JP5301477B2

JP5301477B2 - 慣性測定法による軌道検測装置の低速時精度補償方法及びその装置

Info

Publication number: JP5301477B2
Application number: JP2010021041A
Authority: JP
Inventors: 英治矢澤; 聡明南木
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2010-02-02
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2030-02-02
Also published as: JP2011156995A

Description

本発明は、鉄道軌道管理のための線路の歪み（一般的に軌道狂い、あるいは軌道変位という）の測定方法及びその装置に関するものである。

軌道の歪みの測定方法としては、１０ｍ間の３点を測定する方法（正矢法）が事実上の標準である。任意の距離間の不等間隔の３点を測定する方法（偏心矢法）もあるが、実用上は、この波形をコンピュータ処理で正矢法の波形に換算して利用している（下記特許文献１，２参照）。これに対し、以下のような測定方法がある。
図６はかかる従来の慣性測定法による軌道検測装置の説明図である。

この図において、１０１は軌道検測車、１０２は軌道検測車１０１に搭載される加速度センサ（ジャイロセンサ）、１０３は軌道検測車１０１に搭載される変位計、１０４は加速度センサ１０２から得られる加速度信号の２回積分器、１０５は変位計１０３からの出力信号をろ過するハイパスフィルタ、１０６は位相補償・波形変換器、１０７は軌道狂い計測器である。

この慣性測定法によれば、軌道検測車１０１からの加速度信号を２回積分器１０４により２回積分することにより、線路の歪みを１点のみで測定することができる。

特開２００２−１９５８１８号公報特許第３４１１８６１号公報

しかしながら、加速度センサには検出可能な最小限界値が存在するため、この慣性測定法は、軌道検測車が低速で走行し、線路の歪みを通過したときに発生する加速度が小さくなると、精度低下を起こす。このため、この測定方法では、軌道検測車の測定可能な走行速度に下限が存在することになる。
本発明は、上記状況に鑑みて、軌道検測車の低速走行時における慣性測定法の精度低下を補償し、測定下限速度を引き下げることができる、慣性測定法による軌道検測装置の低速時精度補償方法及びその装置を提供するものである。

〔１〕慣性測定法による軌道検測装置の低速時精度補償方法において、誤差を含んだ高低・通り検測データを得るステップと、精度を保持している短波長データをハイパスフィルタ処理で抽出し、高低・通りの短波長データを得るステップと、一方、前記高低・通りと同時に収録した角度データを得るステップと、軌道の２点間の変化量から計算した曲線線形データを得るステップと、この曲線線形データをローパスフィルタ処理し、精度を失ってしまっている曲線線形にあたる長波長データを得るステップと、前記高低・通りの短波長データと前記長波長データとを合算して、高低・通りの精度補償済みデータを得るステップとを有することを特徴とする。

〔２〕慣性測定法による軌道検測装置の低速時精度補償方法において、誤差を含んだ高低・通りの検測データを得るステップと、曲線線形計算用移動平均フィルタ処理を行うステップと、前記誤差を含んだ高低・通りの検測データから前記曲線線形計算用移動平均フィルタ処理をしたデータを引算するステップと、前記引算の結果、整備目標値照査用高低・通りデータを得るステップと、一方、高低・通りと同時に収録した角度データを得るステップと、軌道の２点間の変化量から計算した曲線線形データを得るステップと、曲線線形計算用移動平均フィルタ処理を行い、曲線線形にあたる長波長データを得るステップと、前記整備目標値照査用高低・通りデータと前記長波長データを合算して、高低・通りの精度補償済みデータを得るステップとを有することを特徴とする。

〔３〕慣性測定法による軌道検測の低速時精度補償装置において、慣性測定で得られる加速度・角度・変位の信号を位相補償・波形変換器で得て、軌道検測車の低速時には前記信号を位相補償・波形変換器から分岐して低速時精度補償部によって演算し、前記軌道検測車の低速時における出力として軌道狂いを計測することを特徴とする。
〔４〕上記〔３〕記載の慣性測定法による軌道検測の低速時精度補償装置において、前記加速度を検出する加速度センサと角度を検出するジャイロセンサとを具備することを特徴とする。

〔５〕上記〔４〕記載の慣性測定法による軌道検測の低速時精度補償装置において、前記加速度を検出する加速度センサからの加速度と、ジャイロセンサからの角度データとを２回積分器を介して前記位相補償・波形変換器に入力し、前記軌道検測車の低速走行を低速検知装置が検知した場合、前記位相補償・波形変換器から分岐して低速時精度補償部によって前記軌道狂いを演算することを特徴とする。

〔６〕上記〔３〕記載の慣性測定法による軌道検測の低速時精度補償装置において、前記変位を検出する変位計を具備することを特徴とする。

本発明によれば、加速度センサの精度にとらわれず、２回積分回路の動作下限速度までの軌道検測が可能となる。

本発明の実施例を示す慣性測定法による軌道検測装置の低速時精度補償の説明図である。本発明の慣性測定法による軌道検測の結果を示す波形図である。本発明の軌道検測の精度補償の一般的な方法のフローチャートである。本発明の軌道検測の演算処理に用いるフィルタ特性のイメージを示す図である。本発明に係る軌道検測車の持つ既存処理系を最大限に利用した精度補償方法のフローチャートである。従来の慣性測定法による軌道検測装置の説明図である。

本発明の慣性測定法による軌道検測装置の低速時精度補償方法は、誤差を含んだ高低・通り検測データを得るステップと、精度を保持している短波長データをハイパスフィルタ処理で抽出し、高低・通りの短波長データを得るステップと、一方、前記高低・通りと同時に収録した角度データを得るステップと、軌道の２点間の変化量から計算した曲線線形データを得るステップと、この曲線線形データをローパスフィルタ処理し、精度を失ってしまっている曲線線形にあたる長波長データを得るステップと、前記高低・通りの短波長データと前記長波長データとを合算して、高低・通りの精度補償済みデータを得るステップとを有する。

図１は本発明の実施例を示す慣性測定法による軌道検測装置の低速時精度補償の説明図である。
この図において、１は軌道検測車、２は軌道検測車１に搭載される慣性センサ（加速度センサ・ジャイロセンサ）、３Ａは軌道検測車１に搭載される変位計、３Ｂは速度計（例えば、回転数センサ）、４は慣性センサ２から得られる加速度信号の２回積分器、５は変位計３からの信号をろ過するハイパスフィルタ、６は２回積分器４からの信号とハイパスフィルタ５からの信号に基づいて位相を補償する位相補償・波形変換器、７は軌道検測車１の低速検知装置であり、速度計３Ｂからのデータに基づいて軌道検測車１の低速（２０〜２５ｋｍ／ｈ）走行が検知されるとオンとなり、以降の回路を形成する。８は低速検知装置７がオンの場合に作動する低速時精度補償部、９は軌道狂い計測器である。

以下、本発明の慣性測定法による軌道検測装置の低速時精度補償方法について説明する。
本発明では、一般的な慣性測定で得られる加速度・角度・変位の信号を位相補償・波形変換器６で得ると、軌道検測車１の低速時にはそれらの信号を位相補償・波形変換器６から分岐して低速時精度補償部８によって演算し、軌道検測車１の低速時における出力として軌道狂いを計測する。

図２は本発明の慣性測定法による軌道検測の結果を示す波形図であり、図２（ａ）は精度が低下した波形、図２（ｂ）はその時の軌道検測車の速度波形、図２（ｃ）は図２（ａ）に示す波形の長波長成分の波形（本来は目標値超過箇所照査用に用いている）、図２（ｄ）は図２（ｃ）から図２（ａ）を引いた短波長成分の波形、図２（ｅ）は他の手法で求めた長波長成分の波形〔図２（ｃ）に示す波形と同じ特性のフィルタを使用〕、図２（ｆ）は図２（ｄ）の波形と図２（ｅ）の波形を合算して求まる精度補償波形、図２（ｇ）はこの区間の正しい波形を示す図である。

慣性測定法の低速時における精度低下は、測定された現象の全ての帯域に同時に及ぶものではなく、加速度出力が相対的に出力が小さくなると、長波長信号側から徐々に精度低下を起こすものであるため、図２（ａ），図２（ｂ）に示すように、軌道検測車の走行速度が下がるとデータのゼロ点がドリフトする形で現れてくる。しかし、この状態でもなお、短波長データは十分な精度を有している。

本発明の精度補償演算は、この短波長データを最大限利用し、精度を失った長波長成分を別の方法で補ってやることにより実現する。
まず、図３に精度補償の一般的な手法のフローチャートを示す。
最初に、誤差を含んだ高低・通りの検測データの波形を得て（ステップＳ１）、それから、なお精度を保持している短波長データをハイパスフィルタ処理で抽出（ステップＳ２）し、高低・通りの短波長データを得る（ステップＳ３）。

次に、高低・通りと同時に角度データを収録し（ステップＳ４）、軌道の２点間の変化量から計算した曲線線形を得て（ステップＳ５）、これをローパスフィルタ処理（ステップＳ６）し、精度を失ってしまっている曲線線形にあたる長波長データを得る（ステップＳ７）。この長波長データは、慣性測定と同時に収録したジャイロセンサ等の角度計測器の信号から求められる。

次に、ステップＳ７で得られた長波長データを、ステップＳ３で得られた短波長データと合算（ステップＳ８）し、高低・通りの精度補償済みの出力を得る（ステップＳ９）。
ここで、フィルタ処理に用いるハイパス・ローパスの両フィルタの特性は、図４にイメージを示すように、合算後のゲインがある特定の帯域を増幅したり減衰したりせず、ほぼ１となる特性であれば良い。

ところで、この手法の適用には好都合なことに、軌道検測車での測定には、検測結果から線形に当たる長波長成分を除き、短波長成分のみを取り出した上で、コンピュータによって整備基準を超過する著大値発生箇所を照査するという処理が行われている。多くの場合、除去すべき線形を求める処理は、ローパスフィルタ特性を持つ移動平均フィルタによって行っている。そして、この移動平均波形を元の波形から差し引くことにより、短波長帯だけを抽出して著大値判定用の波形としている。

このため、一般的な手法の場合には、既に短波長成分のみとなった波形が存在し、それに加算するとゲインが１になる長波長成分を求めるフィルタも処理系に作り込まれていることになる。したがって、この手法に本発明を適用する場合、角度測定によって線形にあたる波形を作り出す処理だけを付加し、その波形に既存の移動平均フィルタ処理を行うというわずかな処理を付加するだけで、本発明の方法を容易に実現できることになる。

図５は軌道検測車の持つ既存処理系を最大限利用した精度補償方法を示すフローチャートである。
（１）まず、誤差を含んだ高低・通りの検測データを得る（ステップＳ１１）。
（２）次に、曲線線形計算用移動平均フィルタ処理を行う（ステップＳ１２）。
（３）次に、上記ステップＳ１１で得られたデータから上記ステップＳ１２で得られたデータを引算する（ステップＳ１３）。

（４）ステップＳ１３の引算の結果、整備目標値照査用高低・通りデータを得る（ステップＳ１４）。
（５）一方、高低・通りと同時に角度データを収録する（ステップＳ１５）
（６）次に、２点間の変化量から計算した曲線線形を得る（ステップＳ１６）。
（７）次に、曲線線形計算用移動平均フィルタ処理を行う（ステップＳ１７）。なお、ステップＳ１２とステップＳ１７で使用するフィルタは同じものである。

（８）次に、曲線線形にあたる長波長データを得る（ステップＳ１８）。
（９）上記したステップＳ４で得られたデータと上記したステップＳ１８で得られたデータを合算（ステップ１９）し、高低・通りの精度補償済み出力を得る（ステップ２０）。
この慣性測定装置の検測下限は、走行速度２０〜２５ｋｍ／ｈである。図２（ａ），図２（ｂ）に示すように、軌道検測車の走行速度が下がるとデータのゼロ点がドリフトする形で現れてくる。しかし、ここから図２（ｃ）に示す波形のような形で出力された移動平均処理波形を差し引いて短波長のみを取り出すと、図２（ｄ）に示すように、この帯域に限れば、速度が下がってもデータは十分な精度を有している。

ここに、別途、ジャイロセンサ等の出力角度から求めた長波長成分である図２（ｅ）に示す波形を加算すると、図２（ｆ）に示す波形のような精度補償波形が得られる。この区間を最高速度で通過することによって得られる、本来あるべき結果である図２（ｇ）に示す波形と比較すると、精度補償によった検測下限は１５ｋｍ／ｈ程度となり、測定精度が低下した区間の延長が半分程度に短縮できることが分かる。

本発明の慣性測定法による軌道検測装置の低速時精度補償方法及びその装置は、軌道検測車の低速走行時における慣性測定法の精度低下を補償し、測定下限速度を引き下げることができるツールとして利用可能である。

１軌道検測車
２慣性センサ
３Ａ変位計
３Ｂ速度計
４２回積分器
５ハイパスフィルタ
６位相補償・波形変換器
７低速検知装置
８低速時精度補償部
９軌道狂い計測器

Claims

（ａ）誤差を含んだ高低・通り検測データを得るステップと、
（ｂ）精度を保持している短波長データをハイパスフィルタ処理で抽出し、高低・通りの短波長データを得るステップと、
（ｃ）一方、前記高低・通りと同時に収録した角度データを得るステップと、
（ｄ）軌道の２点間の変化量から計算した曲線線形データを得るステップと、
（ｅ）該曲線線形データをローパスフィルタ処理し、精度を失ってしまっている曲線線形にあたる長波長データを得るステップと、
（ｆ）前記高低・通りの短波長データと前記長波長データとを合算し、高低・通りの精度補償済みデータを得るステップとを有することを特徴とする慣性測定法による軌道検測装置の低速時精度補償方法。
（ａ）誤差を含んだ高低・通りの検測データを得るステップと、
（ｂ）曲線線形計算用移動平均フィルタ処理を行うステップと、
（ｃ）前記誤差を含んだ高低・通りの検測データから前記曲線線形計算用移動平均フィルタ処理をしたデータを引算するステップと、
（ｄ）前記引算の結果、整備目標値照査用高低・通りデータを得るステップと、
（ｅ）一方、高低・通りと同時に収録した角度データを得るステップと、
（ｆ）軌道の２点間の変化量から計算した曲線線形データを得るステップと、
（ｇ）曲線線形計算用移動平均フィルタ処理を行い、曲線線形にあたる長波長データを得るステップと、
（ｈ）前記整備目標値照査用高低・通りデータと前記長波長データを合算して、高低・通りの精度補償済みデータを得るステップとを有することを特徴とする慣性測定法による軌道検測装置の低速時精度補償方法。
慣性測定で得られる加速度・角度・変位の信号を位相補償・波形変換器で得て、軌道検測車の低速時には前記信号を位相補償・波形変換器から分岐して低速時精度補償部によって演算し、前記軌道検測車の低速時における出力として軌道狂いを計測することを特徴とする慣性測定法による軌道検測の低速時精度補償装置。
請求項３記載の慣性測定法による軌道検測の低速時精度補償装置において、前記加速度を検出する加速度センサと角度を検出するジャイロセンサとを具備することを特徴とする慣性測定法による軌道検測の低速時精度補償装置。
請求項４記載の慣性測定法による軌道検測の低速時精度補償装置において、前記加速度を検出する加速度センサからの加速度と、ジャイロセンサからの角度データとを２回積分器を介して前記位相補償・波形変換器に入力し、前記軌道検測車の低速走行を低速検知装置が検知した場合、前記位相補償・波形変換器から前記データを分岐して低速時精度補償部によって前記軌道狂いを演算することを特徴とする慣性測定法による軌道検測の低速時精度補償装置。
請求項３記載の慣性測定法による軌道検測の低速時精度補償装置において、前記変位を検出する変位計を具備することを特徴とする慣性測定法による軌道検測の低速時精度補償装置。