KR101157756B1 - 자기 유도 차량의 운동을 측정하는 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 특히 부착 손실 동안에 그리고 경사, 회전 및 기울기에 관하여 차량의 여행 프로파일에 관계없이, 향상된 측정 신뢰도를 갖는, 자기 유도 차량의 운동을 측정하는 장치에 관한 것이다. 이 때문에, 자기 유도 차량의 운동을 측정하는 장치는 그것의 온보드 상에 운동 계산기에 연결된 2개의 가속도계를 포함하고, 각 가속도계는 차량 가속도 합성(resultant)의 투영들이 측정되는 2개의 측정 축들을 포함한다. 가속도계들의 4개의 측정 축들은, 계산기가, 4개의 투영 측정들로부터, 경사들 및 회전들 양쪽 모두를 포함하는 루트의 각 지점에서의 차량의 적어도 하나의 매우 정확한 종방향 가속도 값을 제공하도록, 조정된다.
Description
본 발명은 청구항 1의 전제부(preamble)에 따른 자기 유도 차량의 운동을 측정하는 장치에 관한 것이다.
오늘날에는 특히 열차의, 지하철 열차의 객차(carriage), 무궤도 전차(trolleybus), 트램웨이 카(tramway car), 버스 또는 가이드 레일과 같은 레일 또는 적어도 하나의 도로(trackway)에 의한 견인으로 추진되는 임의의 다른 차량과 같은 공공 수송을 위해 의도된 차량들에 있어서, 차량의 운동, 속도 또는 가속도를 측정하는 다수의 방법들 및 장치들이 알려져 있다. 특히, 교통 시스템(철도 신호, 차량의 온보드(on-board) 및/또는 원격 자동 조정 장치(autopilot) 시스템 등)에 의해 자기 유도되는 차량의 경우에는, 그 차량의 루트의 특징이 무엇이든지 (고장에 대하여) 신뢰할 수 있고 (승객 또는 화물에 대하여) 안전한 자기 유도를 제공하는 수단은 없어서는 안 된다. 이 점에서, 특히 차량이, 자유 주행하는(free-running) 측정 차축 또는 구동 차축의 (차량의 제동 동안의) 바퀴 잠김(wheel locking) 또는 (차량의 가속 동안의) 미끄러짐(slipping) 동안과 같은, 불가피한 부착의 손실(loss of adhesion)에 처하는 경우에, 차량의 위치, 속도(및 가속도)에 관하여 실시간으로 정확히 통지받는 것은 필수적이다.
유도되는 차량이 어떠한 견인 또는 제동력도 없는 차축을 갖는 경우에, 차량의 운동은 차축(또는 이 차축과 관련된 바퀴들 중 하나)의 회전에 의해 직접 제공된다.
그러나, 이 해법은 견인 또는 제동력을 감소시켜 차량의 성능을 감소시키고, 이것은 대부분의 시스템들이 자유 주행하는 차축들을 갖고 있지 않은 이유이다.
자유 주행하는 차축이 없을 경우에 미끄러짐/바퀴 잠김과 관련된, 그것의 바퀴들 중 하나의 부착의 손실과 관련된 결과들을 극복하기 위하여, 몇 개의 장치들이 존재하고 다음을 이용한다:
- 광학적 수단에 의한 또는 심지어 도플러 효과 레이더 시스템에 의한 속도의 측정을 허용하는 바퀴들과 완전히 무관한 측정 수단. 그러나, 이 값비싼 장치들은 일반적으로 저속에서 및 차량이 움직이지 않을 때의 동작을 위한 추가적인 회전속도계(tachometer)를 이용하고, 상기 회전속도계는 단위 시간당 바퀴의 회전의 수 또는 바퀴의 각속도를 획득하는 것을 가능하게 한다;
- 또는 가속도계, 자이로미터(gyrometer) 및 GPS와 같은 지상 위치 측정 시스템(terrestrial localization system)을 결합한 관성 유닛들. 그러나, 상기 시스템들은, 항공 시스템들을 위한 응용들에서 자주 이용되는, 그들의 하이레벨 기술 때문에 여전히 매우 값비싸다;
- 또는, EP 0 716 001 B1에서와 같은, 여전히 너무 근사적이기 때문에 운동을 측정하는 성능을 손상시키는 가능한 미끄러짐/바퀴 잠김의 효과들을 보상하려고 시도하기 위하여 하나의 바퀴에 대하여 또는 바퀴들에 대하여 측정된 값들에 대한 안전 마진을 고려하는 수단 및 차축 상에 배열된 단일 회전속도계. 이것은 또한 차량 및 그의 승객 또는 화물에 대하여 매우 갑작스러울 수 있는 보상으로서의 잠김 방지(anti-lock) 시스템으로 귀결된다;
- 또는, US 2005/0137761 A1에서와 같은, 차량에 설비된 가속도계 및 차축 상의 회전속도계. 이것의 측정 신호들은, 비록 구체적으로 개시되지는 않았을지라도, 부착의 손실의 경우에 일어나는 에러들을 고려하기 위해 및 차량의 루트 상의 차량의 속도 및 위치를 제공하기 위해, 적절한 중앙 컴퓨터에 연결된다. 특히, 가속도계는 각각 차량의 궤도의 하나의 방향에서 가속도를 결정하고 및 운동의 계산시, 수평면에 관한 차량의 경사를 결정하고 따라서 그 경사를 고려하기 위하여 2개의 측정 축들을 포함한다. 가속도계의 및 회전속도계의 측정 신호들의 값들은 또한 임계 속도 값들과 비교되고, 만일 그것들이 임계치를 초과한다면, 차량의 부착의 손실(미끄러짐/바퀴 잠김)의 존재를 나타내는 것을 가능하게 한다. 비록 차량에 의해 지지되는 경사의 효과들이 고려될지라도, 차량에서의 가속도계의 (및 그것의 2개의 측정 축들의 포지셔닝의) 위치에 따라서 차량의 궤도와 관련된 다른 효과들이 불가피한데, 이는 철도 운송 유닛이 길게 된 기하 형상(elongate geometry)을 갖고 그것을 따라서 차량의 상류에 배치된 단일 가속도계 및 회전속도계는, 예를 들면, 회전(turn) 또는 횡방향 가속의 효과와 같은 차량의 완전한 조립체에 작용하는 효과들을 나타내는 측정 수단을 제공하지 않을 수 있기 때문이다.
그러므로, 모든 이들 장치들은, 어떠한 제동 및 견인력도 없는 차축들을 갖지 않고, 임의의 프로파일의 트랙에서 주행하는 유도 차량의 운동을 계산하는 것을 가능하게 하지만 자유 주행하는 차축을 갖는 "이상적인" 시스템의 정확도보다 훨씬 낮은 정확도로 계산하는데, 이는 장치들이 횡방향 가속도(회전, 기울기(slant)) 및 심지어 수직 가속도(경사(slope))에 의해 야기되는 에러들에 더하여 부착의 손실들(견인/제동력들에 의해 야기되는 미끄러짐 및 바퀴 잠김)을 완전히 극복할 수 없을 수도 있게 되기 때문이다.
본 발명의 목적은 특히 부착 손실 동안에 및 경사, 회전 및 기울기에 관하여 차량의 이동 프로파일(travel profile)에 관계없이, 향상된 측정 신뢰도를 갖는 자기 유도 차량의 운동을 측정하는 장치를 제안하는 것이다.
이 때문에, 2개의 온보드 가속도계를 포함하는 자기 유도 차량의 운동을 측정하는 장치 - 각각의 가속도계는 2개의 측정 축들을 포함하고 그것의 측정 신호들은 운동을 계산하기 위해 컴퓨터에 연결됨 - 가 청구항 1에 청구된 대로 제안된다.
하나의 가능성으로서, 적어도 하나의 회전속도계가 차량의 차축들 중 하나에 설치되고 또한 모든 센서들(가속도계들 및 회전속도계)로부터 제공된 데이터를 처리하기 위해 컴퓨터에 연결될 수 있다. 회전속도계에 의해 전달된 측정 신호들은 장치의 정확도를 개선하기 위해 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는, 측정 축들에서 측정된 가속도들에 기초하여, (예를 들면 철도 트랙을 따르는) 차량의 속도 및 종방향 운동(longitudinal movement)에 관한 데이터를 제공한다. 그것은 레일/바퀴 부착의 조건에 관계없이 및 경사, 회전 및 기울기에 관하여 루트의 프로파일이 무엇이든지, 차량의 운동의 및 속도의 정확하고 연속적인 측정을 요구할 것 같은 임의의 유형의 온보드 장치와 관련될 수 있다.
가속도계들 및 그들의 측정 축들은, 상이한 측정 축들에서 취해진 측정들에 기초하여, 그것들이 차량의 종방향 가속도, 횡방향 가속도 및 경사 가속도가 계산되어 그 가속도 값들에 대한 시간의 적분에 의해 차량의 속도 및 종방향 운동을 결정하는 것을 허용하도록 배열된다.
본 발명에 따른 장치는 또한 유리하게도 차량의 루트 상의 차량의 부동(immobilization)을 신뢰성 있는 방식으로 검출하는 것을 가능하게 하고 이 때문에 센서들에 의해 전달된 정보로부터 제로 속도에 관한 정보를 생성한다.
이 장치는, 차량이 움직이지 않을 때, 센서들의 정확한 기능을 검증하고 그 결과 다른 온보드 시스템들에 의해 이용 가능하게 되는 데이터를 높은 신뢰도로 보증하는 것을 가능하게 하는 자동 교정 및 자동 검사를 위한 수단을 포함한다.
본 발명에 따른 장치의 하나의 적당한 이용은 그들의 유도의 유형이 무엇이든(기계적인 또는 만질 수 없는, 즉, 지면과 차량 사이에 기계적인 연결이 없는) 특히 열차이든, 지하철 열차이든, 트램웨이 카이든 또는 버스이든, 및 쇠바퀴 또는 타이어에 의한 동작의 유형이 무엇이든(차축, 보기(bogies)) 유도 차량들의 분야를 커버한다. 길게 된 기하 형상/섀시를 갖는 이러한 범주의 차량에 대하여, 회전 및 경사의 효과들은 차량의 온보드 가속도계들의 위치(또는 오프셋)에 따라서 무시할 수 없다는 것은 여기서 주목할 만하다. 따라서 본 발명은 유리하게도 차량의 운동을 보다 정확히 결정하기 위하여 이들 효과들이 극복되는 것을 허용한다.
따라서 본 발명에 따른 장치는 어떠한 제동 및 견인력도 없는 차축들을 갖지 않고, 임의의 유형의 프로파일의 트랙에서 주행하는 유도 차량의 운동을 계산하는 것을 가능하게 하고, 자유 주행하는 차축들을 갖는 시스템의 정확도에 상당하는 정확도를 유지하는 한편, 부착의 손실(견인/제동력들에 의해 야기되는 미끄러짐 및 바퀴 잠김) 및 횡방향 가속도(회전) 및 수직 가속도(경사)에 의해 야기되는 에러들을 극복한다.
하위 청구항들의 세트도 본 발명의 이점들을 제공한다.
예시적인 실시예들 및 응용의 예들은 설명된 도면들을 참조하여 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 자기 유도 차량의 운동을 측정하는 장치를 구비한 차량을 도시한다.
도 2는 움직이고 있는 차량과 관련된 평면들을 정의하는 다이어그램을 도시한다.
도 3은 장치에 대한 경사의 효과를 고려하는 다이어그램을 도시한다.
도 4는 장치에 대한 회전의 효과를 고려하는 다이어그램을 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 자기 유도 차량의 운동을 측정하는 장치를 구비한 차량을 도시한다.
도 2는 움직이고 있는 차량과 관련된 평면들을 정의하는 다이어그램을 도시한다.
도 3은 장치에 대한 경사의 효과를 고려하는 다이어그램을 도시한다.
도 4는 장치에 대한 회전의 효과를 고려하는 다이어그램을 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 자기 유도 차량의 운동을 측정하는 장치를 구비한 차량 VEH를 도시하고, 어쩌면 도 2와 관련되어, 움직이고 있는 차량과 관련된 평면들이 어떻게 차량에 의해 유지되는 가속도에 따라서 정의되고 2개의 가속도계들(101, 102)에 의해 측정되는지를 명백하게 설명한다. 도 3 및 4는 가속도계들을 중심으로 한 좌표(X, Y, Z)로서 차량에 의해 유치되는 가속도의 유형 Gx, Glat, Gpes(종방향 운동, 회전의 및/또는 경사의 효과)에 따라 선택된 평면들에 따른 가속도계들의 측정 축들 Acc1, Acc2, Acc3, Acc4의 배열을 도시하고, 여기서 축 X는 차량의 종방향 궤도의 방향을 나타낸다.
자기 유도 차량 VEH의 운동(실시간 위치 Dx)을 측정하는 장치는 그것의 온보드에:
- 차량의, 직선(rectilinear)으로 가정되는, 주 운동 VEx에 따른 제1 종방향 축 X, 및 차량의 바닥에 수직인 제2 축 Z에 의해 정의되는 종방향 평면 Py에, 2개의 측정 축들 Acc1, Acc2을 구비한 가속도계(101),
- 각 측정 축 Acc1, Acc2와 관련된 출력 신호 S1, S2에 연결된 컴퓨터(103) - 여기서 각 출력 신호 S1, S2는 관련된 측정 축 Acc1, Acc2에서의 차량의 총 가속도 합성(total acceleration resultant)의 직각 투영(orthogonal projection) Gacc1, Gacc2로서의 측정을 포함함 - 를 포함하고,
- 제2 가속도계(102)가 제1 축 X, 및 제1 및 제2 축 X, Z에 수직인 제3 축 Y에 의해 정의된 수평 평면 Pz에 적어도 2개의 측정 축들 Acc3, Acc4를 구비하고,
- 상기 컴퓨터(103)는 각각의 측정 축 Acc3, Acc4와 관련된 출력 신호 S3, S4에 연결되고, 여기서 각 출력 신호 S3, S4는 관련된 측정 축 Acc3, Acc4에서의 차량의 총 가속도 합성의 투영 측정 Gacc3, Gacc4를 포함하고,
- 제1 및 제2 가속도계(101, 102)의 모든 측정 축들 Acc1, Acc2; Acc3, Acc4는 그들의 각각의 평면 Py, Pz에, 컴퓨터(103)가 4개의 투영 측정들 Gacc1, Gacc2, Gacc3, Gacc4로부터, 경사들 및 회전들을 포함하는 루트의 각 지점에서의 차량의 종방향 가속도 Gx의 적어도 하나의 순간 값을 제공하도록 조정되는 조정 가능한 상대 각도 A1+A2, A3+A4를 갖는다. 즉, 종방향 가속도 Gx의 값은 경사 및 회전의 효과들을 고려한 정확한 가속도 값이다. 유사하게, 차축들의 회전으로부터 추론될 가속도 측정의 왜곡을 초래하는 부착의 손실이 여기서 이상적으로 보상될 수 있다.
그러므로, 주로, 본 발명에 따른 장치는 차량의 차체에 고정되고 차량의 종방향 가속도 및 횡방향 가속도를 측정하도록 의도된 2개의 2축 가속도계들(101, 102)을 이용한다. 차량은 종방향 가속도 Gx(견인/제동력들을 받는 차량의 운동), 횡방향 가속도 Glat(원심 가속도를 초래하는 궤도의 회전) 및 경사(궤도의 경사)에 직면하여 가해지는 중력으로 인한 수직 가속도 Gpes를 생성하는 3개의 힘을 받는다. 그의 2개의 축들 Acc1, Acc2가 수직 평면 Py에 위치하는 제1 가속도계(101) 및 그의 2개의 축들 Acc3, Acc4가 수평 평면 Pz에 위치하는 제2 가속도계(102)는 4개의 측정 축들 각각에 투영되는 가속도들(종방향, 횡방향, 중력)의 합성을 측정하는 것을 가능하게 한다. 가속도계들의 상이한 측정 축들 사이의 각도들은 알려져 있고 조정 후에 고정된다. 컴퓨터(103)는 차량의 위치 Dx에서 4개의 미지수들, 즉 궤도의 경사 각도 Ax, 횡방향 가속도 각도 Ay(차량의 중심에 관한 가속도계의 오프셋에 더하여 궤도의 곡률반경 R에 의존하는 및 차량의 속도로 인한 구심력의 합성), 횡방향 가속도의 값 Glat 및 종방향 가속도의 값 Gx를 결정하기 위하여 4개의 수학식들로 구성된 시스템의 해를 구한다. 이동의 지속 기간에 걸친 연속적인 적분에 의해, 컴퓨터(103)는 임의의 경사 및 회전 COURB에 대하여 그의 루트에 걸쳐서 차량 VEH의 종방향 속도 Vx 및 종방향 운동 Dx를 결정한다.
필요하다면, 본 발명에 따른 장치는 커버되는 거리 Dx의 및 속도 Vx의 상기 측정의 정확도를 개선하기 위해 회전속도계(108)에 의해 보완된다. 회전속도계(108)는 차량 VEH의 차축들 R1a, R2a, R1b, R2b 중 하나에 고정되고 그의 출력 신호(들) STb는 컴퓨터(103)에 송신된다. 컴퓨터(103)는 회전속도계의 측정 신호(들)에 기초하여 운동 DxT 및 속도 VxT를 평가한다. 컴퓨터는 회전속도계로부터의 운동의 측정의 결과들 및 가속도계들로부터의 결과들 사이의 비교를 수행한다. 이들 측정된 값들에 대하여, 측정의 차이가 임계치보다 작은 경우에, 그 측정 값들은 회전속도계의 측정 값들로 리셋된다. 반대의 경우(임계치보다 큰 값) 가속도계들의 측정으로부터의 결과들의 수정은 없다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제로 속도 정보 Op는 또한 차량의 장비로부터 발신하는 정보 Im(부동 신호, 제로 속도 지시자 등)로부터 컴퓨터(103)에 의해 신뢰성 있게 제공되거나 또는 본 발명에 따른 장치 자체에 의해 결정될 수 있다. 이 정보를 결정하기 위해, 컴퓨터(103)는 회전속도계 및 가속도계들로부터의 정보를 처리한다.
장치가 제로 속도를 결정할 때 및 가속도계들의 제안된 설치의 특징으로 인해, 장치는 또한 유리하게도 자동 검사(auto-test) 기능을 구현하는 능력을 갖는다. 이 자동 검사 기능은 (자동 교정 후에) 가속도계들로부터의 측정들에 행해져야 하는 보정들을 평가하고 가속도계들의 동작에서의 결점들을 식별하는 것을 가능하게 한다. 측정 축들의 다중성(multiplicity)은 (2개의 2축 가속도계들로 인해) 몇몇 측정들에 대하여 매우 유리한 중복성(redundancy)을 제공하고 (예를 들면 역의 각 정거장에서) 가속도계들의 신뢰도의 주기적인 검증에 의해 테스트 측정들(및 따라서 그 후의 운동)을 매우 낮은 에러의 확률로 보증하는 것을 가능하게 하여, 그것들을 철도 분야에서 요구되는 신뢰성 있는 시스템의 안정 요구에 호환되게 한다.
이 설명의 나머지에서는 2개의 도 3 및 4가 참조된다.
제1 가속도계(101)의 측정 축들 Acc1, Acc2를 고려하면(명료함의 이유로, 횡방향 가속도 Glat는 고의로 생략된, 도 3을 참조한다), 가속도계(101)의 축들 Acc1, Acc2 각각에서의 가속도들 Gx, Glat, Gpes의 투영들을 가산하는 것에 의한, 투영 측정들 Gacc1, Gacc2의 성분들은 다음과 같다:
- 축 Acc1에서
Gacc1 = 투영(Gx) - 투영(Gpes) - 투영(Glat)
(1) Gacc1 = Gx cos (Ay) cos (A1) + Gpes sin (A1-Ax) - Glat sin (Ay) cos (A1)
- 축 Acc2에서
Gacc2 = 투영(Gx) - 투영(Gpes) - 투영(Glat)
(2) Gacc2 = Gx cos (Ay) cos (A2) - Gpes sin (A2+Ax) - Glat sin (Ay) cos (A2)
유사하게, 제2 가속도계(102)의 측정 축들 Acc3, Acc4를 고려하면(명료함의 이유로, 경사 가속도 Gpes는 고의로 생략된, 도 4를 참조한다), 가속도계(102)의 축들 Acc3, Acc4 각각에서의 가속도들 Gx, Glat, Gpes의 투영들의 가산에 의한, 투영 측정들 Gacc3, Gacc4의 성분들은 다음과 같다:
- 축 Acc3에서
Gacc3 = 투영(Gx) - 투영(Glat) - 투영(Gpes)
(3) Gacc3 = Gx cos (A3+Ay) - Glat sin (A3+Ay) - Gpes sin (Ax) cos (A3)
- 축 Acc4에서
Gacc4 = 투영(Gx) - 투영(Glat) - 투영(Gpes)
(4) Gacc4 = Gx cos (A4-Ay) + Glat sin (A4-Ay) - Gpes sin (Ax) cos (A4)
수학식 (1) 내지 (4)에서:
- 축 X와 축 Acc1 사이의 평면 Py 내의 각도 A1
- 축 X와 축 Acc2 사이의 평면 Py 내의 각도 A2
- 축 X와 축 Acc3 사이의 평면 Pz 내의 각도 A3
- 축 X와 축 Acc4 사이의 평면 Pz 내의 각도 A4
- 평면 Py 내의 차량의 궤도의 각도 Ax(즉, 수평과 축 X 사이의 각도)
- 차량의 중심과 차량에 설치된 가속도계들(101, 102)의 고정 점 사이의 오프셋 거리 Dx
- 평면 Py 내의 곡률반경 R과 관련된 각도 Ay. 각도 Ay는, 곡률반경 R의 값이 통상적으로 오프셋 거리 Lx보다 더 크다고 가정하면, 제1 근사치 Lx/R에서, Arctg(Lx/R)에 의해 계산된다.
4개의 수학식 (1) 내지 (4)로 형성된 시스템의 해결(resolution)은 여기에 개시되지 않은 수학 기법들의 범위 내에 있고 그것의 목적은 가속도 값들 Gacc1, Gacc2, Gacc3, Gacc4의 측정들에 따라 4개의 변수들 Gx, Glat, Ax 및 Ay를 계산하는 것이고, 컴퓨터(103)는 그것을 이용한다.
그러나, 시스템의 해결은 유리하게도 가속도계들(101, 102)의 배열에 대한 어떤 특정한 가설들에서는 단순화된다.
이들 가설들로부터 각각이 직각을 정의하는 상대 각도들 A1+A2, A3+A4가 선택될 수 있는데, 즉, A1+A2 = 90°이고 A3+A4 = 90°이다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 상대 각도들 A1+A2, A3+A4 중 적어도 하나가 직각인 것을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 각 상대 각도 A1+A2, A3+A4가 사실상 제1 및 제2 가속도계(101, 102)의 4개의 측정 축들 Acc1, Acc2, Acc3, Acc4와 제1 축 X(직선으로 가정된, 차량의 주 운동에 따른 종방향 축) 사이의 투영 각도들에 각각 대응하는 제1 및 제2 각도(A1, A2 및 A3, A4)로 세분되도록(또는 세분 가능하도록) 구현된다.
이에 관하여, A1=A2 및 A3=A4이도록, 특히 A1=A2=A3=A4=45°이도록 각도 A1, A2, A3, A4를 선택하는 것도 매우 유리하다.
각도 A1, A3의 선택에 관하여, 그것들에 조정 가능한 값들을 귀속시키는 것도 가능하여 종방향 가속도의 측정의 정확도를 손상시키지 않고 경사 또는 회전의 효과들을 최선의 가능한 방식으로 추정하는 것을 가능하게 한다.
예로서, 만일 각 가속도계의 투영 각도들 A1, A2; A3, A4이 같은, 즉, A1=A2 및 A3=A4인 옵션이 선택된다면, 상기 수학식들의 시스템은 다음과 같이 된다:
(1) Gacc1 = Gx cos (Ay) cos (A1) + Gpes sin (A1-Ax) - Glat sin (Ay) cos (A1)
(2) Gacc2 = Gx cos (Ay) cos (A1) - Gpes sin (A1+Ax) - Glat sin (Ay) cos (A1)
(3) Gacc3 = Gx cos (A3+Ay) - Glat sin (A3+Ay) - Gpes sin (Ax) cos (A3)
(4) Gacc4 = Gx cos (A3-Ay) + Glat sin (A3-Ay) - Gpes sin (Ax) cos (A3)
이 시스템의 해결은 변수들 Gx, Glat, Ax, Ay에 의해 구해지고 정의되는 4개의 미지수들을 쉽게 결정하고, 그 후 운동의 지속 기간에 걸친 적분에 의해 그것으로부터 차량의 루트에 걸친 종방향 속도 Vx 및 관련 위치 Dx를 추론하는 것을 가능하게 한다:
따라서 본 발명에 따른 장치는 컴퓨터(103)가 경사들 및 회전들 양쪽 모두를 포함하는 루트의 각 지점에서 (즉, 그것에 관하여 곡률 반경 R에 대한 차량의 중심에 있을 가속도계의 설치의 고정 점에서의 횡방향 가속도의 회전을 나타내는) 횡방향 가속도 각도 Ay에 대한, 경사 각도 Ax의 값을 제공하는 것을 허용한다.
확대하면, 컴퓨터(103)는 차량의 종방향 가속도 Gx의 값을 연속적으로 적분하는 것에 의해 경사들 및 회전들 양쪽 모두를 포함하는 루트의 각 지점에서의 속도 Vx 및 위치 Dx를 제공한다.
위에 개시된 바와 같이, 장치는 또한,
- 차량의 적어도 하나의 차축 상에 배열되고 차량의 속도 VxT 및 위치 DxT의 타키메트릭(tachymetric) 값을 제공하는 회전속도계(104)를 포함할 수 있고,
- 그 타키메트릭 값들 VxT, DxT 및 컴퓨터(103)에 의해 획득되고 각각 전달되는 속도 및 위치 값들 Vx, Dx는 컴퓨터(103)에 포함된 비교기(106)에 제공되고,
- 비교기(106)는 속도 및 위치 값들의 카테고리들 사이의 차이들을 결정하고, 상기 차이들이 미리 정의된 임계치 미만이면, 경사들 및 회전들 양쪽 모두를 포함하는 루트의 각 지점에서 컴퓨터(103)에 의해 제공된 속도 및 위치 값들 Vx, Dx의 리세팅이 타키메트릭 값들 VxT, DxT에 대해 구현된다. 만일 그 차이가 임계치보다 높다면, 리세팅은 금지된다.
리세팅의 가능성은 바퀴의 반경에 비례하는 운동 및 속도의 단순한 추가적인 측정에 기초하여 속도 및 운동을 측정하는 것의 정확도의 증가를 제공한다.
본 발명에 따른 장치는 또한 컴퓨터(103)에 포함되거나 그것에 그리고 회전속도계(104)에 연결되는 차량의 제로 속도를 검출하는 수단(107)을 포함할 수 있다. 상기 회전속도계는 컴퓨터(103)에 의해 전달된 속도 및 위치 값들 Vx, Dx 및 대응하는 타키메트릭 값들 VxT, DxT의 적어도 하나의 상관기(correlator)를 포함한다.
그 결과, 다음에 의해 제로 속도를 검출하는 매우 신뢰성 있는 기능이 구현되는데, 즉,
- (예를 들면, 움직이지 않게 된 차량의 내부 신호 등에 의하여) 차량의 장치들 중 하나에 의해 이용 가능하게 되는 장치의 외부에 있는 정보를 고려하는 것에 의해
- 컴퓨터(103)에 의해 제공되는 속도 및 운동 Vx, Dx에 관한 정보를 필터링하여 차량의 정지를 결정하는 것에 의해 구현된다. 따라서 이 결정은 대응하는 타키메트릭 데이터 VxT, DxT와 상관될 수 있다.
- 이 처리에 이어서, 만일 차량이 진짜로 정지된 것이 확실하다면, 장치는 소위 제로 속도 정보를 제공한다.
따라서 자동 검사로 알려진 기능은 소위 제로 속도 정보를 유리하게 이용할 수 있다. 이 정보가 정당하게 제공될 때, 그것은 차량이 움직이지 않고 그 결과 종방향 및 횡방향 가속도가 제로인 것을 의미한다.
따라서 관련된 검사는 가속도계들(101, 102)에 의해 전달된 측정 값들이 위에 제공된 수학식들 (1), (2), (3), (4)의 시스템을 검증하는 것을 확인하는 것에 있고, 상기 수학식들은 다음으로 환산된다:
(1) Gacc1 = Gpes sin (A1-Ax)
(2) Gacc2 = - Gpes sin (A2+Ax)
(3) Gacc3 = - Gpes sin (Ax) cos (A3)
(4) Gacc4 = - Gpes sin (Ax) cos (A4)
이 시스템의 해결의 예는 여기에서, 투영 각도들 A1, A2; A3, A4는 평면들 Py, Pz 각각에서 각 쌍에 대하여 같다, 즉, A1=A2 및 A3=A4라는, 가속도계들의 배열의 특정한 가설에서 제공된다.
마지막 2개의 수학식들 (3) 및 (4)로부터 다음의 관계들 (5) 및 (6)이 추론될 수 있다.
(5) Gacc3 = Gacc4
(6) Sin (Ax) = - Gacc3/(Gpes Cos (A3))
수학식 (1) 및 (2)의 항 Sin(Ax)에 관하여, 상기 계산된 결과들을 이용하여 제1 가속도계(101)의 투영된 가속도들 Gacc1, Gacc2의 측정된 값들을 검증하는 것이 가능하다.
제2 가속도계(102)의 투영된 가속도들 Gacc3, Gacc4는 수학식 (5)에 의해 검증된다. 제1 근사화에서, 경사는, 일반적으로, 예를 들면, 차고에 주차하고 있는 경우 또는 역에 정지된 경우의 측정에 거의 영향을 미치지 않는다고 생각하는 것은 합리적이다.
그러나, 제2 가속도계(102)의 투영된 가속도들 Gacc3, Gacc4의 검증을 개선하기 위해, 데이터 뱅크로부터 경사의 값을 판독하는 것도 가능하다.
이들 검증들에 의해 및 필터링 임계치를 선택하는 것에 의해, 가속도계로부터의 측정들에 행해질 보정 계수들을 결정하는 것이 가능하다. 제2 가속도계(102)의 경우에 유리하게도 그것의 보정 계수들을 수정하기 전에 가속도계 드리프트의 느린 프로세스로부터 이익을 얻는 것이 가능하다. 이들 보정 계수들은 몇 번의 정지 후에 얻어진 확인에 이어서 적용된다. 이 정지의 수는 유지되는 정확도에 따라 조정 가능하다. 이것은 본 발명에 따른 장치를 자동 교정하는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 장치가 동작 중이 아닌 것을 선언하기 위하여 제1 임계치보다 더 높은 제2 선택된 임계치가 또한 정의될 수 있다.
자동 검사 기능을 구현하기 위해 본 발명에 따른 장치는,
- 제로 속도를 검출하는 수단이 차량의 정지를 확인한다면 활성화될 수 있는 가속도계들(101, 102)의 자동 교정을 위한 수단(105)을 포함하고,
- 자동 교정을 위한 수단은 가속도들을 계산하기 위한 유닛(104)(그 자체가 가속도계들(101, 102)로부터의 측정들을 수신하고 컴퓨터(103)에 포함됨)에 의해 제공되는 가속도계들(101, 102)로부터의 측정들을 처리하고,
- 자동 교정을 위한 수단은 차량의 종방향 가속도 Gx 및 횡방향 가속도 Glat의 제로 값들에 대응하는 측정들을 교정한다.
자동 교정을 위한 수단(105)은 제2 가속도계(102) 상의 측정 값들 Gacc3, Gacc4의 동일함(equality)을 검증하기 위한 제1 제어 모드 및 제1 가속도계(101)의 측정 값들 Gacc1, Gacc2가 제2 제어 모드에 의하여 검증되는 경사 각도 Ax를 다시 계산하기 위한 수단을 갖는다. 따라서, 검증은 매우 신뢰할 수 있게 되고 만일 경사 각도가 장치의 외부에 있는 알려진 정보에 의해 평가되고 중복하여 확인될 수 있다면 한층 더 신뢰할 수 있게 된다.
이 실시예에 대하여 및 위에 개시된 자동 검사 기능에 관하여, 자동 교정 수단(105)의 결과들로부터 생기는 제1 에러 임계치를 넘어서, 자동 교정 수단(105)로부터의 보정 계수들은 계산 유닛(104)으로(더 일반적으로는 운동을 계산하기 위해 컴퓨터(103)로) 재송신된다.
유사하게, 자동 교정 수단(105)의 결과들로부터 생기는 제1 임계치보다 덜 안전한 제2 에러 임계치를 넘어서, 온보드 측정의 실패의 지시자가 활성화된다.
자동 테스트로 알려진 기능의 실패의 확률을 평가하는 단순화된 모델은, 차량의 정지에 의해, 가속도계들(101, 102)의 측정 축들 acc1, acc2, acc3, acc4에서 수행되는 측정들이 중복하여 얻어지는 것을 고려하여 구성될 수 있다.
차량의 2번의 정지 사이의 시간 간격 T를 가정하면: 평면 Py에서 2개의 측정 축들 Acc1, Acc2에 적용되는 자동 검사 기능의 실패의 확률 Pr은 다음에 의해 정의된다:
Pr = λacc1 * λacc2 * T
여기서 2축 가속도계들의 측정 축들 Acc1 및 Acc2의 각각의 실패율들 λacc1 및 λacc2는 각각 다음의 계산된 예에서 10-5의 통상적으로 허용되는 값과 같은 것으로 가정된다:
T = 60 초인 경우, Pr = 10-10*0.017 = 1.7*10-12
T = 10 분인 경우, Pr = 10-10*0.17 = 17*10-12
따라서 만일 차량이 주기적으로 자주 정지한다면, 장치는 철도 분야에서 요구되는 안전을 위하여 필요한 측정된 데이터의 신뢰의 레벨을 보증하는 것을 가능하게 한다.
소위 자동 검사 기능의 실패의 확률의 이러한 평가에 따르면, 본 발명에 따른 장치는 따라서 차량의 2번의 정지 사이에 활성화될 수 있는 실패의 확률을 평가하고 가속도계들의 측정 축들에서의 중복 측정을 이용하는 수단을 포함할 수 있다. 이러한 평가 수단은 위에 개시된 자동 교정 수단(105)에 통합될 수 있다.
마지막으로, 본 발명에 따른 장치는 또한 운동 측정들이 외부 값들(데이터 뱅크로부터의 경사, 회전 또는 루트 마커 시스템으로부터의 데이터 등)과 관련될 수 있는 제1 및 제2 2축 가속도계들(101, 102) 중 적어도 하나에 연결된 (미끄러짐 또는 바퀴 잠김의 경우에) 차량의 부착의 손실의 검출기를 옵션으로 포함할 수 있다. 이 데이터로부터의 발산(divergence)의 경우에, 차량의 부착의 손실의 위험이 검출될 수 있고, 확대하면, 제로 속도(바퀴는 잠겨 있지만 차량은 운전 중)를 검출하기 위해 시스템에 의해 제공되는 정보를 보완할 수 있다.
차량의 부착의 손실의 검출기는 또한, 필요하다면, 제1 및 제2 가속도계들(101, 102) 중 하나에 더하여 차량의 축의 적어도 하나의 회전속도계(108)에 연결되어 그들의 데이터를 비교하여 각도 운동 및 종방향 운동을 각각 측정할 수 있다. 이 수단에 의해, 제로 속도를 검출하는 기능은 한층 더 안전하게 될 수 있다.
주요 약어들
X: 차량의 (운동의) 종방향 축
Y: 축 X에 수직이고 차량의 바닥의 평면에 있는 축
Z: 차량의 바닥에 수직인 축
Px: 축 X에 직각이고 축들 Y, Z에 의해 결정되는 평면
Py: 축 Y에 직각이고 축들 X, Z에 의해 결정되는 평면
Pz: 축 Z에 직각이고 축들 X, Y에 의해 결정되는 평면
Gpes: 중력 가속도 = 9.81 m/s2
Gx: 축 X를 따른 차량의 종방향 가속도
Glat: 차량 내의 가속도계들의 위치에서의 차량의 횡방향 가속도
Vx: 축 X를 따른 종방향 속도
Dx: 축 X를 따른 종방향 위치/운동
VxT: 회전속도계에 의해 제공되는 종방향 속도
DxT: 회전속도계에 의해 제공되는 종방향 운동
Acc1: 가속도계(101)의 제1 측정 축
Acc2: 가속도계(101)의 제2 측정 축
Acc3: 가속도계(102)의 제1 측정 축
Acc4: 가속도계(102)의 제2 측정 축
A1: 축 X와 축 Acc1 사이의 평면 Py에서의 각도
A2: 축 X와 축 Acc2 사이의 평면 Py에서의 각도
A3: 축 X와 축 Acc3 사이의 평면 Pz에서의 각도
A4: 축 X와 축 Acc4 사이의 평면 Pz에서의 각도
Ax: 평면 Py에서의 차량의 궤도의 각도(즉, 수평과 축 X 사이의 각도)
Lx: 차량의 중심과 가속도계들(101, 102)의 고정 점 사이의 오프셋 거리
Ay: 평면 Py에서의 곡률반경과 관련된 각도. Ay는 제1 근사화 Lx/R에서 Arctg(Lx/R)에 의해 계산된다.
Vx: 축 X를 따른 차량의 종방향 속도
Claims (16)
- 자기 유도 차량(self-guided vehicle)(VEH)의 운동을 측정하는 장치로서, 그것의 온보드에:
직선(rectilinear)으로 가정되는 상기 차량의 주 운동에 따른 제1 종방향(longitudinal) 축(X) 및 상기 차량의 바닥에 수직인 제2 축(Z)에 의해 정의되는 종방향 평면(Py)에 2개의 측정 축들(Acc1, Acc2)을 구비한 제1 가속도계(101), 및
각 측정 축(Acc1, Acc2)과 관련된 출력 신호(S1, S2)에 연결된 컴퓨터(103) - 여기서 각 출력 신호(S1, S2)는 관련된 측정 축(Acc1, Acc2)에서의 상기 차량의 총 가속도 합성(total acceleration resultant)의 투영 측정(projection measurement)(Gacc1, Gacc2)을 포함함 -
를 포함하고,
제2 가속도계(102)가 상기 제1 축(X), 및 상기 제1 및 상기 제2 축(X, Z)에 수직인 제3 축(Y)에 의해 정의된 수평 평면(Pz)에 적어도 2개의 측정 축들(Acc3, Acc4)을 구비하고,
상기 컴퓨터(103)는 각 측정 축(Acc3, Acc4)과 관련된 출력 신호(S3, S4)에 연결되고, 여기서 각 출력 신호(S3, S4)는 관련된 측정 축(Acc3, Acc4)에서의 상기 차량의 총 가속도 합성의 투영 측정(Gacc3, Gacc4)을 포함하고,
상기 제1 및 제2 가속도계(101, 102)의 측정 축들(Acc1, Acc2, Acc3, Acc4)은 그들의 각각의 평면(Py, Pz)에 조정 가능한 상대 각도들(A1+A2, A3+A4)을 가져, 상기 컴퓨터(103)가 상기 4개의 투영 측정들(Gacc1, Gacc2, Gacc3, Gacc4)에 기초하여 경사들(slopes) 및 회전들(turns)을 포함하는 루트의 각 지점에서의 상기 차량의 종방향 가속도(Gx) 중 적어도 하나의 값을 제공하도록 하는, 장치. - 제1항에 있어서, 상기 상대 각도들(A1+A2, A3+A4) 중 적어도 하나는 직각인 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 상대 각도(A1+A2, A3+A4)는 상기 제1 및 제2 가속도계(101, 102)의 상기 4개의 측정 축들(Acc1, Acc2, Acc3, Acc4)과 상기 제1 축(X) 사이의 투영 각도들에 대응하는 제1 및 제2 각도(A1, A2; A3, A4)로 세분되는 장치.
- 제3항에 있어서, 각각의 가속도계의 상기 투영 각도들은 동일한(A1=A2; A3=A4) 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 컴퓨터(103)는 경사들 및 회전들 양쪽 모두를 포함하는 상기 루트의 각 지점에서 횡방향(lateral) 가속도(Glat)의 값, 경사 각도(Ax)의 값, 상기 차량의 속도로 인한 원심력으로부터 생기고 상기 차량의 중심에 관한 상기 가속도계의 오프셋 및 궤도의 곡률 반경(R)에 의존하는 횡방향 가속도 각도(Ay)를 제공하는 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 컴퓨터(103)는 상기 차량의 종방향 가속도(Gx)의 값을 연속적으로 통합하는 것에 의해 경사들 및 회전들 양쪽 모두를 포함하는 상기 루트의 각 지점에서 속도(Vx) 및 위치(Dx)를 제공하는 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
회전속도계(tachometer)(104)가 상기 차량의 적어도 하나의 차축 상에 배열되어, 상기 차량의 속도(VxT) 및 위치(DxT)의 타키메트릭(tachymetric) 값들을 제공하고,
획득된 상기 타키메트릭 값들(VxT, DxT) 및 상기 컴퓨터(103)에 의해 제공되는 속도 및 위치 값들(Vx, Dx)은 비교기(106)에 제공되고,
상기 비교기(106)는 속도 및 위치 값들의 카테고리들 사이의 차이들을 결정하고, 상기 값들이 미리 정의된 임계치 미만이면, 경사들 및 회전들 양쪽 모두를 포함하는 상기 루트의 각 지점에서 상기 컴퓨터(103)에 의해 제공된 속도 및 위치 값들(Vx, Dx)의 리세팅이 상기 타키메트릭 값들(VxT, DxT)에 대해 구현되는 장치. - 제7항에 있어서, 상기 컴퓨터(103)에 및 상기 회전속도계(104)에 연결되고 상기 컴퓨터(103)에 의해 제공된 속도 및 위치 값들(Vx, Dx) 및 상기 타키메트릭 값들(VxT, DxT)의 적어도 하나의 상관기를 포함하는 상기 차량의 제로 속도를 검출하는 수단(107)을 포함하는 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 컴퓨터(103)는 경사들 및 회전들 양쪽 모두를 포함하는 상기 루트의 각 지점에서 횡방향(lateral) 가속도(Glat)의 값, 경사 각도(Ax)의 값, 상기 차량의 속도로 인한 원심력으로부터 생기고 상기 차량의 중심에 관한 상기 가속도계의 오프셋 및 궤도의 곡률 반경(R)에 의존하는 횡방향 가속도 각도(Ay)를 제공하고,
상기 장치는, 상기 제로 속도를 검출하는 수단이 상기 차량의 정지를 확인한다면 활성화될 수 있는 상기 가속도계들(101, 102)의 자동 교정 수단(105)을 포함하고,
상기 자동 교정 수단은 상기 가속도계들(101, 102)로부터 유래하고 상기 컴퓨터(103)에 포함된 가속도들을 계산하기 위한 유닛(104)에 의해 제공되는 측정들을 처리하고,
상기 자동 교정 수단은 상기 차량의 종방향 가속도(Gx) 및 횡방향 가속도(Glat)의 제로 값들에 대응하는 측정들을 교정하는 장치. - 제9항에 있어서, 상기 자동 교정 수단의 결과들로부터 생기는 제1 에러 임계치를 넘어서, 상기 자동 교정 수단으로부터의 보정 계수들은 컴퓨터(103)로 송신되는 장치.
- 제9항에 있어서, 각각의 가속도계의 투영 각도들은 동일하고(A1=A2; A3=A4),
상기 자동 교정 수단(105)은 제2 가속도계(102) 상의 측정 값들(Gacc3, Gacc4)의 동일함을 검증하기 위한 제1 제어 모드 및 상기 제1 가속도계(101)의 측정 값들(Gacc1, Gacc2)이 제2 제어 모드에 의하여 검증되는 경사 각도(Ax)를 다시 계산하기 위한 수단을 갖는 장치. - 제11항에 있어서, 상기 자동 교정 수단의 결과들로부터 생기는 제1 에러 임계치를 넘어서, 상기 자동 교정 수단으로부터의 보정 계수들은 컴퓨터(103)로 송신되는 장치.
- 제10항에 있어서, 상기 자동 교정 수단의 결과들로부터 생기는 상기 제1 임계치보다 덜 안전한 제2 에러 임계치를 넘어서, 온보드 측정의 실패의 지시자가 활성화되는 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 차량의 2번의 정지 사이에 활성화될 수 있는 실패의 확률을 평가하고 상기 가속도계들의 측정 축들에서의 중복 측정(redundancy measurement)을 이용하는 수단을 포함하는 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가속도계들 중 적어도 하나에 연결된 상기 차량의 부착의 손실을 검출하는 검출기를 포함하는 장치.
- 제15항에 있어서, 상기 차량의 부착의 손실을 검출하는 검출기는 상기 제1 및 제2 가속도계들 중 하나에 더하여 적어도 하나의 회전속도계에 연결되는 장치.
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