DE102019211939B4 - Verfahren zur Bestimmung einer Wagengeschwindigkeit eines Wagens - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Wagengeschwindigkeit (vWagen) eines Wagens mit den Schritten:- in einem ersten Betriebsmodus:- Erfassen einer Drehzahl mindestens eines Wagenelementes dessen Drehzahl direkt proportional mit der Drehzahl mindestens eines Rades des Wagens ist;- Bestimmen einer Radgeschwindigkeit (vOdo) aus der Drehzahl des mindestens einen Wagenelementes und einem Proportionalitätsfaktor; und- Bestimmen der Wagengeschwindigkeit (vWagen) aus der Radgeschwindigkeit (VOdo);- in einem zweiten Betriebsmodus:- Erfassen einer Beschleunigung (amess) des Wagens; und- Bestimmen der Wagengeschwindigkeit (vWagen) zumindest aus der Beschleunigung (amess); wobei- ein Wechseln vom ersten in den zweiten Betriebsmodus erfolgt, wenn zumindest eine Wechselbedingung erfüllt ist; undaufweisend einen weiteren Schritt:- Bestimmen einer Qualität der ermittelten Radgeschwindigkeit (vOdo), wobeidie Qualität als Kennwert unter Berücksichtigung eines Stroms und/oder einer Spannung einer Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, dem Rad ein Moment aufzuprägen, bestimmt wird, und wobeidie zumindest eine Wechselbedingung als Überschreiten oder Unterschreiten eines Grenzwertes durch den Kennwert erfüllt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Wagengeschwindigkeit eines Wagens, und insbesondere ein Verfahren, um die Wagengeschwindigkeit eines Wagens eines Schienenfahrzeugs zu bestimmen. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, ein Fahrzeug sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
• Eine genaue Kenntnis einer Position, einer Geschwindigkeit und einer Verzögerung oder Beschleunigung von Schienenfahrzeugen ist Grundlage für eine Vielzahl von Verbesserungsmöglichkeiten von betrieblichen Abläufen im Schienenfahrzeugverkehr.
• Jedoch sind gemessene Größen, die mit vertretbarem Aufwand direkt gemessen werden, zur Bestimmung der Position, der Geschwindigkeit und der Verzögerung oder Beschleunigung in vielen Fällen mit großen Messfehlern behaftet.
• Bei einer Positionsermittlung mittels Satelliten, nämlich mittels eines globalen Satellitennavigationssystems (GNSS), wie etwa GPS, Galileo oder GLONASS, ist der wahren Position ein mittelwertfreies Messrauschen überlagert, deren Standardabweichung aus der Zahl von empfangenen Satelliten abzuschätzen ist. Bei einer schlechten Empfangslage kann sich die Genauigkeit jedoch drastisch verringern, oder der Empfang kann, beispielsweise in einem Tunnel, vollständig ausfallen.
• Eine Positionsermittlung mittels Zugbeeinflussungssystemen ist im Allgemeinen nur punktuell oder abschnittsweise möglich, und ist somit nicht für eine kontinuierliche Auswertung geeignet.
• Ein Geschwindigkeitssignal aus dem sogenannten Gleitschutz, das entweder von einem Referenzradsatz zur Verfügung gestellt wird, oder über mehrere oder alle Radsätze, beispielsweise dynamisch gewichtet, ermittelt wird, weist das Problem auf, dass eine systematische Messungenauigkeit durch einen nicht genau bekannten Raddurchmesser, der sich über die Zeit, beispielsweise durch Abnutzung, langsam verändert, verursacht werden kann. Weitere Messungenauigkeiten können durch einen über eine Kraftübertragung beim Bremsen oder Beschleunigen erzeugten Schlupf des Radsatzes entstehen. Durch einen nicht angetriebenen und ungebremsten Radsatz, dem Vergleichs- oder Referenzradsatz, können zwar Messabweichungen durch den Schlupf minimiert werden, jedoch ist dies mit einem zusätzlichen Aufwand an Bauteilen und bei der Montage verbunden bzw. ist ein ungebremster Radsatz (z.B. aufgrund der Verringerung der Bremsleistung) nicht erwünscht.
• Eine Erfassung einer Längsbeschleunigung ist zwar über Beschleunigungssensoren günstig möglich, jedoch muss die erfasste Längsbeschleunigung um einen Erdbeschleunigungsanteil kompensiert werden. Ferner können Beschleunigungssensoren eine Drift aufweisen, die aus Integration ermittelte Geschwindigkeiten und Wege erfahrungsgemäß stark verfälschen oder sogar unbrauchbar machen.
• Eine Brems- oder Beschleunigungskraft, die eine Geschwindigkeitsänderung des Wagens zur Folge hat, lässt sich näherungsweise aus Zustandsgrößen eines Antriebs oder einer Bremse ermitteln. Jedoch ergeben sich, beispielsweise aus Unkenntnis eines genauen Reibwerts zwischen Bremsscheibe und Bremsbelag und eines genauen Kraftangriffspunkts oder auch der nichtidealen Kraftübertragung zwischen Rad und Schiene, Ungenauigkeiten bei der Ermittlung dieser Kräfte.
• Die DE 10 2007 044 195 A1 betrifft ein Verfahren und ein System mit einem Mittel, um die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs genau zu ermitteln. Eine anfängliche Abschätzung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs wird auf der Basis von Rotationsraten einer Vielzahl von Rädern an den Fahrzeugen berechnet. Wenn sich eines der Räder an dem Fahrzeug in einer Bremssteuerungs- oder Traktionsregelungssituation befindet, wird die anfängliche Abschätzung auf der Basis einer Beschleunigung des Fahrzeugs modifiziert, um eine modifizierte Abschätzung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu erzeugen.
• Die DE 10 2015 000 931 A1 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Referenzgeschwindigkeit für ein Fahrzeug mit mindestens zwei Rädern als Schätzwert an die tatsächliche Geschwindigkeit zur Bestimmung eines Radschlupfes in einer fahrdynamischen Regelsituation. Das Fahrzeug umfasst einen Längsbeschleunigungssensor zur Bestimmung einer Längsbeschleunigung in Längsrichtung bei einer Geradeausfahrt des Fahrzeugs und an jedem der mindestens zwei Räder einen Raddrehzahlsensor zur Bestimmung einer Radgeschwindigkeit. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritten: a) Kontinuierliches Ermitteln der Radgeschwindigkeit v_rad1/2 an den mindestens zwei Rädern und Vergleichen der jeweiligen Radbeschleunigung a_rad1/2 mit einem vorgegebenen Schwellwert S1, wobei das jeweilige Rad beim Überschreiten des Schwellwerts S1 blockiert, und wobei bei zumindest einem blockierenden Rad das Verfahren mit Schritt b) fortgesetzt wird; b) Ermitteln der Längsbeschleunigung a des Fahrzeugs; c) Ermitteln eines Schätzwerts x = [v_ref, Δa]; und d) Korrigieren des Schätzwerts x = [v_ref, Δa] mit einem Messwert für die Radgeschwindigkeit des blockierenden Rads v_rad/1, wenn eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: aa) der Schätzwert v_ref ist kleiner als die gemessene Radgeschwindigkeit v_rad/1 des blockierenden Rads; bb) Fahrzeugstillstand oder a_rad/1 > S2 oder v_rad/1 lokales Maximum; oder Korrigieren des Schätzwerts x = [v_ref, Δa] mit einem Messwert für die Radgeschwindigkeit des mindestens einen weiteren Rads v_rad/2, wenn dessen Radschlupf zwischen 0 und einem weiteren vorgegebenen Schwellwert für den Radschlupf S3 liegt, oberhalb dessen das Rad blockiert.
• Die DE 102 60 416 A1 betrifft ein Verfahren und ein System zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs, bei dem die Drehzahl (n₁-n₄) mindestens eines Rades des Fahrzeugs mittels entsprechender Drehzahlsensoren (S1-S4) erfasst und die Geschwindigkeit (v) des Fahrzeugs, basierend auf der erfassten Drehzahl des mindestens einen Rades, mittels einer Auswerte- und Steuereinrichtung (C) ermittelt wird. Zudem wird zusätzlich die Beschleunigung des Fahrzeugs mittels geeigneter Beschleunigungssensoren (S5-S6) erfasst und die aus der Drehzahl (n₁-n₄) des mindestens einen Rades ermittelte Geschwindigkeit (v₁-v₄) wird durch die Auswerte- und Steuereinrichtung (C), basierend auf der erfassten Beschleunigung, überprüft und gegebenenfalls korrigiert.
• Die DE 195 27 531 A1 betrifft ein System zum Ermitteln einer Fahrzeuggeschwindigkeit, das eine Referenz-Fahrzeuggeschwindigkeit eines allradgetriebenen Fahrzeugs ermitteln kann, wenn sämtliche Räder Schlupf haben oder Blockieren. Ein Integrationswert einer Längsbeschleunigung wird zwangsweise zum Ermitteln der Referenz-Fahrzeuggeschwindigkeit genutzt, wenn das Fahrzeug beschleunigt wird und eine Änderung einer niedrigsten Raddrehzahl negativ ist oder wenn das Fahrzeug abgebremst wird und eine Änderung einer höchsten Raddrehzahl positiv ist.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Möglichkeit zur Bestimmung einer Wagengeschwindigkeit zu schaffen.
• Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Als Wagen wird in diesem Dokument ein Bestandteil eines Zugs bezeichnet, der insbesondere mit anderen Wagen gekoppelt werden kann oder der gegenüber dem restlichen Zug Freiheitsgrade aufweist. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Waggon oder um einen Teil eines Triebzuges, der gelenkig mit einem anderen Teil gekoppelt ist, handeln. Demgegenüber kann jedoch auch ein separates Schienenfahrzeug, wie eine Lok, als Wagen bezeichnet werden.
• Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Wagengeschwindigkeit eines Wagens mit folgenden Schritten vorgesehen:
• - in einem ersten Betriebsmodus:
  • - Erfassen einer Drehzahl mindestens eines Wagenelementes dessen Drehzahl direkt proportional mit der Drehzahl mindestens eines Rades des Wagens ist;
  • - Bestimmen einer Radgeschwindigkeit aus der Drehzahl des mindestens einen Wagenelementes und einem Proportionalitätsfaktor; und
  • - Bestimmen der Wagengeschwindigkeit aus der Radgeschwindigkeit;
• - in einem zweiten Betriebsmodus:
  • - Erfassen einer Beschleunigung des Wagens; und
  • - Bestimmen der Wagengeschwindigkeit zumindest aus der Beschleunigung;

wobei
ein Wechseln vom ersten in den zweiten Betriebsmodus erfolgt, wenn zumindest eine Wechselbedingung erfüllt ist.
• Das Wagenelement ist dabei vorzugsweise ein Rad, eine Achse des Wagens oder eine Welle eines Motors des Wagens, wobei der Proportionalitätsfaktor vorzugsweise ein Radradius, ein Übersetzungsverhältnis und/oder ein anderer Faktor ist, der dazu ausgebildet ist, aus der erfassten Drehzahl eine Umfangsgeschwindigkeit des Rades zu ermitteln, welche vorzugsweise als Radgeschwindigkeit verwendet wird.
• Die Drehzahl wird dabei vorzugsweise mit üblichen Mitteln, insbesondere mit einem Drehzahlsensor oder Impulsgeber, erfasst.
• Die Beschleunigung wird dabei vorzugsweise mit üblichen Mitteln erfasst, insbesondere mit Beschleunigungssensoren, die vorzugsweise in Form eines MEMS (microelectromechanical systems) ausgeführt sind, und üblicherweise in einem Inertialmesssystem verwendet werden.
• Die Beschleunigung kann besonders bevorzugt aus einem hochpräzise ausgerichteten einachsigen Sensor erfasst werden, oder das Sensorsystem besitzt weitere Sensoren in orthogonalen Raumrichtungen und kann mit einem Kalibrierverfahren korrigiert werden.
• Die zumindest eine Wechselbedingung ist vorzugsweise so definiert, dass ein Wechsel von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus erfolgt, wenn eine geringe Qualität der Radgeschwindigkeit (z.B. durch Vergleich mit einer gebildeten Referenzgeschwindigkeit) feststellbar ist oder festgestellt wird. Die Referenzgeschwindigkeit wird weiter unten genauer erläutert.
• Eine geringe Qualität der Radgeschwindigkeit ist vorzugsweise dann gegeben, wenn die erfasste Drehzahl bzw. die daraus bestimmte Radgeschwindigkeit nicht mit der tatsächlichen Wagengeschwindigkeit korreliert und/oder von einem Referenzwert, wie eben einer Referenzgeschwindigkeit, abweicht. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Rad schleudert oder blockiert, also wenn das Rad aufgeprägtes Antriebs- oder Bremsmoment nicht vollständig auf eine Oberfläche, auf der das Rad rollt, übertragen kann. Aus der daraus bestimmten Radgeschwindigkeit kann dann eine Wagengeschwindigkeit nicht mehr zuverlässig bestimmt werden, so dass in den zweiten Betriebsmodus gewechselt wird, in dem im Wesentlichen die Wagengeschwindigkeit aus der erfassten Beschleunigung bestimmt wird.
• Die Qualität der Radgeschwindigkeit wird als Kennwert bestimmt. Dessen Bestimmung ist vorzugsweise so gestaltet, dass der Kennwert sich zu einem Wert verändert, der einer schlechteren Qualität entspricht, wenn ein Bremseingriff stattfindet. Alternativ oder zusätzlich erfolgt eine Veränderung des Kennwertes hin zu einem Wert, der einer schlechteren Qualität entspricht, wenn ein Gleitschutzeingriff erfolgt. Alternativ oder zusätzlich erfolgt eine Veränderung des Kennwertes hin zu einem Wert, der einer schlechteren Qualität entspricht, wenn eine Abweichung der erfassten Radgeschwindigkeit von der Referenzgeschwindigkeit einen vorbestimmten Wert über- bzw. unterschreitet. Alternativ oder zusätzlich erfolgt eine Veränderung des Kennwertes hin zu einem Wert, der einer schlechteren Qualität entspricht, wenn auf das entsprechende Rad ein hohes Moment aufgeprägt wird, das hohe Antriebskräfte im Rad-Schiene-Kontakt zur Folge hat, die wiederum Schlupf des Rades verursachen.
• Der Kennwert der Qualität wird vorzugsweise so bestimmt, dass er, ausgehend von einer bestimmten Wagengeschwindigkeit, bei einem Zustand, in dem der Wagen frei rollt, also weder angetrieben noch gebremst wird, einen Wert annimmt, der einer höheren Qualität entspricht, verglichen mit Zuständen bei denen der Wagen angetrieben oder gebremst wird.
• In einer besonderen Ausführungsform wird eine Referenzgeschwindigkeit entsprechend dem Verfahren, das in der EP 0 499 947 A1 offenbart ist (Referenzgeschwindigkeit des Gleitschutzes), gebildet.
• Vorzugweise wird die Referenzgeschwindigkeit derart gebildet, dass aus Antriebs- und/oder Bremsgrößen, vorzugsweise aus sämtlichen Antriebs- und/oder Bremsgrößen, insbesondere aus Antriebs- und/oder Bremskräften, die auf den Wagen bzw. das Rad wirken, dessen Drehzahl erfasst wird, eine theoretische Geschwindigkeit des Wagens, eben die Referenzgeschwindigkeit, gebildet wird, wobei angenommen wird, dass eine optimale Übertragung der Antriebs- und/oder Bremskräfte auf die Schiene erfolgt. Dies bedeutet, dass die Referenzgeschwindigkeit damit einer theoretisch möglichen Geschwindigkeit des Wagens entspricht, falls das entsprechende Rad nicht schlupfen oder schleudern sollte. Dabei wird in der Ermittlung der Referenzgeschwindigkeit der Einfluss der Trägheit des Wagens mitberücksichtigt. Vorzugsweise wird dabei die Trägheit aus der Masse des Wagens berücksichtigt. Besonders bevorzugt wird zudem eine rotatorische Trägheit von rotierenden Elementen des Wagens, wie z.B. den Rädern, mitberücksichtigt.
• So kann vorteilhafterweise die Qualität der ermittelten Radgeschwindigkeit rein aus einem Vergleich der Referenzgeschwindigkeit mit der tatsächlichen Radgeschwindigkeit bestimmt werden. Wird der Wagen mit zu hohen Antriebskräften angetrieben, so drohen die Räder zu schleudern. Sie würden sich also schneller drehen, als es die Wagenträgheit zulassen würde. Die Radgeschwindigkeit wäre in diesem Fall höher als die entsprechende Referenzgeschwindigkeit. Wird der Wagen mit zu hohen Bremskräften gebremst, so drohen die Räder zu blockieren. Sie würden sich also langsamer drehen, als es die Wagenträgheit zulassen würde, da der Wagen durch seine Trägheit die Räder weiter „anschiebt“. Die Radgeschwindigkeit wäre in diesem Fall niedriger als die entsprechende Referenzgeschwindigkeit. In beiden Fällen kann durch Bildung einer Differenz der Beträge von Rad- und Referenzgeschwindigkeit eine Qualität der Radgeschwindigkeit bestimmt werden. Ist die Differenz klein oder sogar gleich Null, so liegt die Radgeschwindigkeit nahe bei der tatsächlichen Geschwindigkeit des Wagens oder sie entspricht dieser vollständig. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine prozentuale Abweichung oder eine andere Möglichkeit, die Rad- mit der Referenzgeschwindigkeit zu vergleichen, vorgesehen sein.
• Die Referenzgeschwindigkeit kann auch vorzugsweise aus mindestens zwei der ermittelten Radgeschwindigkeiten gebildet werden. Die Referenzgeschwindigkeit ist vorzugsweise dazu geeignet, durch Vergleich mit einzelnen Radgeschwindigkeiten nicht plausible Radgeschwindigkeiten, bzw. eine geringe Qualität einer Radgeschwindigkeit zu identifizieren.
• Ferner ist auch vorstellbar, mehrere Referenzgeschwindigkeiten, die auf unterschiedliche Weise ermittelt werden, zu verwenden.
• Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, den zweiten Betriebsmodus dahingehend auszuprägen, dass auch hier die Radgeschwindigkeit neben der erfassten Beschleunigung zur Bestimmung der Wagengeschwindigkeit verwendet wird. Dies geschieht vorzugsweise dann, wenn die Qualität der Radgeschwindigkeit abgenommen hat, so dass auch bereits in den zweiten Betriebsmodus gewechselt wurde, wobei sich die Qualität jedoch noch in einem vorbestimmten Qualitätsbereich befindet, so dass zwar mit einer gewissen Abweichung der Radgeschwindigkeit von der Wagengeschwindigkeit zu rechnen ist, diese jedoch insbesondere durch zusätzliche Berechnungen egalisierbar sind. So kann vorteilhafterweise eine derart ermittelte Radgeschwindigkeit zur Ergänzung der Bestimmung der Wagengeschwindigkeit in dem zweiten Betriebsmodus oder zu deren Plausibilisierung verwendet werden.
• Durch das hier vorgeschlagene Verfahren ist es möglich, Vorteile von zwei Bestimmungsarten der Wagengeschwindigkeit über eine Sensorfusion, z.B. durch eine dynamische Gewichtung und Mittelung beider Signale, zu kombinieren. Ein durch eine Drift auftretender Fehler bei einer Bestimmung der Wagengeschwindigkeit, vorzugsweise bei der Bestimmung mittels Integration der erfassten Beschleunigung, kann vorzugsweise durch eine solche Korrektur mit der Radgeschwindigkeit möglichst klein gehalten werden.
• Die Qualität als Kennwert wird unter Berücksichtigung eines Stroms und/oder einer Spannung einer Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, dem Rad ein Moment aufzuprägen, bestimmt. Die zumindest eine Wechselbedingung ist als Überschreiten oder Unterschreiten eines Grenzwertes durch die Kenngröße charakterisiert.
• Die Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, dem Rad ein Moment aufzuprägen, kann vorzugsweise als Motor ausgebildet sein, der Antriebs- und/oder Bremsmoment auf das Rad aufbringen kann. Auch Bremsen, die ihre Bremswirkung durch Abstützen des aufgebrachten Bremsmomentes im Radaufstandspunkt entwickeln, sind diesen Vorrichtungen zuzurechnen. Auch kann es sich dabei um berührungslose Bremsvorrichtungen, wie Wirbelstrombremsen, handeln.
• Vorzugsweise werden die Schritte Erfassen einer Drehzahl mindestens eines Wagenelementes dessen Drehzahl direkt proportional mit der Drehzahl mindestens eines Rades des Wagens ist und/oder Bestimmen einer Radgeschwindigkeit aus der Drehzahl des mindestens einen Wagenelementes und einem Proportionalitätsfaktor; auch in dem zweiten Betriebsmodus durchgeführt. So kann die Drehzahl bzw. die bestimmte Radgeschwindigkeit kontinuierlich ausgewertet werden und insbesondere auf Basis dieser Auswertung ein Wechseln in den ersten Betriebsmodus ausgelöst werden.
• Alternativ oder zusätzlich wird der Schritt Erfassen einer Beschleunigung des Wagens auch in dem ersten Betriebsmodus durchgeführt. So steht die Beschleunigung des Wagens kontinuierlich zur Verfügung, so dass bei einem Wechsel in den zweiten Betriebsmodus sofort eine Bestimmung der Wagengeschwindigkeit, insbesondere mittels Integration, erfolgen kann.
• Dadurch stehen vorteilhafterweise die Größen Drehzahl des mindestens einen Wagenelementes, Radgeschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Wagens auch in dem jeweils anderen Betriebsmodus zur Verfügung.
• Alternativ oder zusätzlich ist ein weiterer Schritt vorgesehen, in dem ein Wechseln von dem zweiten in den ersten Betriebsmodus oder ein Verbleiben in dem ersten Betriebsmodus erfolgt, wenn keine Wechselbedingung erfüllt ist. Somit wird sichergestellt, dass eine Bestimmung der Wagengeschwindigkeit nach dem ersten Betriebsmodus stets erfolgt, solange keine Wechselbedingung erfüllt ist.
• Vorzugsweise wird das Verfahren im ersten Betriebsmodus ausgeführt, wenn die erfasste Drehzahl des Wagenelements Null ist, der Wagen somit steht.
• Vorzugsweise ist die erfasste Beschleunigung eine Längsbeschleunigung in Fahrtrichtung des Wagens. Damit eignet sich diese Beschleunigung vorteilhafterweise zur Bestimmung einer Geschwindigkeit in einer Fahrtrichtung des Wagens. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Längsbeschleunigung aus einer nicht direkt in Längsrichtung erfassten Beschleunigung bestimmt werden. Dies kann beispielsweise durch Umrechnen der erfassten Beschleunigung mittels trigonometrischer Beziehungen erfolgen.
• Alternativ oder zusätzlich ist die zumindest eine Wechselbedingung ein Aufbringen eines Antriebs- oder Bremsmomentes auf das Rad. Besonders bevorzugt übersteigt dazu der Betrag des Momentes einen Grenzwert.
• Vorzugsweise erfolgt das Bestimmen der Wagengeschwindigkeit im zweiten Betriebsmodus mittels Integrieren der erfassten Beschleunigung oder einer daraus abgeleiteten Beschleunigung.
• Die aus der Beschleunigung des Wagens berechnete Wagengeschwindigkeit, welche durch Integrieren der erfassten Beschleunigung berechnet wird, ist zudem vorteilhafterweise frei von jeglicher Phasenverschiebung und nicht anfällig auf mittelwertfreie Fehleranteile in der Beschleunigungsmessung (z.B. Störung durch Vibration).
• Alternativ oder zusätzlich erfolgt das Bestimmen der Wagengeschwindigkeit im zweiten Betriebsmodus unter Berücksichtigung der Radgeschwindigkeit, insbesondere durch Korrektur durch die Radgeschwindigkeit. Die Radgeschwindigkeit wird vorzugsweise dann weiter im zweiten Betriebsmodus verwendet, wenn die Qualität der bestimmten Radgeschwindigkeit zwar abgenommen hat, so dass das Verfahren in den zweiten Betriebsmodus gewechselt hat. Die Qualität befindet sich jedoch noch in einem vorbestimmten Rahmen, so dass sie insbesondere zur Korrektur der ermittelten Geschwindigkeit aus der erfassten Beschleunigung des Wagens verwendet werden kann. In diesem Fall wird somit eine Bestimmung der Wagengeschwindigkeit unter Berücksichtigung der Radgeschwindigkeit und der Beschleunigung des Wagens durchgeführt. Dies kann vorzugsweise mit einem regelungstechnischen Beobachter, besonders bevorzugt mit einem Kalman-Filter, erfolgen.
• Vorzugsweise wird als Integralstartwert für das Integrieren ein Wert der Radgeschwindigkeit, vorzugsweise der zuletzt bestimmte Wert der Radgeschwindigkeit im ersten Betriebsmodus, verwendet. Dadurch wird sichergestellt, dass der integrierte Geschwindigkeitswert ausgehend von einem möglichst fehlerfrei ermittelten Integralstartwert berechnet wird.
• Vorzugsweise wird die Bestimmung der Qualität als Kennwert unter Berücksichtigung auch mindestens einer der folgenden Größen gebildet:
• - ein Bremsdruck und/oder eine Zuspannkraft einer Bremse, die zur Bremsung des Rades ausgebildet ist;
• - einem auf das Rad aufgebrachten Antriebs- oder Bremsmoment;
• - eine Gewichtskraft des Wagens, welche durch eine Lasterfassung ermittelt wird;
• - die erfasste Beschleunigung des Wagens;
• - ein Radschlupf des Rades;
• - die Referenzgeschwindigkeit und/oder die Wagengeschwindigkeit;
• - einer globalen Fahrzeuggeschwindigkeit.
• - ein Reibwert zwischen dem Rad und einer Oberfläche auf der das Rad rollt;
• - eine Information, ob ein Gleitschutzeingriff vorliegt;
• - eine Information, ob ein Bremseingriff vorliegt;
• - eine Information, ob das entsprechende Rad angetrieben oder abgebremst wird.
• Die Bremse ist vorzugsweise als Reibbremse ausgebildet. Es sind dabei unterschiedliche Ausführungen denkbar, die insbesondere pneumatisch, hydraulisch, elektrisch und/oder mechanisch betätigt die Zuspannkraft der Bremse erzeugen.
• Wird die erfasste Beschleunigung zur Bewertung der Qualität der ermittelten Radgeschwindigkeit herangezogen, so kann diese vorzugsweise dazu genutzt werden, um die Wirkung eines Momentes, das auf das Rad aufgebracht wird, zu ermitteln. Entspricht die erfasste Beschleunigung einer bei einem aufgebrachten Moment erwarteten Beschleunigung, so kann davon ausgegangen werden, dass das Moment vollständig im Radaufstandspunkt an der Oberfläche, auf der das Rad rollt, abgestützt wird. Es liegt also kein oder nur sehr geringer Schlupf vor. Ist hingegen die erfasste Beschleunigung unterschiedlich, vorzugsweise geringer, als bei einem aufgebrachten Moment erwartet, kann davon ausgegangen, dass nicht das vollständige Moment im Radaufstandspunkt an der Oberfläche, auf der das Rad rollt, abgestützt wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Reibwert zwischen der Oberfläche, auf der das Rad rollt und dem Rad abnimmt, so dass nicht mehr die vollen Momente und Kräfte abgestützt werden können. Darüber hinaus wird vorzugsweise eine Steigungskorrektur der erfassten Beschleunigung durchgeführt. Diese wird weiter unten ausführlich erläutert.
• Der Radschlupf ist üblicherweise als Abweichung zwischen einer tatsächlichen Wagengeschwindigkeit und der Umfangsgeschwindigkeit eines Rades definiert. Bei einem angetriebenen Rad ist dabei die Umfangsgeschwindigkeit des Rades größer als die Wagengeschwindigkeit, bei einem gebremsten Rad ist sie kleiner. Werte für den Radschlupf werden beispielsweise auch im Gleitschutz berechnet, so dass diese Werte in einem Wagen zur Verfügung stehen.
• Die ermittelten Werte für die Referenzgeschwindigkeit können vorzugsweise selbst zur Bestimmung eines Mindestradschlupfes verwendet werden, oder sie können mittels eines Vergleichs eine Aussage über die Qualität der ermittelten Radgeschwindigkeit erlauben. Ein solcher Vergleich kann vorzugsweise wie folgt ausgebildet sein: $$\left|{\text{v}}_{\text{Odo}}-{\text{v}}_{\text{Ref}}\right|$$

  

  oder $$\left|{\text{v}}_{\text{Odo}}/{\text{v}}_{\text{Ref}}\right|$$

  
• Dabei ist v_Odo die Radgeschwindigkeit und v_Ref die ermittelte Referenzgeschwindigkeit. Weitere Möglichkeiten beide Werte zu vergleichen sind denkbar.
• Der Reibwert wird beispielsweise innerhalb des Wagens durch andere Funktionen ermittelt. Steht ein solcher Reibwert zur Verfügung kann auch dieser entsprechend ausgewertet werden.
• Das auf das Rad aufgebrachte Antriebs- oder Bremsmoment kann beispielsweise aus Größen, wie einem anliegenden Bremsdruck oder Strom und/oder Spannung eines Motors, ermittelt werden. Die Ermittlung erfolgt vorzugsweise mittels geeigneter Modellrechnungen.
• Unter einer globalen Fahrzeuggeschwindigkeit ist insbesondere eine Geschwindigkeit zu verstehen, welche die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs, das aus mindestens zwei Wagen besteht, repräsentiert. Diese kann beispielsweise aus einem Navigationssystem oder durch Mittelung oder Zusammenfassung einzelner lokaler Wagengeschwindigkeiten ermittelt werden.
• Alternativ oder zusätzlich kann die Qualität, wie oben aufgeführt, auch auf Grundlage der Information, ob ein Gleitschutzeingriff vorliegt, der Information, ob ein Bremseingriff vorliegt, und/oder der Information, ob das entsprechende Rad angetrieben wird, berechnet werden. Dabei kann in einer einfachen Ausführungsform eine Wertetabelle hinterlegt sein, die einer entsprechenden Information einen Qualitätswert zuordnet. Weitere Berechnungsmethoden sind denkbar.
• Die Berücksichtigung mindestens einer dieser Größen bewirkt, dass eine Aussage über die Korrelation der erfassten Drehzahl eines Wagenelementes mit der vorliegenden Wagengeschwindigkeit und somit eine Aussage zur Qualität der ermittelten Radgeschwindigkeit getroffen werden kann.
• Die Kenngröße, die insbesondere die oben beschriebene Qualität abbildet, kann dabei in unterschiedlicher Weise gebildet sein. Vorzugsweise wird die Kenngröße unter Berücksichtigung einer der oben genannten Größen bestimmt. Es können jedoch auch mehrere Größen, vorzugsweise unterschiedlich gewichtet, zu einer Kenngröße zusammengefasst werden.
• Eine kann Wechselbedingung auch durch fehlerhaftes Erfassen der Drehzahl erfüllt sein. Dies kann beispielsweise durch ein defektes oder fehlerhaft arbeitendes Erfassungsmittel gegeben sein, wobei Fehler in der Erfassung üblicherweise von wageneigenen Diagnosefunktionen erkannt werden können.
• Der Grenzwert ist vorzugsweise variabel ausgebildet und wird insbesondere unter Berücksichtigung einer der folgenden Größen variiert:
• - einer Temperatur, vorzugsweise einer Umgebungstemperatur;
• - einer Feuchtigkeit, vorzugsweise einer Feuchtigkeit der Oberfläche auf der das Rad rollt;
• - einer Wagengeschwindigkeit, vorzugsweise der zuletzt bestimmten Wagengeschwindigkeit;
• - zumindest einer Größe, welche die physikalische Plausibilität des Sensorsignals charakterisiert und somit Werte, die durch ein fehlerhaftes Sensorsystem erzeugt werden erkennt.
• Somit kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass in Abhängigkeit von Umweltbedingungen oder der aktuellen Wagengeschwindigkeit eine Qualität der ermittelten Radgeschwindigkeit unterschiedlich bewertet wird. Wird beispielsweise die Wagengeschwindigkeit verwendet, kann beispielsweise bei hohen Wagengeschwindigkeiten höhere Qualität der ermittelten Radgeschwindigkeit gefordert werden, als bei geringen Wagengeschwindigkeiten, so dass eine genauere Aussage über die aktuelle Wagengeschwindigkeit möglich ist.
• Vorzugsweise wird die bestimmte Wagengeschwindigkeit, insbesondere die aus der erfassten Beschleunigung bestimmte Wagengeschwindigkeit, bei einem brems- oder antriebslosen Fahren oder bei Stillstand des Wagens auf die Radgeschwindigkeit zurückgesetzt.
• Bei einem vorteilhaften Zurücksetzen der aus der erfassten Beschleunigung des Wagens berechneten Wagengeschwindigkeit bei einem Fahren ohne Beschleunigung, d.h. wenn möglichst kein oder ein geringer Krafteinfluss durch Antriebs- oder Bremskräfte am Rad auftritt, kann ein bei einer Integration auftretender Fehler möglichst klein gehalten werden. Bei dem antriebslosen Fahren können Fehlereinflüsse durch einen Schlupf, wie beispielsweise Schleudern oder Gleiten, ausgeschlossen oder vernachlässigt werden, so dass ein Abgleich, bzw. ein Zurücksetzen, der durch die Integration bestimmten Wagengeschwindigkeit auf die Radgeschwindigkeit erfolgen kann, und somit die Wagengeschwindigkeit auf einen möglichst genauen Wert gesetzt werden kann.
• Die erfasste Wagenbeschleunigung wird vorzugsweise korrigiert, da sie eine Abweichung von der tatsächlichen Wagenbeschleunigung aufweisen kann. Die Korrektur erfolgt dabei bevorzugt vor der weiteren Verarbeitung der Wagenbeschleunigung, insbesondere vor der Bestimmung der Wagengeschwindigkeit aus der erfassten Wagenbeschleunigung. Nachfolgend werden Möglichkeiten zur Korrektur der Wagenbeschleunigung beschrieben.
• Vorzugsweise weist das Verfahren einen der folgenden Schritte auf:
• - Bestimmen eines Steigungswerts eines Streckenabschnitts; und/oder
• - Korrigieren der Wagengeschwindigkeit unter Berücksichtigung des Steigungswerts.
• Wenn vorteilhafterweise ein Steigungswert eines Streckenabschnitts bestimmt wird und die Wagengeschwindigkeit unter Berücksichtigung des Steigungswerts korrigiert wird, kann die aus der Beschleunigung berechnete Wagengeschwindigkeit genauer berechnet werden.
• Vorzugsweise weist der Wagen eine Längsrichtung auf, und der Steigungswert wird durch Erfassen einer Korrekturbeschleunigung in einer Richtung senkrecht zu der Längsrichtung in einer vertikalen Ebene erfasst.
• Vorzugsweise wird dabei die Beschleunigung des Wagens in seiner Hochrichtung bestimmt. Fährt der Wagen mit konstanter Geschwindigkeit, so ist diese in der Ebene durch die direkt wirkende Gewichtskraft des Wagens höher als an einer Steigung. Dadurch kann auf einen Steigungswert geschlossen werden. Besonders bevorzugt können auch weitere Werte bei der Bestimmung der Steigung auf diesem Weg berücksichtigt werden. So hat beispielsweise auch die tatsächliche Wagengeschwindigkeit einen Einfluss auf die Korrekturbeschleunigung. Dies ist beispielsweise beim Überfahren einer Kuppe oder bei der Durchfahrt einer Senke feststellbar.
• Vorzugsweise wird die erfasste Beschleunigung durch die Korrekturbeschleunigung zu einer korrigierten Beschleunigung korrigiert, und die Wagengeschwindigkeit wird aus der korrigierten Beschleunigung, insbesondere durch Integrieren, bestimmt. Die Korrektur erfolgt dabei vorzugsweise durch Subtrahieren oder Multiplikation, oder einer Kombination aus Verechnung mit dem Anteil der Korrekturbeschleunigung, der in der Ebene der erfassten Beschleunigung verläuft. Die Bestimmung der Wagengeschwindigkeit erfolgt vorzugsweise durch Integration der so korrigierten Beschleunigung, wobei als Integralstartwert besonders bevorzugt ein Wert der Radgeschwindigkeit, wie oben beschrieben, verwendet wird.
• Bei einem vorteilhaften Erfassen einer Beschleunigung vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zu einer Längsrichtung des Wagens in einer vertikalen Ebene kann eine aus dieser Beschleunigung entstehende Beschleunigungsabweichung kompensiert werden und die berechnete Wagengeschwindigkeit mit einem aus der Beschleunigungsabweichung entstehenden bzw. abgeleiteten Faktor angepasst werden.
• Wenn die erfasste Längsbeschleunigung durch die Beschleunigung in der vertikalen Ebene senkrecht zu der Längsrichtung zu einer korrigierten Längsbeschleunigung korrigiert wird und die Wagengeschwindigkeit durch Integrieren der korrigierten Längsbeschleunigung berechnet wird, kann in Verbindung mit dem Abgleich der Referenzgeschwindigkeit und der Wagengeschwindigkeit ein Driftfehler in einem Geschwindigkeitswert der Wagengeschwindigkeit über einen möglichst langen Zeitraum klein gehalten werden.
• Vorzugsweise werden der Steigungswert oder die Korrekturbeschleunigung gyroskopisch erfasst.
• Der Steigungswert kann alternativ oder zusätzlich aus einem Vergleich der Radgeschwindigkeit und einer aus Integration der Beschleunigung des Wagens ermittelten Geschwindigkeit bestimmt werden.
• Der Steigungswert kann ferner auch aus einem Vergleich einer Radbeschleunigung, also einer zeitlichen Änderung der Radgeschwindigkeit, und der Beschleunigung des Wagens bestimmt werden.
• Der Steigungswert und/oder die Korrekturbeschleunigung können schließlich auch aufgrund einer ermittelten Position des Wagens auf dem Streckenabschnitt bestimmt werden. Dies kann beispielsweise durch einen Abgleich mit digitalen Kartendaten erfolgen, wobei der Position des Wagens, die üblicherweise mittels GPS erfasst wird, Steigungsdaten, die in den Kartendaten hinterlegt sind, zugeordnet werden.
• Vorzugsweise ist der Wagen als Teil eines Fahrzeugs aus mindestens einem Wagen ausgebildet.
• Alternativ oder zusätzlich ist der Wagen spurgebunden, insbesondere als Schienenfahrzeug oder Teil eines Schienenfahrzeugs ausgebildet.
• Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Wagengeschwindigkeit eines Wagens vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Dabei handelt es sich vorzugsweise um eine elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung, wie ein Steuergerät, welches besonders bevorzugt in einem Wagen verbaut werden kann.
• Nach einem dritten Aspekt der Erfindung ist ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, insbesondere aufweisend mindestens einen Wagen, vorgesehen, wobei das Fahrzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist, und/oder wobei das Fahrzeug eine erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist. Die einzelnen Wagen des Schienenfahrzeugs sind dabei vorzugsweise miteinander gekuppelt, wobei die Kupplung vorzugsweise starr oder momentfrei ausgebildet ist.
• Die Vorrichtung und/oder das Fahrzeug sind vorzugsweise dazu ausgebildet, die Drehzahl des Wagenelements und/oder die Beschleunigung des Wagens zu erfassen, wobei sie ferner Mittel aufweisen, um das oben beschriebene Verfahren in zumindest einer Ausprägung durchzuführen.
• Nach einem vierten Aspekt der Erfindung ist ferner ein Computerprogrammprodukt mit Codemitteln vorgesehen, die auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sind und die eine Datenverarbeitungsvorrichtung, vorzugsweise eine erfindungsgemäße Vorrichtung, dazu veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, wenn die Codemittel auf der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden. Somit besteht vorteilhafterweise die Möglichkeit, eine Vorrichtung und/oder einen Wagen zur Durchführung des Verfahrens auszubilden.
• Die Erfindung wird nun mittels einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
• Es zeigen
• 1 ein Schaubild einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 2 ein Schaubild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 3 ein Schaubild einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
• 4 ein Schaubild einer Berechnung einer Qualität der Radgeschwindigkeit.
• 1 zeigt ein Schaubild einer fahrzustandsabhängigen Bestimmung einer Wagengeschwindigkeit v_Wagen eines Wagens.
• Eine Radgeschwindigkeit v_Odo wird über Odometrie aus einer Drehzahl eines Rades des Wagens bestimmt. Die Drehzahl des Rads kann über Impulse eines Impulsgebers bestimmt werden. Alternativ sind auch andere Verfahren zum Erfassen der Drehzahl, möglich. Über einen Radius des Rads, und somit über einen Umfang des Rads, und die Drehzahl des Rads kann dann die Radgeschwindigkeit v_Odo bestimmt werden. Dies kann insbesondere durch folgende Berechnung erfolgen: $${\text{v}}_{\text{Odo}}={\text{n}}_{\text{Rad}}\times {\text{r}}_{\text{Rad}}$$

  

  n_Rad ist dabei die Drehzahl, r_Rad ist der Radradius.
• Die Radgeschwindigkeit v_Odo kann aufgrund von auftretendem Schlupf und nicht genauer Kenntnis des Radradius, unter anderem aufgrund von Verschleiß, nicht immer zuverlässig genau bestimmt werden. Der Radradius r_Rad kann daher beispielsweise durch geeignete Verfahren während der Fahrt des Wagens immer wieder neu bestimmt werden. Solche Verfahren sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. Daher wird nachfolgend davon ausgegangen, dass der Radradius r_Rad bekannt ist.
• In der gezeigten Ausführungsform wird zwischen vier Zuständen „Stillstand“, „Coasting“, „Antreiben“ und „Bremsen“ unterschieden, in denen sich die Bestimmung der Wagengeschwindigkeit befinden kann. Diese Zustände werden nachfolgend erläutert.
• Im Stillstand des Wagens, einem Fahrzustand, in dem die Radgeschwindigkeit v_Odo Null beträgt, entspricht die Wagengeschwindigkeit v_Wagen, entsprechend dem oben beschriebenen ersten Betriebsmodus, der Radgeschwindigkeit v_Odo. Da sich die Räder nicht drehen, ist die Radgeschwindigkeit v_Odo Null. Zusätzlich wird ein Integralstartwert v_0,acc bestimmt. Dieser wird dem Wert der Radgeschwindigkeit v_Odo gleichgesetzt und ist somit ebenfalls Null. Sämtliche Geschwindigkeiten v_Odo, v_0,acc und v_Wagen nehmen also den Wert Null an.
• Wird der Wagen nun mittels eines Moments, das auf das Rad aufgebracht wird, angetrieben, wechselt die Bestimmung der Wagengeschwindigkeit in den Zustand „Antreiben“. Da aufgrund des aufgebrachten Momentes ein Schlupfen des angetriebenen Rades nicht ausgeschlossen werden kann, ist eine Korrelation der erfassten Raddrehzahl zu der tatsächlich vorliegenden Wagengeschwindigkeit nicht mehr zwingend gegeben.
• Die Wagengeschwindigkeit v_Wagen wird nun, gemäß dem zweiten Betriebsmodus, wie folgt berechnet: Eine gemessene Beschleunigung a_mess des Wagens wird über die verstrichene Zeit integriert. Dann wird durch Addition des Ergebnisses der Integration in der verstrichenen Zeit und dem Integralstartwert v_0,acc zu Beginn der verstrichenen Zeit die Wagengeschwindigkeit v_Wagen berechnet.
• Wird dem Rad kein Moment aufgeprägt, während der Wagen sich in Bewegung befindet, so rollt der Wagen frei in eine Fahrtrichtung. In diesem Fall befindet sich die Bestimmung der Wagengeschwindigkeit im Zustand „Coasting“. Da hier kein oder nur minimaler Schlupf auftritt, können Ungenauigkeit aufgrund des Schlupfs vernachlässigt werden. Die Wagengeschwindigkeit v_Wagen wird hier, entsprechend des ersten Betriebsmodus, durch die Radgeschwindigkeit v_Odo bestimmt. Ebenso wird der Integralstartwert v_0,acc der Radgeschwindigkeit v_Odo gleichgesetzt.
• Im Wesentlichen entspricht die Bestimmung der Wagengeschwindigkeit v_Wagen im Zustand Coasting derjenigen im Zustand Stillstand.
• Wird der Wagen nun mittels eines Moments, das auf das Rad aufgebracht wird, verzögert, wechselt die Bestimmung der Wagengeschwindigkeit in den Zustand „Bremsen“. Da aufgrund des aufgebrachten Momentes ein Schlupfen des angetriebenen Rades nicht ausgeschlossen werden kann, ist eine Entsprechung der ermittelten Raddrehzahl zu der tatsächlich vorliegenden Wagengeschwindigkeit v_Wagen nicht mehr sicher.
• Die Wagengeschwindigkeit v_Wagen wird nun analog zu der Bestimmung im Zustand Antreiben, gemäß dem oben beschriebenen zweiten Betriebsmodus, berechnet.
• Die Zustände Stillstand und Coasting einerseits und die Zustände Antreiben und Bremsen andererseits unterscheiden sich lediglich durch die aufgebrachten Kräfte bzw. Momente an dem Rad oder den Rädern, das oder die zur Bestimmung der Radgeschwindigkeit v_Odo verwendet werden. Somit ist eine weitere Ausführungsform dadurch gegeben, dass lediglich zwischen zwei Zuständen, nämlich „Stillstand/Coasting“ und „Antreiben/Bremsen“ unterschieden wird. Diese wird in 3 gezeigt, auf die später genauer eingegangen wird.
• In den Fällen, in denen das Schienenfahrzeug bis zu einem Stillstand abgebremst wird, oder die Geschwindigkeit lediglich verringert wird ohne vollständig anzuhalten und dann in den antriebslosen Fahrzustand (Coasting) gewechselt wird, werden sowohl die Wagengeschwindigkeit v_Wagen als auch der Integralstartwert v_0,acc mit der Radgeschwindigkeit v_Odo gleichgesetzt. Der Integralstartwert v_0,acc kann dabei der letzte ermittelte Wert der Radgeschwindigkeit v_Odo sein, der bestimmt wurde, bevor die Wechselbedingung eintritt und die Geschwindigkeit im zweiten Betriebsmodus ermittelt wird.
• In einer speziellen Ausführungsform handelt es sich bei der Beschleunigung a_mess um eine Längsbeschleunigung des Wagens, also um eine Beschleunigung entlang seiner Längsachse und somit um eine Beschleunigung in Fahrtrichtung.
• 2 zeigt ein Schaubild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei hier eine Korrektur der erfassten Beschleunigung a_mess mittels der Korrekturbeschleunigung a_korrektur erfolgt. Dazu wird die ermittelte Korrekturbeschleunigung a_korrektur von der erfassten Beschleunigung a_mess abgezogen. Das Ergebnis dieser Differenz wird anschließend integriert. Die weitere Bestimmung der Wagengeschwindigkeit v_Wagen ist mit der Bestimmung aus 1 identisch und bedarf keiner weiteren Erläuterung.
• Die Korrektur der Wagengeschwindigkeit v_Wagen wird über ein Berücksichtigen eines Steigungswerts eines Streckenabschnitts durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich werden auch Abweichungen aufgrund von anderen Störgrößen korrigiert oder es wird keine Korrektur durchgeführt.
• Für die Korrektur mittels des Steigungswerts des Streckenabschnitts wird eine Korrekturbeschleunigung a_korr senkrecht zu dem Wagen, also in einer Richtung senkrecht zu einer Längsachse des Wagens in einer vertikalen Ebene erfasst. Alternativ wird der Steigungswert des Streckenabschnitts auf eine andere Weise erfasst oder eine Topologie der Strecke herangezogen, um den Steigungswert zu bestimmen. So kann in der erfassten Beschleunigung a_mess der Einfluss einer Steigung eliminiert werden.
• Die Wagengeschwindigkeit v_Wagen wird mittels Integrieren der erfassten Beschleunigung a_mess, die durch die Korrekturbeschleunigung a_korr senkrecht zu der Längsrichtung des Wagens in der vertikalen Ebene korrigiert wird, berechnet. Alternativ kann die erfasste Beschleunigung a_mess auch durch Beschleunigungen in anderen Ebenen korrigiert werden.
• 3 zeigt ein Schaubild einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Bestimmung der Wagengeschwindigkeit v_Wagen erfolgt entsprechend der Verfahrensschritte aus den 1 und 2. Das hier gezeigte Verfahren unterscheidet sich von den zuvor gezeigten Verfahren dadurch, dass hier lediglich zwischen zwei Zuständen gewechselt wird.
• Wird das Rad des Wagens angetrieben oder abgebremst, wobei dazu ein Moment auf das Rad aufgeprägt wird, so erfolgt die Bestimmung der Wagengeschwindigkeit v_Wagen mittels Integration. Das Verfahren befindet sich somit im zweiten erfindungsgemäßen Betriebszustand. Wir kein Moment auf das Rad des Wagens aufgeprägt, befindet sich der Wagen im frei rollenden Zustand „Coasting“ oder er befindet sich im Stillstand. Dann wird die Wagengeschwindigkeit v_Wagen mittels Odometrie, also durch Gleichsetzen der Wagengeschwindigkeit v_Wagen mit der Radgeschwindigkeit v_Odo bestimmt. Das Verfahren befindet sich somit im ersten erfindungsgemäßen Betriebszustand.
• Das Wechseln zwischen den einzelnen Zuständen erfolgt in den Verfahren, die in den 1 bis 3 gezeigt sind, durch die Bedingung, ob ein Moment auf das entsprechende Rad aufgebracht wird (beim „Antreiben“ oder „Bremsen“) bzw. ob das entsprechende Rad momentenfrei ist (beim „Stillstand“ oder „Coasting“). Ein Wechsel zwischen diesen Zuständen kann aber auch in anderer Weise herbeigeführt werden. Beispielsweise kann aufgrund der Qualität der Radgeschwindigkeit v_Odo entschieden werden, ab wann die Radgeschwindigkeit v_Odo ungeeignet zur weiteren Verarbeitung ist.
• 4 zeigt ein Schaubild einer Berechnung einer Qualität der Radgeschwindigkeit.
• Es ist ein Berechnungsblock B gezeigt, der dazu ausgebildet ist, auf Basis von Eingangswerten Q1, Q2, Q3, Q4 die links in den Berechnungsblock B führen, eine Qualität Q der Radgeschwindigkeit v_Odo zu bestimmen. Der Berechnungsblock B gibt auf seiner rechten Seite schließlich die Qualität Q der Radgeschwindigkeit v_Odo aus.
• Der Eingangswert Q1 entstammt einem Berechnungsblock, der eine Grundwertberechnung darstellt. Aufgrund von einem oder mehreren Parametern P1, die sich aus dem Betrieb des Wagens ergeben, wird hier ein Grundwert für die Qualität Q berechnet, der dann als Eingangswert Q1 an den Berechnungsblock B übermittelt wird. Beispielsweise kann ein Parameter P1 schlicht eine Information sein, ob ein Bremseingriff vorliegt, ob das entsprechende Rad angetrieben wird, oder ob es momentenfrei ist.
• Ein weiterer Eingangswert Q2 entstammt einem Berechnungsblock, der speziell Parameter P2 aus dem Gleitschutz des Wagens verarbeitet. Wird beispielsweise die Gleitschutzfunktion des Wagens ausgelöst, so wird der Eingangswert Q2 entsprechend verändert, so dass anschließend der Berechnungsblock B einen Kennwert, der einer schlechteren Qualität Q entspricht, ausgibt.
• Ein weiterer Eingangswert Q3 entstammt einem Berechnungsblock, der als Eingangsgrößen die Radgeschwindigkeit v_Odo sowie eine Referenzgeschwindigkeit v_Ref verarbeitet. Beispielsweise kann aus dem Vergleich der Radgeschwindigkeit v_Odo mit der Referenzgeschwindigkeit v_Ref ein Mindestschlupf ermittelt werden, der sich im Vergleich zu dem Wagen bei Null Schlupf und bei idealer Kraftübertragung zwischen Rad und Schiene einstellen würde. Ein solcher Mindestschlupf kann dann beispielsweise als Eingangswert Q3 in den Berechnungsblock B gegeben werden. Der Eingangswert Q3 kann jedoch auch ein abstrakter Wert sein.
• Ein weiterer Eingangswert Q4 entstammt einem Berechnungsblock, der Momente und/oder Kräfte am Rad auswertet und daraus den Eingangswert Q4 bestimmt. Als Eingangsgrößen werden in diesem Beispiel die Größen M und P herangezogen. M repräsentiert dabei eine Größe, die einem Antriebsmoment das auf das Rad wirkt, entspricht, oder eine Größe, aus der das Antriebsmoment des Rades bestimmt werden kann. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Strom eines Elektromotors handeln. Die Größe P repräsentiert eine Größe, die einem Bremsmoment das auf das Rad wirkt, entspricht, oder eine Größe, aus der das Bremsmoment des Rades bestimmt werden kann. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Strom einer Wirkelstrombremse, um einen Bremsdruck o.ä. handeln. Aus einer solchen Größe M, P kann auch eine Kraft zwischen Schiene und Rad, die einer Antriebs- oder Bremskraft entspricht, bestimmt werden. Sind die Größen M, P relativ hoch, so kann ein Eingangswert Q4 bestimmt werden, der im Berechnungsblock B die Berechnung einer niedrigeren Qualität Q veranlasst, verglichen mit einem Zustand mit niedrigeren Größen M, P.
• In einer speziellen Ausführungsform ist der Berechnungsblock B als Additionsoperator ausgebildet, der die Eingangswerte Q1, Q2, Q3, Q4 addiert und dadurch als Summe die Qualität Q bildet.
• Die Verarbeitung der Eingangswerte Q1, Q2, Q3, Q4 kann ferner auch gewichtet erfolgen.
• Darüber hinaus sind Ausführungsformen zur Qualitätsberechnung denkbar, die lediglich einen Teil der hier gezeigten Eingangswerte Q1, Q2, Q3, Q4 verarbeitet.
• Schließlich wird eine spezielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nachfolgend beschrieben:
• Im „Stillstand“ des Wagens, einem Fahrzustand, in dem die Radgeschwindigkeit v_Odo Null oder nahezu Null beträgt, entspricht die lokale Wagengeschwindigkeit v_Wagen der Radgeschwindigkeit v_Odo und der Integralstartwert v0,acc der aktuellen Radgeschwindigkeit v_Odo gleichgesetzt. Ferner wird auch die Wagengeschwindigkeit v_Wagen der Radgeschwindigkeit v_Odo gleichgesetzt, so dass sämtliche Geschwindigkeiten v_Odo, v_0,acc und v_Wagen nehmen also denselben Wert, insbesondere den Wert Null, an. Zusätzlich kann jetzt in diesem Zustand über den ermittelten Messwert der Längsbeschleunigung a_mess direkt die Korrekturbeschleunigung a_korrektur bestimmt werden.
• Wenn sich der Fahrzustand vom „Stillstand“ in einen angetriebenen Fahrzustand („Antreiben“), in dem sich die lokale Wagengeschwindigkeit v_Wagen erhöht, ändert, wird die lokale Wagengeschwindigkeit v_Wagen folgendermaßen berechnet:
1. 1. Wenn kein nennenswerter Schlupf vorhanden ist:
   • Wenn kein oder wenig Schlupf vorhanden ist, also wenn die Qualität der Radgeschwindigkeit v_Odo, wie oben beschrieben, einem vorbestimmten Wert entspricht:
     • Wenn in der Antriebs- bzw. Bremssteuerung kein oder nur sehr geringer Schlupf detektiert wird, so wird die Wagengeschwindigkeit v_Wagen gleich der Radgeschwindigkeit v_Odo gesetzt. Zusätzlich kann dabei die Korrekturbeschleunigung a_korrektur aus der
• Differenz der Fahrzeugbeschleunigung ermittelt aus der Referenzgeschwindigkeit v_Ref und der gemessenen Fahrzeugbeschleunigung a_mess bestimmt werden.
• 2. Wenn Schlupf vorhanden ist:
• Wenn die Antriebs- bzw. Bremssteuerung signifikanten Schlupf detektiert, also wenn die Qualität der Radgeschwindigkeit v_Odo unter einen vorbestimmten Wert fällt, wird die gemessene Längsbeschleunigung a_mess des Wagens mittels der vorher bestimmten Korrekturbeschleunigung a_korrektur korrigiert und über die verstrichene Zeit integriert. Dann wird durch Addition des Ergebnisses der Integration in der verstrichenen Zeit und dem Integralstartwert v_0,acc zu Beginn der verstrichenen Zeit die lokale Wagengeschwindigkeit v_Wagen berechnet.
• Bei einer Änderung des Fahrzustands von dem angetriebenen Fahrzustand zu einem antriebslosen Fahrzustand, einem sogenannten „coasting“, werden sowohl die lokale Wagengeschwindigkeit v_Wagen als auch der Integralstartwert v_0,acc auf die Radgeschwindigkeit v_Odo gesetzt.
• Tritt im Falle des „coasting“ kein oder nur minimaler Schlupf auf, kann die Wagengeschwindigkeit v_Wagen immer noch durch Gleichsetzen mit der Radgeschwindigkeit v_Odo bestimmt werden. Ungenauigkeiten aufgrund des minimalen Schlupfs können vernachlässigt werden.
• Bei einer Änderung des Fahrzustands von dem antriebslosen Fahrzustand zu einem gebremsten Fahrzustand („Bremsen“) wird die lokale Wagengeschwindigkeit v_Wagen analog zu dem Fahrzustand „Antreiben“ mittels der oben genannten Fallunterscheidung bestimmt. Ist kein oder wenig Schlupf vorhanden, so wird die Wagengeschwindigkeit v_Wagen gleich der Radgeschwindigkeit v_Odo gesetzt. Ist nicht vernachlässigbarer Schlupf vorhanden, so wird die Wagengeschwindigkeit v_Wagen aus der Integration der gemessenen Längsbeschleunigung a_mess, die um die Korrekturbeschleunigung a_korrektur korrigiert wurde, bestimmt.
• In den Fällen, in denen das Schienenfahrzeug bis zu einem Stillstand abgebremst wird („Stillstand“), oder die Geschwindigkeit lediglich verringert wird ohne vollständig anzuhalten und dann in den antriebslosen Fahrzustand („Coasting“) gewechselt wird, werden sowohl die lokale Wagengeschwindigkeit v_Wagen als auch der Integralstartwert v_0,acc mit der Radgeschwindigkeit v_Odo abgeglichen und auf die Radgeschwindigkeit v_Odo gesetzt.
• In dem oben beschriebenen Verfahren stellt die Korrekturbeschleunigung a_korrektur die Gesamtheit des Steigungswertes eines Streckenabschnittes und andere einwirkende Störgrößen dar.
• Die vorliegenden Ausführungsformen beschreiben die Bestimmung einer Geschwindigkeit eines Wagens und somit einer Bestimmung einer lokal auf diesen Wagen bezogenen Geschwindigkeit. Allerdings können auf diese Weise auch Geschwindigkeiten von Fahrzeugen bestimmt werden, die beispielsweise aus mindestens zwei Wagen aufgebaut sind, wobei die Wagen entweder starr oder über Kupplungen miteinander verbunden sind. Es können dadurch lokale Geschwindigkeiten einzelner Wagen bestimmt werden und diese optional auch zur Bestimmung einer globalen Geschwindigkeit des gesamten Fahrzeugs verwendet werden.
• Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (15)

1. Verfahren zur Bestimmung einer Wagengeschwindigkeit (v_Wagen) eines Wagens mit den Schritten: - in einem ersten Betriebsmodus: - Erfassen einer Drehzahl mindestens eines Wagenelementes dessen Drehzahl direkt proportional mit der Drehzahl mindestens eines Rades des Wagens ist; - Bestimmen einer Radgeschwindigkeit (v_Odo) aus der Drehzahl des mindestens einen Wagenelementes und einem Proportionalitätsfaktor; und - Bestimmen der Wagengeschwindigkeit (v_Wagen) aus der Radgeschwindigkeit (V_Odo); - in einem zweiten Betriebsmodus: - Erfassen einer Beschleunigung (a_mess) des Wagens; und - Bestimmen der Wagengeschwindigkeit (v_Wagen) zumindest aus der Beschleunigung (a_mess); wobei - ein Wechseln vom ersten in den zweiten Betriebsmodus erfolgt, wenn zumindest eine Wechselbedingung erfüllt ist; und aufweisend einen weiteren Schritt: - Bestimmen einer Qualität der ermittelten Radgeschwindigkeit (v_Odo), wobei die Qualität als Kennwert unter Berücksichtigung eines Stroms und/oder einer Spannung einer Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, dem Rad ein Moment aufzuprägen, bestimmt wird, und wobei die zumindest eine Wechselbedingung als Überschreiten oder Unterschreiten eines Grenzwertes durch den Kennwert erfüllt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Schritte - Erfassen einer Drehzahl mindestens eines Wagenelementes dessen Drehzahl direkt proportional mit der Drehzahl mindestens eines Rades des Wagens ist; und/oder - Bestimmen einer Radgeschwindigkeit (v_Odo) aus der Drehzahl des mindestens einen Wagenelementes und einem Proportionalitätsfaktor; auch in dem zweiten Betriebsmodus durchgeführt werden, und/oder wobei der Schritt - Erfassen einer Beschleunigung (a_mess) des Wagens; auch in dem ersten Betriebsmodus durchgeführt wird, und/oder wobei ein Schritt - Wechseln von dem zweiten in den ersten Betriebsmodus oder Verbleiben in dem ersten Betriebsmodus erfolgt, wenn keine Wechselbedingung erfüllt ist und/oder wenn die erfasste Drehzahl des Wagenelements Null ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die erfasste Beschleunigung (a_mess) eine Längsbeschleunigung in Fahrtrichtung des Wagens ist.
4. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Bestimmen der Wagengeschwindigkeit (v_Wagen) im zweiten Betriebsmodus mittels Integrieren der erfassten Beschleunigung (a_mess) oder einer daraus abgeleiteten Beschleunigung erfolgt, wobei vorzugsweise als Integralstartwert (v_0,acc) für das Integrieren ein Wert der Radgeschwindigkeit (v_Odo), vorzugsweise der zuletzt bestimmte Wert der Radgeschwindigkeit (v_Odo) im ersten Betriebsmodus, verwendet wird, und/oder wobei das Bestimmen der Wagengeschwindigkeit (v_Wagen) im zweiten Betriebsmodus unter Berücksichtigung der Radgeschwindigkeit (v_Odo), insbesondere durch Korrektur durch die Radgeschwindigkeit (v_Odo), erfolgt.
5. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Bestimmung der Qualität als Kennwert unter Berücksichtigung auch mindestens einer der folgenden Größen gebildet wird: - ein Bremsdruck und/oder eine Zuspannkraft einer Bremse, die zur Bremsung des Rades ausgebildet ist; - einem auf das Rad aufgebrachten Antriebs- oder Bremsmoment; - eine Gewichtskraft des Wagens, welche durch eine Lasterfassung ermittelt wird - ein Radschlupf des Rades; - einer Referenzgeschwindigkeit (v_Ref) und/oder die Wagengeschwindigkeit (V_Wagen); - ein Reibwert zwischen dem Rad und einer Oberfläche auf der das Rad rollt; - der erfassten Beschleunigung (a_mess); - einem auf das Rad aufgebrachten Antriebs- oder Bremsmoment; - einer globalen Fahrzeuggeschwindigkeit; - einer Information, ob ein Gleitschutzeingriff vorliegt; - einer Information, ob ein Bremseingriff vorliegt; - einer Information, ob das entsprechende Rad angetrieben wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Grenzwert variabel ausgebildet ist und insbesondere unter Berücksichtigung einer der folgenden Größen variiert wird: - einer Temperatur, vorzugsweise einer Umgebungstemperatur; - einer Feuchtigkeit, vorzugsweise einer Feuchtigkeit der Oberfläche auf der das Rad rollt; - der Wagengeschwindigkeit (v_Wagen), vorzugsweise der zuletzt bestimmten Wagengeschwindigkeit (v_Wagen).
7. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Vergleich der Radgeschwindigkeit (v_Odo) oder einer Radbeschleunigung mit einer Referenzgröße erfolgt und aufgrund des Vergleichs die Erfüllung der zumindest einen Wechselbedingung bestimmt wird, wobei die Referenzgröße vorzugsweise ein Sollverhalten des Wagens beschreibt und besonders bevorzugt als Referenzgeschwindigkeit (v_Ref) oder als Referenzbeschleunigung ausgebildet ist.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die zumindest eine Wechselbedingung ein Aufbringen eines Antriebs- oder Bremsmomentes auf das Rad ist, und/oder als fehlerhaftes Erfassen der Drehzahl charakterisiert ist.
9. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die bestimmte Wagengeschwindigkeit (v_Wagen), insbesondere die aus der erfassten Beschleunigung (a_mess) bestimmte Wagengeschwindigkeit (v_Wagen), bei einem brems- oder antriebslosen Fahren oder bei Stillstand des Wagens auf die Radgeschwindigkeit (v_Odo) zurückgesetzt wird.
10. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit den Schritten: - Bestimmen oder Erfassen eines Steigungswerts (α) eines Streckenabschnitts; und/oder - Erfassen einer Korrekturbeschleunigung (a_korrektur) in einer Richtung senkrecht zu einer Längsrichtung des Wagens in einer vertikalen Ebene, wobei der Steigungswert (α) vorzugsweise aus der Korrekturbeschleunigung (a_korrektur) bestimmt wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der Steigungswert (α) oder die Korrekturbeschleunigung (a_korrektur) gyroskopisch erfasst werden, und/oder wobei der Steigungswert (α) aus einem Vergleich der Radgeschwindigkeit (v_Odo) und einer aus Integration der Beschleunigung (a_mess) ermittelten Geschwindigkeit bestimmt wird, und/oder wobei der Steigungswert (α) aus einem Vergleich einer Radbeschleunigung und der Beschleunigung (a_mess) bestimmt wird, und/oder wobei der Steigungswert (α) oder die Korrekturbeschleunigung (a_korrektur) aufgrund einer ermittelten Position des Wagens auf dem Streckenabschnitt bestimmt werden.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Wagengeschwindigkeit (v_Wagen) oder die erfasste Beschleunigung (a_mess) unter Berücksichtigung des Steigungswerts (α) korrigiert wird; und/oder wobei die Wagengeschwindigkeit (v_Wagen) oder die erfasste Beschleunigung (a_mess) durch die Korrekturbeschleunigung (a_korrektur) korrigiert wird.
13. Vorrichtung zur Bestimmung einer Wagengeschwindigkeit (v_Wagen) eines Wagens, die dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen.
14. Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, aufweisend mindestens einen Wagen, wobei das Fahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist, und/oder wobei das Fahrzeug eine Vorrichtung nach Anspruch 13 aufweist, wobei der Wagen vorzugsweise spurgebunden, insbesondere als Schienenfahrzeug oder Teil eines Schienenfahrzeugs ausgebildet ist.
15. Computerprogrammprodukt mit Codemitteln, die auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sind und die eine Datenverarbeitungsvorrichtung, vorzugsweise eine Vorrichtung nach Anspruch 13, dazu veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen, wenn die Codemittel auf der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden.

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