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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines über eine vorbestimmte Strecke fahrenden, gesteuerten Fahrzeuges, mit einem Speichermodul für die Speicherung von Streckeninformation, einer Sensorgruppe zur Erfassung von Messgrössen des Fahrzeuges während der Fahrt und einer davon beeinflussten Steuereinheit für das Fahrzeug.
Aus der US 5 398 188 A ist eine Navigationsvorrichtung für ein Fahrzeug mit einem in diesem vorgesehenen Display bekannt geworden, auf dem die jeweilige Position des Fahrzeuges sichtbar gemacht wird. In einem Speichermodul wird eine Karteninformation gespeichert und Sensoren dienen dem Auffinden der Position und der Bewegungsrichtung des Fahrzeuges.
Die US 4 773 018 A offenbart die Steuerung eines unbemannten Fahrzeuges durch Zusammenwirken einer Lichtquelle und fotoelektrischer Sensoren. Bei dieser bekannten Steuerung ist ein Speichermodul für Wegsteuerungsinformationen vorgesehen und ein Vergleicher vergleicht diese gespeicherten Wegsteuerungsinformationen mit der Position des Fahrzeuges.
Aus der WO 94/16504 A1 und der US 5 374 933 A ist ein Navigationssystem zur Bestimmung der Position eines Fahrzeuges mit einem Speichermodul und Sensoren für die Erfassung externer Signale bekannt geworden.
Die US 3 758 165 A zeigt eine Vorrichtung, mit welcher die Geschwindigkeit eines geschleppten Fahrzeuges an jene des Schleppfahrzeuges durch automatische Verzögerung der Bewegung des geschleppen Fahrzeuges angepasst werden kann, um Aufschaukelungen zu vermeiden.
Es ist bekannt, den Komfort fahrender, gesteuerter Fahrzeuge, wie beispielsweise Schienenfahrzeuge oder andere Transportfahrzeuge, zu verbessern, wenn für die Steuerung der Geschwindigkeit, eines allenfalls vorhandenen Pendelsystems sowie sonstiger Steuergrössen des Fahrzeuges, ein Positionsdetektorsystem verwendet wird.
Durch den Einbau eines Pendelsystems in Schienenfahrzeuge kann die Fahrgeschwindigkeit erhöht und dadurch die Fahrzeit verkürzt und ein verbesserter Fahrkomfort für Reisende erzielt werden. Das Pendeln bewirkt im Fahrzeug eine zusätzliche Überhöhung in den Kurven, wodurch in diese mit höherer Geschwindigkeit eingefahren werden kann.
Die bisher bekannten Pendelsysteme basieren auf der Kurvenerkennung in Echtzeit durch ein integriertes System dynamischer Sensoren, wie beispielsweise Kreiselgeräte und Beschleunigungsmessem. Die Pendeltätigkeit wird hiebei den durch diese Sensoren erfassten Signalen angepasst. Nachteilig ist bei diesen bekannten Pendelsystemen, dass die Wirkung der durch die Sensoren erfassten Signale auf das Fahrzeug immer mit einer gewissen Verzögerung erfolgt, weil zunächst die Kurve erkannt bzw. eine Unregelmässigkeit im Gleis festgestellt werden muss, bevor die Pendeltätigkeit beeinflusst wird. Durch die Notwendigkeit, die bei der Kurvenerfassung verlorene Zeit wieder einzuholen, erfolgen die Pendelbewegungen ruckartig und unterliegen ständigen Korrekturen, die zu wesentlichen Komfortbeeinträchtigungen der Reisenden führen.
Ausserdem werden bei den bekannten Pendelsystemen die Basisparameter der jeweils befahrenen Kurve, also Krümmungsradius, Überhöhung, Länge der Übergangsbögen usw., nicht berücksichtigt. Dies führt zu einem Unbehagen bei den Reisenden, da sich das Neigungsgesetz des Fahrzeuges nicht optimal dem Neigungsgesetz des Reisenden anpasst.
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, diese Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines über eine vorbestimmte Strecke fahrenden, gesteuerten Fahrzeuges zu schaffen, mittels welcher die Ist-Position des Fahrzeuges, beispielsweise auf einem Gleis, in Vorkenntnis des entsprechenden Gleisverlaufes erkannt und die Steuergrössen des Fahrzeuges dadurch rechtzeitig beeinflusst werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung, ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art, vor, dass im Speichermodul Parameter der in Abschnitte unterteilten, zu durchfahrenden Strecke, nämlich die absolute Position, der Krümmungsradius von Kurven und die Kurvenlänge im jeweiligen Abschnitt gespeichert sind, dass die Sensorgruppe einen Messwertgeber aufweist, der bei einer Kurvenfahrt auftretende Messgrössen erfasst, und dass die Steuereinheit über die vom Messwertgeber erfassten Messgrössen und die im Speichermodul gespeicherten Werte die Ist-Position des Fahrzeuges und die dieser Ist-Position zugeordneten Parameter von Korrekturkurven bestimmt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglicht somit die Identifizierung der jeweiligen Ist-Position des Fahrzeuges auf einer vorbestimmten Strecke und damit eine rechtzeitige Beeinflussung der Steuerungsgrössen dieses Fahrzeuges in Abhängigkeit von der jeweiligen Ist-Position, beispielsweise in Kurven, sodass der Fahrkomfort wesentlich verbessert wird.
Erfindungsgemäss kann die Anordnung so getroffen sein, dass der Messwertgeber die Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeuges, bezogen auf eine lotrecht zur Bewegungsebene stehende Achse erfasst und einen Wert für die Messung der Positionsänderung des Fahrzeuges und der absoluten Geschwindigkeit des Fahrzeuges liefert.
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Eine praktische Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass jede Korrekturkurve in einen Einlauf-Übergangsbogen und einen Auslauf-Übergangsbogen unterteilt ist, wobei die Ordinaten der entstehenden Sollkurve der Reziprokwert der Radien und die Abszissen deren Länge ist, dass der Schwerpunkt des Bereichs der Sollkurve berechnet wird, dass aus den vom Messwertgeber erfassten Messgrössen sowie aus von einem Positionssensor erfassten Messgrössen eine Ist-Kurve mit den selben Koordinaten gebildet wird, wobei der Schwerpunkt des Bereichs der Ist-Kurve berechnet wird und dass die Differenz der Werte der Schwerpunktdaten der Sollkurve und der Ist-Kurve ermittelt wird, welche Differenz zur Korrektur der absoluten Position herangezogen wird.
Bei einer anderen praktischen Ausführungsform ist die Anordnung so getroffen, dass jede Korrekturkurve in einen Einlauf-Übergangsbogen und einen Auslauf-Übergangsbogen unterteilt ist, wobei die Ordinaten der entstehenden Sollkurve der Reziprokwert der Radien und die Abszissen deren Länge ist, dass die Position in Abszissen des Schwerpunkts der Sollsteigung entsprechend dem Übergangsbogen berechnet wird, dass aus den von einem Kurvendetektorsensor und dem Messwertgeber erfassten Messgrössen eine Ist-Kurve mit den selben Koordinaten der Sollkurve gebildet ist, wobei die Position des Schwerpunkts der Ist-Kurve einer an den Ist-Übergangsbogen angepassten und parallel zur Sollsteigung verlaufenden Steigung berechnet wird,
und dass die Differenz der Werte der Abszissen der Schwerpunkte der Solfsteigung und der angepassten Steigung ermittelt und zur Korrektur der absoluten Positionsdaten herangezogen wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann weiters zusätzlich mit einer Markierungserfassungseinrichtung versehen sein, über welche an einzelnen Punkten der zu durchfahrenden Strecke vorgesehene Signalmarkierungen zur Bestimmung der absoluten Position erfassbar sind, wodurch die Genauigkeit vergrössert werden kann. Weiters kann zusätzlich eine von einem Satelliten beeinflussbare Einrichtung zur Bestimmung der absoluten Fahrzeugposition (global positioning system) vorgesehen sein.
Anhand der Zeichnung wird im folgenden die erfindungsgemässe Vorrichtung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm, aus dem die Funktionsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung ersichtlich ist. Fig. 2 stellt in einem Koordinatensystem die Kurve eines vom Fahrzeug zu durchfahrenden Streckenabschnittes dar. Fig. 3 zeigt eine vergleichende Darstellung der Kurve nach Fig. 2 und der bei einer praktischen Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung gewonnenen Ist-Kurve. Fig. 4 zeigt eine vergleichende Darstellung der Kurve nach Fig. 2 und der bei einer anderen praktischen Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung gewonnenen Ist-Kurve.
Es sind auch noch andere praktische Ausführungen der erfindungsgemässen Vorrichtung möglich.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Blockdiagramm ist mit 1 ein Speichermodul bezeichnet, in dem Informationen zum Streckenverlauf gespeichert sind, den das Fahrzeug zurücklegt. Der Streckenverlauf ist hiebei in einzelne Abschnitte unterteilt, wobei jeder Abschnitt durch seine Parameter, nämlich die Ist-Lage, den Radius R des Abschnittes und die Länge des Abschnittes identifiziert ist.
Mit 2 ist eine Sensorgruppe bezeichnet, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Messwertgeber 3, der bei einer Kurvenfahrt auftretende Messgrössen erfasst, und aus einem Positionssensor 4 besteht. Der Messwertgeber 3 erfasst beispielsweise die Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeuges, bezogen auf eine lotrecht zur Bewegungsebene stehende Achse und liefert einen Wert für die Messung der Positionsänderung des Fahrzeuges und der absoluten Geschwindigkeit des Fahrzeuges. Die Messung der Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeuges basiert beispielsweise auf der Messung der seitlichen Beschleunigungen und/oder seitlichen Verschiebungen der Aufhängeelemente bei einem Pendelsystem.
Diese Variablen sind physikalisch und mathematisch miteinander verknüpft ; deshalb kann die Anordnung des Messwertgebers 3 und seine Art beliebig sein, wenn die angegebenen Werte ermittelt werden können.
Der Positionssensor 4 dient zur Messung der Positionsveränderung des Fahrzeuges und seiner absoluten Geschwindigkeit in Fahrtrichtung. Dieser Sensor kann beispielsweise an einem oder mehreren Fahrzeugrädem angebracht sein und beispielsweise aus einer Einrichtung bestehen, die den Winkel misst, um den sich das Rad gegenüber dem Fahrgestell gedreht hat. Aus dieser Messung lässt sich direkt die Positionsänderung des Fahrzeuges ermitteln. Die absolute Geschwindigkeit in Fahrtrichtung erhält man, indem man dieses so ermittelte Signal einem Frequenz-Spannungs-Wandler eingibt, bzw. über einen Impulszähler mit konstanten Zeitintervallen.
Mit 5 ist eine Steuereinheit mit ausreichender Rechenkapazität für die Bewertung der vom System benötigten Steueralgorithmen und für die Bereitstellung der erforderlichen Daten, beispielsweise die Position und die Geschwindigkeit, bezeichnet.
Das eben beschriebene System kann durch zwei weitere Elemente ergänzt und verbessert werden, die lediglich fakultativ angeordnet sein können. Je nach Verwendungsmöglichkeit kann das eine oder das andere dieser Elemente oder es können auch beide dieser Elemente vorgesehen sein. Auch wenn diese Elemente für die Arbeitsweise des Systems nicht entscheidend sind, so wird durch ihre Verwendung die Leistungsfähigkeit und Benutzungsfreundtichkeit des Systems doch wesentlich verbessert. Bei diesen
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beiden Elementen handelt es sich um ein Markierungserfassungsgerät 6, durch weiches eine Reihe von Markierungen erfasst wird, die entlang der vom Fahrzeug durchfahrenen Strecke an solchen Punkten angebracht sind, an welchen die genaue Ist-Position des Fahrzeuges bekannt ist.
Wenn das Gerät eine Markierung erfasst, meldet es diese Information direkt an die Steuereinheit 5 und diese fragt das Speidermo- dul 1 ab, welche absolute Position dieser Position entspricht. Die verwendeten Markierungen können aktiv mit einem Elektroanschluss an eine externe oder interne Stromversorgung und/oder passiv ohne Elektronschluss an eine Stromversorgung sein.
Das weitere Element 7 ist eine von einem Satelliten beeinflusste Einrichtung zur Bestimmung der absoluten Fahrzeugposition (Global Positioning System, GPU). Eine derartige Einrichtung ist in der Lage, die absolute Position eines Empfängers an einem beliebigen Punkt der Erde zu erfassen. Dazu werden von die Erde in nicht geostationären Umlaufbahnen umkreisenden Satelliten ausgesandte Informationen verwendet. Hält das Fahrzeug an, lässt sich mit Hilfe dieser Informationen aus der Einrichtung 6 die Anfangsposition ermitteln.
Im folgenden wird ein Beispiel für die praktische Ausführung der Funktionsweise beschrieben :
Die Vorrichtung beginnt, ausgehend von einer absoluten Anfangsposition des Fahrzeuges, die automatisch, z. B. durch das Fahrtende, eine Markierung, durch GPS oder aber manuell, beispielsweise mittels einer Tastatur, vorgegeben wurde, zu arbeiten. Im folgenden benutzt die Steuereinheit 5 die aus dem Positionssensor 4 stammende Information zur dauernden Aktualisierung der absoluten Fahrzeugposition.
Die Messung dieses Positionssensors 4 kann jedoch durch verschiedene Fehlerquellen beeinträchtigt werden, z. B. durch Abnutzung des Messrads, durch Veränderungen des Raddurchmessers, durch Veränderungen des vom Rad beschriebenen Verlaufs, durch Schleuderbewegungen in den Antriebs- und Bremsphasen des Fahrzeugs usw. Das führt dazu, dass der mit dem Positionssensor 4 gewonnene Messwert der absoluten Position des Fahrzeuges nicht vollkommen entspricht. Zur Verbesserung der Genauigkeit hat die Vorrichtung Algorithmen integriert, die eine Korrektur der mit Hilfe des Positionssensors 4 bestimmten Fahrzeugposition bewirken.
Diese Korrekturalgorithmen basieren auf der Identifikation/Parametrisierung der Ist-Kurven über die Analyse der dynamischen Funktionsdaten, die sich aus den Signalen des Messwertgebers 3 und des Positionssensors 4 ergeben, und über deren Vergleich mit den Soldaten des Laufwegs, die vorher ins Speichermodul 1 eingegeben wurden.
Diese Analyse besteht in einer Anpassung des Koordinatenprofils des vom Messwertgeber 3 und dem Positionssensor 4 erhaltenen Signals einer Ist-Kurve an das Sollprofil dieser Kurve, das im Speichermodul 1 gespeichert ist. Diese Anpassung kann auf dem Erhalten des Mindestfehlers zwischen den beiden Kurven, der Soll- und der Ist-Kurve nach den Koordinaten basieren.
Im folgenden werden beispielhaft zwei Anpassungsmöglichkeiten vorgestellt. Eine basiert auf der Anpassung über den Schwerpunkt, und die andere basiert auf der Anpassung des Übergangsbogens : Verfahren 1 : Anpassung über den Schwerpunkt (Fig. 2 und 3)
Entlang des Streckenverlaufes gibt es eine Anzahl von Kurven, die aufgrund ihrer Merkmale - im wesentlichen, weil sie einen vorgegebenen Radiusschwellenwert überschreiten - als Korrekturkurven genommen werden.
Von diesen ist der Krümmungsradius R, die Länge des Übergangsbogens des Einlaufes Lti und des Auslaufes Ltf und die eigentliche Kurvenlänge Lcu bekannt, so wie sie in Fig. 2 (Sollkurve ct) dargestellt wird, in der die Ordinaten die Radius-Umkehrordinate 1/R und die Abszisse die Längen sind, die die absolute Position Pa anzeigen.
Mit den oben genannten Kurvendaten lässt sich der Schwerpunkt cdg in der Fig., bezogen auf eine Achse, z. B. die Ordinatenachse, ermitteln.
Das Fahrzeug erfasst ständig die Signale aus dem Messwertgeber 3. der die während der Kurvenfahrt auftretenden Messgrössen erfasst, dem Winkelgeschwindigkeitsmesser der Schleife fidot und dem Positionssensor 4, der die Betriebsgeschwindigkeit in Intervallen konstanter Verschiebung liefert. Wenn sich das Fahrzeug einer Korrekturkurve nähert und mit den Daten der Messwertgeber 3 und Sensoren 4 gearbeitet wird, ergeben sich die Werte der Darstellung der Ist-Kurve cr mit den Ist-Werten des Krümmungsradius und der Position.
Diese Operation wird an allen Messpunkten durchgeführt, die entlang des Streckenverlaufes erfasst werden, wo die Korrekturkurve mit einem Verschiebungsbereich vor und hinter der Kurve angenommen wird, d. h., die Datenabtastung beginnt kurz vor der Kurve und endet kurz hinter ihr (Zone m). In Fig. 3 lässt sich der Vergleich des gemessenen Ist-Profils cr und der Soldaten ct einer Kurve feststellen, bei der die absolute Position des Fahrzeugs hinsichtlich der Sollkurve vorweggenommen ist.
Anschliessend, nach Durchfahren der gesamten Korrekturkurve, wird der Schwerpunkt cdgr der mathematischen Ist-Kurve in bezug auf den Beginn über eine herkömmliche mathematische Funktion berechnet.
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Dieser Ist-Wert des Schwerpunktes cdgr wird mit dem Sollwert cdgt aus dem Speicher verglichen. Die Differenz zwischen Ist- und Sollwert gibt die Phasenverschiebung cotr zwischen der Ist- und der Sollposition des Fahrzeuges an. corr = cdgr - cdgt
Bevor die Angabe der absoluten Fahrzeugposition durch die neue Position aktualisiert wird, erfolgt eine Sicherheitsüberprüfung : der absolute Wert der Korrektur corr muss unter einem Korrekturschwellenwert corr. um tiegen. Wenn dies nicht der Fall ist, muss die Korrektur corr dem Korrekturschwellenwert mit dem Zeichen corr angeglichen werden.
Nach dieser Kontrolle wird der Wert der absoluten Position pos. abs in folgender Weise geändert : pos. abs = pos. abs-corr
Der Wert der absoluten Position wird, ausgehend von diesem neuen Wert, immer wieder ersetzt.
Verfahren 2 : Anpassung des Übergangsbogens
Diese Variante basiert auf der Anpassung des Übergangsbogens sowohl am Einlauf wie auch am Auslauf. Wir nehmen den Fall gemäss Fig. 4 an, bei dem das Fahrzeug gegenüber dem Sollverlauf vorausläuft.
Der Korrekturalgorithmus versucht nun, den corr-Wert zu berechnen corr = cdgr - cdgt und stützt sich dabei auf eine Anpassung, die vom Mindestfehler zwischen der Istkurve und einer parallel zur Sollkurve verlaufenden Steigung abhängt. Die Methode ist dieselbe wie im vorherigen Beispiel, ausgenommen der Berechnungsteil von cdg-cdgr, der hier den Abstand zwischen den Bezugsdaten der Messungen und der Abszissenposition des Schwerpunktes der parallelen Steigung rp zur Sollsteigung rt ist, die den Mindestfehler der Anpassung an die Ist-Kurve cr liefert.
Wenn das System mit einer Markierungsfassungseinrichtung 6 ausgerüstet ist, wird folgendes Verfahren parallel zum vorigen ausgeführt :
1. Das Passieren einer Markierung wird erkannt und es werden deren Bezugsdaten bestimmt.
2. Mit den Bezugsdaten der Markierung wird die Markierungsdatenbank des Speichermodul 1 abge- fragt, und man erhält die zur betreffenden Markierung gehörige absolute Position pos. bal des Fahrzeu- ges.
3. Der Wert der absoluten Position des Fahrzeuges ist ab diesem Moment der Wert der zur betreffenden
Markierung gehörigen absoluten Position. pos. abs = pos. bal
Wenn das System eine Einrichtung zur Bestimmung der absoluten Fahrzeugposition (GPS) 7 enthält, kann entweder analog dem vorherigen Verfahren oder nach einem Sicherheitsverfahren zur Redundanz der aktuellen Information vorgegangen werden. Dabei müssen die folgenden Schritte ablaufen :
1. Wenn das Fahrzeug hält, wird die vom GPS (Längen- und Breitenkoordinaten der Fahrzeugposition) empfangene Information eine bestimmte Zeitlang verarbeitet und ein Mittelwert der Längen- und
Breitenkoordinaten errechnet.
2. Mit den gemittelten Koordinaten wird die Datenbank des Systemspeichers abgefragt, und diese
Koordinaten werden mit einem Wert der absoluten Fahrzeugposition pos. gps verbunden.
3. Die Korrektur corr wird als die Differenz zwischen dem Wert der aktuellen Position pos. abs und der vom GPS erhaltenen Position pos. gps berechnet, corr = (pos. abs-pos. gps).
4. Wenn der Korrekturwert unterhalb eines Schwellenwertes für die Korrekturen des GPS corr-um. gps liegt, wird die Angabe der aktuellen Position als gültig angenommen. Dieser Schwellenwert ist eng mit der Präzision des GPS verknüpft. Andernfalls wird der aktuelle Wert der Position pos. abs durch den des
GSP pos. gps ersetzt.