(57)【要約】【課題】勾配の小さい走行路上を移動する移動体の加速度等を精度よく算出できる速度算出装置を提供する。【解決手段】２軸加速度センサ１を用いて移動体の速度を算出する速度算出装置において、２軸加速度センサ１の直交する２つの基準軸（Ｘ軸、Ｙ軸）のうち、移動体の走行方向に対応する第１の基準軸の軸方向が、その移動体の走行方向に対して所定の角度、例えば、４５°をなすように、２軸加速度センサ１を移動体内において傾けて設置する。そして、これら２つの基準軸それぞれについて２軸加速度センサ１に働く運動加速度成分より重力加速度成分を除去する演算を行うことで、移動体の真の加速度を算出する。【選択図】図４
2008058256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２軸加速度センサを用いて移動体の速度を算出する速度算出装置において、
前記２軸加速度センサの直交する２つの基準軸のうち、前記移動体の走行方向に対応する第１の基準軸の軸方向が前記走行方向に対して所定の角度をなすよう前記２軸加速度センサを傾けて設置したことを特徴とする速度算出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の速度算出装置において、前記２つの基準軸それぞれについて前記２軸加速度センサに働く運動加速度成分より重力加速度成分を除去することで真の加速度を算出することを特徴とする速度算出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の速度算出装置において、前記２軸加速度センサに働く加速度成分より勾配成分を除去する演算を行い、その演算結果のうち前記移動体の走行路の勾配情報に基づいて選択したものを前記真の加速度とすることを特徴とする速度算出装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の速度算出装置において、前記所定の角度は４５°であることを特徴とする速度算出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の速度算出装置において、前記算出された加速度を時間積分することで、前記移動体の速度を算出することを特徴とする速度算出装置。
【請求項６】
請求項４に記載の速度算出装置において、前記算出された加速度を時間２重積分することで、前記移動体の走行距離を算出することを特徴とする速度算出装置。
【請求項７】
請求項５に記載の速度算出装置において、前記算出された前記移動体の速度を時間積分することで、前記移動体の走行距離を算出することを特徴とする速度算出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は速度算出装置に係り、特に、加速度センサを使用した速度算出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
道路あるいは軌道上を走行する車両等の移動速度を正確に測定することは、それらの地理上の位置や目的地への到着時間や到着時刻等を知るうえで不可欠であり、従来より様々な方法で測定が行われてきた。特に列車の場合、速度発電機（ＴＧ）と呼ばれる装置を搭載して、その速度発電機で生成される速度パルス信号を受けて列車速度、加減速度、走行距離を算出し、その結果をもとにＡＴＣブレーキ制御、無人運転等のＡＴＯ制御を行っている。
【０００３】
図５は、上述した従来の列車における速度等の算出方法を説明するための図である。図５に示す列車イは、車輪１０１の回転速度に比例した速度パルス信号を発生する速度発電機（ＴＧ）１０３を備え、その速度パルス信号は速度算出装置１０５へ送られる。この速度算出装置１０５は、あらかじめ設定した、車輪１０１の車輪径をもとに１速度パルスあたりの走行距離を求める。そして、速度算出装置１０５は、一定時間内に入力した速度パルスと１速度あたりの走行距離から、列車速度、加減速度、走行距離を算出する。列車イは、それらをもとにＡＴＣブレーキ制御、ＡＴＯ制御等を行う。
【０００４】
ところが、このような速度発電機を使用した速度等の算出方法には、以下に述べる問題点がある。その１つは、車輪の磨耗である。すなわち、速度発電機からの速度パルス信号をもとに速度等を算出する際、あらかじめ入力しておいた車輪径をもとに列車速度等を算出しているが、列車が走行を重ねるごとに、車輪とレール（あるいは走行路）の摩擦により車輪径が徐々に小さくなる。
【０００５】
そのため、設定した車輪径と実際の車輪径が大きく相違した状態では、正確な列車速度や走行距離が得られず、誤ったＡＴＣブレーキ出力やＡＴＯ停止精度の悪化、乗り心地の悪化等の原因となる。そこで、定期的に車輪径を計測し、その都度、設定データを変更する作業を行っているが、このような定期的な保守作業は、人手に頼ることが一般的であるため、設定ミス等のヒューマンエラーが発生する可能性がある。
【０００６】
２つの目の問題は、車輪の空転、滑走である。列車は、その発車時やブレーキ時に、レール（あるいは走行路）の環境、例えば、凍結、降雨等により、車輪が空転したり、あるいは滑走することがある。そのため、これら空転や滑走が生じた場合、速度や走行距離が実際の値と異なることになる。そこで、それらの値が実際の値に近くなるように補正を行っても、現状では、その精度が良くないという問題がある。
【０００７】
第３の問題は、列車に備えた速度発電機とそれからの速度パルス信号を受ける制御部との間に設けたケーブル（艤装ともいう）が、それが布設された列車の内部や外部において列車の駆動モータ等から発生したノイズを受けやすい点である。艤装がノイズの影響を受けると、速度パルス信号の波形や伝送パルス数等に悪影響があり、正確な列車速度や走行距離の算出ができないという問題が生じる。
【０００８】
一方、これらの問題点に鑑み、車両等に加速度センサを設け、その車両等に働く加速度の大きさより、高精度に車両等の移動速度を算出する方法も提案されている。例えば、特許文献１には、加速度センサと角速度センサを用いた速度算出装置が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１５６１８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図６は、加速度センサとして、２軸の加速度を同時に得られる２軸加速度センサを使用して、移動体の加速度を算出する方法を概略的に示した図である。図６において、２軸加速度センサ２００が搭載された不図示の移動体（例えば、列車）は、勾配がθの軌道（レール）Ｔ上を加速度αで走行している。このとき２軸加速度センサ２００は、重力加速度（図６の１G）も加速度として認識してしまうため、実際の加速度に加えて重力加速度の移動体進行方向成分を含んだ値を加速度として出力する。
【００１１】
そこで、図６において移動体の進行方向をＸ軸、その垂直方向をＹ軸としたとき、２軸加速度センサ２００から得られる加速度のうち、Ｘ軸方向における重力加速度成分ＸＧは、重力加速度が１Ｇであるから、ＸＧ＝１Ｇ×ｓｉｎθ＝ｓｉｎθとなり、Ｘ軸方向の運動加速度成分Ｘαは、Ｘα＝α×ｃｏｓ０°＝αとなる。よって、２軸加速度センサ２００に働くＸ軸方向の合成加速度成分Ｘは、Ｘ＝ＸＧ＋Ｘα＝ｓｉｎθ＋αとなる。一方、Ｙ軸方向において、その重力加速度成分ＹＧは、ＹＧ＝１Ｇ×ｃｏｓθ＝ｃｏｓθであり、運動加速度成分Ｙαは０である。そのため、２軸加速度センサ２００に働くＹ軸方向の合成加速度成分Ｙは、Ｙ＝ＹＧ−Ｙα＝ｃｏｓθとなる。
【００１２】
よって、２軸加速度センサ２００に働く力は、
Ｘ＝ｓｉｎθ＋α                                      …（１）
Ｙ＝ｃｏｓθ                                          …（２）
で表すことができ、これらの式（１），（２）を展開してαを求めればよいことになる。
【００１３】
しかし、勾配θが小さい場合、例えば、鉄道においては、θは−３°〜＋３°程度であるため、上記（２）式のｃｏｓθの変化量は、２軸加速度センサ２００の誤差成分程度に過ぎないものとなる。その結果、移動体に単に２軸加速度センサを搭載して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向それぞれの合成加速度成分を求めても、勾配の緩い走行路（軌道）における移動体の正確な加速度、引いては正確な速度を得ることができない、という問題がある。
【００１４】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、勾配θが小さい場合でも、その走行路上を移動する移動体の加速度や移動速度等を精度よく算出できる速度算出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る速度算出装置は、上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、２軸加速度センサを用いて移動体の速度を算出する速度算出装置において、２軸加速度センサの直交する２つの基準軸のうち、移動体の走行方向に対応する第１の基準軸の軸方向がその走行方向に対して所定の角度をなすよう２軸加速度センサを傾けて設置したことを特徴としている。
本発明の請求項２に記載の速度算出装置は、前記２つの基準軸それぞれについて２軸加速度センサに働く運動加速度成分より重力加速度成分を除去することで真の加速度を算出することを特徴としている。
本発明の請求項３に記載の速度算出装置は、前記２軸加速度センサに働く加速度成分より勾配成分を除去する演算を行い、その演算結果のうち移動体の走行路の勾配情報に基づいて選択したものを真の加速度とすることを特徴としている。
本発明の請求項４に記載の速度算出装置は、前記所定の角度を４５°とすることを特徴としている。
本発明の請求項５に記載の速度算出装置は、前記算出された加速度を時間積分することで移動体の速度を算出することを特徴としている。
本発明の請求項６に記載の速度算出装置は、前記算出された加速度を時間２重積分することで移動体の走行距離を算出することを特徴としている。
本発明の請求項７に記載の速度算出装置は、前記算出された移動体の速度を時間積分することで、その移動体の走行距離を算出することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の請求項１に記載の速度算出装置は、２軸加速度センサを用いて移動体の速度を算出する速度算出装置において、２軸加速度センサの直交する２つの基準軸のうち、移動体の走行方向に対応する第１の基準軸の軸方向がその走行方向に対して所定の角度をなすよう２軸加速度センサを傾けて設置してあるので、勾配の緩い走行路上にある移動体の速度を精度よく算出することができる。
本発明の請求項２に記載の速度算出装置は、２つの基準軸それぞれについて２軸加速度センサに働く運動加速度成分より重力加速度成分を除去することで真の加速度を算出するので、勾配上にある移動体の純粋な加速度を得ることができる。
本発明の請求項３に記載の速度算出装置は、２軸加速度センサに働く加速度成分より勾配成分を除去する演算を行い、その演算結果のうち移動体の走行路の勾配情報に基づいて選択したものを真の加速度とするので、簡単な演算で、そのときの勾配に合致した高精度の加速度を得ることができる。
本発明の請求項４に記載の速度算出装置は、２軸加速度センサの傾き角度を４５°とすることで、加速度算出が容易になり、勾配に対する、演算に要する要素の変化量を大きくとることができる。
本発明の請求項５に記載の速度算出装置は、算出された加速度を時間積分することで移動体の速度を算出するので、簡単な構成で正確な速度を得ることができる。
本発明の請求項６に記載の速度算出装置は、算出された加速度を時間２重積分することで移動体の走行距離を算出するので、精度のよい走行距離を迅速に得ることができる。
本発明の請求項７に記載の速度算出装置は、算出された移動体の速度を時間積分することで、その移動体の走行距離を算出するので、得られた移動体の速度のみに基づいて走行距離を高精度に算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明において、本発明に係る速度算出装置を、軌道上を走行する車両（列車）に適用した例を説明するが、適用例はこれに限定されるものではない。図１は、本発明の一実施の形態に係る速度算出装置を搭載した列車の概略構成図である。図１に示す列車イは、角度がθの下り勾配に敷設された軌道（レール）Ｔ上を走行しており、この列車イには、走行中の加速度を算出するための加速度センサ１が搭載されている。この加速度センサ１は２軸加速度センサであり、センサ自身に働く２軸の加速度の大きさを数値あるいはレベル（例えば、電圧レベル）として同時に出力する。この加速度センサ１からの出力は速度算出装置３へ送られ、速度算出装置３は、後述する方法で列車イの速度を算出する。
【００１８】
列車イの先頭下部には、地上側に設けられている地上子７と通信するための車上子２が設けられている。地上子７は、車上子２と対向できるように、軌道Ｔの軌間の所定位置に設けられており、車上子２に対して列車イの絶対位置等の情報を所定周波数からなる信号により送信できるように、例えば、コイルを巻回して構成されている。車上子２も同様にコイルを巻回して構成され、地上子７からの信号を受信する。
【００１９】
車上子２が受信した情報は、列車制御装置５へ送られる。この列車制御装置５は、列車イの運転制御等を司るもので、例えば、マイクロプロセッサ、メモリ等で構成されており、速度算出装置３で算出された列車イの速度や、車上子２が受信した絶対位置情報等をもとに、ＡＴＣブレーキ出力やＡＴＯ制御を行う。
【００２０】
列車イが勾配を有する軌道Ｔを走行しているときに、その列車イの速度を算出するためには、速度算出装置３が、現在の走行位置における軌道Ｔの勾配θを知る必要がある。そのため列車制御装置５は、地上子７からの情報をもとに出発位置からの絶対走行距離を求め、それを地上子７からの情報に基づいて更新しながら、現在位置における勾配θを求める。列車制御装置５は、このようにして求められた勾配θを線路情報（データベース）として上記のメモリ等に格納し、その情報を所定の時間間隔で速度算出装置３に送る。
【００２１】
次に、本発明に係る速度算出装置において速度等を算出する方法について詳細に説明する。図２は、本発明に係る速度算出装置の構成を示すブロック図であり、図３は、速度算出装置における速度算出手順を示すフローチャートである。また、図４は、速度算出装置に設けた加速度センサに働く相互の力（加速度成分）の関係を説明するための図である。
【００２２】
本発明に係る速度算出装置は、走行路の勾配が緩い場合、単に２軸加速度センサを搭載しても移動体の正確な加速度や移動速度を得ることができないという問題を解決するため、図４に示すように、２軸の加速度センサ１をあらかじめ所定の角度（ここでは、４５°）だけ傾けた状態で、移動体である列車に設置してある。なお、２軸加速度センサ１の傾き角は、４５°に限定されるものではなく、他の角度としてもよい。
【００２３】
図２に示すように、速度算出装置３には２軸加速度センサ１が接続され、２軸加速度センサ１より、速度算出装置３内に配した加速度算出部１４へ、後述するＸ軸とＹ軸それぞれに対応する加速度成分（Ｘ，Ｙ）が入力される。加速度算出部１４は、これらの加速度成分（Ｘ，Ｙ）と、外部（上述した列車制御装置５）から入力される勾配情報（図４に示すθ）をもとに加速度を算出する。そして、加速度算出部１４で算出された加速度αは、速度算出部１６と走行距離算出部１７それぞれに入力され、速度算出部１６は列車の速度Ｖを算出し、走行距離算出部１７は、列車の走行距離Ｌを算出する。
【００２４】
本発明に係る速度算出装置では、上述したように２軸加速度センサ自身をあらかじめ４５°傾けて設置してある。そのため、図４に示すように、２軸加速度センサ１が搭載された移動体である列車（不図示）の進行方向に対して４５°傾いた方向にＸ軸が規定され、そのＸ軸と９０°異なる方向にＹ軸が規定される。なお、２軸加速度センサ１は、Ｘ軸、Ｙ軸それぞれの方向に対する運動加速度成分等を検知するＸセンサ（Ｘ軸センサ）１０ａ、Ｙセンサ（Ｙ軸センサ）１０ｂ等を内蔵している。
【００２５】
以下、本発明に係る速度算出装置における速度算出等の手順を詳細に説明する。列車に搭載された２軸加速度センサ１内のＸセンサ１０ａおよびＹセンサ１０ｂは、Ｘ軸、Ｙ軸それぞれに対応する運動加速度成分Ｘα，Ｙαを検知し（図３のステップＳ１１）、同時に２軸加速度センサ１に働くＸ軸方向における重力加速度成分ＸＧとY軸方向における重力加速度成分ＹＧが検知される（図３のステップＳ１３）。図４に示すように、角度がθの下り勾配を走行する列車に搭載された２軸加速度センサ１は、軌道Ｔと平行な方向（列車の進行方向）にその移動による加速αを受ける。ここでは、２軸加速度センサ１そのものは、４５°傾けて設置されているため、Ｘセンサ１０ａ，Ｙセンサ１０ｂで検知されるＸ軸方向の運動加速度成分は、Ｘα＝α×ｃｏｓ４５°＝αｃｏｓ４５°となり、Ｙ軸方向の運動加速度成分は、Ｙα＝α×ｓｉｎ４５°＝αｓｉｎ４５°となる。
【００２６】
一方、図４に示すように２軸加速度センサ１に働く重力加速度は１Ｇであるから、Ｘ軸方向における重力加速度成分は、ＸＧ＝１Ｇ×ｃｏｓ（４５°−θ）＝ｓｉｎ（４５°＋θ）となり、Y軸方向における重力加速度成分は、ＹＧ＝１Ｇ×ｃｏｓ（４５°＋θ）＝ｃｏｓ（４５°＋θ）となる。このように２軸加速度センサ１は、重力加速度（図４の１G）も加速度として認識するため、実際の加速度に加えて重力加速度の移動体進行方向成分を含んだ値を加速度として出力する。
【００２７】
そこで、運動加速度成分より重力加速度成分を除去する（ステップＳ１５）。より具体的には、２軸加速度センサ１において、Ｘ軸方向について上記の重力加速度成分ＸＧと運動加速度成分Ｘαとを合成し、Ｙ軸方向については、ＹＧとＹαとを合成する演算を行う。その結果、Ｘ軸方向の合成加速度成分Ｘは、Ｘ＝ＸＧ＋Ｘαとして、Ｙ軸方向の合成加速度成分Ｙは、Ｙ＝ＹＧ−Ｙαとして求められる。よって、２軸加速度センサ１からは、以下の式（３），（４）で表される合成加速度成分Ｘ，Ｙが出力される。
【００２８】
Ｘ＝ｓｉｎ（４５°＋θ）＋αｃｏｓ４５°                        …（３）
Ｙ＝ｃｏｓ（４５°＋θ）−αｓｉｎ４５°                        …（４）
【００２９】
続くステップＳ１７で、加速度算出部１４は、２軸加速度センサ１より出力された加速度成分Ｘ，Ｙをもとに加速度を算出する。ここでは、上記の式（３），（４）を、三角関数の公式である、ｓｉｎ2θ＋ｃｏｓ2θ＝１に代入して、加速度αを算出する。以下、具体的な式の展開を説明する。
【００３０】
上記の式（３），（４）は、
【数１】
2008058256.tif 000003
と変形できる。
【００３１】
これらの式（３´），（４´）を
ｓｉｎ2（４５°＋θ）＋ｃｏｓ2（４５°＋θ）＝１                …（５）
に代入すると、勾配成分が除去された形の式
【数２】
2008058256.tif 000004
が得られる。
【００３２】
上記の式（６）を展開すると、αについて以下の２次式が得られる。
【数３】
2008058256.tif 000005
【００３３】
そこで、２次方程式の解の公式より、αについて以下の２つの解が得られる。
【数４】
2008058256.tif 000006
【００３４】
次にステップＳ１９で、速度算出装置３の加速度算出部１４による勾配の判定を行う。具体的には、加速度算出部１４は、上述した列車制御装置５から入力された勾配（θ）が０°以上か、あるいは０°より小さいかを判断する。ここで、勾配θが０°以上（θ≧０°）であれば、列車は現在、上り勾配にあるとして、ステップＳ２１に進み、上り勾配のときの加速度としてα1を選択する。
【００３５】
すなわち、
【数５】
2008058256.tif 000007
となる。
【００３６】
しかし、列車が下り勾配にあるときは、θは０より小さい（θ＜０°）ため、ステップＳ２３に進んで、下り勾配のときの加速度として、上記の２つの解のうち、以下のα2を選択する。
【数６】
2008058256.tif 000008
【００３７】
上述したように列車イの列車制御装置５は、列車の絶対位置を検知する手段と、線路情報（データベース）を有するため、それらをもとに列車の現在位置の勾配が上りなのか、あるいは下りなのかが分る。また、上記のようにして得られた加速度α（α1及びα2）は、重力加速度の勾配成分を除去した純粋な加速度である。そこで、速度算出装置３の速度算出部１６は、ステップＳ２５において、加速度算出部１４で得られた加速度αを時間積分することで、列車の速度Ｖを算出する。また、続くステップＳ２７で、走行距離算出部１７は、加速度αを時間２重積分することで、列車の走行距離Ｌを算出する。なお、走行距離Ｌは、速度算出部１６で求めた列車の速度Ｖを時間積分することによって求めるようにしてもよい。
【００３８】
これら列車の速度Ｖ、及び走行距離Ｌを数式で表現すると、以下のようになる。
【数７】
2008058256.tif 000009
【００３９】
上述のように、本発明に係る速度算出装置は、列車制御装置５が列車の絶対位置を検知する手段を持つとともに、線路情報（データベース）を有するため、それらをもとに列車の現在位置の勾配が上りか、あるいは下りかが容易に分る。したがって、加速度について得られた２つの解から、その時点での勾配をもとに適切な加速度を選択して、列車の速度Ｖ、及び走行距離Ｌを高精度に算出することができる。
【００４０】
また、列車に所定角度傾けて設置した２軸加速度センサを使用することで、その列車の移動速度を正確に得られるため、車輪径のデータに依存することなく速度算出ができるため、車輪径の保守点検が不要になり、車輪の空転や滑走が生じても正確な列車速度を求めることができる。さらには、独立して搭載された２軸加速度センサからの出力をもとに速度を算出するので、従来のように艤装に対するノイズによる信号系への悪影響といった問題の発生を回避できる。
【００４１】
なお、上述した例では、移動体としての列車が下り勾配を走行しているときの運動加速度成分や重力加速度成分等を求める例を示したが、上り勾配に位置する場合においても同様の方法で加速度成分を算出できる。上記の例では、現在位置における軌道Ｔの勾配θを、地上子からの情報をもとに出発位置からの絶対走行距離を求め、それを更新しながら、現在位置における勾配θを求めているが、各地上子に、その設置位置における勾配を情報として持たせ、その情報を車上子で受信して、列車に搭載した速度算出装置へ送信するようにしてもよい。また、前述のような絶対位置検出手段を持たない場合は、別途、ジャイロセンサ等の勾配検出装置と組み合わせて使用することで、適切な加速度を選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る速度算出装置を搭載した列車の概略構成を示す図である。
【図２】速度算出装置の構成を示すブロック図である。
【図３】速度算出装置における速度算出手順を示すフローチャートである。
【図４】速度算出装置に設けた加速度センサに働く加速度成分の相互関係を説明するための図である。
【図５】従来の列車における速度等の算出方法を説明するための図である。
【図６】通常の設置状態にある２軸加速度センサを使用して移動体の加速度を算出する方法を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
イ      列車
Ｔ      軌道（レール）
１      ２軸加速度センサ
２      車上子
３      速度算出装置
５      列車制御装置
７      地上子
１０ａ  Ｘセンサ
１０ｂ  Ｙセンサ
１４    加速度算出部
１６    速度算出部
１７    走行距離算出部
【図１】
2008058256.tif 000010
【図２】
2008058256.tif 000011
【図３】
2008058256.tif 000012
【図４】
2008058256.tif 000013
【図５】
2008058256.tif 000014
【図６】
2008058256.tif 000015