WO1997035756A1 - Führungssystem für schienenfahrzeuge - Google Patents

Führungssystem für schienenfahrzeuge Download PDF

Info

Publication number
WO1997035756A1
WO1997035756A1 PCT/CH1997/000094 CH9700094W WO9735756A1 WO 1997035756 A1 WO1997035756 A1 WO 1997035756A1 CH 9700094 W CH9700094 W CH 9700094W WO 9735756 A1 WO9735756 A1 WO 9735756A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
mfg
unit
estimated
rail vehicle
inaccuracy
Prior art date
Application number
PCT/CH1997/000094
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Altmann
Original Assignee
Fiat-Sig Schienenfahrzeuge Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fiat-Sig Schienenfahrzeuge Ag filed Critical Fiat-Sig Schienenfahrzeuge Ag
Priority to AU18656/97A priority Critical patent/AU1865697A/en
Publication of WO1997035756A1 publication Critical patent/WO1997035756A1/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00—Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/02—Arrangements permitting limited transverse relative movements between vehicle underframe or bolster and bogie; Connections between underframes and bogies
    • B61F5/22—Guiding of the vehicle underframes with respect to the bogies

Definitions

  • the present invention relates to a guide system according to the preamble of patent claim 1 and a method according to the preamble of patent claim 9.
  • the lateral acceleration is dependent on the radius of the curve and the speed of travel, the angle by which the load floor is to be placed with respect to the chassis in order to meet the above-mentioned conditions, in addition to the elevation of the track.
  • the instantaneous lateral acceleration is measured on the vehicle, for which purpose suitable measuring devices, such as accelerometers, gyroscopes, pendulums, etc., are provided on the vehicle.
  • the control element for the load-bearing floor bank inclination is intervened in a controlling or regulating sense.
  • the easiest way to control the position is by using it given a pendulum, the deflection of which is a direct measure of the bank angle to be set on the load-bearing floor, because the mass of the load is not included in the acceleration considerations.
  • Route information or reference data and metrologically determined route information is calculated.
  • the reference data are called up with a leading address and offset against the measured speed of the rail vehicle for the instantaneous determination of the transverse inclination of the load floor to be set.
  • the known system does not take into account the error characteristics of the speed measuring device or does so only insufficiently, which leads to incorrect measured values Speeds and consequently also incorrect position values after longer straight sections and thus also incorrectly set transverse inclinations of the load floor. This significantly reduces the comfort of the passengers.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a guidance system by means of which the position of the rail vehicle can be reliably determined.
  • the invention has the following advantages: Estimating errors in sensor signals and the current position error and by compensating for the actual errors with the aid of the estimated values, the position of the rail vehicle is determined very precisely. In particular, changes in the sensors or other measurement errors are constantly compensated for. If the position determined on the basis of the teaching according to the invention is used to adjust the angle of inclination of the load floor, errors in the corresponding actuating signals that are caused by position errors are also avoided. This can significantly increase the comfort of the passengers. In addition, the actuators for setting the load-bearing inclination can be switched off on straight sections of the route. Overall, the performance of the guidance system according to the invention in terms of passenger comfort, in terms of energy consumption and in terms of protecting the actuators has been considerably improved.
  • FIG. 1 shows a rail vehicle equipped with an actuating device for adjusting the load floor cross slope
  • Fig. 2 is a block diagram of an inventive
  • Fig. 3 is a block diagram of another
  • Fig. 4 shows a course of a correlation-like Function A, ⁇ ,
  • FIG. 5 shows a block diagram of a correction unit contained in the guidance system
  • FIG. 7 schematically shows an implementation of two guide systems according to the invention as master and slave, as a preferred form of implementation of redundant systems.
  • a rail vehicle with a vehicle superstructure SF in particular consisting of a load-bearing floor LB, and a vehicle substructure is shown schematically in cross section, the
  • Vehicle superstructure SF is pivotally mounted in the transverse direction with respect to the vehicle substructure.
  • the angle of inclination ⁇ and thus the load-carrying floor LB is set by an adjusting unit STE in such a way that the acceleration on the load resulting from gravitational acceleration and lateral acceleration falls into the vertical of the load-carrying floor LB.
  • FIG. 1 A functional block diagram shown in FIG. 1
  • a correction unit KRE a setting angle calculation unit SPE, an adjusting device STE, a correlator unit KE and a reference data storage unit RE.
  • system variables SGM are measured using sensors (not shown) and transferred to the correction unit KRE, in which estimated system variables SGG are calculated in a manner to be explained, which on the one hand is sent to the actuating angle calculation unit SPE for calculating the inclination angle ⁇ corresponding to the estimated system variables SGG and on the other hand to the
  • Correlator unit KE for determining the errors contained in the measured or calculated system variables SGM and for determining an inaccuracy degree R of the position measurement error or other observable system errors MFG, whereby to determine these system errors MFG and to determine their degree of inaccuracy R from the reference data storage unit RE route information SI are needed.
  • This route information SI is also used in the calculation of the tilt angle ⁇ in the actuation angle calculation unit SPE.
  • the estimated system errors MFG and their degrees of inaccuracy R are finally fed to the correction unit KRE for determining or for re-determining the estimated system variables SGG. They are processed there with an estimation filter (observers with constant or variable amplification factors, the latter for example as a Cayman filter) in such a way that the errors of at least one system variable SGG are estimated.
  • this estimation filter is a Cayman filter, which is described in more detail below.
  • the estimated system errors MFG become only in the degree of their inaccuracy, namely according to the degree of inaccuracy R Correction of the measured and calculated system sizes SGM used.
  • the estimated system errors MFG with a large degree of inaccuracy R are not taken into account or only to a small extent when determining the estimated system sizes SGG, which is why the estimated system sizes SGG correspond in value to the measured system values SGM or calculated from them and thus the settings of the inclination angle ⁇ based mainly or entirely on the system sizes SGM.
  • the block diagram of the guidance system shown in FIG. 2 could be thought of as reduced to the measuring device ME, the correction unit KRE, the actuation angle calculation unit SPE and the actuating unit STE.
  • the estimated system errors MFG are largely or completely taken into account when determining the estimated system variables SGG.
  • the measured or calculated system sizes SGM can deviate considerably from the estimated system sizes SGG.
  • the inclination angle ⁇ is calculated in the setting angle calculation unit SPE using the system variables SGG determined with the estimation filter and the route information SI read out from the reference data storage unit RE, and the control unit STE is hereby controlled.
  • FIG. 3 again shows a further embodiment of the guidance system according to the invention on the basis of a block diagram.
  • the measuring device ME the setting angle calculation unit SPE, the setting unit STE, the correlator unit KE, and the reference data storage unit RE and the correction unit KRE provided.
  • a curve detector KD is additionally provided for the detection of the start of a sheet inlet and possibly also for the detection of the end of a sheet outlet.
  • the lateral acceleration a are used as system variables SGM (FIG. 2). and the speed v ra of the rail vehicle is measured, the lateral acceleration a, not as in the embodiment according to FIG. 2 via the correction unit KRE, but on the one hand directly to the correlator unit KE and on the other hand to the curve detector KD.
  • a single variable is provided as the system error MFG (FIG. 2), namely a position difference ⁇ s ".
  • ideal values for the inclination angle ⁇ of the load-bearing floor LB are determined in the guide system according to the invention.
  • the position s of the rail vehicle is first determined by integrating the measured, faulty speed v m , combined with an "on-line” correction of the faulty speed and the faulty position.
  • the "on-line” correction of the faulty position is preferably carried out by means of an "on-line” correction of the measured speed v m in the correction unit KRE over the duration of a predetermined, short time cycle.
  • This has the advantage that the position error ⁇ s m does not always have to be available for compensation and has to be processed, but during a time cycle by integration into the position s flows in and can then be deleted.
  • the determination of the position error ⁇ s m and the "on line" correction based thereon is made possible by an additional, discontinuous position determination which is carried out with the aid of route information SI about the distance from the
  • the route information SI is in the
  • Reference data storage unit RE stored and preferably consist of the track curvature and the track elevation angle as a function of a constant distance pattern.
  • the lateral acceleration a m measured by means of the measuring device ME is recorded over a predefined time interval and converted by interpolation into a spatial grid of the same grid dimension as that of the route information SI.
  • a reference interval assigned to the measuring interval is selected from the set of route information SI and the assigned vehicle lateral acceleration is calculated as a reference signal for this, taking into account the vehicle speed.
  • the instantaneous position error ⁇ s m and the degree of inaccuracy R are then determined in the correlator unit KE. These are transferred to the correction unit KRE, which contains an estimation filter, with the simultaneous activation of a renewal signal UD, whereupon the estimated position s and the estimated speed v of the rail vehicle are calculated taking into account the degree of inaccuracy R.
  • the inclination angle ⁇ is continuously calculated and passed on to the setting unit STE for setting the load-bearing base LB (FIG. 1).
  • the correlator unit KE With the help of the correlator unit KE, as mentioned, by comparing a measured acceleration profile, namely the transverse accelerations a,. Measured in the measurement interval, with a reference transverse acceleration profile, obtained by calculation from the route information SI contained in the reference data storage unit RE, by a
  • Correlation algorithm determines the position difference between the two profiles and thus the position difference ⁇ s m , the speed v estimated in the correction unit KRE and the estimated position s being used to generate the reference profile from the plug information SI.
  • the procedure is as follows:
  • the release to the correlator unit KE for calculating a correlation basically takes place in that the correction unit KRE resets an acknowledgment signal UQ. This prevents a new correlation result from being offered before the correction unit KRE has processed the previous one. However, the calculation of a correlation is only started when a change in the
  • Detection signal DF of the curve detector KD was registered and also the speed of the rail vehicle has exceeded a predefined threshold value. If the above-mentioned conditions are met, the following in particular become Go through process steps:
  • Step Determination of the interval length that is scanned by the stored location data, an upper limit being specified
  • Step 4 Calculation of the number of grid spaces of a given spatial grid dimension that covers the measurement interval
  • Step 8 expansion of the grid
  • Step 9 Calculation of the reference lateral acceleration from the speed profile determined in the previous step and the route information assigned to the selected grid interval (track curvature, track inclination angle, ...);
  • Step 10 Plausibility check: The measurement interval and the reference interval are divided into three. For each of the front and back third and the entire interval
  • Correlation calculation is also aborted if the average speed in the measuring interval falls below a predetermined threshold value or if a corresponding note in the
  • Step 12 Determine the degree of inaccuracy R der
  • Degree of inaccuracy R the covariance of the position error, determined from the measured lateral acceleration a m and the route information SI derived from the reference data storage unit RE, is understood.
  • FIG. 1 Another system size SGM (FIG. 1) suitable for this purpose could be used, for example the track or bogie roll rate.
  • the index i runs through the measurement data location interval i lf ..., i 2 , ie the index i identifies the measurement function, while the relative shift between the measured values m (i) and the reference values r (i + k) is defined by the index k .
  • the correlation function A ⁇ fk) is thus formed as the square of the amount of the difference ⁇ m (k), the correlation function created with this special correlation algorithm taking a minimum if the two patterns best match.
  • the associated value k is determined by the correlator unit KE and from this the position difference ⁇ s "
  • ⁇ L is the grid width of the spatial grid.
  • a correlation function A ⁇ fk is shown, as it can result from the above calculation type, for example. This is clearly recognizable
  • a measure of the degree of inaccuracy R of the position difference ⁇ s m can be read - in the twelfth method step - from the course of the function of the correlation function A ⁇ tk).
  • the degree of inaccuracy R is smaller, the smaller the minimum value A " ⁇ n on the one hand and the larger the maximum values A lmax and A 2 (nax appearing at the edge of the window on the other hand.
  • One possible way of calculating the degree of inaccuracy R can be carried out using the following formula:
  • the formula is based on a base value R 0 . If the position difference ⁇ s m has a low degree of inaccuracy R, the value A is. ⁇ n relatively small, ideally even zero. Also the ratio of A, ⁇ and A ,. ax allows conclusions to be drawn about the quality of the correlation: for a good correlation this ratio goes towards zero, for a bad correlation this ratio converges towards one. Furthermore, factors K : and K 2 are provided, which are selected according to a desired weighting of the different proportions.
  • FIG. 5 shows a block diagram of the correction unit KRE contained in FIG. 3, a computing unit RET, two multipliers M1 and M2, three adders AD1 to AD3, a path correction unit WG, an integrator unit IE and a quadrature unit Q being provided.
  • the computing unit RET an estimated (filtered) value for the position error ⁇ s m and a linear and a square scale factor error ⁇ k : and ⁇ k q of the measuring device ME (Fig.
  • the third adder AD3 and the path correction unit WG are used to compensate for an estimated position error ⁇ s only active over one integration cycle, since the position error ⁇ s is processed within one integration cycle.
  • the estimated value of the position error ⁇ s is then set to zero.
  • the estimated speed v is thus determined using the following formula, the proportion from the discontinuous position error compensation not being shown here:
  • the integrator unit IE is used to integrate the estimated speed v Estimated position s is calculated, on the basis of which the angle of inclination ⁇ is calculated in the actuating angle calculation unit SPE (FIGS. 2 and 3).
  • the algorithm of an estimation filter is used in the computing unit RET, which in an advantageous embodiment the algorithm of a Cayman filter (A. Gelb, "Applied Optimal Estimation", THE MIT PRESS, Massachusetts Institute on Technology Cambridge, Massachusetts and London, England, 1994).
  • the position difference ⁇ s a determined in the correction unit KRE is used to make estimates of the true position error ⁇ s and the errors of the tachometer.
  • This embodiment of the estimation filter is therefore one
  • Correlator unit KE certain position is very accurate (small degree of inaccuracy R), then in the next calculation process the position difference ⁇ s m determined by the correlator unit KE is used in almost full amount for the position correction and is also used to a high degree in the estimation of the tachometer errors (linear and quadratic Scale factor errors ⁇ k x and ⁇ k q ).
  • the Kaiman filter trusts in its own knowledge and only uses the information received from the correlator unit KE to a very small extent.
  • This process is carried out by calculating the covariance of a state vector used in the Kaiman filter and by calculating the covariance of the position error determination (i.e. the
  • the selected model is therefore of the 3rd order, with this model not taking into account the tachometer zero point error.
  • the model could be expanded to a 4th order system with relatively little effort by recording the zero point error of the tachometer.
  • the Cayman filter is used to estimate the state variables x.
  • the inaccuracy of the estimation of the errors, the so-called estimation error of the individual components, is expressed by the covariance matrix P, which represents the expected value of the estimation error:
  • the so-called measurement vector z of the Kalman filter has only one component in the present case.
  • the relationship between the measurement vector z and the state vector x thus exists for the specified model:
  • the matrix H is referred to as the measurement matrix, which is constant in the present case.
  • the inaccuracy of the measurement is represented by the covariance matrix R of the measurement vector z. Since in the present case the measurement vector z has only one component, the covariance matrix R is a scalar quantity, i.e. the already mentioned degree of uncertainty R.
  • the matrix ⁇ kl represents the transition matrix which is time-variable due to the variable speed v and which describes the transition of the additional vector x from the discrete point in time (kl) ⁇ t to the discrete point in time k " ⁇ t
  • the plus sign means "immediately after an update", ie immediately after processing the position difference ⁇ s m supplied by the correlator unit KE, and the minus sign "before the following update".
  • This designation can also be understood to mean that, in the case of a series of intervals without an update, the extrapolation over a corresponding time period is simply meant.
  • update means a correction of the state made possible by an "external measurement” and the term extrapolation means the calculation of the change in state between two updates (or within a specified time interval) as a result of system error influences (non-compensated residual errors and System noise influences) is to be understood.
  • the state vector and the covariance of the estimation error are updated.
  • the Caiman filter therefore not only tracks the estimates, but also the inaccuracy of its own knowledge of the state vector.
  • the Cayman filter is operated with variable gain factors. If the system has a low level of uncertainty in the knowledge of its state and the external measurement is relatively imprecise, the external measurement is only taken into account to a small extent. If, for example, the correlator unit KE reports an unsafe position difference ⁇ s m of 100 m, the Kaiman filter would only take a few meters into account. The filter is very careful, so to speak, and trusts the external information very little. Otherwise it would be your own
  • the above-mentioned gain matrix K k only contains components in one column, because only one and no more different measurement variables are processed. This enables the update of the state vector x using the following formula:
  • ** ** - ⁇ *.
  • the renewal signal UD (FIG. 3) set by the correlator unit KE has been reset and set again. This prevents the previous active state of the renewal signal UD from being incorrectly interpreted as a renewed request to the computing unit RET to calculate estimated values.
  • the renewal signal UD is only reset by the correlator unit KE when an acknowledgment signal UQ is sent from the correction unit KRE to the correlator unit KE, whereby the latter is informed that the recalculation (update) in the Correction unit KRE is completed.
  • the acknowledgment signal QU originating from the correction unit KRE must have been reset and the renewal signal UD originating from the correlator unit KE must have been set.
  • the acknowledgment signal UQ for the correlator unit KE is reset by the correction unit KRE.
  • the curve detector KD triggers the update cycle in the
  • Correlator unit KE off.
  • the start of a sheet inlet or the end of a sheet outlet is determined in the curve detector KD, as mentioned, and is displayed to the correlator unit KE by means of a detection signal DF.
  • a possible embodiment of the curve detector KD is that the sensor signal with the measured lateral acceleration a m is first filtered with the aid of a filter with a low-pass characteristic. The filter output signal then goes through a non-linear one Characteristic curve with responsiveness (dead zone) (Winfried Oppelt, "Small handbook of technical control processes", Verlag Chemie, Darmstadt, 1972) with preset acceleration threshold values. Finally, to determine the arc direction with a signum function
  • a further embodiment for the curve detector KD would be given by using the measured track roll rate (i.e. the roll angular velocity) instead of the lateral acceleration signal or by using both signals as a logical combination of the detection signal of the lateral acceleration and a detection signal determined with the track or bogie roll rate.
  • other signals such as the body or bogie yaw rate or the angle of rotation of the bogie alone or in could
  • the actual position of the rail vehicle is estimated with the aid of the Cayman filter and a correlation.
  • other or even additional position measurements can also be included in the Cayman filter.
  • the position of the rail vehicle can be measured using GPS (Global Positioning System), track magnets or other external position measuring systems.
  • GPS Global Positioning System
  • the Cayman filter - with a slight modification of the embodiment shown - is almost predestined to take up this additional information and is thus weighted Process that the best possible estimate of the position is achieved taking into account all available information.
  • the teaching according to the invention is not only suitable for a guide system for adjusting the transverse inclination of the load floor of a rail vehicle.
  • the term guidance system is also to be understood as a system in which the position of the rail vehicle is determined for purposes other than for setting the load floor transverse angle of inclination. This includes in particular application in the monitoring of rail traffic or the speed of rail vehicles.
  • the route information SI (FIGS. 2 and 3) contained in the reference data storage unit RE and, if need be, the information on which the setting angle calculation unit SPE is based for calculating the angle of inclination ⁇ are determined in further embodiment variants of the invention in the sense of a “teach-in” in that they are not necessarily so Large ones themselves, but directly dependent on them, such as lateral acceleration and their direction, during a teach-in Travel of the rail vehicle with known measuring devices, such as gyroscopes, pendulums, inclination sensors, etc., is recorded and stored, for example, in the reference data storage unit RE and / or in the actuating angle calculation unit SPE from FIG. 2 or 3.
  • the guide system according to the invention is implemented, to connect at least one second guide system in parallel to the guide system according to the invention, in order on the one hand to have one
  • a redundancy control of the type mentioned is shown schematically in FIG. 6 using a function block diagram.
  • the guide system 41 is shown schematically in block 41 up to the output of the angle of inclination ⁇ , here referred to as ⁇ SE .
  • the guide system 41 according to the invention comprises one
  • Reference data storage unit RE of the type explained with reference to FIGS. 2 and 3.
  • the guiding system is shown schematically with block 43 and is preferably based on the measurement-technical detection of a with the lateral acceleration a ,. contiguous size, as shown schematically with the gyroscope in block 43.
  • This guidance system also, in its own way, provides an inclination angle cx ⁇ as a control signal. Both control signals ⁇ SE and ⁇ Sm or other signals that uniquely determine them are then compared with one another at a comparison unit 45 as to whether they are not more than one at one
  • the specified unit 47 of the maximum dimension ⁇ , ⁇ which can be specified differ from one another. If the two redundant control signals ⁇ SE and c ⁇ Sa differ from each other by more than the specified amount, the rail vehicle can be guided, for example, with the safer of the two guide systems 41, 43, even if the safer system in the sense of the input control technology is less precise.
  • the guidance system 43 measures the transverse acceleration conditions on the rail vehicle by measurement technology, in this case such a system 43, even if it is far less precise in terms of control technology, is used as a “makeshift system” for controlling or guiding the bank of the rail vehicle.
  • the comparison unit 45 switches the input of the actuation angle calculation unit SPE (FIGS. 2 and 3) to the auxiliary system 43 which is based on the lateral acceleration measurement and is already known, for example. At the same time, as shown in Fig. 6 at 49, this situation is e.g. displayed.
  • a teach-in phase can be used for the system 41 according to the invention in that, as described above, the vehicle travels a distance and the track characteristics recorded by measurement technology are loaded into a storage device.
  • each vehicle 1 to 5 has a setting angle calculation unit 11 for the load floor cross slope position, as has been described.
  • a guide system 41 s according to the invention and a system 43 s based on lateral acceleration measurement, as already explained with reference to FIG. 6, are provided on the railcar 5, completely symmetrically.
  • the systems on railcar 1 act as a master system (M), those on car 5 as a slave system (S).
  • the cross slope guidance is assigned to the intended systems as follows:
  • the master system 41 M according to the invention supplies the actuating signals ⁇ for all carriages 1 to 5 equipped with bank control of the type described.
  • the overall master system on the carriage 1 monitors itself, for example, by outputting the current actuating variable for the load floor on one of the carriages system 41 M according to the invention is compared with that of system 43 M. If these control signals deviate from one another in such a way that this is no longer plausible, the control of the load floor cross inclinations of all carriages 1 to 5 is transferred to the slave system 41 s according to the invention, as is shown schematically in FIG. 7 by the switchover unit 60.
  • Plausibility is also monitored on the overall slave system in the rearmost carriage 5, for example by comparing the control signals of the system 41 s according to the invention and the system 43 s based on measurement. If a deviation of these control signals that is no longer plausible is detected, it is again concluded that the system 41 s according to the invention is faulty, whereupon the system 43 M based on measurement temporarily takes over the bank control. If this system is also defective, which can be detected, for example, by comparing the chassis twist and bank setting signal, or if one or more of the bank actuators 11 is defective, the system is switched to emergency operation and the train is operated at regulating speed.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)
  • Platform Screen Doors And Railroad Systems (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Machines For Laying And Maintaining Railways (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Führungssystem zur Bestimmung der Position und/oder zur Einstellung eines in Querrichtung schwenkbar gelagerten Lastbodens eines Schienenfahrzeuges mit einer Stelleinheit (STE) für die Lastboden-Querneigungseinstellung sowie einer Messeinrichtung (ME) zum Messen von Systemgrössen, insbesondere der Querbeschleunigung (am) und der Geschwindigkeit (vm) des Schienenfahrzeuges. Ferner ist erfindungsgemäss eine Korrelatoreinheit (KE) zum Bestimmen von beim Messen der Systemgrössen (am, vm) entstandenen Systemfehlern (Δsm) sowie zum Bestimmen eines Ungenauigkeitsgrades (R) der Systemfehler (Δsm) und eine Korrektureinheit (KRE) zur weitgehenden Eliminierung der Systemfehler (Δsm) in der Weise, dass die Messfehler (Δsm) entsprechend ihrem Ungenauigkeitsgrad (R) zur Korrektur der gemessenen und berechneten Systemgrössen (am, vm) verwendet werden. Durch das erfindungsgemässe Führungssystem wird der Passagierkomfort erheblich gesteigert, währenddem der Energieverbrauch reduziert und die Stellglieder geschont werden.

Description

Fuhrungssystem für Schienenfahrzeuge
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Führungssystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Es ist bekannt, an Schienenfahrzeugen, insbesondere für den Personentransport, die Querneigung des Lastaufnahmebodens, d.h. derjenigen Fläche, worauf Last, wie insbesondere
Personen, getragen wird, nach Massgabe der in Radiusfahrten erfolgenden Querbeschleunigungen so zu neigen, dass die aus Erdbeschleunigung und Querbeschleunigung resultierende Beschleunigung auf die Last nach Möglichkeit in die Senkrechte des Lastaufnahmebodens gelegt wird.
Die Querbeschleunigung ist von Kurvenradius und Fahrgeschwindigkeit abhängig, der Winkel, um den der Lastboden bezüglich des Fahrgestells zu stellen ist, um oben erwähnte Bedingungen zu erfüllen, zusätzlich von der Geleisüberhδhung.
Es sind verschiedene Ansätze bekannt, das erwähnte Problem zu lösen. Es kann verwiesen werden auf DE-GM-93 13 792.3, WO-91/00815, EP-A-0 184 960, DE-OS-22 05 858, DE-PS-39 35 740 C2, CH-A-534 391 und EP-B1-0 271 592.
Dabei wird am Fahrzeug grundsätzlich die momentane Querbeschleunigung messtechnisch erfasst, wozu geeignete Messeinrichtungen, wie Beschleunigungsmesser, Kreisel, Pendel, etc., am Fahrzeug vorgesehen sind. Nach Massgabe der momentanen Messungen wird in steuerndem oder in regelndem Sinne auf das Stellglied für die Lastaufnahmeboden-Querneigung eingegriffen. Dabei ist die einfachste Möglichkeit einer Lageregelung durch den Einsatz eines Pendels gegeben, dessen Auslenkung direkt ein Mass für den zu stellenden Querneigungswinkel am Lastaufnahmeboden ist, weil ja die Masse der Last in die Beschleunigungsbetrachtungen nicht eingeht.
Alle in den Druckschriften DE-GM-93 13 792.3, WO-91/00815, EP-A-0 184 960, DE-OS-22 05 858 und CH-A-534 391 offenbarten Ansätze haben einen wesentlichen Nachteil, nämlich denjenigen, dass es im Moment, in welchem Querbeschleunigungen messtechnisch erfasst werden, zumindest für das Fahrzeug, in dem sich die Messeinrichtung befindet, bereits zu spät ist, die Querneigung des Lastaufnahmebodens zu stellen. Die gestellte Querneigung hinkt immer den tatsächlich momentanen Erfordernissen nach. Dies führt zu relativ komplizierten signaltechnischen Lösungsansätzen, welche darauf abzielen, die Einleitung einer Kurvenfahrt möglichst frühzeitig zu erfassen, wozu sich z.B. die Fahrgestellausdrehung als gemessene Grosse eignet.
Aus der Europäischen Patentschrift EP-B1-0 271 592 ist darüber hinaus bekannt, dass zur Vermeidung von Verzögerungen bei der Einstellung der Querneigung des Lastbodens die Position des Schienenfahrzeuges mit Hilfe einer Kreuzkorrelation zwischen bekannten
Streckeninformationen bzw. Referenzdaten und messtechnisch ermittelten Streckeninformationen berechnet wird. Anhand der derart bestimmten Position werden die Referenzdaten mit einer vorauseilenden Adressierung abgerufen und mit der gemessenen Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges zur verzögerungsfreien Ermittlung der einzustellenden Querneigung des Lastbodens verrechnet. Allerdings berücksichtigt das bekannte System die Fehlercharakteristiken der Geschwindigkeitsmessvorrichtung nicht oder nur unzureichend, was zu falschen gemessenen Geschwindigkeiten und demzufolge auch zu falschen Positionswerten nach längeren geraden Strecken und damit auch zu falsch eingestellten Querneigungen des Lastbodens führt. Dadurch wird der Komfort der Passagiere erheblich vermindert. Darüber hinaus besteht das Risiko, dass oftmals keine eindeutige Aussage über die Position des Schienenfahrzeuges gemacht werden kann, da keine Übereinstimmung der gemessenen und der bekannten Streckendaten festgestellt werden kann. In diesem Fall bleibt einzig noch dass Ausschalten des Systems übrig, sollen für die Passagiere unakzeptable oder sogar gefährliche Querneigungen vermieden werden.
Der Vollständigkeit halber sei auch auf die weiteren druckschriftlichen Veröffentlichungen EP-0 605 848 AI und EP-0 644 098 A2 verwiesen. Allerdings zielen die in den genannten europäischen Patentanmeldungen offenbarten Lehren auf Verkehrssteuervorrichtungen für Schienenfahrzeuge ab und betreffen, im Falle der zweitgenannten Anmeldung, erst in zweiter Linie, und dies darüber hinaus ohne konkrete Ausführungsangaben, auch Vorrichtungen zur Querneigungseinstellung des Lastaufnahmebodens.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Führungssystem anzugeben, durch das die Position des Schienenfahrzeuges zuverlässig bestimmt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Massnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung weist folgende Vorteile auf: Durch die Schätzung von Fehlern in Sensorsignalen und des momentanen Positionsfehlers und durch eine Kompensation der tatsächlichen Fehler mit Hilfe der geschätzten Werte wird die Position des Schienenfahrzeuges äusserst genau bestimmt. Dabei werden insbesondere auch Veränderungen der Sensoren oder andere Messfehler laufend kompensiert. Wird die anhand der erfindungsgemässen Lehre bestimmte Position zur Einstellung des Neigungswinkels des Lastbodens verwendet, werden auch aufgrund von Positionsfehlern entstandene Fehler in den entsprechenden Stellsignalen vermieden. Dadurch kann der Komfort der Passagiere erheblich gesteigert werden. Darüber hinaus lassen sich die Stellglieder zur Einstellung der Lastaufnahme-Querneigung auf geraden Streckenabschnitten abschalten. Insgesamt ist somit die Leistung des erfindungsgemässen Führungssystems hinsichtlich des Passagierkomforts, hinsichtlich des Energieverbrauchs und hinsichtlich der Schonung der Stellglieder erheblich verbessert worden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen bei¬ spielsweise näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 ein Schienenfahrzeug, ausgerüstet mit einer Stelleinrichtung für die Lastboden- querneigungseinstellung,
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemässen
FührungsSystems zur Erzeugung von Steuersignalen für die Stelleinrichtung,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer weiteren
Ausführungsform des in Fig. 2 dargestellten
FührungsSystems,
Fig. 4 einen Verlauf einer korrelationsähnlichen Funktion A,^,
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer im Führungssystem enthaltenen Korrektureinheit,
Fig. 6 anhand eines vereinfachten Funktionsblock/Signal- flussdiagrammes eine Weiterentwicklung des erfin¬ dungsgemässen FührungsSystems mit Zusatz eines Redundanzsystems und
Fig. 7 schematisch eine Implementierung von zwei erfin¬ dungsgemässen FührungsSystemen als Master und Slave, als bevorzugte Realisationsform redundanter Systeme.
In Fig. 1 ist ein Schienenfahrzeug mit einem Fahrzeugoberbau SF, insbesondere bestehend aus einem Lastaufnahmeboden LB, und einem Fahrzeugunterbau schematisch im Querschnitt dargestellt, wobei der
Fahrzeugoberbau SF bezüglich des Fahrzeugunterbaus in Querrichtung schwenkbar gelagert ist. Der Neigungswinkel α und somit der Lastaufnahmeboden LB wird dabei durch eine Stelleinheit STE derart eingestellt, dass die aus Erdbeschleunigung und Querbeschleunigung resultierende Beschleunigung auf die Last in die Senkrechte des Lastaufnahmebodens LB fällt.
Anhand eines in Fig. 2 dargestellten Funktionsblockdiagramms wird ein erfindungsgemässes
Führungssystem zur Einstellung des Neigungswinkels cx bzw. des Lastaufnahmebodens LB erläutert, wobei das
Führungssystem im wesentlichen aus einer Messeinrichtung
ME, einer Korrektureinheit KRE, einer Stellwinkelberechnungseinheit SPE, einer Stelleinrichtung STE, einer Korrelatoreinheit KE und einer Referenzdatenspeichereinheit RE besteht.
In der Messeinrichtung ME werden Systemgrössen SGM mittels nicht dargestellten Sensoren gemessen und an die Korrektureinheit KRE übergeben, in der in noch zu erläuternder Weise geschätzte Systemgrössen SGG berechnet werden, die einerseits an die Stellwinkelberechnungseinheit SPE zur Berechnung des den geschätzten Systemgrössen SGG entsprechenden Neigungswinkels α und anderseits an die
Korrelatoreinheit KE zur Bestimmung der in den gemessenen oder hieraus berechneten Systemgrössen SGM enthaltenen Fehlern und zur Bestimmung eines Ungenauigkeitsgrades R des Positionsmessfehlers oder von sonstigen beobachtbaren Systemfehlern MFG übergeben werden, wobei zur Bestimmung dieser Systemfehler MFG und zur Bestimmung ihrer Ungenauigkeitsgrade R aus der Referenzdatenspeichereinheit RE Streckeninformationen SI benötigt werden. Diese Streckeninformationen SI werden auch bei der Berechnung des Neigewinkels α in der Stellwinkelberechnungseinheit SPE verwendet.
Die geschätzten Systemfehler MFG und deren Ungenauigkeitsgrade R werden schliesslich zur Bestimmung bzw. zur erneuten Bestimmung der geschätzten Systemgrössen SGG der Korrektureinheit KRE zugeführt. Sie werden dort mit einem Schätzfilter (Beobachter mit konstanten oder variablen Verstärkungsfaktoren, letzterer beispielsweise als Kaimanfilter) so verarbeitet, dass dabei die Fehler von mindestens einer Systemgrösse SGG geschätzt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist dieses Schätzfilter ein Kaimanfilter, das im folgenden näher beschrieben wird. Dabei werden die geschätzten Systemfehler MFG lediglich im Mass ihrer Ungenauigkeit, nämlich entsprechend dem Ungenauigkeitsgrad R, zur Korrektur der gemessenen und daraus berechneten Systemgrössen SGM verwendet. Dies bedeutet, dass die geschätzten Systemfehler MFG bei grossem Ungenauigkeitsgrad R bei der Bestimmung der geschätzten Systemgrössen SGG nicht oder nur in geringem Masse berücksichtigt werden, weshalb diesfalls die geschätzten Systemgrössen SGG wertmässig den gemessenen oder daraus berechneten Systemgrössen SGM entsprechen und somit die Einstellungen des Neigungswinkels α hauptsächlich oder ganz auf den Systemgrössen SGM beruhen. Das in Fig. 2 dargestellte Blockschaltbild des Führungssystems könnte man sich in diesem Extremfall auf die Messvorrichtung ME, die Korrektureinheit KRE, die Stellwinkelberechnungseinheit SPE und die Stelleinheit STE reduziert denken.
Im umgekehrten Fall, d.h. bei kleinem Ungenauigkeitsgrad R, werden die geschätzten Systemfehler MFG weitgehend oder ganz bei der Bestimmung der geschätzten Systemgrössen SGG berücksichtigt. Damit können je nach Zuverlässigkeit der Messeinrichtung ME die gemessenen oder hieraus berechneten Systemgrössen SGM erheblich von den geschätzten Systemgrössen SGG abweichen.
Schliesslich wird in der Stellwinkelberechnungseinheit SPE mit Hilfe der mit dem Schätzfilter bestimmten Systemgrössen SGG und der aus der Referenzdatenspeichereinheit RE ausgelesenen Streckeninformationen SI der Neigungswinkel α berechnet und hiermit die Stelleinheit STE angesteuert.
In Fig. 3 wird wiederum anhand eines Blockschaltbildes eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen FührungsSystems dargestellt. Dabei sind entsprechend dem Blockschaltbild in Fig. 2 die Messeinrichtung ME, die Stellwinkelberechnungseinheit SPE, die Stelleinheit STE, die Korrelatoreinheit KE, die Referenzdatenspeichereinheit RE und die Korrektureinheit KRE vorgesehen. Darüber hinaus ist zusätzlich ein Kurvendetektor KD zur Detektion des Beginns eines Bogeneinlaufs und allenfalls auch zur Detektion des Endes eines Bogenauslaufs vorgesehen.
In der Messvorrichtung ME werden als Systemgrössen SGM (Fig. 2) die Querbeschleunigung a,. und die Geschwindigkeit vra des Schienenfahrzeuges gemessen, wobei die Querbeschleunigung a, nicht wie in der Ausführungsform gemäss Fig. 2 über die Korrektureinheit KRE, sondern einerseits direkt der Korrelatoreinheit KE und anderseits dem Kurvendetektor KD zugeführt wird. In der Ausführungsform gemäss Fig. 3 ist als Systemfehler MFG (Fig. 2) eine einzige Grosse vorgesehen, nämlich eine Positionsdifferenz Δs„.
Im folgenden wird die Funktionsweise des FührungsSystems erläutert:
Wie erwähnt werden im erfindungsgemässen Führungssystem möglichst optimale Sollwerte für den Neigungswinkel α des Lastaufnahmebodens LB (Fig. 1) bestimmt. Dazu wird zunächst die Position s des Schienenfahrzeuges durch Integration der gemessenen, fehlerbehafteten Geschwindigkeit vm, verbunden mit einer "on line"-Korrektur der fehlerbehafteten Geschwindigkeit und der fehlerbehafteten Position, bestimmt. Die "on line"-Korrektur der fehlerbehafteten Position wird dabei vorzugsweise mittels einer über die Dauer eines vorgegebenen, kurzen Zeittaktes ausgeführten "on line"-Korrektur der gemessenen Geschwindigkeit vm in der Korrektureinheit KRE vorgenommen. Dies hat den Vorteil, dass der Positionsfehler Δsm nicht ständig zur Kompensation bereitstehen und verarbeitet werden muss, sondern während eines Zeittaktes durch Integration in die Position s einfliesst und danach gelöscht werden kann. Die Ermittlung des Positionsfehlers Δsm und die hierauf basierende "on line"-Korrektur wird durch eine zusätzliche, diskontinuierliche Positionsbestimmung ermöglicht, die mit Hilfe von Streckeninformationen SI über die vom
Schienenfahrzeug befahrenen Strecken gewonnen wird. Die Streckeninformationen SI sind in der
Referenzdatenspeichereinheit RE abgelegt und bestehen vorzugsweise aus der Gleiskrümmung und dem Gleisüberhöhungswinkel in Funktion eines äguidistanten Wegrasters. Die mittels der Messvorrichtung ME gemessene Querbeschleunigung am wird über ein vordefiniertes Zeitintervall erfasst und durch Interpolation in ein Ortsraster gleichen Rastermasses wie das der Streckeninformationen SI umgerechnet. Aus der Menge der Streckeninformationen SI wird ein dem Messintervall zugeordnetes Referenzintervall ausgewählt und hierfür unter Berücksichtigung der Fahrzeuggeschwindigkeit die zugeordnete Fahrzeugquerbeschleunigung als Referenzsignal errechnet. Durch Vergleich der gemessenen
Querbeschleunigung a„ im vordefinierten Messintervall mit entsprechenden Referenzsignalen des ausgewählten Referenzintervalls mit Hilfe eines speziellen, noch zu erläuternden Korrelationsalgorithmus wird dann der momentane Positionsfehler Δsm und der Ungenauigkeitsgrad R (Kovarianz der Positionsfehlerbestimmung) in der Korrelatoreinheit KE ermittelt. Diese werden an die Korrektureinheit KRE, die ein Schätzfilter enthält, bei gleichzeitiger Aktivierung eines Erneuerungssignals UD übergeben, worauf die geschätzte Position s und die geschätzte Geschwindigkeit v des Schienenfahrzeuges unter Berücksichtigung des Ungenauigkeitsgrades R berechnet werden.
Schliesslich wird mit vorgegebener Taktrate anhand der geschätzten Geschwindigkeit v und der geschätzten Position s in der Stellwinkelberechnungseinheit SPE der Neigungswinkel α fortlaufend berechnet und an die Stelleinheit STE zur Einstellung des Lastaufnahmebodens LB (Fig. 1) weitergegeben.
Im folgenden werden die Korrelatoreinheit KE und die darin ablaufenden Verfahrensschritte ausführlich beschrieben:
Mit Hilfe der Korrelatoreinheit KE wird, wie erwähnt, durch Vergleich eines gemessenen Beschleunigungsprofils, nämlich die im Messintervall gemessenen Querbeschleunigungen a,., mit einem Referenzquerbeschleunigungsprofil, erhalten durch Berechnung aus der in der Referenzdatenspeichereinheit RE enthaltenen Streckeninformationen SI, durch einen
Korrelationsalgorithmus die Positionsdifferenz zwischen den beiden Profilen und damit die Positionsdifferenz Δsm bestimmt, wobei zur Generierung des Referenzprofils aus den Steckeninformationen SI die in der Korrektureinheit KRE geschätzte Geschwindigkeit v und die geschätzte Position s verwendet werden. Dabei wird wie folgt vorgegangen:
Die Freigabe an die Korrelatoreinheit KE zur Berechnung einer Korrelation erfolgt grundsätzlich dadurch, dass die Korrektureinheit KRE ein Quittungssignal UQ zurücksetzt. Hierdurch wird verhindert, dass bereits ein neues Korrelationsergebnis angeboten werden kann, bevor die Korrektureinheit KRE das vorherige verarbeitet hat. Allerdings wird die Berechnung einer Korrelation erst dann gestartet, wenn zusätzlich eine Änderung des
Detektionssignals DF des Kurvendetektors KD registriert wurde und ausserdem die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges einen vordefinierten Schwellwert überschritten hat. Sind die vorstehend genannten Bedingungen erfüllt, so werden insbesondere die folgenden Verfahrensschritte durchlaufen:
Schritt: Auslesen der für die Korrelation benötigten Messwerte beispielsweise aus dazu vorgesehenen Zwischenspeichern;
Schritt Festlegen eines Bezugsortes, der beispielsweise ungefähr in die Mitte des Korrelationsintervalls gelegt werden kann. Die nachfolgenden Verfahrensschritte werden relativ zu diesem Bezugsort abgewickelt.
Schritt: Ermittlung der Intervallänge, die von den gespeicherten Ortsdaten überstrichen wird, wobei eine obere Grenze festgelegt ist;
4. Schritt: Berechnung der Anzahl von Rasterplätzen eines vorgegebenen Ortsrastermasses, die das Messintervall überstreicht;
5. Schritt; Festlegung eines Ortsrasterfeldes, das zum Messintervall gehört;
Schritt: Interpolation der gemessenen Querbeschleunigung am und der gemessenen Geschwindigkeit vm auf das Ortsraster;
7. Schritt Festlegen des Referenzdatenintervalls;
8. Schritt: Ausdehnung des gerasterten
Geschwindigkeitsintervalls (enthaltend die gemessene Geschwindigkeit vm) auf die Länge des Referenzdatenintervalls;
9. Schritt: Berechnung der Referenzquerbeschleunigung aus dem im vorigen Schritt bestimmten Geschwindigkeitsprofil und den dem gewählten Ortsrasterintervall zugeordneten Streckeninformationen (Gleiskrümmung, Gleisneigungswinkels, ... ) ;
10. Schritt: Plausibilitätsprüfung: Das Messintervall und das Referenzintervall werden gedrittelt. Für jeweils das vordere und das hintere Drittel sowie das gesamte Intervall werden
Signalmittelwerte gebildet. Unterschreiten jeweils alle drei Mittelwerte eine Toleranzgrenze, dann handelt es sich um einen geraden Streckenabschnitt, worauf die Korrelationsberechnung abgebrochen wird. Die
Korrelationsberechnung wird ebenfalls abgebrochen, wenn die mittlere Geschwindigkeit im Messintervall einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet oder wenn ein entsprechender Hinweis in der
Streckeninformationen SI gefunden wurde;
11. Schritt: Berechnung der Korrelationsfunktion mit anschliessender Bestimmung ihres Minimums und der hieraus resultierenden
Positionsdifferenz Δsm;
12. Schritt: Bestimmung des Ungenauigkeitsgrades R der
Messung, d.h. der Positionsdifferenz Δsm, wobei in einer Ausführungsform unter dem
Ungenauigkeitsgrad R die Kovarianz des Positionsfehlers, bestimmt aus der gemessenen Querbeschleunigung am und den aus der Referenzdatenspeichereinheit RE abgeleiteten Streckeninformationen SI, verstanden wird.
Für weitere Angaben zur Bestimmung der Korrelation und zur Bestimmung der Kovarianz in herkömmlicher Art und Weise sei auf Athanasios Papoulis, "Probability, Random Variables and Stochastic Processes" (McGraw-Hill series in electrical engineering, Communications and information theory, Seiten 150 ff) oder auf A. Gelb, "Applied Optimal Estimation" (THE M.I.T. PRESS, Massachusetts Institute auf Technology Cambridge, Massachusetts and London, England, 1994) verwiesen.
Nach Abschluss der Berechnung des Ungenauigkeitsgrades R (bspw. der Kovarianz) wird das Ergebnis zusammen mit der Positionsdifferenz Δs„ an die Korrektureinheit KRE übergeben. Dies wird der Korrektureinheit KRE durch ein aktives Erneuerungssignal UD angezeigt.
Statt der Querbeschleunigung a„ könnte auch eine andere hierfür geeignete Systemgrösse SGM (Fig. 1) verwendet werden, beispielsweise die Gleis- oder die Drehgestellrollrate.
Anstelle eines im elften Verfahrensschritt angegebenen herkömmlichen Korrelationsalgorithmus ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein spezieller Korrelationsalgorithmus denkbar, bei dem eine Differenz Δm zwischen den gemessenen Signalwerten m(i) und den Referenzwerten r(i+k) verwendet wird. Damit ergibt sich eine Korrelationsfunktion AXJf(k) zu
AJk)
Figure imgf000015_0001
∑((«(ι)-K/+*))2 Der Index i durchläuft dabei das Messdatenortsintervall ilf ..., i2, d.h. der Index i kennzeichnet die Messfunktion, während die relative Verschiebung zwischen den Messwerten m(i) und den Referenzwerten r(i+k) durch den Index k definiert ist. Im Unterschied zum herkömmlichen Korrelationsalgorithmus wird also die Korrelationsfunktion A^fk) als Betragsquadrat der Differenz Δm(k) gebildet, wobei die mit diesem speziellen Korrelationsalgorithmus erstellte Korrelationsfunktion ein Minimum einnimmt, wenn die beiden Muster am besten übereinstimmen. Der zugehörige Wert k wird von der Korrelatoreinheit KE ermittelt und daraus die Positionsdifferenz Δs„
Figure imgf000016_0001
berechnet, wobei ΔL die Rasterweite des Ortsrasters ist.
In Fig. 4 ist eine Korrelationsfunktion A^fk) dargestellt, wie sie sich aus obenstehender Berechnungsart beispielsweise ergeben kann. Deutlich erkennbar ist das
Minimum bei k„in, bei dem die Korrelationsfunktion A^fk) den Wert AΛιn einnimmt und aufgrund dessen die Positionsdifferenz Δsm nach der obengenannten Formel bestimmt wird. Ein Mass für den Ungenauigkeitsgrad R der Positionsdifferenz Δsm lässt sich - im zwölften Verfahrensschritt - aus dem Funktionsverlauf der Korrelationsfunktion A^tk) herauslesen. So ist der Ungenauigkeitsgrad R umso kleiner, je kleiner einerseits der Minimalwert A„ιn und je grösser die am Fensterrand auftretenden Maximalwerte Almax und A2(nax anderseits sind. Eine mögliche Berechnungsart des Ungenauigkeitsgrades R kann aufgrund nachstehender Formel vorgenommen werden:
Figure imgf000017_0001
Die Formel geht von einem Basiswert R0 aus. Weist die Positionsdifferenz Δsm einen geringen Ungenauigkeitsgrad R auf, so ist der Wert A,.ιn relativ klein, im Idealfall sogar gleich null. Auch das Verhältnis von A,^ und A,.ax lässt Rückschlüsse auf die Qualität der Korrelation zu: Für eine gute Korrelation geht dieses Verhältnis gegen null, während für eine schlechte Korrelation dieses Verhältnis gegen eins konvergiert. Ferner sind Faktoren K: und K2 vorgesehen, die entsprechend einer gewünschten Gewichtung der verschiedenen Anteile gewählt werden.
In Fig. 5 ist ein Blockschaltbild der in Fig. 3 enthaltenen Korrektureinheit KRE dargestellt, wobei eine Recheneinheit RET, zwei Multiplizierer Ml und M2, drei Addierer AD1 bis AD3, eine Wegkorrektureinheit WG, eine Integratoreinheit IE und eine Quadratureinheit Q vorgesehen sind. In der Recheneinheit RET werden aus der Positionsdifferenz Δsm und dem hierzu gehörenden Ungenauigkeitsgrad R ein geschätzter (gefilterter) Wert für den Positionsfehler Δsm sowie ein linearer und ein quadratischer Skalenfaktorfehler Δk: und Δkq der Messvorrichtung ME (Fig. 2 bzw. 3) zur Messung der Geschwindigkeit vm, nachfolgend als Tachometer bezeichnet, in noch zu erläuternder Weise bestimmt, wobei der lineare Skalenfaktorfehler Δkt im Multiplizierer Ml mit der gemessenen Geschwindigkeit vm und der quadratische Skalenfaktorfehler Δkq mit der in der Quadratureinheit Q quadrierten Geschwindigkeit vB im Multiplizierer M2 multipliziert wird. Die Ergebnisse der Multiplizierer Ml und M2 werden im Addierer AD1 zur Bildung einer geschätzten Geschwindigkeitsdifferenz addiert, die ihrerseits im Addierer AD2 mit der gemessenen Geschwindigkeit vm verrechnet wird (Fehlerkompensation) . Während die aktuellen Werte für den linearen und quadratischen Skalenfaktorfehler Δkx und Δk,, gehalten werden bis neue Schätzwerte vorliegen, d.h. während die Kompensation über die Addierer AD1 und AD2 fortlaufend erfolgt, ist der dritte Addierer AD3 und die Wegkorrektureinheit WG zur Kompensation eines geschätzten Positionsfehlers Δs jeweils nur über einen Integrationstakt aktiv, da der Positionsfehler Δs innerhalb eines Integrationstaktes verarbeitet wird. Danach wird der Schätzwert des Positionsfehlers Δs auf null gesetzt. Die geschätzte Geschwindigkeit v bestimmt sich somit nach folgender Formel, wobei der Anteil aus der diskontinuierlichen Positionsfehlerkompensation hier nicht dargestellt ist:
Figure imgf000018_0001
Da in der Recheneinheit RET die Vorzeichen der geschätzten Skalenfaktorfehler Δkx und Δk„ bereits umgekehrt werden, werden die geschätzten Fehlerwerte zur Kompensation addiert statt subtrahiert.
Zur Bestimmung der geschätzten Geschwindigkeit v können auch weitere Fehlergrössen mitberücksichtig werden. Denkbar ist beispielsweise das Miteinbeziehen von weiteren Skalenfaktorfehlern höherer Ordnung oder auch die Berücksichtigung eines Nullpunktfehlers v0 des Tachometers.
Schliesslich wird mit Hilfe der Integratoreinheit IE durch Integration der geschätzten Geschwindigkeit v die geschätzte Position s berechnet, aufgrund derer der Neigungswinkel α in der Stellwinkelberechnungseinheit SPE (Fig. 2 bzw. 3) berechnet wird.
Wie erwähnt, wird in der Recheneinheit RET der Algorithmus eines Schätzfilters verwendet, der in einer vorteilhaften Ausführungsform der Algorithmus eines Kaimanfilters (A. Gelb, "Applied Optimal Estimation", THE M.I.T. PRESS, Massachusetts Institute auf Technology Cambridge, Massachusetts and London, England, 1994) ist.
Dabei werden mit der in der Korrektureinheit KRE bestimmten Positionsdifferenz Δsa Schätzungen des wahren Positionsfehlers Δs und der Fehler des Tachometers vorgenommen. Es handelt sich also bei dieser Ausführungsform des Schätzfilters um einen
Zustandsbeobachter mit variabler Dynamik, weil die Unscharfe in der Kenntnis der augenblicklichen Position und die Unscharfe in der Kenntnis der mit der Korrelatoreinheit KE ermittelten Position gegeneinander abgewogen werden, um hieraus zeitvariable Filterverstärkungsfaktoren zu berechnen. Dies hat die folgende Bedeutung:
Angenommen, das Führungssystem kennt die durch Integration der Geschwindigkeit berechnete Position zunächst nur mit einer grossen Unscharfe, während die mit der
Korrelatoreinheit KE bestimmte Position sehr genau ist (kleiner Ungenauigkeitsgrad R) , dann wird beim nächsten Berechnungsvorgang die von der Korrelatoreinheit KE bestimmte Positionsdifferenz Δsm in fast voller Höhe für die Positionskorrektur verwendet und geht auch in hohem Mass in die Schätzung der Tachometerfehler (linearer und quadratischer Skalenfaktorfehler Δkx und Δkq) ein.
Im umgekehrten Fall, wenn das Führungssystem die momentane Position mit grösser Genauigkeit kennt, die Korrelatoreinheit KE allerdings nur eine ungenaue Position (grösser Ungenauigkeitsgrad R) zur Verfügung stellen kann, dann vertraut das Kaimanfilter auf das eigene Wissen und verwertet die von der Korrelatoreinheit KE erhaltene Information nur in sehr geringem Masse.
Dieser Vorgang wird über die Berechnung der Kovarianz eines im Kaimanfilter verwendeten Zustandsvektors und über die Berechnung der bereits anhand Fig. 3 und 4 erläuterten Kovarianz der Positionsfehlerbestimmung (d.h. der
Korrelation) gesteuert, wobei der Zustandsvektor in der in Fig. 3 und 5 dargestellten Ausführungsform folgende Form hat:
Figure imgf000020_0001
Das gewählte Modell ist somit von 3-ter Ordnung, wobei bei diesem Modell auf die Berücksichtigung des Tachometer- Nullpunktfehlers verzichtet wurde. Allerdings könnte das Modell durch die Aufnahme des Nullpunktfehlers des Tachometers mit einem relativ geringen Aufwand auf ein System 4-ter Ordnung erweitert werden.
Das Kaimanfilter wird dazu verwendet, die Zustandsgrössen x zu schätzen. Die Ungenauigkeit der Schätzung der Fehler, der sogenannte Schätzfehler der einzelnen Komponenten, wird durch die Kovarianzmatrix P ausgedrückt, die den Erwartungswert des Schätzfehlers darstellt:
P = E [ x ■ x τ } wobei
Da in der Korrelatoreinheit KE (Fig. 2 und 3) nur eine Grosse, nämlich die Positionsdifferenz Δsn, bestimmt wird, besitzt der sogenannte Messvektor z des Kaimanfilters im vorliegenden Fall nur eine Komponente. Zwischen dem Messvektor z und dem Zustandsvektor x besteht somit für das angegebene Modell die Beziehung:
z = H x
wobei
H = [1 0 0]
Dabei wird die Matrix H als Messmatrix bezeichnet, die im vorliegenden Fall konstant ist. Die Ungenauigkeit der Messung wird, wie erwähnt, durch die Kovarianzmatrix R des Messvektors z dargestellt. Da im vorliegenden Fall der Messvektor z nur eine Komponente aufweist, ist die Kovarianzmatrix R eine skalare Grosse, d.h. der bereits erwähnte Unsicherheitsgrad R.
Anhand der angegebenen Definitionen sind im folgenden die Kaimanfiltergleichungen in diskreter Form angegeben:
Figure imgf000021_0001
wobei
Figure imgf000022_0001
Hierbei stellt die Matrix ^k l die durch die veränderliche Geschwindigkeit v zeitvariable Transitionsmatrix dar, die den Uebergang des Zusatzvektors x vom diskreten Zeitpunkt (k-l) Δt zum diskreten Zeitpunkt k " Δt beschreibt. Das
Pluszeichen bedeutet dabei "unmittelbar nach einem Update", d.h. unmittelbar nach dem Verarbeiten der von der Korrelatoreinheit KE gelieferten Positionsdifferenz Δsm, und das Minuszeichen "vor dem folgenden Update" . Diese Bezeichnungsweise kann auch dahingehend verstanden werden, dass bei einer Aneinanderreihung von Intervallen ohne Update einfach die Extrapolation über einen entsprechenden Zeitabschnitt gemeint ist. Unter dem Begriff Update (Aufdatung) ist dabei eine durch eine "äussere Messung" ermöglichte Korrektur des Zustandes zu verstehen und unter dem Begriff Extrapolation die Berechnung der Änderung des Zustandes zwischen zwei Updates (oder innerhalb eines festgelegten Zeitintervalls) infolge von Systemfehlereinflüssen (nichtkompensierte Restfehler und Systemrauscheinflüsse) zu verstehen ist.
Wenn von der Korrelatoreinheit KE der Recheneinheit RET bzw. dem in dieser realisierten Kaimanfilter eine Positionsdifferenz Δsm gemeldet wird, wird ein Update des Zustandsvektors und der Kovarianz des Schätzfehlers vorgenommen. Das Kaimanfilter verfolgt somit nicht nur die Schätzgrössen, sondern auch die Ungenauigkeit seiner eigenen Kenntnis des Zustandsvektors. Bekanntlich wird das Kaimanfilter mit veränderlichen Verstärkungsfaktoren betrieben. Besitzt das System eine geringe Unsicherheit in der Kenntnis seines Zustandes und ist die externe Messung relativ ungenau, dann wird die externe Messung in nur geringem Masse berücksichtigt. Meldet z.B. die Korrelatoreinheit KE eine unsichere Positionsdifferenz Δsm von 100 m, dann würde das Kaimanfilter davon nur wenige Meter berücksichtigen. Das Filter ist sozusagen sehr vorsichtig und traut der externen Information nur wenig. Wäre anderseits die eigene
Unsicherheit sehr hoch und die Korrelationseinheit KE würde eine ziemlich sichere Positionsdifferenz ΔsB von 100 m melden, dann würde das Kaimanfilter die 100 m fast vollständig übernehmen, da es jetzt der externen Information sehr viel mehr traut als seiner eigenen Kenntnis. Dieses Verhalten wird mittels einer Verstärkungsmatrix Kk im folgenden mathematisch dargestellt, wobei die Berechnung zum Zeitpunkt k erfolgt:
*> = H HPk H τ + R
Die vorstehend genannte Verstärkungsmatrix Kk enthält lediglich Komponenten in einer Spalte, weil nur eine und nicht mehrer unterschiedliche Messgrössen verarbeitet werden. Damit kann der Update des Zustandsvektors x nach folgender Formel vorgenommen werden:
** = **-Δ*.
Schliesslich wird die Kovarianz P (Ungenauigkeitsgrad in der Kenntnis des Zustandsvektors) durch die mit Hilfe der Korrelatoreinheit KE bestimmte Positionsdifferenz Δsm verbessert. Dieser Vorgang wird durch die Beziehung
p; = (I - Kk H ) Pk
dargestellt. Damit sind alle wesentlichen Grundgleichungen für das Kaimanfilter angegeben. Für weiterführende Angaben sei wiederum auf das Standardwerk von A. Gelb mit dem Titel "Applied Optimal Estimation" (THE M.I.T. PRESS, Massachusetts Institute auf Technology Cambridge, Massachusetts and London, England, 1994) und auf die Veröffentlichung von Harold W. Sorenson mit dem Titel "Kaiman Filtering: Theory and Application" (IEEE Press, 1985) verwiesen.
Um den Updatealgorithmus in einer eindeutigen Weise zu durchlaufen und um ausserdem das Einschwingverhalten des Kaimanfilters beim Einschalten des FührungsSystems möglichst optimal zu gestalten, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:
Erstens, dass das von der Korrelatoreinheit KE gesetzte Erneuerungssignal UD (Fig. 3) zurückgesetzt und erneut wieder gesetzt worden ist. Damit wird vermieden, dass der vorhergehende aktive Zustand des Erneuerungssignals UD fälschlicherweise als erneute Aufforderung an die Recheneinheit RET zur Berechnung von Schätzwerten interpretiert wird. Anderseits wird das Erneuerungssignal UD erst dann von der Korrelatoreinheit KE zurückgesetzt, wenn von der Korrektureinheit KRE ein Quittungssignal UQ an die Korrelatoreinheit KE geht, wodurch dieser mitgeteilt wird, dass die Neuberechnung (Update) in der Korrektureinheit KRE abgeschlossen ist.
Zweitens muss das von der Korrektureinheit KRE ausgehende Quittungssignal QU zurückgesetzt und das von der Korrelatoreinheit KE ausgehende Erneuerungssignal UD gesetzt worden sein.
Drittens muss eine vorgegebene Anzahl von Neuberechnungen der Positionsdifferenz Δsm seit der Inbetriebsetzung des FührungsSystems durchlaufen worden sein. In dieser Startphase werden der lineare und der quadratische Skalenfaktorfehler Δkj und ΔkQ nicht berechnet, womit keine Korrekturen der gemessenen Geschwindigkeit vm im zweiten Addierer AD2 vorgenommen wird. Allerdings wird die von der Korrelatoreinheit KE bestimmte Positionsdifferenz ΔsB in der Startphase trotzdem zur Korrektur berücksichtigt, und zwar durch den erwähnten dritten Addierer AD3, über den die Positionsdifferenz Δsm zur Berechnung der geschätzten Position s herangezogen wird.
Mit der Ausführung jeder Neuberechnung (Update) wird das Quittungssignal UQ für die Korrelatoreinheit KE durch die Korrektureinheit KRE neu gesetzt.
Der Kurvendetektor KD löst den Updatezyklus in der
Korrelatoreinheit KE aus. Dazu wird im Kurvendetektor KD, wie erwähnt, der Beginn eines Bogeneinlaufs bzw. das Ende eines Bogenauslaufs bestimmt und mittels eines Detektionssignals DF der Korrelatoreinheit KE angezeigt.
Eine mögliche Ausführungsform des Kurvendetektors KD besteht darin, dass das Sensorsignal mit der gemessenen Querbeschleunigung am zunächst mit Hilfe eines Filters mit Tiefpasscharakteristik gefiltert wird. Das Ausgangssignal des Filters durchläuft anschliessend eine nichtlineare Kennlinie mit Ansprechempfindlichkeit (dead zone) (Winfried Oppelt, "Kleines Handbuch technischer RegelVorgänge", Verlag Chemie, Darmstadt, 1972) mit voreingestellten Beschleunigungs-Schwellwerten. Schliesslich wird zur Bestimmung der Bogenrichtung mit einer Signumfunktion
(Netz, "Formel der Mathematik", Carl Hanser Verlag München Wien, 1981) das Vorzeichen zur Generierung des Kurvendetektionssignales DF extrahiert.
Eine weitere Ausführungsform für den Kurvendetektor KD wäre gegeben durch die Verwendung der gemessenen Gleisrollrate (d.h. der Rollwinkelgeschwindigkeit) an Stelle des Querbeschleuniungssignals oder durch die Verwendung beider Signale als eine logische Verknüpfung aus dem Detektionssignal der Querbeschleunigung und einem mit der Gleis- oder Drehgestellrollrate bestimmten Detektionssignal. Darüber hinaus könnten in weiteren Ausführungsformen des Kurvendetektors KD auch andere Signale, wie die Wagenkasten- oder Drehgestellgierrate oder der Ausdrehwinkel des Drehgestells allein oder in
Kombination mit den anderen Signalen, verwendet werden.
Beim anhand von Fig. 3 und 5 erläuterten Ausführungsbeispiel wird mit Hilfe des Kaimanfilters und einer Korrelation die tatsächliche Position des Schienenfahrzeuges geschätzt. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können beim Kaimanfilter auch andere oder gar zusätzliche Positionsmessungen miteinbezogen werden. So kann beispielsweise die Position des Schienenfahrzeuges durch GPS- (Global Positioning System) , durch Streckenmagnete oder andere externe Positionsmesssysteme gemessen werden. Dann ist das Kaimanfilter - mit einer geringfügigen Modifikation der dargestellten Ausführungsform - geradezu prädestiniert, diese zusätzliche Information aufzunehmen und gewichtet so zu verarbeiten, dass die bestmögliche Schätzung der Position unter Einbeziehung aller verfügbaren Informationen erreicht wird.
Die erfindungsgemasse Lehre eignet sich nicht nur für ein Führungssystem zur Einstellung der Querneigung des Lastbodens eines Schienenfahrzeuges. Denkbar sind grundsätzlich alle Anwendungen, bei denen die Position des Schienenfahrzeuges von Bedeutung ist. Aus diesem Grund ist unter dem Begriff Führungssystem auch ein System zu verstehen, bei dem die Position des Schienenfahrzeuges für andere Zwecke als zur Einstellung der Lastboden- Querneigungswinkels bestimmt wird. Dies beinhaltet insbesondere Anwendung in der Überwachung des Schienenverkehrs oder der Geschwindigkeit von Schienenfahrzeugen.
Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf weitere Ausgestaltungen der verschiedenen bereits erläuterten Ausführungsvarianten, wie sie sich durch Kombination mit den in EP-0 647 553 offenbarten Lehren ergeben. Aus diesem Grund wird diese referenzierte Druckschrift in ihrem gesamten Umfang in den Offenbarungsgehalt dieser jüngeren Schrift miteinbezogen.
Die in der Referenzdatenspeichereinheit RE enthaltenen Streckeninformationen SI (Fig. 2 und 3) und allenfalls die in der Stellwinkelberechnungseinheit SPE zur Berechnung des Neigungswinkels α zugrundegelegten Informationen werden in weiteren Ausführungsvarianten der Erfindung im Sinne eines "teach-in" dadurch ermittelt, dass nicht unbedingt diese Grossen selbst, aber davon direkt abhängige, wie Quer- beschleunigung und deren Richtung, während einer teach-in- Fahrt des Schienenfahrzeuges mit bekannten Messeinrichtungen, wie Kreisel, Pendel, Neigungssensoren etc., erfasst und z.B. in der Referenzdatenspeichereinheit RE und/oder in der Stellwinkelberechnungseinheit SPE von Fig. 2 oder 3 abgelegt werden.
Es wird weiter vorgeschlagen, wie auch immer das erfin¬ dungsgemasse Führungssystem realisiert wird, dem erfin¬ dungsgemässen Führungssystem mindestens ein zweites Füh- rungssystem parallelzuschalten, um einerseits eine
Redundanzüberprüfung der von beiden Systemen gelieferten Neigungswinkel cx für die Stelleinheiten STE (Fig. 2 und 3) vornehmen zu können und um, bei Abweichungen der Stellsignale, die ein vorgegebenes Mass überschreiten, am Schienenfahrzeug adäquate Vorkehrungen einzuleiten, so z.B. die Querneigungsführung dem zweiten Führungssystem zu über- binden, falls letzteres z.B. störungssicherer ist. Dass nämlich ein als redundantes Führungssystem vorgesehenes, z.B. an sich bekanntes messendes Führungssystem die Quer- neigungssteuerung weniger effizient den momentanen
Erfordernissen entsprechend vornimmt, stört dann nicht, weil dieser Fall nur als Behelfsbetriebsfall eintritt.
In Fig. 6 ist anhand eines Funktionsblockdiagramm.es eine Redundanzführung erwähnter Art schematisch dargestellt.
In Fig. 6 ist schematisch im Block 41 das wie auch immer erfindungsgemäss realisierte Führungssystem bis zur Ausgabe des Neigungswinkels α, hier als αSE bezeichnet, darge- stellt. Als charakteristischer Block umfasst das erfin¬ dungsgemasse Führungssystem 41 eine
Referenzdatenspeichereinheit RE der anhand von Fig. 2 und 3 erläuterten Art.
Ein weiteres, gegebenenfalls vom erfindungsgemässen abwei- chendes Führungssystem ist schematisch mit Block 43 darge¬ stellt und beruht vorzugsweise auf der messtechnischen Er¬ fassung einer mit der Querbeschleunigung a,. zusammenhängenden Grosse, wie schematisch mit dem Kreisel im Block 43 dargestellt. Auch dieses FührungsSystem liefert, in der diesem System eigenen Art, einen Neigungswinkel cx^ als Stellsignal. Beide Stellsignale αSE und αSm oder diese eindeutig bestimmende andere Signale werden an einer Vergleichseinheit 45 daraufhin miteinander verglichen, ob sie nicht mehr als ein an einer
Vorgabeeinheit 47 vorgebbares Maximalmass Δ,^ voneinander abweichen. Es kann nun dann, wenn die beiden redundanten Stellsignale αSE und cχSa mehr als das vorgegebene Mass voneinander abweichen, das Schienenfahrzeug z.B. mit dem sichereren der beiden FührungsSysteme 41, 43 geführt wer¬ den, auch wenn das sicherere System im Sinne der Eingangs- bemerkungen steuerungstechnisch weniger präzise ist.
Wenn das Führungssystem 43 messtechnisch die Querbeschleu- nigungsverhältnisse am Schienenfahrzeug erfasst, wird in diesem Falle ein solches System 43, auch wenn steuerungstechnisch weit weniger präzise, als "Behelfssystem" zur Querneigungssteuerung bzw. -führung am Schienenfahrzeug eingesetzt. Die Vergleichseinheit 45 schaltet den Eingang der Stellwinkelberechnungseinheit SPE (Fig. 2 und 3) auf das auf dem Querbeschleunigungsmessen basierende, beispielsweise bereits bekannte Behelfssystem 43 um. Gleichzeitig wird, wie in Fig. 6 bei 49 dargestellt, diese Situation z.B. angezeigt.
Durch Vorsehen des im genannten Sinne als Behelfssystem wirkenden, die Querbeschleunigung bzw. die diese definierende Grossen messenden Führungssystem 43 müssen zwangsläufig am Fahrzeug Sensoren zur Querbeschleunigungserfassung vorgesehen sein, welche in einer teach-in-Phase für das erfindungsgemasse System 41 eingesetzt werden können, indem, wie vorgängig beschrieben wurde, mit dem Fahrzeug eine Strecke abgefahren wird und die messtechnisch erfassten Geleisecharakteristika in eine Speichereinrichtung geladen werden.
In Fig. 7 ist eine Zugkomposition, beispielsweise mit Triebwagen 1 und 5, dargestellt, konstelliert für Fahrt in Richtung v. Soweit benötigt, weist jedes Fahrzeug 1 bis 5 eine Stellwinkelberechnungseinheit 11 auf zur Lastboden- Querneigungsstellung, wie dies beschrieben wurde. Am bezüglich der Fahrrichtung gemäss v vordersten Wagen, dem Triebwagen 1, ist ein erfindungsgemässes Führungssystem 41M vorgesehen sowie ein z.B. auf Querbeschleunigungsmessung beruhendes System 43M, wie bereits anhand von Fig. 6 beschrieben wurde.
Für Fahrtrichtungsumkehr ist am Triebwagen 5, völlig symme¬ trisch, ein erfindungsgemässes FührungsSystem 41s und ein auf Querbeschleunigungsmessung beruhendes System 43s, wie dies bereits anhand von Fig. 6 erläutert wurde, vorgesehen. In der eingezeichneten Fahrtrichtung wirken die Systeme am Triebwagen 1 als Mastersystem (M) , diejenigen am Wagen 5 als Slavesystem (S) .
An einer solchen bevorzugten Konstellation wird die Quer- neigungsführung wie folgt den vorgesehenen Systemen zugeordnet:
Das erfindungsgemasse Mastersystem 41M liefert die Stellsi¬ gnale α für alle mit Querneigungssteuerung der beschriebenen Art ausgerüsteten Wagen 1 bis 5. Das Mastergesamtsystem am Wagen 1 überwacht sich selbst, beispielsweise, indem die momentane Stellgrösse für den Lastboden an einem der Wagen, ausgegeben vom erfindungsgemässen System 41M, mit demjenigen des Systems 43M verglichen wird. Weichen diese Stellsignale so voneinander ab, dass dies nicht mehr plausibel ist, so wird die Steuerung der Lastboden-Querneigungen aller Wagen 1 bis 5 dem erfindungsgemässen Slavesystem 41s übertragen, wie dies schematisch in Fig. 7 durch die Umschalteinheit 60 dargestellt ist.
Auch am Slavegesamtsystem im hintersten Wagen 5 wird, bei- spielsweise durch Vergleich der Stellsignale des erfin¬ dungsgemässen Systems 41s und des auf Messung beruhenden Systems 43s, auf Plausibilität überwacht. Falls eine nicht mehr plausible Abweichung dieser Stellsignale erfasst wird, wird wiederum geschlossen, dass das erfindungsgemasse System 41s fehlerhaft ist, worauf das auf Messung beruhende System 43M behelfsmässig die Querneigungssteuerungen übernimmt. Ist auch dieses System fehlerbehaftet, was beispielsweise durch Vergleich von Fahrgestellausdrehung und Querneigungs-Stellsignal detektiert werden kann, oder falls eines oder mehrere der Querneigungs-Stellglieder 11 defekt ist, so wird auf Notbetrieb geschaltet und der Zug mit Regelgeschwindigkeit betrieben.
Bei Umkehr der Fahrrichtung übernehmen selbstverständlich die Systeme im Wagen 5 die Masterfunktion, die Systeme im Wagen 1 die Slavefunktion.

Claims

Patentansprüche:
1. Führungssystem, umfassend
eine Messeinrichtung (ME) zum Messen von mindestens einer Systemgrösse (SGM) eines Schienenfahrzeuges,
eine Referenzdatenspeichereinheit (RE) , in der Streckeninformationen (SI) über die vom
Schienenfahrzeug befahrenen Strecken - insbesondere Weglänge, Gleiskrümmung und Gleisneigungswinkel - enthalten sind,
dadurch gekennzeichnet, dass vorgesehen sind
Mittel (KE) zum Beatimmen von beim Messen und/oder Berechnen der Systemgrössen (SGM) entstandenen Systemfehlern (MFG) sowie zur Bestimmung mindestens eines Ungenauigkeitsgrades (R) der Systemfehler (MFG) ,
eine Korrektureinheit (KRE) zur zumindest teilweisen Eliminierung der Systemfehler (MFG) in der Weise, dass die Systemfehler (MFG) entsprechend ihren Ungenauigkeitsgraden (R) zur Korrektur der gemessenen und/oder berechneten Systemgrössen (SGM) zur Bildung mindestens einer geschätzten Systemgrösse (SGG) verwendet werden,
wobei mindestens ein Ausgang der Messeinrichtung (ME) direkt und/oder über die Korrektureinheit (KRE) auf mindestens einen Eingang der Mittel (KE) zum Bestimmen der Systemfehler (MFG) wirkt, deren Ausgänge mit Eingängen der Korrektureinheit (KRE) verbunden sind, und wobei die Referenzdatenspeichereinheit (RE) mit den Mitteln (KE) zum Bestimmen der Systemfehler (MFG) und der Ungenauigkeitsgrade (R) verbunden ist.
2. Führungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kurvendetektor (KD) zur Bestimmung von
Bogeneinlauf und/oder Bogenauslauf vorgesehen ist, dass der Kurvendetektor (KD) mit mindestens einer Systemgrösse (SGM) beaufschlagt ist und dass der Kurvendetektor (KD) mit den Mitteln (KE) zum Bestimmen der Systemfehler (MFG) und der Ungenauigkeitsgrade (R) wirkverbunden ist.
3. Führungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektureinheit (KRE) aus mindestens einer Integratoreinheit (IE) zur Bestimmung der Position (s) und aus einer Recheneinheit (RET) zur
Bestimmung eines gefilterten Positionsfehlers (Δs) und zur Bestimmung von mindestens einem Skalenfaktorfehler (Δkx, Δkq) der Messeinrichtung (ME) besteht.
4. Führungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittels der Messeinrichtung (ME) gemessene Geschwindigkeit (vm) des Schienenfahrzeuges der Korrektureinheit (KRE) und eine mittels der Messeinrichtung (ME) gemessene Querbeschleunigung (aj dem Kurvendetektor (KD) und den Mitteln (KE) zum Bestimmen der Systemfehler (MFG) beaufschlagt sind, in denen eine Positionsdifferenz (ΔsJ bestimmt wird.
5. Führungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Stellwinkelberechnungseinheit (SPE) und eine Stelleinheit (STE) vorgesehen sind, dass der Stellwinkelberechnungseinheit (SPE) geschätzte Systemgrössen (SGG) , insbesondere eine geschätzte Position (s) und/oder eine geschätzte Geschwindigkeit (v) des Schienenfahrzeuges, beaufschlagt sind und dass die Stellwinkelberechnungseinheit (SPE) mit der Stelleinheit (STE) wirkverbunden ist.
6. Führungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stelleinheit (STE, 11) eine Vergleichseinrichtung (45) vorgeschaltet ist, eingangsseitig mit dem Ausgang der Stellwinkelberechnungseinheit (SPE) und demjenigen einer mesStechnischen Querbeschleunigungs-Erfassungseinrichtung (43) , vorzugsweise mit eigener Stellwinkelberechnung, verbunden ist und dass der Ausgang der Vergleichseinrichtung (45) entweder den Ausgang der Stellwinkelberechnungseinheit (SPE) oder den Ausgang, vorzugsweise den Stellwinkelausgang, der messtechnischen Querbeschleunigungs-Erfassungseinrichtung (43) auf die Stelleinheit (STE, 11) wirksam schaltet.
7. Führungssystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass an einem Schienenfahrzeugwagen mindestens eine Positionserfassungseinrichtung und die Stelleinrich¬ tung (STE, 11) auf mindestens einem weiteren, damit gekoppelten Wagen vorgesehen ist, wobei als Wagen generell ein Teil einer Schienenfahrzeug-Komposition verstanden sei.
8. Führungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Fahrzeugkomposition zwei der Wagen als die Schienenfahrzeuge ausgebildet sind, je mindestens mit einer Positionserfassungseinrichtung, und dass je nach Fahrrichtung das eine Fahrzeug als Masterfahrzeug, das andere als Slavefahrzeug wirkt, wobei die Querneigungssteuerung mindestens bei Ausfall der Positionserfassungseinrichtung am Masterfahrzeug auf Abhängigkeit von der Positionserfassungseinrichtung am Slavefahrzeug umgeschaltet wird.
9. Verfahren zur Bestimmung der Position (s) und/oder zur Steuerung der Querneigung des Lastbodens (LB) eines Schienenfahrzeuges, wobei das Verfahren darin besteht,
- dass Systemgrössen (SGM) des Schienenfahrzeuges mittels einer Messeinrichtung (ME) gemessen werden,
dass mindestens ein beim Messen und/oder beim Berechnen der Systemgrössen (SGM) entstandener Systemfehler (MFG) sowie mindestens ein
Ungenauigkeitsgrad (R) der Systemfehler (MFG) bestimmt werden,
dass aufgrund der Werte für die Systemfehler (MFG) und aufgrund der Werte für die Ungenauigkeitsgrade (R) mindestens ein Parameter (Δklf Δkq) eines Schätzfilters bestimmt wird, aufgrund dessen die geschätzten Systemgrössen (SGG) berechnet werden,
wobei das Schätzfilter als Beobachter mit konstanter Dynamik oder als Beobachter mit zeitvariabler Dynamik, letzterer vorzugsweise als Kaimanfilter, realisiert ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter (Δkx, Δkq) aufgrund der ermittelten
Systemfehler (MFG) und den entsprechenden Ungenauigkeitsgraden (R) derart eingestellt werden,
dass bei kleinen Ungenauigkeitsgraden (R) die ermittelten Systemfehler (MFG) in grossem Masse bei der Bestimmung der geschätzten Systemgrössen (SGG) berücksichtigt werden und
dass bei grossen Ungenauigkeitsgraden (R) die ermittelten Systemfehler (MFG) bei der Bestimmung der geschätzten Systemgrössen (SGG) weitgehend unberücksichtigt bleiben.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass als die gemessenen und/oder die berechneten Systemgrössen (SGM) eine Geschwindigkeit (vj und eine Querbeschleunigung (aj verwendet werden und dass eine Positionsdifferenz (ΔsJ als Systemfehler (MFG) bestimmt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Positonsdifferenz (ΔsJ derart bestimmt wird,
dass ein Referenzintervall aus bekannten Streckeninformationen (SI) berechnet wird,
dass aus der gemessenen Querbeschleunigung <aj in einem Zeitfenster ein Messintervall bestimmt wird,
- dass ein Korrelationswert oder ein korrelationsähnlicher Wert (A^J zwischen dem Referenzintervall und dem Messintervall berechnet wird,
wobei der letztgenannte Verfahrensschritt mit gegeneinander verschobenen Referenz- und Messintervallen zur Bildung einer Korrelationsfunktion oder einer korrelationsähnlichen Funktion (A^fk)) wiederholt wird, anhand dessen die Positionsdifferenz (ΔsJ berechnet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
dass der Ungenauigkeitsgrad (R) als Kovarianz der Positionsdifferenz (ΔsJ berechnet wird oder dass der Ungenauigkeitsgrad (R) in heuristischer Weise gemäss den Erläuterungen zu Fig. 4 ermittelt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter (Δklf Δkq) ein linearer und/oder ein quadratischer Skalenfaktorfehler (Δklf ΔkJ berücksichtigt werden, wobei diese Skalenfaktorfehler (Δkx, ΔkJ nach der Formel
Ak, Ak
zur Bestimmung der geschätzten Geschwindigkeit (v) verwendet werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn des Messintervalles von einem Detektionssignal (DF) eines Kurvendetektors (KD) abhängig ist, der einen Bogeneinlauf und/oder Bogenauslauf erkennt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mittels GPS- (Global Positioning
System) und/oder mittels Streckenmagneten und/oder von anderen externen Positionsmesssystemen erhaltene Positionsinformationen bei der Bestimmung der geschätzten Systemgrössen (SGG) miteinbezogen werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Querneigung des Lastbodens (LB) des Schienenfahrzeuges aufgrund der geschätzten Systemgrössen (SGG) , insbesondere aufgrund der geschätzten Geschwindigkeit (v) und der geschätzten Position (s) , eingestellt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass man querneigungsrelevante Daten des Geleises durch Abfahren misst, abspeichert und nachmals für die Quernei- gungsbestimmung und -Verstellung einsetzt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass man an einem Schienenfahrzeugzug das Verfahren unabhängig zweimal durchführt, die Querneigungs- Steuerung nach dem einen Verfahren realisiert, das Quernei- gungs-Stellsignal dabei auf Plausibilität überprüft und bei Nicht-Plausibilität die Querneigungssteuerung dem zweiten Verfahren übergibt.
20. Schienenfahrzeug mit einem Führungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder mit einer Lastboden-Quer¬ neigungssteuerung, nach dem Verfahren der Ansprüche 9 bis 19 arbeitend.
21. Schienenfahrzeug mit zwei unabhängig voneinander als Master und Slave betriebenen FührungsSystemen nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
PCT/CH1997/000094 1996-03-23 1997-03-11 Führungssystem für schienenfahrzeuge WO1997035756A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU18656/97A AU1865697A (en) 1996-03-23 1997-03-11 Guide system for rail vehicles

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP96104661A EP0719688B1 (de) 1996-03-23 1996-03-23 Führungssystem für Schienenfahrzeuge
EP96104661.2 1996-03-23

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1997035756A1 true WO1997035756A1 (de) 1997-10-02

Family

ID=8222593

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/CH1997/000094 WO1997035756A1 (de) 1996-03-23 1997-03-11 Führungssystem für schienenfahrzeuge

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP0719688B1 (de)
AT (1) ATE182533T1 (de)
AU (1) AU1865697A (de)
DE (1) DE59602504D1 (de)
ES (1) ES2136908T3 (de)
WO (1) WO1997035756A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106324633A (zh) * 2015-06-26 2017-01-11 无线电通信***公司 Gnss应用中跟踪位置及速度的***及方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19703322C1 (de) * 1997-01-30 1998-03-26 Abb Daimler Benz Transp Neigungssteuerung für Schienenfahrzeuge
DE19707175C2 (de) * 1997-02-22 1999-09-02 Tzn Forschung & Entwicklung Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung eines Winkels um die Fahrzeuglängsachse in einer Kurvenfahrt

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2689476A1 (fr) * 1992-04-01 1993-10-08 Faiveley Transport Suspension transversale pour véhicule ferroviaire.
DE4442834A1 (de) * 1993-12-03 1995-06-08 Toyota Motor Co Ltd Verfahren zum Ermitteln eines Rückkopplungs-Verstärkungsfaktors

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2689476A1 (fr) * 1992-04-01 1993-10-08 Faiveley Transport Suspension transversale pour véhicule ferroviaire.
DE4442834A1 (de) * 1993-12-03 1995-06-08 Toyota Motor Co Ltd Verfahren zum Ermitteln eines Rückkopplungs-Verstärkungsfaktors

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106324633A (zh) * 2015-06-26 2017-01-11 无线电通信***公司 Gnss应用中跟踪位置及速度的***及方法
CN106324633B (zh) * 2015-06-26 2022-07-05 无线电通信***公司 Gnss应用中跟踪位置及速度的***及方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP0719688A3 (de) 1996-10-23
EP0719688A2 (de) 1996-07-03
ES2136908T3 (es) 1999-12-01
EP0719688B1 (de) 1999-07-28
DE59602504D1 (de) 1999-09-02
ATE182533T1 (de) 1999-08-15
AU1865697A (en) 1997-10-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69506741T2 (de) Vorrichtung zum Steuern eines Lenkwinkels
DE4208404C2 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung von Gierimpulsen eines Fahrzeugs und Verwendung der Vorrichtung für eine Bewegungssteuereinrichtung für Fahrzeuge
DE4228414B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung von Sensorsignalen
DE69921067T2 (de) Rollagesensorsystem für ein Fahrzeug
EP3331734B1 (de) Bremssystem für ein schienenfahrzeug
DE19918525B4 (de) Vorrichtung zur Abschätzungsberechnung der Schwerpunkthöhe von Fahrzeugen
EP2729337B1 (de) Einrichtung sowie verfahren zur regelung der fahrdynamik eines fahrzeugs sowie fahrzeug mit einer derartigen einrichtung
WO2002055356A1 (de) Vorrichtung zur überwachung von in einem fahrzeug angeordneten sensormitteln
EP3676138B1 (de) Verfahren und einrichtung zur ermittlung von bremsungsrelevanten ist-werten eines schienenfahrzeuges für die durchführung einer verzögerungsgeregelten bremsung mit zentraler sensorik
DE60118501T2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Ortung eines Fahrzeuges auf einem Gleis
DE69306139T2 (de) System zur Beherrschung der Drehung eines Eisenbahnwagenkastens um die Längsachse
EP0647553B1 (de) Führungssystem und Verfahren zur Steuerung der Querneigung an einem Schienenfahrzeug
EP0719688B1 (de) Führungssystem für Schienenfahrzeuge
WO1996002027A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur regelung der erdbezogenen wagenkastenneigung bei einem schienenfahrzeug
EP0860340B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Generierung eines Sensorsignales
DE102004038000A1 (de) Verfahren zur Bestimmung des Neigungswinkels eines Fahrzeuges und Verwendung desselben für die Erzeugung eines Auslösesignales für eine Sicherheitseinrichtung bei einem Überrollvorgang
DE102006033631A1 (de) Verfahren zur Stabilisierung eines Fahrzeugs unter Berücksichtigung der Fahrzeugquerdynamik
EP1609691B1 (de) Verfahren zur Minimierung des Radverschleisses eines Schienenfahrzeuges
DE10325548B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Bewegungsgrößen eines Kraftfahrzeugs
DE4416586A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Neigung eines Fahrzeug-Wagenkastens
DE19939067C1 (de) Verfahren zur Überwachung und Minimierung von Wankstufentorsionen bei Schienenfahrzeugen mit Neigevorrichtungen
DE19621561C2 (de) Verfahren zur Neigung und/oder Positionierung eines auf einem Wagenkasten angeordneten Stromabnehmers
DE2205858C3 (de) Kompensationssteueranordnung für den gefederten Wagenkasten eines Eisenbahnwagens
DE3943860B4 (de) Einrichtung und Verfahren zur Regelung einer Fahrzeugbewegung
DE102006044329B3 (de) System und Verfahren zur Fahrwegs- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung von Fahrzeugen, insbesondere zur Zugbeeinflussung

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AU CA JP NO US

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

Ref document number: 97533895

Format of ref document f/p: F

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: CA