EP3999396A1 - Système de conduite en autonomie d'un véhicule ferroviaire; véhicule ferroviaire et procédé associés - Google Patents

Système de conduite en autonomie d'un véhicule ferroviaire; véhicule ferroviaire et procédé associés

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Publication number
EP3999396A1
EP3999396A1 EP20737205.3A EP20737205A EP3999396A1 EP 3999396 A1 EP3999396 A1 EP 3999396A1 EP 20737205 A EP20737205 A EP 20737205A EP 3999396 A1 EP3999396 A1 EP 3999396A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rail vehicle
obstacle
vehicle
speed
surveillance zone
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20737205.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Mustapha BADI
Joan LE FOLL
Cyril Roussillon
Fabien BROSSEAU
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alstom Holdings SA
Original Assignee
Alstom Holdings SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Holdings SA filed Critical Alstom Holdings SA
Publication of EP3999396A1 publication Critical patent/EP3999396A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L23/00—Control, warning or like safety means along the route or between vehicles or trains
    • B61L23/04—Control, warning or like safety means along the route or between vehicles or trains for monitoring the mechanical state of the route
    • B61L23/041—Obstacle detection
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L15/00—Indicators provided on the vehicle or train for signalling purposes
    • B61L15/0072—On-board train data handling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L2210/00—Vehicle systems
    • B61L2210/02—Single autonomous vehicles

Definitions

  • TITLE Autonomous driving system of a railway vehicle; railway vehicle and associated method
  • the field of the invention is that of autonomous driving of a rail vehicle, and more particularly of a tram.
  • level "4" of this autonomy scale the desired level of autonomy is level "4" of this autonomy scale.
  • level "4" the operation of acceleration, braking and steering of the vehicle is managed automatically, the operation of monitoring the environment in which the vehicle is moving is managed automatically, and the reaction operation of the vehicle in the event of a problem (presence of an obstacle) is also managed by the vehicle.
  • Level "4" differs from the highest level, level "5", in that the driving of the vehicle in autonomy is limited to certain predefined road sections and not to all the roads on which the vehicle would be required to travel. vehicle.
  • level “0” of this autonomy scale corresponds to the case where all the preceding operations are carried out by the driver and level “1”, in the case where the on-board system offers simple assistance to the driver.
  • vehicle for acceleration, braking and steering operation Level “1” thus corresponds to driving assistance, commonly referred to as DAS for "Driver Assistance System”.
  • the aim of the invention is therefore to solve this problem.
  • the invention relates to an autonomous driving system for a rail vehicle traveling on a track, intended to be loaded on board said rail vehicle and interfaced with a control / command unit for the traction / braking means of the rail vehicle.
  • the autonomous driving system comprising:
  • an obstacle detection means suitable for detecting and locating an obstacle in an observation region around the rail vehicle
  • - a means of calculating the target speed specific: in filtering the or each obstacle detected in the observation region by retaining only the or each obstacle detected which is situated within a surveillance zone, and,
  • a speed regulation module suitable for generating, from the setpoint speed, a setpoint signal intended to be applied to the control / command unit of the traction / braking means of the rail vehicle,
  • the surveillance zone being centered laterally on the track and having a width which is a function of a transverse gauge of the rail vehicle.
  • the system thus delivers a setpoint speed to the speed regulation module controlling the traction / braking means of the tram.
  • Such a system is therefore based on the ability to detect obstacles in front of the tram along the track. Once the location of an obstacle has been determined, the system defines the reaction to be adopted, in particular whether to activate the brake system of the tram and in what proportion.
  • the autonomous driving system comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination:
  • the surveillance zone extends over a predefined length from the front of the rail vehicle
  • the surveillance zone is equal to the width of the transverse gauge of the rail vehicle (1) increased by a distance of between 20 cm and 40 cm;
  • a length of the surveillance zone depends on the instantaneous speed of the rail vehicle
  • the surveillance zone is subdivided longitudinally into a plurality of domains, each domain being associated with an action to be implemented in the event of an obstacle located in said domain; - the action associated with a domain is selected from: slowing down, braking and emergency braking; and,
  • the implementation of the action consists in weighting a reference speed, which is determined as a function of the current position of the rail vehicle and of a track plan, so as to obtain a reference speed suitable for the action to implement.
  • the subject of the invention is also a rail vehicle capable of being driven independently, incorporating an autonomous driving system in accordance with the previous system.
  • the subject of the invention is also a method for autonomous driving of the preceding vehicle, characterized in that it comprises the steps of: determining a current position of the rail vehicle; detect and locate an obstacle in an observation region around the rail vehicle; calculate a target speed by filtering the or each obstacle detected in the observation region by retaining only the or each obstacle detected which is located inside a monitoring zone, and by determining the target speed as a function the current position of the rail vehicle and the location of an obstacle located within the surveillance zone; and, regulating the speed by generating, from the setpoint speed, a setpoint signal intended to be applied to the control / command unit of the traction / braking means of the rail vehicle.
  • Figure 1 is a schematic representation of a tram equipped with an autonomous driving system according to the invention
  • FIG. 2 is a functional representation in the form of blocks of the autonomous driving system of FIG. 1;
  • FIGS. 3 to 5 schematically represent different areas to be monitored defined in front of the tramway as a function of the configuration of the track on which the tram in FIG. and,
  • Figure 6 is a schematic representation of an embodiment of the method according to the invention.
  • a railway vehicle is shown, in particular a tramway 1 traveling on a track 2.
  • the tramway 1 comprises a control chain for the traction / braking means of the tramway, which are represented schematically in FIG. 1 by a motor 3 and brakes 4.
  • the control chain comprises, in the cabin, a manipulator 6 allowing the generation of reference signals.
  • the manipulator 6 has a pivoting handle which, when moved forward, allows the driver to request traction force and, when pivoted rearward, allows the driver to request brake force.
  • the manipulator can be moved forward in a first position corresponding to an increase of + 50% in the tensile force, or a second position of + 15% in the tensile force. It can be moved back to a first position corresponding to a + 50% increase in braking effort, or a second position of + 15% in braking effort.
  • the setpoint signal generated by the manipulator 6 is applied to the input of a control / command unit 8 of the traction / braking means.
  • Unit 8 is able to control the traction / braking means by applying suitable control signals developed as a function of the setpoint signal received.
  • tramway 1 To be able to be driven independently according to level "4" of the scale commonly used for autonomous vehicle driving, tramway 1 is equipped with a self-driving system 10.
  • the system 10 is suitable for generating setpoint signals of the same type as those generated by the manipulator 6. In this way, the signals generated by the system 10 can be applied directly to the input of the control / command unit 8. replacing the setpoint signals generated by the manipulator 6.
  • system 10 uses the existing control channel of the unit 8 and the unit 8 is unchanged from the state of the art.
  • tramway 1 is advantageously equipped with a two-state switch 12, making it possible to apply a setpoint signal to the input of unit 8. from manipulator 6, i.e. a setpoint signal from system 10.
  • the state of the switch 12 is controlled by a switch 14 placed in the cabin.
  • Switch 14 is actuated by the driver, for example when tram 1 leaves a network service track to enter a network siding, siding on which independent operation is authorized.
  • the actuation of the switch 14 leads to the toggle of the switch 12.
  • System 10 has a hardware layer shown in Figure 1.
  • the system 10 comprises, as acquisition means, a plurality of sensors connected at the input of a computing unit 20.
  • the tram is equipped with an inertial unit 21 capable of determining instantaneous vector acceleration of the tram and, by time integration, an instantaneous first speed of the tram.
  • the system also uses tachometric means 22, making it possible to determine a second instantaneous speed of the tramway 1 and, by temporal integration from a reference point along the track, the distance traveled by the tramway from this reference point and consequently a second current position of the tram.
  • the sensors also include a sensor for a localization system suitable for determining a first current position of the tram.
  • the sensor of the localization system is a LIDAR 23.
  • the LIDAR 23 is a two-dimensional LIDAR having a high opening angle, for example of 270 °, and allowing, by processing the echoes received, to reconstruct the tram environment and to obtain a reconstructed map.
  • the plurality of sensors also include, more particularly for the obstacle detection function, a first LIDAR 25 and a second LIDAR 26.
  • the first LIDAR 25 is a three-dimensional LIDAR allowing the observation of a first region located in front of tram 1.
  • the second LIDAR 26 is a two-dimensional LIDAR allowing the observation of a second region located in front of the tram.
  • the crosschecking of the information delivered by the first and second LIDAR 25 and 26, allows the obstacle detection function to determine the relative position of an obstacle with respect to the front of the tram within a region of extensive observation.
  • the calculation unit 20 comprises a LIDAR localization module 33 capable of taking as input the signals delivered by the LIDAR 23 and of generating as output a reconstructed map. This reconstructed map is applied at the input of a location module 32.
  • the temporal evolution of the reconstructed environment also makes it possible to obtain information on the speed of the tram, which is passed to a module 34 for estimating the speed of the tram.
  • the module 34 for estimating the speed of the tram takes as input the signals delivered, on the one hand, by the inertial unit 21 and, on the other hand, by the tachometric means 22 .
  • the function of the module 34 is to deliver a precise estimate of the instantaneous speed of the tram (V in FIG. 1).
  • This value of the speed delivered at the output of the module 34 is applied, on the one hand, to a speed control module 38 and, on the other hand, to the location module 32.
  • the location module 32 in addition to the estimation of the instantaneous speed and the reconstructed map, takes as input the information delivered by the inertial unit 21.
  • the function of the location module 32 is to deliver a precise estimate of the instantaneous position of the tram on the tracks.
  • the module 32 is based on a map 31 of the region where the tramway 1 is authorized to run independently. It is for example a cartography of the topology of the ground (surface of the ground, buildings, equipment installed permanently, etc.) on which extend the siding tracks of the depot inside which the tram runs in autonomy.
  • the location module 32 compares the environment reconstructed from the states received by the LIDAR 23 with the map 31 so as to determine a first current position of the tram.
  • This first position is corrected from the information delivered by the sensors 21 and the integration over time of the speed delivered by the module 34.
  • the current position of tramway 1 is applied to a mission management module 35 and to a speed calculation module 37.
  • the mission management module 35 is executed when the switch 12 is flipped to allow the autonomous driving mode.
  • the module 35 then acquires the current position of the tram to determine where the tram is located on the rail network. Based on this information and possibly other information communicated by a control center, a mission is assigned to tramway 1. This mission may for example consist in indicating to the system 10 whether the tramway 1 must go to park.
  • the speed calculation module 37 is suitable for defining a reference speed, in particular as a function of the topology of the track on which the tramway 1 is traveling at the current instant.
  • the module 37 therefore defines the reference speed as a function of the current position of the tram and of a network track plan. For example, this reference speed is 10 km / h for a portion of straight track and 7 km / h for a portion of curvilinear track or a portion of track when approaching a switch.
  • the speed calculation module weights the reference speed so as to deliver a set speed for tram 1. Indeed, if the obstacle detection module detects an obstacle in front of the tram, the reference speed must be reduced to avoid any collision.
  • the setpoint speed, delivered by the module 37 is applied at the input of the module
  • the module 39 is suitable for acquiring the signals delivered by the LIDARS 25 and 26.
  • Module 39 delivers, in the event of an obstacle present inside the region observed by LIDARS 25 and 26, the position of this obstacle in relation to the front of the tram.
  • module 37 determines the type of track on which the tram is running at the current instant. To do this, the module 37 uses, for example, a track plan. The latter associates a type of track with each position of the tram.
  • Three types of channel are for example predefined. These three types of channels are respectively represented in Figures 3, 4 and 5.
  • the first type corresponds to a section of straight track.
  • the second type is a curved track section.
  • the third type corresponds to a section of track approaching a switch.
  • the speed of reference associated with the first type of track is 10 km / h; the second type of 7 km / h; and the third type of 7 km / h.
  • module 37 defines, in front of the tram, a surveillance zone within the observation region of obstacle detection module 39.
  • the surveillance zone follows the route of the section of track in front of the tram. Determining the type of track thus advantageously makes it possible to determine the geometry of the surveillance zone.
  • This surveillance zone is centered laterally on the track and has a width which is a function of the transverse gauge of the tram, that is to say which extends laterally on either side of the track so as to correspond substantially to the transverse gauge of the tram 1.
  • the width of the surveillance zone is equal to the overall width of the transverse gauge of the traway (1) increased by a distance of between 20 cm and 40 cm.
  • the length of the surveillance zone depends on the current speed of the tram.
  • the surveillance zone filters all of the observations delivered by module 39. Only obstacles whose location falls within the surveillance zone will be retained.
  • the surveillance zone Z1 for the first type of track takes the form of a rectangle, while for the second type of track, the surveillance zone Z2 takes the form of a torus portion.
  • the system does not take into account the switching state of the switch.
  • the Z3 surveillance zone covers the two outgoing tracks of the switch.
  • the surveillance zone is subdivided into domains. For example three domains are defined in the surveillance zone at any time.
  • Away from the tramway is defined a first area, called slowdown. Then, closer to the tram and in continuity with the deceleration area, a second area, called braking. Finally, between the braking area and the front end of the tram, a third area, called emergency braking.
  • the module 37 calculates a setpoint speed such as to lead to a reduction in the instantaneous speed of the tram. This can be done passively by using wheel / rail friction forces to gradually reduce the speed of the tram or by applying light braking.
  • the module 37 If an obstacle is present in the braking range D12, the module 37 generates a setpoint speed leading to the tram stopping at a minimum safe distance in front of the obstacle. This minimum safety distance is for example 1.2 m.
  • the module 37 delivers a setpoint speed leading to emergency braking to stop the tram for the shortest possible distance.
  • the monitoring area Z2 is subdivided into a deceleration domain D23, a braking domain D23 and an emergency braking domain D13.
  • the surveillance zone Z3 is subdivided into a pair of deceleration domains D33 and D33 '(each of these two domains being associated with one of the two tracks exiting the switch), a pair of braking domains D32 and D32 '(each of these two domains being associated with one of the two tracks exiting the switch), and a braking domain emergency D31 (common to the two outgoing tracks of the switch).
  • Figure 5 shows the surveillance zone as the tram enters the switch, the front of the tram being substantially in line with the switch.
  • FIG. 6 the method implemented by the module 37 for calculating the setpoint speed is illustrated in the form of blocks.
  • step 1 10 from the current position of the tram and a map of the rail network, module 37 determines the type of track on which tram 1 is running.
  • step 120 this information makes it possible to define the reference speed.
  • a surveillance zone is defined at the front of the train.
  • this surveillance zone is defined not only as a function of the type of track on which the tram runs, but also as a function of the speed of the tram. For example, the higher the speed of the tram, the greater the length of the surveillance zone.
  • the surveillance zone is subdivided into three areas, for example according to predefined proportions.
  • module 37 determines whether an obstacle is detected within the surveillance zone. For this, it uses the obstacle location information determined by module 39.
  • the process is looped back on itself and returns to step 1 10.
  • the process 100 is thus iterated for each sampling period.
  • step 150 the module 37 identifies the domain in which the obstacle is located.
  • step 160 depending on the domain identified in step 150, the module 37 chooses an action to be performed from among a slowdown of the tram, a braking of the tram or even an emergency braking.
  • step 170 the corresponding speed setpoint is generated and applied to the speed control module 38.
  • step 180 the process loops back to step 140 to determine the evolution of the position of the obstacle. Either the obstacle has left the surveillance zone and the process returns to step 1 10, or the obstacle is still present and steps 150 and following are carried out again.
  • step 140 If at step 140, it had been decided to brake or emergency braking, at the end of step 170, we wait for the tram to come to a stop before performing step 150 to check whether the obstacle has been removed from the track. If so, the tram can be restarted. The process then loops back to step 1 10.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)

Abstract

Ce système (10), embarqué à bord d'un véhicule ferroviaire (1) et interfacé avec une unité de contrôle/commande (8) des moyens de traction/freinage (3, 4) du véhicule, comporte : un moyen (21, 23, 33) pour déterminer une position du véhicule; un moyen (25, 26, 39) pour détecter un obstacle dans une région d'observation autour du véhicule; un moyen de calcul de vitesse de consigne (37) pour filtrer chaque obstacle détecté dans la région d'observation en ne retenant que l'obstacle détecté situé à l'intérieur d'une zone de surveillance, et pour calculer une vitesse de consigne en fonction de la position du véhicule et de la localisation de l'obstacle situé à l'intérieur de la zone de surveillance; et un module de régulation de vitesse (38) pour générer, à partir de la vitesse de consigne, un signal de consigne destiné à être appliqué à l'unité de contrôle/commande (8).

Description

TITRE : Système de conduite en autonomie d’un véhicule ferroviaire ; véhicule ferroviaire et procédé associés
L’invention a pour domaine celui de la conduite en autonomie d’un véhicule ferroviaire, et plus particulièrement d’un tramway.
De manière générale, pour la conduite de véhicule (automobile, bus, train, etc.) a été définie une échelle d’autonomie de référence qui permet de qualifier le degré d’autonomie avec lequel le véhicule considéré se déplace.
Dans le présent document, le niveau d’autonomie recherché est le niveau « 4 » de cette échelle d’autonomie. Dans le niveau « 4 », l’opération d’accélération, de freinage et de direction du véhicule est gérée automatiquement, l’opération de surveillance de l’environnement dans lequel se déplace le véhicule est gérée automatiquement, et l’opération de réaction du véhicule en cas de survenue d’un problème (présence d’un obstacle) est également gérée par le véhicule. Le niveau « 4 » diffère du niveau le plus élevé, le niveau « 5 », en ce que, la conduite du véhicule en autonomie se limite à certaines portions de route prédéfinies et non pas à toutes les routes sur lesquelles serait amener à circuler le véhicule. Il est à noter que le niveau « 0 » de cette échelle d’autonomie correspond au cas où l’ensemble des opérations précédentes sont réalisées par le conducteur et le niveau « 1 », au cas où le système embarqué offre une simple assistance au conducteur du véhicule pour l’opération d’accélération, de freinage et de direction. Le niveau « 1 » correspond ainsi à l’assistance à la conduite, communément dénommée DAS pour « Driver Assistance System ».
Il est souhaitable de pouvoir équiper un tramway d’un système de conduite en autonomie, au moins sur des voies de garage du réseau sur lequel il circule. Il s’agit donc de gérer la traction et le freinage du tramway en fonction l’environnement du tramway.
L’invention a donc pour but de résoudre ce problème.
Pour cela l’invention a pour objet un système de conduite en autonomie pour un véhicule ferroviaire circulant sur une voie, destiné à être embarqué à bord dudit véhicule ferroviaire et interfacé avec une unité de contrôle/commande des moyens de traction/freinage du véhicule ferroviaire, le système de conduite en autonomie comportant :
- un moyen d’acquisition, propre à déterminer une position courante du véhicule ferroviaire ;
- un moyen de détection d’obstacles propre à détecter et à localiser un obstacle dans une région d’observation autour du véhicule ferroviaire ;
- un moyen de calcul de vitesse de consigne, propre : à filtrer le ou chaque obstacle détecté dans la région d’observation en ne retenant que le ou chaque obstacle détecté qui est situé à l’intérieur d’une zone de surveillance, et,
à calculer une vitesse de consigne en fonction de la position courante du véhicule ferroviaire et de la localisation d’un obstacle situé à l’intérieur de la zone de surveillance ; et
- un module de régulation de vitesse propre à générer, à partir de la vitesse de consigne, un signal de consigne destiné à être appliquée à l’unité de contrôle/commande des moyens de traction/freinage du véhicule ferroviaire,
la zone de surveillance étant centrée latéralement sur la voie et présentant une largeur qui est en fonction d’un gabarit transversal du véhicule ferroviaire.
Selon l’invention, si la position du tramway le long des voies permet de définir une vitesse de référence, cette dernière est modulée pour tenir compte de la présence d’un obstacle seulement s’il se trouve devant le tramway. Le système délivre ainsi une vitesse de consigne au module de régulation de la vitesse commandant des moyens de traction/freinage du tramway.
Un tel système est donc fondé sur la capacité de détecter des obstacles en avant du tramway le long de la voie. Une fois la localisation d’un obstacle déterminée, le système définit la réaction à adopter, en particulier s’il faut actionner le système de freinage du tramway et dans quelle proportion.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le système de conduite en autonomie comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la zone de surveillance correspondant à une portion de la région d’observation qui suit le tracée de la voie sur laquelle circule le véhicule ferroviaire ;
- la zone de surveillance s’étend sur une longueur prédéfinie depuis l’avant du véhicule ferroviaire ;
- la zone de surveillance est égale à la largeur du gabarit transversal du véhicule ferroviaire (1 ) augmentée d’une distance comprise entre 20 cm et 40 cm ;
- une longueur de la zone de surveillance est fonction d’une vitesse instantanée du véhicule ferroviaire ;
- la zone de surveillance est subdivisée longitudinalement en une pluralité de domaines, chaque domaine étant associé à une action à mettre en oeuvre en cas d’obstacle localisé dans ledit domaine ; - l’action associée à un domaine est sélectionnée parmi : un ralentissement, un freinage et un freinage d'urgence ; et,
- la mise en oeuvre de l’action consiste à pondérer une vitesse de référence, qui est déterminée en fonction de la position courante du véhicule ferroviaire et d’un plan des voies, de manière à obtenir une vitesse de consigne adaptée à l’action à mettre en oeuvre.
L’invention a également pour objet un véhicule ferroviaire propre à être conduit en autonomie, embarquant un système de conduite en autonomie conforme au système précédent.
L’invention a également pour objet un procédé de conduite en autonomie du véhicule précédent, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes consistant à : déterminer une position courante du véhicule ferroviaire ; détecter et localiser un obstacle dans une région d’observation autour du véhicule ferroviaire ; calculer une vitesse de consigne en filtrant le ou chaque obstacle détecté dans la région d’observation en ne retenant que le ou chaque obstacle détecté qui est situé à l’intérieur d’une zone de surveillance, et en déterminant la vitesse de consigne en fonction de la position courante du véhicule ferroviaire et de la localisation d’un obstacle situé à l’intérieur de la zone de surveillance ; et, réguler la vitesse en générant, à partir de la vitesse de consigne, un signal de consigne destiné à être appliqué à l’unité de contrôle/commande des moyens de traction/freinage du véhicule ferroviaire.
L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre d’un mode de réalisation particulier, donné uniquement à titre d’exemple non limitatif, cette description étant faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 est une représentation schématique d’un tramway équipé d’un système de conduite en autonomie selon l’invention ;
la figure 2 est une représentation fonctionnelle sous forme de blocs du système de conduite en autonomie de la figure 1 ;
les figures 3 à 5 représentent, de manière schématique, différentes zones à surveiller définies en avant du tramway en fonction de la configuration de la voie sur laquelle circule le tramway de la figure 1 ; et,
la figure 6 est une représentation schématique d’un mode de réalisation du procédé selon l’invention.
Sur la figure 1 , est représenté un véhicule ferroviaire, en particulier un tramway 1 circulant sur une voie 2. De manière classique, pour pouvoir être conduit par un conducteur, le tramway 1 comporte une chaîne de commande des moyens de traction/freinage du tramway, qui sont représentés schématiquement sur la figure 1 par un moteur 3 et des freins 4.
La chaîne de commande comporte, en cabine, un manipulateur 6 permettant la génération de signaux de consigne. Le manipulateur 6 comporte un manche pivotant qui, lorsqu’il est déplacé vers l’avant, permet au conducteur de demander un effort en traction et, lorsqu’il est pivoté vers l’arrière, permet au conducteur de demander un effort en freinage.
Par exemple et de préférence, le manipulateur peut être déplacé vers l’avant dans une première position correspondant à une augmentation de +50% de l’effort en traction, ou une seconde position de +15% de l’effort en traction. Il peut être déplacé vers l’arrière dans une première position correspondant à une augmentation de +50% de l’effort de freinage, ou une seconde position de +15% de l’effort en freinage.
Le signal de consigne généré par le manipulateur 6 est appliqué en entrée d’une unité 8 de contrôle/commande des moyens de traction/freinage. L’unité 8 est propre à commander les moyens de traction/freinage en appliquant des signaux de commande adaptés élaborés en fonction du signal de consigne reçu.
Pour pouvoir être conduit en autonomie selon le niveau « 4 » de l’échelle couramment utilisée pour la conduite de véhicule en autonomie, le tramway 1 est équipé d’un système de conduite en autonomie 10.
Le système 10 est propre à générer des signaux de consigne de même nature que ceux générés par le manipulateur 6. De la sorte, les signaux générés par le système 10 peuvent être appliqués directement sur l’entrée de l’unité 8 de contrôle/commande en substitution des signaux de consigne générés par le manipulateur 6.
Ainsi le système 10 utilise le canal existant de commande de l’unité 8 et l’unité 8 est inchangée par rapport à l’état de la technique.
Pour pouvoir passer d’un mode de conduite avec conducteur à un mode de conduite en autonomie, le tramway 1 est avantageusement équipé d’un commutateur 12 à deux états, permettant d’appliquer en entrée de l’unité 8 soit un signal de consigne provenant du manipulateur 6, soit un signal de consigne provenant du système 10.
Avantageusement, l’état du commutateur 12 est commandé par un interrupteur 14 placé en cabine. L’interrupteur 14 est actionné par le conducteur par exemple lorsque le tramway 1 quitte une voie de service du réseau pour rentrer sur une voie de garage du réseau, voie de garage sur laquelle un fonctionnement en autonomie est autorisé. L’actionnement de l’interrupteur 14 conduit au basculement du commutateur 12.
Le système 10 comporte une couche matérielle représentée sur la figure 1 . Le système 10 comporte, en tant que moyens d’acquisition, une pluralité de capteurs connectés en entrée d’une unité de calcul 20.
Parmi les capteurs utilisés par le système de conduite en autonomie 10, le tramway est équipé d’une centrale inertielle 21 , propre à déterminer une accélération vectorielle instantanée du tramway et, par intégration temporelle, une première vitesse instantanée du tramway.
Le système utilise également des moyens tachymétriques 22, permettant de déterminer une seconde vitesse instantanée du tramway 1 et, par intégration temporelle depuis un point de référence le long de la voie, la distance parcourue par le tramway depuis ce point de référence et par conséquent une seconde position courante du tramway.
Les capteurs comportent également un capteur pour un système de localisation propre à déterminer une première position courante du tramway. De préférence, dans le mode de réalisation présenté ici en détail, le capteur du système de localisation est un LIDAR 23. Le LIDAR 23 est un LIDAR à deux dimensions présentant un angle d’ouverture élevé, par exemple de 270°, et permettant, par traitement des échos reçus, de reconstruire l’environnement du tramway et d’obtenir une cartographie reconstruite. La pluralité de capteurs comporte également, plus particulièrement pour la fonction de détection d’obstacles, un premier LIDAR 25 et un second LIDAR 26.
Le premier LIDAR 25 est un LIDAR à trois dimensions permettant l’observation d’une première région située en avant du tramway 1 .
Le second LIDAR 26 est un LIDAR à deux dimensions permettant l’observation d’une seconde région située en avant du tramway.
Le recoupement des informations délivrées par les premier et second LIDAR 25 et 26, permet à la fonction de détection d’obstacles de déterminer la position relative d’un obstacle par rapport à l’avant du tramway à l’intérieur d’une région d’observation étendue.
En se référant plus particulièrement à la figure 2, qui reprend les différents composants de la figure 1 mais sous une forme fonctionnelle, le système 10 va être présenté plus en détail, notamment l’unité de calcul 20.
L’unité de calcul 20 comporte un module 33 de localisation LIDAR propre à prendre en entrée les signaux délivrés par le LIDAR 23 et à générer en sortie une cartographie reconstruite. Cette cartographie reconstruite est appliquée en entrée d’un module 32 de localisation. L’évolution temporelle de l’environnement reconstruit permet également d’obtenir une information de vitesse du tramway, qui est passée à un module 34 d’estimation de la vitesse du tramway. Le module 34 d’estimation de la vitesse du tramway, outre la vitesse en sortie du module 33, prend en entrée les signaux délivrés, d’une part, par la centrale inertielle 21 et, d’autre part, par les moyens tachymétriques 22.
Le module 34 a pour fonction de délivrer une estimation précise de la vitesse instantanée du tramway (V sur la figure 1 ).
Cette valeur de la vitesse délivrée en sortie du module 34 est appliquée, d’une part, à un module de régulation de la vitesse 38 et, d’autre part, au module de localisation 32.
Le module de localisation 32, outre l’estimation de la vitesse instantanée et la cartographie reconstruite, prend en entrée les informations délivrées par la centrale inertielle 21 . Le module de localisation 32 a pour fonction de délivrer une estimation précise de la position instantanée du tramway sur les voies.
Dans le mode de réalisation présenté ici en détail, le module 32 s’appuie sur une cartographie 31 de la région où le tramway 1 est autorisé à circuler en autonomie. Il s’agit par exemple d’une cartographie de la topologie du terrain (surface du sol, bâtiments, équipements implantés à demeure, etc.) sur lequel s’étendent les voies de garage du dépôt à l’intérieur duquel le tramway circule en autonomie.
Le module de localisation 32 compare l’environnement reconstruit à partir des états reçus par le LIDAR 23 avec la cartographie 31 de manière à déterminer une première position courante du tramway.
Cette première position est corrigée à partir des informations délivrées par les capteurs 21 et l’intégration dans le temps de la vitesse délivrée par le module 34.
La position courante du tramway 1 est appliquée à un module 35 de gestion de mission et à un module 37 de calcul de vitesse.
Le module de gestion de mission 35 est exécuté lorsque le commutateur 12 est basculé pour permettre le mode de conduite en autonomie.
Le module 35 acquiert alors la position courante du tramway pour déterminer où le tramway se trouve sur le réseau ferroviaire. En fonction de ces informations et éventuellement d’autres informations communiquées par un centre de contrôle, une mission est attribuée au tramway 1 . Cette mission peut par exemple consister à indiquer au système 10 si le tramway 1 doit aller se garer.
Le module 37 de calcul de vitesse est propre à définir une vitesse de référence, en fonction notamment de la topologie de la voie sur laquelle circule le tramway 1 à l’instant courant. Le module 37 définit donc la vitesse de référence en fonction de la position courante du tramway et d’un plan des voies du réseau. Par exemple cette vitesse de référence est de 10 km/h pour une portion de voie rectiligne et de 7 km/h pour une portion de voie curviligne ou une portion de voie à l’approche d’un aiguillage.
En fonction des informations délivrées par le module de détection d’obstacles 39, le module de calcul de vitesse pondère la vitesse de référence de manière à délivrer une vitesse de consigne pour le tramway 1 . En effet, si le module de détection d’obstacles détecte un obstacle devant le tramway, la vitesse de référence doit être réduite pour éviter toute collision.
La vitesse de consigne, délivrée par le module 37 est appliquée en entrée du module
38 de régulation de vitesse. Ce dernier, en comparant la vitesse de consigne avec l’estimation de la vitesse courante du tramway délivrée par le module 34, détermine un effort de traction ou de freinage adapté. Le signal de consigne correspondant, de même nature que celui généré par le manipulateur 6, est appliqué, via l’interrupteur 12, au module 8 de contrôle/commande des moyens de traction/freinage du tramway.
Le module 39 est propre à acquérir les signaux délivrés par les LIDARS 25 et 26.
Le module 39 délivre, en cas de présence d’un obstacle à l’intérieur de la région observée par les LIDARS 25 et 26, la position de cet obstacle par rapport à l’avant du tramway.
Le fonctionnement du système 10 en cas de détection d’un obstacle par le module
39 et, plus particulièrement, la manière dont le module 37 de calcul de la vitesse détermine une vitesse de consigne, vont maintenant être présentés en relation avec les figures 3 à 5 et le procédé de la figure 6.
En fonction de la position instantanée du tramway 1 , le module 37 détermine le type de la voie sur laquelle le tramway circule à l’instant courant. Pour ce faire, le module 37 utilise par exemple un plan de la voie. Ce dernier associe à chaque position du tramway un type de voie.
Trois types de voie sont par exemple prédéfinis. Ces trois types de voies sont respectivement représentés aux figures 3, 4 et 5.
Le premier type correspond à une section de voie rectiligne.
Le second type correspond une section de voie en courbe.
Enfin, le troisième type correspond à une section de voie à l’approche d’un aiguillage.
D’autres types de voie peuvent être définis.
La reconnaissance du type de la voie sur laquelle circule le tramway permet au module 37 de définir la valeur d’une vitesse de référence. Par exemple, la vitesse de référence associée au premier type de voie est de 10 km/h ; au second type de 7 km/h ; et au troisième type de 7 km/h.
D’autres valeurs de vitesse de référence sont envisageables.
Par ailleurs, le module 37 définit, en avant du tramway, une zone de surveillance à l’intérieur de la région d’observation du module 39 de détection d’obstacles.
La zone de surveillance suit le tracé de la section de voie en avant du tramway. La détermination du type de la voie permet ainsi avantageusement de déterminer la géométrie de la zone de surveillance.
Cette zone de surveillance est centrée latéralement sur la voie et présente une largeur qui est fonction du gabarit transversal du tramway, c’est-à-dire qui s’étend latéralement de part et d’autre de la voie de manière à correspondre sensiblement au gabarit transversal du tramway 1 . Par exemple, la largeur de la zone de surveillance est égale à la largeur hors-tout du gabarit transversal du traway (1 ) augmentée d’une distance comprise entre 20 cm et 40 cm.
La longueur de la zone de surveillance dépend de la vitesse courante du tramway.
La zone de surveillance permet de filtrer l’ensemble des observations délivrées par le module 39. Ne seront retenus que les obstacles dont la localisation tombe à l’intérieur de la zone de surveillance.
Ainsi les obstacles détectés pour le module 39 mais qui se trouvent à l’extérieur de la zone de surveillance n’auront aucun impact sur la conduite du tramway. Ceci permet d’éviter des freinages intempestifs dès qu’un objet est détecté dans l’environnement du tramway, alors qu’il ne présente aucun risque de collision avec ce dernier.
Comme illustré sur la figure 3, la zone de surveillance Z1 pour le premier type de voie prend la forme d’un rectangle, tandis que pour le second type de voie, la zone de surveillance Z2 prend la forme d’une portion de tore. Pour le troisième type de section de voie et pour maximiser la sécurité, le système ne tient pas compte de l’état d’enclenchement de l’aiguillage. En conséquence, la zone de surveillance Z3 recouvre les deux voies sortantes de l’aiguillage.
De manière particulièrement avantageuse, la zone de surveillance est subdivisée en domaines. Par exemple trois domaines sont définis dans la zone de surveillance à chaque instant.
A l’écart du tramway est défini un premier domaine, dit de ralentissement. Puis, plus proche du tramway et en continuité avec le domaine de ralentissement, un second domaine, dit de freinage. Enfin, entre le domaine de freinage et l’extrémité avant du tramway, un troisième domaine, dit de freinage d’urgence. Ainsi par exemple sur la figure 3, si un obstacle O est présent dans le domaine de ralentissement D13 de la zone Z1 , le module 37 calcule une vitesse de consigne de nature à conduire à une diminution de la vitesse instantanée du tramway. Ceci peut être effectué passivement en utilisant les forces de friction roue/rail pour réduire progressivement la vitesse du tramway ou encore par application d’un freinage léger.
Si un obstacle est présent dans le domaine de freinage D12, le module 37 génère une vitesse de consigne conduisant à l’arrêt du tramway à une distance minimale de sécurité devant l’obstacle. Cette distance minimale de sécurité est par exemple de 1 ,2 m.
Enfin, si un obstacle est détecté dans le domaine de freinage d’urgence D1 1 , le module 37 délivre une vitesse de consigne conduisant à un freinage d’urgence pour arrêter le tramway sur la plus courte distance possible.
De manière similaire, sur la figure 4, la zone de surveillance Z2 est subdivisée en un domaine de ralentissement D23, un domaine de freinage D23 et un domaine de freinage d’urgence D13.
Sur la figure 5, pour le cas d’une section de voie à l’approche d’un aiguillage, la zone de surveillance Z3 est subdivisée en une paire de domaines de ralentissement D33 et D33’ (chacun de ces deux domaines étant associée à l’une des deux voies sortantes de l’aiguillage), une paire de domaines de freinage D32 et D32’ (chacun de ces deux domaines étant associée à l’une des deux voies sortantes de l’aiguillage), et un domaine de freinage d’urgence D31 (commun aux deux voies sortantes de l’aiguillage).
Il est à noter que la figure 5 représente la zone de surveillance alors que le tramway rentre sur l’aiguillage, l’avant du tramway étant sensiblement à l’aplomb de l’aiguillage. Il y a en fait évolution continue de la forme de la zone de surveillance entre celle représentée sur les figures 3 et 4 et celle représentée sur la figure 5 en fonction de la distance du tramway à l’aiguillage.
A la figure 6, est illustré sous forme de blocs le procédé mis en oeuvre par le module 37 de calcul de la vitesse de consigne.
A l’étape 1 10, à partir de la position courante du tramway et d’un plan du réseau ferroviaire, le module 37 détermine le type de voie sur laquelle circule le tramway 1 .
A l’étape 120, cette information permet de définir la vitesse de référence.
A l’étape 130, une zone de surveillance est définie à l’avant du train. Avantageusement, cette zone de surveillance est définie non seulement en fonction du type de la voie sur laquelle circule le tramway, mais également en fonction de la vitesse du tramway. Par exemple, plus la vitesse du tramway est élevée, plus la longueur de la zone de surveillance est importante. La zone de surveillance est subdivisée en trois domaines, par exemple selon des proportions prédéfinies.
Enfin, à l’étape 140, le module 37 détermine si un obstacle est détecté à l’intérieur de la zone de surveillance. Il utilise pour cela les informations de localisation d’obstacle déterminées par le module 39.
Si aucun obstacle ne se situe dans la zone de surveillance, le procédé est bouclé sur lui-même et revient à l’étape 1 10. Le procédé 100 est ainsi itéré pour chaque période d’échantillonnage.
En revanche si, à l’étape 140, un obstacle est détecté, à l’étape 150, le module 37 identifie le domaine dans lequel se situe l’obstacle.
A l’étape 160, en fonction du domaine identifié à l’étape 150, le module 37 choisit une action à réaliser parmi un ralentissement du tramway, un freinage du tramway ou encore un freinage d’urgence.
A l’étape 170, la consigne de vitesse correspondante est générée et appliquée au module de régulation de la vitesse 38.
Si l’obstacle se trouvait dans le domaine de ralentissement, à l’étape 180 le procédé est bouclé sur l’étape 140 pour déterminer l’évolution de la position de l’obstacle. Soit l’obstacle a quitté la zone de surveillance et le procédé repart à l’étape 1 10, soit l’obstacle est encore présent et les étapes 150 et suivantes sont réalisées à nouveau.
Si à l’étape 140, il avait été décidé d’un freinage ou d’un freinage d”urgence, à l’issue de l’étape 170, on attend que le tramway vienne à l’arrêt avant de réaliser l’étape 150 de vérification de savoir si l’obstacle a été écarté de la voie. Dans l’affirmative, le tramway peut redémarrer. Le procédé reboucle alors à l’étape 1 10.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système de conduite en autonomie (10) pour un véhicule ferroviaire (1 ) circulant sur une voie ferroviaire (2), destiné à être embarqué à bord dudit véhicule ferroviaire et interfacé avec une unité de contrôle/commande (8) des moyens de traction/freinage (3, 4) du véhicule ferroviaire, le système de conduite en autonomie (10) comportant :
- un moyen d’acquisition (21 , 23, 33), propre à déterminer une position courante du véhicule ferroviaire ;
- un moyen de détection d’obstacles (25, 26, 39) propre à détecter et à localiser un obstacle dans une région d’observation autour du véhicule ferroviaire (1 ) ;
- un moyen de calcul de vitesse de consigne (37), propre :
à filtrer le ou chaque obstacle détecté dans la région d’observation en ne retenant que le ou chaque obstacle détecté qui est situé à l’intérieur d’une zone de surveillance, et,
à calculer une vitesse de consigne en fonction de la position courante du véhicule ferroviaire et de la localisation d’un obstacle situé à l’intérieur de la zone de surveillance ; et
- un module de régulation de vitesse (38) propre à générer, à partir de la vitesse de consigne, un signal de consigne destiné à être appliqué à l’unité de contrôle/commande (8) des moyens de traction/freinage (3, 4) du véhicule ferroviaire, la zone de surveillance étant centrée latéralement sur la voie et présentant une largeur qui est fonction d’un gabarit transversal du véhicule ferroviaire (1 ).
2. Système selon la revendication 1 , dans lequel la zone de surveillance correspond à une portion de la région d’observation qui suit le tracée de la voie ferroviaire (2) sur laquelle circule le véhicule ferroviaire (1 ).
3. Système selon la revendication 2, dans lequel la zone de surveillance s’étend sur une longueur prédéfinie depuis l’avant du véhicule ferroviaire (1 ).
4. Système selon la revendication 2 ou la revendication 3, dans lequel la largeur de la zone de surveillance est égale à la largeur du gabarit transversal du véhicule ferroviaire (1 ) augmentée d’une distance comprise entre 20 cm et 40 cm.
5. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel une longueur de la zone de surveillance est fonction d’une vitesse instantanée du véhicule ferroviaire (1 ).
6. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la zone de surveillance est subdivisée longitudinalement en une pluralité de domaines, chaque domaine étant associé à une action à mettre en oeuvre en cas de détection d’un obstacle dans ledit domaine.
7. Système selon la revendication 6, dans lequel l’action associée à un domaine est sélectionnée parmi : un ralentissement du véhicule, un freinage pour arrêter le véhicule à une distance minimale de l’obstacle détectée et un freinage d'urgence pour arrêter le véhicule sur une distance minimale.
8. Système selon l’une quelconque des revendications 6 à 7, dans lequel la mise en oeuvre de l’action consiste à pondérer une vitesse de référence, qui est déterminée en fonction de la position courante du véhicule ferroviaire et d’un plan des voies, de manière à obtenir une vitesse de consigne adaptée à l’action à mettre en oeuvre.
9. Véhicule ferroviaire (1 ) propre à être conduit en autonomie, caractérisé en ce qu’il embarque un système de conduite en autonomie conforme au système (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
10. Procédé de conduite en autonomie d’un véhicule selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes consistant à :
- déterminer une position courante du véhicule ferroviaire ;
- détecter et localiser un obstacle dans une région d’observation autour du véhicule ferroviaire (1 ) ;
- calculer une vitesse de consigne (37) en filtrant le ou chaque obstacle détecté dans la région d’observation en ne retenant que le ou chaque obstacle détecté qui est situé à l’intérieur d’une zone de surveillance, et en déterminant la vitesse de consigne en fonction de la position courante du véhicule ferroviaire et de la localisation d’un obstacle situé à l’intérieur de la zone de surveillance ; et,
- réguler la vitesse en générant, à partir de la vitesse de consigne, un signal de consigne destiné à être appliqué à l’unité de contrôle/commande (8) des moyens de traction/freinage (3, 4) du véhicule ferroviaire (1 ).
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