JP6165814B2 - 乗物位置制御方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、位置制御システムに係る。より詳細には、本発明は、固定経路上の乗物のための位置制御システムに係る。

現在、鉄道又は軌道のような経路に沿った乗物の移動の監視は、中央コントローラ又はコンピュータを使用して行われている。コンピュータは、軌道上の各乗物の位置を監視し、そして乗物の間隔が所定の最小距離内に入ると、軌道上の全ての乗物が停止される。このようなシステムは、コンピュータに加えて、軌道に沿った種々の位置に装着された複数のセンサと、各センサ及びコンピュータを接続するための複雑な配線とを備えている。

例えば、米国特許第４，８６４，３０６号は、バーコードマーカーのようなマシン読み取り可能な軌道側部マーカーを軌道に沿って使用し、これを列車に搭載された装置により読み取って、軌道番号識別、マイルポスト識別及び列車方向を与えるシステムを説明している。列車には、列車識別及び列車速度を与える装置が搭載される。この情報は、列車間のトランスポンダを通して中央ステーションへ送信され、各列車搭載の装置及び中央位置によって処理されて、潜在的な列車衝突を表す視覚及び聴覚信号を発生する。

近年、米国特許第７，１８２，２９８号は、軌道ネットワークであって、その少なくとも２つの軌道区分が互いに隣接するところの少なくとも１つのノードを組み込んでいて、軌道ネットワークに沿って複数の乗物が走行し、各乗物は、それら乗物の移動の制御を行うことのできる制御ユニットを備え、後続又は先行乗物に関する情報が乗物の制御ユニットに記憶されて、乗物がトラックネットワークのノードを通過するときに更新されるような軌道ネットワークを説明している。

しかしながら、このシステムは、必要とされるコンピュータ、複雑な配線、及び複数のセンサのために、一体化が困難であると共に、保守費用がかかる。他の欠点として、軌道敷設後にシステム機能をテストし証明する必要があり、乗物のセンサ及びターゲットを軌道界面に整列させるという技術的課題があり、最小間隔に違反するに充分なほど過酷になるまで間隔の問題に気付くことができず、付加的なセンサを追加せずに間隔基準を変更できないためにシステムの融通性が低く、又、水平方向の車輪スリップや、車輪及びタイヤ破損を考慮できないことが挙げられる。

それ故、固定軌道上の乗物の位置を制御するのに適した方法又はシステムは、今日まで存在しない。

本発明の一実施形態では、固定経路上に位置する車輪を各々有する複数の乗物を制御するための方法が提供される。この方法は、各乗物にプロセッサを装着し、各乗物に乗物センサ装置を装着し、各プロセッサ及び各乗物センサ装置を使用して、各乗物が経路に沿って移動する間に各乗物の実際の速度を決定し、そして位置制御修正モジュールを使用して、各乗物の実際の速度を各乗物の速度コマンドと比較して、車輪スリップが生じているかどうか決定すると共に、車輪スリップが生じた場合には乗物速度コマンドの大きさを減少することを含む。

本発明の別の態様では、モータと、乗物の速度を変化させるためにモータへ速度コマンドを通信するプロセッサとを有する少なくとも１つの乗物の少なくとも１つの車輪のスリップを決定するための方法が提供される。この方法は、規則的な間隔にわたり乗物の実際の速度を決定し、規則的な間隔にわたり、乗物の実際の速度を、速度コマンドの大きさから予想される速度と比較して、乗物の車輪にスリップがあるかどうか決定し、そして車輪にスリップがある場合には、乗物コマンドの大きさを乗物の実際の速度にほぼ等しくするよう減少することを含む。

以下、添付図面を参照して、本発明を詳細に説明する。

本発明の一実施形態による乗物制御システムを備えた１台の乗物が経路の一部分に配置されたところを示す図である。 図１の経路の一部分の上面図である。 図１の乗物制御システムの細部を示すブロック図である。 位置制御修正モジュールの一実施形態を示すフロー図である。 娯楽乗車制御システムを示す図である。 本発明の一実施形態による段階的方法を示すフローチャートである。

本発明の一実施形態は、固定経路上の複数の乗物を制御するための制御システム及び方法に関する。このシステムの１つの特定の実施形態は、乗物と乗物との間隔を修正するための位置制御及び修正モジュールを備えている。

図１及び２を参照すれば、乗車システムの複数の乗物のうちの１台の乗物１０が、本体１２、車輪１４、及び着席した乗客１８と共に示されている。乗物１０は、交差梁２４によって支持されたレール２２を含む軌道２０のような経路上に位置される。バスバー又は付勢レール２６は、発電機（以下に述べる）から電極２８を経て乗物１０へ電気エネルギーを供給する。ディスクブレーキ３０が車輪１４に装着されて示されている。

距離／速度センサ１１６は、磁石１２０及び磁界又は光学センサ１２２を備え、これらは、良く知られたように一緒に機能して、車輪１４により進行する距離に対応する電気パルスをプロセッサ（図示せず）に与える。プロセッサ、メモリ、タイマー、距離、並びに駆動・停止システム（各々図３を参照して詳細に述べる）が区画１１９内に配置されている。

図３を参照すれば、本発明により固定経路上の複数の乗物を制御する乗物制御システムの一実施形態が３００で一般的に示されている。この実施形態では、制御システム３００は、プロセッサ３１０と、メモリ３１２と、タイマー３１４と、距離／速度センサ３１６と、乗物駆動・停止システム３１８とを備えている。

プロセッサ３１０は、プログラム可能なロジックコントローラのような適当なプロセッサでよい。メモリ３１２は、これに限定されないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、及びフラッシュを含む適当な形式のものでよい。メモリ３１２は、プロセッサ３１０のためのプログラムを記憶すると共に、乗物が軌道に沿って進行する時間幅が与えられると、予想される位置範囲のためのルックアップテーブルを記憶する。又、メモリは、車輪直径測定値、水平車輪スリップ測定値、及び乗物間隔測定値、例えば、各乗物が特定の時間にそれに対応する乗物からどれほど離れているか、を記憶するように構成されてもよい。

タイマー３１４は、乗物が軌道に沿って進行する実際の時間幅を計時するためにプロセッサ３１０により使用されるタイミング機能を与える。

距離／速度センサ３１６は、磁石及び磁界又は光学センサを備え、これらは、良く知られたように一緒に機能して、車輪により進行する距離に対応する電気パルスをプロセッサ３１０に与える。任意であるが、マルチターンエンコーダのような他のセンサを使用してもよい。距離を決定するために、パルスは、プロセッサ３１０によりカウントされるか又は直接測定されて、距離を決定し、そこから、軌道に沿った乗物の位置を決定する。

乗物駆動・停止システム３１８は、モータコントローラ（図示せず）を含む駆動モータ３３４、及びディスクブレーキ３０（図１）のようなブレーキ３３２と相互接続される。駆動モータ３３４は、プロセッサ３１０により発生されて既知の仕方でモータコントローラへ送られる速度コマンドを経て、１つ以上の車輪１４（図１）を駆動するように接続される。ここでは、説明上、速度コマンドの大きさが大きいほど、乗物の速度が高いことを理解されたい。

プロセッサ３１０は、ソフトウェア又はファームウェアのような適当な手段を経て、乗物が軌道に沿って走行をスタートしたというスタートインジケータ３２４からの初期信号を受信し、その後、軌道に沿った乗物の実際の位置を連続的に又は規則的な間隔で計算するように構成される。任意であるが、軌道に沿ってトランスポンダ（図示せず）が配置されてもよく、又、乗物の実際の位置を確かめるためのセンサが設けられてもよい。

計算された実際の位置は、プロセッサ３１０により使用され、乗物駆動・停止システム３１８を経て、乗物が互いに所定の間隔を維持するように複数の乗物間の距離を制御することができる。しかしながら、例えば、乗物の車輪の摩耗や車輪のスリップのため、運転中に位置エラーが蓄積することがある。例えば、乗物の年月が経つにつれて、タイヤが摩耗を開始して、より小さくなり、速度及び位置エラーが蓄積する。又、乗物が出発するか又はコーナーを回り始めたときに、車輪のスリップが発生して、更なる速度及び位置エラーを生じることがある。これらのエラーを減少するために、プロセッサ３１０から速度コマンドを受け取って、速度及び位置エラーに基づき速度コマンドを修正する信号をプロセッサへ返送するように構成された位置制御修正モジュール３３０が設けられる。従って、この位置制御修正モジュール３３０は、乗物間の所定距離の変動を効果的に減少し、望ましからぬ乗物の接触を減少する。

車輪の摩耗を補償するために、プロセッサ３１０と共に機能する位置制御修正モジュール３３０は、例えば、経路に沿って配置されて付加的な乗物位置センサにより識別されるトランスポンダによって照明される固定点間の距離を計算し、次いで、その値を、例えば、センサ１１６により感知される車輪回転の既知の数と比較するように構成される。現在車輪直径が計算され、次いで、測定された速度及び加速度を修正するのに適用される。

一般的に、例えば、加速中に車輪のスリップを補償するために、位置制御修正モジュール３３０は、上述した速度コマンド（Ｖ_N）を、乗物が固定経路に沿って進行する実際の速度と比較する。速度コマンドから予想される乗物の速度と、乗物の実際の速度との間に差がある場合には、スリップを排除して固定経路との摩擦係合を回復するために、速度コマンドの大きさを、例えば、実際の速度まで下げることができる。その後、速度コマンドの大きさを、以下に述べるように、ゆっくりと増大し、固定経路との摩擦係合を保持することができる。

図４のフロー図を参照すれば、修正速度コマンドを計算するための位置制御修正モジュール３３０の更なる細部が示されている。位置制御修正モジュール３３０は、平滑な移行速度（以下を参照）を計算するための計算器４０４、タイマー４０６、速度制御機能４０８、加算器４１０、及び加算器４１２を含む一次ループ４０２を備えている。速度エラー及び位置エラーを計算するために、各々、二次ループ４１４及び４１６が設けられる。より詳細には、二次ループ４１４は、Ｆ（Ｋ_V）／Ｔを経て速度エラー（Ｅ_V）を計算するための計算器を含み、そして二次ループ４１６は、Ｆ（Ｋ_P）を経て位置エラー（Ｅ_P）を計算するための計算器を含む。項Ｆ（Ｋ_V）及びＦ（Ｋ_P）を理解するために以下に述べる。二次ループ４１４及び４１６は、加算器４２２に対して位置及び速度エラーを計算し重み付けするための利得関数４１８及び４２０を含む。

運転中及び規則的間隔中に、加算器４２２は、計算された速度及び位置エラー（Ｅ_V）、（Ｅ_P）を合成し、これらは、次いで、加算器４１０へ送られ、この加算器は、特定の感知位置における速度（Ｖ_SP）からエラー値を減算し、修正された速度Ｇ（Ｖ）を得る。この修正された速度Ｇ（Ｖ）及び実際の速度（図示せず）が４０８に与えられて、プロセッサ３１０（図３）へ通信され、車輪３０（１つ又は複数）のスリップが発生したかどうか決定するのに使用される。プロセッサ３１０により車輪のスリップの発生が決定された場合には、プロセッサは、モータへの速度コマンドの大きさを減少して、スリップを停止させ、次いで、上述したように駆動モータへの速度コマンドの大きさをゆっくりと増加し始める。

その後、修正された速度Ｇ（Ｖ）は、二次ループ４１４へ出力されて、新たな速度エラー（Ｅ_V）が計算されると共に、二次ループ４１６に使用するためにタイマー４０６からの出力と合成されて、新たな位置エラー（Ｅ_P）が計算される。又、プロセッサ３１０にも通信されて、位置エラー、ひいては、乗物間の間隔を修正するために速度を上げる必要があるかどうか決定される。

任意であるが、乗物の移行速度Ｆ（Ｖ）を滑らかにゆっくり増加し、且つエラーがシステムに蓄積するのを防止するために、乗物速度コマンド（Ｖ_N）は、以下に示すアルゴリズムに適用することができる。
Ｆ(Ｖ_SP)＝Σ[^θ=2π、λπ(cos(θ)＋１)・[1/2・(ＶＮ_new−ＶＮ_old)]]
但し、
θ＝θ＋λ、ここで、λ＝Ｆ(ａ)／π
ＶＮ_old≠ＶＮ_newの場合には、θ＝π
Ｖ_N＝速度コマンド

乗物の加速度関数Ｆ(ａ)は、次の式から計算される。但し、加速中に考えられるスリップを更に減少するために、加速度は、速度の変化率により制限される。
Ｆ(ａ)＝ａ_N・[(ＶＮ−Ｖ_actual)／Ｖ_N]％
但し、
Ｖ_actual＝Ｆ(Ｖ_SP)(Ｖ_N)
ａ_N＝加速コマンド

速度及び位置に対する（上述した速度エラー(Ｅ_V)及び位置エラー(Ｅ)_Pの計算に使用される）利得項（Ｋ）の関数Ｋ_V及びＫ_Pは、速度の修正が滑らかであるように各項を重み付けする。これらは、次のように計算することができる。
Ｆ(Ｋ_V,P)＝Ｋ_V,P・Ｋ_V,P・Ｋ_wheelθ
Ｋ_wheelθ＝１−[(実際値−測定値)／実際値]％
Ｅ_V＞＞θの場合には、θ＝π、Ｆ(ａ)＝Ｆ(ａ)・Ｋ_correctionとなる。

図５を参照すれば、本発明の一実施形態に使用できる乗車制御システムを示す回路図が５０で一般的に示されている。図示されたように、この乗車制御システム５０は、多数の回路接続部（番号なし）を含む付勢コイル２６と回路接続された経路又は軌道プロセッサ５２と、乗物１０（図１）と共に各々配置される複数の乗物プロセッサ３１０（図３）とを備えている。任意の実施形態（図示せず）において、軌道プロセッサ５２は、例えば、付勢レール２６を経るのではなく、ワイヤレス通信を経て各乗物プロセッサ３１０と通信できることが明らかであろう。軌道プロセッサ５２は、プログラム可能なロジックコントローラを備え、軌道マシンのモード、ストップ・スタート機能、フェイルセーフ信号を経ての全ての軌道スイッチング要素の制御のような軌道機能を監視することができる。軌道プロセッサ５２及び各乗物プロセッサ３１０は、軌道に装着された全ての乗物について軌道マシンのモードが安全に制御されるよう保証するために通信を行う。軌道モードが一致しないか、又は乗物それ自体が、位置、速度又は加速度パラメータの範囲外にあること、或いは他の欠陥状態を感知した場合には、乗物が軌道プロセッサ及び／又は他の乗物プロセッサと通信して、各乗物１０に対して停止又は他のリアクションをとらせる。

又、軌道プロセッサ５２は、各乗物が経路に沿って等間隔であるといった所定のプランに基づいて経路上の各乗物対各乗物の理想的な位置を決定しそして放送するように構成することもできる。次いで、各乗物は、各プロセッサ３１０を経て、上述したように、速度を上げるか又はブレーキをかけることにより経路に沿ったその位置を同期させ又は変化させて、他の乗物からの間隔を修正することができる。

本発明の別の実施形態により経路に沿って移動可能な複数の乗物の位置を監視しそして制御する方法が図６に６００で一般的に示されている。固定経路上の複数の乗物を制御するためのこの方法は、６０２に示すように各乗物にプロセッサを装着し、そして６０４に示すように各乗物に乗物センサ装置を装着することを含む。更に、この方法は、ステップ６０６において、各乗物が経路に沿って移動する間に各プロセッサ及び各乗物センサ装置を使用して各乗物の実際の位置を決定し、そしてステップ６０８において、位置制御修正モジュールを使用して、各乗物の実際の速度を各乗物の速度コマンドと比較し、車輪スリップが発生したかどうか決定すると共に、車輪スリップが発生した場合には乗物速度コマンドの大きさを減少する。

ここに述べるシステム及び方法の技術的効果は、車輪のスリップを考慮するように乗物の速度を修正することを含む。他の技術的効果は、軌道上の乗物間隔を修正することを含む。

以上、最も実際的で且つ好ましい実施形態と現在考えられるものについて本発明を説明したが、本発明は、ここに開示した実施形態に限定されないことを理解されたい。むしろ、本発明は、請求項の精神及び範囲内に含まれる種々の変更及び等効物を全て網羅することが意図される。

１０：乗物
１２：本体
１４：車輪
１８：乗客
２０：軌道
２２：レール
２４：交差梁
２６：バスバー
２８：電極
３０：ディスクブレーキ
５２：プロセッサ
１１６：距離／速度センサ
１２０：磁石
１２２：磁界又は光学センサ
３００：制御システム
３１０：プロセッサ
３１２：メモリ
３１４：タイマー
３１６：距離／速度センサ
３１８：乗物駆動・停止システム
３３４：駆動モータ
３３２：ブレーキ
３３０：位置制御修正モジュール

Claims (12)

1. 固定経路上に位置する車輪を有する乗物を制御するための方法において、
   前記乗物にいずれも配置されている乗物プロセッサ及び乗物センサ装置を使用して、前記乗物が前記経路に沿って移動している間の前記乗物の実際の速度を決めるステップと、
   位置制御修正モジュールを使用して、
   前記乗物の前記実際の速度と前記乗物プロセッサによって発生された乗物速度コマンドとを比較し、該比較の結果を利用して車輪のスリップが発生しているか否かを決めて、前記乗物の予想される位置からの変動を決定し、且つ、
   隣接する乗物との理想的な間隔が、該隣接する乗物の位置の知識を必要とすること無しに修正されるようにして、前記乗物の予想される位置からの変動を修正する修正速度を決定するステップと、
   前記比較の結果が、車輪のスリップが発生していることを示している場合に、前記乗物プロセッサからの乗物速度コマンドの大きさを前記乗物の前記実際の速度にほぼ等しくするよう減少するステップと、
   前記乗物速度コマンドの大きさを前記修正速度に調節して、前記乗物の予想される位置からの変動を修正するステップと、
   を備えた方法。
2. 前記位置制御修正モジュールを使用して、前記実際の速度と前記乗物速度コマンドとの比較に基づいて、車輪のスリップが除去されたと決定された後の乗物速度コマンドの前記大きさを増加するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記位置制御修正モジュールを使用して、車輪の現在の直径を計算し、この計算された現在の車輪直径に基づいて、前記決定された実際の速度を修正することにより、車輪の劣化による乗物の速度の変化を補償する、請求項１に記載の方法。
4. 前記位置制御修正モジュールを使用して、前記実際の速度を減少することに次いで、乗物の移行速度を徐々に増加するアルゴリズムを達成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記位置制御修正モジュールを使用して、速度エラーの蓄積を修正するステップを含む、請求項４に記載の方法。
6. 経路上の複数の乗物を制御するための乗物制御システムにおいて、
   前記経路上の前記複数の乗物の全てが理想的な間隔を維持するための理想的な位置を表している前記経路上の複数の理想的な位置の特定の一つを、複数の乗物プロセッサの各々に与えることにより、前記経路上の複数の乗物の各々の乗物間で理想的な間隔を通信するように構成された軌道プロセッサと、
   前記複数の乗物プロセッサであって、前記複数の乗物の各々が前記複数の乗物プロセッサの内の一つを含み、前記複数の乗物プロセッサの各々が前記経路上の前記複数の理想的な位置の特定の一つを受信するように構成されており、前記複数の乗物プロセッサの各々が、前記複数の乗物の対応するものの実際の速度を識別するように構成された対応する乗物センサ装置を回路中に備えている、前記複数の乗物プロセッサと、
   前記複数の乗物の各々に含まれる複数の位置制御修正モジュールであって、前記複数の位置制御修正モジュールの各々が、
   前記複数の理想的な位置の前記特定の一つに基づいて、前記対応する乗物の予想される位置からの変動を決定し、
   前記対応する乗物の前記実際の速度を前記対応する乗物の乗物速度コマンドと比較することにより、車輪のスリップ、車輪のスリップが発生している時を検出し、
   そして、前記車輪のスリップを解消した後に、前記対応する乗物の前記予想される位置からの前記変動を修正する、修正された速度を決定するように構成されており、前記理想的な間隔が隣の乗物の位置の知識を要求すること無しに修正されるようにする、前記複数の位置制御修正モジュールと、
   複数の乗物駆動・停止システムであって、前記複数の乗物の各々が、前記複数の乗物駆動・停止システムの内の一つを含み、回路内に、前記複数の乗物プロセッサの対応するものを備え、前記複数の乗物駆動・停止システムの各々が、前記修正された速度を前記対応する乗物に提供して、隣接する乗物間の間隔における変動を修正し且つ車輪のスリップを解消する、前記複数の乗物駆動・停止システムとを備え、
   前記スリップが検出された時に、前記複数の乗物駆動・停止システムの少なくとも一つが、対応する乗物の速度コマンドを、該乗物の前記実際の速度にほぼ等しくするよう減少することによって、先ず、前記車輪のスリップを解消し、次に、前記対応する乗物の前記速度コマンドを前記修正された速度に設定することにより、前記予想される位置からの前記変動を解消することによって、前記複数の理想的な位置の前記特定の一つによって示される理想的な位置に、前記乗物が対応するように構成されている、乗物制御システム。
7. 速度に関して検出されたエラーと位置に関して検出されたエラーとに対して利得関数を適用することより、前記修正された速度として、滑らかにされた変化速度を連続的に計算するように構成されている、請求項６に記載のシステム。
8. 前記複数の位置制御修正モジュールの各々が、現在の車輪直径を計算し、且つこの計算された現在の車輪の直径に基づいて、前記識別された実際の速度を修正することにより、車輪の劣化により生じる乗物の速度の変化を補償するように更に適用される、請求項６に記載のシステム。
9. 前記位置制御修正モジュールが、乗物の移行速度を前記修正された速度に徐々に増加し、且つ速度エラーの蓄積を防止するアルゴリズムを達成するステップを含む、請求項６に記載のシステム。
10. モータと、乗物の速度を変化させるためにモータへ乗物速度コマンドを通信するプロセッサとを有する少なくとも１つの乗物の少なくとも１つの車輪のスリップを決定する方法において、
    速度センサにより乗物の実際の速度を決定するステップと、
    プロセッサにより、乗物の実際の速度を、乗物速度コマンドの大きさから予想される速度と比較するステップと、
    前記プロセッサにより、前記実際の速度と前記予想される速度との前記比較に基づいて、前記少なくとも一つの乗物の少なくとも一つの車輪にスリップが有るか否かを決定するステップと、
    前記プロセッサにより、前記乗物の予想される位置からの変動を決定するステップと、
    隣接する乗物との理想的な間隔が、該隣接する乗物の位置の知識を必要とすること無しに修正されるようにして、前記乗物の予想される位置からの変動を修正する修正速度を、前記プロセッサにより、決定するステップと、
    車輪にスリップがあると決定された場合に、前記乗物速度コマンドの大きさを前記乗物の前記実際の速度にほぼ等しくするように減少するステップと、
    前記乗物速度コマンドの大きさを前記修正速度に調節して、前記乗物の予想される位置にからの変動を修正するステップと、
    を備えた方法。
11. 車輪のスリップが生じなくなると、前記乗物速度コマンドの大きさを増加するステップを更に備えた、請求項１０に記載の方法。
12. 乗物速度コマンドの大きさを減少する前記ステップが、前記乗物速度コマンドを、前記乗物速度コマンドの大きさの前記減少を滑らかにするアルゴリズムに供給することを含む、請求項１０に記載の方法。

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