CN101939202A - 用于测量自动引导车辆的位移的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种用于测量自动引导车辆的位移的装置，所述装置包括在车上的：至少一个加速度计，其设有沿车辆可能的主要直线位移的纵向方向布置的测量轴；布置在沿纵向方向位于车辆上游的车轴上的第一转速计；在沿纵向方向位于车辆下游的第二车轴上布置有第二转速计；来自于加速度计、第一转速计和第二转速计的测量信号被提供给计算单元。这样，可以有利地确定车辆在其路线上的速度和位置，同时考虑至少一个车轴的附着性损失以及车辆路线上的坡度或曲率的确切影响，其中所述路线不一直是直线的，而是在水平和/或竖直方向上变化的。
Description
技术领域
本发明涉及如权利要求1前序部分所述的用于测量自动引导车辆的位移的装置。
背景技术
目前已知多种用于测量车辆位移、速度或加速度的方法或装置，尤其是针对用于公共交通的车辆，例如火车的、地铁的车厢单元、无轨电车、有轨电车、公共汽车或例如其他任何由至少一条引导轨道牵引驱动的车辆。特别是在由交通系统(铁路信号、车辆的远程和/或车载自动驾驶装置等)自动引导的车辆的情形下，无论车辆的路程性质如何，用于保证可靠(防止故障)和安全(对于乘客或货物而言)的自动引导的预防措施都是必不可少的。在这个意义上，尤其是对于车辆要遭受不可避免的附着性损失(perte d’adhérence)的情况，例如在车轴/车轮抱死(在车辆制动的时候)或打滑(在车辆加速或被牵引的时候)的时候，实时弄清车辆的位置、速度(和加速度)是极其重要的。
当被引导车辆具有不受任何牵引力或制动力的车轴时，车辆的运动由该车轴(或与该车轴关联的车轮之一)的转动直接提供。
然而，这种解决方案降低了牵引或制动的功率，因此降低了车辆的性能，这就是为什么大部分系统不提供自由车轴。
当不存在自由车轴时，为了摆脱与其车轮之一损失附着性时的打滑/抱死相关的后果，多种装置存在并使用：
-或者完全独立于车轮的测量装置，其允许通过光学的方式或借助于多普勒效应雷达来测量速度。然而，这种昂贵的装置最经常使用额外的转速计，用以在车辆停止和低速时工作，其中所述转速计允许测取车轮的角速度或单位时间的车轮转数；
-或者组合了加速度计、陀螺测试仪和地面定位系统(例如：GPS)的惯性导航装置。然而，这种惯性导航装置由于其高端技术的原因一直很昂贵，最经常用于航空系统的应用中；
-或者如在EP 0 716 001 B1中所述的、布置在车轴上的唯一一个转速计和用于考虑安全裕度的装置，其中安全裕度考虑装置为在一个或多个车轮上所测量的值考虑安全裕度，以试图抵偿(compenser)可能发生的打滑/抱死的影响，但由于还是太粗略，这降低了位移测量的性能。随之也导致了抵偿性防抱死，这对于车辆及其乘客或货物而言可能是突然的。特别地，由于该系统的尺寸确定必须考虑到足够的裕度以便处处/持续抵偿，因此无论是否发生打滑都降低了运输能力。该唯一的测量不具有足够的抱死幅度，借助于该测量来驾驶或引导车辆实际上降低了遵循速度程序的准确性和止动的准确性。因此随之也导致了就系统的止动准确性和运输能力而言的性能的降低；
-或者如在US 2005/0137761A1中所述的、装在车辆中的加速度计和装在车轴上的转速计，它们的测量信号与中央计算机相连，即使没有明确地描述，所述中央计算机适于考虑在存在附着性损失的情况下引入的误差，并输出车辆在其路程上的位置和速度。特别地，加速度计包括两个测量轴，以分别确定沿车辆路线方向的加速度和确定并因此在位移计算中考虑车辆相对于水平平面的坡度。还将加速度计和转速计的测量信号值与速度阈值比较，若超过阈值，则这些测量信号值允许指示车辆存在附着性损失(打滑/抱死)。由于铁路运输单元最经常具有细长几何构造，沿该细长几何构造置于车辆上游的唯一一个加速度计和转速计不能提供揭示作用于车辆整体的影响(例如：曲率或横向加速度的影响)的测量装置，所以尽管考虑了车辆所受到的坡度影响，但其他与车辆路线相关的、取决于加速度计在车辆中位置(及其两个测量轴的布置)的影响还是不可避免的。
因此，所有这些装置允许计算被引导车辆的运动，其中所述车辆不具有不受任何制动力和牵引力的车轴，并在具有任意特征(profil)的车道上通行，但由于这些装置不能完全摆脱附着性损失(由牵引力/制动力造成的打滑或抱死)和由横向甚至竖直加速度造成的误差，故其准确性远低于具有自由车轴的“理想”系统的准确性。
发明内容
本发明的目的之一在于，提出一种用于测量自动引导车辆的位移的装置，该装置在损失附着性的时候具有增大的测量鲁棒性(robustesse)。
这种用于测量自动引导车辆的位移的装置包括在车上的：
-至少一个加速度计，其设有沿车辆可能的主要直线位移的纵向方向布置的测量轴；
-布置在沿纵向方向位于车辆上游的车轴上的第一转速计；
-在沿纵向方向位于车辆下游的第二车轴上布置有第二转速计；
-来自于加速度计、第一转速计和第二转速计的测量信号被提供给计算单元，
根据上述装置，可以有利地确定车辆在其路线上的速度和位置，同时考虑至少一个车轴(自由轴或驱动轴)的附着性损失以及车辆路线上的坡度或曲率的确切影响，其中所述路线不一直是直线的，而是在水平或/和竖直方向上变化的。
与在背景技术中所述的装置相反的是，借助于计算单元，该装置可以以下述两种可能的互补方法检测到损失附着性的开始：
-或者通过基于所述两个车载转速计之一的测量信号的变化的检测模式，其中所述两个转速计位于车辆路线上的不同位置处，例如车辆沿其纵向位移方向的两侧；
-或者通过基于来自所述两个转速计的测量信号的相对差异测量的检测模式。此外，为了检测所述附着性损失发生至其结束的时间间隔，第二差异检测模式可优选于第一检测模式。
这里也要注意，双重转速计在可靠性(在其中一个转速计出故障的情况下保证了冗余性)和安全性(在由车辆自动驾驶(自动引导)系统、而不再是由其他独立的防抱死装置来主动进行打滑/抱死抵偿的情况下，测量和检测为了乘客的舒适和安全或/和货物的稳定性，更好地分布在车辆上的附着性损失)的意义上显著地改善了车辆的自动引导。这一方面尤其适于具有细长几何构造的车辆的路程特性(坡度、曲率、车道部分结冰/磨损等)。
有利地，加速度计还可以只具有唯一一个测量轴(例如与沿直线移动的车辆的路线一致)，该测量轴允许确定车辆路线上纵向类型的加速度。因此，该加速度计简单、具有鲁棒性，并且比设有多个测量轴的加速度计成本更低。根据该系统，一并且为了能够抵偿坡度、曲率或其他影响车辆在其路线上的实际加速度(以及通过积分得到的速度和位置)的测量的因素的影响，根据本发明的装置可以不具有加速度计其他的测量轴，其原因在于：
-该装置使用定位测量系统(联接到简单的地面或空中路标装置的数据库)，该系统提供车辆路线特征的数据，例如在移动中的车辆的每一个位置上的至少一个坡度和曲率(或沿车辆横向取向的侧倾度(dévers))；
-因此，设有一个测量轴的加速度计只提供车辆总体加速度的测量值；
-随后，计算机处理路线特征数据和所测量到的总体加速度，以确定沿车辆位移的纵向方向的修正加速度，该修正加速度准确地考虑了影响移动中车辆的行为、因此也影响固定在车辆上的加速度计的行为的坡度和曲率影响。
要注意的是，坡度和曲率的数据代表不需要对铁路运输装置所经过的每一米都准确或重新定义的数据，因为它们的值变化缓慢。因此，这允许将更小的数据库来源用作坡度/曲率参数，从而得到简单、具有鲁棒性但绝不会降低位移测量准确性的系统。
一组从属权利要求也说明了本发明的优点。
附图说明
借助于下述图示给出了实施例和应用示例：
图1：设有根据本发明的用于测量自动引导车辆的位移的装置的车辆；
图2：考虑坡度对所述装置的影响的示意图；
图3：考虑曲率对所述装置的影响的示意图。
具体实施方式
图1示出了设有根据本发明的用于测量自动引导车辆的位移的装置的车辆VEH。这里，车辆VEH包括两个转向架，每个转向架包括一对车轴R1a、R2a、R1b、R2b，其中每对中的至少一个沿车辆纵向位移(最初假设只是直线的)方向VEx位于车辆VEH的上游和下游的车轴R2a、R2b分别设有转速计103a、103b。还可以为所有的车轴都设置转速计，以使得能够精细化来自于同一个转向架的转速计的测量值或通过同一个转向架的另一个转速计来防备转速计的故障。同样地，可以设计成，转向架的一个车轴是自由轴，而另一个车轴则是驱动轴。当在沿车辆的纵向位移方向VEx的两个相反方向上使用车辆VEH时，包括有布置在其长度两侧的转速计的装置允许在两个方向上进行有利地冗余的转速测量。出于同样原因，唯一一个设有单个测量轴的车载加速度计101却足以通过其唯一的测量轴对双向位移进行测量，因为其在车辆上的位置是已知的。然而，可以使用多个加速度计，例如两个出于安全性冗余的原因布置在车辆上游和下游的加速度计。
因此，如作为实施例所示出的，用于测量自动引导车辆VEH的位移的装置包括在车上的：
-至少一个加速度计101，其设有沿纵向方向VEx的测量轴，这里纵向方向VEx对应于车辆的假设为直线的位移；
-第一转速计103b，其布置在沿纵向方向VEx位于车辆上游的车轴上；
-第二转速计103a，其布置在沿纵向方向Vex位于车辆下游的第二车轴上；
-来自于加速度计、第一和第二转速计的测量信号Gacc、STb、STa被提供给计算单元CALC、DB、CALC1、CALC2、CALC3。
从转向架所述两个车轴中的至少一个车轴的转速计103a、103b输出的周期性瞬时测量信号STa、STb被输送给附着性损失检测器CALC1(在打滑或抱死的情况下)。所述车轴可以独立地是自由的或不自由的(制动的和/或驱动的)。这样，附着性损失检测器与每个转速计的输出信号STa、STb相联，而每个输出信号提供所关联的车轴的瞬时角速度测量值。
所述两个转速计的输出信号STa、STb还被输送给第二计算机CALC3，该第二计算机设有用于来自于附着性损失检测器CALC1的附着性损失检测指示符Adh的信号输入。如果在附着性损失检测器CALC1处没有观测到任何附着性损失，则可以使用这一信号联接。相反地，在主动检测到附着性损失的情况下，附着性损失检测器CALC1允许激活指示符Adh，从而指示根据两个可能可并合(cumulable)的附着性损失检测模式进行检测，根据这两个检测模式：
-检测转速计的输出信号STa、STb中至少一个的瞬时角速度(或单位时间的车轮转动脉冲数)的变化，尤其是在至少一个车轴开始损失附着性的情况下；
-或/和检测转速计每个输出信号STa、STb的角速度(或单位时间的车轮转动脉冲数)之间的偏差，尤其是在开始损失附着性的情况下很准确，但在附着性损失的持续期间和直至其结束也很准确。
如果检测到附着性损失，该装置规定：
-定位测量系统DB提供车辆路线特征数据，例如在移动中的车辆的每个位置DX上的至少一个坡度Pte和一个曲率1/R(但也提供例如侧倾度的其他可能的信息)；
-设有测量轴的加速度计101输出沿其测量轴的方向VEx的车辆总体加速度Gacc的测量值；
-计算机CALC处理路线特征数据Pte、1/R和所测量到的总体加速度Gacc，以确定现在沿车辆实际位移的纵向方向Ox的修正加速度Gx，该修正加速度考虑了坡度和曲率的影响。
在图1的情况下(正如之后的受坡度影响的图2)，出于所示出的物理模型和车辆侧视图的原因，两个纵向方向Ox、VEx是相同的。在图3(受曲率影响的车辆的俯视图)中，变得明确的是，实际位移的纵向方向Ox可以显著地有别于假设为直线的位移的纵向方向VEx。进而，将使用术语“方向VEx”和“实际方向Ox”来区分方向VEx和另一个方向Ox。
为了简单地描述本发明，示出了装置可能的模块化示图，其中计算机CALC包括：
-第一计算机CALC2，其设有用于路线特征数据Pte、1/R和所测量到的沿方向Ox的加速度Gacc的信号输入，以及用于沿实际方向VEx的修正加速度Gx的信号输出；
-第二计算机CALC3，其设有用于来自附着性损失检测器CALC1的附着性损失检测指示符Adh的信号输入；
-第二计算机CALC3设有输出，用以输出车辆的估计速度Vx和通过常规积分估计的位置Dx；
-第二计算机CALC3设有用于转速计信号STa的输入，用以估计车辆的速度Vx和位置Dx(如果，与指示符Adh并行地，附着性损失检测器CALC1不直接将信号STa、STb传递给第二计算机CALC3，则这些输入是必要的)；
-第二计算机CALC3设有用于来自于第一计算机CALC2的修正加速度Gx的信号输入，以便至少在损失附着性的时候重新估计车辆的速度Vx和位置Dx，为此速度Vx先前的估计值被从第二计算机CALC3传递给第一计算机CALC2，以进行修正加速度Gx的重新估计。
这样，位移测量过程至少从开始检测到附着性损失起就迭代地(itérativement)开始，甚至持续地开始，如果希望的话。为了在附着性损失阶段即时地计算速度Vx和位置Dx，只需存储开始检测到附着性损失时的速度和位置值，并实施迭代过程，该迭代过程通过更新由常规积分获得的速度Vx和位置Dx的值来根据加速度计101测量轴上的加速度Gacc重新估计修正加速度Gx。
在检测到附着性损失之前，作为默认模式，第二计算机CALC3还可以简单地借助于与至少一个车轴的转动相关联的动态参数来提供车辆的速度Vx和位置Dx。当检测到附着性损失时，第二计算机CALC3提供速度Vx给第一计算机CALC2，第一计算机作为回复提供加速度Gx给第二计算机CALC3。这样，第二计算机CALC3就有了为重新估计沿实际方向VEx的速度Vx和位置Dx所必需的所有信息。
尽管没有在图中示出，但加速度计可以包括多个不同的测量轴，以便能够确定尤其是由特别是例如坡度或曲率的影响造成的更多的加速度分量。这允许抵偿定位测量系统DB(例如：通过激活包括有所需数据的数据库的路标装置，通过GPS(全球卫星定位系统，英文：Geographical Position System)等)的数据(坡度、曲率等)提供故障。
图2示出了考虑了如图1所示的车辆VEH在直线下坡时所受到的相对于水平方向的坡度Pte的影响的示意图(侧视图)。加速度计101测量在其由于坡度Pte而倾斜的测量轴(沿方向VEx，直线的)上的纵向加速度Gacc。纵向加速度Gacc实际上是沿实际方向Ox的纵向加速度Gx和与坡度影响相关联的加速度Gpte(即重力加速度)的和。根据本发明的装置允许准确地测量沿实际方向Ox的纵向加速度Gx，然后是速度Vx和位置Dx，如图1所述。
图3示出了考虑了如图1所示的车辆在一部分横向弯曲路线COURB上所受到的曲率1/R的影响的示意图(俯视图)，其中所述曲率1/R的曲率半径为R。加速度计101被布置在距车辆VEH的中心已知纵向距离Lx(沿纵向方向VEx)和已知横向距离Ly(沿垂直于纵向方向VEx的方向VEy)处。重要的是要记住，由于根据所选择的这些距离的不同，曲率影响对位移测量具有可变的强烈影响，因此在最坏的情况下可以使得位移测量不可纠正地出错，所以这一尺寸设计因素对于曲率影响的考虑是重要的。这对于假设车辆沿其位移的纵向方向VEx是细长的(例如：铁路乘客运输单元)情况而言更加重要。
加速度计101在其测量轴上测量沿直线方向VEx的纵向加速度Gacc，然而该纵向加速度在通过加速度计101的曲率半径上不与曲线COURB相切。纵向加速度Gacc实际上是沿实际方向Ox(即在通过加速度计101的曲率半径上与曲线COURB相切)的纵向加速度Gx和与曲率影响相关联的横向加速度Glat(离心力)的和。因此，根据本发明的装置允许准确地测量沿实际方向Ox的纵向加速度Gx，然后是速度Vx和位置Dx，如图1所述。
还可以描述一种使用该装置的方法，其一般应用于坡度Pte和曲率1/R的瞬时数据，根据该方法：
-修正加速度Gx为所测量到的总体加速度Gacc、坡度影响下的加速度Gpte和曲率影响下的加速度Glat的和；
-坡度影响下的加速度Gpte与重力加速度成比例；
-曲率影响下的加速度Glat是以下各项的乘积：
a)瞬时角A的正弦值，其中该瞬时角的顶点位于曲率1/R的中心，其两边通过车辆的中心和加速度计，
b)速度Vx的平方除以曲率1/R的半径R和加速度计相对于车辆中心的横向距离Ly的和所得的商；
-瞬时角A由加速度计相对于车辆中心的纵向距离Lx除以曲率半径R和加速度计相对于车辆中心的横向距离Ly的和所得的商来近似；
-其中，根据加速度计被布置在车辆沿其位移方向的上游或下游，纵向距离Lx是正的或负的，而根据加速度计被布置在关于曲率1/R的曲线的外部或内部，横向距离Ly是正的或负的。
这种方法由以下方程组(1)、(2)、(3)、(4)模型化：
(1)Gx＝Gacc+Gpte+Glat
(2)Gpte＝Pte×重力加速度(9.81m/s2)
(3)Glat＝(Vx2/(R+Ly))×Sinus(A)
(4)A＝Lx/(R+Ly)
Claims (9)
1.一种用于测量自动引导车辆(VEH)的位移的装置，包括在车上的：
-至少一个加速度计(101)，设有沿车辆的假设为直线的主要位移的纵向方向(VEx)的测量轴；
-第一转速计(103b)，布置在沿纵向方向位于车辆上游的车轴上；
所述装置的特征在于：
-在沿纵向方向位于车辆下游的第二车轴上布置有第二转速计(103a)；
-来自于所述加速度计、第一和第二转速计的测量信号被提供给计算单元。
2.如权利要求1所述的装置，包括：
-所述两个车轴中至少一个的附着性损失检测器(CALC1)；
-所述附着性损失检测器与每个所述转速计的输出信号(STa、STb)相联；
-每个所述输出信号提供相关联的车轴的瞬时角速度测量值。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述附着性损失检测器(CALC1)包括两种可并合的附着性损失检测模式的指示符(Adh)，根据所述两种检测模式，检测所述输出信号中至少一个的瞬时角速度变化或/和检测每个所述输出信号的角速度之间的偏差。
4.如权利要求3所述的装置，其中，在检测到附着性损失的时候：
-定位测量系统(DB)提供车辆路线特征数据，例如在移动中的车辆的每个位置(DX)上的至少一个坡度(Pte)和一个曲率(1/R)；
-所述设有测量轴的加速度计输出沿纵向方向(VEx)的车辆总体加速度(Gacc)的测量值；
-计算机(CALC)处理路线特征数据(Pte、1/R)和所测量到的总体加速度(Gacc)，以确定沿车辆实际位移的纵向方向(Ox)的修正加速度(Gx)，所述修正加速度考虑了坡度和曲率的影响。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述计算机(CALC)包括：
-第一计算机(CALC2)，设有用于路线特征数据(Pte、1/R)和所测量到的加速度(Gacc)的信号输入，以及用于修正加速度(Gx)的信号输出；
-第二计算机(CALC3)，设有用于来自所述附着性损失检测器(CALC1)的附着性损失检测指示符(Adh)的信号输入；
-所述第二计算机(CALC3)设有输出，用以输出车辆的估计速度(Vx)和估计位置(Dx)；
-所述第二计算机(CALC3)设有用于所述转速计的信号(STa)的输入，用以估计车辆的速度(Vx)和位置(Dx)；
-所述第二计算机(CALC3)设有用于来自所述第一计算机(CALC2)的修正加速度(Gx)的信号输入，用以至少在损失附着性的时候重新估计车辆的速度(Vx)和位置(Dx)，为此所述速度(Vx)先前的估计值被从所述第二计算机(CALC3)传递给所述第一计算机(CALC2)，以进行修正加速度(Gx)的重新估计。
6.如权利要求4所述的装置，其中：
-修正加速度(Gx)为所测量到的总体加速度(Gacc)、坡度影响下的加速度(Gpte)和曲率影响下的加速度(Glat)的和；
-坡度影响下的加速度(Gpte)与重力加速度成比例；
-曲率影响下的加速度(Glat)是以下各项的乘积：
a)瞬时角(A)的正弦值，其中所述瞬时角的顶点位于曲率(1/R)的中心，其两边通过车辆的中心和所述加速度计，
b)速度(Vx)的平方除以曲率(1/R)的半径(R)和所述加速度计相对于车辆中心的横向距离(Ly)的和所得的商；
-瞬时角(A)由所述加速度计相对于车辆中心的纵向距离(Lx)除以曲率半径(R)和所述加速度计相对于车辆中心的横向距离(Ly)的和所得的商来近似；
-其中，根据所述加速度计被布置在车辆沿其位移方向的上游或下游，纵向距离(Lx)是正的或负的，而根据所述加速度计被布置在关于所述曲率(1/R)的曲线的外部或内部，横向距离(Ly)是正的或负的。
7.如上述权利要求4至6中任一项所述的装置，其中，在检测到附着性损失之前，所述第二计算机(CALC3)借助于与至少一个车轴的转动相关联的动态参数来提供车辆的速度(Vx)和位置(Dx)。
8.如权利要求7所述的装置，其中，当检测到附着性损失时，所述第二计算机(CALC3)提供速度(Vx)给所述第一计算机(CALC2)，所述第一计算机作为回复提供加速度(Gx)给所述第二计算机(CALC3)。
9.如权利要求4至8中任一项所述的装置，其中，所述加速度计包括多个不同的测量轴(为了精细化对修正加速度(Glong)的确定和/或抵偿来自提供测距数据的定位测量系统的信息的损失)。
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