列車の自車位置検出装置、車体傾斜制御システム、操舵システム、アクティブ制振システム及びセミアクティブ制振システム
【課題】列車の自車位置を高精度に検出する。
【解決手段】速度発電機３と、ＧＰＳ受信機２と、速度発電機３及びＧＰＳ受信機２の出力に基づいて基準位置からの走行距離と速度発電機３の出力を補正する誤差パラメータδkとを推定するカルマンフィルタ２１と、速度発電機３及びカルマンフィルタ２１の出力に基づいて基準位置からの走行距離を算出して列車位置を決定する自車位置決定部２２とを備え、自車位置決定部２２は、ＧＰＳ受信機２の出力の更新時には、カルマンフィルタ２１で推定された走行距離により列車位置を決定する一方、ＧＰＳ受信機２の出力の更新時以外には、速度発電機３の出力の更新時に、カルマンフィルタ２１で推定された走行距離のうち最新のものと、カルマンフィルタ２１で推定された誤差パラメータδ{＾}kのうち最新のものを用いて補正された速度発電機３の出力とに基づいて走行距離を積算して列車位置を決定する。
【解決手段】速度発電機３と、ＧＰＳ受信機２と、速度発電機３及びＧＰＳ受信機２の出力に基づいて基準位置からの走行距離と速度発電機３の出力を補正する誤差パラメータδkとを推定するカルマンフィルタ２１と、速度発電機３及びカルマンフィルタ２１の出力に基づいて基準位置からの走行距離を算出して列車位置を決定する自車位置決定部２２とを備え、自車位置決定部２２は、ＧＰＳ受信機２の出力の更新時には、カルマンフィルタ２１で推定された走行距離により列車位置を決定する一方、ＧＰＳ受信機２の出力の更新時以外には、速度発電機３の出力の更新時に、カルマンフィルタ２１で推定された走行距離のうち最新のものと、カルマンフィルタ２１で推定された誤差パラメータδ{＾}kのうち最新のものを用いて補正された速度発電機３の出力とに基づいて走行距離を積算して列車位置を決定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、速度センサ及び衛星測位受信機に基づいて列車の位置を検出する自車位置検出装置、それを備えた車体傾斜制御システム、操舵システム、アクティブ制振システム及びセミアクティブ制振システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、列車の走行位置を検出する方法として、速度発電機により得られる車輪回転数に車輪径を乗じて得た値を走行距離として積算し、線路近傍に設置されたＡＴＳ（Automatic Train Stop：自動列車停止装置）やＡＴＣ（Automatic Train Control：自動列車制御装置）の地上子の位置からの積算走行距離によって線路における現在の自車位置を算出する方法が知られている。しかし、走行摩耗による車輪径の変化や車輪のスリップ等により、積算走行距離に誤差が生じるという問題がある。そこで、ＧＰＳ(Global Positioning System)とヨーレートセンサと速度発電機を併用することにより、自車位置の検出精度を高める自車位置検出システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この自車位置検出システムは、ＧＰＳ情報の受信信頼度が高い場合には、ＧＰＳ情報のみにより自車位置を算出する。ＧＰＳ情報の受信信頼度が中程度の場合には、ＧＰＳ情報により取得した自車位置を基準としながら走行時にヨーレートセンサで検出されたヨーレートを既知のヨーレートマップに対照させて自車位置を特定する。ＧＰＳ情報の受信信頼度が低い場合には、車軸回転数による積算走行距離のみにより自車位置を算出する。なお、ヨーレートマップは、事前のテスト走行でヨーレートセンサの出力を記録し、線路上の位置にヨーレートを関連付けて予め保存したデータである。
【特許文献１】特開２００４−２７１２５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記自車位置検出システムでは、ヨーレートマップの作成時の列車と仕様の異なる列車を走行させた場合、マップ作成時の車両とはヨーレートの応答特性が異なるために、正確に自車位置を検出できないことがある。よって、仕様が異なる列車を走行させる場合には、再びテスト走行を実施してヨーレートマップを改めて作成し直さなければならないという手間が生じる。
【０００５】
そこで本発明は、手間を掛けずに列車の自車位置を高精度に検出できるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係る列車の自車位置検出装置は、列車の速度を検出する速度センサと、測位衛星から受信した情報に基づいて自己の位置を定期的に算出する衛星測位受信機と、前記速度センサ及び前記衛星測位受信機の出力に基づいて、基準位置からの走行距離と、前記速度センサの出力を補正するための誤差パラメータとを推定する状態推定器と、前記速度センサ及び前記状態推定器の出力に基づいて基準位置からの走行距離を算出して前記列車の位置を決定する自車位置決定手段とを備え、前記自車位置決定手段は、前記衛星測位受信機の出力の更新時には、前記状態推定器で推定された走行距離により前記列車の位置を決定する一方、前記衛星測位受信機の出力の更新時以外には、前記速度センサの出力の更新時に、前記状態推定器で推定された走行距離のうち最新のものと、前記状態推定器で推定された誤差パラメータのうち最新のものを用いて補正された前記速度センサの出力とに基づいて走行距離を積算し、前記列車の位置を決定することを特徴とする。
【０００７】
前記構成によれば、衛星測位信号不使用時に速度センサの出力に基づいて基準位置からの走行距離を積算する際、その積算の基準位置として状態推定器で求めた推定走行距離のうち最新のものを利用しているので、車輪径の変化や車輪のスリップ等により生じる積算走行距離の誤差が殆ど累積されない。かつ、速度センサの出力は、状態推定器で推定された誤差パラメータのうち最新のものを用いて補正されているので、衛星測位信号不使用期間が比較的長く続いたとしても、車輪径の変化や車輪のスリップ等により生じる積算走行距離の誤差が殆ど生じない。よって、速度センサの出力に基づいて走行距離を積算することで自車位置を求めても、精度が非常に良好となる。また、ヨーレートセンサの出力をヨーレートマップに対照させることを行わないので、仕様の異なる列車毎にテスト走行を実施してヨーレートマップを作成する必要がなく、仕様の異なる列車にも容易に適用することができる。したがって、あらゆる仕様の列車の自車位置を高精度に検出することが可能となる。
【０００８】
前記衛星測位受信機の出力の信頼度の程度を表す受信信頼度を算出する信頼度算出手段をさらに備え、前記状態推定器は、前記推定走行距離を算出する際の推定速度及び耐ノイズ性を調整可能なノイズパラメータを有し、前記ノイズパラメータは、その値が大きくなると推定速度が遅くなる代わりに耐ノイズ性が高まる一方、その値が小さくなると耐ノイズ性が低下する代わりに推定速度が速くなるパラメータであり、前記ノイズパラメータは、前記信頼度算出手段で求めた前記受信信頼度が高くなるにつれて小さくなるように設定される一方、前記信頼度算出手段で求めた前記受信信頼度が低くなるにつれて大きくなるように設定されてもよい。
【０００９】
前記構成によれば、衛星測位受信機の受信信頼度に応じてノイズパラメータの値が随時設定され、状態推定器において推定速度を優先させるか又は耐ノイズ性を優先させるかが随時決定される。つまり、受信信頼度が高くなると耐ノイズ性よりも推定速度の向上が優先され、受信信頼度が低くなると推定速度よりも耐ノイズ性の向上が優先される。したがって、状態推定器は、衛星測位受信機の受信信頼度に応じて最適な推定処理を実施することが可能となる。
【００１０】
線路近傍に設置されて位置が既知である地上子と無線通信して列車の位置を取得可能な車上子と、前記車上子により列車の位置情報が取得されると、その位置情報により、前記自車位置決定手段で決定する前記列車の位置を初期化する初期化手段とをさらに備えていてもよい。
【００１１】
前記構成によれば、列車が地上子を通過した際に地上子と通信した車上子が取得する列車の位置情報は正確であるので、その位置情報により自車位置決定手段で決定する列車の位置を初期化することで、列車の自車位置をより高精度に検出することが可能となる。
【００１２】
また、本発明の列車の車体傾斜制御システムは、前記自車位置検出装置と、線路上の位置に関連付けられた線路の曲線情報を保存する線路曲線データベースと、前記自車位置検出装置で検出された前記列車の位置から前記線路曲線データベースを参照して自車位置における線路の曲率を計算する曲率計算手段と、車体を進行方向に対して左右に傾斜させるように駆動するアクチュエータと、前記曲率計算手段の出力に応じて前記アクチュエータを制御する車体傾斜制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１３】
前記構成によれば、前述した自車位置検出装置により高精度に検出された列車の自車位置と線路曲線データベースと対照させることで、列車の現在地における線路の曲率が高精度に求められる。よって、この線路の曲率に応じてアクチュエータを制御し、車体の傾斜方向及び傾斜量を制御することで、乗り心地と安全性を両立させた最適な車体傾斜制御を実施することが可能となる。
【００１４】
また、本発明の列車の操舵システムは、前記自車位置検出装置と、線路上の位置に関連付けられた線路の曲線情報を保存する線路曲線データベースと、前記自車位置検出装置で検出された前記列車の位置から前記線路曲線データベースを参照して自車位置における線路の曲率を計算する曲率計算手段と、進行方向に対して左右に転向可能に支持された車輪を操舵させるアクチュエータと、前記曲率計算手段の出力に応じて前記アクチュエータを制御する操舵制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１５】
前記構成によれば、前述した自車位置検出装置により高精度に検出された列車の自車位置と線路曲線データベースと対照させることで、列車の現在地における線路の曲率が高精度に求められる。よって、この線路の曲率に応じてアクチュエータを制御し、車輪の操舵方向及び操舵量を制御することで、カーブ通過時に車輪がレールから受ける横圧を最適に低減することが可能となる。
【００１６】
また、本発明の列車のアクティブ制振システムは、前記自車位置検出装置と、線路上の位置に関連付けられた線路の区間情報を保存する線路区間データベースと、前記自車位置検出装置で検出された前記列車の位置から前記線路区間データベースを参照して自車位置における線路の区間を計算する区間計算手段と、列車の車体と台車との間に介設され、前記車体を前記台車に対して相対変位させるように駆動可能なアクチュエータと、前記車体の加速度を検出可能な加速度センサと、前記加速度センサの出力に基づいて前記アクチュエータを制御するアクティブ制御手段とを備え、前記アクティブ制御手段は、前記区間計算手段の出力に応じて前記アクチュエータの制御方法を変更する構成であることを特徴とする。
【００１７】
前記構成によれば、前述した自車位置検出装置により高精度に検出された列車の自車位置と線路区間データベースと対照させることで、列車の現在地がトンネル、曲線、直線等のどの区間にあるかが高精度に求められる。よって、車体に生じる加速度に応じてアクチュエータを制御して乗り心地を良好にするにあたり、現在の区間に応じてアクチュエータの制御方法を変更することで、走行状態に応じた適切な制振を実現することが可能となる。
【００１８】
または、本発明の列車のセミアクティブ制振システムは、前記自車位置検出装置と、線路上の位置に関連付けられた線路の区間情報を保存する線路区間データベースと、前記自車位置検出装置で検出された前記列車の位置から前記線路区間データベースを参照して自車位置における線路の区間を計算する区間計算手段と、列車の車体と台車との間に介設され、減衰係数を変更可能な可変ダンパーと、前記車体の前記台車に対する相対速度を取得可能な相対速度取得手段と、前記相対速度取得手段で取得された相対速度に基づいて前記可変ダンパーの減衰係数を制御するセミアクティブ制御手段とを備え、前記セミアクティブ制御手段は、前記区間計算手段の出力に応じて前記可変ダンパーの制御方法を変更する構成であることを特徴とする。
【００１９】
前記構成によれば、前述した自車位置検出装置により高精度に検出された列車の自車位置と線路区間データベースと対照させることで、列車の現在地がトンネル、曲線、直線等のどの区間にあるかが高精度に求められる。よって、車体と台車の相対速度に応じて可変ダンパーの減衰係数を制御して乗り心地を良好にするにあたり、線路の区間に応じて可変ダンパーの制御方法を変更することで、走行状態に応じた適切な制振を実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、あらゆる仕様の列車の自車位置を高精度に検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。
【００２２】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る自車位置検出装置１のブロック図である。図１に示すように、自車位置検出装置１は、線路１１上を走行する列車１０に搭載されている。自車位置検出装置１は、ＧＰＳ受信機２（衛星測位受信機）、速度発電機３（速度センサ）、車上子４、演算制御部５及び出力部６を備えている。
【００２３】
ＧＰＳ受信機２は、複数のＧＰＳ衛星Ｇ１〜Ｇｎから受信した情報に基づいて定期的に自己の位置を算出する。即ち、複数のＧＰＳ衛星Ｇ１〜Ｇｎは、地球を周回する人工衛星であり、自己の測位用コードや軌道情報（送信元のＧＰＳ衛星の三次元位置座標と時間等に関する情報を含む）などのＧＰＳ情報を電波により送信し、ＧＰＳ受信機２はそのＧＰＳ情報を定期的に受信して自己の位置を随時算出している。
【００２４】
速度発電機３は、列車１０の車輪１２の車軸回転数に応じてパルスを発生させるものであり、単位時間当たりのパルス数を計算することにより、列車１０の速度を検出することが可能となっている。
【００２５】
車上子４は、地上子１３と無線通信して列車１０の位置等に関する情報を取得可能となっている。地上子１３は、線路１１の近傍に設置されたＡＴＳ（Automatic Train Stop：自動列車停止装置）又はＡＴＣ（Automatic Train Control：自動列車制御装置）の地上子であり、その位置が予め既知となっている。
【００２６】
演算制御部５は、ＧＰＳ受信機２、速度発電機３及び車上子４からの情報に基づいて各種演算処理を行うＣＰＵ等の演算制御装置である。具体的には、演算制御部５は、ＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラム及びプログラムに使用されるデータが記憶されているＲＯＭ、プログラム実行時にデータを一時記憶するためのＲＡＭ、書き換え可能なＥＥＰＲＯＭ等で構成されている。出力部６は、演算制御部５から演算結果を外部へ出力するインターフェースである。
【００２７】
図２は図１に示す自車位置検出装置１の主に演算制御部５を機能的に説明するブロック図である。図２に示すように、演算制御部５は、信頼度算出部２０、拡張カルマンフィルタ２１（状態推定器）及び自車位置決定部２２（自車位置決定手段）を備えている。信頼度算出部２０は、ＧＰＳ受信機２からの情報に基づいてＧＰＳ受信信頼度の程度を表すＧＰＳ受信信頼度係数Ｒを算出する。ＧＰＳ受信信頼度係数Ｒは、以下の数式１で算出される。
【００２８】
【数１】
但し、ｔはディファレンシャル補正信号更新時間[sec]、Ｎは捕捉したＧＰＳ衛星数、ＨＤＯＰは測位精度（衛星の配置）である。ディファレンシャル補正信号更新時間ｔは、ＤＧＰＳにおいて、基準局（図示せず）からの補正信号更新時間を意味している。ＨＤＯＰは、地球上の観測点における水平方向での位置精度の低下率（Horizontal Dilution of Precision：水平方向位置精度低下率）を意味している。なお、数式１において、ＧＰＳ受信信頼度係数Ｒの値が大きいほど受信の信頼性が高いことを示している。
【００２９】
また、拡張カルマンフィルタ２１は、ＧＰＳ受信機２、速度発電機３及び信頼度算出部２０の出力に基づいて基準位置からの走行距離を推定する。自車位置決定部２２は、拡張カルマンフィルタ２１、速度発電機３及び車上子４の出力に基づいて列車１０の位置を決定する。なお、基準位置には、駅などに停車中の自車位置等を用いている。
【００３０】
図３は図１に示す自車位置検出装置の自車位置検出原理を説明する図面である。図３に示すように、ＧＰＳ受信機２から出力されるＧＰＳ位置座標、信頼度算出部２０から出力されるＧＰＳ受信信頼度係数Ｒ、及び、速度発電機３から出力される車軸回転数ωjが入力となり、拡張カルマンフィルタ２１及び自車位置決定部２２を介して列車１０の自車位置が出力されている。なお、自車位置決定部２２は、所定の積分処理を行う積分器２４と、基準位置と走行距離から自車位置を求める変換器２５とから構成されている。
【００３１】
以下、自車位置検出手順についてさらに具体的に説明する。ＧＰＳ受信機２のサンプリング時間をＨ[sec]、速度発電機３のサンプリング時間をｈ[sec]、基準位置からのサンプリング時間Ｈごとのｋ個目の推定走行距離をｓk（ｋ＝０，１，・・・）、サンプリング時間ｈごとの走行距離をｒj（ｊ＝０，１，・・・）、速度発電機３から出力される車軸回転数をωj[rps]とする。この場合、区間［ｋ−１，ｋ］のωjの平均値ω{−}k-1は、以下の数式２で表される。なお、記号{−}は、その直前の記号（この場合はω）の上に−が記載されていることを意味することとする。
【００３２】
【数２】
ここで、摩耗による車輪径変化や車輪滑り等による誤差を表す誤差パラメータをδkとし、車輪直径をｄ[m]としたとき、ｋ番目の推定走行距離ｓkは、以下の数式３で表される。
【００３３】
【数３】
そして、誤差パラメータδkには外部からの作用が無いとすると、以下の数式４が成り立つ。
【００３４】
【数４】
よって、数式３と数式４とを纏めると、以下の数式５の時変系状態方程式と、数式６の出力方程式で表すことができる。
【００３５】
【数５】
【００３６】
【数６】
さらに、状態変数[ｓk，δk]Tと観測量ｙkにそれぞれノイズパラメータｗ1，ｗ2，ｖkが加わると、数式５及び数式６は、以下の数式７及び数式８で表される。なお、ｗ1，ｗ2は定数である。
【００３７】
【数７】
【００３８】
【数８】
ノイズパラメータｖkの値が大きくなると、図４（ａ）に示すように、拡張カルマンフィルタ２１の推定速度が遅くなる代わりに耐ノイズ性が高まる。一方、ノイズパラメータｖkの値が小さくなると、図４（ｂ）に示すように、耐ノイズ性が低下する代わりに推定速度が速くなる。本実施形態では、信頼度算出部２０で求めたＧＰＳ受信信頼度係数Ｒが高くなるにつれてノイズパラメータｖkが小さくなる一方、信頼度算出部２０で求めたＧＰＳ受信信頼度係数Ｒが低くなるにつれてノイズパラメータｖkが大きくなるように設定されている。なお、ｗ1はｖkと同じ効果があり、ｖkの代わりにｗ1を変更してもよい。
【００３９】
次に、走行距離の算出方法は、(1)ＧＰＳ受信機２がＧＰＳ情報を受信して測位可能な場合と、(2)トンネル通過時のようにＧＰＳ受信機２がＧＰＳ情報を受信せず測位不可能な場合とで大別され、前記(1)の場合は更に、(1-1)ＧＰＳ受信機２のサンプリング時と、(1-2)ＧＰＳ受信機２のサンプリングの間のブランク期間における速度発電機３のサンプリング時とに分けられる。なお、ＧＰＳ受信機２のサンプリング時間Ｈは、速度発電機３のサンプリング時間ｈ以上となっている。
【００４０】
(1)ＧＰＳ受信機２がＧＰＳ情報を受信して測位可能な場合であって、(1-1)ＧＰＳ受信機２のサンプリング時には、ＧＰＳ受信機２で出力されるＧＰＳ位置座標を線路軌道上に投影して求めた走行距離ｓk-1と車軸平均回転数ω{−}k-1に基づいて、拡張カルマンフィルタ２１により状態量ｙ{＾}k（＝ｓ{＾}k）を計算し、最新の走行距離ｒjは、以下の数式９で算出される。なお、記号{＾}は、その直前の記号（この場合はｙ，ｓ）の上に＾が記載されていることを意味することとする。
【００４１】
【数９】
(1-2) ＧＰＳ受信機２のサンプリングの間のブランク期間における速度発電機３のサンプリング時には、走行距離ｒjは、最新の誤差パラメータ推定値δ{＾}kを用いて、以下の数式１０で算出される。
【００４２】
【数１０】
ここで、前記(1-1)の処理により、ＧＰＳ受信機２のサンプリング毎に、走行距離ｒjが拡張カルマンフィルタ２１により推定された推定走行距離ｓkでリセットされるので、数式１０の第１項のｈｄπ（１＋δ{＾}k）ωjによる誤差の累積が防止されている。
【００４３】
(2)トンネル通過時のようにＧＰＳ受信機２がＧＰＳ情報を受信せず測位不可能な場合には、ＧＰＳ情報が更新されないので、走行距離ｒjのリセットは行われず、数式１０による計算が繰り返される。
【００４４】
また、車上子４により列車１０の位置情報が取得されると、車上子４で出力される絶対位置座標を線路軌道上に投影して絶対走行距離ｕを求め、以下の数式１１で最新の走行距離ｒjを初期化する。なお、車上子４と自車位置決定部２２とで初期化手段が構成されている。
【００４５】
【数１１】
次に、自車位置検出装置１の処理手順について図５の流れに沿って説明する。図５は図１に示す自車位置検出装置１の自車位置検出手順を説明するフローチャートである。図５に示すように、まず、δ{＾}k、ｓ{＾}k、ｒjに所定の初期値が設定される（ステップＳ１）。次いで、ｎ及びω{−}k-1にゼロが代入される（ステップＳ２）。次いで、ωjに車軸回転数が入力される（ステップＳ３）。次いで、車上子４に地上子１３からの位置補正情報の入力があったか否かが判定される（ステップＳ４）。ステップＳ４でＮｏの場合には、ＧＰＳ受信機２がＧＰＳ情報を正常に受信して測位可能か否かが判定される（ステップＳ５）。ステップＳ５でＹｅｓの場合には、ＧＰＳ位置座標が更新された否か、即ち、ＧＰＳ受信機２のサンプリング時点であるか否かが判定される（ステップＳ６）。
【００４６】
ステップＳ６でＹｅｓの場合には、ＧＰＳ位置座標からｙkが計算される（ステップＳ７）。次いで、前述した数式２により車軸回転数の平均値ω{−}k-1を求める（ステップＳ８）。次いで、ＧＰＳ受信信頼度係数Ｒが計算される（ステップＳ９）。次いで、そのＧＰＳ受信信頼度係数Ｒからノイズパラメータｖkが計算される（ステップＳ１０）。次いで、そのノイズパラメータｖkに基づいて、前述した数式７及び８により拡張カルマンフィルタ２１による推定処理が行われ、ｓ{＾}k（＝ｙ{＾}k）、δ{＾}kが更新される（ステップＳ１１）。次いで、そのｙ{＾}kが走行距離ｒjに代入される（ステップＳ１２）。そして、その走行距離ｒjが出力される（ステップＳ１３）。
【００４７】
また、ステップＳ６においてＮｏの場合には、ＧＰＳ受信機２のサンプリングのブランク期間であるため、まず、車軸回転数の平均値ω{−}k-1にω{−}k-1＋ωjが代入される（ステップＳ１４）。次いで、ｎに１がインクリメントされる（ステップＳ１５）。次いで、前述した数式１０により、速度発電機３により得られる車輪回転数に車輪径や誤差パラメータ推定値δ{＾}k等を乗じて得た値が走行距離として積算される（ステップＳ１６）。
【００４８】
また、ステップＳ５においてＮｏの場合には、トンネル通過時のようにＧＰＳ受信機２がＧＰＳ情報を正常に受信せず測位不可能な場合であるため、ｓkにｒjが代入され（ステップＳ１７）、ω{−}k-1にゼロが代入され（ステップＳ１８）、ｎにゼロが代入される（ステップＳ１９）、拡張カルマンフィルタ２１の誤差共分散行列が初期化される（ステップＳ２０）。次いで、ステップＳ１６に移行し、そこで求められた走行距離ｒjがステップＳ１３で出力される。
【００４９】
また、ステップＳ４においてＹｅｓの場合には、車上子４により列車１０の位置情報が取得されているので、車上子４で出力される絶対位置座標を線路軌道上に投影して絶対走行距離ｕを求め、前述した数式１１により最新の走行距離ｒjを初期化する（ステップＳ２１）。次いで、ｓkにｒjが代入され（ステップＳ２２）、ω{−}k-1にゼロが代入され（ステップＳ２３）、ｎにゼロが代入され（ステップＳ２４）、拡張カルマンフィルタ２１の誤差共分散行列が初期化され（ステップＳ２５）、走行距離ｒjがステップＳ１３で出力される。
【００５０】
以上に説明した構成によれば、速度発電機３の出力に基づいて基準位置からの走行距離ｒjを積算する際、その積算の基準位置として拡張カルマンフィルタ２１で求めた最新の推定走行距離ｓ{＾}kが利用されているので、車輪１２の外径の変化や車輪１２のスリップ等により生じる積算走行距離の誤差が殆ど累積されない。また、ヨーレートセンサの出力をヨーレートマップに対照させることを行わないので、仕様の異なる列車毎にテスト走行を実施してヨーレートマップを作成する必要がなく、仕様の異なる列車にも容易に適用することができる。したがって、あらゆる仕様の列車の自車位置を高精度に検出することが可能となる。
【００５１】
また、拡張カルマンフィルタ２１により推定された誤差パラメータδ{＾}kのうち最新のものを利用して走行距離ｒjの積算が行われるので、さらに積算精度が向上している。
【００５２】
さらに、ＧＰＳ受信信頼度係数Ｒに応じてノイズパラメータｖkの値が随時設定され、拡張カルマンフィルタ２１において推定速度を優先させるか又は耐ノイズ性を優先させるかが随時決定されている。つまり、ＧＰＳ受信信頼度係数Ｒが小さくなると、図４（ａ）のように推定速度よりも耐ノイズ性の向上が優先され、ＧＰＳ受信信頼度係数Ｒが大きくなると、図４（ｂ）のように耐ノイズ性よりも推定速度の向上が優先される。したがって、拡張カルマンフィルタ２１は、ＧＰＳ受信機２の受信信頼度に応じて最適な推定処理を実施することが可能となる。
【００５３】
また、列車１０が地上子１３を通過して車上子４が地上子１３と無線通信できた際には、車上子４が地上子１３から取得した正確な位置情報により自車位置決定部２２で決定する列車１０の自車位置が初期化されているので、列車１０の自車位置をより高精度に検出することが可能となる。なお、本実施形態では、衛星測位システムとしてＧＰＳが利用されているが、他の衛星測位システムを利用してもよい。また、本実施形態では、速度センサとして速度発電機が利用されているが、これに限られず、たとえばドップラー速度計などを利用してもよい。
【００５４】
（第２実施形態）
図６は本発明の第２実施形態に係る自車位置検出装置の演算制御部３５を機能的に説明するブロック図である。図６に示すように、演算制御部３５の信頼度算出部３１には、自車位置決定部２２の出力が入力されていると共に、信頼度データベース３０が接続されている。
【００５５】
ＧＰＳ情報の受信信頼度は、線路に近接するビル等の影響により低下することがあり、線路周囲の環境を予め調査等することで、ある程度はＧＰＳ電波の受信信頼度を知ることができる。そこで、信頼度データベース３０には、調査済み受信信頼度ｍ（ｒj）が線路上の位置に関連付けて保存されている。即ち、信頼度データベース３０には、調査済み受信信頼度ｍ（ｒj）が走行距離ｒjの関数として保存されている。なお、調査済み受信信頼度ｍ（ｒj）の値が大きいほど受信の信頼性が高いことを示している。
【００５６】
具体的には、信頼度算出部３１は、ＧＰＳ受信機２及び信頼度データベース３０からの情報に基づいてＧＰＳ受信信頼度係数Ｒを算出する。信頼度データベース３０の保存された調査済み受信信頼度をｍ（ｒj）とすると、ＧＰＳ受信信頼度係数Ｒは、以下の数式１２で算出される。
【００５７】
【数１２】
以上に説明した構成によれば、信頼度算出部３１は、ＧＰＳ受信機２からの情報以外に信頼度データベース３０からの情報も利用してＧＰＳ受信信頼度係数Ｒを算出しているので、ＧＰＳの受信信頼度をより高精度に求めることが可能となる。なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため同一符号を付して説明を省略する。
【００５８】
次に、図７〜図１０は本発明の自車位置検出装置１の具体的な使用例を説明する図面である。
【００５９】
（第１使用例）
図７は図１に示す自車位置検出装置１を備えた車体傾斜制御システム５０を説明する図面である。図８は図７に示す車体傾斜制御システム５０のブロック図である。図７に示すように、列車の車体６０は、車輪６２を備えた台車６１の上に左右一対の空気バネ６７，６８を介して設けられている。車体６０は、コンプレッサー６１を備えており、コンプレッサー６１は空気溜６２を介して左右の空気バネ６７，６８に接続されている。また、空気バネ６７，６８と空気溜６２との間にはそれぞれ吸気弁６３、６４が介設されており、空気バネ６７，６８には外気と連通／遮断させるための排気弁６５，６６がそれぞれ接続
そして、左右の吸気弁６３，６４及び排気弁６５，６６を制御して、コンプレッサー６１からの圧縮空気を左右の空気バネ６７，６８に選択的に供給することで、車体６０の台車６１に対する傾斜角が変更可能となっている。即ち、コンプレッサー６１、空気溜６２、吸気弁６３，６４、排気弁６５，６６及び空気バネ６７，６８により、車体６０を進行方向に対して左右に傾斜させるアクチュエータ５４が構成されている。また、車体６０と台車６１の間には左右一対の車高検知センサ６９，７０が介設されており、車体６０の傾斜角が検出可能となっている。よって、後述する車体傾斜制御部５３は、車高検知センサ６９，７０からの情報に基づいて吸気弁６３，６４及び排気弁６５，６６を駆動することで、車体６０が目的の傾斜角となるように制御することができる。
【００６０】
図８に示すように、車体傾斜制御システム５０は、前述した自車位置検出装置１、線路曲線データベース５１、曲率計算部５２、車体傾斜制御部５３及びアクチュエータ５４を備えている。なお、自車位置検出装置１の構成は第１実施形態で説明したものと同様であるため同一符号を付して説明を省略する。
【００６１】
線路は、直線、緩和曲線及び円曲線からなる。よって、線路曲線データベース５１には、曲線入口位置、緩和曲線長、円曲線長及び曲線方向の項目を有するテーブルが保存されている。曲率計算部５２は、自車位置検出装置１で検出された自車位置を線路曲線データベース５１に対照させて、列車が緩和曲線又は円曲線のどの部分に存在するかを求め、現在の自車位置における線路の曲率（又は曲率半径）を計算する。例えば、緩和曲線がクロソイドで形成されている場合には、公知のクロソイドの式を使って曲率を計算することができる。又は、曲線を複数の線分を用いて近似し、それぞれの点に曲率情報を割り当てて現在位置から最も近い点の曲率を利用するようにしてもよい。そして、車体傾斜制御部５３は、曲率計算部５２で計算された曲率に基づいてアクチュエータ５４を駆動させ、車体６０が目的の傾斜角となるように制御する。
【００６２】
また、曲率計算部５２は、自車位置検出装置１で検出された自車位置に所定の距離を足したものを線路曲線データベース５１に対照させることで、カーブ進入を前もって予測し、車体傾斜の動作遅れを防止する構成としてもよい。これにより、車両がカーブに進入する手前から車体傾斜を開始することが可能となる。
【００６３】
以上に説明した構成によれば、前述した自車位置検出装置１により高精度に検出された列車の自車位置と線路曲線データベース５１と対照させることで、列車の現在位置における線路の曲率が高精度に求められる。よって、この線路の曲率に応じてアクチュエータ５４を制御し、車体６０の傾斜方向及び傾斜量を制御することで、乗り心地と安全性を両立させた最適な車体傾斜制御を実施することができる。
【００６４】
（第２使用例）
図９は図１に示す自車位置検出装置１を備えた操舵システム８０を説明する図面である。図１０は図９に示す操舵システム８０のブロック図である。図９に示すように、列車の台車９０には、前輪９１が設けられた車軸９３と、後輪９２が設けられた車軸９４とが取り付けられている。車軸９３，９４は、前輪９１及び後輪９２が進行方向に対して左右に転向可能なように回転軸９５，９６を介して台車９０に支持されている。さらに、車軸９３，９４と台車９０との間には油圧シリンダ９７，９８からなるアクチュエータ８４が介設されている。そして、後述する台車操舵制御部８３が、油圧シリンダ９７，９８をそれぞれ伸縮駆動させることで、前輪９１及び後輪９２が左右に操舵可能となっている。
【００６５】
図１０に示すように、操舵システム８０は、前述した自車位置検出装置１、線路曲線データベース５１、曲率計算部５２、台車操舵制御部８３及びアクチュエータ８４を備えている。台車操舵制御部８３は、曲率計算部５２で計算された曲率に基づいてアクチュエータ８４を駆動させ、前輪９１及び後輪９２が目的の操舵角となるように制御する。なお、自車位置検出装置１の構成は第１実施形態で説明したものと同様であり、線路曲線データベース５１及び曲率計算部５２は第１使用例と同様であるため同一符号を付して説明を省略する。
【００６６】
以上に説明した構成によれば、自車位置検出装置１により高精度に検出された列車の自車位置と線路曲線データベース５１と対照させることで、列車の現在位置における線路の曲率が高精度に求められる。よって、この線路の曲率に応じてアクチュエータ８４を制御し、前輪９１及び後輪９２の操舵方向及び操舵量を制御することで、カーブ通過時に前輪９１及び後輪９２が線路のレールから受ける横圧を最適に低減することができる。
【００６７】
（第３使用例）
図１１は図１に示す自車位置検出装置１を備えたアクティブ制振システム１００を説明する図面である。図１２は図１１に示すアクティブ制振システム１００のブロック図である。図１１に示すように、列車の車体１０１は、車輪１０３を備えた台車１０２の上に左右一対の空気バネ１０４，１０５を介して設けられている。車体１０１の下面には車体側ブラケット１０１ａが固定されていると共に、台車１０２の上面には台車側ブラケット１０２ａが固定されている。
【００６８】
各ブラケット１０１ａ，１０２ａの間には、進行方向に対して左右に直進運動を発生させる電気式、油圧式又は空気圧式のアクチュエータ１０６が介設されている。また、各ブラケット１０１ａ，１０２ａの間には、車体側ブラケット１０１ａと台車側ブラケット１０２ａとの間の相対運動に減衰作用を付与するダンパー１０７が介設されている。また、車体１０１には、進行方向に対して左右の加速度を検出する加速度センサ１０９が取り付けられている。
【００６９】
図１２に示すように、アクティブ制振システム１００は、前述した自車位置検出装置１、線路区間データベース１１１、区間計算部１１２、アクティブ制御部１１０、加速度センサ１０９及びアクチュエータ１０６を備えている。線路区間データベース１１１には、線路の区間情報（直線区間、曲線区間、トンネル区間など）が線路の位置に関連付けされて保存されている。曲率計算部１１２は、自車位置検出装置１で検出された自車位置を線路区間データベース１１１に対照させて、列車がどのような区間に存在するかを計算する。アクティブ制御部１１０は、加速度センサ１０９で検出される加速度を打ち消すようにアクチュエータ１０６を制御する。そして、区間計算部１１２によりトンネル区間を通過中であると計算された時には、アクティブ制御部１１０は、空力の影響を考慮して、制御ゲインを上げたり、制御の周波数帯を空力周波数に応じて変更する。
【００７０】
以上に説明した構成によれば、自車位置検出装置１により高精度に検出された列車の自車位置と線路区間データベース１１１と対照させることで、列車の現在地がトンネル、曲線、直線等のどの区間にあるかが高精度に求められる。よって、車体１０１に生じる加速度に応じてアクチュエータ１０６を制御して乗り心地を良好にするにあたり、線路の区間に応じてアクチュエータ１０６の制御方法を変更することで、走行状態に応じた適切な制振を実現することが可能となる。なお、他の構成は第１使用例又は第２使用例と同様であるため同一符号を付して説明を省略する。また、上記例では車体の左右方向を例に示したが、加速度センサ、相対変位センサ、アクチュエータを上下方向に設置することにより車体上下方向の制振制御も可能である。
【００７１】
（第４使用例）
図１３は図１に示す自車位置検出装置１を備えたセミアクティブ制振システム１２０を説明する図面である。図１４は図１３に示すセミアクティブ制振システム１２０のブロック図である。図１３に示すように、車体側ブラケット１０１ａと台車側ブラケット１０２ａとの間には、車体側ブラケット１０１ａと台車側ブラケット１０２ａとの間の相対運動に減衰作用を付与する可変ダンパー１２７が介設されている。この可変ダンパー１２７は、電磁粘性流体などを使用したもので、減衰係数を変更可能なものである。
【００７２】
図１４に示すように、セミアクティブ制振システム１２０は、前述した自車位置検出装置１、線路区間データベース１１１、区間計算部１１２、セミアクティブ制御部１３０及びアクチュエータ、相対変位センサ１０８、加速度センサ１０９及び可変ダンパー１２７を備えている。セミアクティブ制御部１３０は、相対変位センサ１０８で検出される相対変位量を微分することで車体１０１の台車１０２に対する相対速度を算出し（相対速度取得手段）、加速度センサ１０９の出力から車体速度を算出し、その相対速度及び車体速度に基づいて可変ダンパー１２７の減衰係数を制御する（例えば、特許第３６３７０２７号公報の図２等参照）。なお、セミアクティブ制御部１３０は、車体１０１に取り付けた加速度センサ１０９で検出される車体加速度と、台車１０２に取り付けた加速度センサ（図示せず）で検出される台車加速度との差である相対加速度を積分して相対速度を算出し、その相対速度に基づいて可変ダンパー１２７の減衰係数を制御してもよい。あるいは、セミアクティブ制御部１３０は、相対変位センサ１０８で検出される相対変位量を微分することで車体１０１の台車１０２に対する相対速度を算出し、その相対速度に基づいて可変ダンパー１２７の減衰係数を制御してもよい。
【００７３】
そして、セミアクティブ制御部１３０は、区間計算部１１２で計算された区間に応じて可変ダンパー１２７の減衰係数を調節し、車体１０１の左右方向の加速度が減るように制御する。具体的には、区間計算部１１２によりトンネル区間を通過中であると計算された時には、セミアクティブ制御部１３０は、空力の影響を考慮して、制御ゲインを上げたり、又は、制御の周波数帯を空力周波数に応じて変更する。
【００７４】
以上に説明した構成によれば、前述した自車位置検出装置１により高精度に検出された列車の自車位置と線路区間データベース１１１と対照させることで、列車の現在地がトンネル、曲線、直線等のどの区間にあるかが高精度に求められる。よって、相対変位センサ１０８及び加速度センサ１０９の出力に応じて可変ダンパー１２７の減衰係数を制御して乗り心地を良好にするにあたり、線路の区間に応じて可変ダンパー１２７の制御方法を変更することで、走行状態に応じた適切な制振を実現することが可能となる。なお、他の構成は第１使用例又は第２使用例と同様であるため同一符号を付して説明を省略する。また、上記例では車体の左右方向を例に示したが、加速度センサ、相対変位センサ、アクチュエータを上下方向に設置することにより車体上下方向の制振制御も可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
以上のように、本発明に係る列車の自車位置検出装置、車体傾斜制御システム、操舵システム、アクティブ制振システム及びセミアクティブ制振システムは、あらゆる仕様の列車の自車位置を高精度に検出することができる優れた効果を有し、この効果の意義を発揮できる列車に広く適用すると有益である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る自車位置検出装置のブロック図である。
【図２】図１に示す自車位置検出装置の演算制御部を機能的に説明するブロック図である。
【図３】図１に示す自車位置検出装置の自車位置検出原理を説明する図面である。
【図４】（ａ）（ｂ）はノイズパラメータによる拡張カルマンフィルタの推定速度及び耐ノイズ性への影響を説明するグラフである。
【図５】図１に示す自車位置検出装置の自車位置検出手順を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施形態に係る自車位置検出装置の演算制御部を機能的に説明するブロック図である。
【図７】図１に示す自車位置検出装置を備えた車体傾斜制御システムを説明する図面である。
【図８】図７に示す車体傾斜制御システムのブロック図である。
【図９】図１に示す自車位置検出装置を備えた操舵システムを説明する図面である。
【図１０】図９に示す操舵システムのブロック図である。
【図１１】図１に示す自車位置検出装置を備えたアクティブ制振システムを説明する図面である。
【図１２】図１１に示すアクティブ制振システムのブロック図である。
【図１３】図１に示す自車位置検出装置を備えたセミアクティブ制振システムを説明する図面である。
【図１４】図１３に示すセミアクティブ制振システムのブロック図である。
【符号の説明】
【００７７】
１ 自車位置検出装置
２ ＧＰＳ受信機（衛星測位受信機）
３ 速度発電機
４ 車上子
１０ 列車
１１ 線路
１２ 車輪
１３ 地上子
２０，３１ 信頼度算出部（信頼度算出手段）
２１ 拡張カルマンフィルタ（状態推定器）
２２ 自車位置決定部（自車位置決定手段）
５０ 車体傾斜制御システム
５１ 線路データベース
５２ 曲率計算部（曲率計算手段）
５３ 車体傾斜制御部（車体傾斜制御手段）
５４，８４ アクチュエータ
６０ 車体
６１，９０ 台車
６２ 車輪
８０ 操舵システム
８３ 操舵制御部（操舵制御手段）
１００ アクティブ制振システム
１０６ アクチュエータ
１０９ 加速度センサ
１１０ アクティブ制御部（アクティブ制御手段）
１１１ 線路区間データベース
１１２ 区間計算部（区間計算手段）
１２０ セミアクティブ制振システム
１２７ 可変ダンパー
１３０ セミアクティブ制御部（セミアクティブ制御手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、速度センサ及び衛星測位受信機に基づいて列車の位置を検出する自車位置検出装置、それを備えた車体傾斜制御システム、操舵システム、アクティブ制振システム及びセミアクティブ制振システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、列車の走行位置を検出する方法として、速度発電機により得られる車輪回転数に車輪径を乗じて得た値を走行距離として積算し、線路近傍に設置されたＡＴＳ（Automatic Train Stop：自動列車停止装置）やＡＴＣ（Automatic Train Control：自動列車制御装置）の地上子の位置からの積算走行距離によって線路における現在の自車位置を算出する方法が知られている。しかし、走行摩耗による車輪径の変化や車輪のスリップ等により、積算走行距離に誤差が生じるという問題がある。そこで、ＧＰＳ(Global Positioning System)とヨーレートセンサと速度発電機を併用することにより、自車位置の検出精度を高める自車位置検出システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この自車位置検出システムは、ＧＰＳ情報の受信信頼度が高い場合には、ＧＰＳ情報のみにより自車位置を算出する。ＧＰＳ情報の受信信頼度が中程度の場合には、ＧＰＳ情報により取得した自車位置を基準としながら走行時にヨーレートセンサで検出されたヨーレートを既知のヨーレートマップに対照させて自車位置を特定する。ＧＰＳ情報の受信信頼度が低い場合には、車軸回転数による積算走行距離のみにより自車位置を算出する。なお、ヨーレートマップは、事前のテスト走行でヨーレートセンサの出力を記録し、線路上の位置にヨーレートを関連付けて予め保存したデータである。
【特許文献１】特開２００４−２７１２５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記自車位置検出システムでは、ヨーレートマップの作成時の列車と仕様の異なる列車を走行させた場合、マップ作成時の車両とはヨーレートの応答特性が異なるために、正確に自車位置を検出できないことがある。よって、仕様が異なる列車を走行させる場合には、再びテスト走行を実施してヨーレートマップを改めて作成し直さなければならないという手間が生じる。
【０００５】
そこで本発明は、手間を掛けずに列車の自車位置を高精度に検出できるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係る列車の自車位置検出装置は、列車の速度を検出する速度センサと、測位衛星から受信した情報に基づいて自己の位置を定期的に算出する衛星測位受信機と、前記速度センサ及び前記衛星測位受信機の出力に基づいて、基準位置からの走行距離と、前記速度センサの出力を補正するための誤差パラメータとを推定する状態推定器と、前記速度センサ及び前記状態推定器の出力に基づいて基準位置からの走行距離を算出して前記列車の位置を決定する自車位置決定手段とを備え、前記自車位置決定手段は、前記衛星測位受信機の出力の更新時には、前記状態推定器で推定された走行距離により前記列車の位置を決定する一方、前記衛星測位受信機の出力の更新時以外には、前記速度センサの出力の更新時に、前記状態推定器で推定された走行距離のうち最新のものと、前記状態推定器で推定された誤差パラメータのうち最新のものを用いて補正された前記速度センサの出力とに基づいて走行距離を積算し、前記列車の位置を決定することを特徴とする。
【０００７】
前記構成によれば、衛星測位信号不使用時に速度センサの出力に基づいて基準位置からの走行距離を積算する際、その積算の基準位置として状態推定器で求めた推定走行距離のうち最新のものを利用しているので、車輪径の変化や車輪のスリップ等により生じる積算走行距離の誤差が殆ど累積されない。かつ、速度センサの出力は、状態推定器で推定された誤差パラメータのうち最新のものを用いて補正されているので、衛星測位信号不使用期間が比較的長く続いたとしても、車輪径の変化や車輪のスリップ等により生じる積算走行距離の誤差が殆ど生じない。よって、速度センサの出力に基づいて走行距離を積算することで自車位置を求めても、精度が非常に良好となる。また、ヨーレートセンサの出力をヨーレートマップに対照させることを行わないので、仕様の異なる列車毎にテスト走行を実施してヨーレートマップを作成する必要がなく、仕様の異なる列車にも容易に適用することができる。したがって、あらゆる仕様の列車の自車位置を高精度に検出することが可能となる。
【０００８】
前記衛星測位受信機の出力の信頼度の程度を表す受信信頼度を算出する信頼度算出手段をさらに備え、前記状態推定器は、前記推定走行距離を算出する際の推定速度及び耐ノイズ性を調整可能なノイズパラメータを有し、前記ノイズパラメータは、その値が大きくなると推定速度が遅くなる代わりに耐ノイズ性が高まる一方、その値が小さくなると耐ノイズ性が低下する代わりに推定速度が速くなるパラメータであり、前記ノイズパラメータは、前記信頼度算出手段で求めた前記受信信頼度が高くなるにつれて小さくなるように設定される一方、前記信頼度算出手段で求めた前記受信信頼度が低くなるにつれて大きくなるように設定されてもよい。
【０００９】
前記構成によれば、衛星測位受信機の受信信頼度に応じてノイズパラメータの値が随時設定され、状態推定器において推定速度を優先させるか又は耐ノイズ性を優先させるかが随時決定される。つまり、受信信頼度が高くなると耐ノイズ性よりも推定速度の向上が優先され、受信信頼度が低くなると推定速度よりも耐ノイズ性の向上が優先される。したがって、状態推定器は、衛星測位受信機の受信信頼度に応じて最適な推定処理を実施することが可能となる。
【００１０】
線路近傍に設置されて位置が既知である地上子と無線通信して列車の位置を取得可能な車上子と、前記車上子により列車の位置情報が取得されると、その位置情報により、前記自車位置決定手段で決定する前記列車の位置を初期化する初期化手段とをさらに備えていてもよい。
【００１１】
前記構成によれば、列車が地上子を通過した際に地上子と通信した車上子が取得する列車の位置情報は正確であるので、その位置情報により自車位置決定手段で決定する列車の位置を初期化することで、列車の自車位置をより高精度に検出することが可能となる。
【００１２】
また、本発明の列車の車体傾斜制御システムは、前記自車位置検出装置と、線路上の位置に関連付けられた線路の曲線情報を保存する線路曲線データベースと、前記自車位置検出装置で検出された前記列車の位置から前記線路曲線データベースを参照して自車位置における線路の曲率を計算する曲率計算手段と、車体を進行方向に対して左右に傾斜させるように駆動するアクチュエータと、前記曲率計算手段の出力に応じて前記アクチュエータを制御する車体傾斜制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１３】
前記構成によれば、前述した自車位置検出装置により高精度に検出された列車の自車位置と線路曲線データベースと対照させることで、列車の現在地における線路の曲率が高精度に求められる。よって、この線路の曲率に応じてアクチュエータを制御し、車体の傾斜方向及び傾斜量を制御することで、乗り心地と安全性を両立させた最適な車体傾斜制御を実施することが可能となる。
【００１４】
また、本発明の列車の操舵システムは、前記自車位置検出装置と、線路上の位置に関連付けられた線路の曲線情報を保存する線路曲線データベースと、前記自車位置検出装置で検出された前記列車の位置から前記線路曲線データベースを参照して自車位置における線路の曲率を計算する曲率計算手段と、進行方向に対して左右に転向可能に支持された車輪を操舵させるアクチュエータと、前記曲率計算手段の出力に応じて前記アクチュエータを制御する操舵制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１５】
前記構成によれば、前述した自車位置検出装置により高精度に検出された列車の自車位置と線路曲線データベースと対照させることで、列車の現在地における線路の曲率が高精度に求められる。よって、この線路の曲率に応じてアクチュエータを制御し、車輪の操舵方向及び操舵量を制御することで、カーブ通過時に車輪がレールから受ける横圧を最適に低減することが可能となる。
【００１６】
また、本発明の列車のアクティブ制振システムは、前記自車位置検出装置と、線路上の位置に関連付けられた線路の区間情報を保存する線路区間データベースと、前記自車位置検出装置で検出された前記列車の位置から前記線路区間データベースを参照して自車位置における線路の区間を計算する区間計算手段と、列車の車体と台車との間に介設され、前記車体を前記台車に対して相対変位させるように駆動可能なアクチュエータと、前記車体の加速度を検出可能な加速度センサと、前記加速度センサの出力に基づいて前記アクチュエータを制御するアクティブ制御手段とを備え、前記アクティブ制御手段は、前記区間計算手段の出力に応じて前記アクチュエータの制御方法を変更する構成であることを特徴とする。
【００１７】
前記構成によれば、前述した自車位置検出装置により高精度に検出された列車の自車位置と線路区間データベースと対照させることで、列車の現在地がトンネル、曲線、直線等のどの区間にあるかが高精度に求められる。よって、車体に生じる加速度に応じてアクチュエータを制御して乗り心地を良好にするにあたり、現在の区間に応じてアクチュエータの制御方法を変更することで、走行状態に応じた適切な制振を実現することが可能となる。
【００１８】
または、本発明の列車のセミアクティブ制振システムは、前記自車位置検出装置と、線路上の位置に関連付けられた線路の区間情報を保存する線路区間データベースと、前記自車位置検出装置で検出された前記列車の位置から前記線路区間データベースを参照して自車位置における線路の区間を計算する区間計算手段と、列車の車体と台車との間に介設され、減衰係数を変更可能な可変ダンパーと、前記車体の前記台車に対する相対速度を取得可能な相対速度取得手段と、前記相対速度取得手段で取得された相対速度に基づいて前記可変ダンパーの減衰係数を制御するセミアクティブ制御手段とを備え、前記セミアクティブ制御手段は、前記区間計算手段の出力に応じて前記可変ダンパーの制御方法を変更する構成であることを特徴とする。
【００１９】
前記構成によれば、前述した自車位置検出装置により高精度に検出された列車の自車位置と線路区間データベースと対照させることで、列車の現在地がトンネル、曲線、直線等のどの区間にあるかが高精度に求められる。よって、車体と台車の相対速度に応じて可変ダンパーの減衰係数を制御して乗り心地を良好にするにあたり、線路の区間に応じて可変ダンパーの制御方法を変更することで、走行状態に応じた適切な制振を実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、あらゆる仕様の列車の自車位置を高精度に検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。
【００２２】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る自車位置検出装置１のブロック図である。図１に示すように、自車位置検出装置１は、線路１１上を走行する列車１０に搭載されている。自車位置検出装置１は、ＧＰＳ受信機２（衛星測位受信機）、速度発電機３（速度センサ）、車上子４、演算制御部５及び出力部６を備えている。
【００２３】
ＧＰＳ受信機２は、複数のＧＰＳ衛星Ｇ１〜Ｇｎから受信した情報に基づいて定期的に自己の位置を算出する。即ち、複数のＧＰＳ衛星Ｇ１〜Ｇｎは、地球を周回する人工衛星であり、自己の測位用コードや軌道情報（送信元のＧＰＳ衛星の三次元位置座標と時間等に関する情報を含む）などのＧＰＳ情報を電波により送信し、ＧＰＳ受信機２はそのＧＰＳ情報を定期的に受信して自己の位置を随時算出している。
【００２４】
速度発電機３は、列車１０の車輪１２の車軸回転数に応じてパルスを発生させるものであり、単位時間当たりのパルス数を計算することにより、列車１０の速度を検出することが可能となっている。
【００２５】
車上子４は、地上子１３と無線通信して列車１０の位置等に関する情報を取得可能となっている。地上子１３は、線路１１の近傍に設置されたＡＴＳ（Automatic Train Stop：自動列車停止装置）又はＡＴＣ（Automatic Train Control：自動列車制御装置）の地上子であり、その位置が予め既知となっている。
【００２６】
演算制御部５は、ＧＰＳ受信機２、速度発電機３及び車上子４からの情報に基づいて各種演算処理を行うＣＰＵ等の演算制御装置である。具体的には、演算制御部５は、ＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラム及びプログラムに使用されるデータが記憶されているＲＯＭ、プログラム実行時にデータを一時記憶するためのＲＡＭ、書き換え可能なＥＥＰＲＯＭ等で構成されている。出力部６は、演算制御部５から演算結果を外部へ出力するインターフェースである。
【００２７】
図２は図１に示す自車位置検出装置１の主に演算制御部５を機能的に説明するブロック図である。図２に示すように、演算制御部５は、信頼度算出部２０、拡張カルマンフィルタ２１（状態推定器）及び自車位置決定部２２（自車位置決定手段）を備えている。信頼度算出部２０は、ＧＰＳ受信機２からの情報に基づいてＧＰＳ受信信頼度の程度を表すＧＰＳ受信信頼度係数Ｒを算出する。ＧＰＳ受信信頼度係数Ｒは、以下の数式１で算出される。
【００２８】
【数１】
但し、ｔはディファレンシャル補正信号更新時間[sec]、Ｎは捕捉したＧＰＳ衛星数、ＨＤＯＰは測位精度（衛星の配置）である。ディファレンシャル補正信号更新時間ｔは、ＤＧＰＳにおいて、基準局（図示せず）からの補正信号更新時間を意味している。ＨＤＯＰは、地球上の観測点における水平方向での位置精度の低下率（Horizontal Dilution of Precision：水平方向位置精度低下率）を意味している。なお、数式１において、ＧＰＳ受信信頼度係数Ｒの値が大きいほど受信の信頼性が高いことを示している。
【００２９】
また、拡張カルマンフィルタ２１は、ＧＰＳ受信機２、速度発電機３及び信頼度算出部２０の出力に基づいて基準位置からの走行距離を推定する。自車位置決定部２２は、拡張カルマンフィルタ２１、速度発電機３及び車上子４の出力に基づいて列車１０の位置を決定する。なお、基準位置には、駅などに停車中の自車位置等を用いている。
【００３０】
図３は図１に示す自車位置検出装置の自車位置検出原理を説明する図面である。図３に示すように、ＧＰＳ受信機２から出力されるＧＰＳ位置座標、信頼度算出部２０から出力されるＧＰＳ受信信頼度係数Ｒ、及び、速度発電機３から出力される車軸回転数ωjが入力となり、拡張カルマンフィルタ２１及び自車位置決定部２２を介して列車１０の自車位置が出力されている。なお、自車位置決定部２２は、所定の積分処理を行う積分器２４と、基準位置と走行距離から自車位置を求める変換器２５とから構成されている。
【００３１】
以下、自車位置検出手順についてさらに具体的に説明する。ＧＰＳ受信機２のサンプリング時間をＨ[sec]、速度発電機３のサンプリング時間をｈ[sec]、基準位置からのサンプリング時間Ｈごとのｋ個目の推定走行距離をｓk（ｋ＝０，１，・・・）、サンプリング時間ｈごとの走行距離をｒj（ｊ＝０，１，・・・）、速度発電機３から出力される車軸回転数をωj[rps]とする。この場合、区間［ｋ−１，ｋ］のωjの平均値ω{−}k-1は、以下の数式２で表される。なお、記号{−}は、その直前の記号（この場合はω）の上に−が記載されていることを意味することとする。
【００３２】
【数２】
ここで、摩耗による車輪径変化や車輪滑り等による誤差を表す誤差パラメータをδkとし、車輪直径をｄ[m]としたとき、ｋ番目の推定走行距離ｓkは、以下の数式３で表される。
【００３３】
【数３】
そして、誤差パラメータδkには外部からの作用が無いとすると、以下の数式４が成り立つ。
【００３４】
【数４】
よって、数式３と数式４とを纏めると、以下の数式５の時変系状態方程式と、数式６の出力方程式で表すことができる。
【００３５】
【数５】
【００３６】
【数６】
さらに、状態変数[ｓk，δk]Tと観測量ｙkにそれぞれノイズパラメータｗ1，ｗ2，ｖkが加わると、数式５及び数式６は、以下の数式７及び数式８で表される。なお、ｗ1，ｗ2は定数である。
【００３７】
【数７】
【００３８】
【数８】
ノイズパラメータｖkの値が大きくなると、図４（ａ）に示すように、拡張カルマンフィルタ２１の推定速度が遅くなる代わりに耐ノイズ性が高まる。一方、ノイズパラメータｖkの値が小さくなると、図４（ｂ）に示すように、耐ノイズ性が低下する代わりに推定速度が速くなる。本実施形態では、信頼度算出部２０で求めたＧＰＳ受信信頼度係数Ｒが高くなるにつれてノイズパラメータｖkが小さくなる一方、信頼度算出部２０で求めたＧＰＳ受信信頼度係数Ｒが低くなるにつれてノイズパラメータｖkが大きくなるように設定されている。なお、ｗ1はｖkと同じ効果があり、ｖkの代わりにｗ1を変更してもよい。
【００３９】
次に、走行距離の算出方法は、(1)ＧＰＳ受信機２がＧＰＳ情報を受信して測位可能な場合と、(2)トンネル通過時のようにＧＰＳ受信機２がＧＰＳ情報を受信せず測位不可能な場合とで大別され、前記(1)の場合は更に、(1-1)ＧＰＳ受信機２のサンプリング時と、(1-2)ＧＰＳ受信機２のサンプリングの間のブランク期間における速度発電機３のサンプリング時とに分けられる。なお、ＧＰＳ受信機２のサンプリング時間Ｈは、速度発電機３のサンプリング時間ｈ以上となっている。
【００４０】
(1)ＧＰＳ受信機２がＧＰＳ情報を受信して測位可能な場合であって、(1-1)ＧＰＳ受信機２のサンプリング時には、ＧＰＳ受信機２で出力されるＧＰＳ位置座標を線路軌道上に投影して求めた走行距離ｓk-1と車軸平均回転数ω{−}k-1に基づいて、拡張カルマンフィルタ２１により状態量ｙ{＾}k（＝ｓ{＾}k）を計算し、最新の走行距離ｒjは、以下の数式９で算出される。なお、記号{＾}は、その直前の記号（この場合はｙ，ｓ）の上に＾が記載されていることを意味することとする。
【００４１】
【数９】
(1-2) ＧＰＳ受信機２のサンプリングの間のブランク期間における速度発電機３のサンプリング時には、走行距離ｒjは、最新の誤差パラメータ推定値δ{＾}kを用いて、以下の数式１０で算出される。
【００４２】
【数１０】
ここで、前記(1-1)の処理により、ＧＰＳ受信機２のサンプリング毎に、走行距離ｒjが拡張カルマンフィルタ２１により推定された推定走行距離ｓkでリセットされるので、数式１０の第１項のｈｄπ（１＋δ{＾}k）ωjによる誤差の累積が防止されている。
【００４３】
(2)トンネル通過時のようにＧＰＳ受信機２がＧＰＳ情報を受信せず測位不可能な場合には、ＧＰＳ情報が更新されないので、走行距離ｒjのリセットは行われず、数式１０による計算が繰り返される。
【００４４】
また、車上子４により列車１０の位置情報が取得されると、車上子４で出力される絶対位置座標を線路軌道上に投影して絶対走行距離ｕを求め、以下の数式１１で最新の走行距離ｒjを初期化する。なお、車上子４と自車位置決定部２２とで初期化手段が構成されている。
【００４５】
【数１１】
次に、自車位置検出装置１の処理手順について図５の流れに沿って説明する。図５は図１に示す自車位置検出装置１の自車位置検出手順を説明するフローチャートである。図５に示すように、まず、δ{＾}k、ｓ{＾}k、ｒjに所定の初期値が設定される（ステップＳ１）。次いで、ｎ及びω{−}k-1にゼロが代入される（ステップＳ２）。次いで、ωjに車軸回転数が入力される（ステップＳ３）。次いで、車上子４に地上子１３からの位置補正情報の入力があったか否かが判定される（ステップＳ４）。ステップＳ４でＮｏの場合には、ＧＰＳ受信機２がＧＰＳ情報を正常に受信して測位可能か否かが判定される（ステップＳ５）。ステップＳ５でＹｅｓの場合には、ＧＰＳ位置座標が更新された否か、即ち、ＧＰＳ受信機２のサンプリング時点であるか否かが判定される（ステップＳ６）。
【００４６】
ステップＳ６でＹｅｓの場合には、ＧＰＳ位置座標からｙkが計算される（ステップＳ７）。次いで、前述した数式２により車軸回転数の平均値ω{−}k-1を求める（ステップＳ８）。次いで、ＧＰＳ受信信頼度係数Ｒが計算される（ステップＳ９）。次いで、そのＧＰＳ受信信頼度係数Ｒからノイズパラメータｖkが計算される（ステップＳ１０）。次いで、そのノイズパラメータｖkに基づいて、前述した数式７及び８により拡張カルマンフィルタ２１による推定処理が行われ、ｓ{＾}k（＝ｙ{＾}k）、δ{＾}kが更新される（ステップＳ１１）。次いで、そのｙ{＾}kが走行距離ｒjに代入される（ステップＳ１２）。そして、その走行距離ｒjが出力される（ステップＳ１３）。
【００４７】
また、ステップＳ６においてＮｏの場合には、ＧＰＳ受信機２のサンプリングのブランク期間であるため、まず、車軸回転数の平均値ω{−}k-1にω{−}k-1＋ωjが代入される（ステップＳ１４）。次いで、ｎに１がインクリメントされる（ステップＳ１５）。次いで、前述した数式１０により、速度発電機３により得られる車輪回転数に車輪径や誤差パラメータ推定値δ{＾}k等を乗じて得た値が走行距離として積算される（ステップＳ１６）。
【００４８】
また、ステップＳ５においてＮｏの場合には、トンネル通過時のようにＧＰＳ受信機２がＧＰＳ情報を正常に受信せず測位不可能な場合であるため、ｓkにｒjが代入され（ステップＳ１７）、ω{−}k-1にゼロが代入され（ステップＳ１８）、ｎにゼロが代入される（ステップＳ１９）、拡張カルマンフィルタ２１の誤差共分散行列が初期化される（ステップＳ２０）。次いで、ステップＳ１６に移行し、そこで求められた走行距離ｒjがステップＳ１３で出力される。
【００４９】
また、ステップＳ４においてＹｅｓの場合には、車上子４により列車１０の位置情報が取得されているので、車上子４で出力される絶対位置座標を線路軌道上に投影して絶対走行距離ｕを求め、前述した数式１１により最新の走行距離ｒjを初期化する（ステップＳ２１）。次いで、ｓkにｒjが代入され（ステップＳ２２）、ω{−}k-1にゼロが代入され（ステップＳ２３）、ｎにゼロが代入され（ステップＳ２４）、拡張カルマンフィルタ２１の誤差共分散行列が初期化され（ステップＳ２５）、走行距離ｒjがステップＳ１３で出力される。
【００５０】
以上に説明した構成によれば、速度発電機３の出力に基づいて基準位置からの走行距離ｒjを積算する際、その積算の基準位置として拡張カルマンフィルタ２１で求めた最新の推定走行距離ｓ{＾}kが利用されているので、車輪１２の外径の変化や車輪１２のスリップ等により生じる積算走行距離の誤差が殆ど累積されない。また、ヨーレートセンサの出力をヨーレートマップに対照させることを行わないので、仕様の異なる列車毎にテスト走行を実施してヨーレートマップを作成する必要がなく、仕様の異なる列車にも容易に適用することができる。したがって、あらゆる仕様の列車の自車位置を高精度に検出することが可能となる。
【００５１】
また、拡張カルマンフィルタ２１により推定された誤差パラメータδ{＾}kのうち最新のものを利用して走行距離ｒjの積算が行われるので、さらに積算精度が向上している。
【００５２】
さらに、ＧＰＳ受信信頼度係数Ｒに応じてノイズパラメータｖkの値が随時設定され、拡張カルマンフィルタ２１において推定速度を優先させるか又は耐ノイズ性を優先させるかが随時決定されている。つまり、ＧＰＳ受信信頼度係数Ｒが小さくなると、図４（ａ）のように推定速度よりも耐ノイズ性の向上が優先され、ＧＰＳ受信信頼度係数Ｒが大きくなると、図４（ｂ）のように耐ノイズ性よりも推定速度の向上が優先される。したがって、拡張カルマンフィルタ２１は、ＧＰＳ受信機２の受信信頼度に応じて最適な推定処理を実施することが可能となる。
【００５３】
また、列車１０が地上子１３を通過して車上子４が地上子１３と無線通信できた際には、車上子４が地上子１３から取得した正確な位置情報により自車位置決定部２２で決定する列車１０の自車位置が初期化されているので、列車１０の自車位置をより高精度に検出することが可能となる。なお、本実施形態では、衛星測位システムとしてＧＰＳが利用されているが、他の衛星測位システムを利用してもよい。また、本実施形態では、速度センサとして速度発電機が利用されているが、これに限られず、たとえばドップラー速度計などを利用してもよい。
【００５４】
（第２実施形態）
図６は本発明の第２実施形態に係る自車位置検出装置の演算制御部３５を機能的に説明するブロック図である。図６に示すように、演算制御部３５の信頼度算出部３１には、自車位置決定部２２の出力が入力されていると共に、信頼度データベース３０が接続されている。
【００５５】
ＧＰＳ情報の受信信頼度は、線路に近接するビル等の影響により低下することがあり、線路周囲の環境を予め調査等することで、ある程度はＧＰＳ電波の受信信頼度を知ることができる。そこで、信頼度データベース３０には、調査済み受信信頼度ｍ（ｒj）が線路上の位置に関連付けて保存されている。即ち、信頼度データベース３０には、調査済み受信信頼度ｍ（ｒj）が走行距離ｒjの関数として保存されている。なお、調査済み受信信頼度ｍ（ｒj）の値が大きいほど受信の信頼性が高いことを示している。
【００５６】
具体的には、信頼度算出部３１は、ＧＰＳ受信機２及び信頼度データベース３０からの情報に基づいてＧＰＳ受信信頼度係数Ｒを算出する。信頼度データベース３０の保存された調査済み受信信頼度をｍ（ｒj）とすると、ＧＰＳ受信信頼度係数Ｒは、以下の数式１２で算出される。
【００５７】
【数１２】
以上に説明した構成によれば、信頼度算出部３１は、ＧＰＳ受信機２からの情報以外に信頼度データベース３０からの情報も利用してＧＰＳ受信信頼度係数Ｒを算出しているので、ＧＰＳの受信信頼度をより高精度に求めることが可能となる。なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため同一符号を付して説明を省略する。
【００５８】
次に、図７〜図１０は本発明の自車位置検出装置１の具体的な使用例を説明する図面である。
【００５９】
（第１使用例）
図７は図１に示す自車位置検出装置１を備えた車体傾斜制御システム５０を説明する図面である。図８は図７に示す車体傾斜制御システム５０のブロック図である。図７に示すように、列車の車体６０は、車輪６２を備えた台車６１の上に左右一対の空気バネ６７，６８を介して設けられている。車体６０は、コンプレッサー６１を備えており、コンプレッサー６１は空気溜６２を介して左右の空気バネ６７，６８に接続されている。また、空気バネ６７，６８と空気溜６２との間にはそれぞれ吸気弁６３、６４が介設されており、空気バネ６７，６８には外気と連通／遮断させるための排気弁６５，６６がそれぞれ接続
そして、左右の吸気弁６３，６４及び排気弁６５，６６を制御して、コンプレッサー６１からの圧縮空気を左右の空気バネ６７，６８に選択的に供給することで、車体６０の台車６１に対する傾斜角が変更可能となっている。即ち、コンプレッサー６１、空気溜６２、吸気弁６３，６４、排気弁６５，６６及び空気バネ６７，６８により、車体６０を進行方向に対して左右に傾斜させるアクチュエータ５４が構成されている。また、車体６０と台車６１の間には左右一対の車高検知センサ６９，７０が介設されており、車体６０の傾斜角が検出可能となっている。よって、後述する車体傾斜制御部５３は、車高検知センサ６９，７０からの情報に基づいて吸気弁６３，６４及び排気弁６５，６６を駆動することで、車体６０が目的の傾斜角となるように制御することができる。
【００６０】
図８に示すように、車体傾斜制御システム５０は、前述した自車位置検出装置１、線路曲線データベース５１、曲率計算部５２、車体傾斜制御部５３及びアクチュエータ５４を備えている。なお、自車位置検出装置１の構成は第１実施形態で説明したものと同様であるため同一符号を付して説明を省略する。
【００６１】
線路は、直線、緩和曲線及び円曲線からなる。よって、線路曲線データベース５１には、曲線入口位置、緩和曲線長、円曲線長及び曲線方向の項目を有するテーブルが保存されている。曲率計算部５２は、自車位置検出装置１で検出された自車位置を線路曲線データベース５１に対照させて、列車が緩和曲線又は円曲線のどの部分に存在するかを求め、現在の自車位置における線路の曲率（又は曲率半径）を計算する。例えば、緩和曲線がクロソイドで形成されている場合には、公知のクロソイドの式を使って曲率を計算することができる。又は、曲線を複数の線分を用いて近似し、それぞれの点に曲率情報を割り当てて現在位置から最も近い点の曲率を利用するようにしてもよい。そして、車体傾斜制御部５３は、曲率計算部５２で計算された曲率に基づいてアクチュエータ５４を駆動させ、車体６０が目的の傾斜角となるように制御する。
【００６２】
また、曲率計算部５２は、自車位置検出装置１で検出された自車位置に所定の距離を足したものを線路曲線データベース５１に対照させることで、カーブ進入を前もって予測し、車体傾斜の動作遅れを防止する構成としてもよい。これにより、車両がカーブに進入する手前から車体傾斜を開始することが可能となる。
【００６３】
以上に説明した構成によれば、前述した自車位置検出装置１により高精度に検出された列車の自車位置と線路曲線データベース５１と対照させることで、列車の現在位置における線路の曲率が高精度に求められる。よって、この線路の曲率に応じてアクチュエータ５４を制御し、車体６０の傾斜方向及び傾斜量を制御することで、乗り心地と安全性を両立させた最適な車体傾斜制御を実施することができる。
【００６４】
（第２使用例）
図９は図１に示す自車位置検出装置１を備えた操舵システム８０を説明する図面である。図１０は図９に示す操舵システム８０のブロック図である。図９に示すように、列車の台車９０には、前輪９１が設けられた車軸９３と、後輪９２が設けられた車軸９４とが取り付けられている。車軸９３，９４は、前輪９１及び後輪９２が進行方向に対して左右に転向可能なように回転軸９５，９６を介して台車９０に支持されている。さらに、車軸９３，９４と台車９０との間には油圧シリンダ９７，９８からなるアクチュエータ８４が介設されている。そして、後述する台車操舵制御部８３が、油圧シリンダ９７，９８をそれぞれ伸縮駆動させることで、前輪９１及び後輪９２が左右に操舵可能となっている。
【００６５】
図１０に示すように、操舵システム８０は、前述した自車位置検出装置１、線路曲線データベース５１、曲率計算部５２、台車操舵制御部８３及びアクチュエータ８４を備えている。台車操舵制御部８３は、曲率計算部５２で計算された曲率に基づいてアクチュエータ８４を駆動させ、前輪９１及び後輪９２が目的の操舵角となるように制御する。なお、自車位置検出装置１の構成は第１実施形態で説明したものと同様であり、線路曲線データベース５１及び曲率計算部５２は第１使用例と同様であるため同一符号を付して説明を省略する。
【００６６】
以上に説明した構成によれば、自車位置検出装置１により高精度に検出された列車の自車位置と線路曲線データベース５１と対照させることで、列車の現在位置における線路の曲率が高精度に求められる。よって、この線路の曲率に応じてアクチュエータ８４を制御し、前輪９１及び後輪９２の操舵方向及び操舵量を制御することで、カーブ通過時に前輪９１及び後輪９２が線路のレールから受ける横圧を最適に低減することができる。
【００６７】
（第３使用例）
図１１は図１に示す自車位置検出装置１を備えたアクティブ制振システム１００を説明する図面である。図１２は図１１に示すアクティブ制振システム１００のブロック図である。図１１に示すように、列車の車体１０１は、車輪１０３を備えた台車１０２の上に左右一対の空気バネ１０４，１０５を介して設けられている。車体１０１の下面には車体側ブラケット１０１ａが固定されていると共に、台車１０２の上面には台車側ブラケット１０２ａが固定されている。
【００６８】
各ブラケット１０１ａ，１０２ａの間には、進行方向に対して左右に直進運動を発生させる電気式、油圧式又は空気圧式のアクチュエータ１０６が介設されている。また、各ブラケット１０１ａ，１０２ａの間には、車体側ブラケット１０１ａと台車側ブラケット１０２ａとの間の相対運動に減衰作用を付与するダンパー１０７が介設されている。また、車体１０１には、進行方向に対して左右の加速度を検出する加速度センサ１０９が取り付けられている。
【００６９】
図１２に示すように、アクティブ制振システム１００は、前述した自車位置検出装置１、線路区間データベース１１１、区間計算部１１２、アクティブ制御部１１０、加速度センサ１０９及びアクチュエータ１０６を備えている。線路区間データベース１１１には、線路の区間情報（直線区間、曲線区間、トンネル区間など）が線路の位置に関連付けされて保存されている。曲率計算部１１２は、自車位置検出装置１で検出された自車位置を線路区間データベース１１１に対照させて、列車がどのような区間に存在するかを計算する。アクティブ制御部１１０は、加速度センサ１０９で検出される加速度を打ち消すようにアクチュエータ１０６を制御する。そして、区間計算部１１２によりトンネル区間を通過中であると計算された時には、アクティブ制御部１１０は、空力の影響を考慮して、制御ゲインを上げたり、制御の周波数帯を空力周波数に応じて変更する。
【００７０】
以上に説明した構成によれば、自車位置検出装置１により高精度に検出された列車の自車位置と線路区間データベース１１１と対照させることで、列車の現在地がトンネル、曲線、直線等のどの区間にあるかが高精度に求められる。よって、車体１０１に生じる加速度に応じてアクチュエータ１０６を制御して乗り心地を良好にするにあたり、線路の区間に応じてアクチュエータ１０６の制御方法を変更することで、走行状態に応じた適切な制振を実現することが可能となる。なお、他の構成は第１使用例又は第２使用例と同様であるため同一符号を付して説明を省略する。また、上記例では車体の左右方向を例に示したが、加速度センサ、相対変位センサ、アクチュエータを上下方向に設置することにより車体上下方向の制振制御も可能である。
【００７１】
（第４使用例）
図１３は図１に示す自車位置検出装置１を備えたセミアクティブ制振システム１２０を説明する図面である。図１４は図１３に示すセミアクティブ制振システム１２０のブロック図である。図１３に示すように、車体側ブラケット１０１ａと台車側ブラケット１０２ａとの間には、車体側ブラケット１０１ａと台車側ブラケット１０２ａとの間の相対運動に減衰作用を付与する可変ダンパー１２７が介設されている。この可変ダンパー１２７は、電磁粘性流体などを使用したもので、減衰係数を変更可能なものである。
【００７２】
図１４に示すように、セミアクティブ制振システム１２０は、前述した自車位置検出装置１、線路区間データベース１１１、区間計算部１１２、セミアクティブ制御部１３０及びアクチュエータ、相対変位センサ１０８、加速度センサ１０９及び可変ダンパー１２７を備えている。セミアクティブ制御部１３０は、相対変位センサ１０８で検出される相対変位量を微分することで車体１０１の台車１０２に対する相対速度を算出し（相対速度取得手段）、加速度センサ１０９の出力から車体速度を算出し、その相対速度及び車体速度に基づいて可変ダンパー１２７の減衰係数を制御する（例えば、特許第３６３７０２７号公報の図２等参照）。なお、セミアクティブ制御部１３０は、車体１０１に取り付けた加速度センサ１０９で検出される車体加速度と、台車１０２に取り付けた加速度センサ（図示せず）で検出される台車加速度との差である相対加速度を積分して相対速度を算出し、その相対速度に基づいて可変ダンパー１２７の減衰係数を制御してもよい。あるいは、セミアクティブ制御部１３０は、相対変位センサ１０８で検出される相対変位量を微分することで車体１０１の台車１０２に対する相対速度を算出し、その相対速度に基づいて可変ダンパー１２７の減衰係数を制御してもよい。
【００７３】
そして、セミアクティブ制御部１３０は、区間計算部１１２で計算された区間に応じて可変ダンパー１２７の減衰係数を調節し、車体１０１の左右方向の加速度が減るように制御する。具体的には、区間計算部１１２によりトンネル区間を通過中であると計算された時には、セミアクティブ制御部１３０は、空力の影響を考慮して、制御ゲインを上げたり、又は、制御の周波数帯を空力周波数に応じて変更する。
【００７４】
以上に説明した構成によれば、前述した自車位置検出装置１により高精度に検出された列車の自車位置と線路区間データベース１１１と対照させることで、列車の現在地がトンネル、曲線、直線等のどの区間にあるかが高精度に求められる。よって、相対変位センサ１０８及び加速度センサ１０９の出力に応じて可変ダンパー１２７の減衰係数を制御して乗り心地を良好にするにあたり、線路の区間に応じて可変ダンパー１２７の制御方法を変更することで、走行状態に応じた適切な制振を実現することが可能となる。なお、他の構成は第１使用例又は第２使用例と同様であるため同一符号を付して説明を省略する。また、上記例では車体の左右方向を例に示したが、加速度センサ、相対変位センサ、アクチュエータを上下方向に設置することにより車体上下方向の制振制御も可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
以上のように、本発明に係る列車の自車位置検出装置、車体傾斜制御システム、操舵システム、アクティブ制振システム及びセミアクティブ制振システムは、あらゆる仕様の列車の自車位置を高精度に検出することができる優れた効果を有し、この効果の意義を発揮できる列車に広く適用すると有益である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る自車位置検出装置のブロック図である。
【図２】図１に示す自車位置検出装置の演算制御部を機能的に説明するブロック図である。
【図３】図１に示す自車位置検出装置の自車位置検出原理を説明する図面である。
【図４】（ａ）（ｂ）はノイズパラメータによる拡張カルマンフィルタの推定速度及び耐ノイズ性への影響を説明するグラフである。
【図５】図１に示す自車位置検出装置の自車位置検出手順を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施形態に係る自車位置検出装置の演算制御部を機能的に説明するブロック図である。
【図７】図１に示す自車位置検出装置を備えた車体傾斜制御システムを説明する図面である。
【図８】図７に示す車体傾斜制御システムのブロック図である。
【図９】図１に示す自車位置検出装置を備えた操舵システムを説明する図面である。
【図１０】図９に示す操舵システムのブロック図である。
【図１１】図１に示す自車位置検出装置を備えたアクティブ制振システムを説明する図面である。
【図１２】図１１に示すアクティブ制振システムのブロック図である。
【図１３】図１に示す自車位置検出装置を備えたセミアクティブ制振システムを説明する図面である。
【図１４】図１３に示すセミアクティブ制振システムのブロック図である。
【符号の説明】
【００７７】
１ 自車位置検出装置
２ ＧＰＳ受信機（衛星測位受信機）
３ 速度発電機
４ 車上子
１０ 列車
１１ 線路
１２ 車輪
１３ 地上子
２０，３１ 信頼度算出部（信頼度算出手段）
２１ 拡張カルマンフィルタ（状態推定器）
２２ 自車位置決定部（自車位置決定手段）
５０ 車体傾斜制御システム
５１ 線路データベース
５２ 曲率計算部（曲率計算手段）
５３ 車体傾斜制御部（車体傾斜制御手段）
５４，８４ アクチュエータ
６０ 車体
６１，９０ 台車
６２ 車輪
８０ 操舵システム
８３ 操舵制御部（操舵制御手段）
１００ アクティブ制振システム
１０６ アクチュエータ
１０９ 加速度センサ
１１０ アクティブ制御部（アクティブ制御手段）
１１１ 線路区間データベース
１１２ 区間計算部（区間計算手段）
１２０ セミアクティブ制振システム
１２７ 可変ダンパー
１３０ セミアクティブ制御部（セミアクティブ制御手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
列車の速度を検出する速度センサと、
測位衛星から受信した情報に基づいて自己の位置を定期的に算出する衛星測位受信機と、
前記速度センサ及び前記衛星測位受信機の出力に基づいて、基準位置からの走行距離と、前記速度センサの出力を補正するための誤差パラメータとを推定する状態推定器と、
前記速度センサ及び前記状態推定器の出力に基づいて基準位置からの走行距離を算出して前記列車の位置を決定する自車位置決定手段とを備え、
前記自車位置決定手段は、前記衛星測位受信機の出力の更新時には、前記状態推定器で推定された走行距離により前記列車の位置を決定する一方、前記衛星測位受信機の出力の更新時以外には、前記速度センサの出力の更新時に、前記状態推定器で推定された走行距離のうち最新のものと、前記状態推定器で推定された誤差パラメータのうち最新のものを用いて補正された前記速度センサの出力とに基づいて走行距離を積算し、前記列車の位置を決定することを特徴とする列車の自車位置検出装置。
【請求項２】
前記衛星測位受信機の出力の信頼度の程度を表す受信信頼度を算出する信頼度算出手段をさらに備え、
前記状態推定器は、走行距離を算出する際の推定速度及び耐ノイズ性を調整可能なノイズパラメータを有し、
前記ノイズパラメータは、その値が大きくなると推定速度が遅くなる代わりに耐ノイズ性が高まる一方、その値が小さくなると耐ノイズ性が低下する代わりに推定速度が速くなるパラメータであり、
前記ノイズパラメータは、前記信頼度算出手段で求めた前記受信信頼度が高くなるにつれて小さくなるように設定される一方、前記信頼度算出手段で求めた前記受信信頼度が低くなるにつれて大きくなるように設定される請求項１に記載の列車の自車位置検出装置。
【請求項３】
線路近傍に設置されて位置が既知である地上子と無線通信して列車の位置を取得可能な車上子と、
前記車上子により列車の位置情報が取得されると、その位置情報により、前記自車位置決定手段で決定する前記列車の位置を初期化する初期化手段とをさらに備えている請求項１又は２に記載の列車の自車位置検出装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の自車位置検出装置と、
線路上の位置に関連付けられた線路の曲線情報を保存する線路曲線データベースと、
前記自車位置検出装置で検出された前記列車の位置から前記線路曲線データベースを参照して自車位置における線路の曲率を計算する曲率計算手段と、
車体を進行方向に対して左右に傾斜させるように駆動するアクチュエータと、
前記曲率計算手段の出力に応じて前記アクチュエータを制御する車体傾斜制御手段とを備えていることを特徴とする列車の車体傾斜制御システム。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の自車位置検出装置と、
線路上の位置に関連付けられた線路の曲線情報を保存する線路曲線データベースと、
前記自車位置検出装置で検出された前記列車の位置から前記線路曲線データベースを参照して自車位置における線路の曲率を計算する曲率計算手段と、
進行方向に対して左右に転向可能に支持された車輪を操舵させるアクチュエータと、
前記曲率計算手段の出力に応じて前記アクチュエータを制御する操舵制御手段とを備えていることを特徴とする列車の操舵システム。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれかに記載の自車位置検出装置と、
線路上の位置に関連付けられた線路の区間情報を保存する線路区間データベースと、
前記自車位置検出装置で検出された前記列車の位置から前記線路区間データベースを参照して自車位置における線路の区間を計算する区間計算手段と、
列車の車体と台車との間に介設され、前記車体を前記台車に対して相対変位させるように駆動可能なアクチュエータと、
前記車体の加速度を検出可能な加速度センサと、
前記加速度センサの出力に基づいて前記アクチュエータを制御するアクティブ制御手段とを備え、
前記アクティブ制御手段は、前記区間計算手段の出力に応じて前記アクチュエータの制御方法を変更する構成であることを特徴とする列車のアクティブ制振システム。
【請求項７】
請求項１乃至３のいずれかに記載の自車位置検出装置と、
線路上の位置に関連付けられた線路の区間情報を保存する線路区間データベースと、
前記自車位置検出装置で検出された前記列車の位置から前記線路区間データベースを参照して自車位置における線路の区間を計算する区間計算手段と、
列車の車体と台車との間に介設され、減衰係数を変更可能な可変ダンパーと、
前記車体の前記台車に対する相対速度を取得可能な相対速度取得手段と、
前記相対速度取得手段で取得された相対速度に基づいて前記可変ダンパーの減衰係数を制御するセミアクティブ制御手段とを備え、
前記セミアクティブ制御手段は、前記区間計算手段の出力に応じて前記可変ダンパーの制御方法を変更する構成であることを特徴とする列車のセミアクティブ制振システム。
【請求項１】
列車の速度を検出する速度センサと、
測位衛星から受信した情報に基づいて自己の位置を定期的に算出する衛星測位受信機と、
前記速度センサ及び前記衛星測位受信機の出力に基づいて、基準位置からの走行距離と、前記速度センサの出力を補正するための誤差パラメータとを推定する状態推定器と、
前記速度センサ及び前記状態推定器の出力に基づいて基準位置からの走行距離を算出して前記列車の位置を決定する自車位置決定手段とを備え、
前記自車位置決定手段は、前記衛星測位受信機の出力の更新時には、前記状態推定器で推定された走行距離により前記列車の位置を決定する一方、前記衛星測位受信機の出力の更新時以外には、前記速度センサの出力の更新時に、前記状態推定器で推定された走行距離のうち最新のものと、前記状態推定器で推定された誤差パラメータのうち最新のものを用いて補正された前記速度センサの出力とに基づいて走行距離を積算し、前記列車の位置を決定することを特徴とする列車の自車位置検出装置。
【請求項２】
前記衛星測位受信機の出力の信頼度の程度を表す受信信頼度を算出する信頼度算出手段をさらに備え、
前記状態推定器は、走行距離を算出する際の推定速度及び耐ノイズ性を調整可能なノイズパラメータを有し、
前記ノイズパラメータは、その値が大きくなると推定速度が遅くなる代わりに耐ノイズ性が高まる一方、その値が小さくなると耐ノイズ性が低下する代わりに推定速度が速くなるパラメータであり、
前記ノイズパラメータは、前記信頼度算出手段で求めた前記受信信頼度が高くなるにつれて小さくなるように設定される一方、前記信頼度算出手段で求めた前記受信信頼度が低くなるにつれて大きくなるように設定される請求項１に記載の列車の自車位置検出装置。
【請求項３】
線路近傍に設置されて位置が既知である地上子と無線通信して列車の位置を取得可能な車上子と、
前記車上子により列車の位置情報が取得されると、その位置情報により、前記自車位置決定手段で決定する前記列車の位置を初期化する初期化手段とをさらに備えている請求項１又は２に記載の列車の自車位置検出装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の自車位置検出装置と、
線路上の位置に関連付けられた線路の曲線情報を保存する線路曲線データベースと、
前記自車位置検出装置で検出された前記列車の位置から前記線路曲線データベースを参照して自車位置における線路の曲率を計算する曲率計算手段と、
車体を進行方向に対して左右に傾斜させるように駆動するアクチュエータと、
前記曲率計算手段の出力に応じて前記アクチュエータを制御する車体傾斜制御手段とを備えていることを特徴とする列車の車体傾斜制御システム。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の自車位置検出装置と、
線路上の位置に関連付けられた線路の曲線情報を保存する線路曲線データベースと、
前記自車位置検出装置で検出された前記列車の位置から前記線路曲線データベースを参照して自車位置における線路の曲率を計算する曲率計算手段と、
進行方向に対して左右に転向可能に支持された車輪を操舵させるアクチュエータと、
前記曲率計算手段の出力に応じて前記アクチュエータを制御する操舵制御手段とを備えていることを特徴とする列車の操舵システム。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれかに記載の自車位置検出装置と、
線路上の位置に関連付けられた線路の区間情報を保存する線路区間データベースと、
前記自車位置検出装置で検出された前記列車の位置から前記線路区間データベースを参照して自車位置における線路の区間を計算する区間計算手段と、
列車の車体と台車との間に介設され、前記車体を前記台車に対して相対変位させるように駆動可能なアクチュエータと、
前記車体の加速度を検出可能な加速度センサと、
前記加速度センサの出力に基づいて前記アクチュエータを制御するアクティブ制御手段とを備え、
前記アクティブ制御手段は、前記区間計算手段の出力に応じて前記アクチュエータの制御方法を変更する構成であることを特徴とする列車のアクティブ制振システム。
【請求項７】
請求項１乃至３のいずれかに記載の自車位置検出装置と、
線路上の位置に関連付けられた線路の区間情報を保存する線路区間データベースと、
前記自車位置検出装置で検出された前記列車の位置から前記線路区間データベースを参照して自車位置における線路の区間を計算する区間計算手段と、
列車の車体と台車との間に介設され、減衰係数を変更可能な可変ダンパーと、
前記車体の前記台車に対する相対速度を取得可能な相対速度取得手段と、
前記相対速度取得手段で取得された相対速度に基づいて前記可変ダンパーの減衰係数を制御するセミアクティブ制御手段とを備え、
前記セミアクティブ制御手段は、前記区間計算手段の出力に応じて前記可変ダンパーの制御方法を変更する構成であることを特徴とする列車のセミアクティブ制振システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００９−４２１７９（Ｐ２００９−４２１７９Ａ）
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１００８４（Ｐ２００７−２１００８４）
【出願日】平成１９年８月１０日（２００７．８．１０）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月１０日（２００７．８．１０）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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