JP7343369B2 - タワークレーンの自動運転制御システム - Google Patents

Description

本発明は、タワークレーンの自動運転制御システムに係り、特に、建設現場でのタワークレーンによる吊荷の荷取り位置、及び取付け位置を自動的に計測して自動運転制御するタワークレーンの自動運転制御システムに関する。

建設現場においては、建設労働者の急速な高齢化や人手不足、外国人労働者の増加等の問題が深刻化しつつある。特に、熟練した作業や経験が要求されるタワークレーンのオペレータは、タワークレーン作業の安全性を担保しなければならない。また、タワークレーンの正確な運転技術により迅速なオペレーションが要求される。さらに、吊荷の傍に配置されタワークレーンのオペレータに吊荷の状態を連絡したり吊荷の運転を指示する補助者についてもタワークレーンのオペレータと同様に高齢化や人手不足、外国人労働者の増加等の問題が深刻化しつつある。

建設現場のタワークレーンは、クレーン操作による「荷振れ」や吊荷と建築物等との衝突が無いように、熟練したオペレータが目視や過去の経験等によりタワークレーンの運転制御をしている。或いは、上述したタワークレーン操作の補助者に依存しながらタワークレーンの制御をしている。

一方、建設現場においては、上述したタワークレーンの熟練したオペレータ不足への対策としてタワークレーン操作の自動化を目指した取り組みが提案されている。特に、タワークレーン操作に対する補助者が必須となるタワークレーンの吊荷の荷取り時又は取付け時の作業を完全に自動化することが目指されている。そのためには、タワークレーンによる吊荷の荷取り時又は取付け時において吊荷の荷取り位置、或いは取り付け位置を正確にかつ素早く認識する技術を確立することが重要となる。

特許文献１は、タワークレーンのブームの移動を自動化することで作業の危険性を解消させるタワークレーンとその操作方法が開示されている。ここでは、タワークレーンのブームの移動を自動化することで作業の危険性を解消できるタワークレーンとその操作方法が開示されている。このタワークレーンは、発信装置からの信号を受信する受信装置と、この受信装置に接続されブームを発信装置の上に移動させるように制御する制御装置と、この制御装置により駆動されるブーム上下移動用の駆動装置とブーム回転移動用の駆動装置と、前記制御装置に接続されてフックの巻上げ・巻下げを制御する遠隔操作装置とを有し、任意の荷降ろし場所に対応でき、ブームの旋回移動を自動化して稼働の作業効率を上げることが記載されている。

特許文献２は、吊荷の位置が常時把握できて自動運転化が可能なタワークレーン装置が開示されている。ここでは、フックブロックに備えられた全周プリズムをクレーン本体に備えたトータルステーションにより追尾してフックブロックの三次元位置を把握し、フックブロックの三次元位置をフィードバックしてフックブロックを所定の位置に運転する制御装置を備えることが記載されている。

特開２００１－２７８５８１号公報 特開２００１－８０８８１号公報

タワークレーンによる吊荷の荷取り位置、或いは取付け位置を認識する技術としては、人工衛星からの測位データを利用して吊荷の荷取り位置、或いは取付け位置を認識する手法が考えられる。また、タワークレーンに立体カメラ及び三次元物体認識センサを搭載して吊荷の荷取り位置、或いは取付け位置を計測する手法が開発されつつある。

しかし、この人工衛星からの測位データを受信して吊荷の荷取り位置、或いは取付け位置を測位する計測手段は、タワークレーンを設置する建物近傍にマルチパスの影響があり、また、天空の視界が狭いことから測位精度が低下するという問題がある。

一方、立体カメラ及び三次元物体認識センサによる計測手段については、近接した吊荷の位置や周囲の状況に関する高精度の制御には向いているが、対象物の位置や周囲の状況を素早く認識することには向いていないという問題がある。

本願の目的は、かかる課題を解決し、タワークレーンによる吊荷の荷取り位置、及び取付け位置を自動で計測し、吊荷周囲の状況を把握してタワークレーンの正確、迅速でかつ安全な自動運転制御を行うことである。

上記目的を達成するため、本発明に係るタワークレーンの自動運転制御システムは、建設現場のタワークレーンが、制御ユニットが搭載された吊上げ治具を介して吊荷を吊上げ、制御ユニットには、衛星測位アンテナが受信した衛星からの測位情報に基づき吊荷の位置及び周囲の状況を把握する第１計測システムと、立体カメラ及び三次元物体認識センサが計測した計測情報に基づき吊荷の位置及び周囲の状況を把握する第２計測システムと、が備えられ、第１計測システム又は第２計測システムにより吊荷の荷取り及び取付けを自動運転制御することを特徴とする。

上記構成により、建設現場におけるタワークレーンの自動運転制御システムは、衛星からの測位情報に基づく第１計測システムと、立体カメラ及び三次元物体認識センサによる計測情報に基づく第２計測システムとが備えられている。すなわち、２つの異なる計測システムを切り替えたり併用したりできる。このように、それぞれの計測システムの特徴を生かし、吊荷、荷取り位置、及び荷取り位置を正確に計測し、タワークレーンの運転を迅速に精度良くかつ安全に制御することができる。

また、タワークレーンの自動運転制御システムは、第１計測システムの衛星測位アンテナが、制御ユニットの上部に取り付けられて衛星からの測位情報を受信し、第２計測システムの立体カメラ及び三次元物体認識センサは、制御ユニットの下部の支持材に設けられた開口部を通して、吊荷及び周囲の状況を把握することが好ましい。このように、制御ユニットは、衛星測位アンテナを制御ユニットの上部に設置して第１計測システムにより衛星からの測位データを妨害や干渉なく受信することができ、また、吊荷位置、荷取り位置及び取付け位置を制御ユニットの下部に取り付けたカメラ等により妨害や干渉なく計測することができる。

また、タワークレーンの自動運転制御システムは、制御ユニットが吊荷の荷取り位置又は取付け位置の近傍に達するまでは、第１計測システムの測位情報に基づき、吊荷の荷取り位置又は取付け位置の近傍に達した後は、第２計測システムの計測情報に切り替える
ことが好ましい。これにより、例えば、第１計測システムによる吊荷等の位置把握がマルチパスの影響により精度が悪化する場合は、計測システム選択部により第２計測システムに切り替えられ、吊荷位置、荷取り位置及び取付け位置を迅速にかつ精度良く把握し、タワークレーンの運転を遠隔操作により安全に制御することができる。

また、タワークレーンの自動運転制御システムは、制御ユニットが吊荷の荷取り位置又は取付け位置の近傍に達するまでは、第１計測システムの測位情報に基づき、吊荷の荷取り位置又は取付け位置の近傍に達した後は、第２計測システムの計測情報と第１計測システムの測位情報とを併用するが好ましい。これにより、位置の精度は高くないが迅速に吊荷にアプローチが可能な第１計測システムと、位置の精度は高いが迅速性に劣る第２計測システムとのそれぞれの特徴を生かして吊荷の荷取り位置及び取付け位置を迅速にかつ精度良く把握し、タワークレーンの運転を遠隔操作により安全に制御することができる。

また、タワークレーンの自動運転制御システムは、制御ユニットが第１計測システムの測位情報がマルチパスの影響を受ける場合には、第２計測システムの計測情報に切り替えることが好ましい。これにより、マルチパスの影響を回避し、タワークレーンの運転を遠隔操作により安全に制御することができる。

また、タワークレーンの自動運転制御システムは、制御ユニットがタワークレーンから吊り下げられた吊上げ治具により保持され、吊上げ治具は吊荷を上部から吊ることが好ましい。制御ユニットは、衛星測位アンテナを制御ユニットの上部に設置して第１計測システムにより衛星からの測位データを妨害や干渉なく受信することができ、また、吊荷位置、荷取り位置及び取付け位置を制御ユニットの下部に取り付けたカメラ等により妨害や干渉なく計測することができる。

さらに、タワークレーンの自動運転制御システムは、吊荷の高さ位置が制御ユニットの所定のポイントの高さ位置を測定し、吊上げ治具の高さ分を補正して算出することができる。このように、吊荷の高さ位置が吊荷の種類により変動する本自動運転制御システムでは、高さが固定された吊上げ治具を介して制御ユニットの所定のポイントに高さ位置を設定することで吊荷の種類に拘わらず本自動運転制御システムを機能させることができる。

以上のように、本発明に係るタワークレーンの自動運転制御システムによれば、タワークレーンによる吊荷の荷取り位置、及び取付け位置を自動で計測し、吊荷周囲の状況を把握してタワークレーンの正確、迅速でかつ安全な自動運転制御を行うことができる。

本発明に係る建設現場におけるタワークレーンの自動運転制御システムの概要及びタワークレーンによる吊上げのステージを示す全体説明図である。 吊荷、制御ユニット、及び、吊上げ治具の位置関係を示す説明図である。 吊り下げられた制御ユニットの一つの実施形態を示す斜視図である。 図３の制御ユニットの断面図を示す。 立体カメラ及び三次元物体認識センサに関する説明図である。 第１計測システムの測位データ、及び第２計測システムの計測データに基づいてタワークレーンの制御を行うシステム図である。

（自動運転制御システム）
以下に、図面を用いて本発明に係るタワークレーン５の自動運転制御システム１につき、詳細に説明する。図１に建設現場３０におけるタワークレーン５の自動運転制御システム１の概略構成、及び吊荷２の運搬に関する基本的な搬送ルートをステージ１～ステージ６で示す。なお、図１では、ステージの番号は丸数字で示し、明細書では「ステージ１～６」で示す。また、図１では、建設現場３０に吊荷２を搬送トラック６で搬入し、タワークレーン５により吊荷２を建築物２４の上部に取付ける場合を想定している。

図１に示すように、一般的に建設現場３０における吊荷２の搬送ルートは、まず搬送トラック６により建設現場３０に吊荷２が搬入され（ステージ１）、次に、タワークレーン５により荷取り位置３の上方に所定の高さまでフック２５により持ち上げられ（ステージ２）、さらに、タワークレーン５により取付け位置４である建設物２４の上部まで横持ちされる（ステージ３）。そして、吊荷２が所望の取付け方向に向けられ(ステージ４)、その取付け方向を維持したまま下降して(ステージ５)、建設物２４の所定の取付け位置４である上部に取り付けられる(ステージ６)。この吊荷２は、吊上げ治具２２を介してタワークレーン５の吊上げワイヤ２３に接続されて持ち上げられる。そして、吊上げ治具２２には制御ユニット７が取り付けられ吊荷２の位置及び方向の制御が行われ、吊荷２や周辺の状況が認識される。この制御ユニット７は、コントロールユニット、コアコントロールユニットとも称され、タワークレーン５による吊荷２の搬送に関する機器やセンサが集約されている。なお、吊荷２は、搬送トラック６により建設現場３０に搬入される物に限らず、他の重機等により建設現場３０に持ち込まれた吊荷２でも良い。また、吊上げ治具２２は他の形式でも良く、吊荷２の吊上げ方法は他の方法であっても良い。さらに、各ステージ１～６はこれに限らず他の搬入ルートであっても良い。

（制御ユニット）
図２に、タワークレーン５の吊荷２、制御ユニット７、及び、吊上げ治具２２の相互の位置関係を示す。図２(ａ)は、ステージ１において、タワークレーン５により吊荷２が搬送トラック６から「荷取り」される場合を示す。また、図２（ｂ）は、ステージ６にて、タワークレーン５により吊荷２が建築物２４の所定の位置に「取付けられる」場合を示す。この制御ユニット７は箱状のユニットであり、内部にカメラやセンサ等の機器が内蔵されて吊荷２の上部に配置される。これにより、人工衛星２７が測位した吊荷２の位置、方向等のデータが第１計測システム８によりタワークレーン５の制御ユニット７へと伝送される。吊荷２は、吊上げ治具２２に取り付けられた吊上げワイヤ２３によりタワークレーン５に吊り下げられる。吊荷２の高さ位置（ｈ１，ｈ２）は、例えば、図２(ａ)の荷取りの際には、地面２９から制御ユニット７の中心点までの高さ（ｈ１）が基準となる。また、図２（ｂ）の取付けの際には、建築物２４の頂部から制御ユニット７の中心点までの高さ（ｈ２）が基準となる。但し、地面２９や建築物２４の頂部等の基準点は、これに限らず他の測定可能な任意な基準点であっても良い。この測定により、吊荷２の高さ位置が正確に把握され、タワークレーン５による吊荷２の自動運転が可能となる。

（位置計測システム）
図３に、吊り下げられた制御ユニット７に搭載された第１計測システム８及び第２計測システム１０（図６参照）の構成を斜視図で示し、図４に、図３の制御ユニット７の断面図を示す。制御ユニット７の上部には、人工衛星２７から発信された測位データを受信する２台の衛星測位アンテナ９が設けられ、吊荷２の三次元位置等がリアルタイムに連続して測位される。このように、制御ユニット７の上部に２台の衛星測位アンテナ９を搭載させることで第１計測システム８による吊荷２の測位が可能となる。また、図４に示すように、制御ユニット７の下部には、第２計測システム１０に係る立体カメラ１１及び三次元物体認識センサ１２が搭載され、制御ユニット７の底板２８に設けられた開口部２６を通じて立体カメラ１１及び三次元物体認識センサ１２が吊上げられる吊荷２までの距離及び吊荷２の荷取り位置３及び取付け位置４周囲の状況を計測する。

図５に、立体カメラ１１及び三次元物体認識センサ１２の一つの実施例を示す。図５（ａ）は、立体カメラ１１の実施例を示す。図５（ｂ）は、三次元物体認識センサ１２の実施例を示す。立体カメラ１１は、ステレオカメラとも称され、幅（Ｗ）だけ離された２個のカメラにより所定の吊荷２までの距離（Ｌ）を計測してその位置及び形状を認識する。また、三次元物体認識センサ１２は、３Ｄ－ＬｉＤＥＲとも称され、レーダーよりも短い波長の電磁波を用い、パルス状に発光するレーザ照射に対する散乱光を測定し、遠距離にある対象までの距離やその対象の形状を分析し、吊荷２の荷取り位置３及び取付け位置４付近の部材位置を計測する。図５（ｂ）に示す実施例では、対象物を開口角１２０°の角度及び１５°の仰角で２４か所のスキャン位置にわたり継ぎ目なしに形状を検出することが可能である。従って、動いている対象物であってもスキャンし、測定することができる。この３Ｄ－ＬｉＤＥＲ技術は、主として自動車の自動運転用のセンサ等に利用されているが、本願発明では、この技術を建設現場３０におけるタワークレーン５の自動運転制御システム１に応用する。

（計測システムのシステム構成）
図６に、第１計測システム８及び第２計測システム１０のシステム構成をブロック図で示す。第１計測システム８は、人工衛星２７の衛星測位データ送信部１６ａから発信される衛星測位データを衛星測位アンテナ９により受信する衛星測位データ受信部１６ｂ、受信した測位データから吊荷２の位置データ等を算出する制御ユニット７ａ、及び、タワークレーン５の動作を制御するタワークレーン制御部２１ａから構成される。また、制御ユニット７ａは、吊荷２の地面２９からの高さ又は所定の位置から吊荷２等の位置を検出する吊荷位置検出部１３を含む。この吊荷位置検出部１３は、電波高度計３１により吊荷２の高さを算出する吊荷高さ計測部１３ａ、及び、吊荷２の経度及び緯度から測定された測位情報を座標変換してＸＹＺ座標に変換する吊荷位置座標変換部１３ｂから構成される。この電波高度計３１は、電波を使用して目標物からの反射時間を測定して地上からの高度を測定する。第１計測システム８では、地上や建物近傍において、無線信号が空間を伝播する際に２つ以上の伝播経路を持つことにより生じる反射などの現象である「マルチパス」の影響が生じ易い。また、天空の視界が狭いことから人工衛星２７から発信された測位データを補足する必要があり、その場合は、測位精度の低下が発生する虞がある。

また、第２計測システム１０は、立体カメラ１１及び三次元物体認識センサ１２が測定した測定データを発信する測定情報送信部２０ａ、その測定データを受信する測定情報受信部２０ｂ、受信した測定データから吊荷２の位置データ等を算出する制御ユニット７ｂ、さらに、タワークレーン５の動作を制御するタワークレーン制御部２１ｂから構成される。制御ユニット７ｂは吊荷位置検出部１３からなり、さらに、この吊荷位置検出部１３は、吊荷高さ計測部１３ａ、荷取り位置計測部１７、及び取付け位置計測部１８から構成される。吊荷位置座標変換部１３ｂは、立体カメラ１１及び三次元物体認識センサ１２が測定した三次元座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を計測する。荷取り位置計測部１７は、吊荷２の荷取り位置３を三次元物体認識センサ１２により特定する。また、取付け位置計測部１８は、吊荷２の荷取り位置３を三次元物体認識センサ１２により特定する。

(計測システムの選択)
計測システム選択部１９は、計測システムとして第１計測システム８、又は第２計測システム１０のいずれかを選択する。例えば、荷取り位置３や取付け位置４の近傍では、よりきめの細かい作業を迅速にかつ正確にできる第２計測システム１０による。一方、荷取り位置３や取付け位置４以外であって吊荷２を横持ちする場合、荷取り位置３や取付け位置４に素早く接近する場合などでは、第１計測システム８による。具体的には、荷取り位置３や取付け位置４から約３０ｍ以内では第２計測システム１０が好ましく、荷取り位置３や取付け位置４から約３０ｍを越すと第１計測システム８が好ましいと言われている。従って、上述した建設現場３０における吊荷２の搬送ルートにおいてステージ１、ステージ６では第２計測システム１０を採用し、ステージ２～５では第１計測システム８を採用するのが好ましい。

計測システム選択部１９は、第１計測システム８と第２計測システム１０とを切り替える計測システム切替え部１４、及び、第１計測システム８と第２計測システム１０との切り替えの条件を気象条件、吊荷２の種類や大きさ、ステージの種類等から判定する計測システム調整部１５から構成される。このようなハイブリッドな計測システムを機能させるには、上述した吊荷２の搬送ルートの途中で第１計測システム８と第２計測システム１０とを切り替える作業をする必要があり、過去の経験、過去の実績などから判定条件を決定しなければならない。

制御ユニット７は、吊荷２の荷取り位置３又は取付け位置４の近傍に達するまでは、第１計測システム８の測位情報に基づき、吊荷２の荷取り位置３又は取付け位置４の近傍に達した後は、第２計測システム１０の計測情報に切り替えても良い。また、制御ユニット７は、吊荷２の荷取り位置３又は取付け位置４の近傍に達するまでは、第１計測システム８の測位情報に基づき、吊荷２の荷取り位置３又は取付け位置４の近傍に達した後は、第２計測システム１０の計測情報と第１計測システム８の測位情報とを併用しても良い。さらに、制御ユニット７は、第１計測システム８の測位情報がマルチパスの影響を受ける場合には、第２計測システム１０の計測情報に切り替えても良い。

このように、計測システム選択部１９は、その時の状況に応じて最善の計測システムを探索してタワークレーン５の動作に適用する。この計測システム選択部１９の計測システムの履歴は、気象条件、マルチパスの状況、吊荷２の種類、大きさ、重量等と共に自動運転制御システム１のデータベースに保存されることが好ましい。

以上の実施形態で説明された自動運転制御システム１の構成、形状、大きさ、及び配置関係については、本発明が理解、実施できる程度に概略的に示したものにすぎない。従って、本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示され
る技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

１ 自動運転制御システム、２ 吊荷、３ 荷取り位置、４ 取付け位置、５ タワークレーン、６ 搬送トラック、７ 制御ユニット，７ａ 制御ユニット（第１計測システム），７ｂ 制御ユニット（第２計測システム）、８ 第１計測システム、９ 衛星測位アンテナ、１０ 第２計測システム、１１ 立体カメラ（ステレオカメラ）、１２ 三次元物体認識センサ（３Ｄ－ＬｉＤＥＲ）、１３ 吊荷位置検出部、１３ａ 吊荷高さ計測部，１３ｂ 吊荷位置座標変換部、１４ 計測システム切替え部、１５ 計測システム調整部、１６ａ 衛星測位データ送信部，１６ｂ 衛星測位データ受信部、１７ 荷取り位置計測部、１８ 取付け位置計測部、１９ 計測システム選択部、２０ａ 測定情報送信部，２０ｂ 測定情報受信部、２１ａ，２１ｂ タワークレーン制御部、２２ 吊上げ治具、２３ 吊上げワイヤ、２４ 建設物、２５ フック、２６ 開口部、２７ 人工衛星、２８ 底板、２９ 地面、３０ 建設現場、３１ 電波高度計、ｈ１ 地面から制御ユニットの中心点までの高さ、ｈ２ 建設物の頂部から制御ユニットの中心点までの高さ、Ｌ 吊荷までの距離、Ｗ 立体カメラの幅。

Claims (6)

1. 建設現場のタワークレーンは、制御ユニットが搭載された吊上げ治具を介して吊荷を吊上げ、
   前記制御ユニットには、衛星測位アンテナが受信した衛星からの測位情報に基づき吊荷の位置を把握する第１計測システムと、
   立体カメラ及び三次元物体認識センサが計測した計測情報に基づき前記吊荷の位置及び周囲の状況を把握する第２計測システムと、が備えられ、
   前記第１計測システム又は前記第２計測システムにより前記吊荷の荷取り及び取付けを自動運転制御し、
   前記制御ユニットは、前記吊荷の荷取り位置又は取付け位置の近傍に達するまでは、前記第１計測システムの測位情報に基づき、前記吊荷の荷取り位置又は取付け位置の近傍に達した後は、前記第２計測システムの計測情報に切り替える
   ことを特徴とするタワークレーンの自動運転制御システム。
2. 建設現場のタワークレーンは、制御ユニットが搭載された吊上げ治具を介して吊荷を吊上げ、
   前記制御ユニットには、衛星測位アンテナが受信した衛星からの測位情報に基づき吊荷の位置を把握する第１計測システムと、
   立体カメラ及び三次元物体認識センサが計測した計測情報に基づき前記吊荷の位置及び周囲の状況を把握する第２計測システムと、が備えられ、
   前記第１計測システム又は前記第２計測システムにより前記吊荷の荷取り及び取付けを自動運転制御し、
   前記制御ユニットは、前記吊荷の荷取り位置又は取付け位置の近傍に達するまでは、前記第１計測システムの測位情報に基づき、前記吊荷の荷取り位置又は取付け位置の近傍に達した後は、前記第２計測システムの計測情報と前記第１計測システムの測位情報とを併用する
   ことを特徴とするタワークレーンの自動運転制御システム。
3. 請求項１又は２に記載のタワークレーンの自動運転制御システムであって、前記第１計測システムの前記衛星測位アンテナは、前記制御ユニットの上部に取り付けられて衛星からの測位情報を受信し、
   前記第２計測システムの前記立体カメラ及び三次元物体認識センサは、前記制御ユニットの下部の支持材に設けられた開口部を通して、吊荷及び周囲の状況を把握することを特徴とするタワークレーンの自動運転制御システム。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のタワークレーンの自動運転制御システムであって、前記制御ユニットは、前記第１計測システムの測位情報がマルチパスの影響を受ける場合には、前記第２計測システムの計測情報に切り替えることを特徴とするタワークレーンの自動運転制御システム。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載のタワークレーンの自動運転制御システムであって、前記制御ユニットは、前記タワークレーンから吊り下げられた吊上げ治具により保持され、前記吊上げ治具は前記吊荷を上部から吊ることを特徴とするタワークレーンの自動運転制御システム。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載のタワークレーンの自動運転制御システムであって、前記吊荷の高さ位置は、前記制御ユニットの所定のポイントの高さ位置を測定し、前記吊上げ治具の高さ分を補正して算出することを特徴とするタワークレーンの自動運転制御システム。

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