JP3720259B2 - 鉄道軌道の曲線形状データ取得装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、車両上にセンサと演算・記憶装置を配置し、計測されるセンサのデータに基づいて演算することにより、鉄道軌道１の曲率ρ、カントＣ等の曲線形状データを精度よく取得し、走行位置に対応したこれらの曲線データを記憶する鉄道軌道の曲線形状データ取得装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道軌道１の構造は、図２に示す如く、基本的には直線と曲線との連鎖からなる。しかして直線部から入って入口緩和曲線部に至り、それから本体の円曲線部に続き、次いで出口緩和曲線部を経由して再び直線部となる。鉄道軌道１はこのようにして、直線と曲線の連鎖によって始点から終点に至る。
【０００３】
そしてこの曲線部では、図３に示す如く、軌道面が内側に傾斜され、外側の軌道１が内側より高くなるように高低差が設けられ、カントＣが設定されている。
【０００４】
それにより、曲線部を走行中において、車体２に働く遠心力と重力の合力が、車体床面に垂直に作用するようにされている。
【０００５】
そのため車両が曲線部を高速度で通過することができるばかりではなく、例え高速度で通過したとしても、乗客が遠心力によって振られたりすることがなく、乗り心地が悪くならない。
【０００６】
ここで、更に高速で曲線部を通過するためには、カントＣの量を大きくしてやればよい。しかしながら曲線部では、当然のことながら低速で通過する場合や、あるいはそこで停車する場合もあり得る。そのようなときには車体２が内側に転倒するおそれがあるため、カントＣの量はその上限値を制限せざるを得ない。
【０００７】
ここで曲率ρとカントＣのデータ推移としては、図７の如く、直線部から入口緩和曲線部を経て円曲線部に至りそこから出口緩和曲線部を経過して再び直線部に至るまでが模式的に示されている。
【０００８】
鉄道軌道１は、かかる曲率ρとカントＣとを有する曲線と、直線との連鎖から構成されて、始点から終点に至る。
【０００９】
ところで現在では、走行時間短縮のため、更に高速度走行が要求され、曲線部に入るたびに速度を低下させるということが許されない情勢にある。
【００１０】
しかしてこの最大カント量で定められる均衡速度以上の速度で曲線部を走行しようとすると、そのカントＣでは相殺できない超過の遠心力が発生する。そのため高速走行が危険であったり、また乗客の乗り心地が悪くなったりしてしまう。
【００１１】
そこでこのような超過の遠心力を受けた場合、その超過遠心力と重力との合力が車体床面に垂直に働くようにするべく、台車はそのままで、車体だけが更に傾斜するように設計された、図４に示す如く、振り子式車両が知られている。
【００１２】
この振り子式車両により、曲線部にも関わらずに高速で走行通過でき、しかも乗客に、乗り心地が悪くなったり、不快感を与えない。
【００１３】
この振り子式車両においては、台車枠６はコイルばねやゴム等からなる軸ばね７を介して、車輪軸８に支持されている。また台車枠６はコロ等を有する傾斜装置５と例えば弓形の傾斜はり４とを具備し、空気ばね等からなるまくらばね３を介して車体２を支持している。
【００１４】
ここで、図５に示す如く、車体を傾斜させる振り子機構としては、自然振り子方式と、制御振り子方式がある。
【００１５】
この自然振り子方式は、曲線通過時に発生する遠心力を利用して車体を適切に傾斜させて、遠心加速度を打ち消す振り子機構を有している。しかしながらこの振り子機構は、摩擦抵抗等により、必ずしも遠心力に追従して直ちに車体が傾斜するわけではない。時間遅れのために、傾斜の立ち上がり部や立ち下がり部で、振り遅れや振り戻しが発生したりするので、走行、あるいは乗り心地の上で、必ずしも良好ではない。
【００１６】
一方制御振り子方式は、作動機構を有しており、この作動機構が振り子機構を制御して車体を傾斜させるものであって、超過の遠心加速度を理想的に打ち消すことができる。
【００１７】
しかしてその制御機構は、車体左右定常加速度を検出してフィードバックし、傾斜角度を算出して制御するものと、走行路線である鉄道軌道１の曲率ρやカントＣ等の曲線形状のデータを予め記憶して、走行位置に対応して最適の傾斜角度を算出して制御するものとがある。
【００１８】
そこでこの曲線部の曲線形状データであるカントＣと、曲率ρ等を予め求める必要がでてくる。
【００１９】
そのためには台車にジャイロ等を取り付けて、ロール角を直接計測することが考えられるが、汎用のジャイロではドリフトが避けられないため、例えば振り子式車両の車体傾斜を行うために必要な精度のデータが得られない。
【００２０】
また高精度のジャイロを用いれば可能ではあろうが、非常に高価なため、鉄道車両に用いるには現実的ではない。
【００２１】
またカントＣを求めるには、レートジャイロでロール角速度を求め、それを積分することでも原理的には可能である。しかしながら積分誤差等があり、データの精度や、信頼性には問題が残こる。
【００２２】
以下に、鉄道軌道１の曲率ρ、カントＣ等の曲線形状データを取得するための従来の装置に関して、概略的に説明する。
【００２３】
１．特開平６−１０７１７２号公報（発明の名称：曲線情報算出方法及び車体傾斜制御方法）について
この発明は、床面左右定常加速度、走行速度、車体傾斜角度を測定できる測定手段を搭載した鉄道車両を軌道上を２回走行させ、各測定手段の値に基づいて、曲率半径Ｒとカント量Ｃとを特定の演算式により演算して求めるものである。
【００２４】
２．特開平６−２０７８３０号公報（発明の名称：線路形状計測装置と計測方法）について
この発明は、列車の速度検出器及び３方向の加速度検出器と、列車箱体の各軸回りの角速度検出器と、この箱体の台車上における上下動を検出する変位量検出器とを有し、各検出データを演算・記憶部に入力して、線路のカントを演算するものであるが、上下動の変位量を検出するにあたりばね変位を実測することが必要であり、また３方向の加速度、角速度を検出するので多数のセンサを必要としている。
【００２５】
３．特開平７−１０８９３３号公報（発明の名称：鉄道車両の走行位置補正方法）について
車体の傾斜角検出器と車体床面平行左右方向の加速度検出器とから計算された曲線半径と、車輪の回転数検出器から車輪回転数を求めて得られる走行距離とから計算された車両走行位置を、車両に予め搭載してある線路データの曲線半径や曲線位置と比較して、搭載データ中に対応する曲線がある場合には、実測値と搭載データの曲線位置の差を補正量として車両の走行位置を補正するものである。
【００２６】
４．特開平８−２０７７６４号公報（発明の名称：軌道の曲線路情報算出方法及びその算出方法を利用した車体傾斜制御方法）について
先の特開平６−１０７１７２号の発明とほぼ同内容であり、床面左右定常加速度、走行速度、車体−台車間の傾斜角を検出し、そのデータを特定の連立方程式に代入して曲線半径とカント量を求めるようになっている。しかしながら連立方程式であるから、少なくとも２回以上計測しないと、曲線半径とカントを求めることができない。
【００２７】
５．特開２０００−６８０５号（発明の名称：軌道走行車両の曲線検知方法および車体傾斜制御装置）について
この発明は、先頭車両の前後の台車にジャイロセンサを設けて、ヨー角速度を検知し、ヨー角速度の前後の差から、曲率を求めるものである。
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明は、高価とならないリーズナブルな各種センサを車両上に適切に配置して、車両上で計測、取得されるデータから、新規なカントＣの演算式により、曲率ρ、カントＣ等の曲線形状データを一回の走行で精度よく取得して、しかも安価な鉄道軌道の曲線形状データ取得装置を提供するものである。
【００２９】
以下に、従来技術のいくつかの問題点を概略説明する。
【００３０】
さきの１．特開平６−１０７１７２号公報（発明の名称：曲線情報算出方法及び車体傾斜制御方法）では、少なくとも２回以上走行しないと、曲率半径とカントを求めることができない。また軸ばねやまくらばねのたわみによるロール角が考慮されていないので、求められるカントの精度が低いものであった。
【００３１】
２．特開平６−２０７８３０号公報（発明の名称：線路形状計測装置と計測方法）では、ばね変位を実測する必要があり、そのためのセンサが必要である。また３方向の加速度と角速度を実測するため、多くの計測センサが必要で、費用がかかる。更に角速度を求める代わりにジャイロを用いて角度を求める場合には、ドリフト補正の必要が生ずるので処理が面倒である。
【００３２】
３．特開平７−１０８９３３号公報（発明の名称：鉄道車両の走行位置補正方法）では、カントを求める関係式も記載されてはいるが、軸ばねのたわみが考慮されておらず、車両諸元から求めることもされていない。
【００３３】
４．特開平８−２０７７６４号（発明の名称：軌道の曲線路情報算出方法及びその算出方法を利用した車体傾斜制御方法）では、さきの１．特開平６−１０７１７２号公報（発明の名称：曲線情報算出方法及び車体傾斜制御方法）のものと略同様であり、２回走行しないと曲線半径Ｒとカント量Ｃが求められない。
【００３４】
またまくらばねのたわみによる傾斜角は実測しているが、軸ばねのたわみは考慮されていない。しかしながら、振り子式車両で車体傾斜制御を行うためには軸ばねのたわみも考慮すべき要素と考えられる。
【００３５】
５．特開２０００−６８０５号（発明の名称：軌道走行車両の曲線検地方法および車体傾斜制御装置）では、２つの台車に取り付けたジャイロのロール角を平均してカントを求めている。ところで、ジャイロは高精度のものは非常に高価であり、ドリフトの影響を除去するための処理が必要となる。
【００３６】
しかしながら本願発明では、ジャイロによるロール角は使用しない新規な演算式によりカントＣを簡便に求めるものである。
【００３７】
従って、本願発明は、高価とならないリーズナブルなセンサ部を車両上に適切に配置して、車両上から計測されるデータから、新規なカントの演算式より、この曲線形状データを、一回の走行で精度よく取得でき、しかも安価な装置を提供することを目的とする。
【００３８】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解消し、上記の目的を達成するために、鉄道軌道の曲線形状データの取得装置は、演算・記憶部２０と、センサ部００とから構成され、演算・記憶部２０と、センサ部００とは、振り子式車両に搭載され、
センサ部００は、速度センサ１０と、車体ヨー角速度センサ０９と、傾斜角センサ１１と、車体左右振動加速度センサ１２とから構成され、
演算・記憶部２０は、曲率演算部２１と、カント演算部２２と、記憶部２３とを具備し、曲率演算部２１は、車体ヨー角速度センサ０９からの車体ヨー角速度θ（ｒａｄ／ｓ）と、速度センサ１０からの車速度Ｖ（ｍ／ｓ）とが入力されたときには、曲率ρを式 ρ＝θ／Ｖ（１／ｍ） より求めて出力し、
カント演算部は２２は、この曲率ρと、傾斜角センサ１１からの振り子式車両における台車枠（６）に対する傾斜はり（４）の傾斜角φｔ（ｒａｄ）と、車体左右振動加速度センサ１２からの車体左右定常加速度Ａ（ｍ／Ｓ² ）とが入力されたときには、式（１）よりカントＣを演算して出力し、
Ｃ＝（ρＶ² −（Ａ＋ｇ（１＋ｑ２）φｔ）／（１＋ｑ））Ｇ／ｇ（ｍ）・・（１）
〔但し、ｑ２はまくらばねによる付加係数であり、該ｑ２はＦ２Ｍｇ（Ｆ２はまくらばねによる車体の角変位、Ｍは車体の質量、ｇは重力加速度）、ｑはばねによる付加係数でｑ１＋ｑ２、該ｑ１は軸ばねによる付加係数であり、該ｑ１はＦ１Ｍｇ（Ｆ１は軸ばねによる車体の角変位、Ｍは車体の質量、ｇは重力加速度）、Ｇは軌間、ｇは重力加速度である。〕
記憶部２３は、位置に対応した鉄道軌道１の曲率ρ及びカントＣのデータを記憶する鉄道軌道の曲線形状データ取得装置である。
【００３９】
ここでカントＣは、センサ部００としてまくらばねロール角センサ１３を付加して、そのまくらばねロール角φａを利用して、他の新規な演算式からも求めることができる。即ち上記鉄道軌道１の曲線形状データ取得装置において、演算・記憶部２０と、センサ部００とから構成され、演算・記憶部２０と、センサ部００とは、振り子式車両に搭載され、
センサ部００は、速度センサ１０と、車体ヨー角速度センサ０９と、傾斜角センサ１１と、車体左右振動加速度センサ１２と、更に付加されたまくらばねロール角センサ１３とから構成され、
演算・記憶部（２０）は、曲率演算部（２１）と、カント演算部（２２）と、記憶部（２３）とを具備し、
曲率演算部（２１）は、車体ヨー角速度センサ（０９）からの車体ヨー角速度θ（ｒａｄ／ｓ）と、速度センサ（１０）からの車速度Ｖ（ｍ／ｓ）とが入力されたときには、曲率ρを式 ρ＝θ／Ｖ（１／ｍ） より求めて出力し、
カント演算部は（２２）は、この曲率ρと、傾斜角センサ（１１）からの振り子式車両における台車枠（６）に対する傾斜はり（４）の傾斜角φｔ（ｒａｄ）と、車体左右振動加速度センサ（１２）からの車体左右定常加速度Ａ（ｍ／ｓ² ）と、更にまくらばねロール角センサ（１３）からのまくらばねロール角φａ（ｒａｄ）とが入力されたときには、式（２）よりカントＣを演算して出力し、
Ｃ＝（ρＶ² −（Ａ−ｇ（φａ−φｔ））／（１＋ｑ１））Ｇ／ｇ（ｍ）・・（２）
〔但し、ｑ１は軸ばねによる付加係数であり、該ｑ１はＦ１Ｍｇ（Ｆ１は軸ばねによる車 体の角変位、Ｍは車体の質量、ｇは重力加速度）、Ｇは軌間、ｇは重力加速度である。〕
記憶部（２３）は、位置に対応した鉄道軌道（１）の曲率ρ及びカントＣのデータを記憶する鉄道軌道の曲線形状データ取得装置である。
【００４０】
以上は振り子式車両に搭載されるタイプのものであるが、通常（非振り子式）車両に搭載することもできる。
【００４１】
その場合は、傾斜角センサ１１による傾斜角φｔが常に０であるものとして、カントＣを求める式を実行すればよい。しかしてこの場合は、車体２の傾斜角φｔが常に０であるから、傾斜角センサ１１は車両に搭載する必要がない。
【００４２】
即ち上記と同様の鉄道軌道の曲線形状データ取得装置であって、演算・記憶部２０と、センサ部００とから構成されるものではあるが、この演算・記憶部２０とセンサ部００とは、通常（非振り子式）車両に搭載されるものであって、
センサ部００は、速度センサ１０と、車体ヨー角速度センサ０９と、車体左右振動加速度センサ１２とから構成され、
演算・記憶部２０は、曲率演算部２１と、カント演算部２２と、記憶部２３とを具備し、曲率演算部２１は、車体ヨー角速度センサ０９からの車体ヨー角速度θ（ｒａｄ／ｓ）と、速度センサ１０からの車速度Ｖ（ｍ／ｓ）とが入力されたときには、曲率ρを式 ρ＝θ／Ｖ（１／ｍ） より求めて出力し、
カント演算部は２２は、車体２の傾斜角φｔ（ｒａｄ）＝０として、この曲率ρと、車体左右振動加速度センサ１２からの車体左右定常加速度Ａ（ｍ／ｓ² ）とが入力されたときには、式（１）よりカントＣを演算して出力し、
Ｃ＝（ρＶ² −（Ａ＋ｇ（１＋ｑ２）φｔ）／（１＋ｑ））Ｇ／ｇ（ｍ）・・（１）
〔但し、ｑ２はまくらばねによる付加係数であり、該ｑ２はＦ２Ｍｇ（Ｆ２はまくらばねによる車体の角変位）、ｑはばねによる付加係数でｑ１＋ｑ２、該ｑ１は軸ばねによる付加係数であり、該ｑ１はＦ１Ｍｇ（Ｆ１は軸ばねによる車体の角変位、Ｍは車体の質量、ｇは重力加速度）、Ｇは軌間、ｇは重力加速度である。〕
記憶部２３は、位置に対応した鉄道軌道１の曲率ρ及びカントＣのデータを記憶する鉄道軌道の曲線形状データ取得装置である。
【００４３】
また上記と同様の通常（非振り子式）車両に搭載される鉄道軌道の曲線形状データ取得装置であって、演算・記憶部２０と、センサ部００とから構成されるものではあるが、センサ部００には、更にまくらばねロール角センサ１３が付加され、カントＣを求める演算式は他のものが利用されるものである。
【００４４】
演算・記憶部（２０）と、センサ部（００）とは、通常（非振り子式）車両に搭載され、
センサ部００は、速度センサ１０と、車体ヨー角速度センサ０９と、車体左右振動加速度センサ１２と、更にまくらばねロール角センサ１３とから構成され、
演算・記憶部２０は、曲率演算部２１と、カント演算部２２と、記憶部２３とを具備し、曲率演算部２１は、車体ヨー角速度センサ０９からの車体ヨー角速度θ（ｒａｄ／ｓ）と、速度センサ１０からの車速度Ｖ（ｍ／ｓ）とが入力されたときには、曲率ρを式 ρ＝θ／Ｖ（１／ｍ） より求めて出力し、
カント演算部は２２は、車体２の傾斜角φｔ（ｒａｄ）＝０として、この曲率ρと、車体左右振動加速度センサ１２からの車体左右定常加速度Ａ（ｍ／ｓ² ）と、更にまくらばねロール角センサ１３からのまくらばねロール角φａ（ｒａｄ）とが入力されたときには、式（２）よりカントＣを演算して出力し、
Ｃ＝（ρＶ² −（Ａ−ｇ（φａ一φｔ））／（１＋ｑ１））Ｇ／ｇ（ｍ）・・（２）
〔但し、ｑ１は軸ばねによる付加係数であり、該ｑ１はＦ１Ｍｇ（Ｆ１は軸ばねによる車 体の角変位、Ｍは車体の質量、ｇは重力加速度）、Ｇは軌間、ｇは重力加速度である。〕
記憶部２３は、位置に対応した鉄道軌道（１）の曲率ρ及びカントＣのデータを記憶する鉄道軌道の曲線形状データ取得装置である。
【００４５】
【発明の実施の形態】
先ず本願発明の第１の実施の形態を説明する。
【００４６】
図１、図４を参照して、２は車体、００はセンサ部、２０は演算・記憶部である。
【００４７】
本願発明の第１の実施の形態の鉄道軌道の曲線形状データ取得装置は、センサ部００と、演算・記憶部２０とから構成され、振り子式車両に搭載されるものである。
【００４８】
センサ部００は、車体２に取り付けた車体ヨー角速度センサ０９及び車体左右振動加速度センサ１２と、車輪軸８または主電動機軸に取り付けた速度センサ１０と、台車枠６に設けた車体２の傾斜装置５によって作動する、例えば弓形等の傾斜はり４に取り付けられた傾斜角センサ１１とから構成される。
【００４９】
車体ヨー角速度センサ０９は、図６に示す車体２のヨー角α（ｒａｄ）の時間的変化即ちヨー角速度θ（ｒａｄ／ｓ）を検出して出力する。ここではヨー角速度θ（ｒａｄ／ｓ）の検出であるから、例えばジャイロ等によりヨー角α（ｒａｄ）自体を直接検出する場合に比べて、ドリフト等の影響を受けない。
【００５０】
速度センサ１０は、例えば車輪軸８または主電動機軸の回転数に基づき、車輪径等を利用して車体２の車速度Ｖ（ｍ／ｓ）を検出して出力する。
【００５１】
傾斜角センサ１１は、例えば傾斜はり４に取り付けられ、図５に示す如く、振り子式車両における傾斜装置５による車体２の傾斜角φｔ（ｒａｄ）を検出して出力する。
【００５２】
演算・記憶部２０は、曲率演算部２１と、カント演算部２２と、記憶部２３とを具備しており、センサ部００からの検出データを入力して、鉄道軌道１の曲率ρ（１／ｍ）とカントＣ（ｍ）とを演算して、そのデータを軌道１に沿ってその位置に対応して記憶する。
【００５３】
曲率演算部２１は、速度センサ１０によって得られる車速度Ｖと、ヨー角速度センサ９によって得られる車体ヨー角速度θとが入力されたとき、演算式 ρ＝θ／Ｖ（１／ｍ） により曲率ρを演算して出力する。この曲率演算式自体は周知である。
【００５４】
カント演算部２２は、本願発明に係る新規な演算式（１）によって、カントＣを演算するものである。
【００５５】
カントＣは、カント演算部２２に、曲率ρ、傾斜角センサ１１によって得られる傾斜角φｔ、車体左右振動加速度センサ１２によって得られる車体左右定常加速度Ａの各値を入力することにより、次の式（１）から求められる。
【００５６】
ここで車体左右定常加速度Ａは、車体左右振動加速度センサ１２によって得られる車体左右振動加速度から、微少変化分を除去した定常成分であって、車体床面に平行な加速度に相当するものである。
【００５７】
Ｃ＝（ｐＶ² −（Ａ＋ｇ（１＋ｑ２）φｔ）／（１＋ｑ））Ｇ／ｇ（ｍ）・（１）
但し、ｑ２はまくらばね３による付加係数、ｑはばね（軸ばね７とまくらばね３）による付加係数でｑ１＋ｑ２、ｑ１は軸ばね７による付加係数である。なお、ｑ１，ｑ２，ｑは実測または車両諸元から計算で求めることのできる無次元の数である。またＧは軌間であり、例えば在来線の場合は１．０６７ｍ、新幹線の場合は１．４３５ｍである。ｇは重力加速度９．８１ｍ／Ｓ² の定数である。
【００５８】
記憶部２３は、鉄道軌道１に沿って、距離または時間に対応した位置毎にカントＣ、曲率ρの値を順次記憶しておくものである。
【００５９】
ここで位置情報は、例えば、基準位置情報を車両外部から取り込んだり、速度センサ１０を作動させるための、時間情報と、車輪軸の回転数と車輪径とから求められる走行距離等とから決定することができる。
【００６０】
このようにして本願発明の第１の実施の形態に基づく鉄道軌道の曲線形状データ取得装置は、一回の走行により、鉄道軌道１に沿ってカントＣと、曲率ρの値を取得することができる。
【００６１】
次いで本願発明の第２の実施の形態を説明する。
【００６２】
この第２の実施の形態は、図８を参照して、各種センサ００として、第１の実施の形態のものと比べて、更にまくらばねロール角センサ１３が付加されたものである。そこでまくらばねロール角φａを検出し、出力されたその値を利用し、カントＣを他の新規な式（２）により演算して求めるものである。
【００６３】
しかして、カント演算部２２は、このまくらばねロール角φａのデータを入力し、新規の演算式（２）によって、カントＣを求め、出力することができる。
【００６４】
Ｃ＝（ρＶ² −（Ａ−ｇ（φａ−φｔ））／（１＋ｑ１））Ｇ／ｇ（ｍ）・（２）
但し、ｑ１、Ｇ、ｇは、第１の実施の形態のものと同様のものである。
【００６５】
このようにして本願発明の第２の実施の形態に基づく鉄道軌道１の曲線形状データ取得装置は、まくらばねロール角φａの影響を加味して、一回の走行によって、鉄道軌道１に沿ってカントＣと、曲率ρのデータを取得することができ、そのデータを走行距離に対応して、記憶しておくことができるものである。
【００６６】
曲率ρの演算式は、第１の実施の形態と同じものである。
【００６７】
次いで本願発明の第３の実施の形態を説明する。
【００６８】
この第３の実施の形態は、鉄道軌道の曲線形状データ取得装置を、前記の第１、第２のものとは異なり、通常（非振り子式）車両に搭載するものである。
【００６９】
従って演算・記憶部２０とセンサ部００とは、通常（非振り子式）車両に搭載される。この場合は、常に車体２の傾斜角φｔ（ｒａｄ）＝０であり、センサ部００において、傾斜角センサ１１は不要となる。
【００７０】
よってセンサ部００は、傾斜角センサ１１が削除されて、速度センサ１０と、車体ヨー角速度センサ９と、車体左右振動加速度センサ１２とから構成されるものとなる。
【００７１】
そして演算・記憶部２０は、センサ部００から計測されたデータを入力して、曲率演算部２２が曲率を演算して出力し、カント演算部２２が、車体２の傾斜角φｔ（ｒａｄ）＝０として、カントＣを求める式（１）の演算を実行して、出力することとなる。
【００７２】
曲率ρを求める演算式は、第１、第２の実施の形態の場合と同じである。曲率ρとカントＣのデータを記憶することも同様である。
【００７３】
次いで本願発明の第４の実施の形態を説明する。
【００７４】
この第４の実施の形態は、第３の実施に形態と同様に、通常（非振り子式）車両に搭載するものである。この場合も、常に車体２の傾斜角φｔ（ｒａｄ）＝０であり、センサ部００において、傾斜角センサ１１は不要である。
【００７５】
またはセンサ部００として、第２の実施の形態と同様に、まくらばねロール角センサ１３を付加する。従って、センサ部００は、速度センサ１０と、車体ヨー角速度センサ９と、車体左右振動加速度センサ１２と、付加されたまくらばねロール角センサ１３とから構成される。
【００７６】
カント演算部２２は、第２の実施の形態と同様に、このまくらばねロール角センサ１３からのまくらばねロール角φａ（ｒａｄ）を更に付加入力して、車体２の傾斜角φｔ（ｒａｄ）＝０として、カントＣを求める（２）式の演算を実行し、出カすればよい。
【００７７】
Ｃ＝（ρＶ² −（Ａ−ｇ（φａ−φｔ））／（１＋ｑ１））Ｇ／ｇ（ｍ）・（２）
但し、ｑ１、Ｇ、ｇは、第１の実施の形態と同様のものである。
【００７８】
曲率ρを求める演算式は第１、第２、第３の実施の形態の場合と同じである。
【００７９】
曲率ρとカントＣのデータを記憶することも同様である。
【００８０】
次いで以下において、図１０を参照して、ばねによる付加係数ｑ１、ｑ２、ｑを車両諸元から求める求め方を説明する。
【００８１】
ここで車両諸元とは、車体の質量Ｍ（ｋｇ）、軸ばね７の回転中心と車体重心の高さ距離ｈ１（ｍ）、まくらばね３の回転中心と車体重心の高さ距離ｈ２（ｍ）、軸ばね定数ｋ１（Ｎ／ｍ）、まくらばね定数ｋ２（Ｎ／ｍ）、軸ばね７の左右間隔２ｂ１（ｍ）、まくらばね３の左右間隔２ｂ２（ｍ）である。
【００８２】
またｇは重力加速度９．８１（ｍ／ｓ² ）である。
【００８３】
ここで車体重心に単位の横力を加えたとき、軸ばね７による車体の角変位をＦ１（ｒａｄ／Ｎ）とし、まくらばね３による車体の角変位はＦ２（ｒａｄ／Ｎ）とする。すると、車体重心に単位の横力を加えたときのばね全体による車体の角変位はＦ（ｒａｄ／Ｎ）となる。
【００８４】
このようにすると、
（１）軸ばね７による付加係数ｑ１（無次元量）は、
ｑ１＝Ｆ１Ｍｇ
Ｆ１＝ｈ１／（２ｋ１ｂ１² ）
（２）まくらばね３による付加係数ｑ２（無次元量）は、
ｑ２＝Ｆ２Ｍｇ
Ｆ２＝ｈ２／（２ｋ２ｂ２² ）
（３）ばねによる付加係数ｑ（無次元数）は、
ｑ＝ｑ１＋ｑ２＝（Ｆ１＋Ｆ２）Ｍｇ＝ＦＭｇ
Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２
とすることができる。ここで、例えばｑ１＝０．０３、ｑ２＝０．０７である。
【００８５】
次いで、曲率ρとカントＣを求める式（１）及び式（２）の導出法について説明する。
【００８６】
（１）曲率ρについて
図９を参照して、曲率半径Ｒと、車体ヨー角αと、走行距離Ｌとから、
Ｌ＝Ｒ×α・・・・・・・・（３）
が導ける。この式の両辺を時間ｔで割ると
Ｌ／ｔ＝Ｒ×α／ｔ・・・・（４）
となる。
【００８７】
ここで、車体ヨー角速度θと車速度Ｖ及び曲率半径Ｒは次式で定義される。
【００８８】
θ＝α／ｔ・・・・・・・・（５）
Ｖ＝Ｌ／ｔ・・・・・・・・（６）
Ｒ＝１／ρ・・・・・・・・（７）
これら式（５）、（６）、（７）を式（３）に代入して整理すると、曲率ρを与える次の式（８）が導ける。
【００８９】
ρ＝θ／Ｖ・・・・・・・・（８）
この式自体は周知である。
【００９０】
（２）カントＣについて
２．１ まくらばねロール角φａを実測しないとき（第１、３の実施の形態）
図１０を参照して、車体２の床面に平行な加速度を車体左右定常加速度Ａ、車体の左右加速度を超過遠心加速度Ａｕとして定義する。
【００９１】
ここで超過遠心加速度Ａｕは左右加速度として軸ばね７に作用するので、その付加係数をｑ１とする。また左右加速度Ａ２はまくらばね３に作用するので、その付加係数をｑ２とする。
【００９２】
車体２の傾斜角をφｔとする。
【００９３】
また床面に平行な成分を求めるにあたり、φｔが小さい場合には、ｓｉｎφｔ≒φｔとすることができる。
【００９４】
すると、車体左右定常加速度Ａ＝超過遠心加速度＋軸ばね７のロールによる付加加速度＋まくらばね３のロールによる付加加速度−傾斜角φｔに基づく付加加速度
となる。
【００９５】
これを記号化して整理すると、
Ａ＝Ａｕ＋ｑ１×Ａｕ＋ｑ２×Ａ２−ｇ×φｔ・・・・・・・（９）
となる。
【００９６】
ところで、超過遠心加速度Ａｕと、左右加速度Ａ２とは、次の関係にあることが既に知られている。
【００９７】
Ａｕ＝ρ×Ｖ² −ｇ×Ｃ／Ｇ・・・・・・・・・・・・・・・（１０）
Ａ２＝Ａｕ−ｇ×φｔ ・・・・・・・・・・・・・・・（１１）
ここで、ｇは重力加速度、Ｇは軌間である。
【００９８】
式（１１）を式（９）に代入すると、
Ａ＝（１＋ｑ１＋ｑ２）×Ａｕ−ｇ×（１＋ｑ２）×φｔ・・（１３）
となる。
【００９９】
付加係数ｑ１、ｑ２は、実測、あるいは既に説明したように車両諸元から計算で求められる一定の無次元の数値である。
【０１００】
一方、ｑ＝ｑ１＋ｑ２であるから、これからｑ１を消去すると
Ａ＝（１＋ｑ）×Ａｕ−ｇ×（１＋ｑ２）×φｔ・・・・・・（１４）
となる。
【０１０１】
この式（１４）に式（１０）を代入して、カントＣを求めると、
Ｃ＝（ρＶ² −（Ａ＋ｇ（１＋ｑ２）φｔ）／（１＋ｑ））Ｇ／ｇ（ｍ）・（１）
なる式（１）が導かれる。
【０１０２】
２．２ まくらばねロール角φａを実測するとき（第２、第４の実施の形態）
この場合は、まくらばねロールによる付加加速度の代わりに、実測されたまくらばねロール角φａを用いる。即ち式（１４）に代えて、
Ａ＝（１＋ｑ１）×Ａｕ＋ｇ×（φａ−φｔ）・・・・・・・（１５）
を用いる。
【０１０３】
この式（１５）に式（１０）を代入して、カントＣを求めると、
Ｃ＝（ρＶ² −（Ａ−ｇ（φａ−φｔ））／（１＋ｑ１））Ｇ／ｇ（ｍ）・（２）
となる式（２）が得られる。
【０１０４】
なお本願発明の第１第２の実施の形態においては、センサ部００及び演算・記憶部２０は、振り子式車両車両に搭載することを前提として、カントＣ、曲率ρ等の鉄道軌道１の曲線形状データを取得することができるものとした。
【０１０５】
ここで、センサ部００及び演算・記憶部２０を通常（非振り子式）車両に搭載した場合は、車体の傾斜角φｔは常に０であるから、カントＣを求める演算式（１）（２）は、傾斜角センサ１１からの車体の傾斜角φｔを常に０として、演算実施することができる。
【０１０６】
そしてこの場合、車体の傾斜角φｔを０とするならば、傾斜角センサ１１を搭載しないものと等価であり、即ち搭載しなくてもよいとすることができる。
【０１０７】
また演算・記憶部２０として、マイクロコンピュータの如きソフトウエアで動作するものを採用することができる。その場合は、曲率演算部２１、カント演算部２２は、それぞれその機能を実行する如く動作し、記憶部２３はプログラムや各種データを記録するメモリや記憶装置とすることができる。
【０１０８】
【発明の効果】
第１、第２の実施の形態に示されるが如き本願発明にあっては、振り子式車両に搭載されるものであり、高精度ジャイロ等の高価なセンサを用いずに、安価な各センサを車両上に適切に配置しており、カントＣを求める新規の演算式を用い、計測されるデータに基づいて、線路の位置に対応した鉄道軌道１の曲率ρ、カントＣ等の曲線形状データを、一回の走行で精度よく取得し、記憶できる安価な鉄道軌道１の曲線形状データ取得装置を提供できる。
【０１０９】
特に第２の実施の形態のものにあっては、まくらばねロール角センサを搭載してまくらばねロール角φａを実測しているので、カントＣの演算式として、式（１）とは別の式（２）が利用でき、演算装置の処理負担が小さくなる。
【０１１０】
第３、第４の実施の形態に示されるが如き本願発明にあっては、通常（非振り子式）の車両に搭載されるものであるから、傾斜角センサ１１は搭載する必要がなく、車体の傾斜角φｔを０として、カントＣを求める演算式を実行すればよく、より簡単で安価な構成で実施できる。
【０１１１】
また特に第４の実施の形態のものにあっては、第２の実施の形態のものと同様に、まくらばねロール角センサを搭載してまくらばねロール角φａを実測しているので、カントＣの演算式として、式（１）とは別の式（２）が利用でき、演算装置の処理負担が小さくなる。
【０１１２】
従って振り子式車両の車体傾斜制御の実行は、実際の鉄道軌道１の状況に即して、本装置で求めた高精度の曲率ρ、カントＣ等の曲線形状データを利用することができるので、精度よく実現できることとなり、鉄道軌道１の曲線部を高速で走行でき、従って全体の旅行時間を短縮でき、しかも旅客の乗り心地向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 鉄道軌道１の曲線形状データ取得装置に関する第１、第３の実施の形態の構成図である。
【図２】 鉄道軌道１及びその曲線部の模式構造図である。
【図３】 カントＣの模式構造図である。
【図４】 振り子式車両の模式構造図である。
【図５】 傾斜装置による車体の傾斜角φｔを示す説明図である。
【図６】 車体ヨー角速度θの説明図である。
【図７】 曲率ρとカントＣの説明図である。
【図８】 鉄道軌道１の曲線形状データ取得装置に関する第２、第４の実施の形態の構成図である。
【図９】 曲率ρの説明図である。
【図１０】 ばね変位の説明図である。
【符号の説明】
１ 鉄道軌道
２ 車体
３ まくらばね
４ 傾斜はり
５ 傾斜装置
６ 台車枠
７ 軸ばね
８ 車輪軸
００ センサ部
０９ 車体ヨー角速度センサ
１０ 速度センサ
１１ 傾斜角センサ
１２ 車体左右振動加速度センサ
１３ まくらばねロール角センサ
２０ 演算・記憶部
２１ 曲率演算部
２２ カント演算部
２３ 記憶部

Claims (4)

1. 演算・記憶部（２０）と、センサ部（００）とから構成される鉄道軌道の曲線形状データ取得装置であって、
   演算・記憶部（２０）と、センサ部（００）とは、振り子式車両に搭載され、
   センサ部（００）は、速度センサ（１０）と、車体ヨー角速度センサ（０９）と、傾斜角センサ（１１）と、車体左右振動加速度センサ（１２）とから構成され、
   演算・記憶部（２０）は、曲率演算部（２１）と、カント演算部（２２）と、記憶部（２３）とを具備し、
   曲率演算部（２１）は、車体ヨー角速度センサ（０９）からの車体ヨー角速度θ（ｒａｄ／ｓ）と、速度センサ（１０）からの車速度Ｖ（ｍ／ｓ）とが入力されたときには、曲率ρを式 ρ＝θ／Ｖ（１／ｍ） より求めて出力し、
   カント演算部は（２２）は、この曲率ρと、傾斜角センサ（１１）からの振り子式車両における台車枠（６）に対する傾斜はり（４）の傾斜角φｔ（ｒａｄ）と、車体左右振動加速度センサ（１２）からの車体左右定常加速度Ａ（ｍ／ｓ² ）とが入力されたときには、式（１）よりカントＣを演算して出力し、
   Ｃ＝（ρＶ² −（Ａ＋ｇ（１＋ｑ２）φｔ）／（１＋ｑ））Ｇ／ｇ（ｍ）・・（１）
   〔但し、ｑ２はまくらばねによる付加係数であり、該ｑ２はＦ２Ｍｇ（Ｆ２はまくらばねによる車体の角変位、Ｍは車体の質量、ｇは重力加速度）、ｑはばねによる付加係数でｑ１＋ｑ２、該ｑ１は軸ばねによる付加係数であり、該ｑ１はＦ１Ｍｇ（Ｆ１は軸ばねによる車体の角変位、Ｍは車体の質量、ｇは重力加速度）、Ｇは軌間、ｇは重力加速度である。〕
   記憶部（２３）は、位置に対応した鉄道軌道（１）の曲率ρ及びカントＣのデータを記憶する
   鉄道軌道の曲線形状データ取得装置。
2. 演算・記憶部（２０）と、センサ部（００）とから構成される鉄道軌道の曲線形状データ取得装置であって、
   演算・記憶部（２０）と、センサ部（００）とは、振り子式車両に搭載され、
   センサ部（００）は、速度センサ（１０）と、車体ヨー角速度センサ（０９）と、傾斜角センサ（１１）と、車体左右振動加速度センサ（１２）と、まくらばねロール角センサ（１３）とから構成され、
   演算・記憶部（２０）は、曲率演算部（２１）と、カント演算部（２２）と、記憶部（２３）とを具備し、
   曲率演算部（２１）は、車体ヨー角速度センサ（０９）からの車体ヨー角速度θ（ｒａｄ／ｓ）と、速度センサ（１０）からの車速度Ｖ（ｍ／ｓ）とが入力されたときには、曲率ρを式 ρ＝θ／Ｖ（１／ｍ） より求めて出力し、
   カント演算部は（２２）は、この曲率ρと、傾斜角センサ（１１）からの振り子式車両における台車枠（６）に対する傾斜はり（４）の傾斜角φｔ（ｒａｄ）と、車体左右振動加速度センサ（１２）からの車体左右定常加速度Ａ（ｍ／ｓ² ）と、まくらばねロール角センサ（１３）からのまくらばねロール角φａ（ｒａｄ）とが入力されたときには、式（２）よりカントＣを演算して出力し、
   Ｃ＝（ρＶ² −（Ａ−ｇ（φａ−φｔ））／（１＋ｑ１））Ｇ／ｇ（ｍ）・・（２）
   〔但し、ｑ１は軸ばねによる付加係数であり、該ｑ１はＦ１Ｍｇ（Ｆ１は軸ばねによる車体の角変位、Ｍは車体の質量、ｇは重力加速度）、Ｇは軌間、ｇは重力加速度である。〕
   記憶部（２３）は、位置に対応した鉄道軌道（１）の曲率ρ及びカントＣのデータを記憶する
   鉄道軌道の曲線形状データ取得装置。
3. 演算・記憶部（２０）と、センサ部（００）とから構成される鉄道軌道の曲線形状データ取得装置であって、
   演算・記憶部（２０）と、センサ部（００）とは、通常（非振り子式）車両に搭載され、
   センサ部（００）は、速度センサ（１０）と、車体ヨー角速度センサ（０９）と、車体左右振動加速度センサ（１２）とから構成され、
   演算・記憶部（２０）は、曲率演算部（２１）と、カント演算部（２２）と、記憶部（２３）とを具備し、
   曲率演算部（２１）は、車体ヨー角速度センサ（０９）からの車体ヨー角速度θ（ｒａｄ／ｓ）と、速度センサ（１０）からの車速度Ｖ（ｍ／ｓ）とが入力されたときには、曲率ρを式 ρ＝θ／Ｖ（１／ｍ） より求めて出力し、
   カント演算部は（２２）は、車体（２）の傾斜角φｔ（ｒａｄ）＝０として、この曲率ρと、車体左右振動加速度センサ（１２）からの車体左右定常加速度Ａ（ｍ／Ｓ² ）とが入力されたときには、式（１）よりカントＣを演算して出力し、
   Ｃ＝（ρＶ² −（Ａ＋ｇ（１＋ｑ２）φｔ）／（１＋ｑ））Ｇ／ｇ（ｍ）・・（１）
   〔但し、ｑ２はまくらばねによる付加係数であり、該ｑ２はＦ２Ｍｇ（Ｆ２はまくらばねによる車体の角変位）、ｑはばねによる付加係数でｑ１＋ｑ２、該ｑ１は軸ばねによる付加係数であり、該ｑ１はＦ１Ｍｇ（Ｆ１は軸ばねによる車体の角変位、Ｍは車体の質量、ｇは重力加速度）、Ｇは軌間、ｇは重力加速度である。〕
   記憶部（２３）は、位置に対応した鉄道軌道（１）の曲率ρ及びカントＣのデータを記憶する
   鉄道軌道の曲線形状データ取得装置。
4. 演算・記憶部（２０）と、センサ部（００）とから構成される鉄道軌道の曲線形状データ取得装置であって、
   演算・記憶部（２０）と、センサ部（００）とは、通常（非振り子式）車両に搭載され、
   センサ部（００）は、速度センサ（１０）と、車体ヨー角速度センサ（０９）と、車体左右振動加速度センサ（１２）と、まくらばねロール角センサ（１３）とから構成され、
   演算・記憶部（２０）は、曲率演算部（２１）と、カント演算部（２２）と、記憶部（２３）とを具備し、
   曲率演算部（２１）は、車体ヨー角速度センサ（０９）からの車体ヨー角速度θ（ｒａｄ／ｓ）と、速度センサ（１０）からの車速度Ｖ（ｍ／ｓ）とが入力されたときには、曲率ρを式 ρ＝θ／Ｖ（１／ｍ） より求めて出力し、
   カント演算部は（２２）は、車体（２）の傾斜角φｔ（ｒａｄ）＝０として、この曲率ρと、車体左右振動加速度センサ（１２）からの車体左右定常加速度Ａ（ｍ／ｓ² ）と、まくらばねロール角センサ（１３）からのまくらばねロール角φａ（ｒａｄ）とが入力されたときには、式（２）よりカントＣを演算して出力し、
   Ｃ＝（ρＶ² −（Ａ−ｇ（φａ一φｔ））／（１＋ｑ１））Ｇ／ｇ（ｍ）・・（２）
   〔但し、ｑ１は軸ばねによる付加係数であり、該ｑ１はＦ１Ｍｇ（Ｆ１は軸ばねによる車体の角変位、Ｍは車体の質量、ｇは重力加速度）、Ｇは軌間、ｇは重力加速度である。〕
   記憶部（２３）は、位置に対応した鉄道軌道（１）の曲率ρ及びカントＣのデータを記憶する
   鉄道軌道の曲線形状データ取得装置。

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