JP6836118B2 - 加速度センサの調整システム - Google Patents

Description

本発明は、作業車両に搭載される水準器としての加速度センサの調整システムに関するものである。

従来から、ラフテレーンクレーン等の移動式クレーンの運転室内には、気泡式の水準器が設置されている。従来の気泡式の水準器は、水準器自体の誤差を調整するためにゼロ点の調整機構を有しているが、使用中に調整機構がずれて誤差を生む原因ともなっていた。

また、例えば特許文献１には、電子化された傾斜角センサ―を備えた移動式クレーンが開示されており、この場合には別途準備した水準器を用いて作業機を水平に設置した後に、センサの検出値を調整値として記憶させている。

特開平１０−８１２６７号公報

ところで、近年では気泡式の水準器を加速度センサに置き換えて、加速度センサによって傾斜情報を連続的に取得してクレーン制御に利用したい、という要望も多い。しかしながら、特許文献１を含む従来の技術は、別途準備した水準器を用いて電子化したセンサを調整する作業が必要となるなど、調整操作が煩雑となっていた。

そこで、本発明は、特別な調整操作が不要で正確な検出が可能となる加速度センサの調整システムを提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の加速度センサの調整システムは、作業車両に搭載される水準器としての加速度センサの調整システムであって、走行体と、前記走行体に対して旋回する旋回部と、前記旋回部の前記走行体に対する旋回角度を検出する旋回角度検出器と、前記旋回部の対地起伏角度を検出する対地起伏角度検出器と、前記走行体又は前記旋回部に設置される加速度センサと、前記旋回角度と前記対地起伏角度とに基づいて前記作業車両の傾斜角度を計算し、前記傾斜角度に基づいて前記加速度センサの基準方向を補正する制御部と、を備えている。

このように、本発明の加速度センサの調整システムは、作業車両に搭載される水準器としての加速度センサの調整システムであって、走行体と、旋回部と、旋回角度検出器と、対地起伏角度検出器と、走行体又は旋回部に設置される加速度センサと、旋回角度と対地起伏角度とに基づいて作業車両の傾斜角度を計算し、傾斜角度に基づいて加速度センサの基準方向を補正する制御部と、を備えている。このため、特別な調整操作が不要で正確な検出が可能となる加速度センサの調整システムとなる。

ラフテレーンクレーンの側面図である。 実施例の加速度センサの調整システムのブロック図である。 座標系の説明図である。 傾斜量の検出手法の説明図である。 傾斜量の推定手法の概念図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている構成要素は例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

まず、図１を用いて本発明の加速度センサの調整システムＳを備える移動式クレーンとしてのラフテレーンクレーン１の全体構成を説明する。以下の実施例では、ラフテレーンクレーン１を例にして説明するが、これに限定されるものではなく、オールテレーンクレーンなどにも本発明を適用できる。他にも、旋回機構と対地起伏角の検出が可能な、高所作業車のデッキ傾斜やブーム先端での傾斜検出などにも応用することができる。

（クレーンの全体構成）
本実施例のラフテレーンクレーン１は、図１に示すように、走行機能を有する車両の本体部分となる車体１０と、車体１０の四隅に設けられたアウトリガ１１，・・・と、車体１０に水平旋回可能に取り付けられた旋回台１２と、旋回台１２に立設されたブラケット１３に取り付けられたブーム１４と、を備えている。

アウトリガ１１は、スライドシリンダを伸縮させることによって、車体１０から幅方向外側にスライド張出／スライド格納可能であるとともに、ジャッキシリンダを伸縮させることによって車体１０から上下方向にジャッキ張出／ジャッキ格納可能である。

旋回台１２は、旋回用モータの動力を伝達されるピニオンギヤを有しており、このピニオンギヤが車体１０に設けた円形状のギヤに噛み合うことで旋回軸を中心に回動する。旋回台１２は、前方右側に配置された運転室１８と、後方中央に配置されたブラケット１３と、後方下部に配置されたカウンタウエイト１９と、を有している。

ブーム１４は、基端ブーム１４１と中間ブーム１４２と先端ブーム１４３とによって入れ子式に構成されており、内部に配置された伸縮シリンダによって伸縮できるようになっている。先端ブーム１４３の最先端のブームヘッド１４４にはシーブが配置され、シーブにワイヤロープ１６が掛け回されてフックブロック１７が吊下げられている。

最も外側の基端ブーム１４１は、付け根部がブラケット１３に水平に設置された支持軸に回動自在に取り付けられており、支持軸を回転中心として上下に起伏できるようになっている。さらに、ブラケット１３と基端ブーム１４１の下面との間には、起伏シリンダ１５が架け渡されており、起伏シリンダ１５を伸縮することでブーム１４全体を起伏することができる。

（加速度センサの調整システムの構成）
次に、本実施例の加速度センサの調整システムＳの制御系の構成について、図２のブロック図を用いて説明する。本実施例の加速度センサの調整システムＳは、図２に示すように、入力系統として、旋回角度検出器２１と、起伏角度検出器２２と、調整開始信号２３と、加速度センサ２４と、操作信号２５と、を備えている。また、本実施例の加速度センサの調整システムＳは、制御部（演算装置）として、傾斜推定手段３１と、補正係数算出手段３２と、補正手段３３と、を機能部として有するコントローラ３０を備えている。さらに、図示しないが、加速度センサの調整システムＳは、加速度センサ２４の故障時に警報するために、表示装置や音声装置なども有している。

旋回角度検出器２１は、旋回部としての旋回台１２の走行体としての車体１０に対する旋回角度を検出する。旋回角度検出器２１は、例えば旋回角度に応じて出力抵抗値が変わる電位差計（ポテンショメーター）によって構成される。

起伏角度検出器２２は、抵抗流体中に回動自在の錘を吊り下げた機械式（振子式）の起伏角度検出器であり、旋回部としての旋回台１２の対地起伏角度を検出する。すなわち、起伏角度検出器２２によって、旋回台１２の重力加速度方向に対する傾斜角度が検出される。起伏角度検出器２２は、所定の大きさの錘の動きを検出して起伏角度を検出するため、比較的に信頼性が高い。

調整開始信号２３は、例えば旋回操作に連動して発信されて、加速度センサ２４の調整を開始する。すなわち、作業中に所定のタイミングで自動的に加速度センサ２４の調整を開始するように構成されている。

加速度センサ２４は、いわゆる三軸加速度センサであり、旋回台１２の運転室１８近傍に設置されている。加速度センサ２４は、基準方向（例えば、鉛直方向）を規定することで、基準方向に対する加速度を出力することができる。加速度センサ２４は、どのような方式（原理）に基づくものであってもよく、例えば、機械的変位測定方式、振動を用いる方式、光学的方式、半導体方式（静電容量型、ピエゾ抵抗型、ガス温度分布型）などを用いることができる。なお、加速度センサ２４は、三軸に限定されるものではなく、一軸や二軸のものを組み合わせて用いることもできる。さらに、加速度センサ２４は、１台の移動式クレーンにつき複数個を搭載することもできる。

操作信号２５は、旋回モータ、起伏シリンダ、伸縮シリンダの各アクチュエータが操作されたことを検出すると、いずれのアクチュエータが操作されたのかを発信する。さらに、アクチュエータの操作量についても発信できるようになっている。

コントローラ３０は、メモリやＣＰＵを備える汎用のコンピュータである。コントローラ３０は、機能部として傾斜推定手段３１と、補正係数算出手段３２と、補正手段３３と、を備えている。コントローラ３０は、後述するように、バスに接続された各検出器からの入力に基づいて、車両の傾斜角度αｆ、βｆ、補正係数ｋｓｘ、・・・、ｋｏｚ、傾斜角度Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ等の作業情報を演算する。さらに、コントローラ３０は、演算した作業情報をバスに送信する機能（すなわち、出力機能）を有している。

（作用）
次に、図３〜図５を用いて、本実施例の加速度センサの調整システムＳの作用について説明する。はじめに、調整開始信号２３が発信されると、旋回操作中に、旋回角度検出器２１によって検出された旋回角度φ、起伏角度検出器２２によって検出された対地起伏角度θ、及び加速度センサ２４の出力値がサンプリングされる。

次に、コントローラ３０の傾斜推定手段３１は、最小二乗法などを使って、旋回角度φと対地起伏角度θとから、車両座標系での円軌跡Ａを求める（図５参照）。この円軌跡Ａの法線は、グローバル座標系で表した車両座標系でのｚ軸の方向と一致することから、座標変換により車両の傾斜角度であるαｆとβｆを求める（図４参照）。

次に、コントローラ３０の補正係数算出手段３２は、車両の傾斜角度αｆ、βｆと、加速度センサ２４の出力値とから、加速度センサ２４の補正係数を求める。

次に、コントローラ３０の補正手段３３は、加速度センサ２４の出力値から補正係数で変換した値を出力する。そして、補正手段３３は、加速度センサ２４が検出する重力加速度の出力値が、求めた傾斜角度と一致するように補正係数を求めることで、加速度センサ２４の出力値が正しい傾斜角度を出力するように補正して、車両の傾斜角度を常に正しく出力する。

加速度センサ２４の出力値（ax,ay,az）と補正後の値（Ax,Ay,Az）の関係は以下の式で示すことができる。
・Ax＝Ksx×ax＋Kox
・Ay＝Ksy×ay＋Koy
・Az＝Ksz×az＋Koz

ここにおいて、コントローラ３０は、旋回台１２が単独で旋回操作されたときの旋回角度φと対地起伏角度θとに基づいて円軌跡Ａを計算し、計算された円軌跡Ａとサンプリング各点の最小距離を積算することで円軌跡Ａの精度を評価するようになっていることが好ましい。すなわち、旋回台１２が単独で旋回操作された旨の操作信号２５を受信すると、円軌跡Ａの精度を評価するようになっている。加えて、旋回操作の操作量が所定量以上となった場合にのみ円軌跡Ａの精度を評価するようになっていてもよい。

さらに、コントローラ３０は、上述した積算による円軌跡Ａの精度が所定の閾値（許容値）以上となった場合のみ、加速度センサ２４の基準方向を補正するようになっていることが好ましい。すなわち、サンプリング各点のバラつきが大きい場合には、推定精度が低いと考えられるため、加速度センサ２４の調整を実施しないようになっている。

（効果）
次に、本実施例の加速度センサの調整システムＳの奏する効果を列挙して説明する。
（１）上述してきたように、本実施例の加速度センサの調整システムＳは、作業車両に搭載される水準器としての加速度センサの調整システムＳである。そして、加速度センサの調整システムＳは、走行体としての車体１０と、車体１０に対して旋回する旋回部としての旋回台１２と、旋回台１２の車体１０に対する旋回角度φを検出する旋回角度検出器２１と、旋回台１２の対地起伏角度θを検出する対地起伏角度検出器２２と、車体１０又は旋回台１２に設置される加速度センサ２４と、旋回角度φと対地起伏角度θとに基づいて作業車両としてのラフテレーンクレーン１の傾斜角度α、βを計算し、傾斜角度α、βに基づいて加速度センサ２４の基準方向を補正する制御部としてのコントローラ３０と、を備えている。このような構成によれば、特別な調整操作が不要であり、自動的に常に正確な傾斜角度の検出が可能となる加速度センサの調整システムＳとなる。

（２）コントローラ３０は、旋回角度φと対地起伏角度θとに基づいて円軌跡Ａを計算し、円軌跡Ａの法線方向に基づいて作業車両の傾斜角度α、βを計算し、作業車両の傾斜角度α、βに基づいて加速度センサ２４の基準方向を補正するようになっている。このような構成によれば、旋回台１２を旋回操作するだけで、自動的に作業車両の傾斜角度α、βを比較的簡単な手法によって高精度で計算して、加速度センサ２４の基準方向を設定又は補正することができる。

（３）コントローラ３０は、旋回台１２が単独で旋回操作されたときの旋回角度φと対地起伏角度θとに基づいて円軌跡Ａを計算し、計算された円軌跡Ａとサンプリング各点の最少距離を積算することで円軌跡Ａの精度を評価するようになっている。このような構成によれば、誤差が大きいことを判定して、加速度センサ２４の故障を検知したり警報したりできる。

（４）コントローラ３０は、円軌跡Ａの精度が所定の閾値以上となった場合のみ、加速度センサ２４の基準方向を補正するようになっている。このような構成によれば、高精度で円軌跡Ａが求められたときにのみ加速度センサ２４を補正することで、算出された傾斜角度の信頼性を向上させることができる。さらに、精度が所定の閾値未満となった場合には、加速度センサ２４の故障を警報することもできる。

以上、図面を参照して、本発明の実施例を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、実施例では加速度センサ２４が旋回台１２（旋回部）に搭載されている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、車体１０（走行体）に搭載されていても本発明を適用できる。

また、実施例では、加速度センサ２４として、３軸加速度センサを１つ使用するとして説明したが、これに限定されるものではなく、３軸加速度センサを２つ以上使用することで信頼性をいっそう向上させることもできる。

さらに、実施例では特に説明しなかったが、気泡式の水準器と加速度センサ２４を併用することも、もちろんできる。

Ａ：円軌跡；
１：ラフテレーンクレーン（作業車両）；
１０：車体（走行体）； １２：旋回台（旋回部）；
２１：旋回角度検出器； ２２：起伏角度検出器： ２３：調整開始信号； ２４：加速度センサ；
３０：コントローラ；
３１：傾斜推定手段； ３２：補正係数算出手段； ３３：補正手段

Claims (4)

1. 移動式クレーンに搭載される水準器としての加速度センサの調整システムであって、
   走行体と、
   前記走行体に対して旋回する旋回部と、
   前記旋回部の前記走行体に対する旋回角度を検出する旋回角度検出器と、
   前記旋回部の対地起伏角度を検出する対地起伏角度検出器と、
   前記旋回部に設置される加速度センサと、
   前記旋回角度と前記対地起伏角度とに基づいて前記作業車両の傾斜角度を計算し、前記傾斜角度に基づいて前記加速度センサの基準方向を補正する制御部と、
   を備える、加速度センサの調整システム。
2. 前記制御部は、前記旋回角度と前記対地起伏角度とに基づいて円軌跡を計算し、前記円軌跡の法線方向に基づいて前記作業車両の傾斜角度を計算し、前記作業車両の傾斜角度に基づいて前記加速度センサの基準方向を補正するようになっている、請求項１に記載された加速度センサの調整システム。
3. 前記制御部は、前記旋回部が単独で旋回操作されたときの前記旋回角度と前記対地起伏角度とに基づいて円軌跡を計算し、計算された円軌跡とサンプリング各点の最少距離を積算することで円軌跡の精度を評価するようになっている、請求項２に記載された加速度センサの調整システム。
4. 前記制御部は、前記円軌跡の精度が所定の閾値以上となった場合のみ、前記加速度センサの基準方向を補正するようになっている、請求項３に記載された加速度センサの調整システム。