JP6605840B2 - 吊荷の姿勢制御装置 - Google Patents
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Description
これに対し、ジェットエンジンなどの噴流を生成する推力発生装置を用いれば、比較的小型の装置で十分な推力を得ることが可能であり、姿勢制御の応答を上げることが容易であるが、噴流による推力を細かく制御することが難しく、吊り天秤に付与される旋回力を細かく調整することが難しいという問題があった。
図1は、本発明に係る吊荷の姿勢制御装置の一例を示す正面図である。
図1は、吊荷の姿勢制御装置1Aを備えた吊り治具1を介してクレーン(図示省略)により吊荷13を揚重する構成を示す。
吊荷の姿勢制御装置1Aは、上記のジェットエンジン群5,6、ターンテーブル7,8、燃料タンク9、姿勢コントローラ10、バッテリ11を含んで構成される。
更に、吊り天秤4の下部には、長手方向の中心から略等距離である左右位置にそれぞれシャックル4c,4dが設けられていて、シャックル4c,4dにそれぞれ連結される玉掛けワイヤーロープ12a、12bによって吊荷13が吊り天秤4に吊り下げられる。
また、吊り天秤4の下部に複数のフックを設けて、このフックに玉掛けワイヤーロープを掛けて吊荷13を吊り下げる構造とすることができ、玉掛けワイヤーロープの吊り天秤4に対する連結構造は図1の構造に限定されない。
例えば、大型風力発電機のブレードをナセルに設けたハブに取付けるときに、吊荷13としてのブレードをクレーンによって水平に吊り下げてナセルにまで揚重する作業を、上記の吊り治具1を用いて行わせることができる。大型風力発電機のブレードは、例えば全長60m、質量22000kg程度のものである。
ジェットエンジン群5は吊り天秤4の一方端にターンテーブル7を介して取り付けられ、ジェットエンジン群6は吊り天秤4の他方端にターンテーブル8を介して取り付けられる。
吊り天秤4は、クレーンワイヤー2の延長線が吊り天秤4と交わる付近を旋回中心として旋回するから、ターンテーブル7,8で支持されるジェットエンジン群5,6は、吊り天秤4の旋回中心を挟んで両側に配設されていることになる。
例えば、吊荷13が全長60m、質量22000kg程度の大型風力発電機のブレードであり、吊り天秤4が全長30m、質量8000kgである場合、推力400N程度のジェットエンジンを3機組み合わせてジェットエンジン群5,6を構成する。
ジェットエンジン群5,6を構成する各ジェットエンジン5a〜5c、6a〜6cには、燃料タンク9に貯蔵されている燃料が図示しない電動燃料ポンプによって圧送される。電動燃料ポンプは、バッテリ11を電源として動作する。
ターンテーブル7,8は、吊り天秤4に対し鉛直方向を軸線として回転可能に支持される回転軸21と、回転軸21の上端に回転軸21の軸線と交差するように固定される平板状の回転板22と、回転軸21の下端に固定された第1かさ歯車23と、出力軸を水平方向として吊り天秤4に固定されたアクチュエータとしてのモータ24と、モータ24の出力軸の回転を減速して出力する減速機25と、減速機25の出力軸に固定され第1かさ歯車23に噛み合う第2かさ歯車26と、を含んで構成される。
なお、モータ24の出力軸が鉛直方向になるように吊り天秤4に固定し、平歯車などを介してモータ24の出力トルクを回転軸21に伝達する構成とすることができ、モータ24の出力トルクを回転軸21に伝達する機構を図2の機構に限定するものではない。
また、ターンテーブル7,8を回転駆動するアクチュエータ(ジェットエンジン群5,6の支持角度を変更するためのアクチュエータ)として油圧シリンダなどを用いることができ、ターンテーブル7,8のアクチュエータはモータ24に限定されない。
そして、回転軸21と一体に回転板22が水平面内で回転することで、回転板22に固定されるジェットエンジン群5,6の各ジェットエンジンの噴射方向、換言すれば、吊り天秤4の軸線(長手方向)に対する各ジェットエンジンの軸線の角度が水平面内で変化する。
また、ターンテーブル7のモータ24とターンテーブル8のモータ24とは、個別に制御可能に構成されていて、例えば、ターンテーブル7を停止させた状態でターンテーブル8を回転させるなど、ターンテーブル7(ジェットエンジン群5)の角度位置と、ターンテーブル8(ジェットエンジン群6)の角度位置とを相互に独立して制御できるよう構成されている。
なお、姿勢コントローラ10とリモコンとの間での通信を、有線通信とすることができる。
台船30上にクレーン31が設置され、クレーン31に吊持された吊り天秤4に吊荷13としてのブレード32が長手方向を水平方向として吊り下げされる。
そして、ブレード32は、洋上に建てられたタワー33の上端に設けられるナセル34のハブ34aにまでクレーン31によって揚重され、ハブ34aにブレード32を取り付ける作業が行われる。
リモコン36は、例えば、吊り天秤4(吊荷13)を旋回させる方向の指定や吊り天秤4に付与する旋回力の設定などを行えるよう構成される。換言すれば、作業者35は、リモコン36を操作することでターンテーブル7,8によるジェットエンジンの支持角度の変更を行え、更に、ジェットエンジンの推力の調整を行えるよう構成される。
また、クレーン31の先端や吊り天秤4などに風速風向計や吊荷13を撮影するためのカメラを配置し、風速風向計による測定信号、カメラの映像信号がリモコン36に送信され、リモコン36に設けた画面に風速風向の測定結果やカメラの映像が表示される構成とすることができる。
図4の吊り天秤4の上面図は、吊り天秤4(吊荷13)が風の影響などによって所期の向き(目標角度方向)よりも俯瞰で時計回りの方向に回ってしまった場合の姿勢制御を示す。
なお、この場合、ジェットエンジン群5,6の噴流方向は、吊り天秤4の軸線を挟んで逆向きになる。
ここで、ジェットエンジンの推力(回転数)と噴射方向の制御によって吊り天秤4(吊荷13)を旋回させる方向に作用する力(旋回力)を調整することが可能である。ジェットエンジンの噴射方向の制御とは、水平面内で吊り天秤4の軸線とジェットエンジンの軸線とがなす角度、換言すれば、ターンテーブル7,8によるジェットエンジン群5,6の支持角度を変更する制御である。
つまり、作業者はリモコン36の操作によってターンテーブル7,8の角度位置を変更することで、各ジェットエンジンが一定の推力を発生する状態で、吊り天秤4を旋回させる方向に作用する力を任意に変更することが可能である。
例えば、各ジェットエンジンの回転数が複数段階にステップ的に切替え制御されるよう構成し(換言すれば、基本の旋回力が複数段階に切り替えられるよう構成し)、各回転数の設定状態でターンテーブル7,8の角度位置(各ジェットエンジンの噴射方向)を変更して吊り天秤4に付与される旋回力を微調整することができる。
つまり、吊り天秤4の長さをLsとし、慣性モーメントをIとし、ジェットエンジンの推力をPとしたときに、I・ω=P・Ls・Δtの関係が成り立ち、ターンテーブル7,8の角度変更は推力Pを増減することと同様に作用するから、ターンテーブル7,8の角度変更によって吊り天秤4の旋回角速度ωが調整されることになる。
また、吊り天秤4(吊荷13)を旋回させたい角度が小さいほど前記角度θjをより鋭角(又は鈍角)にし、吊り天秤4を旋回させようとする外力が小さいほど前記角度θjをより鋭角(又は鈍角)にすることで、旋回角速度ωを遅くして姿勢制御のオーバーシュートが発生することを抑制できる。
また、ジェットエンジンの推力で吊り天秤4を旋回させるときに角度θjを鈍角又は鋭角とする場合には、図6に示すように、ジェットエンジン推力の軸線AX1方向の分力が、ジェットエンジン群5とジェットエンジン群6とで逆方向になって相互に相殺されるように角度の調整方向を設定することで、吊り天秤4がジェットエンジンの推力で長手方向に変位することを抑制できる。
このように、ターンテーブル7,8を介して吊り天秤4の端部にジェットエンジン群5,6を支持する構成とした吊り治具1では、各ジェットエンジンの推力を変化させることなく、ターンテーブル7,8の角度調整によって各ジェットエンジンの噴射方向を水平面内で変更することで吊り天秤4に作用する旋回力が変化し、高い精度での姿勢制御が可能となる。
また、ジェットエンジン群5,6の推力を吊り天秤4の旋回方向に作用させる必要がない場合に、各ジェットエンジンをアイドル状態(アイドル回転数)とした上で、図7に示すように、ジェットエンジン群5,6の各ジェットエンジンの軸線が吊り天秤4(吊荷13)の軸線AX1と平行になって対向し、かつ、ジェットエンジン群5の各ジェットエンジン5a〜5cの噴射方向とジェットエンジン群6の各ジェットエンジン6a〜6cの噴射方向とが逆向きになるように、ターンテーブル7,8によるジェットエンジンの支持角度(ジェットエンジンの噴射方向)を設定することができる。
一方、図7(B)の場合、ジェットエンジン群5の各ジェットエンジン5a〜5cがジェットエンジン群6に向けて噴流を噴射し、ジェットエンジン群6の各ジェットエンジン6a〜6cがジェットエンジン群5に向けて噴流を噴射するように、ターンテーブル7,8の角度(ジェットエンジンの噴射方向)を設定してある。換言すれば、図7(B)の場合、ジェットエンジン群5の各ジェットエンジン5a〜5cとジェットエンジン群6の各ジェットエンジン6a〜6cとが、相互に排気口を相手側に向けるようにして対向する。
つまり、ジェットエンジン群5,6の各ジェットエンジンが噴流を生成する稼働状態を保ったまま、吊り天秤4(吊荷13)の旋回方向に作用する力が発生しないようにすることができる。
従って、吊荷13が所期の向きを安定的に保持していて姿勢制御が不要になったときに全ジェットエンジンを停止させ、風が強くなるなどして姿勢制御が必要になったときにジェットエンジンを始動させる場合に比べ、ジェットエンジンの始動に要する時間遅れがなく、応答良く姿勢制御を開始でき、外乱に対する吊荷13の姿勢安定性が高くなる。
なお、ジェットエンジンの推力による姿勢制御が不要になったときに、図7に示したような噴射方向に設定した上で、3個1組のジェットエンジンのうちの1個乃至2個を停止させて待機状態とし、姿勢制御の開始後に待機状態で停止させておいたジェットエンジンを始動させる構成とすることができる。
この場合、リモコン36からの目標値の指令を受信した姿勢コントローラ10は、ターンテーブル7,8の角度位置を検出する角度センサの信号と受信した目標値に対応する角度とに基づきモータ24を駆動制御してターンテーブル7,8の角度位置を制御して、ジェットエンジンの水平面内での噴射方向を調整する。
また、姿勢コントローラ10は、クレーン31の先端に設けた風向風速計の信号を受信し、吊荷13の実際の方位の情報と目標方位との比較結果に、風向、風速の情報を加味してターンテーブル7,8の角度位置(ジェットエンジンの噴射方向)などを自動制御することができる。
また、風向風速計を搭載したドローン(無人航空機)を、吊荷13の近辺にホバリングさせ、姿勢コントローラ10が、ドローンから無線で送信される風向風速の計測結果に基づきジェットエンジンの噴射方向などを制御する構成とすることができる。更に、風向風速計を搭載したドローンを吊荷13の風上側にホバリングさせるか或いは吊荷13の周辺に複数ホバリングさせ、姿勢コントローラ10が、ドローンから無線で送信される風向風速の計測結果に基づいて吊荷13に作用する風向風速の変化を事前に予測し、当該予測結果に基づきジェットエンジンの噴射方向などを制御する構成とすることができる。
また、上記のように複数のジェットエンジンを1組として吊り天秤4の左右端部に配置する場合、起動させるジェットエンジンの数を平均的な風の強弱などの外乱状態に応じて自動的に又は作業者の指示により可変とし、例えば、風が比較的弱い天候である場合には、3機のジェットエンジンの内の1機乃至2機を停止し残りを起動させ、ターンテーブル7,8による角度調整を行わせることができる。
更に、自動的に待機状態の角度に切り替えられるときに3個1組のジェットエンジンのうちの1個乃至2個が自動的に停止され、待機状態の解除(待機状態からの角度変更)に伴って待機状態で停止していたジェットエンジンを自動的に始動させる構成とすることができる。
ここで、上記カメラによる映像をリモコン36に送信し、作業者がリモコン36の画面に表示される映像を見ながらターンテーブル7,8の指令角度などの姿勢制御指令をリモコン36に設定し、係る指令の情報がリモコン36から姿勢コントローラ10に送信される構成とすることもできる。
つまり、第1実施形態では、吊り天秤4におけるターンテーブル7,8の位置は固定であるが、吊り天秤4の長手方向に沿ってターンテーブル7,8の位置を変更できるように、換言すれば、ジェットエンジン群5とジェットエンジン群6との間隔を変更できるようにすれば、ジェットエンジンの位置ベクトル(旋回中心からジェットエンジンまでの距離L)が変化して吊り天秤4に作用する旋回力が変化することになる。そして、ジェットエンジンの位置ベクトルと噴射方向(角度θj)とを制御することで、旋回力の調整範囲を拡大できる。
図8に示す構造では、ターンテーブル7,8を台車40に搭載し、台車40が吊り天秤4に設けたレール41a、41bに案内されて吊り天秤4の長手方向(軸線AX1)に沿って移動できるよう構成し、更に、モータ42の回転運動がボールねじ43によって台車40をレール41a、41bに沿って移動させる直線運動に変換されるように構成する。これにより、モータ42の回転を制御することで、ターンテーブル7,8を吊り天秤4の長手方向に沿って移動させることができる。
つまり、ジェットエンジン群5及びジェットエンジン群6を旋回中心から最大に遠ざけ、かつ、ジェットエンジンの噴射方向が水平面内で吊り天秤4の長手方向(軸線AX1)と直交するようにした場合に、吊荷13に対して旋回方向に作用する力が最大となる。係る状態から、ジェットエンジン群5及びジェットエンジン群6を旋回中心に近づけるに従って旋回方向に作用する力が低下し、更に、吊り天秤4の長手方向(軸線AX1)とジェットエンジンの軸線とがなす角度θjを鈍角又は鋭角にすることで、旋回方向に作用する力がより低下する。
なお、ターンテーブル7,8を吊り天秤4の長手方向に沿って移動させる機構(ターンテーブル7,8の位置を旋回中心に離接する方向に移動可能とする機構)のアクチュエータとして、油圧シリンダなどを用いることができる。
ターンテーブル7,8がそれぞれ独立して吊り天秤4の長手方向に移動する構成とした場合は、例えば、旋回中心が吊り天秤4の長手方向の中央(重心)からずれたときに、係る旋回中心のずれに応じてターンテーブル7,8の位置を個別に調整して旋回中心からターンテーブル7,8それぞれまでの距離を揃えることが可能となる。
吊り天秤4の長手方向におけるターンテーブル7,8の位置は、移動範囲内の任意の位置に固定できるように構成できる他、予め決められた複数位置のいずれかに固定できる構成とすることができる。
そして、係るフライホイールを含む姿勢制御装置、及び、上記のジェットエンジン群5,6を含む姿勢制御装置1Aを吊り天秤4に設け、両方の姿勢制御装置を組み合わせて用いることができる。
図9において、姿勢制御装置1Bは、吊り天秤4の長手方向の中央付近(旋回中心付近)に、鉛直方向を回転軸60として鉛直方向に厚みを有する円板状のフライホイール61を回転自在に支持し、更に、フライホイール61を回転駆動するためのモータ62を、出力軸が鉛直方向になるように吊り天秤4に設置し、フライホイール61の回転軸60とモータ62の出力軸とを歯車やベルトなどの伝導機構63で連係させ、モータ62によってフライホイール61が回転駆動されるよう構成される。
なお、図8に示した、吊り天秤4の長手方向におけるターンテーブル7,8の位置が可変である姿勢制御装置1Aと、フライホイール61を含む姿勢制御装置1Bとを組み合わせることもできる。
係るフライホイール61を含む姿勢制御装置1Bは、大きな旋回力を吊り天秤4に作用させることは難しく、また、吊り天秤4を一定方向に旋回させる外乱が継続する場合にはモータ62の回転速度が最高回転速度に達することでそれ以上に旋回力を与えることができなくなるという特性があるものの、ジェットエンジン群5,6を含む姿勢制御装置1Aに比べて旋回力の微調整が容易である。
また、フライホイール61の回転速度を落とすときに、反作用の力をジェットエンジン群5,6の推力で打ち消すことで、吊り天秤4を停止状態に保ったまま(或いは、吊り天秤4が一定速度で旋回する状態を保ったまま)フライホイール61の回転速度を低下させる(減速させる)ことができる。
図10は、Y字型吊り天秤70にジェットエンジン群5,6を含む姿勢制御装置1Aを適用した例を示す。
このY字型吊り天秤70には、例えば図10に示すようなしゃもじ型で板状の吊荷13が、棒状部材70a〜70cそれぞれに一端が係止される玉掛けワイヤーロープ12a〜12cを介してしゃもじ型の端面が水平になるように3点で吊り下げられ、図示を省略したクレーンによる揚重作業が行われる。
各ジェットエンジン群75a〜75cは、3機のジェットエンジンを、軸線が水平でかつ相互に平行で、しかも、噴流の方向(吸気口の向き及び排気口の向き)が同方向となるように、ターンテーブル74a〜74c上に横方向に並べて固定される。
例えば、Y字型吊り天秤70を旋回させて吊荷13の向きを変える場合、図10に示したように、ジェットエンジンの軸線をY字型天秤70の旋回円の接線方向(ジェットエンジンの軸線のY字型天秤70に対する相対角度を90deg)とし、かつ、Y字型吊り天秤70を旋回させたい方向とは逆向きに噴流を噴射させるようにターンテーブル74a〜74cの角度を設定する。
また、ジェットエンジン群75a〜75cの各軸線がY字型天秤70の中央付近(旋回中心付近)で交差し、かつ、噴射方向をY字型吊り天秤70の中央付近(旋回中心付近)に向かう方向又は当該方向と逆方向に設定することで、ジェットエンジン群75a〜75cが生成する推力を相殺させ、Y字型吊り天秤70に旋回力が作用することを抑制できる。
また、Y字型吊り天秤70に、ジェットエンジン群75a〜75cを含む姿勢制御装置とともに図9に例示したフライホイール61を含む姿勢制御装置1Bを設けることができる。
上記実施形態では、複数のジェットエンジンを1組とするジェットエンジン群を吊り天秤4の端部に配置したが、単機のジェットエンジンを吊り天秤の端部にそれぞれ配置する構成とすることができ、複数のジェットエンジンを1組として吊り天秤に配置する構成に限定されない。
また、ジェットエンジンの水平面内での噴射方向を変化させるための機構はターンテーブル(回転台機構)に限定されず、更に、ターンテーブルは全周旋回可能ではなく角度の可変範囲が360deg未満に制限される構成とすることができる。
また、ジェットエンジン群5の各ジェットエンジン5a〜5cの噴流及びジェットエンジン群6の各ジェットエンジン6a〜6cの噴流が、吊り天秤4の軸線AX1から同一方向に向けて噴射されるようにターンテーブル7,8の角度位置を設定することで、吊り天秤4を平行移動させる方向の力を作用させることも可能である。
また、ジェットエンジン群5,6を構成する複数のジェットエンジンとして、相互に推力の異なる複数のジェットエンジンを組み合わせることができる。
なお、出願当初の請求項は以下の通りであった。
[請求項1]
吊り天秤と、噴流を生成する推力発生装置と、水平面内での前記吊り天秤に対する前記推力発生装置の角度を可変として前記推力発生装置を前記吊り天秤の端部に支持する支持装置と、を含む、吊荷の姿勢制御装置。
[請求項2]
前記支持装置による前記角度の変更によって、前記推力発生装置が前記吊り天秤に付与する旋回力を可変とする、請求項1記載の吊荷の姿勢制御装置。
[請求項3]
前記支持装置に支持された前記推力発生装置を前記吊り天秤の両端にそれぞれ配設し、
前記支持装置は、前記吊り天秤の両端の前記推力発生装置が前記吊り天秤に同一方向の旋回力を付与する角度、及び、前記吊り天秤の両端の前記推力発生装置の推力が相互に相殺される角度に設定可能である、請求項1又は2記載の吊荷の姿勢制御装置。
[請求項4]
前記支持装置は、前記吊り天秤の旋回中心に離接する方向に移動可能に構成される、請求項1から3のいずれか1つに記載の吊荷の姿勢制御装置。
[請求項5]
前記支持装置は、前記角度を変更するためのアクチュエータを含み、
外部から無線送信される指令に応じて前記アクチュエータを制御する制御装置を前記吊り天秤に配置した、請求項1から4のいずれか1つに記載の吊荷の姿勢制御装置。
[請求項6]
鉛直軸回りに回転可能に支持されるフライホイールと前記フライホイールを回転駆動するモータとを含み、前記フライホイールの回転で生じる反作用モーメントによって前記吊り天秤に旋回力を付与する旋回力付与機構を前記吊り天秤に設けた、請求項1から5のいずれか1つに記載の吊荷の姿勢制御装置。
[請求項7]
吊り天秤に吊り下げられる吊荷の姿勢制御方法であって、前記吊り天秤の端部に配置した噴流を生成する推力発生装置の向きを水平面内で変更して前記吊荷の姿勢を制御する、吊荷の姿勢制御方法。
Claims (4)
- 吊り天秤と、噴流を生成する推力発生装置と、水平面内での前記吊り天秤に対する前記推力発生装置の角度を可変として前記推力発生装置を前記吊り天秤の端部に支持する支持装置と、を含み、
前記支持装置は、前記吊り天秤の旋回中心に離接する方向に移動可能に構成され、
前記支持装置の前記移動と、前記支持装置による前記角度の変更とによって、前記推力発生装置が前記吊り天秤に付与する旋回力を可変とし、
前記支持装置は、前記吊り天秤に設けられて前記吊り天秤の長手方向に延びるレールに案内されて、前記吊り天秤の長手方向に沿って移動可能である、吊荷の姿勢制御装置。 - 前記支持装置に支持された前記推力発生装置を前記吊り天秤の両端にそれぞれ配設し、
前記支持装置は、前記吊り天秤の両端の前記推力発生装置が前記吊り天秤に同一方向の旋回力を付与する角度、及び、前記吊り天秤の両端の前記推力発生装置の推力が相互に相殺される角度に設定可能である、請求項1記載の吊荷の姿勢制御装置。 - 前記支持装置は、前記角度を変更するためのアクチュエータを含み、
外部から無線送信される指令に応じて前記アクチュエータを制御する制御装置を前記吊り天秤に配置した、請求項1又は2記載の吊荷の姿勢制御装置。 - 鉛直軸回りに回転可能に支持されるフライホイールと前記フライホイールを回転駆動するモータとを含み、前記フライホイールの回転で生じる反作用モーメントによって前記吊り天秤に旋回力を付与する旋回力付与機構を前記吊り天秤に設けた、請求項1から3のいずれか1つに記載の吊荷の姿勢制御装置。
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