

〔数２〕において、「θ」は水平面に対する被検出対象物４０の回転方向の角度であり、回転方向の横揺れ（揺動）に伴って時間と共に変化する。

〔数２〕において、重心Ｗに働く回転方向の力「ｆ」が重力に抗する復元力となるためには、次式を満たす必要がある。

換言すると、〔数３〕を満たさない場合には、重力に抗する復原力となる重心Ｗに働く回転方向の力「ｆ」が得られず、被検出対象物４０が横転に至ることになる。従って、被検出対象物４０が横転に至る重心高さの限界を横転限界高さｌ_０ｍａｘとすると、横転限界高さｌ_０ｍａｘは、次式で表すことができる。

また、「ｋ」／「ｍ」は、次式のように上下方向の縦揺れ（揺動）の縦揺れ周波数「ｖ」を用いて表すことができる。なお、「π」は、円周率である。

従って、横転限界高さｌ_０ｍａｘは、次式のように、上下方向の縦揺れ（揺動）の縦揺れ周波数「ｖ」と、揺動中心軸１６を挟んだバネ１２の間隔「ｂ」とで表すことができ、「ｂ」を設定しておき、縦揺れ（揺動）の縦揺れ周波数「ｖ」を計測することで、横転限界高さｌ_０ｍａｘを求めることができる。

現実には、重心Ｗが垂直中心ライン上に存在するとは限らず、任意の位置に存在し、垂直中心ライン上の横転限界高さｌ_０ｍａｘのみではなく、左右方向の横転限界位置を示す必要がある。

図５に示すように、横揺れ中心ラインが垂直中心ラインから中心角「α」傾いた状態で、垂線方向と水平位置方向の成分を考えると、垂線方向の「ｌ」の長さは、ｌｃｏｓαであり、同様に、水平方向の「ｂ」の長さは、ｂｃｏｓαである。従って、図５に示す状態は、図６（ｂ）に示すように、ｌｃｏｓαという高さで垂線上にある重心Ｗ’が、ｂｃｏｓαの幅のばね構造体上で揺動している現象と置き換えることができる。図６（ｂ）に示す状態を〔数２〕と〔数６〕とを用いて表すと次式になる。

〔数７〕において、重心Ｗに働く回転方向の力「ｆ」が重力に抗する復原力となるためには、次式を満たす必要がある。

換言すると、左右方向の重心位置「ｓ」がゼロでない場合には、〔数８〕を満たさないと、重力に抗する復原力となる重心Ｗに働く回転方向の力「ｆ」が得られず、被検出対象物４０が横転に至ることになる。従って、左右方向の重心位置「ｓ」がゼロでない場合の、被検出対象物４０が横転に至る重心高さの限界を横転限界高さｌ_ｍａｘとすると、横転限界高さｌ_ｍａｘは、次式で表すことができる。

従って、左右方向の重心位置「ｓ」がゼロでない場合の横転限界高さｌ_ｍａｘは、〔数６〕によって求めた横転限界高さｌ_０ｍａｘと垂直中心ラインと横揺れ中心ラインとの間の中心角度「α」とから求めることができる。〔数９〕によると、横転限界高さｌ_ｍａｘは、横転限界高さｌ_０ｍａｘよりも必ず小さい値となり、中心角「α」が大きくなるほど、すなわち左右方向の重心位置「ｓ」が垂直中心ラインから離れるほど小さい値となることがわかる。

次に、上下方向の重心高さ「ｌ（スモールエル）」と、左右方向の重心位置「ｓ」との算出方法について説明する。
上下方向の重心高さ「ｌ」及び左右方向の重心位置「ｓ」は、加速度センサ１３及び角速度センサ１４の検出結果から求められる縦揺れ周波数「ｖ」、横揺れ周波数「Ｖ」及び中心角度「α」を用いて次式で表すことができる。

また、左右方向の重心位置「ｓ」は、上下方向の重心高さ「ｌ」と、加速度センサ１３の検出結果から求められる縦揺れ周波数「ｖ」及び中心角度「α」とを用いて次式で表すことができる。

さらに、〔数１１〕を〔数１０〕に代入することで、次式で示す上下方向の重心高さ「ｌ」による二次方程式が得られる。

〔数１２〕において、二次係数、一次係数及び定数項は、求めた縦揺れ周波数「ｖ」、横揺れ周波数「Ｖ」及び中心角度「α」を用いて特定することができる。従って、データ処理装置３では、求めた縦揺れ周波数「ｖ」、横揺れ周波数「Ｖ」及び中心角度αを用いて〔数３〕を演算することで上下方向の重心高さ「ｌ」を求め、さらに、〔数２〕を演算することで左右方向の重心位置を「ｓ」を求める。なお、上下方向の重心高さを「ｌ」は、揺動中心軸１６から被検出対象物４０の重心Ｗまでの高さであるため、載置板１０の厚さや揺動中心軸１６の半径が無視できない値である場合には、当該値を減算した結果を上下方向の重心高さを「ｌ」として求めると良い。

演算部３１によって求められた横転限界高さｌ_ｍａｘと、上下方向の重心高さを「ｌ」と、左右方向の重心位置「ｓ」とは、報知部３４によって出力される。報知部３４は、例えば、図７に示すような報知画面５０を報知部３４に表示させ、横転限界高さｌ_ｍａｘと、上下方向の重心高さを「ｌ」と、左右方向の重心位置「ｓ」とを報知する。報知画面５０には、上下方向を縦軸に、左右方向を横軸にしたグラフ５１が設けられており、横転限界高さｌ_ｍａｘと、上下方向の重心高さを「ｌ」と、左右方向の重心位置「ｓ」とをグラフ化されて出力されるように構成されている。グラフ５１において、×印が横転限界高さｌ_ｍａｘを、●印が上下方向の重心高さを「ｌ」及び左右方向の重心位置「ｓ」をそれぞれ示している。さらに、グラフ５１中の点線は、左右方向の重心位置「ｓ」に応じた横転限界高さｌ_ｍａｘの予想曲線であり、転倒に至る左右方向の重心位置「ｓ」の限度を把握することができるようになっている。これにより、ユーザは、横転限界高さｌ_ｍａｘ、上下方向の重心高さを「ｌ」及び左右方向の重心位置「ｓ」を視覚的に簡単に認識することができる。また、報知画面５０において、求めた縦揺れ周波数「ｖ」、横揺れ周波数「Ｖ」及び中心角度「α」の表示欄や、揺動中心軸１６を挟んだバネ１２の間隔「ｂ」、ＦＦＴの条件等を入力することができる入力欄を設けるようにしても良い。

以上説明したように、第１の実施の形態では、振動検出装置１（載置板１０とバネ１２）と、載置板１０に載置された被検出対象物４０とを、基準面（載置板１０）の基準軸（揺動中心軸１６）を挟んだ両側がそれぞれ弾性力（バネ１２）によって支持された構造体とし、基準面（載置板１０）の上下方向の往復運動を検出する加速度センサ１３と、被検出対象物４０が静止状態における水平面に対する基準面（載置板１０）の基準軸（揺動中心軸１６）を中心とする回転方向の傾斜角「α」と加速度センサ１３の検出結果に基づき、構造体（被検出対象物４０）の基準面（載置板１０）上の重心位置において、載置板１０に載置された被検出対象物４０が回転方向に横転してしまう限界の重心高さを横転限界高さｌ_ｍａｘとして算出する演算部３１とを備えている。この構成より、第１の実施の形態では、重量や重量分布が事前に明らかになっていない構造体においても、横転限界高さｌ_ｍａｘを算出することができ、算出した横転限界高さｌ_ｍａｘに基づいて、重量や重量分布が事前に明らかになっていない構造体の横転の危険性を判断することができるという効果を奏する。例えば、各種車両を模擬した振動検出装置１及び被検出対象物４０を用い、被検出対象物４０の重心高さ・位置を変更して横転限界高さｌ_ｍａｘをそれぞれ算出することで、様々な状況における横転の危険性をシミュレーションすることが可能になる。

さらに、第１の実施の形態では、演算部３１において、弾性力（バネ１２）によって構造体（被検出対象物４０）の重心Ｗに働く回転方向の力が、重力に抗する復元力を得ることができなくなる重心高さを横転限界高さｌ_ｍａｘとして算出するように構成されている。この構成より、第１の実施の形態では、重量や重量分布が事前に明らかになっていない構造体においても、加速度センサ１３の検出結果に基づき、簡単な計算式によって横転限界高さｌ_ｍａｘを算出することができる。

さらに、第１の実施の形態では、基準面（載置板１０）の基準軸（揺動中心軸１６）を中心とした回転を検出する角速度センサ１４を具備し、演算部３１において、角速度センサ１４の検出結果から基準軸（揺動中心軸１６）を中心とする揺動の中心角度「α」を静止状態の傾斜角「α」として求めるように構成されている。また、演算部３１において、加速度センサ１３の検出結果から基準面（載置板１０）の上下方向の縦揺れ周波数「ｖ」を求め、縦揺れ周波数「ｖ」及び揺動の中心角度「α」に基づき、横転限界高さｌ_ｍａｘを算出するように構成されている。この構成より、第１の実施の形態では、静止状態の傾斜角を振動している状態で求めることができ、振動している状態で横転限界高さｌ_ｍａｘを算出することができる。

さらに、第１の実施の形態では、演算部３１において、加速度センサ１３及び角速度センサ１４の検出結果に基づき、上下方向の基準軸（揺動中心軸１６）から被検出対象物４０の重心Ｗまでの重心高さを算出するように構成されている。この構成より、第１の実施の形態では、横転限界高さｌ_ｍａｘと重心高さとに基づいて、構造体の横転の危険性を判断することができるという効果を奏する。

（第２の実施の形態）
本発明の横転限界検出システムは、各種貨物自動車、各種バス、各種乗用車等の走行車両に搭載することができる。
第２の実施の形態では、貨物自動車としてコンテナを牽引するトレーラトラック６０に本発明の横転限界検出システムを搭載している。

トレーラトラック６０は、図８及び図９を参照すると、コンテナ６１と、コンテナ６１が積載される荷台６２を備えた台車としてのコンテナシャーシ６３と、コンテナシャーシ６３と連結してコンテナシャーシ６３を牽引又は駆動させるトラクタ（牽引車両）６４とを備えている。図８に示すように、コンテナ６１がコンテナシャーシ６３に積載された状態では、コンテナ６１を含むトレーラトラック６０の車重がトラクタ６４及びコンテナシャーシ６３のタイヤ６５や、図示しないサスペンションによる緩衝用弾性力に支えられ、路面６６から一定の高さで中立する。トレーラトラック６０が走行すると、タイヤ６５が路面６６の凹凸を踏み続けることにより、ランダムな外乱がタイヤ６５及び図示しないサスペンションを通してトレーラトラック６０の車体に伝わる。

なお、第２の実施の形態では、図８及び図９に示すように、荷台６２の載置平面に対して垂直な方向を上下方向、トレーラトラック６０の縦幅方向を前後方向、トレーラトラック６０の横幅方向を左右方向とする。また、重力が作用する自重方向をＺ軸方向、Ｚ軸方向及び前後方向と直交する方向をＸ軸方向、Ｚ軸方向及び左右方向と直交する方向をＹ軸方向とし、荷台６２が水平な状態では、上下方向とＺ軸方向とが、前後方向とＹ軸方向とが、左右方向とＸ軸方向とがそれぞれ一致する。

第２の実施の形態の横転限界検出システムは、トレーラトラック６０の揺動を検出する振動検出器７０と、データ処理装置３ａとを備え、振動検出器７０はトラクタ６４の左右方向の中央に設置され、データ処理装置３はトラクタ６４の室内に設置されている。なお、トレーラトラック６０においては、コンテナシャーシ６３とトラクタ６４とが切り離し可能に構成されているため、便宜上、振動検出器７０をトラクタ６４に設置するように構成したが、貨物が載置される荷台６２の揺動を正確に検出できるように、振動検出器７０を荷台６２に設置することが好ましい。

振動検出器７０は、図１０を参照すると、加速度センサ１３と、角速度センサ１４と、Ａ／Ｄ変換器１５とを備えている。なお、第１の実施の形態と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。また、振動検出器７０は、第１の実施の形態の振動検出装置１に対応する構成であり、振動検出装置１の載置板１０、バネ１２、揺動中心軸１６が、それぞれコンテナシャーシ６３の荷台６２、タイヤ６５と図示しないサスペンションによる緩衝用弾性力、トレーラトラック６０（コンテナシャーシ６３）の車軸に相当するものとして、トレーラトラック６０の揺動を検出している。

データ処理装置３ａは、演算部３１と、記憶部３２と、操作部３３と、報知部３４と、受信部３５と、横転警告の判定を行う横転判定部３７とを備え、各部はバス３６によって接続されている。

振動検出器７０の加速度センサ１３の検出結果（上下方向の加速度）と、角速度センサ１４の検出結果（回転方向の角速度）とは、データ処理装置３ａに入力される。データ処理装置３ａの演算部３１は、第１の実施の形態と同様に、縦揺れ周波数「ｖ」及び中心角度「α」に基づいて、左右方向に横転する横転限界高さｌ_ｍａｘを算出すると共に、縦揺れ周波数「ｖ」、横揺れ周波数「Ｖ」及び中心角度「α」に基づいて、車軸から重心Ｗまでの上下方向の重心高さ「ｌ」と、車軸から重心Ｗまでの左右方向の重心位置「ｓ」とを算出する。

加速度センサ１３の検出結果（上下方向の加速度）と、角速度センサ１４の検出結果（回転方向の角速度）とは、データ処理装置３ａに常時入力されており、データ処理装置３ａの演算部３１は、走行時一定期間毎に、横転限界高さｌ_ｍａｘ、重心高さ「ｌ」及び重心位置「ｓ」を算出する。従って、横転限界高さｌ_ｍａｘ、上下方向の重心高さ「ｌ」及び左右方向の重心位置「ｓ」は、リアルタイムで随時更新されていくことになる。なお、過去分の横転限界高さｌ_ｍａｘと、上下方向の重心高さ「ｌ」及び左右方向の重心位置「ｓ」の変位とを記憶部３２に記憶しておくようにしても良い。この場合には、横転限界高さｌ_ｍａｘの変位や、上下方向の重心高さ「ｌ」及び左右方向の重心位置「ｓ」の変位を検証することで、横転事故等の原因解析を行うことができる。

横転判定部３７は、演算部３１によって算出された横転限界高さｌ_ｍａｘと上下方向の重心高さ「ｌ」との差を監視することで、横転危険性の有無を判定し、横転危険性が高まると、すなわち横転限界高さｌ_ｍａｘと上下方向の重心高さ「ｌ」との差が所定の横転判定閾値以下になると、横転警告を報知部３４から出力させる。

演算部３１によって求められた横転限界高さｌ_ｍａｘと、上下方向の重心高さを「ｌ」と、左右方向の重心位置「ｓ」とは、報知部３４によって出力される。報知部３４は、例えば、図１１に示すような報知画面５０ａを報知部３４に表示させ、リアルタイムで随時更新されていく横転限界高さｌ_ｍａｘと、上下方向の重心高さを「ｌ」と、左右方向の重心位置「ｓ」とを報知する。これにより、走行中の貨物の荷崩れや移動をリアルタイムに検知することができる。報知画面５０ａには、トレーラトラック６０を後部側から見たイラスト５２が設けられており、イラスト５２上に、横転限界高さｌ_ｍａｘと、上下方向の重心高さを「ｌ」と、左右方向の重心位置「ｓ」と出力されるように構成されている。イラスト５２において、×印が現在の横転限界高さｌ_ｍａｘを、●印が現在の上下方向の重心高さを「ｌ」及び左右方向の重心位置「ｓ」をそれぞれ示している。さらに、イラスト５２中の点線は、過去分の横転限界高さｌ_ｍａｘの推移を示しており、実線は、過去分の上下方向の重心高さを「ｌ」及び左右方向の重心位置「ｓ」の推移を示している。さらに、イラスト５２中の網掛け箇所５３は、横転判定部３７によって横転警告が出力される範囲（横転判定閾値の範囲）を示している。これにより、運転手は、横転限界高さｌ_ｍａｘ、上下方向の重心高さを「ｌ」及び左右方向の重心位置「ｓ」を視覚的に捉え、横転危険性を容易に認識することができる。具体的には、上下方向の重心高さを「ｌ」と横転限界高さｌ_ｍａｘの差が直線走行時にすでに余裕の無い状態（０に近い状態）であれば、速度を十分に落とさないとハンドルを切れないということが分る。また、上下方向の重心高さを「ｌ」と横転限界高さｌ_ｍａｘの差に余裕があっても、ステアリングを切り始めると、その差はぐっと小さくなってゆくのが視覚的に判断できるので、運転手は曲路の入り口の段階で、その後危険に陥るか否かを判断できる。

以上説明したように、第２の実施の形態では、トレーラトラック６０を、荷台６２の車軸を挟んだ両側がそれぞれ弾性力（タイヤ６５、図示しないサスペンション等）によって支持された構造体とし、荷台６２の上下方向の往復運動を検出する加速度センサ１３と、車軸を中心とした回転方向の単振子運動を検出する角速度センサ１４と、加速度センサ１３及び角速度センサ１４の検出結果に基づき、トレーラトラック６０の荷台６２上の重心位置において、トレーラトラック６０が回転方向に横転してしまう限界の重心高さを横転限界高さｌ_ｍａｘとして算出する演算部３１とを備えている。この構成より、第２の実施の形態では、トレーラトラック６０等の走行車両において、走行中に横転限界高さｌ_ｍａｘを算出することができ、算出した横転限界高さｌ_ｍａｘに基づいて、走行中の走行車両の横転の危険性を判断することができるという効果を奏する。なお、荷台６２のない乗用車等の走行車両についても、シャーシ等を基準面とすることで、横転限界高さｌ_ｍａｘを算出することができ、同様に走行中の走行車両の横転の危険性を判断することができる。また、横転限界高さｌ_ｍａｘの変化によって、タイヤ６５の空気圧の異常やサスペンションのへたり等を検出することも可能になる。

さらに、第２の実施の形態では、演算部３１において、加速度センサ１３及び角速度センサ１４の検出結果に基づき、上下方向の基準軸（揺動中心軸１６）から被検出対象物４０の重心Ｗまでの重心高さを算出するように構成されている。また、第２の実施の形態では、演算部３１によって算出された横転限界高さｌ_ｍａｘと重心高さとに基づいて、構造体（被検出対象物４０）の回転方向における横転危険性を判定する横転判定部３７と、横転判定部３７による判定結果を報知する報知部３４とを備えている。この構成より、第２の実施の形態では、横転限界高さｌ_ｍａｘと重心高さとに基づいて、構造体の横転の危険性を判断することができるという効果を奏する。

（第３の実施の形態）
本発明の横転限界検出システムは、移動式もしくは固定式のクレーンに搭載することができる。
第３の実施の形態では、第２の実施の形態の振動検出器７０とデータ処理装置３ａとが移動式のクレーンであるクレーン車８０に搭載されている。

クレーン車８０は、図１２及び図１３を参照すると、車輌８１と、車輌８１の搭載面８２に旋回可能に搭載されている旋回台８３と、旋回台８３に伸縮及び起伏可能に設置されている伸縮ブーム８４とを備えている。また、車輌８１には、アウトリガー８５が備わっており、クレーン作業は、アウトリガー８５を車体横に張り出して、地面８６に接地させることで車輌８１を安定させた状態で行われる。

なお、第３の実施の形態では、図１２及び図１３に示すように、搭載面８２の載置平面に対して垂直な方向を上下方向、クレーン車８０の縦幅方向を前後方向、クレーン車８０の横幅方向を左右方向とする。また、重力が作用する自重方向をＺ軸方向、Ｚ軸方向及び前後方向と直交する方向をＸ軸方向、Ｚ軸方向及び左右方向と直交する方向をＹ軸方向とし、搭載面８２が水平な状態では、上下方向とＺ軸方向とが、前後方向とＹ軸方向とが、左右方向とＸ軸方向とがそれぞれ一致する。

クレーン車８０においては、建設資材等の吊荷８７がクレーン車８０の運用耐荷重量より軽いにも拘わらず、吊り下げ上昇中に横転に至ることがある。このような横転事故は、軟弱地盤の地面８６上でクレーン作業を行っている場合が多い。地面８６が軟弱地盤である場合には、クレーン車８０のエンジンや揚貨装置の振動が軟弱地盤に伝わり、軟弱地盤がクレーン車８０と共にばね講造体を形或し、地面８６が振動する。この地面８６の振動がクレーン車８０の固有運動を誘発し、横転事故に至ると考えられる。

そこで、第３の実施の形態では、第１の実施の形態の振動検出装置１の載置板１０、バネ１２、揺動中心軸１６が、それぞれ車輌８１の搭載面８２、地面８６（軟弱地盤）及び車輌８１の図示しないサスペンションやタイヤ６５、車輌８１の車軸に相当するものとして、クレーン車８０の揺動を検出している。

以下、第２の実施の形態と同様に、クレーン作業時一定期間毎に、横転限界高さｌ_ｍａｘ、重心高さ「ｌ」及び重心位置「ｓ」を算出し、報知部３４に表示させると共に、横転限界高さｌ_ｍａｘと上下方向の重心高さ「ｌ」との差を監視することで、横転危険性の有無を判定し、横転警告を報知部３４から出力させる。

なお、本発明が上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。なお、各図において、同一構成要素には同一符号を付している。

１ 振動検出装置
３、３ａ データ処理装置
１０ 載置板
１１ 底板
１２ バネ
１３ 加速度センサ
１４ 角速度センサ
１５ Ａ／Ｄ変換器
１６ 揺動中心軸
２１ Ｘ軸規制用ガイド部
３１ 演算部
３２ 記憶部
３３ 操作部
３４ 報知部
３５ 受信部
３６ バス
３７ 横転判定部
４０ 被検出対象物
５０、５０ａ 報知画面
５１ グラフ
５２ イラスト
５３ 網掛け箇所
６０ トレーラトラック
６１ コンテナ
６２ 荷台
６３ コンテナシャーシ
６４ トラクタ
６５ タイヤ
６６ 路面
７０ 振動検出器
８０ クレーン車
８１ 車輌
８２ 搭載面
８３ 旋回台
８４ 伸縮ブーム
８５ アウトリガー
８６ 地面
８７ 吊荷

Claims (7)

1. 基準面の基準軸を挟んだ両側がそれぞれ弾性力によって支持された構造体と、
   前記基準面の上下方向の往復運動を検出する上下方向検出手段と、
   前記弾性力によって前記基準軸を挟んで前記構造体を支持している間隔と前記上下方向検出手段の検出結果から求めた前記基準面の上下方向の縦揺れ周波数とに基づき、前記構造体の重心が前記基準軸上に存在する場合における、前記構造体が前記基準面の前記基準軸を中心とした回転方向に横転してしまう限界の重心高さを横転限界高さとして算出する演算手段を具備することを特徴とする横転限界検出システム。
2. 前記演算手段は、前記弾性力によって前記構造体の重心に働く前記回転方向の力が、重力に抗する復元力を得ることができなくなる重心高さを前記横転限界高さとして算出することを特徴とする請求項１記載の横転限界検出システム。
3. 前記基準面の前記基準軸を中心とした回転を検出する回転方向検出手段を具備し、
   前記演算手段は、前記回転方向検出手段の検出結果から求めた前記基準面の静止状態の傾斜角を用いて、前記構造体の前記基準面上の重心位置における前記横転限界高さを算出することを特徴とする請求項２記載の横転限界検出システム。
4. 前記演算手段は、前記回転方向検出手段の検出結果から前記基準軸を中心とする揺動の中心角度を静止状態の前記傾斜角として求めることを特徴とする請求項３記載の横転限界検出システム。
5. 前記演算手段は、前記縦揺れ周波数及び前記揺動の中心角度に基づき、前記横転限界高さを算出することを特徴とする請求項４記載の横転限界検出システム。
6. 前記演算手段は、前記上下方向検出手段及び前記回転方向検出手段の検出結果に基づき、前記上下方向の前記基準軸から前記構造体の重心までの重心高さを算出することを特徴とする請求項３記載の横転限界検出システム。
7. 前記演算手段によって算出された前記横転限界高さと前記重心高さとに基づいて、前記構造体の前記回転方向における横転危険性を判定する横転判定手段と、
   前記横転判定手段による判定結果を報知する報知手段とを具備することを特徴とする請求項６記載の横転限界検出システム。

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