重心位置測定装置
【課題】リアルタイムに積荷の三次元重心位置を測定することができる重心位置測定装置を提供する。
【解決手段】車両１の荷台１１の上方に配され、積荷２６が載置される載台２５と、車両１の幅方向および全長方向にそれぞれ所定の間隔を存して配され、載台２５を水平方向に自由振動可能に支持するロードセル２１〜２４と、水平方向に自由振動状態にある載台２５の変位および加速度をそれぞれ検出する変位センサ３５および加速度センサ３６と、ロードセル２１〜２４からの荷重信号に基づいて載台２５上における積荷２６の水平面的重心位置を演算する水平面的重心位置演算部５０と、ロードセル２１〜２４からの荷重信号と変位センサ３５および加速度センサ３６からの検出信号とに基づいて載台２５上における積荷２６の重心高さを演算する重心高さ演算部５１とを備えるものとする。
【解決手段】車両１の荷台１１の上方に配され、積荷２６が載置される載台２５と、車両１の幅方向および全長方向にそれぞれ所定の間隔を存して配され、載台２５を水平方向に自由振動可能に支持するロードセル２１〜２４と、水平方向に自由振動状態にある載台２５の変位および加速度をそれぞれ検出する変位センサ３５および加速度センサ３６と、ロードセル２１〜２４からの荷重信号に基づいて載台２５上における積荷２６の水平面的重心位置を演算する水平面的重心位置演算部５０と、ロードセル２１〜２４からの荷重信号と変位センサ３５および加速度センサ３６からの検出信号とに基づいて載台２５上における積荷２６の重心高さを演算する重心高さ演算部５１とを備えるものとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の積荷の三次元重心位置を測定する重心位置測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の重心位置測定装置として、例えば特許文献１にて開示されているものがある。この特許文献１に係る装置においては、フレーム上の３箇所にそれぞれシリンダを介してロードセルを設置し、各ロードセルを介して測定対象物を載置するための計測台を支持し、シリンダを伸長させることによってロードセルを計測台の下面に押し付け、計測台を水平に維持した状態および傾斜した状態ごとに各ロードセルから得られる荷重データに基づいて、演算制御部が測定対象物の重心を演算するようにされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−８５１８２号公報
【０００４】
しかし、トレーラ等の荷台に荷物を載せて走行する車両に関しては、積荷の載せかえ等に伴う重量変化によって重心位置が変化してしまう。このため、重心位置を調べるためには積荷を載せかえるごとに車両を傾斜させて重心位置を測定する必要があるが、積荷を載せかえるたびにそのような重心位置測定動作を実施することは現実的には困難である。
【０００５】
また、車両を傾斜させることなく定位置で重心位置を測定することができる装置が本出願人の既出願（特願２００９−１８３４４３号）によって提案されているが、この装置では停車中に測定を行うために走行中に積荷の状態に変化があった場合の重心位置の変化については測定することができない。しかし、現実には走行中の振動などにより積荷の状態は変化する可能性があり、特に固定方法が不十分であった場合などには重心位置が大きく変化し、車両の運動特性に悪影響を及ぼすこともある。
【０００６】
ところで、積荷の状態が変化することで車両を含む全体の重心位置は変化するが、実際には車両単体の重心位置は変化しておらず、車両の運動特性を変化させる主たる要因は積荷にある。したがって、車両が安全に走行するためには積荷の重心位置を常に知る必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前述のような事情に鑑みてなされたもので、リアルタイムに積荷の三次元重心位置を測定することができる重心位置測定装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明による重心位置測定装置は、
車両の荷台上の積荷の三次元重心位置を測定する重心位置測定装置であって、
前記荷台の上方に配され、積荷が載置される載台と、
車両の幅方向および全長方向にそれぞれ所定の間隔を存して配され、前記載台を水平方向に自由振動可能に支持する複数のロードセルと、
水平方向に自由振動状態にある前記載台の変位および加速度のいずれか一方または両方を検出する振動状態量検出手段と、
前記ロードセルからの荷重信号に基づいて前記載台上における積荷の水平面的重心位置を演算する水平面的重心位置演算手段と、
前記ロードセルからの荷重信号と前記振動状態量検出手段からの検出信号とに基づいて前記載台上における積荷の重心高さを演算する重心高さ演算手段と
を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の重心位置測定装置においては、車両の荷台の上方に、積荷が載置される載台が配される。この載台は、車両の幅方向および全長方向にそれぞれ所定の間隔を存して配される複数のロードセルによって自由振動可能に支持されている。
例えば、旋回時、遠心力等の影響によって車両全体に水平方向の力が作用すると、この水平方向の力の一部によって載台が水平方向に変位する。載台は、複数のロードセルによって自由振動可能に支持されているので、水平方向の変位が与えられると、水平方向に自由振動する。この自由振動状態にある載台の変位および加速度のいずれか一方または両方は振動状態量検出手段によって検出される。
本発明の重心位置測定装置によれば、ロードセルからの荷重信号に基づいて載台上における積荷の水平面的重心位置が水平面的重心位置演算手段によって演算されるとともに、ロードセルからの荷重信号と振動状態量検出手段からの検出信号とに基づいて載台上における積荷の重心高さが重心高さ演算手段によって演算されるので、リアルタイムに積荷の三次元重心位置を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る重心位置測定装置が装備されるトレーラ連結車両の平面図（ａ）および側面図（ｂ）
【図２】載台の支持構造の説明図
【図３】復元力の発生の理論説明図
【図４】重心位置測定装置の制御系の概略システム構成図
【図５】マイクロプロセッサの機能ブロック図
【図６】重心位置の求め方の理論説明図（１）
【図７】重心位置の求め方の理論説明図（２）
【図８】重心位置測定プログラムの処理内容を説明するフローチャート
【図９】重心位置測定動作のタイムチャート
【図１０】載台支持構造の他の態様例の説明図（１）で、正面図（ａ）、（ａ）のＡ−Ａ線断面図（ｂ）および（ａ）のＢ部拡大図（ｃ）
【図１１】載台支持構造の他の態様例の説明図（２）で、正面図（ａ）、（ａ）のＣ−Ｃ線断面図（ｂ）および（ａ）のＤ部拡大図（ｃ）
【図１２】載台支持構造の他の態様例の説明図（３）で、正面図（ａ）、（ａ）のＥ−Ｅ線断面図（ｂ）
【図１３】図１０に示される載台支持構造を採用した場合の荷重検出に関わる力学モデルを表わす図（ａ）および図１１に示される載台支持構造を採用した場合の荷重検出に関わる力学モデルを表わす図（ｂ）
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明による重心位置測定装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１２】
図１には、本発明の一実施形態に係る重心位置測定装置が装備されるトレーラ連結車両の平面図（ａ）および側面図（ｂ）がそれぞれ示されている。
【００１３】
＜トレーラ連結車両の説明＞
図１（ａ）（ｂ）に示されるトレーラ連結車両１（以下、単に「車両１」と称する。）は、トラクタ２と、トレーラ３とにより構成されている。
トラクタ２は、３本の車軸４，５，６を有する３軸の牽引車両である。各車軸４，５，６には、それぞれ左右に車輪７，７；８，８；９，９が装着されている。
トレーラ３は、３軸の被牽引車両であり、トラクタ２の後部に重ね合わされる連結部１０と、この連結部１０から後方に向かって延設される荷台１１と、この荷台１１に支承される３本の車軸１２，１３，１４と、各車軸１２，１３，１４の左右に装着される車輪１５，１５；１６，１６；１７，１７とを備えて構成されている。
トラクタ２の後部には連結装置としてのカプラ１８が装備され、トレーラ３の連結部１０にはキングピン１９が設けられ、カプラ１８にキングピン１９が噛み合わされることにより、トラクタ２とトレーラ３とが連結される。カプラ１８に対するキングピン１９の噛み合わせが解除されることにより、トラクタ２に対しトレーラ３が分離可能な状態となる。
本実施形態の重心位置測定装置２０は、トレーラ３の荷台１１に搭載されている。
なお、以下の説明において、前後左右方向は車両１の前進方向を基準として定めるものとする。
【００１４】
＜重心位置測定装置の概略説明＞
重心位置測定装置２０は、第１ロードセル２１、第２ロードセル２２、第３ロードセル２３および第４ロードセル２４と、載台２５とを備えている。
ここで、４個のロードセル２１，２２，２３，２４は、車両１の幅方向および全長方向にそれぞれ所定の間隔を存して荷台１１の四隅に設置されている。
載台２５は、積荷２６を載置するのに十分な大きさの四角形の板状部材で構成され、荷台１１の上方位置で４個のロードセル２１，２２，２３，２４によってその四隅が支持されている。
【００１５】
＜ロードセルの基本構造の説明＞
図２に示されるように、ロードセル２１〜２４は、ダブルコンベックス・ローディング方式のコラム型ロードセルであり、弾性体３０と、密封ケーシング３１とを備えている。
弾性体３０は、例えばアルミニウム合金やステンレス等の金属製で略円柱形状に形成され、その軸線を鉛直方向に向けて起立配置されている。
弾性体３０は、軸線方向中央部に形成される起歪部３０ａと、上端に形成される上側凸面３０ｂと、下端に形成される下側凸面３０ｃとを有している。上側凸面３０ｂおよび下側凸面３０ｃはいずれも、所定の曲率半径Ｒの部分球面形状に形成されている。
弾性体３０は、起歪部３０ａが密封ケーシング３１内に気密に収められ、上端部および下端部がそれぞれ密封ケーシング３１から露出させた状態で密封ケーシング３１に組み込まれている。
【００１６】
＜ロードセルの上側受け部材および下側受け部材の説明＞
弾性体３０の上端部と載台２５との間には、上側受け部材３２が介在されている。上側受け部材３２は、水平座面３２ａを有し、この水平座面３２ａを弾性体３０の上側凸面３０ｂに接触させた状態で載台２５に固定されている。
弾性体３０の下端部と荷台１１との間には、下側受け部材３３が介在されている。下側受け部材３３は、水平座面３３ａを有し、この水平座面３３ａを弾性体３０の下側凸面３０ｃに接触させた状態で荷台１１に固定されている。
【００１７】
＜復元力発生機構の基本構成の説明＞
復元力発生機構は、弾性体３０の上側凸面３０ｂおよび上側受け部材３２の水平座面３２ａと、弾性体３０の下側凸面３０ｃおよび下側受け部材３３の水平座面３３ａとにより構成されている。復元力発生機構は、載台２５の水平方向の変位ｙ０に対して復元力Ｆを発生する。この復元力Ｆについて、図３を用いて以下に説明する。
【００１８】
＜復元力の発生の理論説明＞
図３には、載台２５の水平方向の変位ｙ０に伴ってロードセル２１〜２４の弾性体３０が垂直状態から横方向にｙ０だけ移動してθだけ傾斜した状態が示されている。図中記号を以下のように定める。
ｙ０：弾性体３０の上部の移動量
Ｓ：弾性体３０の上部と下部の接触点長さ
Ｈ：弾性体３０の高さ（ロードセル２１〜２４の高さ）
Ａ：上側凸面３０ｂの曲率半径（＝Ｒ）
Ｂ：下側凸面３０ｃの曲率半径（＝Ｒ）
Ｎ：弾性体３０に作用する垂直荷重
θ：弾性体３０の傾斜角
【００１９】
＜復元力の発生の理論説明＞
図３において、弾性体３０の傾斜角θの値が微小であるならば、次式（１）が成立する。
ｔａｎθ≒ｙ０／Ｈ ・・・（１）
また、弾性体３０の上部と下部の接触点長さＳは、次式（２）で表わすことができる。
Ｓ≒Ａ・ｔａｎθ＋（Ｂ−Ｈ）ｔａｎθ
＝（Ａ＋Ｂ−Ｈ）・ｙ０／Ｈ ・・・（２）
そして、垂直荷重Ｎと復元力Ｆとの比Ｋは、次式（３）で表わすことができる。
Ｋ＝Ｆ／Ｎ≒Ｓ／Ｈ＝（Ａ＋Ｂ−Ｈ）・ｙ０／Ｈ２ ・・・（３）
上記式（３）より復元力Ｆは、次式（４）で表わすことができる。
Ｆ＝Ｎ・（Ａ＋Ｂ−Ｈ）・ｙ０／Ｈ２ ・・・（４）
【００２０】
＜載台の自由振動の説明＞
例えば、旋回時、遠心力等の影響によって車両１全体に水平方向の力が作用すると、この水平方向の力の一部によって載台２５が水平方向に変位する。載台２５は、ダブルコンベックス・ローディング方式の複数のロードセル２１〜２４によって水平方向に自由振動可能に支持されているので、水平方向の変位が与えられると、載台２５には、水平方向の変位に対する復元力発生機構からの復元力Ｆが作用する。こうして、載台２５の水平方向の変位に対して復元力Ｆを作用させることで、載台２５を水平方向に自由振動させることができる。
【００２１】
＜変位センサ、加速度センサの説明＞
図１（ａ）（ｂ）に示されるように、荷台１１と載台２５との間において、第３ロードセル２３と第４ロードセル２４との中間位置には、変位センサ３５および加速度センサ３６がそれぞれ配置されている。
変位センサ３５は、自由振動状態にある載台２５の水平方向の変位を検出する変位検出手段として機能する。なお、変位センサ３５としては、種々の方式のものを採用することができ、例えば光学式変位センサ、渦電流式変位センサ、差動変圧式変位センサなどが挙げられる。
加速度センサ３６は、自由振動状態にある載台２５の水平方向の加速度を検出する加速度検出手段として機能する。なお、加速度センサ３６としては、種々の方式のものを採用することができ、例えば静電容量形加速度センサや、金属ひずみゲージ式加速度センサ、半導体ひずみゲージ式加速度センサ、圧電式加速度センサなどが挙げられる。
【００２２】
＜重心位置測定装置の制御系のシステム構成の説明＞
図４に示されるように、重心位置測定装置２０は、制御装置４０と、操作装置４１と、表示装置４２とを備えている。
【００２３】
＜制御装置の概略説明＞
制御装置４０は、主として、増幅器４３と、ローパスフィルタ４４と、マルチプレクサ４５と、Ａ／Ｄ変換器４６と、Ｉ／Ｏ回路４７と、メモリ４８と、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）４９とにより構成されている。
増幅器４３は、送り込まれる信号をＡ／Ｄ変換可能な大きさに増幅して送り出す機能を有している。
ローパスフィルタ４４は、低域周波数のみを信号として通過させる機能を有している。
マルチプレクサ４５は、送り込まれる複数の信号を選択制御信号の指令に基づいて選択的に送り出す機能を有している。
Ａ／Ｄ変換器４６は、マルチプレクサ４５からのアナログ信号をデジタル信号に変換する機能を有している。
Ｉ／Ｏ回路４７は、Ａ／Ｄ変換器４６と、操作装置４１と、表示装置４２と、メモリ４８と、ＭＰＵ４９との間で各種の信号やデータの受け渡しを行う機能を有している。
メモリ４８は、ＰＲＯＭやＲＡＭなどで構成され、所定プログラムや基本データなどを長期的に記憶したり、種々のデータや演算用数値などを一時的に記憶したりする機能を有している。
ＭＰＵ４９は、メモリ４８に格納されている所定プログラムの指示に従って、必要な信号をＩ／Ｏ回路４７を介して受け取り、また必要なデータをメモリ４８から受け取り、受け取った信号やデータに基づいて演算を実行する機能を有している。
【００２４】
＜操作装置の概略説明＞
操作装置４１は、操作スイッチや数値キーなどを備えてなり、測定開始・終了の指令や零点調整、使用モードの切り換え、数値設定などの種々の動作の際に用いられる。
【００２５】
＜表示装置の概略説明＞
表示装置４２は、例えば液晶ディスプレイからなり、測定結果や各種データの入出力画面などが表示される。
【００２６】
＜重心位置測定装置の制御系システムの処理動作の概略説明＞
重心位置測定装置２０の制御系システムにおいては、ロードセル２１〜２４、変位センサ３５および加速度センサ３６のそれぞれの信号は、増幅器４３、ローパスフィルタ４４、マルチプレクサ４５、Ａ／Ｄ変換器４６およびＩ／Ｏ回路４７を経由してＭＰＵ４９に送られる。ＭＰＵ４９は、メモリ４８に格納されている所定プログラムに従って、Ｉ／Ｏ回路４７からの信号を取り込み、またメモリ４８に記憶されている種々のデータを読み込み、これらの信号やデータに基づいて積荷２６の水平面的重心座標の演算や重心高さの演算を実行する。そして、その演算結果は表示装置４２に表示される。
【００２７】
＜マイクロプロセッサの機能説明＞
ＭＰＵ４９においては、所定プログラムが実行されることにより、図５に示される水平面的重心位置演算部５０、重心高さ演算部５１および表示信号生成部５２のそれぞれの機能が実現される。
【００２８】
＜重心Ｇの平面座標（ｘＧ，ｙＧ）の求め方の理論説明＞
次に、図６および図７を用いて、積荷２６の水平面的重心座標、すなわち載台２５に載せられた積荷２６の重心Ｇを水平面（ｏ−ｘｙ平面）に射影したときのその面上における重心Ｇの座標（ｘＧ，ｙＧ）の求め方について説明する。
ここで、載台２５の幅方向（車両１の幅方向）の中心位置を通り全長方向に延びる幅方向中心線に沿ってｘ軸を定め、載台２５の全長方向（車両１の全長方向）の中心位置を通り幅方向に延びる全長方向中心線に沿ってｙ軸を定め、ｘ軸とｙ軸の交点、すなわち載台２５の中央に原点ｏをとり、この原点ｏを通る鉛直線に沿ってｚ軸を定めて、直交座標系ｏ−ｘｙｚを定める。
なお、理論説明の簡単化のために、載台２５は密度が一定の直方体と仮定する。また、ロードセル２１〜２４のそれぞれの出力は無負荷時において零に調整されているものとする。
【００２９】
＜記号の定義の説明＞
図６および図７中の記号および理論式で用いる記号の意味を下記のとおり定義する。
Ｇ：積荷２６の重心
Ｇ０：載台２５の重心
ａ：ロードセル２１（２３）とロードセル２２（２４）との間の距離
ｂ：ロードセル２１（２２）とロードセル２３（２４）との間の距離
ｃ：載台２５の高さ
Ｈ：ロードセル２１〜２４の高さ（弾性体３０の高さ）
Ｗｉ：各ロードセル２１〜２４に作用する静荷重（ｉ＝１，２，３，４）
Ｗ：積荷２６の自重（＝Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋Ｗ４）
Ｗ１２：Ｗ１＋Ｗ２
Ｗ２４：Ｗ２＋Ｗ４
なお、上記記号のうち、ａ，ｂ，ｃ，Ｈ，Ｒは既知の値であり、これらの値は予めメモリ４８に記憶される。
【００３０】
＜重心Ｇの平面座標（ｘＧ，ｙＧ）の求め方の理論説明＞
モーメントのつりあい条件として次式（５），（６）が成り立つ。
Ｗ２４ａ−Ｗ（ａ／２＋ｘＧ）＝０ ・・・（５）
Ｗ１２ｂ−Ｗ（ｂ／２＋ｙＧ）＝０ ・・・（６）
上記式（５），（６）より次式（７），（８）が得られる。
ｘＧ＝ａ（Ｗ２４／Ｗ−１／２） ・・・（７）
ｙＧ＝ｂ（Ｗ１２／Ｗ−１／２） ・・・（８）
よって、Ｗ２４，Ｗ１２およびＷの測定値を上記式（７），（８）に代入して計算することにより、重心Ｇの平面座標（ｘＧ，ｙＧ）を求めることができる。
【００３１】
＜積荷の重心高さｈの求め方の理論説明＞
次に、積荷２６の重心高さｈの求め方について、主に図７を用いて以下に説明する。以下の理論説明では、積荷２６が載せられた載台２５が自由振動状態にあることが前提となる。例えば、旋回時の遠心力等の影響による載台２５の水平方向の変位に対して復元力発生機構からの復元力Ｆを作用させることで、積荷２６が載せられた載台２５を水平方向（ｙ方向）に自由振動させる。なお、図７では、静止時における積荷２６の重心Ｇのｙ座標ｙＧをｄで表わしている。また、ｏ−ｙｚ座標系は空間に固定した座標系とする。
（文１）
【００３２】
ここで、以下の説明で用いる新しい記号を定義しておく。
（文２）
【００３３】
なお、上記記号のうち、ｍ０，ｅは既知の値であり、これらの値は予めメモリ４８に記憶される。
【００３４】
積荷２６が剛体であるならば、積荷２６の重心Ｇと載台２５の重心Ｇ０とのｚ方向の相対変位は零である。積荷２６が非剛体の場合、その相対変位は零ではないが、その量は微小である。よって、その相対変位の量は以下の運動方程式において無視することとする。すなわち、ｚ０（ｔ）＝ｚＧ（ｔ）とおく。このとき、系の運動方程式は次式（９），（１０）で表わされる。
【００３５】
（文３）
【００３６】
上記式（９），（１０）は、積荷２６が剛体であるか否かとは関係なく成立する。
また、転倒モーメントのつりあい条件として次式（１１）を得る。
【００３７】
【数１】
ここに、δは、重心Ｇの重心Ｇ０に対するｙ方向の相対変位である。δは（ｂ／２−ｄ）に比較して微小であるから以下の式変形においては無視する。
【００３８】
（文４）
【００３９】
【数２】
上記式（１２）より、積荷２６の重心高さｈを求める次式（１３）が得られる。
【００４０】
【数３】
【００４１】
前述した復元力Ｆを求める式（４）において、弾性体３０に作用する垂直荷重ＮはＭｇ（ｇ：重力加速度）、弾性体３０の上側凸面３０ｂおよび下側凸面３０ｃの曲率半径Ａ，Ｂはいずれも所定半径Ｒであるから、ロードセル２１〜２４によって支持される載台２５の復元力Ｆは、次式（１４）で表わすことができる。
【００４２】
【数４】
上記式（１４）を上記式（１３）に代入してｈを書き直すと次式（１５）となる。
【００４３】
【数５】
ただし、ｋは次式（１６）で表わされるものである。
【数６】
【００４４】
（文５）
【００４５】
（文６）
【００４６】
【数７】
【数８】
【００４７】
ここで、「剛体」とは、外力による変形が全く生じない「完全剛体」と、外力による変形が若干生じてもその変形による重心高さ測定上の影響が極めて少なくて完全剛体と見なしても何ら支障がない「見なし剛体」とを包含するものである。また、「非剛体」とは、外力による変形が生じてその変形の影響が重心高さ測定上無視できない物体を総称して表現したものである。
【００４８】
（文７）
【００４９】
＜ロードセルで検出される荷重信号の補正の説明＞
ところで、載台２５の水平方向の自由振動に伴って、ロードセル２１〜２４は回転振動となる。これにより、ロードセル２１〜２４の軸方向に作用する荷重は、回転角θの関数となる。今、ロードセル２１〜２４で検出される荷重Ｗｉ´（ｔ）が上記の軸方向荷重であると仮定する。
【００５０】
このとき、Ｗｉ´（ｔ）は次式（１８）で表わすことができる。
【数９】
ただし、Ｆｉ（ｔ）およびθはそれぞれ次式（１９）および式（２０）で表わされる。
【数１０】
【数１１】
ここに、Ｆｉ（ｔ）は、各ロードセル２１〜２４に生じる復元力Ｆの符号を逆にしたものである。
上記式（１８）により次式（２１）が得られる。
【数１２】
式（２１）によりＷｉ（ｔ）がＷｉ´（ｔ）とｙ０（ｔ）から求まることがわかる。
なお、傾斜補正の成されたデジタルロードセルを用いる場合は、その出力はＷｉ（ｔ）であるから、上述の補正は不要となる。
【００５１】
＜重心位置測定装置の計測動作の説明＞
以上に述べたように構成される重心位置測定装置２０の計測動作について、主に、図５の機能ブロック図、図８のフローチャートおよび図９のタイムチャートを用いて以下に説明する。なお、図８において記号「Ｓ」はステップを表わす。
以下の計測動作は、積荷２６を載せた車両１の走行時に行われる。
【００５２】
＜ステップＳ１〜Ｓ３の処理内容の説明＞
水平面的重心演算部５０は、ロードセル２１〜２４からの静荷重信号Ｗｉ（ｉ＝１，２，３，４）を読み込むとともに、読み込んだ静荷重信号Ｗｉから積荷２６の質量（重量）を求める（Ｓ１）。
また、水平面的重心演算部５０は、次式（１６）に基づいてｋを演算する（Ｓ２）とともに、次式（７），（８）に基づいて積荷２６の重心Ｇの平面座標（ｘＧ，ｙＧ）を算出する（Ｓ３）。
【数１３】
ｘＧ＝ａ（Ｗ２４／Ｗ−１／２） ・・・（７）
ｙＧ＝ｂ（Ｗ１２／Ｗ−１／２） ・・・（８）
【００５３】
例えば、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間において、車両１が旋回走行すると、遠心力等の影響によって車両１全体に水平方向の力が作用する。すると、この水平方向の力の一部によって載台２５が水平方向に変位する。載台２５は、ダブルコンベックス・ローディング方式の複数のロードセル２１〜２４によって自由振動可能に支持されているので、水平方向の変位が与えられると、載台２５には、水平方向の変位に対する復元力発生機構からの復元力Ｆが作用する。このため、載台２５は水平方向（ｙ方向）に自由振動する。
【００５４】
＜ステップＳ４，Ｓ５の処理内容の説明＞
（文８）
【００５５】
＜ステップＳ６の処理内容の説明＞
載台２５が静止した時刻ｔ５以降から時刻ｔ６の間において、重心高さ演算部５１は、ステップＳ１で取得した静荷重信号ＷｉとステップＳ４，５で収得した動荷重信号Ｗｉ（ｔ）とに基づいてΔＷ（ｔ）およびΔＷ３４（ｔ）をそれぞれ演算する。
【００５６】
＜ステップＳ７の処理内容の説明＞
時刻ｔ６以降から時刻ｔ７の間において、重心高さ演算部５１は、次式（１５）に基づいて積荷２６の重心Ｇの重心高さｈを演算する。なお、ｈの測定値は、あらかじめ定めた時間区間内の各サンプリング時刻において式（１５）で計算されたｈの平均値とする。
【数１４】
【００５７】
＜ステップＳ８の処理内容の説明＞
そして、表示信号生成部５２は、ステップＳ３の演算の結果得られた水平面的重心位置（ｘＧ，ｙＧ）の値と、ステップＳ７の演算の結果得られた重心高さｈ（＝ｚＧ）の値とを表示させる表示信号を表示装置４２に送信する。これにより、ステップＳ３，７の演算で求められた三次元重心位置の値が表示装置４２に表示される。
【００５８】
＜本実施形態の重心位置測定装置の作用効果の説明＞
本実施形態の重心位置測定装置２０によれば、ロードセル２１〜２４からの荷重信号に基づいて載台２５上における積荷２６の水平面的重心位置（ｘＧ，ｙＧ）が水平面的重心位置演算部５０によって演算されるとともに、ロードセル２１〜２４からの荷重信号と変位センサ３５および加速度センサ３６からの検出信号とに基づいて載台２５上における積荷２６の重心高さｈ（＝ｚＧ）が重心高さ演算部５１によって演算されるので、リアルタイムに積荷２６の三次元重心位置を測定することができる。
【００５９】
＜本発明との用語の対応説明＞
変位センサ３５および加速度センサ３６を含む構成が本発明の「振動状態量検出手段」に対応する。
水平面的重心座標演算部５０が本発明の「水平面的重心位置演算手段」に対応する。
重心高さ演算部５１が本発明の「重心高さ演算手段」に対応する。
【００６０】
以上、本発明の重心位置測定装置について、一実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。
【００６１】
＜加速度検出手段の別態様例の説明＞
上記実施形態においては、自由振動状態にある載台２５の加速度を検出する加速度検出手段として、加速度センサ３６を用いる例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、重心高さ演算部５１は、変位センサ３５の検出信号に基づいて２回微分演算を実行することで、載台２５の加速度を求めることができる。この場合、加速度センサ３６は不要になる。なお、上記微分演算を重心高さ演算部５１に実行させるのではなく、別途に加速度演算部を設け、この加速度演算部に上記微分演算を実行させる態様もあり得る。
【００６２】
上記実施形態においては、車両１の鉛直方向の振動が測定結果に影響を及ぼしてしまうが、加速度センサ３６として２軸検出可能なものを使用して、水平方向と鉛直方向の加速度を検出することにより、鉛直方向の影響を考慮した積荷２６の重心位置の測定が可能になる。
【００６３】
＜動荷重変動ΔW（ｔ）の測定の別態様例の説明＞
（文９）
【００６４】
＜載台支持構造の変更例の説明＞
上記実施形態では、図２に示されるように、ダブルコンベックス・ローディング方式のコラム型のロードセル２１〜２４と各ロードセル２１〜２４の上側受け部材３２および下側受け部材３３によって載台２５を自由振動可能に支持する構造を採用したが、これに限定されるものではなく、図１０に示されるような載台支持構造を採用してもよい。
【００６５】
＜載台支持構造の他の態様例（１）の説明＞
図１０に示される載台支持構造は、載台２５から垂設される一対の脚部材６１，６１と、一対の脚部材６１，６１の間に位置するように荷台１１上に立設される一対の支柱部材６２，６２と、一対の支柱部材６２，６２の上端部同士を繋ぐ軸形ロードセル６３と、一対の脚部材６１，６１の下端部同士を繋ぐ下部ピン６４と、軸形ロードセル６３と下部ピン６４とに掛け渡される吊り環部材６５とを備えて構成されている。
軸形ロードセル６３は、その軸線方向中央部に、全周に亘って所定の曲率半径で窪んだ窪み部６６を有している。この窪み部６６に吊り環部材６５の上部が掛け止められている。また、下部ピン６４も同様に、その軸線方向中央部に、全周に亘って所定の曲率半径で窪んだ窪み部６７を有している。この窪み部６７に吊り環部材６５の下部が掛け止められている。
この載台支持構造においては、軸形ロードセル６３の軸線回りの振り子の作用により、載台２５の前後方向（軸形ロードセル６３の軸線と直交する水平方向）の変位に対する復元力が作用する。また、軸形ロードセル６３の窪み部６６に吊り環部材６５の上部が掛け止められているので、吊り環部材６５が軸形ロードセル６３の軸線方向に移動した際に、吊り環部材６５を窪み部６６の最低部へと戻す揺り戻し力が作用する。この揺り戻し力の作用により、載台２５の左右方向（軸形ロードセル６３の軸線方向）の変位に対する復元力が作用する。
【００６６】
＜載台支持構造の他の態様例（２）の説明＞
また、図１０に示される載台支持構造に代えて、図１１に示される載台支持構造を採用することもできる。
図１１に示される載台支持構造においては、載台２５から垂設される一対の脚部材６１，６１と、一対の脚部材６１，６１の間に位置するように荷台１１上に立設される一対の支柱部材６２，６２と、一対の支柱部材６２，６２の上端部同士を繋ぐ上部ピン６８と、一対の脚部材６１，６１の下端部同士を繋ぐ下部ピン６４と、上部ピン６８と下部ピン６４とに掛け渡される吊り環部材６９とを備えて構成されている。
上部ピン６８は、その軸線方向中央部に、全周に亘って所定の曲率半径で窪んだ窪み部７０を有している。この窪み部７０に吊り環部材６９の上部が掛け止められている。
吊り環部材６９の上下方向中央部には、引張形ロードセル７１が介設されている。
この載台支持構造においては、上部ピン６８の軸線回りの振り子の作用により、載台２５の前後方向（上部ピン６８の軸線と直交する水平方向）の変位に対する復元力が作用する。また、上部ピン６８の窪み部７０に吊り環部材６９の上部が掛け止められているので、吊り環部材６９が上部ピン６８の軸線方向に移動した際に、吊り環部材６９を窪み部７０の最低部へと戻す揺り戻し力が作用する。この揺り戻し力の作用により、載台２５の左右方向（上部ピン６８の軸線方向）の変位に対する復元力が作用する。
【００６７】
＜載台支持構造の他の態様例（３）の説明＞
また、図１０に示される載台支持構造に代えて、図１２に示される載台支持構造を採用することもできる。
図１２に示される載台支持構造においては、載台２５の下面に固定される上側受け部材８１と、設置ベース２上に固定される下側受け部材８２と、下側受け部材８２上に設置されるロードセル８３と、ロードセル８３と上側受け部材８１との間に配設される鋼球８４とを備えて構成されている。
上側受け部材８１には、鋼球８４との間に介在される上側受け座８５が形成されている。上側受け座８５は、鋼球８４の球面８４ａと接触される凹座面８６を有している。
ロードセル８３には、鋼球８４との間に介在される下側受け座８７が形成されている。下側受け座８７は、鋼球８４の球面８４ａと接触される凹座面８８を有している。
凹座面８６，８８の曲率半径は、鋼球８４の球面８４ａの曲率半径よりも大きく設定されている。
復元力発生機構は、鋼球８４の球面８４ａおよび上側受け座８５の凹座面８６と、鋼球８４の球面８４ａおよび下側受け座８７の凹座面８８とにより構成され、載台２５の水平方向の変位に対して復元力を発生する。
【００６８】
＜ダブルコンベックス・ローディング方式以外のロードセルを採用した場合の説明＞
図２に示されるダブルコンベックス・ローディング方式のコラム型のロードセル１１〜１４に代えて、図１０に示される載台支持構造を採用した場合の荷重検出に関わる力学モデルは図１３（ａ）に示されるようになる。
この場合の復元力Ｆは、次式（２３）で表わされる。
【数１５】
このＦを式（１３）に代入するにあたり、式（１６）と同じようにｋとして表わすと、次式（２４）で示されるようになる。
【数１６】
このｋを式（１６）に代えて式（１５）に用いればよい。なお、軸形ロードセル６３は鉛直方向の力を検出するものであるとする。
また、積荷２６が剛体の場合は、式（１７）´のｋを式（１６）に代えて式（２４）を用いればよい。
【００６９】
また、図２に示されるダブルコンベックス・ローディング方式のコラム型のロードセル１１〜１４に代えて、図１１に示される載台支持構造を採用した場合の荷重検出に関わる力学モデルは図１３（ｂ）に示されるようになる。
この場合の復元力Ｆは、次式（２５）で表わされる。
Ｆ＝Ｍｇ・ｙ０／ｌ ・・・（２５）
このＦを式（１３）に代入するにあたり、式（１６）と同じようにｋとして表わすと、次式（２６）で示されるようになる。
ｋ＝Ｍｇ／ｌ ・・・（２６）
このｋを式（１６）に代えて式（１５）に用いればよい。なお、引張形ロードセル７１は傾斜に応じた引張方向の力を検出するものであるとする。
また、積荷２６が剛体の場合は、式（１７）´のｋを式（１６）に代えて式（２６）を用いればよい。
ただし、この場合、引張形ロードセル７１は鉛直方向の力を検出していないので、式の中のΔＷおよびΔＷ３４の値は次式（２７）（２８）に示されるように補正演算が必要である。
【数１７】
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の重心位置測定装置は、リアルタイムに積荷の三次元重心位置を測定することができるという特性を有していることから、車両の横転防止に資する有効なデータのリアルタイムな提供の用途に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００７１】
１ 車両
１１ 荷台
２０ 重心位置測定装置
２１ 第１ロードセル
２２ 第２ロードセル
２３ 第３ロードセル
２４ 第４ロードセル
２５ 載台
２６ 積荷
３５ 変位センサ
３６ 加速度センサ
５０ 水平面的重心位置演算部
５１ 重心高さ演算部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の積荷の三次元重心位置を測定する重心位置測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の重心位置測定装置として、例えば特許文献１にて開示されているものがある。この特許文献１に係る装置においては、フレーム上の３箇所にそれぞれシリンダを介してロードセルを設置し、各ロードセルを介して測定対象物を載置するための計測台を支持し、シリンダを伸長させることによってロードセルを計測台の下面に押し付け、計測台を水平に維持した状態および傾斜した状態ごとに各ロードセルから得られる荷重データに基づいて、演算制御部が測定対象物の重心を演算するようにされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−８５１８２号公報
【０００４】
しかし、トレーラ等の荷台に荷物を載せて走行する車両に関しては、積荷の載せかえ等に伴う重量変化によって重心位置が変化してしまう。このため、重心位置を調べるためには積荷を載せかえるごとに車両を傾斜させて重心位置を測定する必要があるが、積荷を載せかえるたびにそのような重心位置測定動作を実施することは現実的には困難である。
【０００５】
また、車両を傾斜させることなく定位置で重心位置を測定することができる装置が本出願人の既出願（特願２００９−１８３４４３号）によって提案されているが、この装置では停車中に測定を行うために走行中に積荷の状態に変化があった場合の重心位置の変化については測定することができない。しかし、現実には走行中の振動などにより積荷の状態は変化する可能性があり、特に固定方法が不十分であった場合などには重心位置が大きく変化し、車両の運動特性に悪影響を及ぼすこともある。
【０００６】
ところで、積荷の状態が変化することで車両を含む全体の重心位置は変化するが、実際には車両単体の重心位置は変化しておらず、車両の運動特性を変化させる主たる要因は積荷にある。したがって、車両が安全に走行するためには積荷の重心位置を常に知る必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前述のような事情に鑑みてなされたもので、リアルタイムに積荷の三次元重心位置を測定することができる重心位置測定装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明による重心位置測定装置は、
車両の荷台上の積荷の三次元重心位置を測定する重心位置測定装置であって、
前記荷台の上方に配され、積荷が載置される載台と、
車両の幅方向および全長方向にそれぞれ所定の間隔を存して配され、前記載台を水平方向に自由振動可能に支持する複数のロードセルと、
水平方向に自由振動状態にある前記載台の変位および加速度のいずれか一方または両方を検出する振動状態量検出手段と、
前記ロードセルからの荷重信号に基づいて前記載台上における積荷の水平面的重心位置を演算する水平面的重心位置演算手段と、
前記ロードセルからの荷重信号と前記振動状態量検出手段からの検出信号とに基づいて前記載台上における積荷の重心高さを演算する重心高さ演算手段と
を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の重心位置測定装置においては、車両の荷台の上方に、積荷が載置される載台が配される。この載台は、車両の幅方向および全長方向にそれぞれ所定の間隔を存して配される複数のロードセルによって自由振動可能に支持されている。
例えば、旋回時、遠心力等の影響によって車両全体に水平方向の力が作用すると、この水平方向の力の一部によって載台が水平方向に変位する。載台は、複数のロードセルによって自由振動可能に支持されているので、水平方向の変位が与えられると、水平方向に自由振動する。この自由振動状態にある載台の変位および加速度のいずれか一方または両方は振動状態量検出手段によって検出される。
本発明の重心位置測定装置によれば、ロードセルからの荷重信号に基づいて載台上における積荷の水平面的重心位置が水平面的重心位置演算手段によって演算されるとともに、ロードセルからの荷重信号と振動状態量検出手段からの検出信号とに基づいて載台上における積荷の重心高さが重心高さ演算手段によって演算されるので、リアルタイムに積荷の三次元重心位置を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る重心位置測定装置が装備されるトレーラ連結車両の平面図（ａ）および側面図（ｂ）
【図２】載台の支持構造の説明図
【図３】復元力の発生の理論説明図
【図４】重心位置測定装置の制御系の概略システム構成図
【図５】マイクロプロセッサの機能ブロック図
【図６】重心位置の求め方の理論説明図（１）
【図７】重心位置の求め方の理論説明図（２）
【図８】重心位置測定プログラムの処理内容を説明するフローチャート
【図９】重心位置測定動作のタイムチャート
【図１０】載台支持構造の他の態様例の説明図（１）で、正面図（ａ）、（ａ）のＡ−Ａ線断面図（ｂ）および（ａ）のＢ部拡大図（ｃ）
【図１１】載台支持構造の他の態様例の説明図（２）で、正面図（ａ）、（ａ）のＣ−Ｃ線断面図（ｂ）および（ａ）のＤ部拡大図（ｃ）
【図１２】載台支持構造の他の態様例の説明図（３）で、正面図（ａ）、（ａ）のＥ−Ｅ線断面図（ｂ）
【図１３】図１０に示される載台支持構造を採用した場合の荷重検出に関わる力学モデルを表わす図（ａ）および図１１に示される載台支持構造を採用した場合の荷重検出に関わる力学モデルを表わす図（ｂ）
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明による重心位置測定装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１２】
図１には、本発明の一実施形態に係る重心位置測定装置が装備されるトレーラ連結車両の平面図（ａ）および側面図（ｂ）がそれぞれ示されている。
【００１３】
＜トレーラ連結車両の説明＞
図１（ａ）（ｂ）に示されるトレーラ連結車両１（以下、単に「車両１」と称する。）は、トラクタ２と、トレーラ３とにより構成されている。
トラクタ２は、３本の車軸４，５，６を有する３軸の牽引車両である。各車軸４，５，６には、それぞれ左右に車輪７，７；８，８；９，９が装着されている。
トレーラ３は、３軸の被牽引車両であり、トラクタ２の後部に重ね合わされる連結部１０と、この連結部１０から後方に向かって延設される荷台１１と、この荷台１１に支承される３本の車軸１２，１３，１４と、各車軸１２，１３，１４の左右に装着される車輪１５，１５；１６，１６；１７，１７とを備えて構成されている。
トラクタ２の後部には連結装置としてのカプラ１８が装備され、トレーラ３の連結部１０にはキングピン１９が設けられ、カプラ１８にキングピン１９が噛み合わされることにより、トラクタ２とトレーラ３とが連結される。カプラ１８に対するキングピン１９の噛み合わせが解除されることにより、トラクタ２に対しトレーラ３が分離可能な状態となる。
本実施形態の重心位置測定装置２０は、トレーラ３の荷台１１に搭載されている。
なお、以下の説明において、前後左右方向は車両１の前進方向を基準として定めるものとする。
【００１４】
＜重心位置測定装置の概略説明＞
重心位置測定装置２０は、第１ロードセル２１、第２ロードセル２２、第３ロードセル２３および第４ロードセル２４と、載台２５とを備えている。
ここで、４個のロードセル２１，２２，２３，２４は、車両１の幅方向および全長方向にそれぞれ所定の間隔を存して荷台１１の四隅に設置されている。
載台２５は、積荷２６を載置するのに十分な大きさの四角形の板状部材で構成され、荷台１１の上方位置で４個のロードセル２１，２２，２３，２４によってその四隅が支持されている。
【００１５】
＜ロードセルの基本構造の説明＞
図２に示されるように、ロードセル２１〜２４は、ダブルコンベックス・ローディング方式のコラム型ロードセルであり、弾性体３０と、密封ケーシング３１とを備えている。
弾性体３０は、例えばアルミニウム合金やステンレス等の金属製で略円柱形状に形成され、その軸線を鉛直方向に向けて起立配置されている。
弾性体３０は、軸線方向中央部に形成される起歪部３０ａと、上端に形成される上側凸面３０ｂと、下端に形成される下側凸面３０ｃとを有している。上側凸面３０ｂおよび下側凸面３０ｃはいずれも、所定の曲率半径Ｒの部分球面形状に形成されている。
弾性体３０は、起歪部３０ａが密封ケーシング３１内に気密に収められ、上端部および下端部がそれぞれ密封ケーシング３１から露出させた状態で密封ケーシング３１に組み込まれている。
【００１６】
＜ロードセルの上側受け部材および下側受け部材の説明＞
弾性体３０の上端部と載台２５との間には、上側受け部材３２が介在されている。上側受け部材３２は、水平座面３２ａを有し、この水平座面３２ａを弾性体３０の上側凸面３０ｂに接触させた状態で載台２５に固定されている。
弾性体３０の下端部と荷台１１との間には、下側受け部材３３が介在されている。下側受け部材３３は、水平座面３３ａを有し、この水平座面３３ａを弾性体３０の下側凸面３０ｃに接触させた状態で荷台１１に固定されている。
【００１７】
＜復元力発生機構の基本構成の説明＞
復元力発生機構は、弾性体３０の上側凸面３０ｂおよび上側受け部材３２の水平座面３２ａと、弾性体３０の下側凸面３０ｃおよび下側受け部材３３の水平座面３３ａとにより構成されている。復元力発生機構は、載台２５の水平方向の変位ｙ０に対して復元力Ｆを発生する。この復元力Ｆについて、図３を用いて以下に説明する。
【００１８】
＜復元力の発生の理論説明＞
図３には、載台２５の水平方向の変位ｙ０に伴ってロードセル２１〜２４の弾性体３０が垂直状態から横方向にｙ０だけ移動してθだけ傾斜した状態が示されている。図中記号を以下のように定める。
ｙ０：弾性体３０の上部の移動量
Ｓ：弾性体３０の上部と下部の接触点長さ
Ｈ：弾性体３０の高さ（ロードセル２１〜２４の高さ）
Ａ：上側凸面３０ｂの曲率半径（＝Ｒ）
Ｂ：下側凸面３０ｃの曲率半径（＝Ｒ）
Ｎ：弾性体３０に作用する垂直荷重
θ：弾性体３０の傾斜角
【００１９】
＜復元力の発生の理論説明＞
図３において、弾性体３０の傾斜角θの値が微小であるならば、次式（１）が成立する。
ｔａｎθ≒ｙ０／Ｈ ・・・（１）
また、弾性体３０の上部と下部の接触点長さＳは、次式（２）で表わすことができる。
Ｓ≒Ａ・ｔａｎθ＋（Ｂ−Ｈ）ｔａｎθ
＝（Ａ＋Ｂ−Ｈ）・ｙ０／Ｈ ・・・（２）
そして、垂直荷重Ｎと復元力Ｆとの比Ｋは、次式（３）で表わすことができる。
Ｋ＝Ｆ／Ｎ≒Ｓ／Ｈ＝（Ａ＋Ｂ−Ｈ）・ｙ０／Ｈ２ ・・・（３）
上記式（３）より復元力Ｆは、次式（４）で表わすことができる。
Ｆ＝Ｎ・（Ａ＋Ｂ−Ｈ）・ｙ０／Ｈ２ ・・・（４）
【００２０】
＜載台の自由振動の説明＞
例えば、旋回時、遠心力等の影響によって車両１全体に水平方向の力が作用すると、この水平方向の力の一部によって載台２５が水平方向に変位する。載台２５は、ダブルコンベックス・ローディング方式の複数のロードセル２１〜２４によって水平方向に自由振動可能に支持されているので、水平方向の変位が与えられると、載台２５には、水平方向の変位に対する復元力発生機構からの復元力Ｆが作用する。こうして、載台２５の水平方向の変位に対して復元力Ｆを作用させることで、載台２５を水平方向に自由振動させることができる。
【００２１】
＜変位センサ、加速度センサの説明＞
図１（ａ）（ｂ）に示されるように、荷台１１と載台２５との間において、第３ロードセル２３と第４ロードセル２４との中間位置には、変位センサ３５および加速度センサ３６がそれぞれ配置されている。
変位センサ３５は、自由振動状態にある載台２５の水平方向の変位を検出する変位検出手段として機能する。なお、変位センサ３５としては、種々の方式のものを採用することができ、例えば光学式変位センサ、渦電流式変位センサ、差動変圧式変位センサなどが挙げられる。
加速度センサ３６は、自由振動状態にある載台２５の水平方向の加速度を検出する加速度検出手段として機能する。なお、加速度センサ３６としては、種々の方式のものを採用することができ、例えば静電容量形加速度センサや、金属ひずみゲージ式加速度センサ、半導体ひずみゲージ式加速度センサ、圧電式加速度センサなどが挙げられる。
【００２２】
＜重心位置測定装置の制御系のシステム構成の説明＞
図４に示されるように、重心位置測定装置２０は、制御装置４０と、操作装置４１と、表示装置４２とを備えている。
【００２３】
＜制御装置の概略説明＞
制御装置４０は、主として、増幅器４３と、ローパスフィルタ４４と、マルチプレクサ４５と、Ａ／Ｄ変換器４６と、Ｉ／Ｏ回路４７と、メモリ４８と、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）４９とにより構成されている。
増幅器４３は、送り込まれる信号をＡ／Ｄ変換可能な大きさに増幅して送り出す機能を有している。
ローパスフィルタ４４は、低域周波数のみを信号として通過させる機能を有している。
マルチプレクサ４５は、送り込まれる複数の信号を選択制御信号の指令に基づいて選択的に送り出す機能を有している。
Ａ／Ｄ変換器４６は、マルチプレクサ４５からのアナログ信号をデジタル信号に変換する機能を有している。
Ｉ／Ｏ回路４７は、Ａ／Ｄ変換器４６と、操作装置４１と、表示装置４２と、メモリ４８と、ＭＰＵ４９との間で各種の信号やデータの受け渡しを行う機能を有している。
メモリ４８は、ＰＲＯＭやＲＡＭなどで構成され、所定プログラムや基本データなどを長期的に記憶したり、種々のデータや演算用数値などを一時的に記憶したりする機能を有している。
ＭＰＵ４９は、メモリ４８に格納されている所定プログラムの指示に従って、必要な信号をＩ／Ｏ回路４７を介して受け取り、また必要なデータをメモリ４８から受け取り、受け取った信号やデータに基づいて演算を実行する機能を有している。
【００２４】
＜操作装置の概略説明＞
操作装置４１は、操作スイッチや数値キーなどを備えてなり、測定開始・終了の指令や零点調整、使用モードの切り換え、数値設定などの種々の動作の際に用いられる。
【００２５】
＜表示装置の概略説明＞
表示装置４２は、例えば液晶ディスプレイからなり、測定結果や各種データの入出力画面などが表示される。
【００２６】
＜重心位置測定装置の制御系システムの処理動作の概略説明＞
重心位置測定装置２０の制御系システムにおいては、ロードセル２１〜２４、変位センサ３５および加速度センサ３６のそれぞれの信号は、増幅器４３、ローパスフィルタ４４、マルチプレクサ４５、Ａ／Ｄ変換器４６およびＩ／Ｏ回路４７を経由してＭＰＵ４９に送られる。ＭＰＵ４９は、メモリ４８に格納されている所定プログラムに従って、Ｉ／Ｏ回路４７からの信号を取り込み、またメモリ４８に記憶されている種々のデータを読み込み、これらの信号やデータに基づいて積荷２６の水平面的重心座標の演算や重心高さの演算を実行する。そして、その演算結果は表示装置４２に表示される。
【００２７】
＜マイクロプロセッサの機能説明＞
ＭＰＵ４９においては、所定プログラムが実行されることにより、図５に示される水平面的重心位置演算部５０、重心高さ演算部５１および表示信号生成部５２のそれぞれの機能が実現される。
【００２８】
＜重心Ｇの平面座標（ｘＧ，ｙＧ）の求め方の理論説明＞
次に、図６および図７を用いて、積荷２６の水平面的重心座標、すなわち載台２５に載せられた積荷２６の重心Ｇを水平面（ｏ−ｘｙ平面）に射影したときのその面上における重心Ｇの座標（ｘＧ，ｙＧ）の求め方について説明する。
ここで、載台２５の幅方向（車両１の幅方向）の中心位置を通り全長方向に延びる幅方向中心線に沿ってｘ軸を定め、載台２５の全長方向（車両１の全長方向）の中心位置を通り幅方向に延びる全長方向中心線に沿ってｙ軸を定め、ｘ軸とｙ軸の交点、すなわち載台２５の中央に原点ｏをとり、この原点ｏを通る鉛直線に沿ってｚ軸を定めて、直交座標系ｏ−ｘｙｚを定める。
なお、理論説明の簡単化のために、載台２５は密度が一定の直方体と仮定する。また、ロードセル２１〜２４のそれぞれの出力は無負荷時において零に調整されているものとする。
【００２９】
＜記号の定義の説明＞
図６および図７中の記号および理論式で用いる記号の意味を下記のとおり定義する。
Ｇ：積荷２６の重心
Ｇ０：載台２５の重心
ａ：ロードセル２１（２３）とロードセル２２（２４）との間の距離
ｂ：ロードセル２１（２２）とロードセル２３（２４）との間の距離
ｃ：載台２５の高さ
Ｈ：ロードセル２１〜２４の高さ（弾性体３０の高さ）
Ｗｉ：各ロードセル２１〜２４に作用する静荷重（ｉ＝１，２，３，４）
Ｗ：積荷２６の自重（＝Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋Ｗ４）
Ｗ１２：Ｗ１＋Ｗ２
Ｗ２４：Ｗ２＋Ｗ４
なお、上記記号のうち、ａ，ｂ，ｃ，Ｈ，Ｒは既知の値であり、これらの値は予めメモリ４８に記憶される。
【００３０】
＜重心Ｇの平面座標（ｘＧ，ｙＧ）の求め方の理論説明＞
モーメントのつりあい条件として次式（５），（６）が成り立つ。
Ｗ２４ａ−Ｗ（ａ／２＋ｘＧ）＝０ ・・・（５）
Ｗ１２ｂ−Ｗ（ｂ／２＋ｙＧ）＝０ ・・・（６）
上記式（５），（６）より次式（７），（８）が得られる。
ｘＧ＝ａ（Ｗ２４／Ｗ−１／２） ・・・（７）
ｙＧ＝ｂ（Ｗ１２／Ｗ−１／２） ・・・（８）
よって、Ｗ２４，Ｗ１２およびＷの測定値を上記式（７），（８）に代入して計算することにより、重心Ｇの平面座標（ｘＧ，ｙＧ）を求めることができる。
【００３１】
＜積荷の重心高さｈの求め方の理論説明＞
次に、積荷２６の重心高さｈの求め方について、主に図７を用いて以下に説明する。以下の理論説明では、積荷２６が載せられた載台２５が自由振動状態にあることが前提となる。例えば、旋回時の遠心力等の影響による載台２５の水平方向の変位に対して復元力発生機構からの復元力Ｆを作用させることで、積荷２６が載せられた載台２５を水平方向（ｙ方向）に自由振動させる。なお、図７では、静止時における積荷２６の重心Ｇのｙ座標ｙＧをｄで表わしている。また、ｏ−ｙｚ座標系は空間に固定した座標系とする。
（文１）
【００３２】
ここで、以下の説明で用いる新しい記号を定義しておく。
（文２）
【００３３】
なお、上記記号のうち、ｍ０，ｅは既知の値であり、これらの値は予めメモリ４８に記憶される。
【００３４】
積荷２６が剛体であるならば、積荷２６の重心Ｇと載台２５の重心Ｇ０とのｚ方向の相対変位は零である。積荷２６が非剛体の場合、その相対変位は零ではないが、その量は微小である。よって、その相対変位の量は以下の運動方程式において無視することとする。すなわち、ｚ０（ｔ）＝ｚＧ（ｔ）とおく。このとき、系の運動方程式は次式（９），（１０）で表わされる。
【００３５】
（文３）
【００３６】
上記式（９），（１０）は、積荷２６が剛体であるか否かとは関係なく成立する。
また、転倒モーメントのつりあい条件として次式（１１）を得る。
【００３７】
【数１】
ここに、δは、重心Ｇの重心Ｇ０に対するｙ方向の相対変位である。δは（ｂ／２−ｄ）に比較して微小であるから以下の式変形においては無視する。
【００３８】
（文４）
【００３９】
【数２】
上記式（１２）より、積荷２６の重心高さｈを求める次式（１３）が得られる。
【００４０】
【数３】
【００４１】
前述した復元力Ｆを求める式（４）において、弾性体３０に作用する垂直荷重ＮはＭｇ（ｇ：重力加速度）、弾性体３０の上側凸面３０ｂおよび下側凸面３０ｃの曲率半径Ａ，Ｂはいずれも所定半径Ｒであるから、ロードセル２１〜２４によって支持される載台２５の復元力Ｆは、次式（１４）で表わすことができる。
【００４２】
【数４】
上記式（１４）を上記式（１３）に代入してｈを書き直すと次式（１５）となる。
【００４３】
【数５】
ただし、ｋは次式（１６）で表わされるものである。
【数６】
【００４４】
（文５）
【００４５】
（文６）
【００４６】
【数７】
【数８】
【００４７】
ここで、「剛体」とは、外力による変形が全く生じない「完全剛体」と、外力による変形が若干生じてもその変形による重心高さ測定上の影響が極めて少なくて完全剛体と見なしても何ら支障がない「見なし剛体」とを包含するものである。また、「非剛体」とは、外力による変形が生じてその変形の影響が重心高さ測定上無視できない物体を総称して表現したものである。
【００４８】
（文７）
【００４９】
＜ロードセルで検出される荷重信号の補正の説明＞
ところで、載台２５の水平方向の自由振動に伴って、ロードセル２１〜２４は回転振動となる。これにより、ロードセル２１〜２４の軸方向に作用する荷重は、回転角θの関数となる。今、ロードセル２１〜２４で検出される荷重Ｗｉ´（ｔ）が上記の軸方向荷重であると仮定する。
【００５０】
このとき、Ｗｉ´（ｔ）は次式（１８）で表わすことができる。
【数９】
ただし、Ｆｉ（ｔ）およびθはそれぞれ次式（１９）および式（２０）で表わされる。
【数１０】
【数１１】
ここに、Ｆｉ（ｔ）は、各ロードセル２１〜２４に生じる復元力Ｆの符号を逆にしたものである。
上記式（１８）により次式（２１）が得られる。
【数１２】
式（２１）によりＷｉ（ｔ）がＷｉ´（ｔ）とｙ０（ｔ）から求まることがわかる。
なお、傾斜補正の成されたデジタルロードセルを用いる場合は、その出力はＷｉ（ｔ）であるから、上述の補正は不要となる。
【００５１】
＜重心位置測定装置の計測動作の説明＞
以上に述べたように構成される重心位置測定装置２０の計測動作について、主に、図５の機能ブロック図、図８のフローチャートおよび図９のタイムチャートを用いて以下に説明する。なお、図８において記号「Ｓ」はステップを表わす。
以下の計測動作は、積荷２６を載せた車両１の走行時に行われる。
【００５２】
＜ステップＳ１〜Ｓ３の処理内容の説明＞
水平面的重心演算部５０は、ロードセル２１〜２４からの静荷重信号Ｗｉ（ｉ＝１，２，３，４）を読み込むとともに、読み込んだ静荷重信号Ｗｉから積荷２６の質量（重量）を求める（Ｓ１）。
また、水平面的重心演算部５０は、次式（１６）に基づいてｋを演算する（Ｓ２）とともに、次式（７），（８）に基づいて積荷２６の重心Ｇの平面座標（ｘＧ，ｙＧ）を算出する（Ｓ３）。
【数１３】
ｘＧ＝ａ（Ｗ２４／Ｗ−１／２） ・・・（７）
ｙＧ＝ｂ（Ｗ１２／Ｗ−１／２） ・・・（８）
【００５３】
例えば、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間において、車両１が旋回走行すると、遠心力等の影響によって車両１全体に水平方向の力が作用する。すると、この水平方向の力の一部によって載台２５が水平方向に変位する。載台２５は、ダブルコンベックス・ローディング方式の複数のロードセル２１〜２４によって自由振動可能に支持されているので、水平方向の変位が与えられると、載台２５には、水平方向の変位に対する復元力発生機構からの復元力Ｆが作用する。このため、載台２５は水平方向（ｙ方向）に自由振動する。
【００５４】
＜ステップＳ４，Ｓ５の処理内容の説明＞
（文８）
【００５５】
＜ステップＳ６の処理内容の説明＞
載台２５が静止した時刻ｔ５以降から時刻ｔ６の間において、重心高さ演算部５１は、ステップＳ１で取得した静荷重信号ＷｉとステップＳ４，５で収得した動荷重信号Ｗｉ（ｔ）とに基づいてΔＷ（ｔ）およびΔＷ３４（ｔ）をそれぞれ演算する。
【００５６】
＜ステップＳ７の処理内容の説明＞
時刻ｔ６以降から時刻ｔ７の間において、重心高さ演算部５１は、次式（１５）に基づいて積荷２６の重心Ｇの重心高さｈを演算する。なお、ｈの測定値は、あらかじめ定めた時間区間内の各サンプリング時刻において式（１５）で計算されたｈの平均値とする。
【数１４】
【００５７】
＜ステップＳ８の処理内容の説明＞
そして、表示信号生成部５２は、ステップＳ３の演算の結果得られた水平面的重心位置（ｘＧ，ｙＧ）の値と、ステップＳ７の演算の結果得られた重心高さｈ（＝ｚＧ）の値とを表示させる表示信号を表示装置４２に送信する。これにより、ステップＳ３，７の演算で求められた三次元重心位置の値が表示装置４２に表示される。
【００５８】
＜本実施形態の重心位置測定装置の作用効果の説明＞
本実施形態の重心位置測定装置２０によれば、ロードセル２１〜２４からの荷重信号に基づいて載台２５上における積荷２６の水平面的重心位置（ｘＧ，ｙＧ）が水平面的重心位置演算部５０によって演算されるとともに、ロードセル２１〜２４からの荷重信号と変位センサ３５および加速度センサ３６からの検出信号とに基づいて載台２５上における積荷２６の重心高さｈ（＝ｚＧ）が重心高さ演算部５１によって演算されるので、リアルタイムに積荷２６の三次元重心位置を測定することができる。
【００５９】
＜本発明との用語の対応説明＞
変位センサ３５および加速度センサ３６を含む構成が本発明の「振動状態量検出手段」に対応する。
水平面的重心座標演算部５０が本発明の「水平面的重心位置演算手段」に対応する。
重心高さ演算部５１が本発明の「重心高さ演算手段」に対応する。
【００６０】
以上、本発明の重心位置測定装置について、一実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。
【００６１】
＜加速度検出手段の別態様例の説明＞
上記実施形態においては、自由振動状態にある載台２５の加速度を検出する加速度検出手段として、加速度センサ３６を用いる例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、重心高さ演算部５１は、変位センサ３５の検出信号に基づいて２回微分演算を実行することで、載台２５の加速度を求めることができる。この場合、加速度センサ３６は不要になる。なお、上記微分演算を重心高さ演算部５１に実行させるのではなく、別途に加速度演算部を設け、この加速度演算部に上記微分演算を実行させる態様もあり得る。
【００６２】
上記実施形態においては、車両１の鉛直方向の振動が測定結果に影響を及ぼしてしまうが、加速度センサ３６として２軸検出可能なものを使用して、水平方向と鉛直方向の加速度を検出することにより、鉛直方向の影響を考慮した積荷２６の重心位置の測定が可能になる。
【００６３】
＜動荷重変動ΔW（ｔ）の測定の別態様例の説明＞
（文９）
【００６４】
＜載台支持構造の変更例の説明＞
上記実施形態では、図２に示されるように、ダブルコンベックス・ローディング方式のコラム型のロードセル２１〜２４と各ロードセル２１〜２４の上側受け部材３２および下側受け部材３３によって載台２５を自由振動可能に支持する構造を採用したが、これに限定されるものではなく、図１０に示されるような載台支持構造を採用してもよい。
【００６５】
＜載台支持構造の他の態様例（１）の説明＞
図１０に示される載台支持構造は、載台２５から垂設される一対の脚部材６１，６１と、一対の脚部材６１，６１の間に位置するように荷台１１上に立設される一対の支柱部材６２，６２と、一対の支柱部材６２，６２の上端部同士を繋ぐ軸形ロードセル６３と、一対の脚部材６１，６１の下端部同士を繋ぐ下部ピン６４と、軸形ロードセル６３と下部ピン６４とに掛け渡される吊り環部材６５とを備えて構成されている。
軸形ロードセル６３は、その軸線方向中央部に、全周に亘って所定の曲率半径で窪んだ窪み部６６を有している。この窪み部６６に吊り環部材６５の上部が掛け止められている。また、下部ピン６４も同様に、その軸線方向中央部に、全周に亘って所定の曲率半径で窪んだ窪み部６７を有している。この窪み部６７に吊り環部材６５の下部が掛け止められている。
この載台支持構造においては、軸形ロードセル６３の軸線回りの振り子の作用により、載台２５の前後方向（軸形ロードセル６３の軸線と直交する水平方向）の変位に対する復元力が作用する。また、軸形ロードセル６３の窪み部６６に吊り環部材６５の上部が掛け止められているので、吊り環部材６５が軸形ロードセル６３の軸線方向に移動した際に、吊り環部材６５を窪み部６６の最低部へと戻す揺り戻し力が作用する。この揺り戻し力の作用により、載台２５の左右方向（軸形ロードセル６３の軸線方向）の変位に対する復元力が作用する。
【００６６】
＜載台支持構造の他の態様例（２）の説明＞
また、図１０に示される載台支持構造に代えて、図１１に示される載台支持構造を採用することもできる。
図１１に示される載台支持構造においては、載台２５から垂設される一対の脚部材６１，６１と、一対の脚部材６１，６１の間に位置するように荷台１１上に立設される一対の支柱部材６２，６２と、一対の支柱部材６２，６２の上端部同士を繋ぐ上部ピン６８と、一対の脚部材６１，６１の下端部同士を繋ぐ下部ピン６４と、上部ピン６８と下部ピン６４とに掛け渡される吊り環部材６９とを備えて構成されている。
上部ピン６８は、その軸線方向中央部に、全周に亘って所定の曲率半径で窪んだ窪み部７０を有している。この窪み部７０に吊り環部材６９の上部が掛け止められている。
吊り環部材６９の上下方向中央部には、引張形ロードセル７１が介設されている。
この載台支持構造においては、上部ピン６８の軸線回りの振り子の作用により、載台２５の前後方向（上部ピン６８の軸線と直交する水平方向）の変位に対する復元力が作用する。また、上部ピン６８の窪み部７０に吊り環部材６９の上部が掛け止められているので、吊り環部材６９が上部ピン６８の軸線方向に移動した際に、吊り環部材６９を窪み部７０の最低部へと戻す揺り戻し力が作用する。この揺り戻し力の作用により、載台２５の左右方向（上部ピン６８の軸線方向）の変位に対する復元力が作用する。
【００６７】
＜載台支持構造の他の態様例（３）の説明＞
また、図１０に示される載台支持構造に代えて、図１２に示される載台支持構造を採用することもできる。
図１２に示される載台支持構造においては、載台２５の下面に固定される上側受け部材８１と、設置ベース２上に固定される下側受け部材８２と、下側受け部材８２上に設置されるロードセル８３と、ロードセル８３と上側受け部材８１との間に配設される鋼球８４とを備えて構成されている。
上側受け部材８１には、鋼球８４との間に介在される上側受け座８５が形成されている。上側受け座８５は、鋼球８４の球面８４ａと接触される凹座面８６を有している。
ロードセル８３には、鋼球８４との間に介在される下側受け座８７が形成されている。下側受け座８７は、鋼球８４の球面８４ａと接触される凹座面８８を有している。
凹座面８６，８８の曲率半径は、鋼球８４の球面８４ａの曲率半径よりも大きく設定されている。
復元力発生機構は、鋼球８４の球面８４ａおよび上側受け座８５の凹座面８６と、鋼球８４の球面８４ａおよび下側受け座８７の凹座面８８とにより構成され、載台２５の水平方向の変位に対して復元力を発生する。
【００６８】
＜ダブルコンベックス・ローディング方式以外のロードセルを採用した場合の説明＞
図２に示されるダブルコンベックス・ローディング方式のコラム型のロードセル１１〜１４に代えて、図１０に示される載台支持構造を採用した場合の荷重検出に関わる力学モデルは図１３（ａ）に示されるようになる。
この場合の復元力Ｆは、次式（２３）で表わされる。
【数１５】
このＦを式（１３）に代入するにあたり、式（１６）と同じようにｋとして表わすと、次式（２４）で示されるようになる。
【数１６】
このｋを式（１６）に代えて式（１５）に用いればよい。なお、軸形ロードセル６３は鉛直方向の力を検出するものであるとする。
また、積荷２６が剛体の場合は、式（１７）´のｋを式（１６）に代えて式（２４）を用いればよい。
【００６９】
また、図２に示されるダブルコンベックス・ローディング方式のコラム型のロードセル１１〜１４に代えて、図１１に示される載台支持構造を採用した場合の荷重検出に関わる力学モデルは図１３（ｂ）に示されるようになる。
この場合の復元力Ｆは、次式（２５）で表わされる。
Ｆ＝Ｍｇ・ｙ０／ｌ ・・・（２５）
このＦを式（１３）に代入するにあたり、式（１６）と同じようにｋとして表わすと、次式（２６）で示されるようになる。
ｋ＝Ｍｇ／ｌ ・・・（２６）
このｋを式（１６）に代えて式（１５）に用いればよい。なお、引張形ロードセル７１は傾斜に応じた引張方向の力を検出するものであるとする。
また、積荷２６が剛体の場合は、式（１７）´のｋを式（１６）に代えて式（２６）を用いればよい。
ただし、この場合、引張形ロードセル７１は鉛直方向の力を検出していないので、式の中のΔＷおよびΔＷ３４の値は次式（２７）（２８）に示されるように補正演算が必要である。
【数１７】
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の重心位置測定装置は、リアルタイムに積荷の三次元重心位置を測定することができるという特性を有していることから、車両の横転防止に資する有効なデータのリアルタイムな提供の用途に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００７１】
１ 車両
１１ 荷台
２０ 重心位置測定装置
２１ 第１ロードセル
２２ 第２ロードセル
２３ 第３ロードセル
２４ 第４ロードセル
２５ 載台
２６ 積荷
３５ 変位センサ
３６ 加速度センサ
５０ 水平面的重心位置演算部
５１ 重心高さ演算部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の荷台上の積荷の三次元重心位置を測定する重心位置測定装置であって、
前記荷台の上方に配され、積荷が載置される載台と、
車両の幅方向および全長方向にそれぞれ所定の間隔を存して配され、前記載台を水平方向に自由振動可能に支持する複数のロードセルと、
水平方向に自由振動状態にある前記載台の変位および加速度のいずれか一方または両方を検出する振動状態量検出手段と、
前記ロードセルからの荷重信号に基づいて前記載台上における積荷の水平面的重心位置を演算する水平面的重心位置演算手段と、
前記ロードセルからの荷重信号と前記振動状態量検出手段からの検出信号とに基づいて前記載台上における積荷の重心高さを演算する重心高さ演算手段と
を備えることを特徴とする重心位置測定装置。
【請求項１】
車両の荷台上の積荷の三次元重心位置を測定する重心位置測定装置であって、
前記荷台の上方に配され、積荷が載置される載台と、
車両の幅方向および全長方向にそれぞれ所定の間隔を存して配され、前記載台を水平方向に自由振動可能に支持する複数のロードセルと、
水平方向に自由振動状態にある前記載台の変位および加速度のいずれか一方または両方を検出する振動状態量検出手段と、
前記ロードセルからの荷重信号に基づいて前記載台上における積荷の水平面的重心位置を演算する水平面的重心位置演算手段と、
前記ロードセルからの荷重信号と前記振動状態量検出手段からの検出信号とに基づいて前記載台上における積荷の重心高さを演算する重心高さ演算手段と
を備えることを特徴とする重心位置測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−５８１４９（Ｐ２０１２−５８１４９Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０３４２１（Ｐ２０１０−２０３４２１）
【出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【出願人】（０００２０８４４４）大和製衡株式会社 (535)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【出願人】（０００２０８４４４）大和製衡株式会社 (535)
【Ｆターム（参考）】
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