Brevet FR2632411A1 — publié le 19891208

PROCEDE ET DISPOSITIF DE TACHY METRIE ET LOCALISATION DES MATERIELS ROULANTS DE CHEMINS DE FER La presente invention concerne l'industrie des véhicules ferroviaires et elle vise un procédé et un dispositif pour la détermination de la vitesse et pour la localisation de ces vehicules. La vitesse des matériels roulants de chemin de fer est mesurée traditionnellement par la mesure de la vitesse de rotation de la roue, dite roue phoniques calee sur un essieu. La roue phonique délivrant des impulsions électriques espacées regulierement au cours d'un tour complet de l'essieu autour de son axe de révolution, il suffit de mesurer le nombre d'impulsions par unité de temps pour en déduire la vitesse et de sommer les impulsions -pour connaître l'espace parcouru pendant l'intervalle de temps correspondant à la sommation. Ce dispositif ne permet pas d'obtenir toute-la précision de mesure qu'il serait souhaitable d'avoir. Les raisons en sont : - les usures de roues, qui peuvent entrasner une erreur de mesure de l'ordre de plusieurs pourcent. - les imprécisions générées par la forme géometrique de la table de roulement de la roue et, de ce fait, des incertitudes du mouvement de roulement de l'essieu sur le rail qui en résultent. - le semi-glissement de la roue sur le rail du fait de l'effort de freinage ou de l'effort moteur ou des deux selon que l'essieu considéré est seulement freine ou seulement moteur ou les deux à la fois. Il est donc necessaire, tout au moins pour la distance parcourue, et même parfois pour la vitesse, de proceder à des recalages réguliers. L'invention a pour but de remedier a cet inconvenient en réalisant un recalage automatique et quasi-permanent. Le procède propose par la présente invention pour le recalage des tachymitres et compteurs kilometriques consiste a utiliser le baiisage naturel de la voie que constituent les écarts de celle-ci par rapport å la ligne droite, écarts qui sont plus ou moins permanents. Pour la facilite de la compréhension des développements qui suivront on définit des ce stade la terminologie utilisée ici pour les ecarts vises plus haut. Sont considérés comme d é f a u t s d e o o s e de la voie l'ensemble des écarts que presente la voie par rapport a la ligne theorique qui lui est dévolue (ligne droite, ou courbe ou entree de courbe, etc...) même si ces écarts ont un caractère evolutif dans le temps (comme l'usure ondulatoire courte-ou moyenne). Dans la pratique l'amplitude de ces écarts ne dépasse pas quelques millimètres et leur "longueur d'onde", dans la mesure ou ce terme a un sens, ne dépasse pas quelques mètres. Ru contraire, sont taxés d ' a c c i d e n t s t o p o o r a n h i n u e s l'ensemble des "accidents" par rapport a la ligne droite du fait du relief de la croate terrestre. Ces accidents ont cette fois des amplitudes et "longueur d'onde" qui sont de l'ordre de grandeur du décamètre ou de l'hectomètre, voire du kilomètre. Du point de vue de la mesure de ces écarts, l'instrument de base dans le procédé suivant l'invention est l'accéléromètre. Pour les défauts de pose, l'acceleromètre suffit pourvu qu'il soit orienté approximativement selon la direction sensible dans laquelle on se propose de faire la mesure : les accélérations mesurées sont importantes et la composante gênante de l'attration terrestre est négligeable ou constante, et, dans ce dernier cas, compensable.Ru contraire, pour les accidents topographiques, on utilise suivant l'invention, en association avec l'accéléromètre un gyromètre ê titre d'auxiliaire de positionnement spatial de I'accéléromètre, car ici, les accélérations dues au mouvement sur ces accidents terrestres sont relativement faibles par rapport a la gravité terrestre les -indications de I'accélérométre sont a corriger pour tenir compte de son positionnement précaire par rapport aux axes terrestres. Par ailleurs, pour ce qui concerne les défauts de pose, on portera son attention aux écarts du rail dans le plan vertical, car ils sont plus accessibles par la mesure de l'accéleration verticale, alors que pour les accidents topographiques on 1 ' intéressera préférentiellement aux accidents dans le plan horizontal. Le procédé suivant l'invention a pour but de réaliser la détermination de la vitesse absolue du véhicule et de son positionnement géographique. Dans le procédé suivant l'invention la détermination des paramètres cinématiques du véhicule est basée sur la similitude géométrique des défauts de voie reconstitués a partir de la mesure d'accélération sur le véhicule consideré et ceux, enregistres et mis en mémoire, lors d'une marche antérieure d'un convoi différent ou encore à l'occasion de la marche présente, la mesure et la mise en mémoire étant faits, dans ce dernier cas, à partir d'un essieu placé en amont. Ce principe sera explicite dans ce qui suit et rendu plus compréhensible en distinguant ces deux cas : dans le premier cas, le recalage de l'estime de position précède la détermination de la vitesse ; au contraire, dans le deuxième cas, c 'est la détermination de la vitesse qui précède celle de position. La description qui suit est illustrée par les figures annexées. La Fig. l est une vue schématique montrant le montage d'un eccéléromètre sur la boîte d'essieu d'un véhicule ferroviaire. La Fig. 2 est un schéma bloc d'un dispositif suivant l'invention pour determiner la position et/ou la vitesse réelle du véhicule à partir des signaux issus d'un accéléromètre. La Fig. 3 est une coupe verticale d'un vehicule ferroviaire montrant le montage d'un accéléromètre et d'un gyromètre. La Fig. 4 est un schéma bloc du dispositif fonctionnant à partir des signaux issus d'un accélerometre et d'un gyromètre. La Fig. 5 est un exemple d'un "répertoire" des sections de base d'une voie avec leurs sections courbes ou droites curvilignes. On examine tout d'abord le premier cas mentionné ci-dessus, c'est-a-dire le recalage de l'estime de position à partir des données prélevées par un véhicule spécialisé de mesure de la voie. L'estime de position peut Hêtre faite a partir de la mémorisation complète ou partielle des écarts géométriques d'une ligne ou même d'un réseau de lignes, les enregistrement et mémorisation étant faits, par exemple, grâce a un véhicule de mesures spécial. L'enregistrement des écarts sera étalonné très précisément en abscisses curvilignes le long de la -voie, c'est-à-dire en bornage kilométrique et servira d'enregistrement ' de référence. L'enregistrement des écarts de géométrie de voie par rapport à la ligne droite sera fait au cours de la marche sujette a l'estime, à partir d'un accéléromètre mesurant les écarts de pose ou d'origine topographique. On retiendra une longueur spatiale "1" d'enregistrement exprimée en kilomètres dont on établira la corrélation avec la bande de référence au moyen de la fonction d'autocorréîation. La figure 2 représente le schéma d'un dispositif basé sur le principe qui vient entre exposé et destiné à déterminer, à partir des défauts de pose, la position d'un véhicule. La mesure à partir des écarts topographiques est similaire, l'accéléromètre est complété cependant dans ce dernier cas par un gyromètre comme il sera expliqué a propos des figures 3 et 4. L'accélération " ", préférentiellement verticale,- prélevée sur une boîte d'essieu du véhicule par l'accélérométre 1 est introduite dans un calculateur 2 qui détermine la courbure du rail (x fonction de l'abscisse curviligne estimée, x sr, comptée le long du rail. Le calculateur reçoit pour ce faire de manière continue, en dehors de l'accélération t s la vitesse estimée et le parcours estime x est la l'instant considéré.La courbure F (x est) est mémorisée sur la mémoire 3 sur le segment (x est - 1, x est, et cette information reste lisible aussi longtemps qu'il le faut par un deuxième calculateur 4 qui calcule sur l'intervalle (x est - 1, xt)La fonction d'autocorrélation de le fonction #t (x est) et de la fonction #0 (x réel-) obtenue sur le véhicule de mesure, talonne celle-ci selon l'abscisse curviligne réelle le long de la voie. La fonction #0 (x I > est lue par le calculateur 4 sur la mémoire 5. La logique 6 a pour fonction d'organiser les calculs à exécuter par le calculateur 4 de manière a déterminer le recalage cw c, corres- pondant a la corrélation maximale d'où il résulte la position réelle du véhicule. La vitesse réelle peut alors-etre calculée de façon d'autant plus précise que la détermination de position est faite a une cadence plus rapide. Elle sera calculée par le rapport ou (xr et (xr)i+l désignent les positions correspondant aux instants t et t+de deux mesures consécutives de position. On considere maintenant (en faisant référence aux Figures 3 et 4) le cas où les ecarts exploites sont d'ordre topographique. Les accelera tisons &gamma; relevées sont préférentiellement les accélérations horizontales délivrées par un accéléromètre qui sera monté préférentiellement en caisse et solidaire de celle-ci. Elles sont traitées comme précédemment par un calculateur 2 qui calcule le terme Ce terme est toutefois à corriger d'un terme issu du gyromètre 1 bis, lui-même traité dans le calculateur 7 dont lo fonction de transfert est, au coefficient g/V2 est prés, celle d'un intégrateur. Le repère 8 correspond å un circuit de décharge lente de l'intégrateur du calculateur 7. La correction de l'effet de la gravité terrestre est faite par l'additionneur 9. Les fonctions # et te désignent Fur la figure les courbures de la voie d'ordre topographique et, préférentiellement, dans le plan horizontal. On va examiner maintenant le deuxième cas indiqué ci-dessus, c'est-à-dire la détermination de la vitesse par comparaison des accélérations mesurées par deux accéléromètres placés dans le même convoi, séparés longitudinalement d'une distance connue et constante. La méthode utilisée précédemment peut être transposée aux mesures faites par deux accéléromètres placés dans le même convoi. On ne disposera plus d'un enregistrement de référence étalonné très précisément en distance, mais les deux enregistrements d'accélération seront étalonnés chacun chronométriquement. Par ailleurs, le calculateur de corrélation fournira la période de temps séparant les extrémités les plus récentes de chacun des enregistrements. Connaissant par ailleurs la distance séparant les accélérométres, on en déduit la vitesse moyenne entre les extrémités précitées La connaissance de la vitesse permet par intégration par rapport au temps de remonter à l'information parcours. Il ressort bien de ce qui précède que - les procédés décrits ne sont praticables que lorsqu'il y a accélérations, c'est-à-dire au-delå d'une certaine vitesse. Endessous de ce seuil de vitesse, ce sont les instruments conventionnels qui fournissent les informations ; ces instruments conventionnels seront toutefois corrigés des dérives à caractère lent telles que celles dues a l'usure des roues grace aux dispositifs visés par l'invention. - les informations issues des procédés décrits sont des informations données a retardement, le délai de retard étant d'autant plus court que l'information de départ, l'accélération, est à variation plus rapide. On pourra avoir des informations plus denses et plus rapides à partir des défauts de pose qu'à partir des écarts topographiques. Ce sera au prix d'une capacité de mémoire bien Plu5 grande. En revanche le procède de relèvement topographique permet un dégrossissage plus facile et en particulier de retrouver une localisation "perdue". On peut prévoir par exemple un répertoire de l'ensemble des sections droites d'une ligne (ou même d'un réseau), dites sections de base, classes par longueurs, chacune étant répertoriée avec l'indication des courbes et sections droites rencontrées en partant de ces sections de base en amont et en aval ; le répertoire de ces courbes et sections de base serait continué jusqu'à l'obtention d'un "album anthropométrique" dans lequel chacun des "portraits" présenterait au moins une différence avec l'ensemble des autres portraits. La figure 5 représente de manière très schématique - et de manière figurative - un extrait d'un tel répertoire. Il devient donc possible, selon l'invention, non seulement de connaltre à chaque instant avec précision les paramètres du mouvement : vitesse et position par un procédé d'estime dans lequel celle-ci fait l'objet de recalages cadencés, mais encore il devient possible de déterminer de manière totalement automatique, et pour autant que le véhicule soit en mouvement, la position, le sens du mouvement et la vitesse de ce mouvement, pour le cas Où l'estime antérieure serait perdue ou erronée. L'un des intérets primordiaux de l'invention consiste dans le fait que la connaissance précise du vecteur vitesse permet d'accroitre l'efficacité des dispositifs de propulsion ou de freinage lors des changements de vitesse. En effet, les dispositifs conventionnels fournissent en guise de vitesse du véhicule la vitesse de rotation d'un essieu alors que celui-ci est affecté du phénomène de semi-glissement sur le rail lors de l'accélération et du freinage. En revanche, le procédé décrit ici fournit, de par son principe, la vitesse vraie pu absolue par rapport au rail. La différence entre les deux vitesses - vitesse périphérique de la roue et vitesse absolue du véhicule - fournit précisément le glissement. R partir de cette dernière donnée, tant la traction que le freinage peuvent Strie organisés pour être gérés dans le cadre de l'adhérence la plus favorable de la roue sur le rail. La présente invention peut également avoir une application dans la maintenance préventive des voies et des organes de roulement. De manière évidente, les enregistrements successifs des accélérations mesurées sur le rail peuvent constituer des auxiliaires précieux pour témoigner du maintien de la qualité de la voie ou au contraire de sa dégradation. Ce procédé est d'ailleurs déjà utilisé sur les véhicules de mesure. L'invention permet de disposer aussi de l'information accélérometrique sur les véhicules à usage commercial et de suivre plus continument l'évolution de la voie. Mais ces enregistrements peuvent aussi servir à controler le bon état géométrique de la roue. Four ce faire on donnera préférentiellement une marque distinctive à l'une des impulsions délivrées par la roue phonique de manière a fixer une origine a partir de laquelle pourront être repérés les défauts de la roue.En fonction des masses et élasticités en jeu entre roue et rail, il est possible de déterminer la fonction de transfert théorique propre au contact roue-rail, c'est-à-dire la relation qui relie l'accélération apparaissant sur une roue imparfaite roulant sur un rail droit aux défauts de géométrie de la table de roulement de la roue. Sans entrer dans le détail d'une telle formule, on peut, pour les besoins du présent exposé, en retenir une expression très simplifiée, applicable moyennant certaines restrictions, à savoir Où désigne l'accélération verticale, V la vitesse du véhi cule et 4 les écarts de géométrie de la table de roulement, comptés radialement, à partir du cercle de roulement théorique, en fonction de l'abscisse curviligne sur la table de roulement. L'enregistrement des moyennes pour des abscisses curvilignes régulièrement distribuées le long de la table de roulement renseignera donc sur les "convexités" ou "concavités" relatives au cercle de roulement théorique de la table de roulement en cause sur l'ensemble de son étendue. Le même procédé servira non seulement à dénoncer les anomalies de la table de roulement de la roue et à décider de leur retrait du service, mais permettra aussi de retirer du service des essieux présentant un début de fissuration. REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer, en complément des moyens conventionnels, la vitesse et la position d'un véhicule de chamin de fer, caractérisé en ce qu'il consiste à å mesurer les accélérations produites sur le véhicule par les écarts de la voie ; à effectuer la comparaison de ces accélérations avec des accélérations enregistrées préalablement sur la même voie ; et a déduire de cette comparaison les paramètres de vitesse et/ou position dudit véhicule. 2. Procédé suivant la revendication 1I caractérisé en ce que : les accélérations enregistrées préalablement sur la mime voie sont enregistrées au moyen d'un véhicule de mesure établissant un relevé de référence des accélérations sur ladite voie ; en ce que l'enregistrement est étalonné en distance ; et en ce que la comparaison précitée fournit directement la position du véhicule. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que : les accélérations enregistrées préalablement sur la meme voie sont enregistrées sur le même véhicule a un endroit différent ou sur un autre véhicule du même convoi, étant entendu que la distance entre les deux points de mesure est constante et bien connue ; et en ce que,a partir de la comparaison précitée entre les accélérations et à partir de la distance constante précitée, on obtient directement la vitesse du véhicule. 4. Procédé suivant l'une des revendications 1 å 3, caractérisé en ce que l'on relève et exploite concurremment les accélérations causées par les défauts de voie, mesurés préférentiellement selon la direction verticale, et par les contraintes d'ordre géographique, mesurées elles, préférentiellement selon direction horizontale et transversale. 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'on utilise- un accéléromètre éventuellement compiété par un gyromètre pour les besoins de référence spatiale par rapport aux axes terrestres. 6. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la similitude maximale des enregistrements d'accélération est appréciée au moyen de la fonction d'auto-correlation. = 7. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, à partir d'un répertoire des profils de ligne rencontrés, on reconnaît celui sur lequel se trouve le véhicule à positionner et on détermine le sens du parcours, l'opération de localisation pouvant etre faite automatiquement par un calculateur, sans aucune intervention humaine. 8. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 6, qui permet en outre de suivre les usures et déformations de la roue grâce au relevé accélérométrique sur boite d'essieu, en connaissant par le calcul, la fonction de transfert qui relie sur une voie sans défauts les accélérations aux défauts de roue, de façon à pouvoir, à partir des accélérations moyennées statistiquement, remonter aux défauts de roue, les défauts de roue visés ici concernant tant les défauts géométriques de la table de roulement d'une roue qu'un début de fissuration de l'essieu et devant conduire au-delà de certaines limites au retrait du service-de l'essieu en cause. 9. Procédé de mesure de la vitesse absolue d'un véhicule ferroviaire suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on mesure en outre la vitesse périphérique de la roue du véhicule et en ce que, par différence entre la vitesse périphérique et la vitesse absolue, on déduit le semi-glissement de la roue sur le rail. 10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend ; un accéléromètre (1) monté sur une boîte d'essieu du véhicule ; un calculateur (2) recevant au moins, comme données d'entrée, l'accélération (t mesurée par l'accéléromètre, et délivrant un signal de sortie représentatif de la courbure du railf (X est)3; une première mémoire (3) mémorisant ce signal de sortie une deuxième mémoire (5) sur laquelle a été préalablement mémorisée un signal représentetlf de la courbure du rail ; et un ensemble calculateur/logique (4,6) effectuant la corrélation entre les données mémorisées dans la première et la deuxième mémoire pour fournir l'un des paramètres, position ou vitesse, du véhicule. 11. Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend, en plus un gyronètre (Ibis) dont les signaux de sortie sont associés aux signaux issus de l'accéléromètre (1).