DE102012219109A1

DE102012219109A1 - Method for determining velocity of e.g. remote controlled train, involves filtering measurement of accelerations for eliminating portions attributed to velocity-independent effects, and determining velocity of vehicle by processing signals

Info

Publication number: DE102012219109A1
Application number: DE201210219109
Authority: DE
Inventors: Oliver Heirich; Alexander Steingass
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2014-04-24
Anticipated expiration: 2032-10-20
Also published as: DE102012219109B4

Abstract

The method involves measuring single or multi-dimensional accelerations i.e. vibrations in vertical direction, acting on a rail vehicle due to running wheel imbalance and/or deviation of scope of a running wheel from a circular shape by using an acceleration sensor, where the accelerations are characterized for actual velocity (V1) of the rail vehicle. The measurement of accelerations is filtered for eliminating DC-proximate and/or signal portions attributed to velocity-independent effects. The actual velocity of the rail vehicle is determined by processing acceleration signals.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs ohne Verwendung einer Geschwindigkeitsmessvorrichtung.The invention relates to a method for determining the speed of a rail vehicle without the use of a speed measuring device.

Die Kenntnis der Geschwindigkeit eines Zuges ist z. B. für die Zugsteuerung, insbesondere aber für den allgemeinen Zugbetrieb essentiell. Für eine erfolgreiche Zuglokalisierung sowie Kollisionsvermeidung ist die Kenntnis bzw. Schätzung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs von Bedeutung. Ferne kann die Geschwindigkeitsschätzung dazu verwendet werden, um die Lokalisierung bzw. Schätzung der Position des Schienenfahrzeugs in einem Schienennetz zu verbessern.The knowledge of the speed of a train is z. B. for the train control, but especially for the general train operation essential. For a successful train localization and collision avoidance, the knowledge or estimation of the speed of a rail vehicle is important. Remotely, the speed estimate can be used to improve the location of the rail vehicle in a rail network.

Geschwindigkeitsmessungen bei Schienenfahrzeugen existieren, wozu entweder Geschwindigkeitsmessvorrichtungen wie beispielsweise ein Doppler-RADAR verwendet wird oder aber die Radumdrehungen pro Zeiteinheit ausgewertet werden. Das letztere Verfahren ist relativ kostenintensiv, was seine Installation betrifft, wobei seine Genauigkeit vom Schlupf sowie vom Laufradumfang bzw. Laufraddurchmesser abhängig ist, der im Zuge des Verschleißes abnimmt. Auf die Installation eines Doppler-RADAR ist relativ teuer und darüber hinaus witterungsanfällig, außerdem ist die Funktionsfähigkeit derartiger Systeme gegenüber mechanischen Beschädigungen recht anfällig. Ein Doppler-Radar wird nämlich am Unterboden des Schienenfahrzeugs installiert; hier herrschen in Folge von Witterung und Schotterflug raue Bedingungen.Speed measurements on rail vehicles exist using either speed measuring devices such as a Doppler RADAR or evaluating the wheel revolutions per unit of time. The latter method is relatively expensive in terms of its installation, with its accuracy depending on the slip and the impeller circumference or impeller diameter, which decreases in the course of wear. The installation of a Doppler RADAR is relatively expensive and moreover weather-prone, and the functionality of such systems is quite vulnerable to mechanical damage. Namely, a Doppler radar is installed on the underbody of the rail vehicle; Rough conditions prevail here as a result of the weather and gravel.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung bzw. Schätzung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs anzugeben, das eine robuste und zuverlässig arbeitende sowie vor mechanischen Beschädigungen (Eisplatten, Schotterflug) und Witterungseinflüssen beschützt positionierbare Sensorik erfordert.The object of the invention is to provide a method for determining or estimating the speed of a rail vehicle, which requires a robust and reliable working and protected from mechanical damage (ice sheets, gravel) and weather conditions positionable sensors.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs vorgeschlagen, und zwar mit den folgenden Schritten:

– Messen von auf ein fahrendes Schienenfahrzeug insbesondere eindimensional wirkenden Beschleunigungen, insbesondere Vibrationen in Vertikalrichtung, infolge einer Laufradunwucht und/oder einer Abweichung des Umfangs eines Laufrads von der Kreisform, wobei die aktuell gemessenen Beschleunigungen für die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs charakteristisch ist,
– Filtern der Messung der Beschleunigungen zur Eliminierung von DC-nahen und/oder von auf geschwindigkeitsunabhängige Effekte zurückzuführenden Signalanteilen in der Messung und
– Ermittlung der aktuellen Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs durch Verarbeitung des (Vertikal-)Beschleunigungssignals oder, allgemeiner ausgedrückt, eines ein- oder mehrdimensionalen (z. B. zwei- oder dreiachsigen) Beschleunigungssignals.

To achieve this object, the invention proposes a method for determining the speed of a rail vehicle, with the following steps:

Measuring accelerations, in particular one-dimensionally acting on a traveling rail vehicle, in particular vibrations in the vertical direction, as a result of impeller unbalance and / or deviation of the circumference of an impeller from the circular shape, wherein the currently measured accelerations are characteristic of the current speed of the rail vehicle,
- filtering the measurement of accelerations to eliminate DC-related and / or due to speed-independent effects signal components in the measurement and
- Determining the current speed of the rail vehicle by processing the (vertical) acceleration signal or, more generally, a one- or multi-dimensional (eg two- or three-axis) acceleration signal.

Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Erkenntnis, dass ein Schienenfahrzeug aufgrund seiner starren Schiene/Rad-Kopplung geschwindigkeitsabhängigen Vibrationen insbesondere in Z-Richtung ausgesetzt ist, die infolge einer Laufradunwucht und/oder einer Abweichung des Laufradumfangs von der Kreisform entstehen. So ist es oftmals nicht untypisch, dass der Umfang eines Laufrads Abflachungen odgl. Abweichungen von der Kreisform aufweist. Diese Abweichungen führen zu geschwindigkeitsabhängigen Spektrallinien, wenn beispielsweise das gemessene und aufgezeichnete Beschleunigungszeitsignal in den Frequenzbereich transformiert wird. Anhand der Lage bzw. der relativen Lagen der geschwindigkeitsspezifischen Spektrallinien, d. h. Frequenzanteile des zur Verfügung stehenden, die Vibrationen beschreibenden Signals lässt sich dann auf die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs schließen. Dabei sollten bevorzugte DC-nahe und/oder solche Signalanteile, die auf geschwindigkeitsunabhängige Effekte (beispielsweise Vibrationen infolge von Motorvibrationen) zurückzuführen sind, eliminiert werden.The basis of the method according to the invention is the recognition that a rail vehicle is exposed due to its rigid rail / wheel coupling speed-dependent vibrations, especially in the Z direction, which arise as a result of impeller unbalance and / or a deviation of the impeller circumference of the circular shape. So it is often not untypical that the circumference of an impeller flats or the like. Deviations from the circular shape. These deviations lead to speed-dependent spectral lines when, for example, the measured and recorded acceleration time signal is transformed into the frequency domain. Based on the position or the relative positions of the speed-specific spectral lines, d. H. Frequency components of the available signal describing the vibrations can then be related to the speed of the rail vehicle. In this case, preferred DC near and / or those signal components which are due to speed-independent effects (for example vibrations due to engine vibrations) should be eliminated.

Die dem erfindungsgemäßen Konzept, nämlich die aktuelle Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs aus den Vibrationsdaten einer insbesondere mehrachsigen Beschleunigungssensorik in Form einer ”Initial Measurement Unit” (Beschleunigungssensorik mit (z. B. mehrdimensionalen, wie z. B. dreiachsigen) Gierraten- und (z. B. mehrdimensionalen, wie z. B. dreiachsigen) Linearbeschleunigungssensoren) ohne jeden weiteren Sensor zu schätzen, zugrunde liegenden Erkenntnisse werden nachfolgend anhand von der Zeichnung erläutert.The concept according to the invention, namely the current speed of a rail vehicle from the vibration data of a particularly multi-axis acceleration sensor in the form of an "Initial Measurement Unit" (acceleration sensor system with (eg multi-dimensional, such as triaxial) yaw rate and (eg multi-dimensional, such as three-axis) linear acceleration sensors) without any further sensor to estimate, underlying knowledge will be explained below with reference to the drawing.

Ausgangspunkt ist die Befahrung einer Schienenstrecke mithilfe eines Schienenfahrzeugs, das eine IMU zur Ermittlung insbesondere von Vibrationen bzw. Beschleunigungen in Z-Richtung mitführt. Diese Befahrung erfolgt mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die Messwerte bzw. allgemein die Messung wird einer Spektralanalyse der Z-Beschleunigung als Funktion der Geschwindigkeit unterzogen. Hierzu unterteilt man die Messfahrt bzw. die Messung in einzelne Abschnitte einer bestimmten Länge (bei einer vorgegebenen Aufzeichnungsrate) und führt anschließend mit diesen Daten eine Leistungsdichteschätzung durch, womit man die sogenannte PSD (Power Spectral Density) erhält. Sortiert man die so erzeugten PSDs nach der in dem jeweils betrachteten Abschnitt herrschenden Geschwindigkeit v und mittelt dann die PSDs eines Geschwindigkeitsbereichs zu einem mittleren PSD (v), so ergibt sich die Situation gemäß dem Diagramm der Zeichnung. Dort sind mit 10 geschwindigkeitsunabhängige Spektrallinien und mit 20, 22, 24 bzw. 26 geschwindigkeitsabhängige Spektrallinien zu sehen. Die Spektrallinien bei 12 sind auf die Geometrie des Schienenfahrzeugs (beispielsweise wegen dessen Radabstands) zurückzuführende Spektrallinien bezeichnet. Auf sehr langsame Bewegungen des Schienenfahrzeugs (z. B. in Folge von Kurvenüberhöhungen(Rollen), Berg- und Talfahrtübergängen (Nicken) und Veränderungen der Erdbeschleunigung) zurückzuführende Spektrallinien sind bei 14 eingezeichnet.The starting point is the traversing of a railway track with the aid of a rail vehicle, which carries an IMU for determining, in particular, vibrations or accelerations in the Z direction. This journey takes place at different speeds. The measured values or in general the measurement is subjected to a spectral analysis of the Z acceleration as a function of the speed. For this purpose, the measurement travel or the measurement is subdivided into individual sections of a specific length (at a given recording rate) and then performs a power density estimation with these data, thus obtaining the so-called PSD (Power Spectral Density). Sort the PSDs generated in this way after each If the considered section v has the prevailing velocity v and then averages the PSDs of a velocity range to a mean PSD (v), the situation according to the diagram of the drawing results. There are with 10 velocity independent spectral lines and with 20 . 22 . 24 respectively. 26 see speed-dependent spectral lines. The spectral lines at 12 are referred to the geometry of the rail vehicle (for example, because of the wheel spacing) attributable spectral lines. Spectral lines due to very slow movements of the rail vehicle (eg as a result of curve elevations (rolls), mountain and valley transitions (pitches) and changes in acceleration due to gravity) are included 14 located.

In dem Diagramm erkennt man, dass die Spektrallinien geschwindigkeitsabhängig und geschwindigkeitsunabhängig sein können.In the diagram one recognizes that the spectral lines can be speed-dependent and speed-independent.

Geschwindigkeitsunabhängige EffekteSpeed independent effects

Man erkennt bei 10 mehrere Spektrallinien (in diesem Beispiel etwa bei 11 Hz, 22 Hz, 33 Hz und 44 Hz), die nicht von der Geschwindigkeit abhängen; sie verlaufen nämlich senkrecht. Diese Spektrallinien sind auf die Motordrehzahl sowie Vielfache der Motordrehzahl zurückzuführen. Diese Spektrallinien und die sie charakterisierenden Frequenzen müssen herausgefiltert werden.It can be seen at 10 several spectral lines (in this example, about 11 Hz, 22 Hz, 33 Hz and 44 Hz), which do not depend on the speed; they are vertical. These spectral lines are due to the engine speed and multiples of the engine speed. These spectral lines and their characterizing frequencies must be filtered out.

Geschwindigkeitsabhängige EffekteSpeed-dependent effects

Ferner erkennt man bei 12 Spektrallinien, die durch den Ursprung verlaufen. Diese Spektrallinien 12 sind offensichtlich von der Geschwindigkeit abhängig. Es sei näherungsweise davon ausgegangen, dass es keinen Offset zum Ursprung gibt. Die niedrigste, geschwindigkeitsabhängige Spektrallinie 12 verläuft durch den Ursprung und durch den Punkt (in diesem Ausführungsbeispiel) von 3,6 Hz, 140 km/h. Dieses lässt auf einen geometrischen Abstand der mechanischen Gegebenheiten von etwa 4,6 m schließen. Die Testfahrten, die dem grob in der Zeichnung angegebenen Spektralanalysediagramm zugrunde liegen, wurden mit einem Schienenfahrzeug durchgeführt, dessen Triebkopf ein Paar Radachsen mit einem Achsabstand von D = 4,7 m aufwies. Somit werden also Unebenheiten auf der Schiene in diesem Abstand periodisch in die gemessenen Vibrationen eingespeist. Derartige auf die geometrische Beschaffenheit der Schnittstelle zwischen den Laufrädern und der Schienen zurückzuführende Effekte müssen ebenfalls herausgefiltert werden.Furthermore, one recognizes at 12 Spectral lines that run through the origin. These spectral lines 12 are obviously dependent on the speed. Let's assume that there is no offset to the origin. The lowest speed-dependent spectral line 12 passes through the origin and through the point (in this embodiment) of 3.6 Hz, 140 km / h. This suggests a geometrical distance of the mechanical conditions of about 4.6 m. The test runs, which are based on the spectral analysis diagram roughly indicated in the drawing, were carried out with a rail vehicle whose power head had a pair of wheel axles with a center distance of D = 4.7 m. Thus, unevenness on the rail at this distance periodically fed into the measured vibrations. Such effects due to the geometric nature of the interface between the wheels and the rails must also be filtered out.

Als Folge weiterer geschwindigkeitsabhängiger Effekte sind die Spektrallinien 14 erkennbar. Diese Linien entsprechen Signalanteilen in den Vibrationen, die auf sehr kleine Frequenzen zurückzuführen sind, also sehr langsame Bewegungen des Zuges repräsentieren. Derartige sehr langsame Bewegungen (sogenannte DC-nahe Effekte) entstehen in Folge von Kurvenüberhöhungen und Neigungen des Zuges bei sich verändernden Anstiegen bzw. Abfällen der Schiene, wie es beispielsweise zu Beginn einer Berg- oder Talfahrt anzutreffen ist. Die Spektrallinien 14 liegen somit dicht an der Y-Achse des Koordinatenkreuzes gemäß 1.As a result of other speed-dependent effects are the spectral lines 14 recognizable. These lines correspond to signal components in the vibrations, which are due to very small frequencies, so represent very slow movements of the train. Such very slow movements (so-called DC-near effects) arise as a result of curve elevations and inclinations of the train with changing increases or decreases in the rail, as can be found for example at the beginning of a mountain or descent. The spectral lines 14 are thus close to the Y-axis of the coordinate system according to 1 ,

Erfindungsgemäß werden die zuvor genannten für die Ermittlung der Geschwindigkeit irrelevanten Effekte bei der Geschwindigkeitsermittlung unberücksichtigt gelassen. Dies erfolgt durch entsprechende Filterungen, wobei im Folgenden auf die Verwendung der hierzu verwendeten Filter nicht weiter eingegangen wird.According to the invention, the above-mentioned effects which are irrelevant to determining the speed are not taken into account in the speed determination. This is done by appropriate filtering, in the following on the use of the filter used for this purpose will not be discussed further.

Erfindungsgemäß wird nun zur Entfernung der DC-nahen Signalanteile ein Hochpassfilter mit einer relativ niedrigen Grenzfrequenz von einigen wenigen Hz, beispielsweise von circa 3,2 Hz verwendet. Zum Herausfiltern der geschwindigkeitsunabhängigen Effekte verwendet man erfindungsgemäß zweckmäßigerweise ein Kammfilter (Multi-Notch Filter), das in der Grundfrequenz auf die geometrischen Gegebenheiten des Schienenfahrzeugs angepasst wird. Da als Quelle der geschwindigkeitsunabhängigen Effekte der Motor des Schienenfahrzeugs zu betrachten ist, kann die Drehzahl des Motors leicht geschätzt werden und das Filter durch Verwendung eines synchronisierbaren Kammfilters nach dem Stand der Technik realisiert werden.According to the invention, a high-pass filter with a relatively low cut-off frequency of a few Hz, for example of approximately 3.2 Hz, is used to remove the DC-near signal components. To filter out the speed-independent effects, a comb filter (multi-notch filter) is expediently used according to the invention, which is adapted in the fundamental frequency to the geometric conditions of the rail vehicle. As the source of the speed-independent effects is considered to be the motor of the rail vehicle, the speed of the motor can be easily estimated and the filter realized by using a synchronizable comb filter according to the prior art.

Das auf die zuvor beschriebene Weise vorverarbeitete Signal wird nun bezüglich der Extraktion des Schätzwertes der aktuellen Geschwindigkeit weiter verarbeitet. Aus dem Diagramm der Zeichnung ergibt sich, dass für eine Geschwindigkeit v₁ beispielsweise die Frequenzen f_1,1, f_1,2, f_1,3 und f_1,4 charakteristisch sind. Die Frequenzen f_2,1, f_2,2, f_2,3 und f_2,4 sind beispielsweise charakteristisch für die Geschwindigkeit v₂. Die Spektrallinien 20, 22, 24 und 26 des Diagramms der Zeichnung sind abhängig von der Geschwindigkeit und dem Radumfang. Der Zusammenhang ist gegeben durch v = 3,6·d·Pi·fn/n, wobei v die Fahrzeuggeschwindigkeit in km/h ist, d der Raddurchmesser ist, Pi die Kreiskonstante ist, fn die Frequenz der n-ten Spektrallinie ist (f₁ für Spektrallinie 20, f₂ für Spektrallinie 22, f₃ für Spektrallinie 24 und f₄ für Spektrallinie 26) und n das Vielfache der Grundschwingung (Oberwelle Nummer n – 1) ist.The signal preprocessed in the manner described above is now further processed with respect to the extraction of the estimate of the current speed. From the diagram of the drawing it follows that, for example, the frequencies f _1,1 , f _1,2 , f _1,3 and f _{1,4 are} characteristic of a speed v ₁ . The frequencies f _2,1 , f _2,2 , f _2,3 and f _2,4 are for example characteristic of the speed v ₂ . The spectral lines 20 . 22 . 24 and 26 of the diagram of the drawing are dependent on the speed and the wheel circumference. The connection is given by v = 3.6 · d · Pi · fn / n, where v is the vehicle speed in km / h, d is the wheel diameter, Pi is the circle constant, fn is the frequency of the nth spectral line (f ₁ for spectral line 20 , f ₂ for spectral line 22 , f ₃ for spectral line 24 and f ₄ for spectral line 26 ) and n is the multiple of the fundamental (harmonic number n - 1).

Die Geschwindigkeit lässt sich beispielsweise abschätzen durch eine Wavelet-Analyse unter Verwendung einer Vielzahl von zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten sequentiell anzuwendenden Wavelets mit einem jedem Wavelet zugeordneten Skalierungsfaktor, wobei durch Korrelation das Wavelet mit der besten Übereinstimmung mit den aktuell gemessenen Beschleunigungen ermittelt wird und der diesem Wavelet zugeordnete Skalierungsfaktor die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs repräsentiert. Sei q (t, n) ein geeignetes Wavelet, so kann mittels Waveletanalyse die beste Übereinstimmung zwischen dem Wavelet und dem Beschleunigungssignal bestimmt werden (Korrelation). Die Variable t repräsentiert dann den Zeitpunkt der besten Übereinstimmung und die Variable n den Skalierungsfaktor. Der Skalierungsfaktor ist proportional zur Geschwindigkeit. Somit ist eine Geschwindigkeitsmessung bzw. -abschätzung (nach Kalibrierung) möglich. Zur Bestimmung eines geeigneten Wavelets wird nach Herausfilterung der geschwindigkeitsabhängigen und geschwindigkeitsunabhängigen Effekte die Messungen in Abschnitte unterteilt. Mit der ebenfalls aufgezeichneten Geschwindigkeit können sie skaliert werden. Eine Anschließende Überlagerung (im Zeit- oder Frequenzbereich) liefert eine geeignete Musterfunktion.For example, the velocity can be estimated by wavelet analysis using a plurality of wavelets to be sequentially applied at successive times with a wavelet associated with each wavelet Scaling factor, where by correlation the wavelet with the best match with the currently measured accelerations is determined and the scaling factor assigned to this wavelet represents the current speed of the rail vehicle. If q (t, n) is a suitable wavelet, the best match between the wavelet and the acceleration signal can be determined by means of wavelet analysis (correlation). The variable t then represents the time of the best match and the variable n the scaling factor. The scaling factor is proportional to the speed. Thus, a speed measurement or estimation (after calibration) is possible. To determine a suitable wavelet, after filtering out the speed-dependent and speed-independent effects, the measurements are subdivided into sections. With the speed also recorded, they can be scaled. A subsequent overlay (in the time or frequency domain) provides a suitable pattern function.

Eine alternative Möglichkeit der Detektion bzw. Abschätzung der Geschwindigkeit umfasst die Verwendung von Matched Filtern. Eine hypothetische Geschwindigkeit führt zu einem Matched Filter, das aus zwei Delta-Impulsen besteht. Der Abstand ist durch den Quotienten v/D gegeben. Man bestimmt die Leistung am Ausgang des Filters. Die Variation der hypothetischen Geschwindigkeit liefert eine geschwindigkeitsabhängige Schätzung, deren Maximum die gesuchte Geschwindigkeit widerspiegelt. Bezogen auf die Darstellung in dem Diagramm gemäß Zeichnung bedeutet dies, dass der Abstand beispielsweise zweier Frequenzen, bei denen die auszuwertende Messung Spektrallinien aufweist, ein Maß für die Größe des Quotienten v/D ist. Da D den Achsabstand repräsentiert, kann damit durch die Lage der Spektrallinien im Frequenzbereich auf die Geschwindigkeit geschlossen werden (siehe auch die Spektrallinien bei 12 im Diagramm der Zeichnung).An alternative way of detecting or estimating the speed involves the use of matched filters. A hypothetical speed results in a matched filter consisting of two delta pulses. The distance is given by the quotient v / D. The power at the output of the filter is determined. The variation of the hypothetical speed provides a speed-dependent estimate, the maximum of which reflects the speed sought. Based on the representation in the diagram according to the drawing, this means that the distance, for example, of two frequencies at which the measurement to be evaluated has spectral lines is a measure of the size of the quotient v / D. Since D represents the axial distance, the position of the spectral lines in the frequency domain makes it possible to deduce the velocity (see also the spectral lines at 12 in the diagram of the drawing).

Eine weitere Möglichkeit der Detektion besteht in der Verwendung eines Mehrfach-Kammfilters. Das Zeitsignal wird durch ein derartiges Mehrfach-Kammfilter gefiltert, um dann die Leistung des Zeitsignals zu bestimmen. Das Mehrfach-Kammfilter ist durch Mittenfrequenzen f₀ sowie Vielfache davon (beispielsweise 2·f_0,3·f_0,4·f_0,5·f₀) bestimmt. Die Variation von f₀ liefert verschiedene Ergebnisse. Das gesuchte f₀ kann durch eine Maximumsuche nach der Leistung gefunden werden. Eine solche Vorgehensweise kann auch mithilfe von parallel geschalteten Filterbänken (beispielsweise 150 Filter) geschehen, wobei eines der Filter für die Mittenfrequenz f₀ und die anderen Filter für unterschiedliche Vielfache der Mittenfrequenz ausgelegt und damit jedes Filter eine unterschiedliche Geschwindigkeit repräsentiert.Another possibility of detection is the use of a multiple comb filter. The time signal is filtered by such a multiple comb filter to then determine the power of the time signal. The multiple comb filter is determined by center frequencies f ₀ and multiples thereof (for example, 2 * f _0, 3 * f _0, 4 * f _0, 5 * f ₀ ). The variation of f ₀ gives different results. The searched f ₀ can be found by a maximum search for the power. Such a procedure can also be done using parallel filter banks (for example, 150 filters), where one of the filters for the center frequency f ₀ and the other filters are designed for different multiples of the center frequency and thus each filter represents a different speed.

Bei all diesen zuvor bestimmten Varianten und Alternativen werden die dominanten Spektrallinien des Leistungsdichtespektrums analysiert, die wiederum für die aktuell gegebene Geschwindigkeit charakteristisch sind, womit auf die Geschwindigkeit geschlossen werden kann.In all of these previously determined variants and alternatives, the dominant spectral lines of the power density spectrum are analyzed, which in turn are characteristic of the currently given speed, which can be used to conclude the speed.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind wie folgt:

1. Unabhängig von anderen Messungen.
2. Ist eine IMU vorhanden, ist dieses Verfahren fast kostenlos.
3. Robuste Messung: Funktioniert auch in Tunneln, ohne Funk und unabhängig von äußeren Witterungseinflüssen und mechanischen Belastungen (z. B. durch Schotteflug).
4. Mit geringem Aufwand einbaubar (Das Messgerät wurde beispielsweise mit einem Kabelbinder auf der Lok montiert).
5. Weitgehend unabhängige Wahl des Montageorts.

The advantages of the method according to the invention are as follows:

1. Independent of other measurements.
2. If there is an IMU, this procedure is almost free.
3. Robust measurement: Also works in tunnels, without radio and independent of external weather influences and mechanical loads (eg by Scottish flight).
4. Can be installed with little effort (the measuring device was mounted on the locomotive with a cable tie, for example).
5. Largely independent choice of installation site.

In jedem Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren auch dazu genutzt werden, um einen Stillstand des Zuges zu detektierten. Die zusätzliche Verwendung eines Mikrofons erlaubt den Einsatz eines weiteren günstigen Sensors, der in ähnlicher Weise, wie oben beschrieben, genutzt werden kann um die Geschwindigkeit zu schätzen. Hier könnte man insbesondere die Drehzahl von Asynchronmotoren (sogenanntes Straßenbahnpfeifen beim Anfahren) schätzen.In any case, the inventive method can also be used to detect a stoppage of the train. The additional use of a microphone allows the use of another cheap sensor, which can be used in a similar manner as described above to estimate the speed. Here one could particularly estimate the speed of asynchronous motors (so-called streetcar whistles when starting).

Neben der Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Geschwindigkeitsmessung bzw. -schätzung von Schienenfahrzeugen lässt sich das Verfahren als Ergänzung zur bordautonomen Lokalisierung für Schienenfahrzeuge bei autonom fahrenden oder ferngesteuerten Zügen und/oder bei Antikollisionssystemen für Züge einsetzen.In addition to the use of the inventive method for speed measurement or estimation of rail vehicles, the method can be used as a supplement to the on-board localization for rail vehicles in autonomous or remote controlled trains and / or anti-collision systems for trains.

Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion von Verschleiß bei Laufrädern eines Schienenfahrzeugs durch Vergleich der gemäß einer der obigen Variante oder Alternative ermittelten Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs mit dessen auf andere Weise, z. B. durch einen Geschwindigkeitsmesser, ermittelten Geschwindigkeit, wobei auf Verschleiß erkannt wird, wenn die Abweichung beider Geschwindigkeiten einen vorgegebenen Differenzwert übersteigt.Finally, the inventive method for detecting wear in wheels of a rail vehicle by comparing the determined according to one of the above variant or alternative speed of the rail vehicle with its otherwise, for. For example, by a speedometer, detected speed, which is detected for wear when the deviation of both speeds exceeds a predetermined differential value.

Die Geschwindigkeitsmessung und Laufradmessung können unter bestimmten Umständen nahezu gleichzeitig durchgeführt werden. Der sich typischerweise sehr langsam ändernde Laufradgeometrieparameter, z. B. der Laufradumfang, wird durch Verwendung eines Geschwindigkeitssensors erlernt (analysiert) und bei einem Ausfall oder ungünstigen Messverhältnissen wird/werden der/die erlernte/erlernten Laufrad-Parameter zur Geschwindigkeitsmessung verwendet. Die Laufradvermessung(-Analyse) wird dann ”ausgesetzt”.The speed measurement and impeller measurement can under certain circumstances be performed almost simultaneously. The typically very slowly changing impeller geometry parameters, e.g. Wheel circumference is learned (analyzed) by use of a speed sensor, and in case of failure or unfavorable measurement conditions, the learned / learned impeller parameter (s) are used for speed measurement. Impeller measurement (analysis) is then "suspended".

Claims

Method for determining the speed of a rail vehicle, comprising the following steps: Measuring one-dimensional or multi-dimensional accelerations acting on a traveling rail vehicle, in particular vibrations in the vertical direction, as a result of impeller unbalance and / or deviation of the circumference of an impeller from the circular shape, the currently measured accelerations being characteristic of the current speed of the rail vehicle, - filtering the measurement of accelerations to eliminate DC-related and / or due to speed-independent effects signal components in the measurement and - Determining the current speed of the rail vehicle by processing the acceleration signals or the acceleration signals.

Method according to Claim 1, characterized in that the signal processing comprises a wavelet analysis using a multiplicity of wavelets to be used sequentially at successive times with a scaling factor associated with each wavelet, whereby by correlation the wavelet with the best match with the currently measured accelerations is determined This scaling factor assigned to this wavelet represents the current speed of the rail vehicle.

A method according to claim 2, characterized in that said filtering of a plurality of acceleration signal measurements divides them into sections and scales them at the respective recorded speed, a subsequent superposition in the time or frequency domain providing a pattern function for velocity determination.

A method according to claim 1, characterized in that a value for the current speed of the rail vehicle is assumed and with this value, a matched filter (matched filter) is determined, which has two delta pulses, the distance equal to the quotient of the assumed speed value and the Wheel distance of the rail vehicle is, and that the power of the acceleration signal is determined at the output of the optimal filter, wherein a variation of the assumption for the value of the current speed provides a speed-dependent estimate, the maximum of which is representative of the current speed of the rail vehicle.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the acceleration signal is subjected to filtering by a comb filter defined by a center frequency and integer multiples of the center frequency, that the power of the filtered acceleration signal is determined to vary the center frequency of the comb filter wherein the sought center frequency is the one at which the filtered acceleration signal has maximum power, and the sought center frequency is representative of the actual speed of the rail vehicle (over the circumference of the wheel or its diameter, respectively).

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that for the purpose of calibration, which is required due to a decrease in the diameter of an impeller or the wheels of the rail vehicle due to wear, the current speed is measured elsewhere and the balance is carried out accordingly.

A method for detecting wear in wheels of a rail vehicle by comparing the determined according to the method of any one of the preceding claims speed of the rail vehicle with its otherwise, for. For example, by a speed measuring device, determined speed, which is detected for wear when the deviation of both speeds exceeds a predetermined differential value.

Method according to one of claims 1 to 6 in combination with claim 7, characterized in that both a speed measurement and an impeller analysis are performed, wherein in case of failure of the speed measurement z. B. due to unfavorable conditions or a defect of the speed measuring the determination of the speed based on at least one of the last determined geometry parameters of the impeller and the impeller analysis is suspended for the duration of the failure of the speed measurement.