CN115315630A

CN115315630A - 用于估计至少一辆轨道车辆的纵向加速度的方法

Info

Publication number: CN115315630A
Application number: CN202180022154.9A
Authority: CN
Inventors: M·弗雷亚
Original assignee: Faiveley Transport Italia SpA
Current assignee: Faiveley Transport Italia SpA
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2022-11-08
Also published as: JP2023520169A; EP4121782A1; KR20220159401A; BR112022017327A2; WO2021186355A1; IT202000005671A1

Abstract

一种用于通过加速度传感器装置(100)估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法，包括以下步骤：‑执行校准阶段，所述校准阶段包括以下步骤：·求解以下方程组，以确定第一方向余弦k₁、第二方向余弦k₂和第三方向余弦k₃的值：

‑在所述校准阶段之后，通过以下各项之和确定估计纵向加速度值a_lon(t_i1)：第一方向余弦k₁与第一加速度a_x(t_i1)的乘积、第二方向余弦k₂与第二加速度a_y(t_i1)的乘积、以及第三方向余弦k₃与第三加速度a_z(t_i1)的乘积。

Description

用于估计至少一辆轨道车辆的纵向加速度的方法

技术领域

本发明通常属于轨道车辆领域；特别地，本发明涉及一种用于估计至少一辆轨道车辆的纵向加速度的方法。

背景技术

滑移(也称为打滑、滑动或滑行)被理解为车轴的旋转速度与车辆的行驶速度之间存在差异的情况。这种差异被定义为滑移速度。

可以使用如下公式计算滑移速度：

V_sliding＝V_RV-ω_axle*R (1)

其中，V_RV是轨道车辆的纵向行驶速度，ω_axle是车轴的角速度，以及R是车轮半径。

更现代的轨道车辆在车上安装了电子系统，该电子系统通常包括用于控制车轮滑移的子系统，该子系统适用于在车辆处于牵引阶段或车辆处于制动阶段时进行干预。这种子系统被称为防滑或抗滑系统，或也被称为WSP(车轮滑动保护)系统。

图1示意性地示出了根据现有技术的用于在防滑功能中控制车轮附着力的系统，图1涉及的是包括n个受控车轴A1,A2,...,An的车辆。车轴A1, A2,...,An包括相对轴S1,S2,...,Sn和与其旋转成一体的相对车轮对W1, W2,...,Wn。

在附图中，一般只显示了每个车轴的一个车轮。

图1中的WSP系统包括电子控制单元ECU，该ECU通常基于微处理器架构，它从传感器SS1,SS2,...,SSn接收与每个车轴A1,A2,...,An的角速度相关的转速信号，这些传感器分别与这些车轴相关联。电子单元ECU还连接到扭矩控制装置TC1,TC2,...,TCn，每个扭矩控制装置各自与相关的车轴A1,A2,...,An相关联。

电子单元ECU被设置为根据预定算法调节施加到每个车轴的扭矩，如果在牵引或制动阶段在附着力下降的情况下施加扭矩，则一个或多个车轴的车轮导致可能出现初期滑移的情况。以这样的方式调节扭矩来防止车轴完全卡住，以这样的方式可能使每个车轴进入受控滑动状况，以便恢复附着力，不过无论如何，在整个状况持续时间内附着力是下降的。

很明显，了解车辆的瞬时速度V_RV(t)是正确控制滑移的基础。

一种用于准确跟踪轨道车辆速度的已知方法需要维护空闲(idle)车轴，即不承受牵引或制动扭矩的车轴。这需要确保其速度的测量是所述轨道车辆的实际速度V_real的最佳再现。这种解决方案在车轮与轨道之间附着力特别低的情况下特别有效。在这种情况下，在牵引或制动的情况下，所有所述车轮都可能进入打滑状况，因此无法提供有关车辆实际速度的正确信息。没有受到牵引或制动扭矩的空闲车轴可以继续准确地跟踪车辆的速度。

现代轨道车辆架构，特别是地下铁路，往往具有非常有限的组成，例如由两个车厢组成。在这种情况下，使用“空闲”车轴会导致列车的牵引力和制动能力显著下降。

图2a显示了包含两个独立车厢的示例组合，而图2b显示了由雅各式 (Jacobs)转向架约束的包含两个车厢的示例组合。很明显，在第一种情况下，使用空闲车轴会不利地将牵引和制动能力降低12.5％，在第二种情况下降低多达16.7％。

在现有技术中，还存在基于加速度传感器的用于测量车辆前进速度的系统。

鉴于MEMS(“微机电系统”)的可用性不断提高和成本逐渐降低，越来越多的电子设备，无论其主要应用如何，都在板上集成了加速度传感器，通常是三轴加速度传感器。

原则上，使用加速度传感器来估计车辆的纵向加速度是很容易应用的。

纵向加速度被理解为表示车辆在其行驶方向上的加速度。通过对该纵向加速度随时间积分，获得纵向速度，即车辆的行驶速度。这种方法显然不受上述在附着力下降的情况下车轴可能遭受的打滑问题的影响。

参考图3，轨道车辆1在轨道3上行驶并且设置有加速度传感器2。

在地球/重力参考系中，轴z可以定义为重力加速度的方向，轴x和y可以定义为垂直于z的平面上的横向方向。

然而，在与车辆一体的参考系中，轴y'可以定义为车辆的纵向方向，轴 x'可以定义为车辆的横向方向，轴z'可以定义为垂直于车辆的平面(“地板”) 的方向。

此外，x”、y”和z”可以定义为三轴加速度传感器的量测轴(sensitive axes)。

现在考虑传感器与车辆一体安装的理想情况，其中这些轴与车辆的轴完全对齐，这将导致：

x'≡x”

y'≡y”

z'≡z”

还考虑到车辆1在轨道3的完全笔直且没有坡度的部分上行驶的特殊情况，这将导致：

x'≡x”≡x

y'≡y”≡y

z'≡z”≡z

在这些理想条件下，车辆的纵向加速度可以直接从加速度计测量值推导出，也即：

a_train＝a_y (2)

其中，a_train是车辆的纵向加速度，a_y是加速度传感器在传感器的y”轴上测量的加速度。

然后，可以将车辆的行驶速度计算为加速度值的时间积分：

或者，在离散采集系统的情况下：

其中，ΔT是电子采集系统的采样周期，n是在时间t处获取的样本数。

然而，上述假设已大大简化了这种方法，但该方法实际上并不适用于实际情况。

尽管可以精确安装，但集成在车载电子电路板上的加速度传感器不会使其量测轴x”、y”和z”与车辆的那些轴x'、y'和z'完全对齐。

此外，车辆1在轨道3的完全笔直且没有坡度的部分上行驶的假设在实践中也不适用，因为轨道车辆可能在弯曲的和/或具有非零坡度的部分上行驶。

上述假设的无效性为三个参考系(重力、车辆和加速度计)在3个轴上具有相对角度的几何场景开辟了道路。

针对轴x、y、z，车辆参考系和重力参考系之间的旋转角度可以分别定义为α、β、

针对轴x、y、z，加速度计参考系和车辆参考系之间的旋转角度可以分别定义为α'、β'、

角度α、β、

对于获取加速度计的电子单元来说是未知的，但它们随着时间的推移是恒定的，因为它们仅取决于加速度计相对于车辆的安装。

角度α'、β'、

对于获取加速度计的电子单元也是未知的，且随着时间的推移不是恒定的，因为它们取决于轨道的局部部分的曲率和梯度。

由于角度α、β、

和角度α'、β'、

未知且彼此无关，因此根据安装在车辆上的三轴加速度计的测量值确定车辆纵向加速度的问题可能无法被解析和/或几何求解。

例如，WO2017042138提出了一种用于确定加速度传感器相对于安装有该传感器的车辆的朝向的解析/几何求解方法，。此方法基于以下方面的可用性：

-“自由状态”，即轨道车辆静止或匀速的状态，在该状态下，加速度传感器仅受重力作用；

-可靠且在加速度计外部的轨道车辆速度源的可用性，甚至不连续可用性。

如果认为车轴的角速度(由图1中的传感器SS测量)在所有非退化附着力的情况下(这仍然是大多数情况)都是可靠的，那么在加速度计外部的轨道车辆速度的可靠测量的可用性，甚至不连续可用性是似乎合理的。加速度传感器的作用以及据此估计轨道车辆速度的方法，将用于车轴全部打滑且其角速度不能代表轨道车辆或列车速度的附着力下降的情况。

然而，WO2017042138中提出的方法基本上基于两个假设：

1)在“自由状态”期间，车辆处于轨道的完全水平的部分(梯度为零)；

2)在使用加速度计外部的速度的阶段，轨道车辆或列车处于轨道的完全笔直的部分。横向加速度分量(x轴)因此被忽略，而是出现在弯曲部分中。

WO2017042138所基于的假设具有很大的局限性，并且不能确保该方法在实际应用中的运行。

在制动情况下，用于估计车辆实际速度V_V(t)的最常用算法通常使用如下函数：

V_v(T_j)＝max[S₁(T_j),..,S_n(T_j),(V_v(T_j-1)+a_max·T)] (5)

而在牵引的情况下，它使用函数：

V_v(T_j)＝min[S₁(T_j),..,S_n(T_j),(V_v(T_j-1)+a_max·T) (6)

其中a_max表示车辆运行时允许的最大加速度，该加速度在牵引工况下为正号，在制动工况下为负号。等式(5)和(6)中的贡献(V_v(T_j-1)+a_max·T)用于在牵引或制动过程中，由于附着力显著下降而导致的过大的轴速度瞬时和同时变化可能导致使用公式(5)和(6)计算的速度V_V(t)显著损失时，将 V_V(t)的变化抑制在列车允许的物理限制内。

公式(5)和(6)的更准确的变体是已知的，但仍然基于对车轴的各个速度的瞬时测量。在这里很明显，如果所有承受扭矩的车轴都处于打滑阶段，则空闲车轴的可用性将使公式(5)和(6)非常准确。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法和一种用于估计至少一个轨道车辆的纵向速度的方法，即使在所述车辆的所有车轴都处于由于附着力下降引起的打滑阶段的情况下，这些方法也能分别允许测量车辆的纵向加速度和纵向速度。

因此，本发明的另一目的是允许空闲车轴的使用完全被恢复用于牵引和制动目的，即使在特别低的附着力的情况下，从而增加了列车的牵引和制动能力，同时允许所述轴准确地跟踪列车的速度，以便准确地估计纵向前进速度。

用于估计纵向速度的方法和用于估计纵向加速度的方法可以应用于牵引阶段的打滑情况(负V_slippage)和制动阶段的打滑情况(正V_slippage)两者。

本发明允许最精确地了解轨道车辆的纵向速度，从而促进和改进例如安装在车上的控制系统、防滑系统和里程计参考的导向(piloting)。

根据本发明的一个方面，通过分别具有权利要求1和权利要求2中定义的特征的用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法、以及通过分别具有权利要求10和权利要求12中定义的特征的用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法，来实现上述和其他目的和优点。本发明的优选实施例在从属权利要求中定义，其内容应被理解为本说明书的组成部分。

附图说明

现在将描述根据本发明的用于估计至少一个轨道车辆的纵向速度的方法的一些优选实施例的功能和结构特征。参考附图，其中：

图1显示了根据现有技术生产的WSP系统；

图2a示出了包括两个独立车厢的示例组合，而图2b示出了包括通过 Jacobs转向架约束的两个车厢的示例组合；

图3示出了在轨道上行驶并设置有加速度传感器的轨道车辆；

图4示出了可用于实现本发明的实施例的示例系统；以及

图5示出了轨道车辆速度随时间变化的趋势、独立的纵向参考速度的可用性和方向余弦的多个说明性曲线图。

具体实施方式

在详细描述本发明的多个实施例之前，应明确，本发明的应用不限于在以下描述中呈现或在附图中示出的部件的构造细节和配置。本发明能够采用其他实施例并且能够以不同方式在实践中被实施或构造。还应该理解，措辞和术语具有描述性目的并且不应被解释为限制性的。“包括”和“包含”及其变体的使用应被理解为包括以下列出的元素及其等价物，以及附加元素及其等价物。

本发明提出了一种用于计算至少一个轨道车辆的估计纵向加速度的方法，然后提出一种用于使用加速度传感器装置，例如三轴加速度传感器装置来计算轨道车辆的估计纵向速度的方法。

用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法需要与加速度计无关的列车速度测量的可用性，甚至不连续可用性，以下称为轨道车辆的独立纵向参考速度V_ref。用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法基于获得 3x3方位矩阵的方向余弦，这样，如果乘以来自具有3个正交轴的传感器的测量值，则获得车辆的估计纵向加速度。通过对车辆的估计纵向加速度进行积分，可以获得车辆的估计纵向速度。

使用的主要方程如下：

k₁*a_x(t)+k₂*a_y(t)+k₃*a_z(t)＝a_ref(t) (7)

其中：

-k₁、k₂和k₃是方向余弦的数值，k₁、k₂和k₃是方程的变量；

-a_x(t)、a_y(t)、a_z(t)是加速度传感器装置在一般时刻(instant)t在其三个正交轴上检测到的加速度；

-a_ref(t)是在时刻t的独立参考加速度，由独立参考纵向速度(即行驶速度)v_ref在时刻t的导数确定，即：

为了能够计算在时刻t的独立纵向参考速度的导数，必须在包含时刻t 的至少一个时间间隔内测量该独立纵向参考速度。例如，该间隔可以是20ms、 100ms等。

该方程的未知数是k₁、k₂和k₃的值。

等式(7)仅在上述独立纵向参考速度v_ref可用的情况下有效。

无论使用何种技术，在独立纵向参考速度v_ref可用的阶段求解方程(7) 意味着系数k₁、k₂和k₃可以被动态更新，使得通过它们与由传感器测量的加速度的线性组合，得出轨道车辆或列车的估计纵向加速度。

在下文中，描述了用于通过加速度传感器装置100估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法的第一实施例。加速度传感器装置100被布置成测量沿第一轴x的第一加速度a_x、沿第二轴y的第二加速度a_y和沿第三轴z的第三加速度a_z。第一轴x、第二轴y和第三轴z相互正交。

用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法包括第一校准阶段，该第一校准阶段包括以下步骤：

-在轨道车辆的独立纵向参考速度v_ref可用的第一校准时刻t_c1测量第一加速度的第一值a_x(t_c1)、第二加速度的第一值a_y(t_c1)和第三加速度的第一值 a_z(t_c1)，其中独立纵向参考速度v_ref与所述加速度传感器装置(100)无关；

-在轨道车辆的所述独立纵向参考速度v_ref可用的第二校准时刻t_c2测量第一加速度的第二值a_x(t_c2)、第二加速度的第二值a_y(t_c2)和第三加速度的第二值a_z(t_c2)，该第二校准时刻t_c2不同于所述第一校准时刻t_c1；

-在轨道车辆的所述独立纵向参考速度v_ref可用的第三校准时刻t_c3测量第一加速度的第三值a_x(t_c3)、第二加速度的第三值a_y(t_c3)和第三加速度的第三值a_z(t_c3)，该第三校准时刻t_c3不同于所述第一校准时刻t_c1和所述第二校准时刻t_c2；

-根据在第一校准时刻t_c1测量的独立纵向参考速度的第一值v_ref(t_c1)计算在第一校准时刻t_c1的第一独立纵向参考加速度的值a_ref(t_c1)；

-根据在第二校准时刻t_c2测量的独立纵向参考速度的第二值v_ref(t_c2)计算在第二校准时刻t_c2的第二独立纵向参考加速度的值a_ref(t_c2)；

-根据在第三校准时刻t_c3测量的独立纵向参考速度的第三值v_ref(t_c3)计算在第三校准时刻t_c3的第三独立纵向参考加速度的值a_ref(t_c3)；

-求解以下方程组，以确定第一方向余弦k₁、第二方向余弦k₂和第三方向余弦k₃的值：

显然，校准时刻全部可以在轨道车辆的独立纵向参考速度可用的单个连续校准间隔中获得，或者，校准时刻可以在轨道车辆的独立纵向参考速度可用的若干校准间隔中获得。在第二种情况下，各种校准间隔可以被轨道车辆的独立纵向参考速度不可用的间隔分开。

换言之，如果独立纵向参考速度v_ref可用，则可以在三个不同的校准时刻t_c1、t_c2、t_c3测量a_x、a_y、a_z和v_ref的值，从而有三个方程组。这个由三个未知数的三个方程组成的方程组可以通过解析方法和数值方法来求解。此外，通过获取更远时刻(即超过3次)的测量值，可以随着时间的推移递归地增加和更新解k₁、k₂、k₃的精度。

在本情况中，独立纵向参考速度v_ref与加速度传感器装置100无关的说法被理解为意味着独立纵向参考速度不是通过所述加速度传感器装置获得的速度。

在本情况中，独立纵向参考速度v_ref可用的陈述可以被理解为意味着独立纵向参考速度v_ref可以在用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法 (其是本发明的主题)中使用的情况，因为它是可取得的并且反映了轨道车辆沿轨道移动的真实纵向速度。

用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法还包括在所述校准阶段之后的另一个测量阶段。

该测量阶段包括以下步骤：

-至少对于轨道车辆的所述独立纵向参考速度不可用的第一测量时刻t_i1，确定至少一个轨道车辆的估计纵向加速度值at_lon(t_i1)。

估计纵向加速度值a_lon(t_i1)与所述测量时刻t_i1相关，并通过以下各项之和进行估计：

-在校准阶段确定的第一方向余弦k₁与在所述第一测量时刻t_i1获取的第一加速度的第四值a_x(t_i1)的乘积；

-在校准阶段确定的第二方向余弦k₂与在所述第一测量时刻t_i1获取的第二加速度的第四值a_y(t_i1)的乘积；

-在校准阶段确定的第三方向余弦k₃与在所述第一测量时刻t_i1获取的第三加速度的第四值a_z(t_i1)的乘积。

在一个替代实施例中，参考图4，用于估计至少一个轨道车辆的纵向速度的方法再次包括校准阶段，该校准阶段包括以下步骤：

-至少针对轨道车辆的独立纵向参考速度v_ref可用的第一校准时刻t_c1，使用线性滤波器估计至少一个轨道车辆的估计纵向加速度值a_lon(t_c1)。在这种情况下，独立纵向参考速度v_ref也与所述加速度传感器装置100无关。

估计纵向加速度值a_lon(t_c1)与所述校准时刻t_c1相关，并由线性滤波器通过以下各项之和进行估计：

-具有预定值的第一方向余弦k₁与在所述第一校准时刻t_c1获取的第一加速度的第一值a_x(t_c1)的乘积；

-具有预定值的第二方向余弦k₂与在所述第一校准时刻t_c1获取的第二加速度的第一值a_y(t_c1)的乘积；

-具有预定值的第三方向余弦k₃与在所述第一校准时刻t_c1获取的第三加速度的第一值a_z(t_c1)的乘积。

在该实施例中，校准阶段还包括以下步骤：

-通过相对于所述第一校准时刻t_c1的估计纵向加速度值a_lon(t_c1)与相对于第一校准时刻t_c1并根据在第一校准时刻t_c1测量的独立纵向参考速度值的第一值v_ref(t_c1)确定的独立纵向参考加速度值a_ref(t_c1)之间的差，来确定估计误差Error；

-通过自适应滤波器(104)确定要施加到所述线性滤波器上的第一方向余弦k₁、第二方向余弦k₂和第三方向余弦k₃的相应的更新值，以最小化所述估计误差。

当校准阶段第一次开始时，可以预先确定第一方向余弦k₁、第二方向余弦k₂和第三方向余弦k₃的值。例如，它们可以是预定的默认值，在各个校准时刻随着校准的进行而逐渐调整，或者它们可以是等于在轨道车辆的先前运行期间校准的第一方向余弦k₁、第二方向余弦k₂和第三方向余弦k₃的值的预定值。

换言之，求解方程可以基于自适应算法的使用。该误差可以通过将线性滤波器的输出与通过求导独立纵向参考速度v_ref获得的参考纵向加速度值进行比较来获得。自适应滤波器使用此误差来动态重新计算线性滤波器的系数 k₁、k₂、k₃，以便递归地最小化误差。

在该替代实施例中，用于估计至少一个轨道车辆的纵向速度的方法也包括在所述校准阶段之后的另一个测量阶段。

该测量阶段包括以下步骤：

-至少针对轨道车辆的所述独立纵向参考速度不可用的第一测量时刻t_i1，使用所述线性滤波器确定至少一个轨道车辆的估计纵向加速度值a_lon(t_i1)。

-在校准阶段确定的第一方向余弦k₁的更新值与在所述第一测量时刻t_i1获取的第一加速度的值a_x(t_i1)的乘积；

-在校准阶段确定的第二方向余弦k₂的更新值与在所述第一测量时刻t_i1获取的第二加速度的值a_y(t_i1)的乘积；

-在校准阶段确定的第三方向余弦k₃的更新值与在所述第一测量时刻t_i1获取的第三加速度的值a_z(t_i1)的乘积。

参考图5，可用时刻t_av可被定义为独立纵向参考速度v_ref可用的最后时刻。可用时刻t_av之后的时刻将是独立纵向参考速度v_ref将不再可用的时刻。

在t_av时刻检测到的独立纵向参考速度v_ref(t_av)是独立纵向参考速度v_ref的最后可用的可靠值。

可用时刻的恢复t_{ret_av}(其中t_{ret_av}>t_av)也可以被定义为独立纵向参考速度v_ref再次变得可用的第一时刻。

测量时刻t_i1可以与可用时刻的恢复t_{ret_av}一致。

等式k₁*a_x(t)+k₂*a_y(t)+k₃*a_z(t)＝a_ref(t)仅适用于独立纵向参考速度v_ref可用的时段，即时段(t<t_av)和(t>t_{ret_av})。

通过求解这个方程，系数k₁、k₂、k₃将被动态更新，直到可用时刻t_av。在t_av与t_{ret_av}之间的时间段内，k₁、k₂、k₃的值将冻结在它们在可用时刻t_av更新的最后值k₁(t_av)、k₂(t_av)、k₃(t_av)。然后，在t>t_av的情况下，k₁、k₂、k₃的值可以通过求解方程(7)来被动态更新。

例如，第一测量时刻t_i1可以与所述独立纵向参考速度v_ref(t_{ret_av})在不可用之后再次变为可用的时刻一致。

自适应滤波器可以被布置为通过基于最小均方技术LMS的自适应算法来确定第一方向余弦k₁、第二方向余弦k₂和第三方向余弦k₃的相应的更新值。

对于上述所有实施例，可以针对多个校准时刻重复校准阶段，例如第二校准时刻t_i2、第三校准时刻t_i3、...、第n校准时刻t_in。

显然，校准步骤可以在至少一个轨道车辆的每次第一次点火时执行。

在下文中，将给出轨道车辆的独立纵向参考速度v_ref的一些示例。

例如，独立纵向参考速度v_ref可以是根据轨道车辆的车轴的角速度获得的纵向速度。在这种情况下，当车轴不打滑时，独立纵向参考速度v_ref可用。

在另一示例中，轨道车辆的独立纵向参考速度v_ref是由定位装置提供的轨道车辆纵向速度。在这种情况下，当所述定位装置与卫星通信时，独立纵向参考速度v_ref可用。定位装置可以是GPS系统/设备，其使用合适的信号进行通信以获得定位信息并因此获得列车的移动速度。例如，当轨道车辆在隧道内并且不能与所述卫星通信时，独立纵向参考速度v_ref可能不可用。

在本发明的另一方面，可以针对轨道车辆的独立纵向参考速度v_ref可用的多个测量时间t_i1,t_i2,...,t_in(例如第二测量时刻t_i2、第三测量时刻t_i3、...、第n测量时刻t_in)确定估计纵向加速度a_lon。可以根据采集周期ΔT_i来选择多个测量时间t_i1,t_i2,...,t_in。

或者，估计纵向加速度a_lon可以从可用时刻t_av和测量时刻(例如，第一测量时刻t_i1或连续的测量时刻t_i2,...,t_in)被连续地确定，其中，可用时刻t_av与直接位于轨道车辆的所述独立纵向参考速度v_ref不再可用的不可用时刻之前的时刻一致。

本发明还涉及一种用于估计至少一个轨道车辆的纵向速度的方法。

当针对轨道车辆的独立纵向参考速度v_ref可用的多个测量时间t_i1,t_i2,..., t_in确定估计纵向加速度a_lon时，其中那些测量时间是根据采集周期ΔT_i选择的，则，用于估计至少一个轨道车辆的纵向速度的方法包括在可用时刻t_av测量轨道车辆的至少一个车轴的独立纵向参考速度的值v_ref(t_av)的步骤。

用于估计至少一个轨道车辆的纵向速度的方法还包括根据以下步骤确定轨道车辆的纵向速度v_RV(t_in)的步骤：

-计算在多个测量时间t_i1,t_i2,…,t_in估计的纵向加速度的总和；

-将在多个测量时间t_i1,t_i2,…,t_in确定的纵向加速度的总和乘以采集周期ΔT_i；

-将所述至少一个轨道车辆在可用时刻t_av的独立纵向参考速度的值 V_ref(t_av)与在多个测量时间t_i1,t_i2,…,t_in确定的估计纵向加速度的总和与采集周期ΔT_i相乘的结果相加。

例如，确定轨道车辆的纵向速度v_RV的步骤可以使用以下公式来执行：

其中：

-v_ref(t_av)是所述至少一个轨道车辆在可用时刻t_av的独立纵向参考速度V_ref(t_av)；

-

是在多个测量时刻t_i1,t_i2,…,t_in估计的纵向加速度的总和，以及n是在可用时刻t_av与正在确定纵向速度v_RV(t_in)的测量时刻(t_in)之间经过的采集周期的数目；以及

-ΔT_i是采集周期。

相反，当估计纵向加速度a_lon从与直接位于所述独立纵向参考速度v_ref不可用的不可用时刻之前的时刻一致的可用时刻t_av和例如第一测量时刻t_i1被连续地确定时，用于估计至少一个轨道车辆的纵向速度的方法包括以下步骤：在可用时刻t_av测量所述至少一个轨道车辆的独立纵向参考速度的值 v_ref(t_av)。

用于估计至少一个轨道车辆的纵向速度的方法还包括根据以下步骤确定轨道车辆的纵向速度v_RV(t)的步骤：

-计算从可用时刻t_av到所述第一测量时刻t_i1连续确定的估计纵向加速度a_lon的积分；

-将所述至少一个轨道车辆在可用时刻t_av的独立纵向参考速度的值 V_ref(t_av)与估计纵向加速度的积分结果相加。

例如，确定轨道车辆的纵向速度v_RV(t_i1)的步骤可以使用以下公式来执行：

其中：

-v_ref(t_av)是可用时刻t_av的独立纵向参考速度V_ref(t_av)；

-

是从可用时刻t_av到正在确定纵向速度v_RV(t_i1)的第一测量时刻t_i1连续确定的估计纵向加速度a_lon的积分。

以上对随后的测量时刻也有效。例如，考虑到第n个测量时间t_in，确定轨道车辆的纵向速度v_RV(t_in)的步骤可以使用以下公式执行：

其中：

-v_ref(t_av)是在可用时刻t_av的独立纵向参考速度V_ref(t_av)；

-

是从可用时刻t_av到正在确定纵向速度v_RV(t_in)的第n测量时刻t_in连续确定的估计纵向加速度a_lon的积分。

再次参考图5，因此可以总结出，在t_av与t_{ret_av}之间的时段内，在独立纵向参考速度v_ref不可用的情况下，轨道车辆的加速度将根据加速度计的测量值来计算。

在t_av与t_{ret_av}之间的时段内，在独立纵向参考速度v_ref不可用的情况下，轨道车辆的速度将使用来自加速度计的测量值和最后一个可靠的独立纵向参考速度值v_ref、根据上面显示的方程计算。

有利地，由于在本说明书中在上文已经描述的、轨道车辆的纵向速度v_RV将总是可用的，即使在独立纵向参考速度v_ref不可用的阶段中也是如此。因此，即使在附着力特别低的情况下，也可以完全恢复空闲车轴的牵引和制动用途，从而提高列车的牵引和制动能力。

已经描述了根据本发明的用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法和用于估计至少一个轨道车辆的纵向速度的方法的各个方面和实施例。可以理解，每个实施例可以与任何其他实施例组合。此外，本发明不限于所描述的实施例，而是可以在所附权利要求限定的范围内变化。

Claims

1.一种用于通过加速度传感器装置(100)估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法，所述加速度传感器装置(100)被布置成测量沿第一轴x的第一加速度a_x、沿第二轴y的第二加速度a_y和沿第三轴z的第三加速度a_z，其中，所述第一轴x、所述第二轴y和所述第三轴z相互正交；

所述用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法包括以下步骤：

-执行校准阶段，所述校准阶段包括以下步骤：

·在所述轨道车辆的独立纵向参考速度v_ref可用的第一校准时刻t_c1测量所述第一加速度的第一值a_x(t_c1)、所述第二加速度的第一值a_y(t_c1)和所述第三加速度的第一值a_z(t_c1)；所述独立纵向参考速度v_ref与所述加速度传感器装置(100)无关；

·在所述轨道车辆的所述独立纵向参考速度v_ref可用的第二校准时刻t_c2测量所述第一加速度的第二值a_x(t_c2)、所述第二加速度的第二值a_y(t_c2)和所述第三加速度的第二值a_z(t_c2)，所述第二校准时刻t_c2不同于所述第一校准时刻t_c1；

·在所述轨道车辆的所述独立纵向参考速度v_ref可用的第三校准时刻t_c3测量所述第一加速度的第三值a_x(t_c3)、所述第二加速度的第三值a_y(t_c3)和所述第三加速度的第三值a_z(t_c3)，所述第三校准时刻t_c3不同于所述第一校准时刻t_c1和所述第二校准时刻t_c2；

·根据在所述第一校准时刻t_c1测量的所述独立纵向参考速度的第一值v_ref(t_c1)计算在所述第一校准时刻t_c1的第一独立纵向参考加速度的值a_ref(t_c1)；

·根据在所述第二校准时刻t_c2测量的有效独立纵向参考速度的第二值v_ref(t_c2)计算在所述第二校准时刻t_c2的第二独立纵向参考加速度的值a_ref(t_c2)；

·根据在所述第三校准时刻t_c3测量的所述独立纵向参考速度的第三值v_ref(t_c3)计算在所述第三校准时刻t_c3的第三独立纵向参考加速度的值a_ref(t_c3)；

·求解以下方程组，以确定第一方向余弦k₁、第二方向余弦k₂和第三方向余弦k3的值：

-在所述校准阶段之后，至少对于所述轨道车辆的所述独立纵向参考速度不可用的第一测量时刻t_i1，确定所述至少一个轨道车辆的估计纵向加速度值a_lon(t_i1)，其中，所述估计纵向加速度值a_lon(t_i1)与所述第一测量时刻t_i1相关并通过以下各项之和进行估计：

·在所述校准阶段确定的所述第一方向余弦k₁与在所述第一测量时刻t_i1获取的所述第一加速度的第四值a_x(t_i1)的乘积；

·在所述校准阶段确定的所述第二方向余弦k₂与在所述第一测量时刻t_i1获取的所述第二加速度的第四值a_y(t_i1)的乘积；

·在所述校准阶段确定的所述第三方向余弦k₃与在所述第一测量时刻t_i1获取的所述第三加速度的第四值a_z(t_i1)的乘积。

2.一种用于通过加速度传感器装置(100)估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法，所述加速度传感器装置(100)被布置成测量沿第一轴x的第一加速度a_x、沿第二轴y的第二加速度a_y和沿第三轴z的第三加速度a_z，其中，所述第一轴x、所述第二轴y和所述第三轴z相互正交；

用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法包括以下步骤：

-执行校准阶段，所述校准阶段包括以下步骤：

·至少针对所述轨道车辆的独立纵向参考速度v_ref可用的第一校准时刻t_c1，通过线性滤波器估计所述至少一个轨道车辆的估计纵向加速度值a_lon(t_c1)，其中，所述独立纵向参考速度v_ref与所述加速度传感器装置(100)无关；其中，所述估计纵向加速度值a_lon(t_c1)与所述第一校准时刻t_c1相关并由所述线性滤波器通过以下各项之和进行估计：

○具有预定值的第一方向余弦k₁与在所述第一校准时刻t_c1获取的所述第一加速度的第一值a_x(t_c1)的乘积；

○具有预定值的第二方向余弦k₂与在所述第一校准时刻t_c1获取的第二加速度的第一值a_y(t_c1)的乘积；

○具有预定值的第三方向余弦k₃与在所述第一校准时刻t_c1获取的第三加速度的第一值a_z(t_c1)的乘积；

·通过相对于所述第一校准时刻t_c1的所述估计纵向加速度值a_lon(t_c1)与相对于所述第一校准时刻t_c1并根据在所述第一校准时刻t_c1测量的所述独立参考纵向速度值的第一值v_ref(t_c1)确定的参考纵向加速度值a_ref(t_c1)之间的差，来确定估计误差(Error)；

·通过自适应滤波器(104)确定要施加到所述线性滤波器上的所述第一方向余弦k₁、所述第二方向余弦k₂和所述第三方向余弦k₃的相应的更新值，以最小化所述估计误差；

-在所述校准阶段之后，至少针对所述轨道车辆的所述独立纵向参考速度不可用的第一测量时刻t_i1，通过所述线性滤波器确定所述至少一个轨道车辆的估计纵向加速度值a_lon(t_i1)，其中，所述估计纵向加速度值a_lon(t_i1)与所述第一测量时刻t_i1相关并通过以下各项之和进行估计：

·在所述校准阶段确定的所述第一方向余弦k₁的更新值与在所述第一测量时刻t_i1获取的所述第一加速度的第二值a_x(t_i1)的乘积；

·-在所述校准阶段确定的所述第二方向余弦k₂的更新值与在所述第一测量时刻t_i1获取的所述第二加速度的第二值a_y(t_i1)的乘积；

·-在所述校准阶段确定的所述第三方向余弦k₃的更新值与在所述第一测量时刻ti1获取的所述第三加速度的第二值a_z(t_i1)的乘积。

3.根据权利要求2所述的用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法，其中，所述自适应滤波器被布置为通过基于最小均方技术LMS的自适应算法来确定所述第一方向余弦k₁、所述第二方向余弦k₂和所述第三方向余弦k₃的相应的更新值。

4.根据前述任一权利要求所述的用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法，其中，针对多个校准时刻重复进行所述校准阶段。

5.根据前述任一权利要求所述的用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法，其中，所述校准阶段在所述至少一个轨道车辆的每次第一次点火时执行。

6.根据前述任一权利要求所述的用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法，其中，所述轨道车辆的所述独立纵向参考速度v_ref是根据所述轨道车辆的车轴的角速度确定的纵向速度；

当所述车轴不打滑时，所述独立纵向参考速度v_ref可用。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法，其中，所述轨道车辆的所述独立纵向参考速度v_ref是由定位装置提供的所述轨道车辆的纵向速度；

当所述定位装置与卫星通信时，所述独立纵向参考速度v_ref可用。

8.根据前述任一权利要求所述的用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法，其中，针对所述轨道车辆的所述独立纵向参考速度v_ref可用的多个测量时刻(t_i1,t_i2,…,t_in)确定所述估计纵向加速度a_lon；所述多个测量时刻(t_i1,t_i2,…,t_in)根据采集周期ΔT_i来选择。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法，其中，所述估计纵向加速度a_lon被从与直接位于所述轨道车辆的所述独立纵向参考速度v_ref不再可用的不可用时刻之前的时刻一致的可用时刻t_av和所述第一测量时刻t_i1而连续地确定。

10.一种用于估计至少一个轨道车辆的纵向速度的方法，包括以下步骤：

-执行根据权利要求8所述的用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法；

-在可用时刻t_av测量所述至少一个轨道车辆的所述独立纵向参考速度的值v_ref(t_av)，所述可用时刻t_av与直接位于所述轨道车辆的所述独立纵向参考速度v_ref不再可用的不可用时刻之前的时刻一致；

-根据以下步骤确定所述轨道车辆的所述纵向速度v_RV：

·计算在多个测量时刻(t_i1,t_i2,…,t_in)估计的所述纵向加速度的总和；

·将在所述多个测量时刻(t_i1,t_i2,…,t_in)确定的所述纵向加速度的总和乘以所述采集周期ΔT_i；

·将所述至少一个轨道车辆在所述可用时刻t_av的所述独立纵向参考速度的值V_ref(t_av)与在所述多个测量时刻(t_i1,t_i2,…,t_in)确定的估计纵向加速度的总和与所述采集周期ΔT_i相乘的结果相加。

11.根据权利要求10所述的用于估计至少一个轨道车辆的纵向速度的方法，其中，所述确定所述轨道车辆的所述纵向速度v_RV(t_in)的步骤通过以下公式来执行：

其中：

-v_ref(t_av)是所述至少一个轨道车辆在所述可用时刻t_av的所述独立纵向参考速度V_ref(t_av)；

-

是在所述多个测量时刻t_i1,t_i2,…,t_in确定的所述纵向加速度的总和，以及n是在所述可用时刻t_av与正在确定所述纵向速度v_RV(t_in)的测量时刻(t_in)之间经过的采集周期的数目；以及

-ΔT_i是所述采集周期。

12.一种用于估计至少一个轨道车辆的纵向速度的方法，包括以下步骤：

-执行根据权利要求9所述的用于估计至少一个轨道车辆的纵向加速度的方法；

-在所述可用时刻t_av测量所述至少一个轨道车辆的所述独立纵向参考速度的值v_ref(t_av)；

-根据以下步骤确定所述轨道车辆的所述纵向速度v_RV(t_i1)：

·计算从所述可用时刻t_av到所述第一测量时刻t_i1连续确定的所述估计纵向加速度a_lon的积分；

·将所述至少一个轨道车辆在所述可用时刻t_av的所述独立纵向参考速度的值V_ref(t_av)与所述估计纵向加速度的积分结果相加。

13.根据权利要求12所述的用于估计至少一个轨道车辆的纵向速度的方法，其中，所述确定所述轨道车辆的所述纵向速度v_RV(t_i1)的步骤使用以下公式来执行：

其中：

-v_ref(t_av)是在所述可用时刻t_av的所述独立纵向参考速度V_ref(t_av)；

-

是从所述可用时刻t_av到正在确定所述纵向速度v_RV(t)的所述第一测量时刻t_i1连续确定的所述估计纵向加速度a_lon的积分。

14.根据权利要求10-13中任一项所述的用于估计至少一个轨道车辆的纵向速度的方法，其中，所述第一测量时刻t_i1与可用时刻的恢复t_{ret_av}一致，在所述可用时刻的恢复t_{ret_av}，所述独立纵向参考速度V_ref在不可用之后再次变为可用。