DE102016105413A1

DE102016105413A1 - Geschwindigkeitsmessverfahren und geschwindigkeitsmessanordnung

Info

Publication number: DE102016105413A1
Application number: DE102016105413.5A
Authority: DE
Inventors: Max Spindler
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2036-03-24
Also published as: DE102016105413B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Geschwindigkeitsmessverfahren und eine Geschwindigkeitsmessanordnung (1) zur Durchführung des Verfahrens bereit. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Messen der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs (11), das entlang eines vorbestimmten Fahrwegs verfahren werden kann. Zumindest zwei induktive Messaufnehmer (3, 4) sind auf einer Sensorplattform (2) in einem vorbestimmen Abstand (L) zueinander längs einer Bewegungsachse des Fahrzeugs (11) angeordnet und weisen zu einem Untergrund (8) des Fahrwegs. Die Sensorplattform (2) zum Erfassen einer Bewegung des Fahrzeugs (11) ist an dem Fahrzeug (11) befestigt und mit einer Steuereinheit (5, 6) und einer Datenverarbeitungseinheit (7) operativ gekoppelt. Erfindungsgemäß wird in einem ersten Schritt a) während einer Bewegung in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs (11) entlang des vorbestimmten Fahrwegs mit den beiden induktiven Messaufnehmern (3, 4) eine Phasenverschiebung erfasst, die in jedem Messaufnehmer (3, 4) an ferromagnetischen Abschnitten (9) des Untergrunds (8) verursacht wird. Ferner werden die erfassten Phasenverschiebungswerte an die Datenverarbeitungseinheit (7) gesendet und in einem Schritt c) mit der Datenverarbeitungseinheit (7) aus den Phasenverschiebungswerten eine aktuelle Geschwindigkeit (v) des Fahrzeugs (11) berechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Geschwindigkeitsmessverfahren für ein Fahrzeug und eine Geschwindigkeitsmessanordnung dafür.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Geschwindigkeits- und Positionsmessung von Fahrzeugen bekannt. So sind insbesondere GPS, kamerabasierte Messverfahren, optische Korrelationsverfahren, IMU, Odometer bzw. Speedometer bekannt. Ferner kann das Messprinzip des Doppler-Radars verwendet werden, wie z. B. in EP 2007 0112 934 , die eine Messmethode zum Bestimmen einer Geschwindigkeit eines Zuges für Zugsicherheitssysteme beschreibt. Auch offenbart WO 2001 066 401 A9 eine Geschwindigkeitsmessmethode, die auf der Nutzung sogenannter Eddy-Current-Sensoren (ECS, Wirbelstromsensorik) beruht. Nachteilig an den vorgenannten Messverfahren ist ihre Störanfälligkeit insbesondere bei Nässe, und dass eine Geschwindigkeit lediglich geschätzt werden kann.
Aus WO 2004/034 065 A1 ein Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung eines Schienenfahrzeugs bekannt, wobei zwei Sensoren in einem bestimmten Abstand relativ zueinander oberhalb einer sich bewegenden Oberfläche, hier ein Rad des Schienenfahrzeugs, angeordnet sind. Aus der Winkelgeschwindigkeit und dem Radumfang wird eine Bahngeschwindigkeit und folglich eine zurückgelegte relative Wegstrecke des zu vermessenden Schienenfahrzeugs bestimmt.
Bei Nässe oder Glätte kommt es vor, dass bspw. beim Anfahren oder Bremsen zwischen Rad und Untergrund, bzw. der Fahrbahn des Rades, eine Schlupfbewegung auftreten kann. Außerdem kann sich bei Verschleiß der Räder ihr Umfang ändern. Beide Effekte haben zur Folge, dass die Bahngeschwindigkeit und damit auch die errechnete, zurückgelegte Wegstrecke nicht mehr korrekt bestimmt werden können und errechnete Geschwindigkeitswerte fehlerhaft sind.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung bereitzustellen, das unabhängig von Schlupf bzw. Verschleiß eine genaue Messung der Geschwindigkeit ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch das Geschwindigkeitsmessverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die weitere Aufgabe, eine Messanordnung bereitzustellen, die einfach aufgebaut ist und eine genaue Geschwindigkeitsmessung erlaubt, wird durch die Geschwindigkeitsmessanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 8 gelöst.
Weiterbildungen bzw. bevorzugte Ausführungsformen des Geschwindigkeitsmessverfahrens und der -messanordnung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf ein Geschwindigkeitsmessverfahren für ein Fahrzeug, das entlang eines vorbestimmten Fahrwegs verfahren werden kann. Zwei oder mehr induktive Messaufnehmer sind auf einer Sensorplattform in einem vorbestimmen Abstand zueinander längs einer Bewegungsachse des Fahrzeugs angeordnet und weisen zu einem Untergrund des Fahrwegs. Eine Bewegungsachse im Sinne der Erfindung ist auf eine Längs- oder Querachse des Fahrzeugs bezogen und kann eine Bewegung des Fahrzeugs vorwärts, rückwärts oder auch seitwärts beinhalten.
Die Sensorplattform zum Erfassen der Bewegung des Fahrzeugs ist an dem Fahrzeug befestigt und mit einer Steuereinheit sowie einer Datenverarbeitungseinheit operativ gekoppelt. Erfindungsgemäß wird in einem ersten Schritt a) während einer Bewegung in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs entlang des vorbestimmten Fahrwegs mit den beiden induktiven Messaufnehmern eine Phasenverschiebung erfasst, die in jedem Messaufnehmer an ferromagnetischen Abschnitten des Untergrunds verursacht wird.
Ferner werden die erfassten Phasenverschiebungswerte an die Datenverarbeitungseinheit gesendet und in einem Schritt c) mittels der Datenverarbeitungseinheit aus den Phasenverschiebungswerten eine aktuelle Geschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt.
Im Sinne der Erfindung entspricht die Phasenverschiebung einfach gesprochen einem zeitlichen Versatz zwischen angelegter Spannung und abgegriffenem Strom, wobei Eingangssignal und Ausgangssignal logisch verknüpft werden, um eine aktuelle Phase bzw. Phasenverschiebung zu bestimmen. Jeder Messaufnehmer, d. h. deren Spule, misst einen absoluten Wert der Phase. Durch Überfahren verschiedener ferromagnetischer Abschnitte gibt es eine Änderung der Induktivität der Spule und damit eine Änderung der absoluten Phase. Da jede Spule einen Grundwert zu der Phase hat, die aber konstant ist und nicht beachtet wird, wird die Änderung betrachtet, die als Phasenverschiebung bezeichnet ist. Die Messungen besitzen sozusagen einen konstanten Offset, der nicht betrachtet wird.
Mit dem vorgenannten Verfahren kann die Fahrzeuggeschwindigkeit berührungslos, schlupf- und driftfrei bestimmt werden. Gleichzeitig benötigt das Messverfahren wenig Energie und ist unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen wie Vibration, Wasser, Öl, Staub, Licht, Schall sowie Temperaturschwankungen. Der Aufbau eines zugehörigen Sensors kann sich so auf zwei induktive Messaufnehmer, d. h. Spulen, reduzieren, wodurch die nachfolgende Signalauswertung sich vereinfacht und die elektrische Verlustleistung einer zughörigen Messanordnung reduziert werden kann. Vorteilhaft kann ein Phasenwinkel über den gesamten befahrenen Fahrweg direkt bestimmt werden, es sind keine zusätzlichen Berechnungsschritte notwendig. Durch die Extraktion der Merkmalspunkte aus der Umgebung kann vorteilhaft die Relativgeschwindigkeit des Fahrzeugs relativ zum Untergrund gemessen werden. Dadurch ist die Messung unabhängig zu Schlupf oder Verschleiß eines mitlaufenden oder angetriebenen Rades.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann in einem Schritt c‘) mit der Datenverarbeitungseinheit zunächst aus den erfassten Phasenverschiebungswerten ein zeitabhängiges Phasenverlaufsprofils für jeden Messaufnehmer erstellt werden. "Phasenverlaufsprofil" im Sinne der Erfindung meint Aufzeichnen der erfassten Phasenverschiebungswerte über der Zeit, solange das Fahrzeug den Fahrweg befährt. Dies ergibt einen für den jeweiligen Fahrweg charakteristischen Verlauf; ein Profil, das die verschiedenen ferromagnetischen Anomalien, die entlang des Fahrwegs auftreten, zeitabhängig abbildet.
Hiernach kann eine Vielzahl an Messpunkten aus dem zeitabhängigen Phasenverlaufsprofil jedes Messaufnehmers bestimmt werden, wobei jeder Messpunkt einem ferromagnetischen Abschnitt des Untergrunds entspricht. "Messpunkte" im Sinne der Erfindung können natürliche bzw. bereits vorhandene Merkmalspunkte entlang des Fahrwegs sein, wie vorzugsweise ferromagnetische Anomalien der Materialien des Untergrunds. Sie befinden sich weder auf einer Welle, noch einer Achse des Fahrzeugs, sondern können von den Messaufnehmern direkt aus der Umgebung "extrahiert“ werden. Bei einer Fahrt des Fahrzeugs wächst mit steigender Länge des Fahrwegs auch die Anzahl der möglichen, zu erfassenden Messpunkte.
In einem weiteren Auswertungsschritt werden die erfassten Phasenverlaufsprofile der Messaufnehmer über eine bestimmte Zeitspanne miteinander korreliert und daraus ein Zeitabstand ∆T zwischen den Phasenverlaufsprofilen der Messaufnehmer bestimmt. Das können pro Messaufnehmer jeweils ein Profil oder auch mehrere eventuell miteinander korrelierte Profile sein. "Korrelation" meint im Sinne der Erfindung eine Differenz oder ein Vergleich der Phasenverlaufsprofile beider Messaufnehmer. Ferner können auch die Phasenverläufe der Messaufnehmer jeweils gegen eine zuvor erstellte Referenzbefahrung des Fahrwegs korreliert werden. Dadurch lässt sich die Position bestimmen, wie im Folgenden noch gezeigt wird. Durch die Bestimmung von zwei Positionen und der Zeitdifferenz bzw. des zeitlichen Versatzes zwischen Erreichen der beiden Positionen bzw. der zeitliche Versatz zwischen zwei oder mehr Messkurven lässt sich wiederum die Geschwindigkeit bestimmen.
Zuletzt kann aus dem zuvor errechneten Zeitabstand ∆T und dem Abstand L der Messaufnehmer zueinander die aktuelle Geschwindigkeit v des Fahrzeugs bestimmt werden.
Die Messung der Phasenverschiebung ist eine Messung über die Zeit, wobei die Zeit von allen physikalischen Größen diejenige ist, die am genauesten gemessen werden kann. Wird daher die Zeitmessung verbessert, verbessert sich automatisch die Genauigkeit bzw. die Auflösung der Phasenverschiebung. Durch die Präzision der Messung, die erreicht werden kann, werden Fehler minimiert, wodurch es ermöglicht wird, selbst geringe Änderungen in der Spuleninduktivität präzise zu messen. Für die Geschwindigkeitsbestimmung wird nur die Phase bzw. Phasenverschiebung betrachtet, die Amplitude eines gemessenen Signals spielt nur eine untergeordnete Rolle. Indem der über die Zeit aufgezeichnete Verlauf der Phasenverschiebung ferromagnetische Anomalien direkt ablesbar macht, kann das erstellte Verlaufsprofil auch zur Differenzierung von Objekten dienen und gleichzeitig als Indikator für Veränderungen (bspw. Verschleiß oder Beschädigungen) verwendet werden. Das Verfahren muss nicht kalibriert werden, da nur Betragswerte einer Änderung der Phase verarbeitet werden.
Das mathematische Verfahren der (Signal)-Korrelation ist nur eine mögliche Methode zur Bestimmung der Geschwindigkeit. Eine weitere Möglichkeit, die Geschwindigkeit aus der erfassten Phasenverschiebung zu bestimmen kann bspw. das Point-Matching-Verfahren sein. Dabei wird derselbe Merkmalspunkt an beiden Messaufnehmern gemessen und der zeitliche Versatz bestimmt. Dies kann für einzelne Punkte oder einer Gruppe von Punkten durchgeführt werden. Aus dem zeitlichen Versatz und dem räumlichen Abstand der Sensoren ergibt sich, wie vorbeschrieben, die Geschwindigkeit des jeweiligen Transportsystems, d. h. des Fahrzeugs.
In einer Weiterbildung kann die Erfindung vorsehen, dass die ferromagnetischen Abschnitte in regelmäßigen oder auch unregelmäßigen Abständen entlang des Fahrwegs vorliegen und aus der Gruppe umfassend u. a. ferromagnetische Anomalien des Untergrunds, insbesondere eines Schienenmateriales ausgewählt sind. Auch können Schweißstellen zwischen Schienenteilstücken, Schwellenbefestigungen oder auch Teile von Infrastruktur, wie bspw. Weichen, Radlenker, Herzstück einer Weiche, Eisenarmierungen, Teile von Brücken, Stahlkabel, etc. als ferromagnetische Abschnitte für eine Messpunktbestimmung dienen.
Die Erfindung kann ferner vorsehen, dass in Schritt a) zum Erfassen der Phasenverschiebung an jeden induktiven Messaufnehmer, d. h. deren Spulen, eine vorbestimmte Spannung angelegt und eine resultierende Stromstärke gemessen wird, wobei der zeitliche Versatz bzw. eine Differenz zwischen angelegter Spannung und gemessener Stromstärke ein Phasenwinkel ist und daraus die Phasenverschiebung bestimmt werden kann. Da Strom und Spannung nicht einfach in Phase laufen, aber die Phase bestimmt werden soll, wird der Strom an einem Shunt-Widerstand, einem niederohmigen elektrischen Widerstand bestimmt. Die Phasenverschiebung an den beiden Spulen der Messaufnehmer bildet dabei die wesentliche Kenngröße zur Berechnung der Geschwindigkeit. Durch die Verwendung einer Spule als induktives elektronisches Bauteil, die als Sende- und Empfangseinheit dient, kann jeder Messaufnehmer sehr kompakt aufgebaut werden. Die Verlustleistung des Messaufnehmers kann im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren drastisch reduziert werden. Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Eddy Current Sensoren müssen keine starken elektromagnetischen Felder in den Untergrund bzw. die Umgebung eingebracht werden, deren Energie zu einem großen Teil auch in Wärme umgewandelt wird und damit verloren geht.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinheit jeden Messaufnehmer mit einem digitalen Spannungssignal, bevorzugt einem Rechtecksignal, ansteuern kann. Das Messverfahren ist hierdurch vorteilhaft digital ausgestaltet, wodurch auf analoge elektronische Bauteile oder bisher benötigte Analog-Digital-Wandler verzichtet werden kann, da der Stromverlauf nicht mehr aufwändig digitalisiert werden muss, sondern bereits digital abgegriffen wird. Jeder Messaufnehmer kann mit einer Speisefrequenz von 30 kHz angesteuert werden, so dass sich die Phasenverschiebung 30000 mal pro Zeiteinheit (Sekunde) erfassen lässt. Um die Abtastrate zu erhöhen und damit das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, kann zusätzlich ein Field Programmable Gate Array (FPGA) verwendet werden, dessen zeitliche Abtastrate verbessert bzw. erhöht ist und damit die Auflösung des Phasenwinkel verbessern kann.
In einer Weiterbildung der Messanordnung kann vorgesehen sein, dass der verwendete Mikrocontroller ein integriertes Gate Array hat. So können in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Sensorik ein Gate Array zum „Sammeln“ der anfallenden Messdaten haben. Das Puffern dieser Messdaten an eine weitere Auswerteeinheit übernimmt dann der Mikrocontroller. Dadurch kann weitestgehend auf teure analoge Bauteile verzichtet werden, die normalerweise zur Ansteuerung solcher Sensoren bzw. zur Signalaufbereitung benötigt werden. Das Verfahren ist somit aufgrund der verwendeten Komponenten kostengünstig. Aufgrund der digitalen Messmethode entfällt die Demodulation der Signale, wodurch sich die Signalauswertung vereinfacht und robust ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass neben der Geschwindigkeit des Fahrzeugs auch dessen Position entlang des Fahrwegs bestimmt werden kann und das erfindungsgemäße Geschwindigkeitsmessverfahren zu einem Positionsmessverfahren erweitert werden kann. So kann in einem weiteren Schritt d) aus einem oder mehreren Phasenverlaufsprofil(en) einer ersten Fahrt des Fahrzeugs entlang des vorbestimmten Fahrwegs eine Vielzahl Referenzmesspunkte bestimmt werden. Aus diesen Referenzmesspunkten kann ein Referenzphasenverlaufsprofil für eben diesen vorbestimmten Fahrweg des Fahrzeugs bestimmt werden.
So können in einer Ausführungsform der Erfindung die Referenzmesspunkte für das Referenzphasenverlaufsprofil ferromagnetische Anomalien im Untergrund sein. Auch vorbestimmte Markierungen an dem Fahrweg, insbesondere einer Schienenstrecke bzw. physikalische Markierungen des Fahrwegs können als Referenzmesspunkte dienen. Weil die Messsignale zunächst über der Zeit (t) aufgenommen werden und für eine „normalisierte“ Karte unabhängig von der befahrenen Geschwindigkeit (v) vorliegen, kann das Signal auf die zurückgelegte Wegstrecke transformiert werden. Die Referenzstecke (Kartierung) und die Messsignale liegen dann über der (zurückgelegte) Wegstrecke (s) vor. Die Wegstrecke (s) lässt sich nun mit einer Globalen-Referenzposition versehen. Dadurch werden die (zurückgelegte) Wegstrecke, das Messsignal und eine Position in Form von GPS/GNSS Koordinaten miteinander verbunden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Positionsbestimmung genutzt werden, wenn der vorbestimmte Fahrweg in seiner gesamten Länge oder auch nur entlang einer oder mehrerer Teilstrecken befahren wird. Das im Folgenden gebildete Positionsmessverfahren kann zusammen mit dem Geschwindigkeitsmessverfahren gleichzeitig betrieben werden oder auch für sich allein genutzt werden. So kann in einem Schritt e) ein aktuelles Phasenverlaufsprofil eines oder mehrerer der Messaufnehmer erstellt werden. Danach kann das erstellte aktuelle Phasenverlaufsprofil mit dem Referenzphasenverlaufsprofil verglichen werden (Schritt f)), dabei die vorgenannten Referenzmesspunkte identifiziert werden und daraus eine aktuelle Position des Fahrzeugs auf dem vorbestimmten Fahrweg bestimmt werden. Die Sensorplattform mit den Messaufnehmern ist fest mit einem beweglichen Transportsystem verbunden. Der Fahrweg hat den Untergrund mit den Merkmalspunkten, auf dem sich das Fahrzeug oder auch Transportsystem entlang bewegt. Die Anzahl und Verteilung der Merkmalspunkte wächst dabei mit der Länge des befahrenen Fahrwegs bzw. einer vorbestimmten Trajektorie an. Durch die ortsfesten Merkmalspunkte lässt sich das Fahrzeug auf dem Fahrweg exakt lokalisieren. Dabei muss der tatsächlich befahrene Fahrweg nicht die gleiche Länge wie der vorbestimmte (Referenz-)Fahrweg haben; es können auch Teilstrecken befahren werden. Durch das Verfahren kann ermöglicht werden, eine aktuelle Position eines Fahrzeugs über eine aktuelle Messung innerhalb der Referenzsignatur wiederzufinden und die Position zu bestimmen. Jeder Merkmalspunkt bzw. Messpunkt wird nur einmal pro Überfahrt gemessen. Dadurch bekommt jede befahrene (Teil-)Strecke eine individuelle Signatur und es entsteht keine Periodizität in den gemessenen Signalen. Liegt eine Kartierung der befahrenen Wegstrecke bereits vor, kann die Geschwindigkeit und die Position mit einem einzelnen Messaufnehmer bestimmt werden. Ein einzelnes erfasstes Phasenverlaufsprofil eines einzelnen Messaufnehmers kann mit einem Referenzphasenverlaufsprofil bspw. desselben Messaufnehmers dann verglichen werden. Anhand der zuvor festgelegten Messpunkte (Extrema der Kurve) kann eine Position des Messaufnehmers zu einer bestimmten Zeit festgelegt werden. Daraus kann auf einen zeitlichen Versatz zu dem Referenzphasenprofil geschlossen werden und die Geschwindigkeit anhand des einzelnen Messaufnehmers berechnet werden.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Geschwindigkeitsmessanordnung zum Messen der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs, das entlang eines vorbestimmten Fahrwegs auf einem Untergrund verfahren werden kann. Die Anordnung weist zwei oder mehr induktive Messaufnehmer auf, die auf einer Sensorplattform angeordnet sind. Die Sensorplattform ist zum Erfassen der Bewegung des Fahrzeugs am Fahrzeug selbst befestigt und mit einer Steuereinheit und einer Datenverarbeitungseinheit operativ gekoppelt. Erfindungsgemäß sind die induktiven Messaufnehmer in einem vorbestimmen Abstand zueinander längs einer Bewegungsachse des Fahrzeugs angeordnet und weisen während einer Messung zu dem Untergrund, der ferromagnetische Abschnitte entlang des Fahrwegs aufweist.
Die Messaufnehmer weisen während einer Messung zu dem Untergrund, auf dem das Fahrzeug fährt, wozu sie nach unten gerichtet, also zu einem Boden gerichtet, sind. Diese Anordnung liegt vor, wenn die Messaufnehmer in der Nutzung ihrer Funktion während des Betriebes zur Messung der Geschwindigkeit bspw. während einer Fahrt des Fahrzeugs genutzt werden. So wird insgesamt ein Messsystem gebildet, das neben dem Fahrzeug eine Messvorrichtung, gebildet aus den Messaufnehmern und der damit verbundenen Elektronik, und den Untergrund des vorbestimmten Fahrwegs umfasst.
Die induktiven Messaufnehmer weisen Spulen auf, die in einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Messaufnehmer längs der Bewegungsachse des Fahrzeugs in einem Bereich von 0,3 m bis 1,5 m, bevorzugt von 0,6 m zueinander beabstandet sein. Alternativ sind auch größere Abstände möglich – so kann der Abstand zwischen den Messaufnehmern auch mehrere Meter betragen; gemessen wird stets der zeitliche Versatz zwischen den Phasenverlaufsprofilen. In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Abstand zwischen den Messaufnehmern so gewählt werden, dass er nicht den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schwellenbefestigungen überschreitet. In einer alternativen Ausführungsform kann der Abstand zwischen den Messaufnehmern auch weiter gewählt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Sensorplattform bzw. explizit die Messaufnehmer zu dem Untergrund in einem Bereich von 5 cm bis 15 cm, bevorzugt von 10 cm beabstandet sein. Es sind auch längere Abstände möglich, wobei ein Einfluss der ferromagnetischen Anomalien in den Spulen der Messaufnehmer detektierbar sein muss. Die weiteren Komponenten können auch weiter weg von dem Untergrund, z. B. einer Schiene, angeordnet sein.
Die Erfindung kann ferner vorsehen, dass die Sensorplattform an einem Unterboden, einer Achse oder einem Radstand des Fahrzeugs angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist die Sensorplattform am Fahrzeug fest angeordnet und wird mit diesem bewegt.
Zu der Messvorrichtung bestehend aus den Messaufnehmern und der Sensorplattform gehören auch die Steuereinheit, ihre Komponenten, wie bspw. ein Signal-Board bzw. ein Logik-Board sowie die Datenverarbeitungseinheit. Diese elektronischen Komponenten können einzeln oder in Kombination vorliegen. In einer Ausführungsform kann das Signal-Board den Anschluss der Spulen übernehmen und die Ansteuerung sowie einen Teil der Auswertung (so die Differenz zwischen den jeweils gemessenen Signalen der Messaufnehmer) übernehmen. Diese Komponenten können in platzsparender Weise ebenfalls auf der Sensorplattform angeordnet sein oder auch an einer separaten Stelle im Fahrzeug. Die Messvorrichtung kann so kompakt aufgebaut sein.
Bevorzugt kann in der Erfindung vorgesehen sein, dass zur Verwendung der Geschwindigkeitsmessanordnung diese das Geschwindigkeitsmessverfahren wie vorbeschrieben ausführt bzw. dazu ausgebildet ist. Hierdurch kann einfach und schnell eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs erfasst werden.
Die Einsatzmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung sind u. a. für die Geschwindigkeitsbestimmung in Schienenfahrzeugen, schienengeführte Anlagen in Fabriken (z.B. Regalbediengeräte) oder auch Positionierungs- und Spurverfolgungssysteme für Straßenfahrzeuge, wobei das witterungsunabhängige, verschleiß- und schlupffreie Messprinzip für eine Anwendung im Bahnbetrieb besonders geeignet ist. So lassen sich im Bahnbetrieb neben der Geschwindigkeit, Richtung und Position auch Veränderungen bzw. Anomalien an der Schiene erfassen. Durch die Positionsbestimmung kann auch ein falsch befahrener Streckenabschnitt erfasst werden. Veränderungen im Material oder Unregelmäßigkeiten können direkt im laufenden Betrieb gemessen und protokolliert werden, da die ferromagnetischen Anomalien direkt abgebildet werden. Bei der Auswertung kann gegen eine Referenzmessung verglichen werden, um so Störungen entlang des Fahrwegs (der Schiene) zu lokalisieren.
In einer weiteren Ausführungsform kann auf eine Datenbank zurückgegriffen werden, in der charakteristische Signalverläufe bzw. Phasenverlaufsprofile von Anomalien hinterlegt sind. Eine aktuelle Messung kann dann mit der Referenzdatenbank verglichen werden und auftretende Anomalien bestimmt bzw. kontrolliert werden. Gibt es Übereinstimmungen, kann eine Warnung ausgegeben werden, wodurch sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahren auch Störungen oder Veränderungen an der Schiene frühzeitig erkennen lassen, um bspw. Instandsetzungsarbeiten frühzeitig einzuleiten. Dies kann zu einer Verringerung der Zugausfälle durch unplanmäßige Reparaturen am Schienennetz führen. Dabei beschränkt sich die Detektion von Anomalien nicht nur auf Schienen. Das Messverfahren lässt sich ebenfalls anwenden, wenn Anomalien von ferromagnetischen Trägern, Profilen, Rohren, Folien, Bändern oder Seilen, die ferromagnetische Abschnitte bzw. Anteile aufweisen, untersucht werden sollen.
Weitere Anwendungsgebiete sind Liftanlagen, Schachtförderanlagen und Seilbahnen. So erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren neben der Messung der Geschwindigkeit, auch die Messung von Position und Veränderungen am Bauteil, bspw. durch Materialermüdung oder -abnutzung. Ferner kann anhand von ferromagnetischen Strukturen in Hochregalen z. B. ein Regalbediengerät in die Lage versetzt werden, sich in einem Hochregallager selbstständig zu positionieren. Die Anlage kann auf zusätzliche Sensorik (bspw. Lichtschranken oder Endtaster) verzichten. Auch in Fabriken kann das erfindungsgemäße Verfahren für Förderbänder, ferromagnetische Flüssigkeiten oder auch als Positions- und Geschwindigkeitsgeber für linear geführte Verfahrsysteme in der Robotik eingesetzt werden. Zu letzterem zählen insbesondere Industrieroboter, Bestückungsautomaten in der Leiterplattenfertigung bzw. Montageroboter in der Automobilindustrie.
Weitere Ausführungsformen sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen:
1 ein Schema einer erfindungsgemäßen Geschwindigkeitsmessanordnung,
2 eine weitere schematische Ansicht der Geschwindigkeitsmessanordnung,
3 ein Blockschaltbild zur Funktionsweise eines Messaufnehmers,
4 ein Diagramm mit beispielhaften Phasenverlaufskurven der Messaufnehmer, und
5 ein weiteres Diagramm mit beispielhaften Phasenverlaufskurven.
In 1 und 2 weist eine Geschwindigkeitsmessanordnung 1 ein Fahrzeug 11, bspw. ein Schienenfahrzeug, und eine Sensorplattform 2 auf, wobei das Fahrzeug 11 auf einem Untergrund 8 verfahren werden kann. Die Sensorplattform 2 ist an einer Unterseite des Fahrzeugs 11 angeordnet und weist zwei Messaufnehmer 3, 4 auf, die in einem vorbestimmten Abstand L, hier L = 60 cm angeordnet sind. Die Sensorplattform 2 ist stets auf das Fahrzeug 11 bezogen und somit zu dem Objekt, dessen Geschwindigkeit gemessen werden soll, ortsfest.
Die Messaufnehmer 3, 4 weisen zu dem Untergrund 8; der nach 1 und 2 eine Schiene ist. Die Messaufnehmer 3, 4 sind induktive Sensoren und weisen dazu Spulen auf, die zu dem Untergrund 8 weisen und in einem Abstand D von ca. D = 10 cm beabstandet angeordnet sind. Die Sensorplattform 2 weist neben den Messaufnehmern 3, 4 weitere elektronische Komponenten, wie ein Signal-Board 5 als Steuereinheit und einen Mikrocontroller 6 mit integriertem Gate-Array zur logischen Signalauswertung auf. Der Mikrocontroller 6 ist mit einer Datenverarbeitungseinheit 7 zur weiteren Signalverarbeitung operativ verbunden. Elektrisch verbunden sind die einzelnen Komponenten durch elektrische Leitungen 10. Die elektrischen Komponenten sind dabei alle auf der Sensorplattform installiert, können aber auch in separaten Gehäusen untergebracht sein.
Die Funktionsweise der Messaufnehmer 3, 4 zur Messung der Phase bezieht sich auf die Phasenverschiebung zwischen Strom I und Spannung U. Über den Mikrocontroller 6 sowie das Signal-Board 5 wird jeder Messaufnehmer 3, 4 bzw. dessen Spule gesteuert, wie 3 zeigt. An die Spule jedes Messaufnehmers 3, 4 wird ein digitales Signal, eine Rechteckspannung A als Eingangssignal angelegt, hier 0 bis 3.3 V bei einer Speisefrequenz f = 30 kHz und einem Tastverhältnis von 50:50. Mit diesem Signal A wird der Messaufnehmer 3 direkt betrieben. Das Signal A gelangt von dem Signal-Board 5 über einen Trenntransformator an die Spule des Messaufnehmers 3. Hiernach wird der Stromfluss durch die Spule als Ausgangssignal B ausgegeben. Das Ausgangssignal B am Komparator des Signal-Boards 5 zeigt dann den Verlauf des Stromes I in dem Messaufnehmer 3 an, wobei das Ausgangssignal B aufgrund einer Phasenverschiebung, die durch ferromagnetische Einflüsse bzw. Änderungen initiiert wird, zu dem Eingangssignal A versetzt sein kann.
Aus diesem Versatz des Eingangssignal A und dem durch die Spule verursachten Phasenverschiebung B erhält man durch eine logische Verknüpfung der Signale A und B – NICHT(A) & B – mittels eines mit dem Signal-Board 5 verknüpften Logik-Boards 5a ein Signal C, das der Phasenverschiebung entspricht, die später ausgewertet wird. Ein Abstand zwischen einer steigenden und einer fallenden Flanke des Signals C gibt den zeitlichen Versatz zwischen Strom und Spannung an. Die Breite der einzelnen dieses zeitlichen Versatzes wird dann mithilfe einer präzisen Zeitmessung bestimmt. Diese Breite ist dann die erfasste Phasenverschiebung, die der weiteren Auswertung zugrunde gelegt wird.
Das Messprinzip ist damit wie folgt: Durch das Anlegen einer Wechselspannung/Rechteckspannung entsteht an einer Spule ein Magnetfeld, dessen Polarität sich periodisch mit der Zeit auf und abbaut, d. h. Änderungen erfährt.. Dabei durchdringt das Magnetfeld u. a. ferromagnetische Materialien, die sich in der Umgebung (bspw. im Untergrund des Fahrwegs) der Spule befinden, wodurch sich die Permeabilität der Spule jedes Messaufnehmers 3, 4 verändert. Dies führt wiederum zu einer Änderung der Spuleninduktivität L bzw. eine Verschiebung eines Phasenwinkels. Das Messprinzip der Messaufnehmer 3, 4 beruht auf der präzisen Messung des Phasenwinkels tan(φ) zwischen der angelegten Spannung U und der Stromstärke I an einer Spule. Mit dem Serienwiderstand R_s und der Induktivität L_Spule kann mittels
der Phasenwinkel einer realen Spule bestimmt werden. Die Induktivität der Spule jedes Messaufnehmers 3, 4 hängt dabei von der Querschnittsfläche A, der Windungszahl N, der Spulenlänge l, der magnetische Feldkonstante μ₀ und der Permeabilitätszahl μ_r ab:
Damit wird die Phasenverschiebung, die durch ferromagnetische Materialien in der Umgebung der Messaufnehmer 3, 4 entlang des befahrenen Fahrwegs hervorgerufen wird, direkt erfasst und muss nicht über ein Korrelationsverfahren erst bestimmt werden. Werden nun zwei der Messaufnehmer 3, 4 in dem zuvor festgelegten Abstand L zueinander aufgebaut und der Verlauf der jeweiligen Phasen über der Zeit t aufgetragen, erhält man die Phasenverläufe der beiden Messaufnehmer (4) in Form von Phasenverlaufsprofilen für jeden Messaufnehmer 3, 4.
4 und 5 zeigen jeweils ein Phasenverlaufsdiagramm, wobei auf der Abzisse die Zeit t und der Ordinate der Phasenverlauf φ aufgetragen ist. Die Phasenverlaufsprofile sind dabei zur leichteren Handhabung normiert (hier Wert eins) und sind ohne den konstanten Anteil der Grundphase der Spule aufgezeichnet. Für eine Geschwindigkeitsschätzung werden zwei Phasenverlaufsprofile der beiden Messaufnehmer 3, 4 aufgenommen (oben das Profil des Messaufnehmers 3, unten das des zweiten Messaufnehmers 4), während sich die Sensorplattform 2 mit dem Fahrzeug 11 entlang des vorbestimmten Fahrweg bewegt. Bis auf konstruktionsbedingte Unterschiede, innerhalb des Toleranzbereiches der Spulen, besitzen die beiden Phasenverlaufsprofile nur einen zeitlichen Versatz ∆T, der in 4 und 5 angedeutet ist. Aus diesen Profilen sind ferromagnetische Anomalien als Maxima oder Minima erkennbar.
Mittels eines geeigneten Korrelationsverfahrens lässt sich im Besten Fall ein ausgeprägtes Extrema bestimmen, das ein Maß für die Ähnlichkeit/Deckungsgleichheit der beiden Profile bzw. Messkurven ist. Die in 4 und 5 gezeigten Kurven stellen die noch unkorrelierten Sensorsignale, dar. Durch eine Korrelation der beiden Phasenverläufe, kann der zeitliche Versatz ∆T ermittelt werden. Das korrelierte Signal kann aus zwei Messsignalen entstehen. Die Lage des Maximums gibt den Versatz ∆T an.
In einem weiteren Verfahren, so wie nachfolgend beschrieben, auch die Extrema in den beiden Sensorsignalen (siehe 4 5) nutzen, um ∆T ohne Korrelation zu berechnen. Diese können als Maximum, Minimum oder Steigungsänderung in einer Flanke detektiert werden und geben Aufschluss über die Ähnlichkeit der beiden Signale. An diesen Extrempunkten können dann Messpunkte gesetzt werden, an deren Position dann der zeitliche Versatz ∆T zwischen zwei Profilverlaufskurven bzw. -profile ermittelt wird. In 5 sind an drei Extremstellen jeweils drei Zeitversätze ∆T1, ∆T2 und ∆T3 eingezeichnet. Diese Zeitversätze können durch einfaches Differenzieren der Lage der Messpunkte, d. h. der Maxima ermittelt und gespeichert werden.
Mit dem aus den vorgenannten Vergleichen bzw. Korrelationen ermittelte zeitliche Versatz ∆T und dem bekannten Abstand L der Spulen zueinander lässt sich folglich die Geschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmen: v = L / ΔT
Zur Ermittlung der Position des Fahrzeugs lässt sich das gemessene Phasenverlaufsprofil ferner mit einem zuvor aufgenommenen Phasenverlaufsprofil, das als Referenz dienen kann, vergleichen. Anhand des zuvor aufgenommenen Phasenverlaufsprofil und dem aktuellen Phasenverlaufsprofil lässt sich die Position auf der bereits befahrenen Teilstrecke des gesamten bekannten Fahrwegs bestimmen.
Bezugszeichenliste

1: Messanordnung
2: Sensorplattform
3: Messaufnehmer
4: Messaufnehmer
5: Signal-Board
5a: Logik-Board
6: Mikrocontroller
7: Datenverarbeitungseinheit
8: Untergrund
9: ferromagnetischer Abschnitt
10: elektrische Signal- bzw. Datenleitung
11: Fahrzeug
L: Abstand Messaufnehmer zueinander
D: Abstand Sensorplattform zu Untergrund
A, B, C: Signale

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 20070112934 [0002]
WO 2001066401 A9 [0002]
WO 2004/034065 A1 [0003]

Claims

Geschwindigkeitsmessverfahren für ein Fahrzeug (11), das entlang eines vorbestimmten Fahrwegs verfahrbar ist, mit zumindest zwei induktiven Messaufnehmern (3, 4), die auf einer Sensorplattform (2) in einem vorbestimmen Abstand (L) zueinander längs einer Bewegungsachse des Fahrzeugs (11) angeordnet sind und die zu einem Untergrund (8) des Fahrwegs weisen, wobei die Sensorplattform (2) zum Erfassen einer Bewegung des Fahrzeugs (11) an dem Fahrzeug (11) befestigt ist und mit einer Steuereinheit (5, 6) und einer Datenverarbeitungseinheit (7) operativ gekoppelt ist, umfassend die Schritte a) während der Bewegung längs der Bewegungsachse des Fahrzeugs (11) entlang des vorbestimmten Fahrwegs mit den beiden induktiven Messaufnehmern (3, 4) Erfassen einer Phasenverschiebung, die in jedem Messaufnehmer (3, 4) an ferromagnetischen Abschnitten (9) des Untergrunds (8) verursacht wird, b) Senden der erfassten Phasenverschiebungswerte an die Datenverarbeitungseinheit (7), c) mit der Datenverarbeitungseinheit (7) aus den Phasenverschiebungswerten Berechnen einer aktuellen Geschwindigkeit (v) des Fahrzeugs (11).
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend die Schritte c‘) mit der Datenverarbeitungseinheit (7) – Erstellen eines zeitabhängigen Phasenverlaufsprofils für jeden Messaufnehmer (3, 4) aus den erfassten Phasenverschiebungswerten; – Bestimmen einer Vielzahl an Messpunkten aus dem zeitabhängigen Phasenverlaufsprofil jedes Messaufnehmers (3, 4), wobei jeder Messpunkt einem ferromagnetischen Abschnitt (9) des Untergrunds (8) entspricht; – Korrelieren der erfassten Phasenverlaufsprofile der Messaufnehmer (3, 4) an den bestimmten Messpunkten und daraus Bestimmen eines Zeitabstands (∆T) zwischen den Phasenverlaufsprofilen der Messaufnehmer (3, 4); – aus dem Zeitabstand (∆T) und dem Abstand (L) der Messaufnehmer (3, 4) zueinander Errechnen der aktuellen Geschwindigkeit (v) des Fahrzeugs (11).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ferromagnetischen Abschnitte (9) in regelmäßigen und/oder unregelmäßigen Abständen entlang des Fahrwegs vorliegen und aus der Gruppe umfassend ferromagnetische Anomalien des Untergrunds (8), insbesondere eines Schienenmateriales, Schweißstellen zwischen Schienenteilstücken, Schwellenbefestigungen, Weichen, Radlenker, Herzstück einer Weiche oder Eisenarmierungen ausgewählt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in Schritt a) zum Erfassen der Phasenverschiebung an jeden induktiven Messaufnehmer (3, 4) eine vorbestimmte Spannung angelegt wird und eine resultierende Stromstärke gemessen wird, wobei der zeitliche Versatz zwischen angelegter Spannung (U) und gemessener Stromstärke (I) ein Phasenwinkel ist und daraus die Phasenverschiebung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in Schritt a) die Steuereinheit (5, 6) jeden Messaufnehmer (3, 4) mit einem digitalen Spannungssignal, bevorzugt einem Rechtecksignal, ansteuert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend den Schritt d) aus zumindest einem Phasenverlaufsprofil einer ersten Fahrt des Fahrzeugs (11) entlang eines vorbestimmten Fahrwegs Bestimmen einer Vielzahl Referenzmesspunkte und daraus Erstellen eines Referenzphasenverlaufsprofils für den vorbestimmten Fahrweg des Fahrzeugs (11).
Verfahren nach Anspruch 6, umfassend die Schritte bei einem zumindest teilstreckenweisen Befahren des vorbestimmten Fahrwegs e) Erstellen eines aktuellen Phasenverlaufsprofils zumindest eines der Messaufnehmer (3, 4), und f) Vergleichen des erstellten aktuellen Phasenverlaufsprofils mit dem Referenzphasenverlaufsprofil, dabei Identifizieren der Referenzmesspunkte und daraus Bestimmen einer aktuellen Position des Fahrzeugs (11) auf dem vorbestimmten Fahrweg.
Geschwindigkeitsmessanordnung (1) zum Messen einer Geschwindigkeit eines Fahrzeugs (11), das entlang eines vorbestimmten Fahrwegs auf einem Untergrund (8) verfahrbar ist, mit zumindest zwei induktiven Messaufnehmern (3, 4), die auf einer Sensorplattform (2) angeordnet sind, die zum Erfassen einer Bewegung des Fahrzeugs (11) an dem Fahrzeug (11) befestigt ist und mit einer Steuereinheit (5, 6) und einer Datenverarbeitungseinheit (7) operativ gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die induktiven Messaufnehmer (3, 4) in einem vorbestimmen Abstand (L) zueinander längs einer Bewegungsachse des Fahrzeugs (11) angeordnet sind und während einer Messung zu dem Untergrund (8) weisen, der ferromagnetische Abschnitte (9) entlang des Fahrwegs aufweist.
Geschwindigkeitsmessanordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messaufnehmer (3, 4) längs der Bewegungsachse des Fahrzeugs (11) in einem Bereich von 0,3 m bis 1,5 m, bevorzugt von 0,6 m zueinander beabstandet sind.
Geschwindigkeitsmessanordnung (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplattform (2) zu dem Untergrund (8) in einem Bereich von 5 cm bis 15 cm, bevorzugt von 10 cm beabstandet ist.
Geschwindigkeitsmessanordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplattform (2) an einem Unterboden, Drehgestell, einer Achse oder einem Radstand des Fahrzeugs (11) angeordnet ist.
Verwendung einer Geschwindigkeitsmessanordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitsmessanordnung (1) das Geschwindigkeitsmessverfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt.