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,图1可以与图2相关联以澄清如何与车辆所受到的并由两个加速度计101、102测量的加速度相一致地来定义与移动中的车辆相关联的各平面。图3和图4示出了加速度计测量轴Acc1、Acc2、Acc3、Acc4在标准正交坐标系[X,Y,Z]中按照根据车辆所受到的加速度的类型Gx、Glat、Gpes(纵向位移、曲率的影响或/和坡度的影响)而选定的平面的布置,其中所述坐标系的中心在加速度计处,其X轴指示车辆纵向路线的方向。
这种用于测量自动引导车辆VEH的位移(瞬时位置Dx)的装置包括在车上的:
-加速度计101,其设有在纵向平面Py上的两个测量轴Acc1、Acc2,其中所述纵向平面由沿车辆的假设为直线的主要位移VEx的方向的第一纵向轴X和与车辆底板垂直的第二轴Z定义;
-计算机103,其与和每个测量轴Acc1、Acc2相关联的输出信号S1和S2相连,其中每个输出信号S1、S2包括车辆总体合成加速度在相关联的测量轴Acc1、Acc2上的正交投影测量值Gacc1、Gacc2;
-第二加速度计102,其设有至少两个在水平平面Pz上的测量轴Acc3、Acc4,其中所述水平平面由第一轴X和与第一和第二轴X、Z垂直的第三轴Y定义;
-计算机103与和每个测量轴Acc3、Acc4相关联的输出信号S3、S4相连,其中每个输出信号S3、S4包括车辆总体合成加速度在相关联的测量轴Acc3、Acc4上的投影测量值Gacc3、Gacc4;
-第一加速度计101和第二加速度计102的所有测量轴Acc1、Acc2、Acc3、Acc4在其各自的平面Py和Pz上都具有可以调节的相对夹角A1+A2、A3+A4,因此对所述相对夹角进行调节以使得计算机103根据四个投影测量值Gacc1、Gacc2、Gacc3、Gacc4输出至少一个在包括有坡度和曲率的路线上的每一点处的车辆纵向加速度Gx的瞬时值。换句话说,纵向加速度Gx的值是考虑了坡度和曲率影响的确切的加速度值。同样地,使得加速度测量出错的附着性损失将从车轴的转动推断出,在这里可以理想地对其进行抵偿。
因此,主要地,根据本发明的装置使用两个双轴加速度计101、102,这两个双轴加速度计固定在车身上并用于测量车辆的纵向加速度和横向加速度。车辆受到三个力的作用,这三个力产生了纵向加速度Gx(受到牵引力/制动力的车辆的位移)、横向加速度Glat(路线的曲率造成离心加速度)和由在存在坡度(路线的坡度)的时候作用的重力所造成的竖直加速度Gpes。其两个轴Acc1、Acc2处于竖直平面Py上的第一加速度计101和其两个轴Acc3、Acc4处于水平平面Pz上的第二加速度计102将允许测量投影到所述四个测量轴中每一个上的加速度(纵向加速度、横向加速度、重力加速度)的合成值。加速度计各个测量轴之间的角度已知,并在调节后固定。计算机103对由四个方程组成的方程组进行求解,以确定车辆在位置Dx上的四个未知量,即:路线坡度角Ax、横向加速度角Ay(由起因于车辆速度的向心力引起,并取决于路线曲率半径R和加速度计相对于车辆中心的偏移量)、横向加速度Glat的值、和纵向加速度Gx的值。计算机103通过在路程期间上逐次积分来确定车辆VEH在其路线上对于任意坡度和曲线COURB的纵向速度Vx和纵向位移Dx。
如有必要,用转速计108对根据本发明的装置进行补充,以提高上述速度Vx和所经过的距离Dx的测量准确性。转速计108固定在车辆VEH的其中一个车轴R1a、R2a、R1b、R2b上,其输出信号STb被传递给计算机103。计算机103根据转速计的测量信号评估位移DxT和速度VxT。计算机在来自于转速计的位移测量结果和来自于加速度计的位移测量结果之间进行比较。当对于这些测量值,测量偏差小于阈值时,将测量值校正(recaler)为来自转速计的测量值。在相反的情况下(值大于阈值),则不对来自于加速度计测量的结果进行修正。
如图1所示,零速度信息Op也可以可靠地由计算机103根据来自于车辆设备的信息Im(静止信号、零速度指示器等)输出,或由根据本发明的装置本身来确定。为进行该项确定,计算机103处理来自于转速计和加速度计的信息。
当装置确定零速度时,得益于所建议的加速度计的安装特点,该装置还具有实施自动测试功能的有利能力。该自动测试功能允许评估需要(在自动校准之后)对加速度计测量值进行的修正,并允许识别加速度计的工作故障。多个测量轴提供了(由两个双轴加速度计所致的)多个测量值很有利的冗余性,并允许通过定期(例如:每次在车站停车的时候)的加速度计可靠性检验来保证以很小的误差概率进行测试测量(以及因此以很小的误差概率进行之后的位移测量),使其与例如在铁路领域中所要求的可靠系统的安全性要求相符。
在本描述的下文中,参照两张图,即图3和图4。
考虑第一加速度计101的测量轴Acc1、Acc2(见图3,其中为了清楚起见,有意地略去了横向加速度Glat),通过将加速度Gx、Glat、Gpes在加速度计101的每一个轴Acc1、Acc2上的投影进行加和所获得的投影测量值分量Gacc1、Gacc2为:
-在轴Acc1上:
Gacc1=(Gx)投影-(Gpes)投影-(Glat)投影
(1)Gacc1=Gx cos(Ay)cos(A1)+Gpes sin(A1-Ax)-Glat sin(Ay)cos(A1)
-在轴Acc2上:
Gacc2=(Gx)投影-(Gpes)投影-(Glat)投影
(2)Gacc2=Gx cos(Ay)cos(A2)-Gpes sin(A2+Ax)-Glat sin(Ay)cos(A2)
同样地,考虑第二加速度计102的测量轴Acc3、Acc4(见图4,其中为了清楚起见,有意地略去于坡度加速度Gpes),通过将加速度Gx、Glat、Gpes在加速度计102的每一个轴Acc3、Acc4上的投影进行加和所获得的投影测量值分量Gacc3、Gacc4为:
-在轴Acc3上:
Gacc3=(Gx)投影-(Glat)投影-(Gpes)投影
(3)Gacc3=Gx cos(A3+Ay)-Glat sin(A3+Ay)-Gpes sin(Ax)cos(A3)
-在轴Acc4上:
Gacc4=(Gx)投影-(Glat)投影-(Gpes)投影
(4)Gacc4=Gx cos(A4-Ay)+Glat sin(A4-Ay)-Gpes sin(Ax)cos(A4)
以及对于方程(1)至(4)有:
-角A1在平面Py上、轴X与轴Acc1之间;
-角A2在平面Py上、轴X与轴Acc2之间;
-角A3在平面Pz上、轴X与轴Acc3之间;
-角A4在平面Pz上、轴X与轴Acc4之间;
-车辆路线角Ax在平面Py上(即水平面与轴X之间的角);
-偏移距离Dx为车辆中心与车载加速度计101、102的固定点之间的距离;
-与曲率半径R相关联的角Ay在平面Py上。角Ay根据Arctg(Lx/R)来计算,由于曲率半径R的值通常大于偏移距离Lx,故一级近似为Lx/R。
由(1)至(4)四个方程构成的方程组的求解属于数学技巧的范围(这里没有描述),其目的在于根据计算机103所具有的加速度值的测量值Gacc1、Gacc2、Gacc3、Gacc4来计算四个变量Gx、Glat、Ax和Ay。
然而,在关于加速度计101、102的布置的某些特殊假设下,方程组的求解被有利地简化了。
在这些假设中,可以选择相对夹角A1+A2、A3+A4,使得这些相对夹角各定义一直角,即:A1+A2=90°,及A3+A4=90°。这样,根据本发明的装置可以规定相对夹角A1+A2、A3+A4中的至少一个是直角。
根据本发明的装置实施成使得每个相对夹角A1+A2、A3+A4实际上分别细分为(或可以细分为)第一角A1和第二角A2以及第一角A3和第二角A4,这些第一和第二角对应于第一和第二加速度计101、102的四个测量轴Acc1、Acc2、Acc3、Acc4与第一轴X(沿车辆的假设为直线的主要位移方向的纵向轴)之间的投影角。
在这方面,也很有利的是,选择角A1、A2、A3、A4,使得A1=A2及A3=A4,尤其是例如A1=A2=A3=A4=45°。
至于角A1、A3的选择,还可以对其赋以可调节的值,这些值允许最好地估计坡度或曲率的影响,而不损害纵向加速度测量的准确性。
示例地,如果选择了每个加速度计的投影角A1、A2和A3、A4相同、即A1=A2及A3=A4的选项,则上述方程组变成:
(1)Gacc1=Gx cos(Ay)cos(A1)+Gpes sin(A1-Ax)-Glat sin(Ay)cos(A1)
(2)Gacc2=Gx cos(Ay)cos(A1)-Gpes sin(A1+Ax)-Glat sin(Ay)cos(A1)
(3)Gacc3=Gx cos(A3+Ay)-Glat sin(A3+Ay)-Gpes sin(Ax)cos(A3)
(4)Gacc4=Gx cos(A3-Ay)+Glat sin(A3-Ay)-Gpes sin(Ax)cos(A3)
该方程组的求解允许容易地确定所寻求的由变量Gx、Glat、Ax、Ay定义的四个未知量,然后通过在位移期间上积分而从中推导出车辆路线上的纵向速度Vx和相关联的位置Dx:
Vx=∫(Gx dt)
Dx=∫(Vx dt)
因此,根据本发明的装置允许计算机103输出坡度角Ax、横向加速度角Ay(即代表针对曲率半径R在加速度计安装固定点处的横向加速度相对于若加速度计处于车辆中心时的横向加速度的转动量)在包括有坡度和曲率的路线的每一点处的值。
进而,计算机103通过对车辆纵向加速度Gx的值进行逐次积分而输出在包括有坡度和曲率的路线的每一点处的速度Vx和位置Dx。
如前所述,该装置还可以包括:
-转速计104,其被布置在车辆至少一个车轴上,输出车辆的位置转速计值DxT和速度转速计值VxT;
-转速计值VxT、DxT和由计算机103获得并分别输出的速度值和位置值Vx、Dx被提供给包括在计算机103中的比较器106;
-比较器106确定各类速度值和位置值之间的偏差,若偏差低于预定阈值,则将由计算机103输出的在包括有坡度和曲率的路线的每一点处的速度值Vx和位置值Dx校正为转速计值VxT、DxT。如果偏差低于阈值,则禁止校正。
基于与车轮半径成比例的速度和位移的简单附加测量值,这一校正的可能性提高了速度和位移测量的准确性。
根据本发明的装置还可以包括用于检测车辆零速度的装置107,其被包括于或联接于计算机103和转速计104。该装置包括至少一个由计算机103输出的速度值和位置值Vx、Dx与对应的转速计值VxT、DxT的关联器。
由此,通过以下方式实现很可靠的零速度检测功能:
-或者考虑由车辆的装置之一提供的装置的外部信息(例如通过静止的车辆的内部信号等);
-或者通过筛选(filtrer)由计算机103提供的速度和位置信息Vx、Dx来确定车辆是停止的。这样,该项确定可以与对应的转速计数据VxT、DxT相关联;
-在这些处理之后,如果实际上确定车辆是停止的,则装置提供所谓的零速度信息。
因此,所谓的自动测试功能可以有利地使用所谓的零速度信息。当有效地提供了该信息的时候,该信息表示车辆是静止的,因此,纵向和横向加速度为零。
因此,该相关的测试旨在检验由加速度计101、102输出的测量值满足上文给出的方程组(1)、(2)、(3)、(4),该方程组则化化简为:
(1)Gacc1=Gpes sin(A1-Ax)
(2)Gacc2=-Gpes sin(A2+Ax)
(3)Gacc3=-Gpes sin(Ax)cos(A3)
(4)Gacc4=-Gpes sin(Ax)cos(A4)
这里给出在关于加速度计的布置的特殊假设下,对该方程组进行求解的示例,其中所述假设为在每个平面Py、Pz上的投影角A1、A2和A3、A4两两相等,即A1=A2及A3=A4:
从后两个方程(3)和(4)可以推导出以下关系(5)和(6):
(5)Gacc3=Gacc4
(6)Sin(Ax)=-Gacc3/(Gpes Cos(A3))
因此,通过将Sin(Ax)项代入方程(1)和(2)中,可以用上述计算结果来检验第一加速度计101的投影加速度测量值Gacc1、Gacc2。
第二加速度计102的投影加速度Gacc3、Gacc4由方程(5)检验。作为一级近似,认为侧倾度对于测量的影响不大是合理的,一般也是这种情况,例如当驻车在车库或停车在车站的时候。
然而,为了精细化对第二加速度计102的投影加速度Gacc3、Gacc4的检验,还可以从数据库中读取侧倾度的值。
通过这些检验并通过选择筛选阈值,可以确定要应用到来自于加速度计的测量值上的修正因子。对于第二加速度计102,可以在更改其修正因子之前有利地受益于加速度计缓慢的漂移过程。这些修正因子将在多次停止之后所获得的确认后进行应用。该停止次数可以根据所选定的准确度来调节。这允许自动校准根据本发明的装置。
还可以定义选为比第一阈值更高的第二阈值,以宣布根据本发明的装置不工作。
为了实现自动测试的功能,根据本发明的装置包括:
-自动校准装置105,其用于自动校准加速度计101、102,若零速度检测装置证实车辆是停止的,则该自动校准装置可以被激活;
-自动校准装置处理来自于加速度计101、102并由加速度计算单元104提供的测量值(加速度计算单元104本身接收来自于加速度计101、102的测量值,并包括在计算机103中);
-自动校准装置校准与车辆的纵向加速度Gx和横向加速度Glat的零值相对应的测量值。
自动校准装置105具有:第一检查模式,用于检验第二加速度计102上的测量值Gacc3、Gacc4是否相等;用于重新计算坡度角Ax的装置,根据该坡度角Ax通过第二检查模式来检验第一加速度计101的测量值Gacc1、Gacc2。这样,检验变得很可靠,并且如果坡度角可以由装置外部的已知信息来进行冗余的评估和验证,则检验会变得更加可靠。
对于与上述自动测试功能相关的该实施例,在超过来自于自动校准装置105的结果的第一误差阈值的时候,来自于自动校准装置105的修正因子则被重新传递给计算单元104(更为一般地,传递给位移计算机103)。
同样地,在超过了来自于自动校准装置105的结果的第二误差阈值(不如第一误差阈值安全(sécuritaire))的时候,激活车载测量故障指示器。
因此,考虑到在车辆停止的时候在加速度计101、102的测量轴Acc1、Acc2、Acc3、Acc4上进行的测量是冗余地获得的,可以实现对所谓的自动测试功能的故障概率进行评估的简化模型。
假设在车辆两次停止之间的时间间隔为T:应用于在平面Py上的两个测量轴Acc1、Acc2的自动测试功能的故障概率Pr由以下方程定义:
Pr=λacc1*λacc2*T
其中,在以下计算示例中假设双轴加速度计的测量轴Acc1和Acc2各自的故障率λacc1和λacc2各等于通常所认可的值10-5:
若T=60秒,Pr=10-10*0.017=1.7*10-12
若T=10分钟,Pr=10-10*0.17=17*10-12
因此显示出,如果车辆定期地且频繁地停止,则该装置允许保证铁路领域所要求的安全性所需的测量数据置信水平。
因此,根据这种对所谓的自动测试功能的故障概率的评估,根据本发明的装置可以包括用于评估故障概率的装置,其可以在车辆两次停止之间被激活,并使用加速度计测量轴上的冗余测量值。该评估装置可以被集成在上述自动校准装置105中。
最后,根据本发明的装置还可以可选地包括车辆附着性损失(在打滑或抱死的时候)检测器,其与第一和第二双轴加速度计101、102中的至少一个联接,对于这些加速度计位移测量值可以与外部值(数据库的坡度、曲率,或路线路标系统的数据,等)相关联。当这些数据不一致的时候,车辆损失附着性的风险可以被检测到,并进而可以对由零速度检测系统提供的信息(车轮锁住,但车辆在移动)进行补充。
如有必要,车辆附着性损失检测器还可以除了与第一和第二加速度计101、102之一联接之外,还与车辆车轴的至少一个转速计108联接,以便分别比较其角运动测量数据和纵向位移测量数据。因此,通过这种方式,可以使零速度检测功能变得更可靠。
主要缩写
X:车辆(位移)的纵轴
Y:垂直于轴X、在车辆底板平面上的轴
Z:垂直于车辆底板的轴
Px:与轴X正交并由轴Y、Z确定的平面
Py:与轴Y正交并由轴X、Z确定的平面
Pz:与轴Z正交并由轴X、Y确定的平面
Gpes:重力加速度=9.81m/s2
Gx:车辆沿轴X的纵向加速度
Glat:在车中的加速度计处的车辆横向加速度
Vx:沿轴X的纵向速度
Dx:沿轴X的纵向位置/位移
VxT:由转速计给出的纵向速度
DxT:由转速计给出的纵向位移
Acc1:加速度计101的第一测量轴
Acc2:加速度计101的第二测量轴
Acc3:加速度计102的第一测量轴
Acc4:加速度计102的第二测量轴
A1:在Py平面上、轴X与轴Acc1之间的角
A2:在Py平面上、轴X与轴Acc2之间的角
A3:在Pz平面上、轴X与轴Acc3之间的角
A4:在Pz平面上、轴X与轴Acc4之间的角
Ax:在平面Py上的车辆路线角(即水平面与轴X之间的角)
Lx:车辆中心和加速度计101、102的固定点之间的偏移距离
Ay:在平面Py上的与曲率半径相关联的角。Ay根据Arctg(Lx/R)来计算,于是一级近似为Lx/R
Vx:车辆沿轴X的纵向速度