JP2009115722A - 車両速度検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
車両速度・位置検知において、車輪の粘着状態や路面状態に依存しない検出手段を提供する。
【解決手段】
回転センサと、車両の速度を車輪の回転によらず検出する非接触型速度センサと、車両の加速度を検出する加速度センサと、回転センサ，非接触型速度センサ，加速度センサの出力に基づき車輪の空転または滑走を検知する手段と、非接触型速度センサの出力に基づき路面状態を検知する手段と、粘着状態を検知する手段と、路面状態を検知する手段に基づき、車両速度および位置の演算方式を切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、車輪により移動する車両の速度・位置検出に関するものである。
鉄道車両を制御するには、車両の位置を正確に検出する必要がある。位置検出の手法としては、車輪に取り付けられた回転センサにより車両の速度を検出し、これを積分することにより車両位置を演算する方式が知られている。本手法を用いる場合、車輪の空転・滑走の影響により速度，位置に検出誤差を生じる。このような誤差を補正するため、所定の位置に地上子を設置しておき、車両が地上子を通過する際に車両位置の演算値が地上子の位置と一致するよう補正している。位置検出精度を十分高くするため、多数の地上子が設置されている。
また、回転センサの出力を車両速度に精度良く換算するため、車輪径も厳密に管理されている。
これに対して、車輪の回転によらない非接触型の速度検出手段を用いることにより、空転・滑走の影響を受けない車両速度・位置検出を実現する手法が提案されている。
特開平５−２４９１２７号公報
前記の公知例では、例えば電波を用いたドップラーセンサにより車両速度を検出する方式について述べられている。このような方式では、電波を車両の進行方向に対して俯角を持つ方向に照射し、反射波を受診することにより速度を検出する。このため、冠水した路面や鉄板で覆われた路面などの条件下では、電波が全反射しやすくセンサに戻る反射波の強度が低下し、速度検出精度が劣化する場合がある。
車両位置を安定に検出するためには、車輪の空転・滑走の影響を除去するだけでなく、路面状態によらない速度・位置検出手段を用いる必要がある。
車輪の回転センサ，ドップラーセンサに代表される非接触型の速度センサに加えて、路面状態の影響を受けない加速度センサを併用することにより、車輪の空転・滑走や路面状態の影響を受けない車両速度・位置検出手段を提供する。
本発明により、車両の空転・滑走や路面状態の変化によらず、安定した車両速度・位置検出が可能となる。
本発明の第１の実施例を図１に示す。図１は本発明を適用した鉄道車両の速度および位置検出システムを示しており、回転センサ，ドップラーセンサ，加速度センサの出力から車両速度・位置を演算する。
回転センサ１０１は、１回転あたり６０〜１００個程度のパルス信号を出力する。回転速度演算１０２は、パルス信号と車輪径を用いて、車輪周速度に相当する回転速度Ｖｒを演算する。
ドップラーセンサ１０３は、マイクロ波またはミリ波を車両の進行方向に対して俯角を持つ方向にアンテナを通して照射する。センサに戻る反射波を同一のアンテナで受信し、ミキサーで検波することにより、車両速度に比例する周波数成分を持つドップラー信号を出力する。
ＦＦＴ演算１０４では、ドップラー信号をＦＦＴ解析することによりスペクトルＳｄを生成する。ドップラー速度演算１０５では、Ｓｄがピークを持つ周波数を探索し、ドップラー速度Ｖｄに換算する。
加速度センサ１０６は、車両の前後方向の加速度信号を出力する。加速度演算１０７は、加速度信号のノイズ成分をローパスフィルタにより除去し、車両の加速度Ａｇを生成する。
車両速度・位置演算１２０は、回転速度Ｖｒ，ドップラー速度Ｖｄ，加速度Ａｇ，スペクトルＳｄから車両の速度Ｖｔおよび位置Ｐｔを演算する。６種類の演算モードを持ち、車輪の粘着状態と路面状態に応じてモードを切り替える。
車両位置・速度演算の詳細について図２により説明する。速度演算モードは、車輪の粘着状態と路面状態に応じて分割している。粘着状態としては、（１）滑走が発生していない「粘着」状態、（２）滑走が発生し、滑走量が増加していく「滑走増」状態、（３）滑走量が減少に転じ、再粘着に至るまでの「滑走減」状態の３種類の状態に分割する。また、路面状態としては、（１）ドップラーセンサに戻る反射波の強度が十分高く、速度検出が可能な「信号強」状態、（２）反射波が弱く、速度検出が不可能な「信号弱」状態の２種類の状態に分割する。これらの組み合わせにより６種類の速度演算モードに分割し、粘着状態や路面状態の変化を検知してモードを切り替える。初期状態はモード１である。
車輪の粘着状態の検知方法について、図３を用いて説明する。図３は、車両の減速中に滑走が発生した場合について、車両速度および各センサの出力から演算した速度，回転速度Ｖｒの変化率，Ｖｒとドップラー速度Ｖｄの差を表している。
滑走が発生すると、車輪は「粘着」状態から「滑走増」状態，「滑走減」状態へ移行し、再粘着により「粘着」状態に復帰する。
「滑走増」状態の検知について説明する。
滑走が発生すると、回転速度は通常の減速より大きな変化率で減少する。そこで、第一の条件として、Ｖｒの変化率を所定の検知レベルβ１と比較することにより滑走を検知する。また、滑走中には車両速度に対してＶｒが大幅に減少する。そこで、第二の条件として、ＶｒとＶｄの差を所定の検知レベルＶｄ１と比較することにより滑走を検知する。これらの検知方法を組み合わせることにより「滑走増」状態への移行を検知する。「滑走減」状態への移行については、ｄＶｒ／ｄｔ＞０により検知する。
車輪の再粘着による「粘着」状態への復帰については、ｄＶｒ／ｄｔ＜０、またはＶｒとＶｄの差を所定の検知レベルＶｄ２と比較することにより検知する。空転にともなう粘着状態の変化についても、滑走時とは極性が異なる検知レベルをあらかじめ設定することにより、同様に検知できる。
路面状態の検知方法について図４を用いて説明する。ドップラー信号の中心周波数成分は車両速度に比例するので、スペクトルＳｄは車両速度に相当する周波数付近に信号強度のピークを持つ。通常はこのピークを用いて車両速度を検出するが、スペクトルＳｄは速度成分以外にもノイズ成分を持つ。このため、路面状態により信号強度が低下すると、ノイズ成分が速度成分より大きな信号強度を持ち、速度を誤検知する。そこで、スペクトルＳｄを所定の検知レベルΔＳｄと比較し、ΔＳｄ以上である場合は信号強、ΔＳｄを下回る場合には信号弱と判定する。検知レベルΔＳｄは、停止時のノイズレベル等から決定する。
前記の粘着状態の検知，路面状態の検知を組み合わせて各演算モード間の状態遷移を行う。状態遷移条件を表１に示す。
Figure 2009115722
各モードでの速度演算について図５を用いて説明する。図５はブレーキにより減速中の速度、回転速度Ｖｒの変化率、Ｖｒとドップラー速度Ｖｄの差、Ｖｒと加速度センサ速度Ｖｇの差を表している。
演算モードの初期状態はモード１である。モード１では、次式に示す演算を行う。
（数１）
Ｖｄ１［ｎ］← Ｖｄ［ｎ−Ｔ１／Ｔｓ］
Ｖｒ１［ｎ］← Ｖｒ［ｎ−Ｔ１／Ｔｓ］
Ａｇ１［ｎ］← Ａｇ［ｎ−Ｔ１／Ｔｓ］
Ｖｇ［ｎ］ ← Ｖｒ１［ｎ］＋Ａｇ１［ｎ］×Ｔ１
Ｖｔ［ｎ］ ← Ｖｒ［ｎ］
［ｎ］はｎ番目の制御周期での値であることを表す添字であり、Ｔｓは制御周期を表す。
ドップラー速度Ｖｄ，回転速度Ｖｒ，加速度Ａｇについては、Ｔ１［ｓ］前の値を状態変数Ｖｄ１，Ｖｒ１，Ａｇ１として保存しておく。加速度センサ速度Ｖｇは、Ｖｒ１を初期値としてＡｇ１とＴ１から外挿して求める。車両速度ＶｔにはＶｒを代入する。
時刻ｔ１で滑走を検知し、モード１からモード２に移行する。モード２では、次式に示す演算を行う。
（数２）
Ｖｄ１［ｎ］ ← Ｖｄ１［ｎ−１］
Ｖｒ１［ｎ］ ← Ｖｒ１［ｎ−１］
Ａｇ１［ｎ］ ← Ａｇ１［ｎ−１］
Ｖｇ［ｎ］ ← Ｖｒ１［ｎ］＋Ａｇ１［ｎ］×（Ｔ１＋ｔ）
Ｖｔ［ｎ］ ← Ｖｄ［ｎ］−Ｖｄ１［ｎ］＋Ｖｒ１［ｎ］
状態変数Ｖｄ１，Ｖｒ１，Ａｇ１は、制御周期毎の更新を停止し、前回値を保持する。Ｖｔは、ドップラー速度ＶｄをＶｄ１，Ｖｒ１で補正して求める。
時刻ｔ２で滑走減を検知し、モード２からモード３に移行する。モード３の演算式はモード２と同様である。
時刻ｔ３で「信号弱」を検知し、モード３からモード６に移行する。モード６では、次式に示す演算を行う。
（数３）
Ｖｄ１［ｎ］ ← Ｖｄ１［ｎ−１］
Ｖｒ１［ｎ］ ← Ｖｒ１［ｎ−１］
Ａｇ１［ｎ］ ← Ａｇ１［ｎ−１］
Ｖｇ［ｎ］ ← Ｖｒ１［ｎ］＋Ａｇ１［ｎ］×（Ｔ１＋ｔ）
Ｖｔ［ｎ］ ← Ｖｇ［ｎ］
状態変数Ｖｄ１，Ｖｒ１，Ａｇ１は前回値を保持し、Ｖｔは加速度センサ速度Ｖｇとする。
時刻ｔ４で再粘着検知し、モード６からモード１に移行する。
全モードでの速度演算式を表２に示す。車両位置Ｐｔは、車両速度Ｖｔを積分することにより求める。
Figure 2009115722
車両速度・位置検出装置の実施方法を示した説明図。 車両速度・位置演算の状態遷移を示した説明図。 粘着状態の検知方法を示した説明図。 路面状態の検知方法を示した説明図。 本発明の動作を示した説明図。
符号の説明
１０１ 回転センサ
１０２ 回転速度演算
１０３ ドップラーセンサ
１０４ ＦＦＴ演算
１０５ ドップラー速度演算
１０６ 加速度センサ
１０７ 加速度演算

Claims (3)

  1. 車両を駆動または支持する車輪の回転速度を検出する回転センサと、車両の速度を車輪の回転によらず検出する非接触型速度センサと、車両の加速度を検出する加速度センサと、前記回転センサ，前記非接触型速度センサ，前記加速度センサの出力に基づき車輪の空転または滑走を検知する手段と、前記非接触型速度センサの出力に基づき路面状態を検知する手段と、前記粘着状態を検知する手段と、前記路面状態を検知する手段に基づき、車両速度および位置の演算方式を切り替えることを特徴とする車両速度および位置検出装置。
  2. 請求項１記載の車両速度および位置検出装置であって、
    車輪の空転または滑走を検知する手段として、回転センサの出力から求めた速度の変化率を所定の検知レベルと比較する手段と、回転センサの出力から求めた速度と非接触型速度センサから求めた速度との差を所定の検知レベルと比較する手段を備え、
    路面状態を検知する手段として、非接触型速度センサの出力を所定の検知レベルと比較する手段を備えることを特徴とする車両速度および位置検出装置。
  3. 請求項１記載の車両速度および位置検出装置であって、
    車輪の空転または滑走を検知する手段として、回転センサの出力から求めた速度の変化率を所定の検知レベルと比較する手段と、回転センサの出力から求めた速度と非接触型速度センサから求めた速度との差を所定の検知レベルと比較する手段を備え、
    路面状態を検知する手段として、あらかじめ登録した路線データを参照する手段を備えることを特徴とする車両速度および位置検出装置。
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