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JP7628028B2 - Track state estimation method, track state estimation device, and vehicle - Google Patents
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Description

本発明は、軌道状態推定方法、軌道状態推定装置及び車両に関する。 The present invention relates to a track state estimation method, a track state estimation device, and a vehicle.

レール上を走行する車両の脱線要因の1つとして、元位置に対するレールの不整(以下、「軌道変位」ともいう。)がある。軌道変位は脱線に直接的に影響することから、軌道変位を適切に点検し整備することが、脱線のリスクを低減するために重要である。 One of the causes of derailment of vehicles running on rails is irregularity of the rails relative to their original position (hereafter referred to as "track irregularity"). As track irregularity directly affects derailment, it is important to properly inspect and maintain track irregularity in order to reduce the risk of derailment.

軌道変位の点検(以下、「軌道検測」ともいう。)は、例えば、手押し式の軌道検測装置を用いて行われている。しかし、軌道検測対象となるレールが長くなると、高い頻度で検測することは難しい。また、手押し式の軌道検測装置による軌道検測は、脱線時の状況とは異なる無負荷時状態での静的検測である。このため、車両走行時の動的検測を高い頻度で実施できることが望まれている。 Inspection of track displacement (hereinafter also referred to as "track inspection") is carried out, for example, using a hand-pushed track inspection device. However, when the rail to be inspected becomes long, it becomes difficult to inspect it frequently. Furthermore, track inspection using a hand-pushed track inspection device is a static inspection carried out under no-load conditions, which differs from the conditions during a derailment. For this reason, it is desirable to be able to carry out dynamic inspections frequently while the vehicle is running.

車両走行時の動的検測を高い頻度で実施するための一手法として、稼働車両を利用して軌道検測を行うことが考えられる。車両を利用した軌道検測装置として、例えば、特許文献1には、車両の台車枠に各種検出器から構成される検出器ユニットを取り付け、車両走行時に慣性正矢法に基づき軌道変位5項目を検測する技術が開示されている。 One method for frequently performing dynamic inspections while a vehicle is in motion is to use an operating vehicle to perform track inspections. For example, Patent Document 1 discloses a track inspection device that uses a vehicle, in which a detector unit made up of various detectors is attached to the bogie frame of the vehicle, and five types of track displacement are measured based on the inertial sine wave method while the vehicle is in motion.

特許第3411861号公報Patent No. 3411861

しかし、特許文献1に記載の技術では、検出器ユニットにより軌道変位5項目を検測することはできるが、検出器ユニットによる検測機構が複雑であり高価となる。また、大型の検出器ユニットを装架する必要があるため、車両の構造によっては計測位置が車輪から離れる場合があり、車両載荷時のレールの変形を十分にとらえられない可能性がある。 However, while the technology described in Patent Document 1 can measure five types of track displacement using a detector unit, the detection mechanism using the detector unit is complex and expensive. In addition, because a large detector unit needs to be mounted, the measurement position may be far from the wheels depending on the structure of the vehicle, and there is a possibility that deformation of the rail when the vehicle is loaded may not be fully detected.

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、稼働車両を利用して簡易に、かつ、精度よく軌道検測することの可能な、軌道状態推定方法、軌道状態推定装置及び車両を提供することにある。 The present invention has been made in consideration of the above problems, and the object of the present invention is to provide a track condition estimation method, a track condition estimation device, and a vehicle that can easily and accurately measure tracks using an operating vehicle.

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、車両の軸箱に設置された慣性計測装置により計測された3軸加速度及び3軸角速度に基づいて、輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角を推定する傾斜角推定ステップと、輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角に基づいて、軌道状態を表す軌道状態情報を算出する軌道状態算出ステップと、を含む、軌道状態推定方法が提供される。 In order to solve the above problem, according to one aspect of the present invention, a track condition estimation method is provided that includes an inclination angle estimation step of estimating the horizontal inclination angle and the longitudinal inclination angle of the wheel set based on the three-axis acceleration and the three-axis angular velocity measured by an inertial measurement unit installed on the axle box of the vehicle, and a track condition calculation step of calculating track condition information representing the track condition based on the horizontal inclination angle and the longitudinal inclination angle of the wheel set.

傾斜角推定ステップでは、慣性計測装置により計測された3軸加速度から、車両走行時の並進加速度成分をフィルタリング処理により抽出し、抽出された並進加速度成分に基づいて、カルマンフィルタの観測モデルの誤差共分散行列を設定し、誤差共分散行列が設定された観測モデルにより構成される状態空間モデルから定式化されたカルマンフィルタを用いて、3軸加速度及び3軸角速度から輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角を推定し、軌道状態算出ステップでは、輪軸の水平傾斜角に基づいて、軌道状態情報として平面性変位が算出されるようにしてもよい。 In the tilt angle estimation step, the translational acceleration components during vehicle travel are extracted by filtering from the three-axis acceleration measured by the inertial measurement unit, and the error covariance matrix of the observation model of the Kalman filter is set based on the extracted translational acceleration components. The horizontal tilt angle and longitudinal tilt angle of the wheel set are estimated from the three-axis acceleration and three-axis angular velocity using a Kalman filter formulated from a state space model composed of the observation model in which the error covariance matrix is set. In the track state calculation step, the planarity deviation is calculated as track state information based on the horizontal tilt angle of the wheel set.

また、並進加速度成分は、3軸加速度のうち左右加速度及び前後加速度に対して、軌道変位の卓越する周波数成分を除去するバンドパスフィルタ処理により抽出してもよい。 The translational acceleration components may also be extracted using band-pass filtering to remove frequency components that are predominant in track displacement from the lateral acceleration and longitudinal acceleration among the three-axis accelerations.

誤差共分散行列は、対角成分に、抽出された並進加速度成分に対して所定の係数を乗じた値を加算して設定してもよい。 The error covariance matrix may be set by adding values obtained by multiplying the extracted translational acceleration components by a predetermined coefficient to the diagonal elements.

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、車両の軸箱に設置された慣性計測装置により計測された3軸加速度及び3軸角速度に基づいて、輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角を推定する傾斜角推定部と、輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角に基づいて、軌道状態を表す軌道状態情報を算出する軌道状態算出部と、を備える、軌道状態推定装置が提供される。 In addition, in order to solve the above problem, according to another aspect of the present invention, a track condition estimation device is provided that includes an inclination angle estimation unit that estimates the horizontal inclination angle and the longitudinal inclination angle of the wheel set based on the three-axis acceleration and the three-axis angular velocity measured by an inertial measurement unit installed on the axle box of the vehicle, and a track condition calculation unit that calculates track condition information that represents the track condition based on the horizontal inclination angle and the longitudinal inclination angle of the wheel set.

さらに、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、車両の軸箱に設置された慣性計測装置と、慣性計測装置により計測された3軸加速度及び3軸角速度に基づいて、輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角を推定する傾斜角推定部、及び、輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角に基づいて、軌道状態を表す軌道状態情報を算出する軌道状態算出部、を有する軌道状態推定装置と、を備える、車両が提供される。 Furthermore, in order to solve the above problem, according to another aspect of the present invention, a vehicle is provided that includes an inertial measurement unit installed on an axle box of the vehicle, a track state estimation device having an inclination angle estimation unit that estimates the horizontal inclination angle and the longitudinal inclination angle of the wheel set based on the three-axis acceleration and the three-axis angular velocity measured by the inertial measurement unit, and a track state calculation unit that calculates track state information that represents the track state based on the horizontal inclination angle and the longitudinal inclination angle of the wheel set.

以上説明したように本発明によれば、稼働車両を利用して簡易に、かつ、精度よく軌道検測することができる。 As described above, the present invention allows for easy and accurate track inspection using an operating vehicle.

本発明の一実施形態に係る車両の概略構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a vehicle according to an embodiment of the present invention; 平面性変位を説明するための模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a planarity displacement. 慣性計測装置による計測値を説明するための説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining measurement values obtained by an inertial measurement unit. 慣性計測装置による計測値を説明するための輪軸断面模式図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a wheelset for explaining values measured by an inertial measurement unit. 並進加速度を表す指標Rの一算出例を示すグラフである。13 is a graph showing an example of calculation of an index Rx representing translational acceleration. 並進加速度を表す指標Rの一算出例を示すグラフである。13 is a graph showing an example of calculation of an index Ry representing translational acceleration. 同実施形態に係る軌道状態推定装置の構成を示す機能ブロック図である。FIG. 2 is a functional block diagram showing a configuration of a track state estimation device according to the embodiment. 同実施形態に係る軌道状態推定方法の一例を示すフローチャートである。4 is a flowchart illustrating an example of a track state estimation method according to the embodiment. 実施例における平面性変位の推定結果を示すグラフである。13 is a graph showing the estimation result of planarity deviation in the example.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 The preferred embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the attached drawings. Note that in this specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration are designated by the same reference numerals to avoid redundant description.

[1.車両構成]
まず、図1に基づいて、本発明の一実施形態に係る車両1の概略構成について説明する。図1は、本実施形態に係る車両1の概略構成を示す模式図である。
[1. Vehicle configuration]
First, a schematic configuration of a vehicle 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 1. Fig. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a vehicle 1 according to the present embodiment.

本実施形態に係る車両1は、延設された一対のレール5上を走行可能に構成されている。車両1は、図1に示すように、車両の主構造部分である構体からなる車体部10と、車体部10を支持し、走行機構を有する台車部20とにより構成される。なお、以下では、車両進行方向(前後方向)をX方向、幅方向(左右方向)をY方向、高さ方向(上下方向)をZ方向とする。 The vehicle 1 according to this embodiment is configured to be able to run on a pair of extended rails 5. As shown in FIG. 1, the vehicle 1 is configured with a car body section 10 consisting of a body structure which is the main structural part of the vehicle, and a bogie section 20 which supports the car body section 10 and has a running mechanism. In the following, the direction in which the vehicle travels (front-rear direction) is defined as the X direction, the width direction (left-right direction) as the Y direction, and the height direction (up-down direction) as the Z direction.

図1に示す車両1の台車部20には、車両進行方向に4つの車輪対が配置されている。各車輪対は、幅方向に対となる2つの車輪23が輪軸25によって連結されることにより構成されている。各輪軸25の両端には、輪軸25の軸受部分である軸箱27が設けられている。軸箱27は、コイルばね29により台車枠21に接続されている。なお、図1では、輪軸25を示すために、1つの車輪23にのみ軸箱27及びコイルばね29を記載しているが、すべての車輪23が軸箱27及びコイルばね29を備えている。 Four wheel pairs are arranged in the vehicle travel direction on the bogie section 20 of the vehicle 1 shown in Figure 1. Each wheel pair is formed by connecting two wheels 23 that are paired in the width direction by a wheel set 25. An axle box 27, which is the bearing part of the wheel set 25, is provided on both ends of each wheel set 25. The axle box 27 is connected to the bogie frame 21 by a coil spring 29. Note that in Figure 1, the axle box 27 and coil spring 29 are shown for only one wheel 23 to show the wheel set 25, but all of the wheels 23 are equipped with the axle box 27 and coil spring 29.

本実施形態に係る車両1は、少なくとも1つの車輪23の軸箱27に慣性計測装置(IMU:Inertial Measurement Unit)30を備えている。慣性計測装置30は、3次元の慣性運動(直行3軸方向の並進運動及び回転運動)を検出する装置である。慣性計測装置30は、加速度センサにより並進運動を検出し、角速度センサにより回転運動を検出する。慣性計測装置30による計測値は、車両1が走行するレール5の軌道状態を推定する軌道状態推定装置(図3の軌道状態推定装置100)へ出力される。 The vehicle 1 according to this embodiment is equipped with an inertial measurement unit (IMU) 30 on the axle box 27 of at least one wheel 23. The inertial measurement unit 30 is a device that detects three-dimensional inertial motion (translational motion and rotational motion in three orthogonal axial directions). The inertial measurement unit 30 detects translational motion using an acceleration sensor and detects rotational motion using an angular velocity sensor. Measurement values by the inertial measurement unit 30 are output to a track condition estimation device (track condition estimation device 100 in FIG. 3) that estimates the track condition of the rail 5 on which the vehicle 1 runs.

また、本実施形態に係る車両1は、レール5上の車両1の絶対位置を検出する位置検出装置(図示せず。)を備えている。位置検出装置は、例えばRFID(Radio Frequency Identification)リーダであってもよい。この場合、一対のレール5の幅方向中間位置に予め設定されているRFIDタグをRFIDリーダによって読み取ることにより、車両1の絶対位置を検出することができる。なお、車両1の絶対位置を検出する方法はかかる例に限定されず、周知の技術を用いてもよい。例えば、車両1の絶対位置として、人工衛星からの電波を用いて得られる位置情報を利用してもよい。 The vehicle 1 according to this embodiment is also equipped with a position detection device (not shown) that detects the absolute position of the vehicle 1 on the rails 5. The position detection device may be, for example, an RFID (Radio Frequency Identification) reader. In this case, the absolute position of the vehicle 1 can be detected by reading an RFID tag that is set in advance at the middle position in the width direction of the pair of rails 5 with the RFID reader. Note that the method of detecting the absolute position of the vehicle 1 is not limited to this example, and well-known technology may be used. For example, position information obtained using radio waves from an artificial satellite may be used as the absolute position of the vehicle 1.

[2.軌道状態の推定]
レールの軌道状態としては、平面性変位、通り変位、高低変位、水準変位、軌間変位がある。以下では、軌道状態として、脱線への寄与の大きい平面性変位を推定する場合について説明する。平面性変位とは、図2に示すように、軌道の平面に対するねじれの状態をいい、車両進行方向に所定の間隔dだけ離れた2地点(例えば、点P1及び点P3の地点と点P2と点P4の地点)における左右のレール5の水準差CL(x)により表される。具体的には、一般車両においては固定軸距が5m程度であることから、平面性変位Tw(x)は、下記式(1)により表される。
2. Estimation of orbital conditions
The track conditions of a rail include track deviation, alignment deviation, elevation deviation, level deviation, and gauge deviation. In the following, a case where track deviation, which contributes greatly to derailment, is estimated as a track condition, will be described. Track deviation, as shown in FIG. 2, refers to a twisted state with respect to the plane of the track, and is expressed by a level difference CL(x) between the left and right rails 5 at two points (e.g., points P1 and P3, and points P2 and P4) that are spaced apart by a predetermined distance d in the direction of vehicle travel. Specifically, since the fixed wheelbase of a general vehicle is about 5 m, track deviation Tw(x) is expressed by the following formula (1).

Tw(x)=CL(x)-CL(x-5) ・・・(1) Tw(x)=CL(x)-CL(x-5)...(1)

ここで、車輪23の浮きが存在しないと仮定したとき、輪軸25の鉛直変位が軌道の鉛直変位に等しいとみなすことができる。このため、軸箱27に設置された慣性計測装置30の計測値に基づき輪軸25のロール角θxを推定することで、下記式(2)より水準差CL(x)を推定することができる。なお、式(2)において、Lは基準軌間長を表す。 Here, assuming that there is no floating of the wheels 23, the vertical displacement of the wheel set 25 can be considered to be equal to the vertical displacement of the track. Therefore, by estimating the roll angle θx of the wheel set 25 based on the measurement value of the inertial measurement unit 30 installed on the axle box 27, the level difference CL(x) can be estimated from the following formula (2). In formula (2), L represents the standard gauge length.

CL(x)=Ltanθx ・・・(2) CL(x)=Ltanθx...(2)

本実施形態では、軸箱27に設置された慣性計測装置30の計測値のみを用いて、車輪直下の軌道変位を検測する。慣性計測装置30を軸箱27に設置することで、車輪直下の軌道変位を検測することができるが、車両走行に伴う衝撃的な振動等のノイズも計測されやすくなる。このため、慣性計測装置30の計測値から推定された軌道変位には、慣性計測装置30が計測軸方向に並進運動することで計測される、車両走行に伴う衝撃的な振動応答をはじめとした加速度成分(以下、「並進加速度成分」ともいう。)による誤差が発生しやすくなる。そこで、本実施形態では、慣性計測装置30の計測値に含まれる車両走行時の並進加速度成分による誤差影響を低減して、平面性変位を推定する手法を提示する。 In this embodiment, the track displacement immediately below the wheels is measured using only the measurement values of the inertial measurement unit 30 installed on the axle box 27. By installing the inertial measurement unit 30 on the axle box 27, the track displacement immediately below the wheels can be measured, but it also becomes easier to measure noise such as impulsive vibrations caused by vehicle travel. For this reason, the track displacement estimated from the measurement values of the inertial measurement unit 30 is prone to errors due to acceleration components (hereinafter also referred to as "translational acceleration components"), including impulsive vibration responses caused by vehicle travel, which are measured by the inertial measurement unit 30 translating in the measurement axis direction. Therefore, in this embodiment, a method is presented for estimating planarity displacement by reducing the influence of errors due to the translational acceleration components during vehicle travel contained in the measurement values of the inertial measurement unit 30.

以下、軌道状態として平面性変位を推定する軌道状態推定手法の詳細と、軌道状態推定手法に基づく軌道状態推定処理を実行する軌道状態推定装置、及び、軌道状態推定方法について説明する。 The following describes the details of the track state estimation method for estimating runway deviation as a track state, as well as the track state estimation device and track state estimation method that execute the track state estimation process based on the track state estimation method.

[2-1.軌道状態推定手法]
まず、図3~図6に基づいて、本実施形態に係る軌道状態を推定する軌道状態推定手法について説明する。図3は、慣性計測装置30による計測値を説明するための説明図である。図4は、慣性計測装置30による計測値を説明するための輪軸断面模式図である。図5は、並進加速度を表す指標Rの一算出例を示すグラフである。図6は、並進加速度を表す指標Rの一算出例を示すグラフである。
[2-1. Orbit state estimation method]
First, a track state estimation method for estimating track states according to this embodiment will be described with reference to Figs. 3 to 6. Fig. 3 is an explanatory diagram for explaining measured values by the inertial measurement unit 30. Fig. 4 is a schematic cross-sectional view of a wheelset for explaining measured values by the inertial measurement unit 30. Fig. 5 is a graph showing an example of calculation of an index Rx representing translational acceleration. Fig. 6 is a graph showing an example of calculation of an index Ry representing translational acceleration.

以下の説明においては、慣性計測装置30により計測された時刻kにおける3軸加速度の計測値をaxk、ayk、azk、3軸角速度の計測値をωxk、ωyk、ωzkとする。また、図3に示すように、時刻kにおけるロール角をθ、ピッチ角をφ、ヨー角をψとする。 In the following description, the measured values of the three-axis acceleration at time k measured by the inertial measurement unit 30 are a xk , a yk , and a zk , and the measured values of the three-axis angular velocities are ω xk , ω yk , and ω zk . As shown in Fig. 3 , the roll angle at time k is θ k , the pitch angle is φ k , and the yaw angle is ψ k .

本実施形態では、カルマンフィルタ(Kalman Filter)を用いて、慣性計測装置30の計測値から輪軸25のロール角θxを推定する。カルマンフィルタは、データ同化手法の1つであり、ベイズ推定を利用し観測量との誤差を最小化する状態量を逐次的に推定する手法である。3軸加速度の計測値から得られるロール角推定値及びピッチ角推定値を観測量とし、絶対座標におけるロール角速度及びピッチ角速度の積分による時間更新式から、カルマンフィルタを定式化することができる。 In this embodiment, a Kalman filter is used to estimate the roll angle θx of the wheel set 25 from the measurement values of the inertial measurement unit 30. The Kalman filter is one of the data assimilation methods, and is a method that sequentially estimates state quantities that minimize the error with the observation quantities using Bayesian estimation. The roll angle estimate value and pitch angle estimate value obtained from the measurement values of the three-axis acceleration are used as the observation quantities, and the Kalman filter can be formulated from a time update equation based on the integration of the roll angular velocity and pitch angular velocity in absolute coordinates.

状態ベクトルxは、下記式(3)で定義される。 The state vector x k is defined by the following equation (3).

Figure 0007628028000001
Figure 0007628028000001

また、観測ベクトルyは、図4に示す、3軸加速度の計測値axk、ayk、azkの低周波成分を抽出した重力加速度gの3軸方向の射影の関係から、下記式(4)のように表すことができる。観測ベクトルyにおいて、θ0kは時刻kにおけるロール角の推定値、φ0kは時刻kにおけるピッチ角の推定値である。 The observation vector yk can be expressed as in the following formula (4) based on the relationship of the projection of the gravitational acceleration g in the three axial directions obtained by extracting the low-frequency components of the measured values axk , ayk , and azk of the three-axis acceleration shown in Fig. 4. In the observation vector yk , θ0k is an estimated value of the roll angle at time k, and φ0k is an estimated value of the pitch angle at time k.

Figure 0007628028000002
Figure 0007628028000002

3軸加速度の計測値axk、ayk、azkの重力加速度射影成分は、加速度低周波成分であり、例えば0~1Hzの成分とする。傾斜角推定部110は、例えばローパスフィルタにより、3軸加速度の計測値axk、ayk、azkから重力加速度射影成分を抽出し得る。 The gravitational acceleration projection components of the three-axis acceleration measurement values a xk , a yk , and a zk are low-frequency acceleration components, for example, components in the range of 0 to 1 Hz. The tilt angle estimation unit 110 can extract the gravitational acceleration projection components from the three-axis acceleration measurement values a xk , a yk , and a zk using, for example, a low-pass filter.

時間更新式は、絶対座標系における角度の積分から導かれ、状態ベクトルについて非線形の関係式となる。そこで、本実施形態では、状態ベクトルxk-1の周辺で線形化を行う拡張カルマンフィルタ(Extended Kalman Filter)を用いる。このとき、システム方程式は、下記式(5)で表される。vはプロセスノイズである。 The time update equation is derived from the integral of the angle in the absolute coordinate system, and is a nonlinear relational equation for the state vector. Therefore, in this embodiment, an extended Kalman filter that performs linearization around the state vector x k−1 is used. In this case, the system equation is expressed by the following equation (5), where v k is the process noise.

Figure 0007628028000003
Figure 0007628028000003

また、観測ノイズw、観測行列Hをとしたとき、観測方程式は下記式(7)で表される。 Furthermore, when the observation noise is w k and the observation matrix is H k , the observation equation is expressed by the following formula (7).

Figure 0007628028000004
Figure 0007628028000004

上記式(5)~式(7)で表される状態空間モデルに基づくカルマンフィルタにより、3軸加速度の計測値axk、ayk、azk、及び、3軸角速度の計測値ωxk、ωyk、ωzkからロール角θ及びピッチ角φを推定することができる。 Using a Kalman filter based on the state space model expressed by the above equations (5) to (7), the roll angle θ k and the pitch angle φ k can be estimated from the measured values a xk , a yk , and a zk of the three-axis accelerations and the measured values ω xk , ω yk , and ω zk of the three-axis angular velocities.

ここで、本実施形態では、慣性計測装置30の計測値に含まれる車両走行時の並進加速度成分による誤差影響を低減するため、傾斜角推定部110は、誤差因子となる車両走行時の3軸加速度の計測値axk、ayk、azkから並進加速度成分をフィルタリング処理により抽出し、抽出された並進加速度成分に基づいてカルマンフィルタの観測誤差共分散行列を設定する。 Here, in this embodiment, in order to reduce the influence of errors due to the translational acceleration components when the vehicle is traveling that are included in the measurement values of the inertial measurement unit 30, the tilt angle estimator 110 extracts the translational acceleration components from the measurement values a xk , a yk , a zk of the three-axis acceleration when the vehicle is traveling, which are error factors, by filtering processing, and sets the observation error covariance matrix of the Kalman filter based on the extracted translational acceleration components.

本願発明者は、角度推定値の誤差要因を調べた結果、急曲線部分において車輪フランジがレールに接触する際に発生する衝撃応答が、角度推定値の誤差要因となっていることを知見した。角速度の積分から角度を算出する上記式(5)、及び、加速度低周波成分(すなわち重力加速度の射影成分)から角度を算出する上記式(7)において、プロセスノイズv及び観測ノイズwは平均値ゼロのガウスノイズと仮定される。このノイズ設定は各関係式の誤差成分を表す。プロセスノイズvは、角速度データの計測誤差、及び、積分誤差を意味する。観測ノイズwは、加速度データの計測誤差、及び、加速度から抽出された重力加速度射影成分の推定誤差を意味する。 The inventors of the present application have investigated error factors in angle estimation and found that the impact response that occurs when the wheel flange contacts the rail at a sharp curve portion is a factor in error in the angle estimation. In the above formula (5) for calculating the angle from the integral of the angular velocity and the above formula (7) for calculating the angle from the low-frequency component of acceleration (i.e., the projected component of gravitational acceleration), the process noise vk and the observation noise wk are assumed to be Gaussian noise with a mean value of zero. This noise setting represents the error components of each relational expression. The process noise vk means the measurement error of the angular velocity data and the integration error. The observation noise wk means the measurement error of the acceleration data and the estimation error of the projected component of gravitational acceleration extracted from the acceleration.

急曲線部分において、車輪フランジがレールに接触する際には、角速度計測値及び加速度計測値のいずれにも衝撃的な応答が見られる場合があるが、衝撃的な応答は全周波数帯において卓越するという特徴がある。ここで、上記式(5)は衝撃応答の有無にかかわらず成立するが、上記式(7)の観測ベクトルyは、重力加速度射影成分から算出された角度であり、慣性計測装置30に並進加速度が作用する場合には誤差要因となる。すなわち、このような走行区間においては、観測ノイズwを大きな値に設定することにより、上記式(7)の確からしさを低減させる(換言すると、上記式(5)の確からしさを増大させる)ことで、実応答を適切に表現できると考えられる。 When the wheel flange comes into contact with the rail in a sharp curve, both the angular velocity measurement value and the acceleration measurement value may show an impulsive response, but the impulsive response is characterized by being prominent in all frequency bands. Here, the above formula (5) is valid regardless of the presence or absence of an impulsive response, but the observation vector y k in the above formula (7) is an angle calculated from the gravitational acceleration projection component, and becomes an error factor when translational acceleration acts on the inertial measurement unit 30. That is, in such a traveling section, it is considered that the actual response can be appropriately expressed by reducing the reliability of the above formula (7) (in other words, increasing the reliability of the above formula (5)) by setting the observation noise w k to a large value.

そこで、本実施形態では、慣性計測装置30に作用する並進加速度の大きさに応じて観測ノイズwを設定し、角度推定値の精度向上を図る。具体的には、並進加速度を表す指標R、Rを導入し、並進加速度成分の大きさに応じた観測ノイズwの共分散行列Rを逐次的に設定する。 Therefore, in this embodiment, the accuracy of the angle estimation value is improved by setting the observation noise wk according to the magnitude of the translational acceleration acting on the inertial measurement unit 30. Specifically, indices Rx and Ry representing the translational acceleration are introduced, and the covariance matrix R of the observation noise wk according to the magnitude of the translational acceleration component is sequentially set.

観測ベクトルyのロール角θ0k及びピッチ角φ0kの算出精度は、それぞれ左右加速度ayk、前後加速度axkに支配され、いずれも並進加速度により誤差が生じうる。左右加速度aykについては急曲線通過時の衝撃応答が並進加速度として現れ、前後加速度axkについては車両速度を一定に保つための加減速が並進加速度として現れる。そこで、それぞれの並進加速度を表す指標R、Rを定義する。 The calculation accuracy of the roll angle θ 0k and pitch angle φ 0k of the observation vector y k is governed by the lateral acceleration a yk and the longitudinal acceleration a xk , respectively, and errors may occur in both cases due to translational acceleration. For the lateral acceleration a yk , the shock response when passing through a sharp curve appears as translational acceleration, and for the longitudinal acceleration a xk , the acceleration/deceleration required to keep the vehicle speed constant appears as translational acceleration. Therefore, indexes R x and R y representing the respective translational accelerations are defined.

指標Rは、前後加速度の測定値aからバンドパスフィルタにより高周波成分のみを抽出し、抽出した値を二乗した後、所定区間(移動平均サンプル数)の移動平均を取った値とする。指標Rは、左右加速度の測定値aからバンドパスフィルタにより高周波成分のみを抽出し、抽出した値を二乗した後、所定区間(移動平均サンプル数)の移動平均を取った値とする。指標R、Rは、低周波の応答(すなわち、重力加速度射影成分から推定される傾斜角)を補正する指標であることから、二乗して移動平均をとることにより高周波を除いた値とすることで、推定値を安定化させる。例えば、抽出する高周波成分は1~7Hzの周波数成分とし、移動平均サンプル数は250サンプル時間としてもよい。 The index R x is a value obtained by extracting only high-frequency components from the measured value a x of the longitudinal acceleration using a band-pass filter, squaring the extracted value, and then taking a moving average for a predetermined section (number of moving average samples). The index R y is a value obtained by extracting only high-frequency components from the measured value a y of the lateral acceleration using a band-pass filter, squaring the extracted value, and then taking a moving average for a predetermined section (number of moving average samples). Since the indexes R x and R y are indexes for correcting low-frequency responses (i.e., the tilt angle estimated from the gravitational acceleration projection component), the estimated value is stabilized by squaring and taking a moving average to remove high frequencies. For example, the high-frequency components to be extracted may be frequency components of 1 to 7 Hz, and the number of moving average samples may be 250 sample times.

衝撃応答あるいは加減速による応答は、外部から作用する強制的な応答であり、全周波数成分において卓越していると仮定できる。一方、例えば1Hz未満の低周波数帯では角度変化による成分が卓越しており、例えば7Hz超の高周波数帯では計測ノイズが卓越していると考えられる。これより、本実施形態では、バンドパスフィルタを用いてこれらの帯域の周波数成分を除去している。 The shock response or the response due to acceleration/deceleration is a forced response acting from the outside, and can be assumed to be dominant in all frequency components. On the other hand, it is considered that components due to angle changes are dominant in the low frequency band, for example, less than 1 Hz, and measurement noise is dominant in the high frequency band, for example, above 7 Hz. For this reason, in this embodiment, a bandpass filter is used to remove the frequency components in these bands.

詳細には、車両速度がほぼ一定状態であると仮定すると、フィルタリングを施す計測データ中の車両の平均速度をVave[m/s]、軌道変位の最大空間周波数Fspace[cycle/m]としたとき、時刻歴波形のカットオフ周波数Ftime[Hz]は下記式(8)により表すことができる。 In detail, assuming that the vehicle speed is almost constant, the average vehicle speed in the measurement data to be filtered is V ave [m/s], and the maximum spatial frequency of the track irregularity is F space [cycle/m], the cutoff frequency F time [Hz] of the time history waveform can be expressed by the following equation (8).

time=Fspace×Vave ・・・(8) F time = F space × V ave ... (8)

平面性変位の特性は、おおよそ、軌道変位の最大空間周波数Fspace=1、車両速度Vave=1である。これより、平面性変位の推定においては、低周波数帯と高周波数帯との境界とするカットオフ周波数Ftimeを1Hzとしている。 The track irregularity has the following characteristics: the maximum spatial frequency of the track irregularity F space =1, and the vehicle speed V ave =1. Therefore, in estimating the track irregularity, the cutoff frequency F time that is the boundary between the low frequency band and the high frequency band is set to 1 Hz.

高周波のカットオフ周波数Ftime_hについては、経験式として、下記式(9)のような一般性を持った形として表すことができる。 The high-frequency cutoff frequency F time_h can be expressed as an empirical formula having generality as shown in the following formula (9).

time_h=7×Fspace×Vave ・・・(9) F time_h = 7 x F space x V ave ... (9)

指標R、Rの移動平均サンプル数sについては、経験式として、計測値のサンプリング周波数fs[Hz]から下記式(10)により表すことができる。 The moving average sample number s of the indices R x and R y can be expressed as an empirical formula by the following formula (10) using the sampling frequency fs [Hz] of the measurement value.

s=fs/(2×Ftime) ・・・(10) s=fs/(2×F time ) (10)

例えば、サンプリング周波数fs=500Hz、カットオフ周波数Ftime=1Hzであるとき、移動平均サンプル数sは250サンプル時間となる。 For example, when the sampling frequency fs=500 Hz and the cutoff frequency F time =1 Hz, the number of moving average samples s is 250 sample times.

図5は並進加速度を表す指標Rの一例であり、図6は並進加速度を表す指標Rの一例である。図5において、破線枠で示した指標Rの値が大きい位置では、車両速度を一定に保つための加減速の影響を受けていることを表している。また、図6において、破線枠で示した指標Rの値が大きい位置では、急曲線通過時の衝撃の影響を受けていることを表している。 Fig. 5 shows an example of an index Rx representing translational acceleration, and Fig. 6 shows an example of an index Ry representing translational acceleration. In Fig. 5, positions where the value of the index Rx shown in a dashed line frame is large indicate that the vehicle is being influenced by acceleration/deceleration to keep the vehicle speed constant. Also, in Fig. 6, positions where the value of the index Ry shown in a dashed line frame is large indicate that the vehicle is being influenced by an impact when passing through a sharp curve.

次に、算出された指標R、Rを用いて、並進加速度成分の大きさに応じた観測ノイズwを逐次的に設定する。記誤差共分散行列R(k)は、対角成分に、抽出された並進加速度成分に対して所定の係数を乗じた値を加算して設定してもよい。具体的には、時刻kにおける観測ノイズwの分散共分散行列R(k)は、並進加速度成分を表す指標R(k)、R(k)、及び、指標R(k)、R(k)に対する係数K、Kを用いて、下記式(11)のように設定される。 Next, the calculated indices R x and R y are used to sequentially set the observation noise w k according to the magnitude of the translational acceleration component. The error covariance matrix R(k) may be set by adding a value obtained by multiplying the extracted translational acceleration component by a predetermined coefficient to the diagonal components. Specifically, the variance-covariance matrix R(k) of the observation noise w k at time k is set as shown in the following formula (11) using indices R y (k) and R x (k) representing the translational acceleration components, and coefficients K y and K x for the indices R y (k) and R x (k).

Figure 0007628028000005
Figure 0007628028000005

また、プロセスノイズQは、時刻によらず一定とし、例えば下記式(12)のように設定してもよい。 In addition, the process noise Q may be set to be constant regardless of time, for example, as shown in the following equation (12).

Figure 0007628028000006
Figure 0007628028000006

なお、係数K、Kは、指標R(k)、R(k)から上記式(7)で表される観測方程式のノイズ分散を設定するための値であり、理論的に導出することはできない。このため、係数K、Kには、平面性変位の推定精度が最も高くなる値が最適値として設定される。プロセスノイズQも、平面性変位の推定精度が最も高くなる値に基づき、適宜設定される。 The coefficients K y and K x are values for setting the noise variance of the observation equation expressed by the above formula (7) from the indices R y (k) and R x (k), and cannot be derived theoretically. Therefore, the coefficients K y and K x are set to values that maximize the estimation accuracy of the planarity deviation as optimal values. The process noise Q is also appropriately set based on the value that maximizes the estimation accuracy of the planarity deviation.

このように、本実施形態では、時刻kにおける観測ノイズwの分散共分散行列R(k)を上記式(11)のように設定し、上記式(7)に示した観測方程式の観測ノイズwを並進加速度成分の大きさに応じて逐次的に設定する。これにより、慣性計測装置30を軸箱27に設けることによって計測値に含まれる、車両走行時の並進加速度成分による誤差影響を低減することができる。その結果、時刻kにおける観測ベクトルy、すなわち、ロール角の推定値θ0k及びピッチ角の推定値φ0kを精度よく求めることができる。式(5)~式(7)で表され、式(11)により観測ノイズwの分散共分散行列R(k)が設定された状態空間モデルに基づくカルマンフィルタにより、ロール角θ及びピッチ角φが推定されれば、上記式(1)及び式(2)を用いて、平面性変位Tw(x)を算出することができる。 In this manner, in this embodiment, the variance-covariance matrix R(k) of the observation noise w k at time k is set as in the above formula (11), and the observation noise w k of the observation equation shown in the above formula (7) is sequentially set according to the magnitude of the translational acceleration component. This makes it possible to reduce the influence of errors due to the translational acceleration component during vehicle travel, which is included in the measurement value by providing the inertial measurement unit 30 on the axle box 27. As a result, the observation vector y k at time k, that is, the estimated value θ 0k of the roll angle and the estimated value φ 0k of the pitch angle, can be obtained with high accuracy. If the roll angle θ k and the pitch angle φ k are estimated by the Kalman filter based on the state space model expressed by formulas (5) to (7) and in which the variance-covariance matrix R(k) of the observation noise w k is set by formula (11), the planarity displacement Tw(x) can be calculated using the above formulas (1) and (2).

[2-2.軌道状態推定装置]
図7に基づいて、上述の軌道状態推定手法に基づき軌道状態を推定する軌道状態推定装置100の構成について説明する。図7は、本実施形態に係る軌道状態推定装置100の構成を示す機能ブロック図である。軌道状態推定装置100は、図7に示すように、傾斜角推定部110と、軌道状態算出部120とを有する。
[2-2. Orbit state estimation device]
The configuration of a track state estimation device 100 that estimates the track state based on the above-mentioned track state estimation method will be described with reference to Fig. 7. Fig. 7 is a functional block diagram showing the configuration of the track state estimation device 100 according to this embodiment. As shown in Fig. 7, the track state estimation device 100 has an inclination angle estimation unit 110 and a track state calculation unit 120.

傾斜角推定部110は、車両1の軸箱27に設置された慣性計測装置30により計測された3軸加速度axk、ayk、azk及び3軸角速度ωxk、ωyk、ωzkに基づいて、輪軸25の水平傾斜角(ロール角θ)及び前後傾斜角(ピッチ角φ)を推定する。 The inclination angle estimation unit 110 estimates the horizontal inclination angle (roll angle θ k ) and the longitudinal inclination angle (pitch angle φ k ) of the wheel set 25 based on the three-axis accelerations a xk , a yk , a zk and the three-axis angular velocities ω xk , ω yk , ω zk measured by the inertial measurement unit 30 installed on the axle box 27 of the vehicle 1.

まず、傾斜角推定部110は、3軸加速度の計測値axk、ayk、azkから重力加速度射影成分と並進加速度成分とを抽出する。また、傾斜角推定部110は、3軸加速度の計測値axk、ayk、azkから抽出された並進加速度成分から、並進加速度を表す指標R、Rを算出し、上記式(11)を用いて時刻kにおける観測ノイズwの分散共分散行列R(k)を設定する。そして、傾斜角推定部110は、上記式(7)において、設定した分散共分散行列R(k)を用いて、観測ベクトルy(ロール角の推定値θ0k及びピッチ角の推定値φ0k)を算出する。さらに、傾斜角推定部110は、式(5)~式(7)で表され、式(11)により観測ノイズwの分散共分散行列R(k)が設定された状態空間モデルに基づくカルマンフィルタにより、ロール角θ及びピッチ角φを算出する。傾斜角推定部110は、算出した輪軸25のロール角θ及びピッチ角φを、軌道状態算出部120へ出力する。 First, the tilt angle estimator 110 extracts gravitational acceleration projection components and translational acceleration components from the three-axis acceleration measurement values a xk , a yk , and a zk . The tilt angle estimator 110 also calculates indices R x and R y representing translational acceleration from the translational acceleration components extracted from the three-axis acceleration measurement values a xk , a yk , and a zk , and sets the variance-covariance matrix R(k) of the observation noise w k at time k using the above formula (11). The tilt angle estimator 110 then calculates the observation vector y k (the roll angle estimated value θ 0k and the pitch angle estimated value φ 0k ) using the set variance-covariance matrix R(k) in the above formula (7). Furthermore, the inclination angle estimation unit 110 calculates the roll angle θ k and the pitch angle φ k by a Kalman filter based on the state space model expressed by equations (5) to (7) and in which the variance-covariance matrix R(k) of the observation noise w k is set by equation (11). The inclination angle estimation unit 110 outputs the calculated roll angle θ k and pitch angle φ k of the wheel set 25 to the track state calculation unit 120.

軌道状態算出部120は、輪軸25の水平傾斜角(ロール角θ)及び前後傾斜角(ピッチ角φ)に基づいて、軌道状態を表す軌道状態情報を算出する。本実施形態では、軌道状態情報として、平面性変位が算出される。平面性変位を軌道状態情報として求める場合、軌道状態算出部120は、傾斜角推定部110により算出された輪軸25のロール角θに基づき、上記式(1)及び式(2)を用いて、平面性変位Tw(x)を算出する。軌道状態算出部120は、算出した平面性変位Tw(x)を、例えば出力装置200へ出力する。出力装置200は、例えばディスプレイ等の表示装置であってもよい。 The track state calculation unit 120 calculates track state information representing the track state based on the horizontal inclination angle (roll angle θ k ) and the longitudinal inclination angle (pitch angle φ k ) of the wheel set 25. In this embodiment, a runway deviation is calculated as the track state information. When a runway deviation is obtained as the track state information, the track state calculation unit 120 calculates a runway deviation Tw(x) using the above formulas (1) and (2) based on the roll angle θ k of the wheel set 25 calculated by the inclination angle estimation unit 110. The track state calculation unit 120 outputs the calculated runway deviation Tw(x) to, for example, the output device 200. The output device 200 may be, for example, a display device such as a display.

本実施形態に係る軌道状態推定装置100は、例えばCPU(Central Processing Unit)やDSP(Digital Signal Processor)等の各種のプロセッサによって構成され、当該プロセッサが所定のプログラムにしたがって動作されることにより上記機能を実現し得る。 The track state estimation device 100 according to this embodiment is configured with various processors, such as a CPU (Central Processing Unit) and a DSP (Digital Signal Processor), and the above functions can be realized by operating the processors according to a predetermined program.

本実施形態に係る軌道状態推定装置100は、車両1に設置されてもよく、別途の場所に設置されていてもよい。慣性計測装置30による3軸加速度の計測値axk、ayk、azk及び3軸角速度の計測値ωxk、ωyk、ωzkは、位置検出装置によって検出されたレール5上の車両1の絶対位置に関連付けて、記憶装置(図示せず。)に記録されている。軌道状態推定装置100は、記憶装置に記録された3軸加速度の計測値ayk、azk、3軸角速度の計測値ωxk、ωyk、ωzk、及び、車両1の絶対位置を取得することにより、軌道状態を推定し得る。 The track state estimation device 100 according to this embodiment may be installed on the vehicle 1 or may be installed at a separate location. The measurement values a xk , a yk , a zk of the three-axis acceleration and the measurement values ω xk , ω yk , ω zk of the three-axis angular velocity obtained by the inertial measurement unit 30 are recorded in a storage device (not shown) in association with the absolute position of the vehicle 1 on the rail 5 detected by the position detection device. The track state estimation device 100 can estimate the track state by acquiring the measurement values a yk , a zk of the three-axis acceleration, the measurement values ω xk , ω yk , ω zk of the three-axis angular velocity, and the absolute position of the vehicle 1 recorded in the storage device.

[2-3.軌道状態推定方法]
図8に基づいて、本実施形態に係る軌道状態推定装置100により実施される軌道状態推定方法を説明する。図8は、本実施形態に係る軌道状態推定方法の一例を示すフローチャートである。
[2-3. Orbit state estimation method]
A track state estimation method implemented by the track state estimation device 100 according to this embodiment will be described with reference to Fig. 8. Fig. 8 is a flowchart showing an example of the track state estimation method according to this embodiment.

(S10、S20:3軸加速度及び3軸角速度の取得)
まず、車両1の軸箱27に設置された慣性計測装置30により、3軸加速度axk、ayk、azk及び3軸角速度ωxk、ωyk、ωzkが計測される(S10、S20)。慣性計測装置30により計測された3軸加速度及び3軸角速度の計測値axk、ayk、azk、ωxk、ωyk、ωzkは、軌道状態推定装置100の傾斜角推定部110へ出力される。
(S10, S20: Acquisition of 3-axis acceleration and 3-axis angular velocity)
First, the three-axis accelerations a xk , a yk , a zk and the three-axis angular velocities ω xk , ω yk , ω zk are measured by the inertial measurement unit 30 installed on the axle box 27 of the vehicle 1 (S10, S20). The measured values of the three-axis accelerations and the three-axis angular velocities a xk , a yk , a zk , ω xk , ω yk , ω zk measured by the inertial measurement unit 30 are output to the inclination angle estimation unit 110 of the track state estimation device 100.

(S30:重力加速度射影成分の抽出)
次いで、傾斜角推定部110は、3軸加速度の計測値axk、ayk、azkから、重力加速度射影成分を抽出する(S30)。3軸加速度の計測値axk、ayk、azkの重力加速度射影成分は、加速度低周波成分であり、例えば0~1Hzの成分とする。傾斜角推定部110は、例えばローパスフィルタにより、3軸加速度の計測値axk、ayk、azkから重力加速度射影成分を抽出し得る。
(S30: Extraction of gravitational acceleration projection component)
Next, the tilt angle estimation unit 110 extracts gravitational acceleration projection components from the three-axis acceleration measurement values a xk , a yk , and a zk (S30). The gravitational acceleration projection components of the three-axis acceleration measurement values a xk , a yk , and a zk are acceleration low-frequency components, for example, components of 0 to 1 Hz. The tilt angle estimation unit 110 can extract the gravitational acceleration projection components from the three-axis acceleration measurement values a xk , a yk , and a zk by, for example, a low-pass filter.

(S40:並進加速度成分の抽出)
また、傾斜角推定部110は、3軸加速度の計測値axk、ayk、azkから、並進加速度成分を抽出する(S40)。3軸加速度の計測値axk、ayk、azkの並進加速度成分は、加速度高周波成分であり、例えば1~7Hzの成分とする。傾斜角推定部110は、例えばバンドパスフィルタにより、3軸加速度の計測値axk、ayk、azkから並進加速度成分を抽出し得る。上述したように、平面性変位について、車両1の曲線走行時に卓越する衝撃に起因した加速度成分である並進加速度成分が、ロール角の推定値θ及びピッチ角の推定値φの推定精度に大きく影響しているとの知見が得られている。そこで、傾斜角推定部110は、並進加速度成分を抽出し、並進加速度を表す指標R、Rを算出する。
(S40: Extraction of translational acceleration component)
The inclination angle estimator 110 also extracts translational acceleration components from the measured values a xk , a yk , and a zk of the three-axis acceleration (S40). The translational acceleration components of the measured values a xk , a yk , and a zk of the three-axis acceleration are high-frequency acceleration components, for example, components of 1 to 7 Hz. The inclination angle estimator 110 can extract the translational acceleration components from the measured values a xk , a yk , and a zk of the three-axis acceleration, for example, by using a band-pass filter. As described above, it has been found that, with respect to planarity displacement, the translational acceleration components, which are acceleration components caused by impacts that predominate when the vehicle 1 is traveling around a curve, greatly affect the estimation accuracy of the estimated value θ k of the roll angle and the estimated value φ k of the pitch angle. Therefore, the inclination angle estimator 110 extracts the translational acceleration components and calculates the indices R x and R y that represent the translational acceleration.

(S50:傾斜角の推定)
次いで、傾斜角推定部110は、輪軸25の傾斜角θ(ここでは、ロール角θx)を推定する(S50)。輪軸25のロール角θxは、上記式(5)~式(7)で表される状態空間モデルに基づくカルマンフィルタを用いて算出し得る。ここで、傾斜角推定部110は、ステップS40にて算出した指標R、Rを用いて、上記式(11)から時刻kにおける観測ノイズwの分散共分散行列R(k)を設定する。これにより、上記式(7)に示した観測方程式の観測ノイズwが、並進加速度成分の大きさに応じて逐次的に設定される。その結果、慣性計測装置30を軸箱27に設けることによって計測値に含まれる、車両走行時の並進加速度成分による誤差影響が低減され、観測ベクトルy(ロール角の推定値θ0k及びピッチ角の推定値φ0k)を精度よく求めることができる。
(S50: Estimation of tilt angle)
Next, the inclination angle estimator 110 estimates the inclination angle θ (here, the roll angle θx) of the wheel set 25 (S50). The roll angle θx of the wheel set 25 can be calculated using a Kalman filter based on the state space model expressed by the above formulas (5) to (7). Here, the inclination angle estimator 110 sets the variance-covariance matrix R(k) of the observation noise w k at time k from the above formula (11) using the indexes R x and R y calculated in step S40. Thereby, the observation noise w k of the observation equation shown in the above formula (7) is sequentially set according to the magnitude of the translational acceleration component. As a result, the inertial measurement unit 30 is provided on the axle box 27, and the influence of errors due to the translational acceleration component during vehicle travel, which is included in the measurement value, is reduced, and the observation vector y k (the estimated value θ 0k of the roll angle and the estimated value φ 0k of the pitch angle) can be obtained with high accuracy.

傾斜角推定部110は、式(5)~式(7)で表され、式(11)により観測ノイズwの分散共分散行列R(k)が設定された状態空間モデルに基づくカルマンフィルタにより、ロール角θ及びピッチ角φを算出する。そして、傾斜角推定部110は、算出した輪軸25のロール角θ及びピッチ角φを、軌道状態算出部120へ出力する。 The inclination angle estimation unit 110 calculates the roll angle θ k and the pitch angle φ k by a Kalman filter based on a state space model represented by equations (5) to (7) and in which the variance-covariance matrix R(k) of the observation noise w k is set by equation (11). The inclination angle estimation unit 110 then outputs the calculated roll angle θ k and pitch angle φ k of the wheel set 25 to the track state calculation unit 120.

(S60:軌道状態情報の推定)
その後、軌道状態算出部120は、輪軸25の水平傾斜角(ロール角θ)及び前後傾斜角(ピッチ角φ)に基づいて、軌道状態を表す軌道状態情報を算出する(S60)。本実施形態では、軌道状態情報として、平面性変位が算出される。平面性変位を軌道状態情報として求める場合、軌道状態算出部120は、ステップS50にて算出された輪軸25のロール角θに基づき、上記式(1)及び式(2)を用いて、平面性変位Tw(x)を算出する。軌道状態算出部120は、算出した平面性変位Tw(x)を、出力装置200へ出力する。
(S60: Estimation of track state information)
Thereafter, the track condition calculation unit 120 calculates track condition information representing the track condition based on the horizontal tilt angle (roll angle θ k ) and longitudinal tilt angle (pitch angle φ k ) of the wheel set 25 (S60). In this embodiment, a runway deviation is calculated as the track condition information. When a runway deviation is obtained as the track condition information, the track condition calculation unit 120 calculates a runway deviation Tw(x) using the above formulas (1) and (2) based on the roll angle θ k of the wheel set 25 calculated in step S50. The track condition calculation unit 120 outputs the calculated runway deviation Tw(x) to the output device 200.

[3.まとめ]
以上、本発明の一実施形態に係る車両と、軌道状態として平面性変位を推定する軌道状態推定装置及び軌道状態推定方法とについて説明した。本実施形態によれば、車両の軸箱に慣性計測装置を設置し、当該慣性計測装置により計測された3軸加速度及び3軸角速度に基づいて、輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角を推定する。輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角はカルマンフィルタにより推定し得る。この際、慣性計測装置の計測値に含まれる車両走行時の並進加速度成分による誤差影響を低減するため、車両走行時の3軸加速度の計測値から誤差因子となる並進加速度成分をフィルタリング処理により抽出し、抽出された並進加速度成分に基づいてカルマンフィルタの観測誤差共分散行列を逐次的に設定する。これにより、輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角を精度よく推定することができる。高精度に輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角を推定することで、平面性変位の推定精度を高めることができる。また、車両を走行させれば3軸加速度及び3軸角速度を測定することができるため、簡易に検測することができる。
3. Summary
The vehicle according to one embodiment of the present invention, and the track condition estimation device and the track condition estimation method for estimating the turntable deviation as the track condition have been described above. According to this embodiment, an inertial measurement unit is installed on the axle box of the vehicle, and the horizontal inclination angle and the longitudinal inclination angle of the wheel set are estimated based on the three-axis acceleration and the three-axis angular velocity measured by the inertial measurement unit. The horizontal inclination angle and the longitudinal inclination angle of the wheel set can be estimated by a Kalman filter. In this case, in order to reduce the influence of errors due to the translational acceleration component during vehicle running contained in the measurement value of the inertial measurement unit, the translational acceleration component that is an error factor is extracted from the measurement value of the three-axis acceleration during vehicle running by filtering processing, and the observation error covariance matrix of the Kalman filter is sequentially set based on the extracted translational acceleration component. This makes it possible to accurately estimate the horizontal inclination angle and the longitudinal inclination angle of the wheel set. By estimating the horizontal inclination angle and the longitudinal inclination angle of the wheel set with high accuracy, the estimation accuracy of the turntable deviation can be improved. In addition, the three-axis acceleration and the three-axis angular velocity can be measured by running the vehicle, so that the measurement can be easily performed.

上記実施形態に係る軌道状態推定手法の有効性を検証するため、当該軌道状態推定手法による平面性変位の推定値を評価した。検証に使用した車両は、図1に示した構成の車両であり、車両進行方向(X方向)最前の一対の車輪の軸箱にそれぞれ慣性計測装置を設けた。軌道条件として、走行区間は、一部に最大40mm程度の平面性変位が設けられた全長200mの曲線区間(R=100m)を設定した。 To verify the effectiveness of the track state estimation method according to the above embodiment, the estimated values of track roughness using the track state estimation method were evaluated. The vehicle used for the verification was a vehicle with the configuration shown in FIG. 1, and an inertial measurement unit was installed on each of the axle boxes of the pair of wheels at the front of the vehicle in the direction of travel (X direction). As track conditions, the running section was set to a curved section (R = 100 m) with a total length of 200 m and a part of which had a track roughness of up to about 40 mm.

本検証では、手押し式の軌道検測装置により測定された平面性測定値を真値(True)とした。実施例として、上記実施形態に係る軌道状態推定手法を用いて平面性測定値を推定した。このとき、上記式(11)における係数K、Kについて、平面性変位の推定精度が最も高くなる値を探索した。その結果、係数K、Kはともに1.0×10-6となり、かかる係数K、Kに基づき分散共分散行列Rを設定した。プロセスノイズQは上記式(12)とした。 In this verification, the planarity measurement values measured by a hand-pushed track inspection device were taken as true values (True). As an example, the planarity measurement values were estimated using the track state estimation method according to the above embodiment. At this time, for the coefficients K y and K x in the above formula (11), values that would provide the highest accuracy in estimating planarity deviation were searched for. As a result, both the coefficients K y and K x were 1.0×10 −6 , and the variance-covariance matrix R was set based on these coefficients K y and K x . The process noise Q was taken as given by the above formula (12).

比較例として、上記式(7)に示した観測方程式の観測ノイズwを固定値として観測ベクトルyを算出し、平面性変位を算出した。すなわち、比較例では、車両の曲線走行時に卓越する衝撃に起因した加速度成分(並進加速度成分)がノイズとして残っている状態で、平面性変位が推定される。比較例において、分散共分散行列R及びロセスノイズQは下記の通りとした。 As a comparative example, the observation noise wk in the observation equation shown in the above formula (7) is set as a fixed value to calculate the observation vector yk , and the flatness deviation is calculated. That is, in the comparative example, the flatness deviation is estimated in a state where the acceleration component (translational acceleration component) caused by the impact that is prominent when the vehicle is traveling on a curve remains as noise. In the comparative example, the variance-covariance matrix R and the process noise Q are as follows.

Figure 0007628028000007
Figure 0007628028000007

図9に、実施例及び比較例において推定された平面性変位を示す。図9に示すように、比較例では、推定された平面性変位は真値からずれが生じていたが、実施例では、推定された平面性変位は真値とほぼ同値となった。これより、上記実施形態に係る軌道状態推定手法を適用することで、車両走行時の衝撃応答による影響をはじめとする並進加速度による誤差影響が低減され、平面性変位の推定精度を高めることができることが示された。 Figure 9 shows the planarity deviations estimated in the example and the comparative example. As shown in Figure 9, in the comparative example, the estimated planarity deviation deviated from the true value, but in the example, the estimated planarity deviation was almost the same as the true value. This shows that by applying the track state estimation method according to the above embodiment, the influence of errors due to translational acceleration, including the influence of shock response during vehicle travel, can be reduced, and the estimation accuracy of planarity deviation can be improved.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 The above describes in detail preferred embodiments of the present invention with reference to the attached drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is clear that a person with ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can conceive of various modified or revised examples within the scope of the technical ideas described in the claims, and it is understood that these also naturally fall within the technical scope of the present invention.

例えば、上記実施形態では、3軸加速度の計測値axk、ayk、azkの重力加速度射影成分である加速度低周波成分を0~1Hzの成分とし、3軸加速度の計測値axk、ayk、azkの並進加速度成分である加速度高周波成分を1~7Hzの成分としたが、本発明はかかる例に限定されない。上記加速度低周波成分及び加速度高周波成分の周波数帯域は、例えば、製鉄所において重量の大きい資材等を搬送するために使用される、低速走行車両を想定して設定されたものである。加速度低周波成分及び加速度高周波成分の周波数帯域は、例えば上記式(8)及び式(9)に基づき、車両の走行速度に応じて適宜設定すればよい。指標R、Rの移動平均サンプル数sについても、上記式(10)に基づき設定すればよい。 For example, in the above embodiment, the acceleration low-frequency components, which are the gravitational acceleration projection components of the three-axis acceleration measurement values a xk , a yk , and a zk, are set to 0 to 1 Hz, and the acceleration high-frequency components, which are the translational acceleration components of the three-axis acceleration measurement values a xk , a yk , and a zk, are set to 1 to 7 Hz, but the present invention is not limited to such an example. The frequency bands of the acceleration low-frequency components and the acceleration high-frequency components are set assuming a low-speed vehicle used, for example, to transport heavy materials in a steelworks. The frequency bands of the acceleration low-frequency components and the acceleration high-frequency components may be appropriately set according to the vehicle's running speed, for example, based on the above formulas (8) and (9). The moving average sample number s of the indexes R x and R y may also be set based on the above formula (10).

1 車両
5 レール
10 車体部
20 台車部
21 台車枠
23 車輪
25 輪軸
27 軸箱
29 コイルばね
30 慣性計測装置
100 軌道状態推定装置
110 傾斜角推定部
120 軌道状態算出部
200 出力装置
REFERENCE SIGNS LIST 1 vehicle 5 rail 10 vehicle body section 20 bogie section 21 bogie frame 23 wheel 25 wheel set 27 axle box 29 coil spring 30 inertial measurement device 100 track state estimation device 110 tilt angle estimation section 120 track state calculation section 200 output device

Claims (5)

車両の軸箱に設置された慣性計測装置により計測された3軸加速度及び3軸角速度に基づいて、輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角を推定する傾斜角推定ステップと、
前記輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角に基づいて、軌道状態を表す軌道状態情報を算出する軌道状態算出ステップと、
を含み、
前記傾斜角推定ステップでは、
前記慣性計測装置により計測された3軸加速度から、車両走行時の並進加速度成分をフィルタリング処理により抽出し、
抽出された前記並進加速度成分に基づいて、カルマンフィルタの観測モデルの誤差共分散行列を設定し、
前記誤差共分散行列が設定された観測モデルにより構成される状態空間モデルから定式化されたカルマンフィルタを用いて、前記3軸加速度及び前記3軸角速度から前記輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角を推定し、
前記軌道状態算出ステップでは、前記輪軸の水平傾斜角に基づいて、前記軌道状態情報として平面性変位が算出される、軌道状態推定方法。
an inclination angle estimating step of estimating a horizontal inclination angle and a longitudinal inclination angle of a wheel set based on a three-axis acceleration and a three-axis angular velocity measured by an inertial measurement device installed on an axle box of the vehicle;
a track condition calculation step of calculating track condition information representing a track condition based on the horizontal inclination angle and the longitudinal inclination angle of the wheel set;
Including,
In the tilt angle estimation step,
extracting a translational acceleration component during vehicle travel from the three-axis acceleration measured by the inertial measurement unit through a filtering process;
setting an error covariance matrix of an observation model of a Kalman filter based on the extracted translational acceleration component;
estimating a horizontal inclination angle and a longitudinal inclination angle of the wheel set from the three-axis acceleration and the three-axis angular velocity using a Kalman filter formulated from a state space model configured by an observation model in which the error covariance matrix is set;
A track condition estimating method , wherein in the track condition calculating step, a turn error is calculated as the track condition information based on a horizontal tilt angle of the wheelset .
前記並進加速度成分は、前記3軸加速度のうち左右加速度及び前後加速度に対して、軌道変位の卓越する周波数成分を除去するバンドパスフィルタ処理により抽出される、請求項に記載の軌道状態推定方法。 2. The orbit state estimating method according to claim 1 , wherein the translational acceleration components are extracted by band-pass filtering to remove frequency components in which track irregularity predominates from the lateral acceleration and the longitudinal acceleration among the three-axis accelerations. 前記誤差共分散行列は、対角成分に、抽出された前記並進加速度成分に対して所定の係数を乗じた値を加算して設定される、請求項またはに記載の軌道状態推定方法。 3. The orbit state estimation method according to claim 1 , wherein the error covariance matrix is set by adding values obtained by multiplying the extracted translational acceleration components by predetermined coefficients to diagonal elements. 車両の軸箱に設置された慣性計測装置により計測された3軸加速度及び3軸角速度に基づいて、輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角を推定する傾斜角推定部と、
前記輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角に基づいて、軌道状態を表す軌道状態情報を算出する軌道状態算出部と、
を備え
前記傾斜角推定部は、
前記慣性計測装置により計測された3軸加速度から、車両走行時の並進加速度成分をフィルタリング処理により抽出し、
抽出された前記並進加速度成分に基づいて、カルマンフィルタの観測モデルの誤差共分散行列を設定し、
前記誤差共分散行列が設定された観測モデルにより構成される状態空間モデルから定式化されたカルマンフィルタを用いて、前記3軸加速度及び前記3軸角速度から前記輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角を推定し、
前記軌道状態算出部は、前記輪軸の水平傾斜角に基づいて、前記軌道状態情報として平面性変位を算出する、軌道状態推定装置。
an inclination angle estimation unit that estimates a horizontal inclination angle and a longitudinal inclination angle of a wheel set based on a three-axis acceleration and a three-axis angular velocity measured by an inertial measurement device installed on an axle box of the vehicle;
a track condition calculation unit that calculates track condition information representing a track condition based on the horizontal inclination angle and the longitudinal inclination angle of the wheel set;
Equipped with
The tilt angle estimation unit is
extracting a translational acceleration component during vehicle travel from the three-axis acceleration measured by the inertial measurement unit through a filtering process;
setting an error covariance matrix of an observation model of a Kalman filter based on the extracted translational acceleration component;
estimating a horizontal inclination angle and a longitudinal inclination angle of the wheel set from the three-axis acceleration and the three-axis angular velocity using a Kalman filter formulated from a state space model configured by an observation model in which the error covariance matrix is set;
The track state estimation device, wherein the track state calculation unit calculates a turn error as the track state information based on a horizontal tilt angle of the wheelset .
車両の軸箱に設置された慣性計測装置と、
前記慣性計測装置により計測された3軸加速度及び3軸角速度に基づいて、輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角を推定する傾斜角推定部、及び、
前記輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角に基づいて、軌道状態を表す軌道状態情報を算出する軌道状態算出部、を有する軌道状態推定装置と、
を備え
前記軌道状態推定装置は、
前記傾斜角推定部により、
前記慣性計測装置により計測された3軸加速度から、車両走行時の並進加速度成分をフィルタリング処理により抽出し、
抽出された前記並進加速度成分に基づいて、カルマンフィルタの観測モデルの誤差共分散行列を設定し、
前記誤差共分散行列が設定された観測モデルにより構成される状態空間モデルから定式化されたカルマンフィルタを用いて、前記3軸加速度及び前記3軸角速度から前記輪軸の水平傾斜角及び前後傾斜角を推定し、
前記軌道状態算出部により、前記輪軸の水平傾斜角に基づいて、前記軌道状態情報として平面性変位を算出する、車両。
An inertial measurement unit installed on an axle box of the vehicle;
a tilt angle estimation unit that estimates a horizontal tilt angle and a longitudinal tilt angle of a wheel set based on the three-axis acceleration and the three-axis angular velocity measured by the inertial measurement unit; and
a track condition estimating device having a track condition calculating unit that calculates track condition information representing a track condition based on the horizontal inclination angle and the longitudinal inclination angle of the wheelset;
Equipped with
The orbit state estimation device comprises:
The tilt angle estimation unit
extracting a translational acceleration component during vehicle travel from the three-axis acceleration measured by the inertial measurement unit through a filtering process;
setting an error covariance matrix of an observation model of a Kalman filter based on the extracted translational acceleration component;
estimating a horizontal inclination angle and a longitudinal inclination angle of the wheel set from the three-axis acceleration and the three-axis angular velocity using a Kalman filter formulated from a state space model configured by an observation model in which the error covariance matrix is set;
a track condition calculation unit calculating a turnability deviation as the track condition information based on a horizontal inclination angle of the wheelset .
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