速度計測装置
【課題】路面に対する移動体の速度を正確に計測する。
【解決手段】速度計測装置は、路面形状データを取得する路面形状センサ１１と、路面形状データを格納するメモリ１２と、メモリ１２に格納された路面形状データに基づいて、車両１０の速度を計算する演算装置１３とを備える。路面形状センサ１１は、路面に電波を放射し、路面形状センサ１１からの距離が異なる路面上の複数の構造物によって反射された各反射波の信号レベルと、路面形状センサ１１から各構造物までの伝搬距離とを測定することで、路面形状データを取得する。演算装置１３は、各路面形状データの伝搬距離を、路面に射影した水平距離に変換し、類似する路面形状データが取得されるときの路面形状データとの水平距離の差を決定し、水平距離の差を測定時間の差で除算して移動体の速度を計算する。
【解決手段】速度計測装置は、路面形状データを取得する路面形状センサ１１と、路面形状データを格納するメモリ１２と、メモリ１２に格納された路面形状データに基づいて、車両１０の速度を計算する演算装置１３とを備える。路面形状センサ１１は、路面に電波を放射し、路面形状センサ１１からの距離が異なる路面上の複数の構造物によって反射された各反射波の信号レベルと、路面形状センサ１１から各構造物までの伝搬距離とを測定することで、路面形状データを取得する。演算装置１３は、各路面形状データの伝搬距離を、路面に射影した水平距離に変換し、類似する路面形状データが取得されるときの路面形状データとの水平距離の差を決定し、水平距離の差を測定時間の差で除算して移動体の速度を計算する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等の移動体上に設けられ、路面に対する移動体の速度を計測する速度計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両等の移動体上に設けられ、路面に対する移動体の速度を計測する対地速度検出装置として、特許文献１及び２の発明が知られている。
【０００３】
特許文献１の発明は、電波を発生する送信機と、車両から軌道面に上記電波を放射するアンテナと、軌道面から得られる反射電力と送信電力の一部とを混合してドップラー信号成分を得る混合器と、この混合器の出力から、ある一定レベル以上の信号を検出しこれをパルスに変換するパルス発生器及びカウンターとを備え、パルス数とパルスの始点、終点時刻を計測することによって走行距離と所要時間を求め、これから車両の走行速度を導出するように構成される。
【０００４】
特許文献２の発明は、路面との距離を測定する第１の対地距離センサと、この第１の対地距離センサと車両進行方向に平行に該第１の対地距離センサと所定距離を有して配され、第１の対地処理センサから所定距離離れた地点の路面との距離を測定する第２の対地距離センサと、第１の対地距離センサからの距離信号に基づいて、車両が進行する路面をトレースする第１の路面トレース手段と、第２の対地距離センサからの距離信号に基づいて、車両が進行する路面をトレースする第２の路面トレース手段と、第１の路面トレース手段によってトレースされた路面の特徴と、第２の路面トレース手段によってトレースされた路面の特徴を比較し、第１の対地距離センサが通過した場所を第２の対地距離センサが通過する時間差を検出する時間遅れ検出手段と、この時間遅れ検出手段によって検出された時間差と、第１の対地距離センサと第２の対地距離センサの所定距離から、車両の対地速度を検出する対地速度検出手段とを具備する。
【０００５】
計測した速度を用いることで、所定の基準点からの走行距離又は積算走行距離を計算することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５８−２０６９９１号公報。
【特許文献２】特開平６−１３８２２１号公報。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の発明では、ドップラー信号に基づいて走行速度を決定しているので、車両が低速で移動している場合にはドップラー周波数が非常に低くなり、計測不能になる。そのため、特許文献１の発明では、低速移動は停止と判定され、積算走行距離に誤差が生じるという問題がある。
【０００８】
特許文献２の発明では、２つの対地距離センサのそれぞれは、その直下の路面との距離を計測しているので、取得される路面の特徴情報は限定的である。特許文献２の発明では、速度を計測する際に限定的な特徴情報しか使用できないことに起因して、誤差が生じるおそれがある。
【０００９】
本発明の課題は、以上の問題点を解決し、路面に対する移動体の速度を正確に計測することができる速度計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の速度計測装置によれば、
路面に対する移動体の速度を計測する速度計測装置であって、上記速度計測装置は、
上記移動体に設けられ、上記路面断面の上部形状を表す路面形状データを取得する路面形状センサと、
上記路面形状センサによって取得された路面形状データを格納するメモリと、
上記メモリに格納された上記第１及び第２の路面形状データに基づいて、上記移動体の速度を計算する演算手段とを備え、
上記路面形状センサは、上記路面に電波を放射し、上記路面形状センサからの距離が異なる上記路面上の複数の構造物によって反射された各反射波の信号レベルと、上記路面形状センサから上記各構造物までの伝搬距離とを測定することで、上記路面形状データを取得し、上記路面形状センサは、少なくとも第１及び第２の測定時間を含む複数の測定時間において上記路面形状データを取得し、上記第１の測定時間において第１の路面形状データを取得し、上記第２の測定時間において第２の路面形状データを取得し、
上記演算手段は、上記第１及び第２の路面形状データのそれぞれの伝搬距離を、上記路面に射影した水平距離に変換し、上記第１の路面形状データと類似する上記第２の路面形状データが取得されるときの上記第１の路面形状データと上記第２の路面形状データとの水平距離の差を決定し、上記水平距離の差を上記第１及び第２の測定時間の差で除算して上記移動体の速度を計算することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、路面に対する移動体の速度を正確に計測することができる速度計測装置を提供することができる。さらに、計測された速度を積算することにより、所定の基準点からの積算走行距離を計算することができる。さらに、移動する経路が予めわかっている場合には、計算された積算走行距離から現在位置を特定することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る速度計測装置を備えた車両１０の構成を示す概略図である。
【図２】図１の距離センサ１１の照射範囲１０１を示す、軌道の上面図である。
【図３】図１の距離センサ１１の詳細構成を示すブロック図である。
【図４】図３の距離センサコントローラ２１によって発生される矩形波の送信信号の波形１１１と、図３のフィルタ２２を通過後の送信信号の波形１１２と、図３の包絡線検波器２７による検波後の受信信号の波形１１３とを示す図である。
【図５】図１の距離センサ１１による路面５の測定を示す図である。
【図６】路面形状データが車両１０の移動に伴って変化する様子を示す図である。
【図７】異なる測定時間における路面形状データのピークの変化を示す図である。
【図８】図１の演算装置１３によって実行される速度及び距離演算処理を示すフローチャートである。
【図９】カルマンフィルタを用いたノイズ低減を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る速度計測装置の距離センサの照射範囲１０１，１０２を示す、軌道の上面図である。
【図１１】本発明の実施の形態３に係る電波反射体４２を含む軌道の図である。
【図１２】本発明の実施の形態４に係る電波反射体５４を含む軌道の図である。
【図１３】本発明の実施の形態５に係るエレベータ装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る速度計測装置について説明する。各図にわたって、同様の構成要素は同じ参照番号で示す。図面中のＸＹＺ座標を参照する。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る速度計測装置を備えた車両１０の構成を示す概略図である。実施の形態１の速度計測装置は、軌道上を走行する車両１０上に設けられ、路面に対する車両１０の速度を計測する。車両１０は、図１の＋Ｘ方向に進むものとする。軌道は、地面１、枕木２ａ〜２ｅ、レール３ａ及び３ｂ（図２を参照）、及び締結装置４ａ〜４ｊ（図２を参照）からなり、レール３ａ及び３ｂは締結装置４ａ〜４ｊによって枕木２ａ〜２ｅに固定されている。車両１０は、路面の形状（例えば、路面断面の上部形状）を表す路面形状データを取得する距離センサ１１と、路面形状データを格納するメモリ１２と、車両１０の速度及び積算走行距離を演算する演算装置１３と、演算結果を表示する表示装置１４と、距離センサ１１のためのタイミングパルス（以下、測定パルスという。）を周期的に発生する測定タイミング回路１５と、演算装置１３のためのタイミングパルス（以下、演算パルスという。）を周期的に発生する演算タイミング回路１６と、積算走行距離の基点を表す基点パルスを演算装置１３に入力するコントローラ１７とを備える。
【００１５】
距離センサ１１は、車両１０の下面に設けられる。距離センサ１１は、電波を放射して軌道上のさまざまな構造物によって反射された複数の反射波を受信し、各反射波の信号レベルと、電波を放射してから各反射波が戻るまでの伝搬時間からわかる伝搬距離とを測定することで、路面形状データを取得する。伝搬距離は「伝搬時間×光速÷２」から得られる。ある伝搬距離における構造物からの反射波の信号レベルが高いことは、その構造物が、路面において特徴的な反射物（すなわち、枕木２ａ〜２ｅ及び締結装置４ａ〜４ｊなど）であることを示す。測定タイミング回路１５は、距離センサ１１に測定を開始するタイミング（測定時間）を指示するための測定パルスを周期的に発生する。メモリ１２は、距離センサ１１により測定パルス毎に測定された路面形状データのうち、少なくとも２つの測定時間における路面形状データ（すなわち、前回の路面形状データと最新の路面形状データ）を格納する。演算装置１３は、演算パルスが入力される毎に、メモリ１２に格納された路面形状データに基づいて、図８を参照して後述する速度及び距離演算処理を実行することで、車両１０の速度及び積算走行距離を演算する。コントローラ１７は、外部のリセットボタン（図示せず。）からのリセット信号等に応答して、積算走行距離の基点を表す基点パルスを生成して演算装置１３に入力する。
【００１６】
図２は、図１の距離センサ１１の照射範囲１０１を示す、軌道の上面図である。距離センサ１１は、その直下から前方までの範囲にわたって電波が照射されるように、特に締結装置４ａ〜４ｅのうちの複数個に電波が照射されるように、車両１０の進行方向に沿って斜め前方に向かって電波を放射する。距離センサ１１が電波を放射したとき、金属である締結装置４ａ〜４ｅから強い反射波が戻ってくる。締結装置４ａ〜４ｅの間隔は５０〜６０ｃｍ程度である。距離センサ１１からあまり遠方を照射すると、車両１０がカーブを走行時に電波が締結装置４ａ〜４ｅに当らなくなるので、例えば、距離センサ１１の直下のやや後方（例えば、−Ｘ方向に１０ｃｍ程度）から前方２ｍ程度までに電波を照射する。距離センサ１１は、レール３ａ（又は３ｂ）の真上ではなく、例えばレール３ａ，３ｂ間の中央付近において車両１０の下面に設置され、電波を、斜めから（すなわちＺ軸方向の成分を有して）締結装置４ａ〜４ｅに照射させる。これは、距離センサ１１をレール３ａ，３ｂの真上に設置すると、レール３ａ，３ｂからの反射波によって他の構造物からの反射波が隠蔽され、十分な路面形状データを取得できなくなるからである。距離センサ１１は、締結装置４ａ〜４ｅを十分観測できる程度に短い波長を有する電波を放射する。締結装置４ａ〜４ｅが直径４０〜５０ｍｍ程度のボルトを含む場合、電波の波長は１０〜３０ｍｍ程度が望ましい。距離センサ１１から放射される電波の偏波は、レール３ａ，３ｂの長手方向に対して直交しているものとする。これにより、レール３ａ，３ｂからの反射を抑えることができる。
【００１７】
図３は、図１の距離センサ１１の詳細構成を示すブロック図である。距離センサ１１は、距離センサコントローラ２１と、電波を放射するためのフィルタ２２、増幅器２３、及び送信アンテナ２４と、反射波を受信するための受信アンテナ２５、増幅器２６、包絡線検波器２７、及びアナログ・デジタル（ＡＤ）変換器２８と、クロック発振器２９とを備える。距離センサコントローラ２１は、クロック発振器２９から供給されるクロック信号に基づいて動作する。距離センサコントローラ２１は、ＰＬＬ（フェイズ・ロック・ループ）回路を内臓し（図示せず。）、供給されたクロック信号の周波数をＰＬＬ回路により逓倍することで高周波のクロック信号を生成して動作してもよい。距離センサコントローラ２１は、測定タイミング回路１５から測定パルスを受信する毎に路面の測定を行って路面形状データを生成し、メモリ１２に送る。
【００１８】
距離センサコントローラ２１は、測定タイミング回路１５から測定パルスを受信したとき、まず、距離センサコントローラ２１のクロック信号に基づいて矩形波の送信信号を生成し、生成した送信信号をフィルタ２２に送る。フィルタ２２は矩形波の送信信号の高調波成分を取り出す。フィルタ２２は、例えば、２７〜２９ＧＨｚの成分を通過させるチェビシェフＩ型フィルタである。これにより、フィルタ２２は、２８ＧＨｚを中心周波数とするパルス波の送信信号を出力する。図４に、距離センサコントローラ２１によって発生される矩形波の送信信号の波形１１１と、フィルタ２２を通過後の送信信号の波形１１２とを示す。このように、矩形波の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジでパルス波が形成される。フィルタ２２から出力されたパルス波の送信信号は、増幅器２３により所定の出力電力まで増幅され、送信アンテナ２４から放射される。送信アンテナ２４は、照射範囲１０１（図１及び図２を参照）に向かって電波を放射する指向性アンテナである。送信アンテナ２４から放射されたパルス波の電波は、地面１、枕木２ａ〜２ｅ、及び締結装置４ａ〜４ｅなどの軌道上の構造物により反射され、反射波は受信アンテナ２５で受信される。受信アンテナ２５で受信されたパルス波の受信信号は、増幅器２６により増幅されて包絡線検波器２７に送られる。包絡線検波器２７は、パルス波の受信信号を検波してその包絡線信号を生成する。図４に、包絡線検波器２７による検波後の受信信号の波形１１３を示す。受信信号は、電波を放射してから反射波が戻るまでの伝搬時間を含む、送信信号に対する遅延時間１１４が経過した後に受信される。包絡線検波器２７による検波後の受信信号は、ＡＤ変換器２８によってＡＤ変換され、距離センサコントローラ２１に送られる。距離センサコントローラ２１は、各反射波の信号レベルと、電波を放射してから各反射波が戻るまでの伝搬時間からわかる伝搬距離とを測定することで、路面形状データを生成する。距離センサ１１と軌道上の複数の構造物との間の異なる伝搬距離を考慮して、電波の照射範囲１０１内において最も近い構造物からの反射波と最も遠い構造物からの反射波とを受信するように、距離センサコントローラ２１は、所定時間にわたって受信信号の取り込みを継続する。前述のように、距離センサ１１の直下のやや後方から前方２ｍまでの照射範囲で電波を放射する場合には、受信信号の取り込みを継続する時間は、「２ｍ÷光速×２＝約１３ナノ秒」であるので、余裕をみて２０ナノ秒程度とする。距離センサ１１の内部回路における信号伝送時間は予め測定され、距離センサコントローラ２１は、路面形状データを生成するとき、電波の伝搬時間のみを考慮することができる。距離センサコントローラ２１は、最後に、生成された路面状態データをメモリ１２に送る。距離センサ１１は、測定タイミング回路１５から測定パルスを受信する毎に以上の処理を繰り返す。
【００１９】
距離センサコントローラ２１は、例えばＦＰＧＡによって構成してもよい。
【００２０】
図８は、図１の演算装置１３によって実行される速度及び距離演算処理を示すフローチャートである。
【００２１】
ステップＳ１において、演算タイミング回路１６から演算パルスが入力される。演算装置１３は、演算パルスが入力される毎に、メモリ１２に格納された路面形状データから車両１０の速度を計算するとともに、演算パルスが入力された時点からの走行距離を計算し、計算された走行距離から積算走行距離を計算する。ステップＳ２において、前回の測定時間における路面形状データと、現在の測定時間における路面形状データとをメモリ１２から読み出し、演算装置１３に内蔵した一時メモリ（図示せず。）に格納する。ステップＳ３において、路面形状データの伝搬距離を、路面に射影した水平距離に変換する。
【００２２】
図５は、図１の距離センサ１１による路面５の測定を示す図である。図示の簡単化のために、地面１及び枕木２ａ〜２ｅをまとめて、路面５として示す。
図５を参照すると、距離センサ１１から電波を放射して路面からの反射波を受信することにより、距離センサ１１から締結装置４ｃ〜４ｅまでの伝搬距離１２１〜１２３が測定されている。
路面５から車両１０までの高さ１２４は、距離センサ１１がその直下の路面５（又は締結装置）からの反射波を受信したときの伝搬距離、すなわち伝搬距離の最小値からわかる。
Ｒを伝搬距離として、Ｈを路面５から車両１０までの高さ１２４とすると、距離センサ１１から軌道上の構造物までの水平距離（すなわち路面上に射影された距離）を次式により得ることができる。
【００２３】
【数１】
【００２４】
数１により、伝搬距離１２１〜１２３は水平距離１２３〜１２７に変換される。水平距離１２３〜１２７は、路面５上の実際の距離に一致する。
【００２５】
図６は、路面形状データが車両１０の移動に伴って変化する様子を示す図である。図６の最上段のグラフは、伝搬距離（図５の伝搬距離１２１〜１２３）で表された路面形状データである。反射波のピーク１３１〜１３３は、距離センサ１１から締結装置４ｃ〜４ｅまでの伝搬距離と、電波を放射して締結装置４ｃ〜４ｅによって反射された各反射波の信号レベルとを示す。図６の上から２段目のグラフは、車両１０の移動に伴って反射波のピーク１３１〜１３３（それぞれ、参照番号１３４〜１３６で示す。）が変化する様子を示す。２段目のグラフもまた、最上段のグラフと同様に、伝搬距離で表された路面形状データを示す。２段目のグラフによれば、車両１０が移動するに応じて、伝搬距離が次第に短くなっていることがわかる。前述のように、伝搬距離の最小値は、路面５から車両１０までの高さ１２４である。演算装置１３は、伝搬距離の最小値を、演算装置１３に内蔵した不揮発性メモリ（図示せず。）に格納し、演算装置１３の動作中に常に更新する。演算装置１３は、電源投入時には、その不揮発性メモリから伝搬距離の最小値を読み出す。図６の３段目のグラフは、数１により伝搬距離から変換された水平距離（図５の水平距離１２５〜１２７）で表された路面形状データである。反射波のピーク１４１〜１４３は、最上段のグラフの反射波のピーク１３１〜１３３に対応し、距離センサ１１から締結装置４ｃ〜４ｅまでの水平距離と、電波を放射して締結装置４ｃ〜４ｅによって反射された各反射波の信号レベルとを示す。図６の最下段のグラフは、車両１０の移動に伴って反射波のピーク１４１〜１４３（それぞれ、参照番号１４４〜１４６で示す。）が変化する様子を示す。最下段のグラフもまた、３段目のグラフと同様に、水平距離で表された路面形状データを示す。伝搬距離は、車両１０の移動に対して非線形に変化するが、水平距離は線形に変化する。従って、車両１０が等速で移動する場合は、最下段のグラフに示すように反射波のピーク１４４〜１４６は直線になる。また、例えば、締結装置４ｃ〜４ｅが地面１に等間隔で配置されている場合、伝搬距離１２１〜１２３は均等にはならないが、水平距離１２５〜１２７は均等になる。
【００２６】
ステップＳ４において、水平距離を変数ｘとする前回の測定時間における路面形状データと現在の測定時間における路面形状データとの相互相関値Ｒ（ｘ）を計算し、相互相関値Ｒ（ｘ）を最大化する距離ｘを決定する。この距離ｘは、前回の測定時間と現在の測定時間との間に車両１０が移動した距離を表す。図７は、異なる測定時間における路面形状データのピークの変化を示す図である。図７の上段のグラフは、前回の測定時間における路面形状データ（反射波のピーク１５１〜１５３を含む。）を示し、図７の下段のグラフは、現在の測定時間における路面形状データ（反射波のピーク１５４〜１５６を含む。）を示す。図７において、例えば、反射波のピーク１５１，１５４は同じ締結装置４ｃからの反射波のピークを示し、反射波のピーク１５２，１５５は同じ締結装置４ｄからの反射波のピークを示し、反射波のピーク１５３，１５６は同じ締結装置４ｅからの反射波のピークを示す。図７の場合では、反射波のピーク１５１，１５４間の水平距離、反射波のピーク１５２，１５５間の水平距離、反射波のピーク１５３，１５６間の水平距離が、前回の測定時間と現在の測定時間との間に移動した距離である。具体的には、次式に示す相互相関値Ｒ（ｘ）を最大化する距離ｘを決定することにより、前回の測定時間と現在の測定時間との間に移動した距離を求める。
【００２７】
【数２】
【００２８】
ここで、Ａ（ｍ）は、前回の測定時間における、水平距離ｍで表された路面形状データであり、Ｂ（ｍ）は、現在の測定時間における、水平距離ｍで表された路面形状データである。Ｍは水平距離の最大値である。
【００２９】
ステップＳ５において、数２により決定された距離ｘを前回の測定時間と現在の測定時間との間の経過時間により除算して車両１０の速度を計算する。なお、前回の測定時間と現在の測定時間との間の経過時間は、測定タイミング回路１５の測定パルスの周期と同じである。ステップＳ６において、計算された速度に演算パルスの周期を乗算することにより演算パルスが入力されてからの走行距離を計算し、計算された走行距離を積算することで、基点（すなわち、コントローラ１７から基点パルスが入力されたときの車両１０の位置）からの積算走行距離を計算する。ステップＳ７において、速度及び積算走行距離を表示装置１４に表示させ、ステップＳ１に戻る。
【００３０】
車両１０の速度は、加速または減速により変動する。このとき、反射波のピークは、図６の最下段のグラフのように直線にはならない。しかし、本発明の実施の形態によれば、
前回の測定時間と現在の測定時間との間に移動した距離から速度及び走行距離を計算し、計算された走行距離を積算するので、途中で速度が変動していても関係なく、速度を計算する２つの測定時間毎に移動する距離は確定している。つまり、車両１０の速度の変動に関係なく、正確に積算走行距離を計算することができる。
【００３１】
実施の形態１では、パルス波の送信信号を用いて、距離センサ１１から軌道上の構造物までの伝搬距離を求めたが、ＦＭ−ＣＷ方式、スペクトル拡散方式、チャープパルス方式など、距離を測定できる他の方式を用いてもよい。
【００３２】
ここで、図６の最上段のグラフに示すしきい値１３７について補足する。距離センサ１１の電波の照射範囲１０１は、軌道の長手方向に対して横方向に多少は広がりを有する。そのため、距離センサ１１は、レール３ａ，３ｂより外側の構造物からの反射波を受信することもある。レール３ａ，３ｂより外側の構造物の伝搬距離の変化は、見かけ上、車両１０の速度より遅い。そのため、レール３ａ，３ｂより外側の構造物からの反射波に基づいて速度を計算すると、誤差が生じる。さいわい、レール３ａ，３ｂより外側の構造物は照射範囲１０１より外側にあるので、受信時の信号レベルは低い。よって、しきい値１３７を適切な値に設定し、そのような信号レベルが低い反射波に基づいて速度を計算しないようにしている。
【００３３】
ところで、速度及び積算走行距離の誤差は、車体１０の振動による高さ１２４のずれ、距離センサ１１の受信雑音などがある。これらの誤差要因は、伝搬距離や水平距離の誤差として現れる。この誤差を低減するために、過去の数個の測定時間における路面形状データを使ってフィルタリングを行う。このフィルタリングにはカルマンフィルタが最適である。カルマンフィルタは、車両１０の動特性を用いてフィルタリングすることができる。移動平均フィルタを用いた場合には、突発的なノイズに影響を受ける。しかし、カルマンフィルタを使用すると、車両１０の動特性を越えるような突発的なノイズには影響を受けない。これらのことは一般的に知られたカルマンフィルタの特性であるが、本発明の実施の形態にとってカルマンフィルタが有利な点は以下にある。それは、いくつかの測定時間にわたる路面形状データのうちの両端の測定時間における路面形状データを使用できることということにある。速度及び積算走行距離の誤差を低減するためには、車両１０が移動する距離をなるべく広い時間にわたって測定することが望ましい。移動平均フィルタを用いた場合には両端の測定時間における路面形状データに誤差が残るが、カルマンフィルタは両端の測定時間における路面形状データの誤差を取り除いてくれる。図９は、カルマンフィルタを用いたノイズ低減を説明するための図である。ここでは、路面形状データの１つの反射波のピークに対してカルマルフィルタを適用した場合を示す。参照番号１６１の線は、カルマンフィルタ処理前の反射波のピークが時間的に変化する様子を示す。これは、車両１０が減速しているときの様子である。測定時間毎の反射波のピークを、反射波のピーク１６１の線上の丸印で示す。反射波のピーク１６１の水平距離の最大値及び最小値の差が、カルマンフィルタ処理前の変動幅１６２であるが、誤差を含んでいる。参照番号１６３の線は、カルマンフィルタ処理後の反射波のピークが時間的に変化する様子を示す。参照番号１６３の線では、両端の測定時間における路面形状データではノイズが抑圧され、カルマンフィルタ処理後の変動幅１６４によれば、誤差が低減していることがわかる。
【００３４】
以上説明したように、本発明の実施の形態１によれば、地面１、枕木２ａ〜２ｅ、締結装置４ａ〜４ｊなど、軌道上の構造物に電波を斜めから照射し、これらの構造物によって反射された各反射波の信号レベルと、距離センサ１１からこれらの構造物までの伝搬距離とを含む路面形状データを取得し、水平距離で表された路面形状データを求め、その水平距離で表された路面形状データの時間的な変化から、少ない誤差で車両１０の速度を計測することができ、さらに、少ない誤差で車両１０の積算走行距離を計算することができる。本発明の実施の形態１によれば、車両１０の速度が非常に低速であっても、正確に速度及び積算走行距離を求めることができる。
【００３５】
また、本発明の実施の形態１によれば、レール３ａ，３ｂの長手方向に対して直交する偏波を有する電波を放射することで、レール３ａ，３ｂからの強い反射を抑えることができ、伝搬距離を確実に求めることができ、少ない誤差で車両１０の速度を計測することができる。
【００３６】
また、本発明の実施の形態１によれば、波長１０〜３０ｍｍの電波を用いることで、締結装置４ａ〜４ｊで電波が強く反射し、伝搬距離を確実に求めることができ、少ない誤差で車両１０の速度を計測することができる。
【００３７】
ところで、車両１０の速度を計測するとき、従来技術では、よくドップラー周波数が利用されている。しかし、本質的には、ドップラー速度計の電波を地面１に斜めから照射するとき、ドップラー速度計の遠方からの反射波と近傍からの反射波ではドップラー周波数が異なるので、反射波は複数の周波数成分が混じったドップラー信号となる。このようなドップラー信号は非常に複雑な波形を有し、このようなドップラー信号から速度を計算すると大きな誤差が生じるという問題がある。本発明の実施の形態１は、ドップラー周波数を一切利用せず、パルス波の電波を放射することで路面形状データを取得し、距離センサ１１で取得した路面形状データの時間的な変化から車両１０の速度を計算するので、少ない誤差で車両１０の速度を計測することができ、さらに、少ない誤差で車両１０の積算走行距離を計算することができる。
【００３８】
実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２に係る速度計測装置の距離センサの照射範囲１０１，１０２を示す、軌道の上面図である。軌道のカーブが非常に急峻な線区では誤差が増大する。レール３ａ，３ｂ間の中央（すなわち、距離センサ１１を設ける位置）と、レール３ａの近傍の位置（すなわち、距離センサ１１による電波の照射範囲１０１）では、円弧の長さが異なるためである。この問題に対処するために、２つの速度計測装置を車両に設け、一方の速度計測装置により、レール３ａの近傍の照射範囲１０１に電波を放射し、他方の速度計測装置により、レール３ｂの近傍の照射範囲１０２に電波を放射し、２つの速度計測装置によってそれぞれ計測された速度の平均をとる。実施の形態２によれば、レール３ａ，３ｂのカーブが非常に急峻な線区であっても誤差を低減することができる。
【００３９】
実施の形態３．
図１１は、本発明の実施の形態３に係る電波反射体４２を含む軌道の図である。軌道が道路４１と交差する場合（踏切等）、道路４１と交差している軌道の部分には枕木２及び締結装置を露出させることができないので、十分な路面形状データを取得することができない。実施の形態３では、道路４１と交差している軌道の部分のレール３ａ，３ｂ間において、レール３ａ，３ｂに沿って所定間隔で電波反射体４２を並べている。実施の形態１では、通常の軌道上の構造物（例えば締結装置４ａ〜４ｅ）に電波を放射していたが、実施の形態３では、電波を反射させるための電波反射体４２を特に配置しておくものである。電波反射体４２は、三角柱形のくぼみを持った金属などで構成できるが、その他、電波を強く反射させるものであれば任意の材料及び構造物を使用することができる。以上説明したように、実施の形態３によれば、踏み切りなどにおいて枕木や締結装置が見えない状態であっても、正確に車両の速度を計測することができる。
【００４０】
実施の形態４．
図１２は、本発明の実施の形態４に係る電波反射体５４を含む軌道の図である。実施の形態１〜５では、距離センサを車両１０の下面に設置し、路面に電波を照射して路面に対する車両１０の速度を計測した。本発明の実施の形態の距離センサに求められる要件は、距離センサの進行方向と、距離センサにより電波が照射される面とが平行であればよい。従って、例えば、車両１０の横に距離センサを設置し、さらに、車両１０の横に車両１０からそれぞれ等距離に位置するように、複数の電波反射体５４を車両１０の進行方向（軌道５１，５２の長手方向）に沿って周期的に並べて設置してもよい。電波反射体５４は、三角柱形のくぼみを持った金属などで構成できるが、その他、電波を強く反射させるものであれば任意の材料及び構造物を使用することができる。電波反射体５４は、支柱５５の上に設けられてもよく、又は、トンネル５３等の壁面に設けられてもよい。また、車両１０の天井に距離センサを設置し、トンネル５３の天井に複数の電波反射体５４を車両１０の進行方向に沿って周期的に並べて設置してもよい。
【００４１】
実施の形態５．
図１３は、本発明の実施の形態５に係るエレベータ装置の構成を示す概略図である。実施の形態１〜６では軌道上を走行する車両１０を例にとったが、本発明の実施の形態は、軌道上を移動する移動体であるならば任意の装置に適用可能であり、図１３に示すようにエレベータ装置に適用することもできる。図１３のエレベータ装置は、壁面６１及び周期的に設けられた複数の鉄骨６２を含む昇降路（図示の簡単化のために１つ壁面のみを示す。）と、昇降路内をロープ６４によって昇降するかご６３とを備えて構成される。かご６３は、実施の形態１等と同様に構成された速度計測装置を備え、その距離センサにより壁面６１及び鉄骨６２に電波を放射する（照射範囲１０３）。かご６３の距離センサから電波を放射して壁面６１及び鉄骨６２によって反射された各反射波の信号レベルと、距離センサから壁面６１及び鉄骨６２までの伝搬距離とを測定することで、路面形状データを取得する。鉄骨６２によって、反射波にピークが生じる。壁面６１には、実施の形態３，４と同様に、電波を反射させるための電波反射体を特に配置してもよい。
【００４２】
本発明の実施の形態は、軌道上を移動する移動体に限定されず、距離センサによって路面形状データを取得可能であるならば、任意の路面と任意の移動体に適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明によれば、路面に対する移動体の速度を正確に計測することができる速度計測装置を提供することができる。さらに、計測された速度を積算することにより、所定の基準点からの積算走行距離を計算することができる。さらに、移動する経路が予めわかってい
【００４４】
電波を放射して路面上の構造物から反射される反射波から路面形状データを取得し、取得される路面形状データの時間的な変化から車両の移動距離を計測するので、移動体の速度を正確に計測することができる。また、車両の速度が非常に低速であっても、正確に速度を求められる。
【００４５】
レールの枕木や締結装置に電波を照射し、枕木や締結装置からの強い反射波を受信することで、移動体の速度を確実に求めることができ、少ない誤差で移動体の速度を計測することができる。
【００４６】
レールの長手方向に対して直交する偏波を有する電波を放射することで、レールからの強い反射を抑えることができ、移動体の速度を確実に求めることができ、少ない誤差で移動体の速度を計測することができる。
【００４７】
波長１０〜３０ｍｍの電波を用いることで、締結装置で電波が強く反射し、移動体の速度を確実に求めることができ、少ない誤差で移動体の速度を計測することができる。
る場合には、計算された積算走行距離から現在位置を特定することもできる。
【符号の説明】
【００４８】
１ 地面、２，２ａ〜２ｅ 枕木、３ａ，３ｂ レール、４ａ〜４ｊ 締結装置、５ 路面、１０ 車両、１１ 距離センサ、１２ メモリ、１３ 演算装置、１４ 表示装置、１５ 測定タイミング回路、１６ 演算タイミング回路、１７ コントローラ、２１ 距離センサコントローラ、２２ フィルタ、２３，２６ 増幅器、２４ 送信アンテナ、２５ 受信アンテナ、２７ 包絡線検波器、２８ ＡＤ変換器、２９ クロック発振器、４１ 道路、４２ 電波反射体、５１，５２ 軌道、５３ トンネル、５４ 電波反射体、５５ 支柱、６１ 壁面、６２ 鉄骨、６３ かご、６４ ロープ、１０１〜１０３ 電波の照射範囲、１１１ 距離センサコントローラ２１によって発生される矩形波の送信信号の波形、１１２ フィルタ２２を通過後の送信信号の波形、１１３ 包絡線検波器２７による検波後の受信信号の波形、１１４ 遅延時間、１２１〜１２３ 伝搬距離、１２４ 路面５から車両１０までの高さ、１２５〜１２７ 水平距離、１３１〜１３６ 反射波のピーク、１４１〜１４６ 反射波のピーク、１５１〜１５６ 反射波のピーク、１６１ カルマンフィルタ処理前の反射波のピーク、１６２ カルマンフィルタ処理前の変動幅、１６３ カルマンフィルタ処理後の反射波のピーク、１６４ カルマンフィルタ処理後の変動幅。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等の移動体上に設けられ、路面に対する移動体の速度を計測する速度計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両等の移動体上に設けられ、路面に対する移動体の速度を計測する対地速度検出装置として、特許文献１及び２の発明が知られている。
【０００３】
特許文献１の発明は、電波を発生する送信機と、車両から軌道面に上記電波を放射するアンテナと、軌道面から得られる反射電力と送信電力の一部とを混合してドップラー信号成分を得る混合器と、この混合器の出力から、ある一定レベル以上の信号を検出しこれをパルスに変換するパルス発生器及びカウンターとを備え、パルス数とパルスの始点、終点時刻を計測することによって走行距離と所要時間を求め、これから車両の走行速度を導出するように構成される。
【０００４】
特許文献２の発明は、路面との距離を測定する第１の対地距離センサと、この第１の対地距離センサと車両進行方向に平行に該第１の対地距離センサと所定距離を有して配され、第１の対地処理センサから所定距離離れた地点の路面との距離を測定する第２の対地距離センサと、第１の対地距離センサからの距離信号に基づいて、車両が進行する路面をトレースする第１の路面トレース手段と、第２の対地距離センサからの距離信号に基づいて、車両が進行する路面をトレースする第２の路面トレース手段と、第１の路面トレース手段によってトレースされた路面の特徴と、第２の路面トレース手段によってトレースされた路面の特徴を比較し、第１の対地距離センサが通過した場所を第２の対地距離センサが通過する時間差を検出する時間遅れ検出手段と、この時間遅れ検出手段によって検出された時間差と、第１の対地距離センサと第２の対地距離センサの所定距離から、車両の対地速度を検出する対地速度検出手段とを具備する。
【０００５】
計測した速度を用いることで、所定の基準点からの走行距離又は積算走行距離を計算することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５８−２０６９９１号公報。
【特許文献２】特開平６−１３８２２１号公報。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の発明では、ドップラー信号に基づいて走行速度を決定しているので、車両が低速で移動している場合にはドップラー周波数が非常に低くなり、計測不能になる。そのため、特許文献１の発明では、低速移動は停止と判定され、積算走行距離に誤差が生じるという問題がある。
【０００８】
特許文献２の発明では、２つの対地距離センサのそれぞれは、その直下の路面との距離を計測しているので、取得される路面の特徴情報は限定的である。特許文献２の発明では、速度を計測する際に限定的な特徴情報しか使用できないことに起因して、誤差が生じるおそれがある。
【０００９】
本発明の課題は、以上の問題点を解決し、路面に対する移動体の速度を正確に計測することができる速度計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の速度計測装置によれば、
路面に対する移動体の速度を計測する速度計測装置であって、上記速度計測装置は、
上記移動体に設けられ、上記路面断面の上部形状を表す路面形状データを取得する路面形状センサと、
上記路面形状センサによって取得された路面形状データを格納するメモリと、
上記メモリに格納された上記第１及び第２の路面形状データに基づいて、上記移動体の速度を計算する演算手段とを備え、
上記路面形状センサは、上記路面に電波を放射し、上記路面形状センサからの距離が異なる上記路面上の複数の構造物によって反射された各反射波の信号レベルと、上記路面形状センサから上記各構造物までの伝搬距離とを測定することで、上記路面形状データを取得し、上記路面形状センサは、少なくとも第１及び第２の測定時間を含む複数の測定時間において上記路面形状データを取得し、上記第１の測定時間において第１の路面形状データを取得し、上記第２の測定時間において第２の路面形状データを取得し、
上記演算手段は、上記第１及び第２の路面形状データのそれぞれの伝搬距離を、上記路面に射影した水平距離に変換し、上記第１の路面形状データと類似する上記第２の路面形状データが取得されるときの上記第１の路面形状データと上記第２の路面形状データとの水平距離の差を決定し、上記水平距離の差を上記第１及び第２の測定時間の差で除算して上記移動体の速度を計算することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、路面に対する移動体の速度を正確に計測することができる速度計測装置を提供することができる。さらに、計測された速度を積算することにより、所定の基準点からの積算走行距離を計算することができる。さらに、移動する経路が予めわかっている場合には、計算された積算走行距離から現在位置を特定することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る速度計測装置を備えた車両１０の構成を示す概略図である。
【図２】図１の距離センサ１１の照射範囲１０１を示す、軌道の上面図である。
【図３】図１の距離センサ１１の詳細構成を示すブロック図である。
【図４】図３の距離センサコントローラ２１によって発生される矩形波の送信信号の波形１１１と、図３のフィルタ２２を通過後の送信信号の波形１１２と、図３の包絡線検波器２７による検波後の受信信号の波形１１３とを示す図である。
【図５】図１の距離センサ１１による路面５の測定を示す図である。
【図６】路面形状データが車両１０の移動に伴って変化する様子を示す図である。
【図７】異なる測定時間における路面形状データのピークの変化を示す図である。
【図８】図１の演算装置１３によって実行される速度及び距離演算処理を示すフローチャートである。
【図９】カルマンフィルタを用いたノイズ低減を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る速度計測装置の距離センサの照射範囲１０１，１０２を示す、軌道の上面図である。
【図１１】本発明の実施の形態３に係る電波反射体４２を含む軌道の図である。
【図１２】本発明の実施の形態４に係る電波反射体５４を含む軌道の図である。
【図１３】本発明の実施の形態５に係るエレベータ装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る速度計測装置について説明する。各図にわたって、同様の構成要素は同じ参照番号で示す。図面中のＸＹＺ座標を参照する。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る速度計測装置を備えた車両１０の構成を示す概略図である。実施の形態１の速度計測装置は、軌道上を走行する車両１０上に設けられ、路面に対する車両１０の速度を計測する。車両１０は、図１の＋Ｘ方向に進むものとする。軌道は、地面１、枕木２ａ〜２ｅ、レール３ａ及び３ｂ（図２を参照）、及び締結装置４ａ〜４ｊ（図２を参照）からなり、レール３ａ及び３ｂは締結装置４ａ〜４ｊによって枕木２ａ〜２ｅに固定されている。車両１０は、路面の形状（例えば、路面断面の上部形状）を表す路面形状データを取得する距離センサ１１と、路面形状データを格納するメモリ１２と、車両１０の速度及び積算走行距離を演算する演算装置１３と、演算結果を表示する表示装置１４と、距離センサ１１のためのタイミングパルス（以下、測定パルスという。）を周期的に発生する測定タイミング回路１５と、演算装置１３のためのタイミングパルス（以下、演算パルスという。）を周期的に発生する演算タイミング回路１６と、積算走行距離の基点を表す基点パルスを演算装置１３に入力するコントローラ１７とを備える。
【００１５】
距離センサ１１は、車両１０の下面に設けられる。距離センサ１１は、電波を放射して軌道上のさまざまな構造物によって反射された複数の反射波を受信し、各反射波の信号レベルと、電波を放射してから各反射波が戻るまでの伝搬時間からわかる伝搬距離とを測定することで、路面形状データを取得する。伝搬距離は「伝搬時間×光速÷２」から得られる。ある伝搬距離における構造物からの反射波の信号レベルが高いことは、その構造物が、路面において特徴的な反射物（すなわち、枕木２ａ〜２ｅ及び締結装置４ａ〜４ｊなど）であることを示す。測定タイミング回路１５は、距離センサ１１に測定を開始するタイミング（測定時間）を指示するための測定パルスを周期的に発生する。メモリ１２は、距離センサ１１により測定パルス毎に測定された路面形状データのうち、少なくとも２つの測定時間における路面形状データ（すなわち、前回の路面形状データと最新の路面形状データ）を格納する。演算装置１３は、演算パルスが入力される毎に、メモリ１２に格納された路面形状データに基づいて、図８を参照して後述する速度及び距離演算処理を実行することで、車両１０の速度及び積算走行距離を演算する。コントローラ１７は、外部のリセットボタン（図示せず。）からのリセット信号等に応答して、積算走行距離の基点を表す基点パルスを生成して演算装置１３に入力する。
【００１６】
図２は、図１の距離センサ１１の照射範囲１０１を示す、軌道の上面図である。距離センサ１１は、その直下から前方までの範囲にわたって電波が照射されるように、特に締結装置４ａ〜４ｅのうちの複数個に電波が照射されるように、車両１０の進行方向に沿って斜め前方に向かって電波を放射する。距離センサ１１が電波を放射したとき、金属である締結装置４ａ〜４ｅから強い反射波が戻ってくる。締結装置４ａ〜４ｅの間隔は５０〜６０ｃｍ程度である。距離センサ１１からあまり遠方を照射すると、車両１０がカーブを走行時に電波が締結装置４ａ〜４ｅに当らなくなるので、例えば、距離センサ１１の直下のやや後方（例えば、−Ｘ方向に１０ｃｍ程度）から前方２ｍ程度までに電波を照射する。距離センサ１１は、レール３ａ（又は３ｂ）の真上ではなく、例えばレール３ａ，３ｂ間の中央付近において車両１０の下面に設置され、電波を、斜めから（すなわちＺ軸方向の成分を有して）締結装置４ａ〜４ｅに照射させる。これは、距離センサ１１をレール３ａ，３ｂの真上に設置すると、レール３ａ，３ｂからの反射波によって他の構造物からの反射波が隠蔽され、十分な路面形状データを取得できなくなるからである。距離センサ１１は、締結装置４ａ〜４ｅを十分観測できる程度に短い波長を有する電波を放射する。締結装置４ａ〜４ｅが直径４０〜５０ｍｍ程度のボルトを含む場合、電波の波長は１０〜３０ｍｍ程度が望ましい。距離センサ１１から放射される電波の偏波は、レール３ａ，３ｂの長手方向に対して直交しているものとする。これにより、レール３ａ，３ｂからの反射を抑えることができる。
【００１７】
図３は、図１の距離センサ１１の詳細構成を示すブロック図である。距離センサ１１は、距離センサコントローラ２１と、電波を放射するためのフィルタ２２、増幅器２３、及び送信アンテナ２４と、反射波を受信するための受信アンテナ２５、増幅器２６、包絡線検波器２７、及びアナログ・デジタル（ＡＤ）変換器２８と、クロック発振器２９とを備える。距離センサコントローラ２１は、クロック発振器２９から供給されるクロック信号に基づいて動作する。距離センサコントローラ２１は、ＰＬＬ（フェイズ・ロック・ループ）回路を内臓し（図示せず。）、供給されたクロック信号の周波数をＰＬＬ回路により逓倍することで高周波のクロック信号を生成して動作してもよい。距離センサコントローラ２１は、測定タイミング回路１５から測定パルスを受信する毎に路面の測定を行って路面形状データを生成し、メモリ１２に送る。
【００１８】
距離センサコントローラ２１は、測定タイミング回路１５から測定パルスを受信したとき、まず、距離センサコントローラ２１のクロック信号に基づいて矩形波の送信信号を生成し、生成した送信信号をフィルタ２２に送る。フィルタ２２は矩形波の送信信号の高調波成分を取り出す。フィルタ２２は、例えば、２７〜２９ＧＨｚの成分を通過させるチェビシェフＩ型フィルタである。これにより、フィルタ２２は、２８ＧＨｚを中心周波数とするパルス波の送信信号を出力する。図４に、距離センサコントローラ２１によって発生される矩形波の送信信号の波形１１１と、フィルタ２２を通過後の送信信号の波形１１２とを示す。このように、矩形波の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジでパルス波が形成される。フィルタ２２から出力されたパルス波の送信信号は、増幅器２３により所定の出力電力まで増幅され、送信アンテナ２４から放射される。送信アンテナ２４は、照射範囲１０１（図１及び図２を参照）に向かって電波を放射する指向性アンテナである。送信アンテナ２４から放射されたパルス波の電波は、地面１、枕木２ａ〜２ｅ、及び締結装置４ａ〜４ｅなどの軌道上の構造物により反射され、反射波は受信アンテナ２５で受信される。受信アンテナ２５で受信されたパルス波の受信信号は、増幅器２６により増幅されて包絡線検波器２７に送られる。包絡線検波器２７は、パルス波の受信信号を検波してその包絡線信号を生成する。図４に、包絡線検波器２７による検波後の受信信号の波形１１３を示す。受信信号は、電波を放射してから反射波が戻るまでの伝搬時間を含む、送信信号に対する遅延時間１１４が経過した後に受信される。包絡線検波器２７による検波後の受信信号は、ＡＤ変換器２８によってＡＤ変換され、距離センサコントローラ２１に送られる。距離センサコントローラ２１は、各反射波の信号レベルと、電波を放射してから各反射波が戻るまでの伝搬時間からわかる伝搬距離とを測定することで、路面形状データを生成する。距離センサ１１と軌道上の複数の構造物との間の異なる伝搬距離を考慮して、電波の照射範囲１０１内において最も近い構造物からの反射波と最も遠い構造物からの反射波とを受信するように、距離センサコントローラ２１は、所定時間にわたって受信信号の取り込みを継続する。前述のように、距離センサ１１の直下のやや後方から前方２ｍまでの照射範囲で電波を放射する場合には、受信信号の取り込みを継続する時間は、「２ｍ÷光速×２＝約１３ナノ秒」であるので、余裕をみて２０ナノ秒程度とする。距離センサ１１の内部回路における信号伝送時間は予め測定され、距離センサコントローラ２１は、路面形状データを生成するとき、電波の伝搬時間のみを考慮することができる。距離センサコントローラ２１は、最後に、生成された路面状態データをメモリ１２に送る。距離センサ１１は、測定タイミング回路１５から測定パルスを受信する毎に以上の処理を繰り返す。
【００１９】
距離センサコントローラ２１は、例えばＦＰＧＡによって構成してもよい。
【００２０】
図８は、図１の演算装置１３によって実行される速度及び距離演算処理を示すフローチャートである。
【００２１】
ステップＳ１において、演算タイミング回路１６から演算パルスが入力される。演算装置１３は、演算パルスが入力される毎に、メモリ１２に格納された路面形状データから車両１０の速度を計算するとともに、演算パルスが入力された時点からの走行距離を計算し、計算された走行距離から積算走行距離を計算する。ステップＳ２において、前回の測定時間における路面形状データと、現在の測定時間における路面形状データとをメモリ１２から読み出し、演算装置１３に内蔵した一時メモリ（図示せず。）に格納する。ステップＳ３において、路面形状データの伝搬距離を、路面に射影した水平距離に変換する。
【００２２】
図５は、図１の距離センサ１１による路面５の測定を示す図である。図示の簡単化のために、地面１及び枕木２ａ〜２ｅをまとめて、路面５として示す。
図５を参照すると、距離センサ１１から電波を放射して路面からの反射波を受信することにより、距離センサ１１から締結装置４ｃ〜４ｅまでの伝搬距離１２１〜１２３が測定されている。
路面５から車両１０までの高さ１２４は、距離センサ１１がその直下の路面５（又は締結装置）からの反射波を受信したときの伝搬距離、すなわち伝搬距離の最小値からわかる。
Ｒを伝搬距離として、Ｈを路面５から車両１０までの高さ１２４とすると、距離センサ１１から軌道上の構造物までの水平距離（すなわち路面上に射影された距離）を次式により得ることができる。
【００２３】
【数１】
【００２４】
数１により、伝搬距離１２１〜１２３は水平距離１２３〜１２７に変換される。水平距離１２３〜１２７は、路面５上の実際の距離に一致する。
【００２５】
図６は、路面形状データが車両１０の移動に伴って変化する様子を示す図である。図６の最上段のグラフは、伝搬距離（図５の伝搬距離１２１〜１２３）で表された路面形状データである。反射波のピーク１３１〜１３３は、距離センサ１１から締結装置４ｃ〜４ｅまでの伝搬距離と、電波を放射して締結装置４ｃ〜４ｅによって反射された各反射波の信号レベルとを示す。図６の上から２段目のグラフは、車両１０の移動に伴って反射波のピーク１３１〜１３３（それぞれ、参照番号１３４〜１３６で示す。）が変化する様子を示す。２段目のグラフもまた、最上段のグラフと同様に、伝搬距離で表された路面形状データを示す。２段目のグラフによれば、車両１０が移動するに応じて、伝搬距離が次第に短くなっていることがわかる。前述のように、伝搬距離の最小値は、路面５から車両１０までの高さ１２４である。演算装置１３は、伝搬距離の最小値を、演算装置１３に内蔵した不揮発性メモリ（図示せず。）に格納し、演算装置１３の動作中に常に更新する。演算装置１３は、電源投入時には、その不揮発性メモリから伝搬距離の最小値を読み出す。図６の３段目のグラフは、数１により伝搬距離から変換された水平距離（図５の水平距離１２５〜１２７）で表された路面形状データである。反射波のピーク１４１〜１４３は、最上段のグラフの反射波のピーク１３１〜１３３に対応し、距離センサ１１から締結装置４ｃ〜４ｅまでの水平距離と、電波を放射して締結装置４ｃ〜４ｅによって反射された各反射波の信号レベルとを示す。図６の最下段のグラフは、車両１０の移動に伴って反射波のピーク１４１〜１４３（それぞれ、参照番号１４４〜１４６で示す。）が変化する様子を示す。最下段のグラフもまた、３段目のグラフと同様に、水平距離で表された路面形状データを示す。伝搬距離は、車両１０の移動に対して非線形に変化するが、水平距離は線形に変化する。従って、車両１０が等速で移動する場合は、最下段のグラフに示すように反射波のピーク１４４〜１４６は直線になる。また、例えば、締結装置４ｃ〜４ｅが地面１に等間隔で配置されている場合、伝搬距離１２１〜１２３は均等にはならないが、水平距離１２５〜１２７は均等になる。
【００２６】
ステップＳ４において、水平距離を変数ｘとする前回の測定時間における路面形状データと現在の測定時間における路面形状データとの相互相関値Ｒ（ｘ）を計算し、相互相関値Ｒ（ｘ）を最大化する距離ｘを決定する。この距離ｘは、前回の測定時間と現在の測定時間との間に車両１０が移動した距離を表す。図７は、異なる測定時間における路面形状データのピークの変化を示す図である。図７の上段のグラフは、前回の測定時間における路面形状データ（反射波のピーク１５１〜１５３を含む。）を示し、図７の下段のグラフは、現在の測定時間における路面形状データ（反射波のピーク１５４〜１５６を含む。）を示す。図７において、例えば、反射波のピーク１５１，１５４は同じ締結装置４ｃからの反射波のピークを示し、反射波のピーク１５２，１５５は同じ締結装置４ｄからの反射波のピークを示し、反射波のピーク１５３，１５６は同じ締結装置４ｅからの反射波のピークを示す。図７の場合では、反射波のピーク１５１，１５４間の水平距離、反射波のピーク１５２，１５５間の水平距離、反射波のピーク１５３，１５６間の水平距離が、前回の測定時間と現在の測定時間との間に移動した距離である。具体的には、次式に示す相互相関値Ｒ（ｘ）を最大化する距離ｘを決定することにより、前回の測定時間と現在の測定時間との間に移動した距離を求める。
【００２７】
【数２】
【００２８】
ここで、Ａ（ｍ）は、前回の測定時間における、水平距離ｍで表された路面形状データであり、Ｂ（ｍ）は、現在の測定時間における、水平距離ｍで表された路面形状データである。Ｍは水平距離の最大値である。
【００２９】
ステップＳ５において、数２により決定された距離ｘを前回の測定時間と現在の測定時間との間の経過時間により除算して車両１０の速度を計算する。なお、前回の測定時間と現在の測定時間との間の経過時間は、測定タイミング回路１５の測定パルスの周期と同じである。ステップＳ６において、計算された速度に演算パルスの周期を乗算することにより演算パルスが入力されてからの走行距離を計算し、計算された走行距離を積算することで、基点（すなわち、コントローラ１７から基点パルスが入力されたときの車両１０の位置）からの積算走行距離を計算する。ステップＳ７において、速度及び積算走行距離を表示装置１４に表示させ、ステップＳ１に戻る。
【００３０】
車両１０の速度は、加速または減速により変動する。このとき、反射波のピークは、図６の最下段のグラフのように直線にはならない。しかし、本発明の実施の形態によれば、
前回の測定時間と現在の測定時間との間に移動した距離から速度及び走行距離を計算し、計算された走行距離を積算するので、途中で速度が変動していても関係なく、速度を計算する２つの測定時間毎に移動する距離は確定している。つまり、車両１０の速度の変動に関係なく、正確に積算走行距離を計算することができる。
【００３１】
実施の形態１では、パルス波の送信信号を用いて、距離センサ１１から軌道上の構造物までの伝搬距離を求めたが、ＦＭ−ＣＷ方式、スペクトル拡散方式、チャープパルス方式など、距離を測定できる他の方式を用いてもよい。
【００３２】
ここで、図６の最上段のグラフに示すしきい値１３７について補足する。距離センサ１１の電波の照射範囲１０１は、軌道の長手方向に対して横方向に多少は広がりを有する。そのため、距離センサ１１は、レール３ａ，３ｂより外側の構造物からの反射波を受信することもある。レール３ａ，３ｂより外側の構造物の伝搬距離の変化は、見かけ上、車両１０の速度より遅い。そのため、レール３ａ，３ｂより外側の構造物からの反射波に基づいて速度を計算すると、誤差が生じる。さいわい、レール３ａ，３ｂより外側の構造物は照射範囲１０１より外側にあるので、受信時の信号レベルは低い。よって、しきい値１３７を適切な値に設定し、そのような信号レベルが低い反射波に基づいて速度を計算しないようにしている。
【００３３】
ところで、速度及び積算走行距離の誤差は、車体１０の振動による高さ１２４のずれ、距離センサ１１の受信雑音などがある。これらの誤差要因は、伝搬距離や水平距離の誤差として現れる。この誤差を低減するために、過去の数個の測定時間における路面形状データを使ってフィルタリングを行う。このフィルタリングにはカルマンフィルタが最適である。カルマンフィルタは、車両１０の動特性を用いてフィルタリングすることができる。移動平均フィルタを用いた場合には、突発的なノイズに影響を受ける。しかし、カルマンフィルタを使用すると、車両１０の動特性を越えるような突発的なノイズには影響を受けない。これらのことは一般的に知られたカルマンフィルタの特性であるが、本発明の実施の形態にとってカルマンフィルタが有利な点は以下にある。それは、いくつかの測定時間にわたる路面形状データのうちの両端の測定時間における路面形状データを使用できることということにある。速度及び積算走行距離の誤差を低減するためには、車両１０が移動する距離をなるべく広い時間にわたって測定することが望ましい。移動平均フィルタを用いた場合には両端の測定時間における路面形状データに誤差が残るが、カルマンフィルタは両端の測定時間における路面形状データの誤差を取り除いてくれる。図９は、カルマンフィルタを用いたノイズ低減を説明するための図である。ここでは、路面形状データの１つの反射波のピークに対してカルマルフィルタを適用した場合を示す。参照番号１６１の線は、カルマンフィルタ処理前の反射波のピークが時間的に変化する様子を示す。これは、車両１０が減速しているときの様子である。測定時間毎の反射波のピークを、反射波のピーク１６１の線上の丸印で示す。反射波のピーク１６１の水平距離の最大値及び最小値の差が、カルマンフィルタ処理前の変動幅１６２であるが、誤差を含んでいる。参照番号１６３の線は、カルマンフィルタ処理後の反射波のピークが時間的に変化する様子を示す。参照番号１６３の線では、両端の測定時間における路面形状データではノイズが抑圧され、カルマンフィルタ処理後の変動幅１６４によれば、誤差が低減していることがわかる。
【００３４】
以上説明したように、本発明の実施の形態１によれば、地面１、枕木２ａ〜２ｅ、締結装置４ａ〜４ｊなど、軌道上の構造物に電波を斜めから照射し、これらの構造物によって反射された各反射波の信号レベルと、距離センサ１１からこれらの構造物までの伝搬距離とを含む路面形状データを取得し、水平距離で表された路面形状データを求め、その水平距離で表された路面形状データの時間的な変化から、少ない誤差で車両１０の速度を計測することができ、さらに、少ない誤差で車両１０の積算走行距離を計算することができる。本発明の実施の形態１によれば、車両１０の速度が非常に低速であっても、正確に速度及び積算走行距離を求めることができる。
【００３５】
また、本発明の実施の形態１によれば、レール３ａ，３ｂの長手方向に対して直交する偏波を有する電波を放射することで、レール３ａ，３ｂからの強い反射を抑えることができ、伝搬距離を確実に求めることができ、少ない誤差で車両１０の速度を計測することができる。
【００３６】
また、本発明の実施の形態１によれば、波長１０〜３０ｍｍの電波を用いることで、締結装置４ａ〜４ｊで電波が強く反射し、伝搬距離を確実に求めることができ、少ない誤差で車両１０の速度を計測することができる。
【００３７】
ところで、車両１０の速度を計測するとき、従来技術では、よくドップラー周波数が利用されている。しかし、本質的には、ドップラー速度計の電波を地面１に斜めから照射するとき、ドップラー速度計の遠方からの反射波と近傍からの反射波ではドップラー周波数が異なるので、反射波は複数の周波数成分が混じったドップラー信号となる。このようなドップラー信号は非常に複雑な波形を有し、このようなドップラー信号から速度を計算すると大きな誤差が生じるという問題がある。本発明の実施の形態１は、ドップラー周波数を一切利用せず、パルス波の電波を放射することで路面形状データを取得し、距離センサ１１で取得した路面形状データの時間的な変化から車両１０の速度を計算するので、少ない誤差で車両１０の速度を計測することができ、さらに、少ない誤差で車両１０の積算走行距離を計算することができる。
【００３８】
実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２に係る速度計測装置の距離センサの照射範囲１０１，１０２を示す、軌道の上面図である。軌道のカーブが非常に急峻な線区では誤差が増大する。レール３ａ，３ｂ間の中央（すなわち、距離センサ１１を設ける位置）と、レール３ａの近傍の位置（すなわち、距離センサ１１による電波の照射範囲１０１）では、円弧の長さが異なるためである。この問題に対処するために、２つの速度計測装置を車両に設け、一方の速度計測装置により、レール３ａの近傍の照射範囲１０１に電波を放射し、他方の速度計測装置により、レール３ｂの近傍の照射範囲１０２に電波を放射し、２つの速度計測装置によってそれぞれ計測された速度の平均をとる。実施の形態２によれば、レール３ａ，３ｂのカーブが非常に急峻な線区であっても誤差を低減することができる。
【００３９】
実施の形態３．
図１１は、本発明の実施の形態３に係る電波反射体４２を含む軌道の図である。軌道が道路４１と交差する場合（踏切等）、道路４１と交差している軌道の部分には枕木２及び締結装置を露出させることができないので、十分な路面形状データを取得することができない。実施の形態３では、道路４１と交差している軌道の部分のレール３ａ，３ｂ間において、レール３ａ，３ｂに沿って所定間隔で電波反射体４２を並べている。実施の形態１では、通常の軌道上の構造物（例えば締結装置４ａ〜４ｅ）に電波を放射していたが、実施の形態３では、電波を反射させるための電波反射体４２を特に配置しておくものである。電波反射体４２は、三角柱形のくぼみを持った金属などで構成できるが、その他、電波を強く反射させるものであれば任意の材料及び構造物を使用することができる。以上説明したように、実施の形態３によれば、踏み切りなどにおいて枕木や締結装置が見えない状態であっても、正確に車両の速度を計測することができる。
【００４０】
実施の形態４．
図１２は、本発明の実施の形態４に係る電波反射体５４を含む軌道の図である。実施の形態１〜５では、距離センサを車両１０の下面に設置し、路面に電波を照射して路面に対する車両１０の速度を計測した。本発明の実施の形態の距離センサに求められる要件は、距離センサの進行方向と、距離センサにより電波が照射される面とが平行であればよい。従って、例えば、車両１０の横に距離センサを設置し、さらに、車両１０の横に車両１０からそれぞれ等距離に位置するように、複数の電波反射体５４を車両１０の進行方向（軌道５１，５２の長手方向）に沿って周期的に並べて設置してもよい。電波反射体５４は、三角柱形のくぼみを持った金属などで構成できるが、その他、電波を強く反射させるものであれば任意の材料及び構造物を使用することができる。電波反射体５４は、支柱５５の上に設けられてもよく、又は、トンネル５３等の壁面に設けられてもよい。また、車両１０の天井に距離センサを設置し、トンネル５３の天井に複数の電波反射体５４を車両１０の進行方向に沿って周期的に並べて設置してもよい。
【００４１】
実施の形態５．
図１３は、本発明の実施の形態５に係るエレベータ装置の構成を示す概略図である。実施の形態１〜６では軌道上を走行する車両１０を例にとったが、本発明の実施の形態は、軌道上を移動する移動体であるならば任意の装置に適用可能であり、図１３に示すようにエレベータ装置に適用することもできる。図１３のエレベータ装置は、壁面６１及び周期的に設けられた複数の鉄骨６２を含む昇降路（図示の簡単化のために１つ壁面のみを示す。）と、昇降路内をロープ６４によって昇降するかご６３とを備えて構成される。かご６３は、実施の形態１等と同様に構成された速度計測装置を備え、その距離センサにより壁面６１及び鉄骨６２に電波を放射する（照射範囲１０３）。かご６３の距離センサから電波を放射して壁面６１及び鉄骨６２によって反射された各反射波の信号レベルと、距離センサから壁面６１及び鉄骨６２までの伝搬距離とを測定することで、路面形状データを取得する。鉄骨６２によって、反射波にピークが生じる。壁面６１には、実施の形態３，４と同様に、電波を反射させるための電波反射体を特に配置してもよい。
【００４２】
本発明の実施の形態は、軌道上を移動する移動体に限定されず、距離センサによって路面形状データを取得可能であるならば、任意の路面と任意の移動体に適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明によれば、路面に対する移動体の速度を正確に計測することができる速度計測装置を提供することができる。さらに、計測された速度を積算することにより、所定の基準点からの積算走行距離を計算することができる。さらに、移動する経路が予めわかってい
【００４４】
電波を放射して路面上の構造物から反射される反射波から路面形状データを取得し、取得される路面形状データの時間的な変化から車両の移動距離を計測するので、移動体の速度を正確に計測することができる。また、車両の速度が非常に低速であっても、正確に速度を求められる。
【００４５】
レールの枕木や締結装置に電波を照射し、枕木や締結装置からの強い反射波を受信することで、移動体の速度を確実に求めることができ、少ない誤差で移動体の速度を計測することができる。
【００４６】
レールの長手方向に対して直交する偏波を有する電波を放射することで、レールからの強い反射を抑えることができ、移動体の速度を確実に求めることができ、少ない誤差で移動体の速度を計測することができる。
【００４７】
波長１０〜３０ｍｍの電波を用いることで、締結装置で電波が強く反射し、移動体の速度を確実に求めることができ、少ない誤差で移動体の速度を計測することができる。
る場合には、計算された積算走行距離から現在位置を特定することもできる。
【符号の説明】
【００４８】
１ 地面、２，２ａ〜２ｅ 枕木、３ａ，３ｂ レール、４ａ〜４ｊ 締結装置、５ 路面、１０ 車両、１１ 距離センサ、１２ メモリ、１３ 演算装置、１４ 表示装置、１５ 測定タイミング回路、１６ 演算タイミング回路、１７ コントローラ、２１ 距離センサコントローラ、２２ フィルタ、２３，２６ 増幅器、２４ 送信アンテナ、２５ 受信アンテナ、２７ 包絡線検波器、２８ ＡＤ変換器、２９ クロック発振器、４１ 道路、４２ 電波反射体、５１，５２ 軌道、５３ トンネル、５４ 電波反射体、５５ 支柱、６１ 壁面、６２ 鉄骨、６３ かご、６４ ロープ、１０１〜１０３ 電波の照射範囲、１１１ 距離センサコントローラ２１によって発生される矩形波の送信信号の波形、１１２ フィルタ２２を通過後の送信信号の波形、１１３ 包絡線検波器２７による検波後の受信信号の波形、１１４ 遅延時間、１２１〜１２３ 伝搬距離、１２４ 路面５から車両１０までの高さ、１２５〜１２７ 水平距離、１３１〜１３６ 反射波のピーク、１４１〜１４６ 反射波のピーク、１５１〜１５６ 反射波のピーク、１６１ カルマンフィルタ処理前の反射波のピーク、１６２ カルマンフィルタ処理前の変動幅、１６３ カルマンフィルタ処理後の反射波のピーク、１６４ カルマンフィルタ処理後の変動幅。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
路面に対する移動体の速度を計測する速度計測装置であって、上記速度計測装置は、
上記移動体に設けられ、上記路面断面の上部形状を表す路面形状データを取得する路面形状センサと、
上記路面形状センサによって取得された路面形状データを格納するメモリと、
上記メモリに格納された上記第１及び第２の路面形状データに基づいて、上記移動体の速度を計算する演算手段とを備え、
上記路面形状センサは、上記路面に電波を放射し、上記路面形状センサからの距離が異なる上記路面上の複数の構造物によって反射された各反射波の信号レベルと、上記路面形状センサから上記各構造物までの伝搬距離とを測定することで、上記路面形状データを取得し、上記路面形状センサは、少なくとも第１及び第２の測定時間を含む複数の測定時間において上記路面形状データを取得し、上記第１の測定時間において第１の路面形状データを取得し、上記第２の測定時間において第２の路面形状データを取得し、
上記演算手段は、上記第１及び第２の路面形状データのそれぞれの伝搬距離を、上記路面に射影した水平距離に変換し、上記第１の路面形状データと類似する上記第２の路面形状データが取得されるときの上記第１の路面形状データと上記第２の路面形状データとの水平距離の差を決定し、上記水平距離の差を上記第１及び第２の測定時間の差で除算して上記移動体の速度を計算することを特徴とする速度計測装置。
【請求項２】
上記演算手段は、複数の測定時間における路面形状データに対してカルマンフィルタを適用することを特徴とする請求項１記載の速度計測装置。
【請求項３】
上記路面は、枕木及び締結装置を含む鉄道線路であることを特徴とする請求項１〜２のうちのいずれか１つに記載の速度計測装置。
【請求項４】
上記路面は、レールを含む鉄道線路であり、上記路面形状センサは、上記レールの長手方向に対して直交する偏波を有する電波を放射することを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の速度計測装置。
【請求項５】
上記路面形状センサは、波長１０〜３０ｍｍを有する電波を放射することを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の速度計測装置。
【請求項６】
上記演算手段は、上記計算された速度に基づいて所定時間の走行距離を計算し、上記計算された走行距離を積算することにより、所定の基準点からの上記移動体の積算走行距離を計算することを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の速度計測装置。
【請求項１】
路面に対する移動体の速度を計測する速度計測装置であって、上記速度計測装置は、
上記移動体に設けられ、上記路面断面の上部形状を表す路面形状データを取得する路面形状センサと、
上記路面形状センサによって取得された路面形状データを格納するメモリと、
上記メモリに格納された上記第１及び第２の路面形状データに基づいて、上記移動体の速度を計算する演算手段とを備え、
上記路面形状センサは、上記路面に電波を放射し、上記路面形状センサからの距離が異なる上記路面上の複数の構造物によって反射された各反射波の信号レベルと、上記路面形状センサから上記各構造物までの伝搬距離とを測定することで、上記路面形状データを取得し、上記路面形状センサは、少なくとも第１及び第２の測定時間を含む複数の測定時間において上記路面形状データを取得し、上記第１の測定時間において第１の路面形状データを取得し、上記第２の測定時間において第２の路面形状データを取得し、
上記演算手段は、上記第１及び第２の路面形状データのそれぞれの伝搬距離を、上記路面に射影した水平距離に変換し、上記第１の路面形状データと類似する上記第２の路面形状データが取得されるときの上記第１の路面形状データと上記第２の路面形状データとの水平距離の差を決定し、上記水平距離の差を上記第１及び第２の測定時間の差で除算して上記移動体の速度を計算することを特徴とする速度計測装置。
【請求項２】
上記演算手段は、複数の測定時間における路面形状データに対してカルマンフィルタを適用することを特徴とする請求項１記載の速度計測装置。
【請求項３】
上記路面は、枕木及び締結装置を含む鉄道線路であることを特徴とする請求項１〜２のうちのいずれか１つに記載の速度計測装置。
【請求項４】
上記路面は、レールを含む鉄道線路であり、上記路面形状センサは、上記レールの長手方向に対して直交する偏波を有する電波を放射することを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の速度計測装置。
【請求項５】
上記路面形状センサは、波長１０〜３０ｍｍを有する電波を放射することを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の速度計測装置。
【請求項６】
上記演算手段は、上記計算された速度に基づいて所定時間の走行距離を計算し、上記計算された走行距離を積算することにより、所定の基準点からの上記移動体の積算走行距離を計算することを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の速度計測装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１１２７９４（Ｐ２０１２−１１２７９４Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６１９２０（Ｐ２０１０−２６１９２０）
【出願日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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