Schätzeinrichtung und Verfahren zum Ermitteln von Bewegungsschätzwerten

Im Bereich der Eisenbahntechnik ist eine relativ genaue Ermittlung der Geschwindigkeit von Schienenfahrzeugen von großer Bedeutung, um den betreiberseitig heutzutage üblichen Anforderungen gerecht werden zu können .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , eine Schätzeinrichtung anzugeben, mit der sich Bewegungsschätzwerte , die die Bewegung eines Schienenfahrzeugs beschreiben, mit relativ hoher Genauigkeit ermitteln lassen .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schätzeinrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schätzeinrichtung sind in Unteransprüchen angegeben .

Danach ist vorgesehen eine Schätzeinrichtung zum Ermitteln eines neuen Bewegungsschätzwertes , der die Geschwindigkeit eines zumindest zwei Achsen aufweisenden Schienenfahrzeugs angibt , wobei die Schätzeinrichtung umfasst

- ein Kalman-Filter, das eingangsseitig zumindest mit Kraftmomentwerten, Vertikalkraftwerten, Radgrößenwerten und Raddrehzahlwerten beaufschlagt ist und auf deren Basis sowie auf Basis einer Kalman-Filterung einen kaimangeschätzten Fahrzeuggeschwindigkeitswert ermittelt ,

- ein Schlupfmodul , das eingangsseitig mit den Kraftmomentwerten, den Radgrößenwerten, den Raddrehzahlwerten und dem j eweils vorherigen Bewegungsschätzwert der Schätzeinrichtung beaufschlagt ist und einen Radumfangsgeschwindigkeitswert und eine Gleitangabe ermittelt , die ein etwaiges Gleiten der j eweiligen Achse angibt , und

- ein Auswertmodul , das auf der Basis des kaimangeschätzten Fahrzeuggeschwindigkeitswerts , des Radumf angsgeschwindig- keitswerts und der Gleitangaben den neuen Bewegungsschätzwert der Schätzeinrichtung ermittelt .

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schätzeinrichtung besteht darin, dass mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen Kalman-Filter in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Schlupfmodul mit geringem Hardwareaufwand und geringem Zeitaufwand sehr genaue Bewegungsschätzwerte ermittelt werden können, die für den Betrieb des Schienenfahrzeugs genutzt werden können .

Bezüglich des Schlupfmoduls wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das Schlupfmodul bei einem Bremsbetrieb des Schienenfahrzeugs und keinem Gleiten aller Achsen den Radumfangsgeschwindigkeitswert der Achse mit dem größten Radumfangsgeschwindigkeitswert an das Auswertmodul ausgibt , bei einem Antriebsbetrieb und keinem Gleiten aller Achsen den Radumfangsgeschwindigkeitswert der Achse mit dem kleinsten Radumfangsgeschwindigkeitswert an das Auswertmodul ausgibt und bei Gleiten aller Achsen eine Allgleitangabe an das Auswertmodul ausgibt .

Bezüglich des Auswertmoduls wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das Auswertmodul bei einem Bremsbetrieb des Schienenfahrzeugs und keinem Gleiten aller Achsen den Radumfangsgeschwindigkeitswert der Achse mit dem größten Radumfangsgeschwindigkeitswert als den neuen Bewegungsschätzwert ausgibt , bei einem Antriebsbetrieb und keinem Gleiten aller Achsen den Radumfangsgeschwindigkeitswert der Achse mit dem kleinsten Radumfangsgeschwindigkeitswert als den neuen Bewegungsschätzwert ausgibt und bei Gleiten aller Achsen den neuen Bewegungsschätzwert anhand des kaimangeschätzten Fahrzeuggeschwindigkeitswerts des Kalman-Filters ermittelt .

Vorteilhaft ist es , wenn die Schätzeinrichtung ein Vertikal- kraf tberechnungsmodul aufweist , das zumindest auf der Basis der Kraftmomentwerte , die auch von dem Kalman-Filter herangezogen werden, den Radgrößenwerten und dem j eweils vorherigen Bewegungsschätzwert der Schätzeinrichtung einen Vertikalkraftwert pro Achse erzeugt , wobei j eder der Vertikalkraftwerte des Vertikalkraftberechnungsmoduls einen der Vertikalkraftwerte bildet , der von dem Kalman-Filter herangezogen wird .

Auch ist es von Vorteil , wenn die Schätzeinrichtung ein Reibungsbremsmomentberechnungsmodul aufweist , das zumindest auf der Basis eines Bremsdruckwerts pro Achse , der Radgrößenwerte und des j eweils vorherigen Bewegungsschätzwertes der Schätzeinrichtung einen Reibungsbremsmomentwert pro Achse erzeugt , wobei j eder der Reibungsbremsmomentwerte einen der Kraftmomentwerte bildet , der von dem Kalman-Filter herangezogen wird .

Das Kalman-Filter zieht als Kraftmomentwerte vorzugsweise auch achsbezogene Motorkraftmomentwerte heran oder berücksichtigt diese zumindest auch .

Der Kalman-Filter ist vorzugsweise ein erweiterter Kalman- Filter .

Die Schätzeinrichtung gibt als weiteren Bewegungsschätzwert vorzugsweise einen die Beschleunigung des Schienenfahrzeugs angebenden Fahrzeugbeschleunigungswert aus .

Darüber hinaus wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Kalman-Filter außerdem einen den Kraft-Schiene-Kontakt betref fenden Kraf tschlusswert pro Achse ermittelt und die Schätzeinrichtung außerdem die Kraf tschlusswerte ausgibt .

Die Schätzeinrichtung umfasst vorzugsweise eine Recheneinrichtung und einen Speicher, in dem abgespeichert sind : ein Kalman-Filter-Softwaremodul , das bei Aus führung durch die Recheneinrichtung das Kalman-Filter bildet , ein Schlupf softwa- remodul , das bei Aus führung durch die Recheneinrichtung das Schlupfmodul bildet , und ein Auswertsof twaremodul , das bei Aus führung durch die Recheneinrichtung das Auswertmodul bildet .

In dem Speicher abgespeichert ist vorzugsweise auch ein Vertikalkraftberechnungssoftwaremodul , das bei Aus führung durch die Recheneinrichtung das Vertikalkraftberechnungsmodul bildet .

In dem Speicher abgespeichert ist vorzugsweise auch ein Reibungsbremsmomentberechnungssoftwaremodul , das bei Aus führung durch die Recheneinrichtung das Reibungsbremsmomentberechnungsmodul bildet .

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Schienenfahrzeug, das mit einer Schätzeinrichtung wie oben beschrieben ausgestattet ist .

Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs und dessen vorteilhafter Ausgestaltungen sei auf die obigen Aus führungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schätzeinrichtung und deren vorteilhafter Ausgestaltungen verwiesen .

Mit der Schätzeinrichtung steht vorzugsweise ein Schlupfregler in Verbindung, der unter Heranziehung der geschätzten Kraf tschlusswerte pro Achse , der Radumfangsgeschwindigkeitswerte und des j eweiligen Bewegungsschätzwerts der Schätzeinrichtung den Schlupf der j eweiligen Achse regelt .

Auch ist es vorteilhaft , wenn mit der Schätzeinrichtung eine Plausibilisierungseinrichtung in Verbindung steht , die mit den Bewegungsschätzwerten der Schätzeinrichtung eine Plausi- bilitätsprüfung bezüglich Bewegungsangaben anderer Quellen durchführt .

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Ermitteln eines neuen Bewegungsschätzwertes , der die Geschwindigkeit eines zumindest zwei Achsen aufweisenden Schienen- fahrzeugs angibt , wobei bei dem Verfahren in ein Kalman- Filter eingangsseitig zumindest Kraftmomentwerte , Vertikalkraftwerte , Radgrößenwerte und Raddrehzahlwerte eingespeist werden und auf deren Basis sowie auf Basis einer Kalman- Filterung ein kaimangeschätzter Fahrzeuggeschwindigkeitswert ermittelt wird, mit den Radgrößenwerten, den Raddrehzahlwerten und dem j eweils zuvor ermittelten Bewegungsschätzwert pro Achse ein Radumfangsgeschwindigkeitswert und eine Gleitangabe ermittelt wird, die ein etwaiges Gleiten der j eweiligen Achse angibt , und auf der Basis des kaimangeschätzten Fahrzeuggeschwindigkeitswerts , des Radumfangsgeschwindigkeitswerts und der Gleitangaben der neue Bewegungsschätzwert ermittelt wird .

Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen vorteilhafter Ausgestaltungen sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schätzeinrichtung und deren vorteilhafter Ausgestaltungen verwiesen .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Aus führungsbeispielen näher erläutert ; dabei zeigen beispielhaft

Figur 1 ein Aus führungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Schätzeinrichtung in Form eines Blockschaltbilds ,

Figur 2 eine Rechenanlage , in der die Schätzeinrichtung gemäß Figur 1 implementiert ist und die demgemäß die Schätzeinrichtung gemäß Figur 1 bildet , und

Figur 3 ein Schienenfahrzeug, das mit der Schätzeinrichtung gemäß den Figuren 1 und 2 ausgestattet ist .

In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten dieselben Bezugs zeichen verwendet .

Die Figur 1 zeigt ein Aus führungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Schätzeinrichtung 1 in Form eines Blockschalt- bilds . Die Schätzeinrichtung 1 umfasst ein Reibungsbremsmomentberechnungsmodul 10 , ein Vertikalkraftberechnungsmodul 20 , ein erweitertes ( „extended" ) Kalman-Filter 30 , ein Schlupfmodul 40 und ein Auswertmodul 50 .

Die Schätzeinrichtung 1 hat Eingänge für

- Bremsdruckwerte in Form von Brems zylinderdrücken p_i ,

- elektrische Motorkraftmomentwerte m_e_i (nachfolgend auch kurz Motormomentwerte genannt ) ,

- Radgrößenwerte beispielsweise in Form dynamischer Radradien r_i und

- Raddrehzahlwerte )_i , die nachfolgend auch als Achsdrehzahlen bezeichnet werden .

Der Index i bezeichnet die j eweilige Achse . Bei dem Aus führungsbeispiel gemäß Figur 1 wird beispielhaft davon ausgegangen, dass das Schienenfahrzeug, für das die Schätzeinrichtung eingesetzt wird, vier Achsen aufweist , also i die Werte zwischen 1 und 4 annehmen kann .

Die Schätzeinrichtung 1 hat Ausgänge für

- Kraf tschlusswerte in Form von Haftwerten |i_i , die den Rad/Schiene-Kontakt beschreiben,

- einen neuen Bewegungsschätzwert in Form eines Geschwindig- keitsschät zwerts v_virt und

- einen neuen Bewegungsschätzwert in Form eines Beschleunigungsschätzwerts a_virt .

In dem Reibungsbremsmomentberechnungsmodul 10 werden aus den gemessenen Brems zylinderdrücken p_i , den dynamischen Radradien r_i , geometrischen Konstanten (wie dem Reibradius ) und einem geschwindigkeitsabhängigen Reibwert zwischen Rad und Bremsscheibe Reibungsbremsmomentwerte m_p_i j e Achse berechnet .

In dem Vertikalkraftberechnungsmodul 20 werden aus den Reibungsbremsmomentwerten m_p_i , den elektrischen Motormomenten m_e_i , den dynamischen Radradien r_i , den Achsdrehzahlen )_i bekannten Fahrwiderständen, der bekannten Masse des Wagenkastens sowie bekannten Geometriefaktoren dynamische Radaufstandskräfte Qi berechnet .

Die Fahrwiderstände F _w können näherungsweise durch empirisch abgeleitete Konstanten sowie aus der j eweiligen Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt werden .

Auf Basis eines regelungstechnischen Beobachters wird das Kalman-Filter 30 realisiert . Als mathematisches Modell dienen vorzugsweise die Bewegungsgleichungen am Rad und dem Wagenkasten gemäß den folgenden Gleichungen ( 1 ) - ( 5 ) :

In translatorischer Richtung gemäß Gleichung ( 1 ) lassen sich aus den Newtonschen Gesetzen ableiten :

- die Summe der Fahrwiderstände (F _w ) ,

- Produkte aus den Radauf Standskräften Qi ( errechnet im Vertikalkraftberechnungsmodul 20 ) und der Haftwerte i ,

- Kupplungskräfte F _Kupi zwischen Wagenkästen, wobei die Kupplungskräfte , sofern sie nicht gemessen werden, alternativ vernachlässigt werden können, und

- das Produkt aus Masse M und Beschleunigung s .

Die Masse M setzt sich zusammen aus einem statischen Anteil , welcher durch das Engineering bekannt ist , sowie einem betrieblichen Anteil , welcher durch Federkräfte des Wagenkastens gemessen werden kann .

In rotatorischer Richtung lassen sich unter Einbezug der Gleichungen ( 2 ) bis ( 5 ) ableiten :

- die resultierenden achsbezogenen Motormomentwerte die sich aus den Elektromotorantriebs- und -bremsmomenten ergeben, wobei die Motormomentwerte m_e_i beispielsweise aus den elektrischen Größen des Motors berechnet werden können,

- die pneumatischen Bremsmomente die das Reibungsbremsmomentberechnungsmodul 10 erzeugt ,

- ein Moment basierend auf der Radauf standskraft Qi ( errechnet im Vertikalkraftberechnungsmodul 20 ) , dem Haftwert /z, und dem Radradius r,, und

- das Produkt aus den Trägheitsmomenten und den Radsatzbeschleunigungen , wobei die Trägheitsmomente der Achsen durch das Engineering bekannt sind und die Radsatzbeschleunigungen durch Ableiten der Achsdrehzahlen ermittelt werden können .

Die Bewegungsgleichungen werden in die Zustandsraumdarstellung überführt und dem Kalman-Filter 30 als mathematische Randbedingung zur Verfügung gestellt : x = f(x,u) mit Der Zustandsvektor x hat n=9 Zustände und das Prozessrauschen hat die Dimension Q ^9x9 wobei hier die Diagonaleinträge der Matrix besetzt sind .

Gemessen und dem Kalman-Filter 30 als Beobachtungen zurückgeführt , werden die Raddrehzahlen a>i , womit m=4 Beobachtungen zur Verfügung stehen . Es ergeben sich eine Beobachtungsmatrix H^ ^x<9 ^ und eine diagonal besetzte Kovarianzmatrix des Messrauschens R^ ^x ^ .

Die Diagonaleinträge der Kovarianzmatrix und der Prozessrauschmatrix werden vorzugsweise empirisch ermittelt .

Aus den Eingängen (x,u) schätzt das Kalman-Filter 30 als Kraf tschlusswerte die aktuellen Haftwerte sowie eine Geschwindigkeit v_k, die nachfolgend Kalman-Geschwindigkeit genannt wird .

Das Schlupfmodul 40 berechnet aus den Raddrehzahlen O)i und den Radradien r_i den Achsgeschwindigkeitswert v_umlauf gemäß :

- Im Bremsbetrieb (Erkennung durch die Summe der Reibungsbremsmomentwerte und Motormomentwerten) definiert die schnellste Achse den Achsgeschwindigkeitswert .

- Im Antriebsbetrieb definiert die langsamste Achse den Achsgeschwindigkeitswert .

Außerdem wird mit Zuhil fenahme der zurückgeführten Geschwindigkeit bzw . des Bewegungsschätzwerts v_virt der Zustand „ist_gleiten" ermittelt . Dieser Zustand drückt aus , ob sich das Fahrzeug im Allachsgleiten befindet . Dazu werden folgende Kriterien genutzt :

- die Varianz der Achsdrehzahlen,

- die erste zeitliche Ableitung der Achsdrehzahlen,

- die zweite zeitliche Ableitung der Achsdrehzahlen und die Schlupf abweichung der Achsdrehzahlen von einer Referenzgeschwindigkeit , die beispielsweise dem zuletzt ermittelten Geschwindigkeitsschätzwert v_virt entsprechen kann .

Im Auswertmodul 50 wird aus der Kalman-Geschwindigkeit v_k sowie dem Achsgeschwindigkeitswert der neue Geschwindigkeitsschätzwert v_virt sowie als neuer Beschleunigungsschätzwert a_virt dessen zeitliche Ableitung gebildet , vorzugsweise gemäß :

- Ohne Allachsgleiten ( ist gleiten == 0 ) definiert der Achsgeschwindigkeitswert (v_umlauf ) den Geschwindigkeitsschätzwert v_virt .

- Wenn Allachsgleiten vorliegt ( ist_gleiten == 1 ) , wird die Kalman-Geschwindigkeit v_k für den neuen Geschwindigkeitsschätzwert v_virt herangezogen . Die Kalman-Geschwindigkeit v_k wird dazu von einem Of fset befreit , indem diese auf den letzten Achsgeschwindigkeitswert ( ohne Allachsgleiten) „hochgezogen" bzw . „runtergezogen" wird und bestimmt während des Allachsgleitens , den neuen Geschwindigkeitsschätzwert v_virt .

Durch Di f ferenzieren und Glätten des neuen Geschwindigkeitsschätzwerts v_virt entsteht der neue Beschleunigungsschätzwert a_virt , welcher zur Plausibilisierung der gemessenen Fahrzeugbeschleunigung herangezogen werden kann .

Zusammengefasst kann auf Basis der Brems zylinderdrücke , der Motormomente , der dynamischen Raddurchmesser sowie der Raddrehzahlen die Schätzeinrichtung 1 die nicht messbaren Haftwerte sowie neue Geschwindigkeitsschätzwerte v_und neue Beschleunigungsschätzwerte a_virt ermitteln, welche beispielsweise zur Plausibilisierung einer gemessenen Fahrzeugbeschleunigung herangezogen werden können .

Durch einen nachgelagerten Regler kann mit den geschätzten Haftwerten pro Radsatz sowie der Geschwindigkeit ( also dem Bewegungsschätzwert v_virt ) ein Schlupf eingestellt werden, sodass sich die größtmöglichen Haftwerte ergeben . Damit er- reicht man eine Minimierung des Anhaltewegs bzw . eine Maximierung der Traktionskraft .

Der Beschleunigungsschätzwert a_virt kann - wie bereits erwähnt - zur Plausibilisierung der gemessenen Beschleunigung genutzt werden . Durch diese diversitäre Redundanz kann entweder die Sicherheit erhöht werden oder auf den Einbau zusätzlicher Hardware verzichtet werden bzw . eine stärkere Gewichtung der Messwerte der verbauten Sensoren erfolgen .

Zusätzlich kann der neue Geschwindigkeitsschätzwert v_virt genutzt werden, um die Zeit zwischen dem Erkennen des Allachsgleitens und des Auslösens des Dri ftschutzes anzupassen . Der Dri ftschutz wird vorzugsweise nicht nach einer festen Zeit ausgeführt , sondern nachdem die Di f ferenz zwischen " klassischer" Referenzgeschwindigkeit , also die steilheitsbegrenzte Achsgeschwindigkeit , und dem Geschwindigkeitsschätzwert v_virt einen vorgegebenen Wert überschreitet . So können sowohl unzulässig große Schlupfwerte als auch unnötiges Entbremsen der Achsen verhindert werden .

Die Schätzeinrichtung 1 ermöglicht es beispielsweise auch, Beschleunigungssensoren, GPS- oder Radar-Daten für die Referenzgeschwindigkeitsermittlung stärker zu gewichten, da diese mit einer diversitär redundanten Methode , durch vorhandene Daten, plausibilisiert werden können . Außerdem wird eine genauere Schätzung des Haftwertes ermöglicht , was eine Optimierung der Haftwertausnutzung bei der Schlupf regelung im Trak- tions- sowie Brems fall nach sich zieht .

Zusätzlich kann der Dri ftschutzeingri f f den Umgebungsbedingungen angepasst erfolgen, sodass die Genauigkeit der Referenzgeschwindigkeit erhöht und der Anhalteweg verkürzt werden kann .

Die Figur 2 zeigt beispielhaft die Implementierung der Schätzeinrichtung 1 gemäß Figur 1 in einer Rechenanlage 100 , die die Schätzeinrichtung 1 bildet oder zumindest auch bil- det . Die Rechenanlage 100 und damit die Schätzeinrichtung 1 umfassen eine Recheneinrichtung 110 und einen Speicher 120 , in dem ein Kalman-Filter-Softwaremodul M30 , das bei Aus führung durch die Recheneinrichtung das Kalman-Filter 30 gemäß Figur 1 bildet , ein Schlupf Softwaremodul M40 , das bei Aus führung durch die Recheneinrichtung das Schlupfmodul 40 gemäß Figur 1 bildet , und ein Auswertsof twaremodul M50 , das bei Aus führung durch die Recheneinrichtung das Auswertmodul 50 gemäß Figur 1 bildet , abgespeichert sind .

Außerdem sind in dem Speicher 120 ein Vertikalkraftberechnungssoftwaremodul M20 , das bei Aus führung durch die Recheneinrichtung das Vertikalkraftberechnungsmodul 20 gemäß Figur 1 bildet , und ein Reibungsbremsmomentberechnungssoftwaremodul MI O , das bei Aus führung durch die Recheneinrichtung das Reibungsbremsmomentberechnungsmodul 10 gemäß Figur 1 bildet , abgespeichert .

Die Figur 3 zeigt ein Aus führungsbeispiel für ein Schienenfahrzeug 200 , das mit einer Rechenanlage 100 gemäß Figur 2 und damit mit einer Schätzeinrichtung 1 gemäß Figur 1 ausgestattet ist .

Das Schienenfahrzeug 200 umfasst außerdem einen Schlupf regier 210 , der unter Heranziehung der geschätzten Kraf tschlusswerte p_i pro Achse , der Radumfangsgeschwindigkeitswerte und des j eweiligen Bewegungsschätzwerts v_virt der Schätzeinrichtung 1 den Schlupf der j eweiligen Achse regelt .

Mit der Schätzeinrichtung 1 steht darüber hinaus eine Plausibilisierungeinrichtung 220 in Verbindung, die mit den Bewegungsschätzwerten der Schätzeinrichtung 1 eine Plausibilitätsprüfung bezüglich Bewegungsangaben anderer Quellen durchführt .

Abschließend sei erwähnt , dass die Merkmale aller oben beschriebenen Aus führungsbeispiele untereinander in beliebiger Weise kombiniert werden können, um weitere andere Aus führungsbeispiele der Erfindung zu bilden .

Auch können alle Merkmale von Unteransprüchen j eweils für sich mit j edem der nebengeordneten Ansprüche kombiniert werden, und zwar j eweils für sich allein oder in beliebiger Kombination mit einem oder anderen Unteransprüchen, um weitere andere Aus führungsbeispiele zu erhalten .