(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体の前後移動方向に沿って該移動体の加速度を計測する加速度計と、
前記移動体のピッチ軸回りのピッチ角速度を計測するレートセンサと、
前記加速度計より出力される加速度データ、前記レートセンサより出力されるビッチ角速度データ、および外部から供給される前記移動体の外部速度データを入力して、該移動体の速度データを演算処理して出力する演算部と
を備え、
前記演算部が、
前記移動体のピッチ角θを入力して、Ｇ・sinθ（Ｇは、地球重力加速度）を演算出力する演算器と、
前記加速度計により計測される移動体の加速度ａより、前記Ｇ・sinθを減算して出力する第１の減算器と、
前記第１の減算器の減算出力を入力し、該減算出力より第１の帰還出力を減算して出力する第２の減算器と、
前記第２の減算器の減算出力を入力し、該減算出力を積分して前記移動体の速度データとして出力する第１の積分器と、
前記第１の積分器の積分出力を入力し、前記外部速度データを減算して出力する第３の減算器と、
前記第３の減算器の減算出力を受けて、閉路時には該減算出力の伝達を可とし、開路時には該減算出力の伝達を否とする第１および第２のスイッチと、
前記第１のスイッチの閉路時に、前記第３の減算器の減算出力を入力し、該減算出力に第１の定数を乗算して前記第１の帰還出力として前記第２の減算器に出力する第１の乗算器と、
前記第２のスイッチの閉路時に、前記第３の減算器の減算出力を入力し、該減算出力に第２の定数を乗算して出力する第２の乗算器と、
前記第２のスイッチの閉路時に、前記第３の減算器の減算出力を入力し、該減算出力を積分して出力する第２の積分器と、
前記第２の乗算器の乗算出力と前記第２の積分器の積分出力とを入力し、該両出力を加算して出力する加算器と、
前記加算器の加算出力を入力し、前記レートセンサにより計測される移動体のピッチ角速度を減算して出力する第４の減算器と、
前記第４の減算器の減算出力を入力し、該減算出力を積分して前記移動体のピッチ角θとして出力する第３の積分器と
を備えて構成されることを特徴とする速度計。
【請求項２】
前記外部から供給される移動体の速度データが、該移動体の車輪回転数を基にして速度換算して得られる速度データであることを特徴とする請求項１に記載の速度計。
【請求項３】
前記外部から供給される移動体の速度データが、該移動体に取付けられているＧＰＳナビゲーション・システムにより計測される速度データであることを特徴とする請求項１に記載の速度計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は速度計に関し、特に一般の陸上走行車両および鉄道走行車両等を含む各種移動体の、移動進行時における走行速度を計測する速度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の速度計による速度計測方法としては、進行中の移動体の車輪の単位時間当りの回転数を、発電機またはエンコーダ等によって計測し、その計測回転数と移動体の車輪径との換算処理により走行速度を求めているのが通例である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の速度計においては、移動体の走行速度を、該移動体の車輪回転数と車輪径との換算処理により求めているが、移動体の走行中においては、ブレーキをかけた場合などには、車輪が滑走して移動体の走行速度よりも車輪の回転数が低い値になることがあり、また加速しようとする場合には、逆に、車輪が空転して移動体の走行速度よりも車輪の回転数の方が高い値になることがある。このような滑走または空転が発生する事態においては、従来の速度計による計測速度データに誤差を生じる。特に、計測された速度データを積算して移動体の走行距離を求める場合には、一度発生した滑走または空転による走行距離誤差が、それ以後、継続して残留するという状態となる。このような走行距離誤差は、例えば、自動車のように、タイヤを使用する車両などの場合には、滑走または空転による距離誤差は比較的発生し難いが、特に、軌道上を走行する鉄道車両のように、金属車輪を用いる移動体等においては、往々にしてこれらの滑走または空転が発生し易くなり、計測速度誤差および走行距離誤差が大きい値になるという欠点がある。
【０００４】
本発明の目的は、上記の従来の速度計の欠点を除去し、移動体の走行時における車輪の滑走または空転の発生という事態に対処して、該移動体の走行速度を正確に計測することのできる高精度の速度計を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の速度計は、移動体の前後移動方向に沿って該移動体の加速度を計測する加速度計と、前記移動体のピッチ軸回りのピッチ角速度を計測するレートセンサと、前記加速度計より出力される加速度データ、前記レートセンサより出力されるビッチ角速度データ、および外部から供給される前記移動体の速度データを入力して、該移動体の速度データを演算処理して出力する演算部とを備え、
前記演算部は、前記移動体のピッチ角θを入力して、Ｇ・sinθ（Ｇは、地球重力加速度）を演算出力する演算器と、前記加速度計により計測される移動体の加速度ａより、前記Ｇ・sinθを減算して出力する第１の減算器と、前記第１の減算器の減算出力を入力し、該減算出力より第１の帰還出力を減算して出力する第２の減算器と、前記第２の減算器の減算出力を入力し、該減算出力を積分して前記移動体の速度データとして出力する第１の積分器と、前記第１の積分器の積分出力を入力し、前記外部速度データを減算して出力する第３の減算器と、前記第３の減算器の減算出力を受けて、閉路時には該減算出力の伝達を可とし、開路時には該減算出力の伝達を否とする第１および第２のスイッチと、前記第１のスイッチの閉路時に、前記第３の減算器の減算出力を入力し、該減算出力に第１の定数を乗算して前記第１の帰還出力として前記第２の減算器に出力する第１の乗算器と、前記第２のスイッチの閉路時に、前記第３の減算器の減算出力を入力し、該減算出力に第２の定数を乗算して出力する第２の乗算器と、前記第２のスイッチの閉路時に、前記第３の減算器の減算出力を入力し、該減算出力を積分して出力する第２の積分器と、前記第２の乗算器の乗算出力と前記第２の積分器の積分出力とを入力し、該両出力を加算して出力する加算器と、前記加算器の加算出力を入力し、前記レートセンサにより計測される移動体のピッチ角速度を減算して出力する第４の減算器と、前記第４の減算器の減算出力を入力し、該減算出力を積分して前記移動体のピッチ角θとして出力する第３の積分器とを備えて構成されることを特徴としている。
【０００６】
また、前記外部から供給される移動体の速度データは、該移動体の車輪回転数を基にして速度換算して得られる速度データであってもよい。
【０００７】
或はまた、前記外部から供給される移動体の速度データは、該移動体に取付けられているＧＰＳナビゲーション・システムにより計測される速度データであってもよい。
【０００８】
【作用】
上記の構成によれば、外部から供給される速度データが信頼できる場合には、その速度データを使用し、走行時に滑走または空転が発生した場合には、前記加速度計より出力される加速度データの積分値を速度データとして使用することができる。これにより、滑走・空転が発生した場合においても、移動体の速度データを正確に計測することが可能となり、速度データより換算される走行距離誤差も除去される。なお、ＧＰＳナビゲーション・システムにより計測される速度データを使用する場合には、滑走および空転等は発生しないが、受信電波の中断などにより、該ＧＰＳナビゲーション・システムを使用することができない時には、同様の効果が得られる。
【０００９】
また、移動体が傾斜面を登攀走行する際には、前記レートセンサによりその傾斜角が測定され、演算部において、地球重力加速度成分に対応する補正が行われるために、高精度の速度データの計測が可能となる。更に、演算部により、レートセンサに対するバイアス推定ならびにその補正をも行うことができるために、より安価なレートセンサを使用して高精度の速度計測を実現することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は本発明の実施の形態を示すブロック図である。図１は、移動体の一例として、鉄道車両（以下、車両と略称する）５が、水平面に対する迎角がθの斜面に沿って移動進行している状態を示す模式図であり、本実施形態の速度計は、車両５の前後移動方向に対応して取り付けられ、進行方向の加速度を計測する加速度計１と、車両５のピッチ軸回りのピッチ角速度ω＝ｄθ／ｄｔを計測するレートセンサ２と、加速度計１により計測される加速度データ、レートセンサ２により計測されるピッチ角速度データおよび外部速度計４より換算出力される外部速度データを入力して、車両５の速度データを演算処理して出力する演算部３とを備えて構成され、車両５の速度計測システムとして形成されている。なお、外部速度計４は、従来より使用されている速度計であり、その速度データは、車輪６の回転速度より換算して出力される。
【００１２】
また、図３は、演算部３の一実施例の構成を示すブロック図である。図３に示されるように、該演算部３は、減算器７，９，１１，１８および１９と、演算器８と、積分器１０，１６および２０と、スイッチ１２および１４と、乗算器１３および１５と、加算器１７とを備えて構成される。以下においては、図３の演算部３の一実施例を備えて構成される、本発明の速度計の一実施例の動作について、図１および図２と、図４、図５および図６に示される演算部３の動作説明図を参照して説明するものとする。なお、これらの図４、図５および図６においては、それぞれの動作説明に関与する配線部分は、参照し易いように太線にて表示されている。
【００１３】
初期状態における一般条件として、車両５が、図１に示されるように、迎角がθの斜面において停止状態にあり、該斜面に対応して移動進行を開始するものとする。この状態から迎角がθの傾斜面を移動進行する車両５に対しては、地球重力加速度Ｇの正弦成分が正の加速度として混入しており、その加速度は、図２に示されるように、Ｇ・ｓｉｎθである。傾斜面の迎角θは、定常走行時においては、車両５のピッチ軸回りのピッチ角に等しく、該ピッチ軸回りのピッチ角速度ω＝ｄθ／ｄｔは、レートセンサ２の内部に設けられているジャイロを介して計測される。
【００１４】
図４において、車両５の移動進行中においては、積分器２０より積分出力されるピッチ角θは、演算器８に入力されて演算処理され、地球重力加速度Ｇの正弦成分Ｇ・ｓｉｎθとして出力されて減算器７に入力される。減算器７からは、加速度計１より入力される加速度ａとＧ・ｓｉｎθとの差分がとられて、その出力（ａ−Ｇ・ｓｉｎθ）は、減算器９を介して積分器１０に入力される。この差分（ａ−Ｇ・ｓｉｎθ）は、車両５の真の加速度を表わしており、この加速度を積分することにより、積分器１０からは車両５の進行方向の速度を得ることができる。また、積分器２０においては、レートセンサ２より入力されるピッチ角速度ω＝ｄθ／ｄｔは、該レートセンサ２のバイアス誤差ｄωがない場合には、積分器２０において積分され、ピッチ角θとして出力される。この場合に重要なことは、演算部３を形成するループ上において、積分器２０における初期条件として、車両５のピッチ角と傾斜面の迎角との整合性をとることが必須条件となる。
【００１５】
上記のピッチ角と傾斜面の迎角との整合性をとるためには、図１において、まず最初に、車両５の移動開始前において、図２に示される地球重力加速度Ｇによる正の加速度Ｇ・ｓｉｎθをキャンセルすることをループ安定条件として、演算部３においては、車両５のピッチ角が前記迎角θに等しい角度になるように初期条件設定が行われる。勿論、迎角θが零である場合には、車両５が完全な平坦面に位置して停止している状態であり、ピッチ角はθ＝０に設定されることになるが、これはθ＝０という特定の停止位置条件であるため、以後の動作説明においては、一般性を考慮して、停止時のピッチ角をθ≠０として、演算部３による初期条件設定につき説明するものとする。
【００１６】
図５の演算部３において、車両５が停止しているものとして、まず、電源供給をＯＮとして、積分器１０および２０の出力初期値を零に設定する。なお、図５による動作説明においては、前述のように、図５の太い線で表示されている配線部分が関与している。この場合には、外部速度計４より換算出力される外部速度データは当然のことながら零である。ここにおいて、演算部３に対し、車両５の「ピッチ角」において、移動方向に沿って混入する地球重力加速度Ｇによる加速度成分Ｇ・ｓｉｎ（ピッチ角）に対応するａの値を入力する。ここにおいて、スイッチ１２を閉じると、積分器１０と、帰還回路を形成する乗算器１３により、低域フィルタが形成される。次いでスイッチ１４を閉じると、積分器１０の出力は、減算器１１を経由して積分器１６と乗算器１５に入力される。これらの積分器１６と乗算器１５の出力は加算器１７において加算され、減算器１８に入力される。減算器１８に対しては、レートセンサ２より入力されるピッチ角速度ωと、レートセンサ２のバイアス誤差ｄωとの差分が入力されるが、車両５が停止状態にあるため零入力となる。従って、減算器７に入力されるａ＝Ｇ・ｓｉｎ（ピッチ角）の値に対応して、積分器２０に対する入力は零ではなくなり、該積分器２０の出力θは漸次変化し続けてゆき、その出力θは演算器８に帰還入力される。演算器８においては、地球重力加速度Ｇに積分器２０の出力θの正弦を乗算する演算処理が行われて、その演算出力Ｇ・ｓｉｎθは減算器７に入力される。このようにして、ａの入力に伴ない、積分器２０の積分出力θの値が移動体５のピッチ角に等しい値になると、その時点において、演算器８の演算出力Ｇ・ｓｉｎθは、演算部３に入力されるａの値と等しい値になって、積分器１０に対する入力は零となり、従って積分器１０出力も零となる。この状態においては積分器２０に対する入力も零となるため、積分器２０による積分出力θは、車両５のピッチ角に等しい値となって、演算部３を形成する帰還ループは安定状態となる。即ち、この安定状態においてはθ＝（車両５のピッチ角）となる。なお、この演算部３を形成する帰還ループにおいては、乗算器１５の乗数Ｋ２  の値が大きい程、ループが安定するまでの時間が短縮される。しかしながら、その値が大き過ぎる場合には、風などにより車両５が揺れて加速度ａの値が多少なりとも変動するような場合には、ピッチ角θの値が大きく変動することになるため、Ｋ２  の値としては適正な値が選択されねばならない。なお、上記の帰還ループには二つの積分ループが含まれており、乗算器１３の乗数Ｋ１  の値の設定により、該帰還ループのダンピングが決まる最適な安定系とすることができる。以上のようにして、車両５のピッチ角の初期値が、傾斜面の迎角θに等しい値として設定される。
【００１７】
次に、車両５が走行状態に入って加速されると、加速度計１において計測される車両５の加速度が演算部３に入力されて、前記ａ（＝Ｇ・ｓｉｎθ）の値に加わり、積分器１０に入力されて積分され車両５の速度が出力される。その際に、加速度計１にバイアス誤差が存在する場合には、積分器１０の積分出力には、該バイアス誤差の積分出力も重畳されて出力され、車両５の速度出力には該バイアス誤差の積分出力が重畳されて、速度誤差が増大してゆく傾向となる。しかし、積分器１０の速度出力は、減算器１１において、外部速度計４において計測されて入力される外部速度により減算され、その減算出力は、乗算器１３を介して減算器９に帰還される。これにより、前記バイアス誤差の積分出力による速度誤差は増大することなく、該外部速度入力に近い速度値として出力される。また、車両５の移動進行に伴ない、走行中において車両５のピッチ角が変化すると、レートセンサ２からは該ピッチ角の時間的な変化によって発生するピッチ角速度ωが出力されて、演算部３に入力される。レートセンサ２にバイアス誤差が存在しない場合には、該ピッチ角速度ωは積分器２０において積分されて出力され、その積分出力θは車両５のピッチ角として連続的に変化しながら維持されてゆく。
【００１８】
また、このレートセンサ２にバイアス誤差が存在する場合には、そのバイアス誤差ｄωは積分器２０において同時に積分されるので、出力されるピッチ角θに誤差を生じ増大してゆく。これにより、減算器７に帰還入力される演算器８の出力Ｇ・ｓｉｎθ、および積分器１０の入力にも誤差が生じる状態となって、該積分器１０による速度出力には、加速度計１のバイアス誤差の場合と同様に、バイアス誤差ｄωに対応する積分誤差が発生する。しかしながら、該積分器１０の積分誤差は、乗算器１３を介して積分器２０に負帰還されるので、該積分誤差は増大することなく抑制され、乗算器１５を介して積分器２０に入力される。誤差分に着目すると、全体ループが安定した時には積分器２０に対する入力は零となり、減算器１８に入力されるバイアス誤差ｄωと積分器１６の出力は等しくなって、積分器１６に対する入力は零となる。従って減算器７の出力は零となる。このことは、ピッチ角θの誤差が零となったことを意味している。即ち、ループに積分器１６を配置することにより、レートセンサ２のバイアス誤差ｄωを排除することができる。
【００１９】
上記の説明においては、外部速度入力が正しく入力されている場合について説明を行っているが、当該外部速度が車輪の回転数から換算して得られる場合には、車輪の滑走・空転による誤差が生じ易く、またＧＰＳナビゲーション・システムより得られる場合には、機器等の障害により、ＧＰＳシステムにより位値データを得ることができないことも有り得る。このように、外部速度データを利用することができない事態が発生した場合には、図６の演算部３において、スイッチ１２および１４を開くことにより、積分器１０より出力される速度出力を継続して利用することが可能となる。即ち、演算部３を形成する主帰還ループおよび積分器１０／乗算器１３を含むループは解消されるが、図６の太線表示の配線関係より理解されるように、レートセンサ２のピッチ角速度ωは継続して積分器２０に入力され、積分器２０の積分出力としてピッチ角θが出力されるとともに、演算器８からはＧ・ｓｉｎθが出力されて減算器７に入力され、加速度計１より入力される車両５の加速度との減算出力が、積分器１０において積分されることにより、該積分器１０からは、外部速度入力には関係なく所望の速度出力が得られるからである。また、この場合においては、積分器１６に保持されている残留出力は、レートセンサ２のバイアス誤差ｄωの値に等しいため、減算器１８においてレートセンサ２より入力される該バイアス誤差は該残留出力と相殺され、これにより、積分器１０より出力される速度出力は、レートセンサ２のバイアス誤差の影響を受けない高精度の速度データとして出力される。
【００２０】
なお、上記の外部速度の無効時間が比較的短時間の場合には、乗算器１５の定数Ｋ２  の値を小さい値に設定しておくことにより、外部速度の乱れが速度出力に影響するまでの時間を長くとることができるため、短時間の外部速度の乱れが速度出力には殆ど影響しなくなるので、スイッチ１２および１４を閉路したままの状態にしておいてもよい。なお、乗算器１５の定数Ｋ２  の値は、電源ＯＮの時点において小さい値とし、走行中においては大きい値にすることも有効である。
【００２１】
なお、上記の説明においては、移動体として鉄道車両を例にとり、その一実施例についての説明を行っているが、本発明は、該移動体としては、これに限定されるものではなく、他の地上を走行する一般的な移動体に対しても、同様に適用できることは云うまでもない。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、移動体の前後方向に沿って設けられた加速度計と、移動体のピッチ角速度を計測するレートセンサと、前記加速度計およびレートセンサの計測データと外部速度データとを入力して該移動体の速度を演算出力する演算部とを具備することにより、外部から供給される前記外部速度データが信頼できる場合には該外部速度データを使用し、走行時に滑走または空転が発生して外部速度データが信頼できない場合には、前記加速度計より出力される加速度データの積分値を速度データとして使用することにより、車輪の滑走・空転が発生した場合においても、移動体の速度データを正確に計測することが可能となり、速度データより換算される走行距離誤差を除去することができるという効果がある。
【００２３】
また、移動体が傾斜面を登攀走行する際には、前記レートセンサによりその傾斜角が測定され、前記演算部において、地球重力加速度成分に対応する補正が行われるために、高精度の速度データの計測が可能になるという効果がある。
【００２４】
そして更に、前記演算部により、レートセンサに対するバイアス推定ならびにその補正をも行うことができるために、精度の低いより安価なレートセンサを使用することによっても高精度の速度計測を実現することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】地球重力加速度の影響を示す図である。
【図３】前記実施形態に含まれる演算部の一実施例を示すブロック図である。
【図４】前記演算部の動作説明用のブロック図（１）である。
【図５】前記演算部の動作説明用のブロック図（２）である。
【図６】前記演算部の動作説明用のブロック図（３）である。
【符号の説明】
１    加速度計
２    レートセンサ
３    演算部
４    外部速度計
５    車両
６    車輪
７，９，１１，１８，１９    減算器
８    演算器
１０，１６，２０    積分器
１２，１４    スイッチ
１３，１５    乗算器
１７    加算器
【図１】
0003574991.tif 000002
【図２】
0003574991.tif 000003
【図３】
0003574991.tif 000004
【図４】
0003574991.tif 000005
【図５】
0003574991.tif 000006
【図６】
0003574991.tif 000007