DE19729981A1 - Verfahren zur Bestimmung der zurückgelegten Wegstrecke und der Geschwindigkeit von Körpern sowie Vorrichtung hierfür - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der zurückgelegten Wegstrecke und der Geschwindigkeit von Körpern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung hierfür nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

Zur Lösung der Aufgabe, die von einem sich bewegenden Körper zurückgelegte Wegstrecke zu messen, sind eine Vielzahl unterschiedlicher Lösungsansätze entwickelt worden. Einer dieser Lösungsansätze besteht darin, entlang des vom Körper zurückgelegten Weges Markierungen anzubringen, die von einem auf dem Körper befestigten Sensor registriert werden. Wenn diese Markierungen in gleichen Abständen zueinander angeordnet sind, so läßt sich, sofern dieser Abstand bekannt ist, durch einfaches Zählen der Markierungen die zurückgelegte Wegstrecke bestimmen.

Aus der DE-A1-32 00 811 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Standortes eines spurgeführten Fahrzeugs bekannt, bei dem nicht nur ein, sondern wenigstens zwei Leseeinrichtungen, die in Fahrtrichtung hintereinander auf dem Fahrzeug befestigt sind, an der Strecke angebrachte Markierungen registrieren. Das Verfahren soll insbesondere zur hochgenauen Standortbestimmung bei Rangier- und Verladevorgängen einsetzbar sein. Daher müssen die Markierungen sehr eng beieinander liegen und sind deswegen vorzugsweise als Löcher oder Zähne in einer am Gleiskörper zu befestigenden Schiene ausgeführt. Wegen des hohes Aufwandes zum Anbringen der Markierungen ist dieses Verfahren nicht zur Anwendung im gesamten Streckennetz geeignet.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der zurückgelegten Wegstrecke und/oder der Geschwindigkeit von Körpern anzugeben, welches auf der Registrierung von entlang der Wegstrecke angeordneten Markierungen beruht. Das Verfahren soll es ermöglichen, auch dann die zurückgelegte Wegstrecke genau zu bestimmen, wenn die Markierungen nur mit geringer Genauigkeit entlang der Wegstrecke angeordnet sind. Als Markierungen sollen somit auch Gegenstände verwendbar sein, die bereits entlang der Wegstrecke in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen vorhanden sind.

Die diese Aufgabe lösende Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Durch Auswertung der zeitlichen Abfolge der von wenigstens zwei Sensoren gelieferten Registrierergebnisse wird ein Näherungswert für den Abstand jeweils zweier Markierungen berechnet. Die bloße Zählung von Registrierergebnisse ist damit durch eine Abstandsmessung ersetzt. Dies erlaubt es, auch Anordnungen von Markierungen zu verwenden, deren Abstand untereinander nicht konstant ist. Ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel ist die Wegstreckenmessung von Zügen. Hier können als Markierungen die ohnehin bereits vorhandenen Schwellen oder Schienenbefestigungen verwendet werden. Da der Abstand der Schwellen voneinander auf ein und derselben Strecke, besonders aber zwischen verschiedenen Strecken recht unterschiedlich ist, ist eine nur auf Zählung von Schwellenregistrierungen beruhende Messung zu ungenau. Vorteilhaft anwendbar ist das erfindungsgemäße Verfahren ferner im Binnenschiffahrtsverkehr. Dort können am Ufer angebrachte Markierungen von mit Sensoren ausgestatteten Schiffen registriert und mit Hilfe des erfindungsgemäßen Auswertungsverfahrens ausreichend genaue Angaben zum zurückgelegten Weg gemacht werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele und der Zeichnungen eingehend erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Weg-Zeit-Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1,

Fig. 2 ein Schienenfahrzeug F in vereinfachter seitlicher Darstellung,

Fig. 3 vereinfachte Darstellung eines Sensors nach Anspruch 9 zum Registrieren von Schienenbefestigungen,

Fig. 4 vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt ein Weg-Zeit-Diagramm, anhand dessen nachfolgend erläutert wird, wie mit Hilfe von zwei Sensoren S1 und S2 der Abstand zwischen zwei Markierungen ermittelt wird. Zur Zeit t = 0 werde ein Bremsvorgang eingeleitet, der den Körper auf einer annähernd parabelförmigen Bremskurve zum Stehen bringt. Der Abstand der beiden Sensoren voneinander in Bewegungsrichtung beträgt L₀. Zur Zeit t₁ überfährt der in Bewegungsrichtung vorne liegende Sensor S1 die Markierung M1. Dieser Zeitpunkt wird registriert und gespeichert. Zur Zeit t₂ überfährt derselbe Sensor die darauffolgende Markierung M2, was ebenfalls registriert und gespeichert wird. Kurz darauf, zur Zeit t₃, überfährt der zweite Sensor S2 die erste Markierung M1. Die Zeitspanne, die zwischen dem Passieren der Markierung M1 durch den ersten und den zweiten Sensor vergangen ist, beträgt somit A₁ = t₃-t₁. Während dieser Zeitspanne Δ₁ hat sich der Körper um den Abstand der beiden Sensoren L₀ vorwärts bewegt. Die mittlere Geschwindigkeit v_m beträgt daher in diesem Intervall v_m = L₀/Δ₁.

Der erste Sensor S1 benötigt zum Zurücklegen des Weges zwischen den beiden Markierungen M1 und M2 die Zeitspanne Δ₂ = t₂-t₁. Mit diesem Wert und der mittleren Geschwindigkeit v_m kann nun ein Näherungswert d_sa für den Abstand d_s zwischen den beiden Markierungen M1 und M2 berechnet werden. Es gilt:

d_s ≈ d_sa = v_m.Δ₂.

Wie man in Fig. 1 erkennen kann, stimmt der Näherungswert d_sa für den Abstand der Markierungen mit dem tatsächlichen Wert d_s um so besser überein, je mehr sich die Weg-Zeit-Kurve im betrachteten Intervall einer Geraden annähert, d. h. je geringer die (Brems-)Beschleunigung des Körpers ist. Um auch im Falle großer (Brems-)Beschleunigungen genaue Werte zu erhalten, wird gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Geschwindigkeit im Intervall zwischen t₁ und t₃ nicht durch eine Gerade, sondern durch eine Kurve angenähert. Eine solche Kurve kann mit Hilfe bekannter Interpolationsfunktionen berechnet werden, da die Geschwindigkeiten für zurückliegende Zeitintervalle bekannt sind und der Bewegungszustand des Körpers sich i. a. nicht beliebig abrupt ändern kann. Gegebenenfalls können bei dieser nichtlinearen Näherung die dynamischen Eigenschaften des Körpers, z. B. Gewicht, Antriebsleistung oder Reibbeiwert, berücksichtigt werden.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel passiert der erste Sensor S1 die zweite Markierung M2, bevor der zweite Sensor S2 die erste Markierung M1 überstreicht. Der Abstand der Sensoren L₀ ist hier also größer als der Abstand der Markierungen. Ebenso ist natürlich der umgekehrte Fall möglich. Es ist dann lediglich die zeitliche Abfolge der Zeiten t₂ und t₃ vertauscht; die Berechnung des Näherungswertes für den Abstand der Markierungen d bleibt davon unberührt.

Das soeben geschilderte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt es somit, auch bei wechselnden Abständen zwischen den einzelnen Markierungen die zurückgelegte Wegstrecke und damit die Geschwindigkeit zuverlässig und genau zu bestimmen. Die Verwendung eines zweiten Sensors hat überdies den Vorteil, daß die von den beiden Sensoren gelieferten Signale korreliert werden können. Dadurch wirken sich unterschiedliche Signalformen, wie sie etwa durch Ausführungen von Markierungen herrühren können, nur wenig auf die Meßgenauigkeit aus.

Ferner läßt sich der Zeitpunkt, in dem eine Markierung registriert wird, wesentlich genauer bestimmen als dies bei der Verwendung nur eines Sensors der Fall wäre.

Ein anderes Ausführungsbeispiel sieht vor, das eine Paar von Sensoren durch ein zweites Paar zu ergänzen. Beide Paare messen dann unabhängig voneinander die Abstände zwischen den Markierungen. Auf diese Weise läßt sich die Zuverlässigkeit der Messungen erhöhen. Je nach Beschaffenheit der Markierungen kann es beispielsweise vorkommen, daß Teile der Markierungen verdeckt oder unvollständig sind. Bei entsprechender Anordnung der beiden Paare kann dann gegebenenfalls ein Paar die Markierungen noch registrieren, während das andere Paar keine Messung mehr vornehmen kann.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich bei dem Körper um ein Schienenfahrzeug oder um einen Verbund mehrerer Schienenfahrzeuge. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es nun, Schwellen oder Schienenbefestigungen als Markierungen zu verwenden. Eine bloße Zählung von Schwellen oder Schwellenbefestigungen, etwa nach dem eingangs genannten bekannten Verfahren, wäre zu ungenau, da die Schwellenabstände zwischen ca. 55 und 80 cm variieren. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann hingegen eine sehr genaue Wegstrecken und Geschwindigkeitsmessung für Schienenfahrzeuge durchgeführt werden, ohne daß entlang des gesamten Schienennetzes Markierungen installiert werden müßten.

Fig. 2 zeigt in einer vereinfachten seitlichen Darstellung ein Schienenfahrzeug F auf einem Gleis GL. Das Gleis GL besteht aus Schienen SCH, Schwellen SL und Schienenbefestigungen SB, die die Schienen SCH mit den Schwellen SL verbinden. Das Fahrzeug F ist mit wenigstens zwei im Abstand L₀ angeordneten Sensoren S1 und S2 ausgestattet, welche so an der Fahrzeugunterseite am Drehgestell DG befestigt ist, daß sie während der Fahrt in geringem Abstand die Schwellen oder die Schienenbefestigungen überstreichen. Die Sensoren umfassen Mittel, mit denen ein Überfahren der Schwellen SL oder der Schienenbefestigungen SB registriert werden kann.

Die Sensoren S1 und S2 selbst können, je nachdem, ob Schwellen oder Schienenbefestigungen registriert werden sollen, in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. Mit Sensoren, die ein von einem Sender ausgestrahltes Ultraschallsignal empfangen und auswerten, kann beispielsweise die im Vergleich zum Schotterbett glatte Oberfläche von Schwellen registriert werden. Bei Schnee, dicken Schmutzschichten oder auch bei festen Oberbau-Formen, bei denen die Schienen nicht auf einem Schotterbett, sondern auf einem Betonkörper befestigt sind, versagt allerdings diese Art von Registrierung. Daher wird es im allgemeinen vorzuziehen sein, die Schienenbefestigungen und nicht die Schwellen als Markierungen für die Wegmessung zu verwenden. Schienenbefestigungen sind auch beim festen Oberbau vorhanden und haben gegenüber Schwellen den Vorteil, grundsätzlich aus Metall zu bestehen. Damit können Schienenbefestigungen auch bei einer darüberliegenden Schnee- oder Schmutzschicht mit Hilfe elektromagnetischer Felder zuverlässig registriert werden.

Ein Ausführungsbeispiel für einen Sensor zum Registrieren von Schienenbefestigungen zeigt Fig. 2. Der Sensor S ist im Prinzip genauso aufgebaut wie ein Achszähler, so daß an dieser Stelle auf eine eingehende Beschreibung verzichtet werden kann. Eine von einer Wechselspannungsquelle GEN versorgte Sendespule SS erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld, welches in einer in der Näher angeordneten Empfangsspule ES einen Wechselstrom induziert. Durch Einbringen eines metallischen Körpers, etwa einer Schienenbefestigung, in das von der Sendespule SS erzeugte Feld wird die induktive Kopplung zwischen Sende- und Empfangsspule verstärkt, so daß die Spannungsamplitude in der Empfangsspule steigt. Dieser Anstieg wird in einer Auswerteeinheit ausgewertet und bei Überschreiten einer Schwelle als Zählimpuls gewertet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Ausgangssignal der Empfängerspule ES zunächst in einem A/D-Wandler digitalisiert und anschließend in einer digitalen Recheneinheit AWE ausgewertet.

Fig. 3 zeigt in vereinfachter Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung VOR zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung VOR umfaßt in diesem Beispiel vier am Körper befestigte Sensoren S1 . . . S4, die ihre Zählimpulse an eine zentrale Recheneinheit CPU weitergeben.

Die zentrale Recheneinheit CPU erhält von einer Uhr U die Zeit und speichert jeden Zählimpuls zusammen mit der Zeit der Registrierung im Speicher MEM ab. Aus den gespeicherten Registrierzeiten und evtl. zusätzlichen Werten, etwa dem Abstand der Sensoren-Paare L₀, berechnet die zentrale Recheneinheit in der oben geschilderten Weise den zurückgelegten Weg und die Geschwindigkeit und gibt die berechneten Werte an den Ausgang OUT ab. Wenn, wie oben erläutert, das Verfahren mit Hilfe einer nichtlinearen Näherung durchgeführt wird, so werden im Speicher MEM auch zeitlich weiter zurückliegende Werte für die Geschwindigkeit des Körpers gespeichert und der zentralen Recheneinheit CPU zur Verfügung gestellt. Die zentrale Recheneinheit CPU kann beispielsweise als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) oder als frei programmierbarer Prozessor realisiert sein.

Claims (9)

1. Verfahren zur Bestimmung der zurückgelegten Wegstrecke und/oder der Geschwindigkeit von Körpern, bei dem wenigstens zwei am Körper befestigte Sensoren (S1, S2) unabhängig voneinander das Vorbeibewegen des Körpers an Markierungen (M1 . . . M3) registrieren, die entlang der Wegstrecke angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen jeweils zwei Markierungen ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem

• a) die Zeiten der Registriervorgänge für jeden Sensor in einem Speicher gespeichert werden
• b) und ein Rechner die zurückgelegte Wegstrecke und/oder Geschwindigkeit unter Verwendung der gespeicherten Zeiten und des Abstands L₀ berechnet, den zwei der Sensoren in Bewegungsrichtung zueinander haben.

3. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Abstand L₀ annähernd so groß ist wie der Abstand zwischen den Markierungen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Rechner bei der Berechnung der zurückgelegten Wegstrecke und/oder der Geschwindigkeit

• a) aus der Zeitspanne Δ₁, die vergeht zwischen der Registrierung einer ersten Markierung durch einen Sensor und der Registrierung derselben Markierung durch einen anderen Sensor, und aus dem Abstand L₀ zwischen dem einen Sensor und dem anderen Sensor eine mittlere Geschwindigkeit gemäß
  v_m = L₀/Δ₁ berechnet,
• b) und bei dem der Rechner aus der mittleren Geschwindigkeit v_m und aus der Zeitspanne Δ₂, die vergeht zwischen der Registrierung der ersten Markierung durch einen der beiden Sensoren und der Registrierung einer der ersten Markierung unmittelbar folgenden zweiten Markierung durch denselben Sensor, einen Näherungswert d_sa für den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Markierung gemäß d_sa = v_m.Δ₂ berechnet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Näherungswert d_sa für den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Markierung nicht mit Hilfe einer in linearer Näherung ermittelten Geschwindigkeit v_m, sondern mit Hilfe einer in nichtlinearer Näherung ermittelten Geschwindigkeit berechnet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem

• a) die Körper Schienenfahrzeuge (F) sind, die sich auf Schienenwegen bewegen (GL),
• b) die Markierungen Schwellen (SL) oder Schienenbefestigungen (SB) sind.

7. Vorrichtung (VOR in Fig. 4) zur Bestimmung der zurückgelegten Wegstrecke und/oder der Geschwindigkeit von Körpern, mit wenigstens zwei am Körper befestigte Sensoren (S1 . . . S4), deren Abstand in Fahrtrichtung L₀ beträgt und die Mittel haben zum Registrieren von entlang der Wegstrecke angeordneten Markierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner umfaßt

• a) eine Uhr (U) zur Messung der Zeit zwischen Registriervorgängen,
• b) einen Speicher (MEM) zum Abspeichern dieser Zeiten,
• c) einen Rechner (CPU), der die zurückgelegte Wegstrecke und/oder die Geschwindigkeit unter Verwendung der gespeicherten Zeiten und des Abstandes L₀ berechnet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei dem der Rechner bei der Berechnung der zurückgelegten Wegstrecke und/oder der Geschwindigkeit

• a) aus der Zeitspanne Δ₁, die vergeht zwischen der Registrierung einer ersten Markierung durch einen Sensor und der Registrierung derselben Markierung durch einen anderen Sensor, und aus dem Abstand L₀ zwischen dem einen Sensor und dem anderen Sensor eine mittlere Geschwindigkeit gemäß v_m = L₀/Δ₁ berechnet,
• b) und bei dem der Rechner aus der mittleren Geschwindigkeit v_m und aus der Zeitspanne Δ₂, die vergeht zwischen der Registrierung der ersten Markierung durch einen der beiden Sensoren und der Registrierung einer der ersten Markierung unmittelbar folgenden zweiten Markierung durch denselben Sensor, einen Näherungswert d_sa für den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Markierung gemäß d_sa = v_m.Δ₂ berechnet.

9. Sensor zum Registrieren von Schienenbefestigungen (SB), gekennzeichnet durch:

• a) Mittel zum Befestigen des Sensors an einem Schienenfahrzeug,
• b) erste Mittel (SS) zum Aussenden eines elektromagnetischen Wechselfeldes,
• c) zweite Mittel (ES) zum Empfangen des elektromagnetischen Wechselfeldes,
• d) eine Auswerteeinheit (AWE) zur Auswertung des von den zweiten Mitteln empfangenen elektromagnetischen Wechselfeldes.