クレーンの高精度測位・衝突防止システム

安全性と生産性を高めるには、クレーンのフックの位置を高精度に把握することが不可欠な場合が少なくありません。さらに、フックとその荷の位置は、壁を基準としたXYZ座標だけでなく、それ以上に、ほかの移動体を基準として把握する必要があります。また、XYZ座標に加えて、フックの揺れ角やねじれ角を把握することが重要な場合も多くあります。

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Marvelmind Horn

では、GPS自体がまったく使えないためにRTK GPSも利用できない典型的な産業環境で、天井クレーンのフックの位置を高精度に追跡するにはどうすればよいでしょうか？推奨ソリューションは、Marvelmind高精度屋内「GPS」です。

システムの主な特長：

  • ±2cmの精度による高精度トラッキング
  • ロール、ピッチ、ヨーのデータを含むリアルタイム3次元（XYZ）測位。位置更新レートは標準で8Hz、データレイテンシは150ms
  • ジオフェンス、つまり「進入禁止」ゾーン。システムに登録した条件に違反すると、自動的にアラームが発生します
  • すべての計算はその場で行われるため、クラウドは不要です。ただし、ご希望に応じて、フックの位置をリアルタイムで任意の場所へストリーミングすることもできます

クレーンとクレーン台車のXY高精度トラッキング

依頼内容：

  • 8基の天井クレーンとそのクレーン台車をXYで高精度に追跡する
  • クレーンの幅は36mで、レール上を最大480m走行します
  • 独立した3つのクレーンレーン（480m – 天井クレーン4基、280m – 天井クレーン2基、180m – 天井クレーン2基）

解決策：

クレーンフック向け高精度屋内測位システムの主要な構成要素

クレーンフックの高精度トラッキングは、ほかの物体を3Dで追跡する場合と原理的に変わりませんが、実装上の特徴があります。

ほかの高精度トラッキングシステムと同様に、システムには次のものが含まれます：

  • 固定ビーコン
  • 1台または複数のモバイルビーコン
  • システムの中央コントローラーとしてのモデム

詳しくはこちら：アーキテクチャの基本。

次に、当然ながら、何を何に対して測位・追跡・位置特定するのかを明確に理解することが不可欠です：

  • 壁に対するフックの位置？
  • クレーンの運転室に対するフックの位置？
  • 荷を載せた車両に対するフックの位置？

主な選択肢は2つあります：

  1. フックとクレーンを、壁・天井に対して直接追跡する
  2. フックをクレーンの運転室に対して追跡し、運転室をクレーンに対して、クレーンを壁に対して追跡する

どちらの方法にも長所と短所があります。どちらを選ぶかは、主にお客様のプロジェクト固有の要件と制約によって決まります。

クレーンフックを追跡するさまざまな方法について詳しくは、以下の動画をご覧ください。

特殊なケースや特別なご要望は常にありますので、info@marvelmind.com までお気軽にメールでご連絡ください。Zoomでのミーティングで、具体的な要件を詳しくご相談しましょう。当社はシステム全体（アーキテクチャ、ハードウェア、ファームウェア、上位ソフトウェア）を自社で完全に管理しているため、ほぼあらゆるニーズに合わせて調整できます。

高精度屋内測位システムにとって最も重要な要件

覚えておくべきこと：必須要件は次のとおりです。高精度トラッキングシステムでトラッキングするには、モバイルビーコンから、2Dでは2台以上、3Dでは3台以上の固定ビーコンまで、30メートル以内で直接の見通し（超音波が直接届く経路）が確保されている必要があります。

主な要件の詳細：高精度屋内測位システムには見通しが不可欠。

クレーンフックの高精度測位の特徴

一般的な倉庫のAGVやフォークリフト、ロボットなどと比べて、クレーンやフックはどこが特殊で、何が違うのでしょうか？

3Dトラッキング

クレーンフックのトラッキングには、当然ながら3Dトラッキングが必要です。

3Dトラッキング（XYZ）はマルチラテレーションの一形態にすぎず、2D（XY）トラッキングより原理的に複雑なわけではありません。フック上のモバイルビーコンは常に、3Dでは30メートル以内の3台以上の固定ビーコンに対して、2Dでは2台以上の固定ビーコンに対して、直接の見通し（超音波が直接届く経路）を確保している必要があります。

3D測位は2D測位と大きく異なるわけではありません。ただし、いくつかの影響があります。たとえば：

  • 固定ビーコンが4台（左の壁に2台、右の壁に2台）あれば、2Nの冗長性を実現できます。これにより、固定ビーコンの遮蔽に対してシステムは非常に強くなります。システムがモバイルビーコンの位置を特定できなくなるには、ビーコンの50%が遮られる必要があります
  • 一方、3Dで2Nの冗長性を実現するには、最低6台の固定ビーコンが必要です。しかし、運悪く2台のビーコン（2Dの場合の1/2ではなく1/3）が遮られただけで、3Dシステムは3Dトラッキングができなくなります。つまり、3Dトラッキングシステムはより脆弱であり、遮蔽やその他の干渉に対して同等の耐性を得るには、より多くの冗長性が必要です
  • 固定ビーコンが増えると、ハードウェアとソフトウェアのコストが増えるだけではありません。設置作業、許可の取得、電源の確保が増え、周波数割り当てによる制約なども増えます。これは、対処するより避けたほうがよい複雑さの連鎖です
 
そのため、フックについては、壁に対してフックを単純に3Dで追跡するのではなく、1Dトラッキングを連鎖させたほうがよい場合があります：
  • 壁に対するクレーンの1Dトラッキング
  • 天井クレーンは構造が既知であるため、クレーン自体に対して運転室を高精度に追跡できます
  • 運転室に固定ビーコンを設置し（フックにとっては固定ビーコンですが、外部から見ると移動体です）、フックを運転室に対して1Dまたは3D + ピッチ・ロール・ヨーで追跡します。遮蔽が起こり得るため、壁に対して追跡するより運転室に対して追跡するほうが容易だからです

クレーンフックは巨大です。複数のモバイルビーコンの使用を推奨します

固定ビーコンとモバイルビーコンの間の見通し（超音波が直接届く経路）は最も重要な要件であるため、フックの大きさが問題になります。

フックは通常非常に大きいため影ができ、3D（XYZ）で容易に追跡することはできません。フック上のモバイルビーコン1台を追跡するには、あまりにも多くの固定ビーコンを設置しなければなりません。

代わりに、フックにモバイルビーコンを追加で設置する方法を組み合わせることを推奨します。これにより、システムのコストを抑え、固定ビーコン付近・モバイルビーコン付近の両方での遮蔽に対する耐性を高め、固定ビーコン間の距離が既知であることから全体的な性能も向上します。固定ビーコンから複数のモバイルビーコンが見える場合は、複数のモバイルビーコンの位置に基づいて、フックの位置をより高い精度で計算できます。

クレーンフックは本質的に危険です

たしかにフォークリフトやAGVも危険になり得ますが、頭上の巨大な荷はさらに危険です。特に放射性物質や、高価でかさばる製品を扱う場合はなおさらです。

そのため、システムの耐障害性と精度に特に注力することが不可欠です。

工場は巨大です。より大規模な高精度屋内測位システムが必要

天井クレーンシステムの例：

  • 全長 – 470m
  • 各フックの重量は2トンを超え、数十トンを吊り上げることができます
  • 建物の高さ：30〜40m
  • 壁間の距離 – 70m

このような巨大なシステムには、より大規模な屋内測位システムが必要です。ビーコンの数は大幅に少なくて済む場合もありますが、ビーコン間の距離はかなり大きくなることがあります。そのため、到達距離を延ばすための特別なソリューションが必要になります。たとえば、Marvelmind Horn で超音波の到達距離を延ばし、指向性アンテナで無線の到達距離を延ばす方法です。

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