WO2013105359A1

WO2013105359A1 - 移動距離計測装置

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Publication number: WO2013105359A1
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Inventors: 猪又　憲治; 亘辻田; 田原　一浩; 聖也永島
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Description

移動距離計測装置

　この発明は、車両の移動距離を計測する移動距離計測装置に関するものである。

　車両（列車）に取り付けられ、電波を用いて車両の移動距離を計測する移動距離計測装置として、例えば特許文献１に示すようなドップラ周波数を利用した装置がある。この特許文献１に示された装置では、まず、送信信号を電波として地面（レール軌道面）に照射し、その反射波である反射信号を送信信号と混合することでドップラ信号成分を得る。そして、そのドップラ周波数を解析して車両の移動速度を算出・積算することで、車両の移動距離を得ている。

特開平１１－１４２５０９号公報

　しかしながら、特許文献１に示すようなドップラ周波数を用いて車両の移動距離を計測する従来の装置では、ポイントや鉄橋など金属物体が装置の正面に存在する場合に、反射信号の振幅が急激（スパイク状）に上昇してしまう。このような信号を周波数解析すると広帯域にノイズが生じ、車両の移動速度を正確に計測できず、移動距離に誤差が生じてしまうという課題がある。

　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、金属物体が装置の正面に存在する場合であっても車両の移動距離を正確に計測できる移動距離計測装置を提供することを目的としている。

　この発明に係る移動距離計測装置は、車両に設けられ、送信信号を電波として地面に照射する送信手段と、送信手段の近傍に設けられ、当該送信手段により放射されて地面で反射した電波を受信して反射信号を取得する受信手段と、受信手段により取得された反射信号の位相に基づいて車両の移動距離を算出する距離演算手段とを備えたものである。

　この発明によれば、上記のように構成したので、金属物体が装置の正面に存在する場合であっても車両の移動距離を正確に計測できる。

この発明の実施の形態１に係る移動距離計測装置が取り付けられた車両を示す図である。この発明の実施の形態１に係る移動距離計測装置の内部構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る移動距離計測装置のアンテナの配置例を示す図である。この発明の実施の形態１に係る移動距離計測装置の動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態１に係る移動距離計測装置による電波の送受信を説明する図である。この発明の実施の形態１における位相変換積分器の移動距離算出を説明する図である。この発明の実施の形態２に係る移動距離計測装置の車両取付角度を説明する図である。この発明の実施の形態２に係る移動距離計測装置の内部構成を示す図である。この発明の実施の形態２における取付角度検出器の構成を示す図である。この発明の実施の形態２に係る移動距離計測装置のアンテナおよび取付角度検出器の配置例を示す図である。この発明の実施の形態２に係る移動距離計測装置の動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態２における取付角度検出器の動作を説明する図である。

　以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお以下では、本発明の移動距離計測装置を列車に取り付けた場合について示すが、その他の車両（例えば自動車など）についても同様に適用可能である。
実施の形態１．
　図１は実施の形態１に係る移動距離計測装置１が取り付けられた列車を示す図である。
　図１に示すように、車両が走行する軌道には、レール２が敷かれ、その下にレール２を支える枕木３が所定の間隔で敷かれている。また、枕木３の間には砂利石（バラスト）４が敷き詰められている。一方、列車の車体５の底面の前後には、接続軸６を介して台車７が接続されており、この台車７には車輪８が取り付けられている。
　また、車体５の底面の略中央（接続軸６間の中点位置）には、艤装金具９を介して移動距離計測装置１が取り付けられている。なお、移動距離計測装置１の底面とレール２の上面との間隔は、２０～６０ｃｍ程度となるようにする。

　次に、移動距離計測装置１の内部構成について、図２を参照しながら説明する。
　移動距離計測装置１は、車両の移動距離を計測するものである。この移動距離計測装置１は、図２に示すように、発振器１０１、送信アンテナ（送信手段）１０２ａ、受信アンテナ（受信手段）１０２ｂ、増幅器１０３、ＩＱ復調器１０４、位相変換積分器１０５、入力端子１０６および出力端子１０７から構成されている。

　発振器１０１は、高周波信号を発生するものである。ここで、発振器１０１は、ＰＬＬ（フェーズ・ロック・ループ）を水晶発振器などの温度特性の優れた基準信号源に同期させることで、安定した高周波信号を出力するようにする。この発振器１０１により発生された高周波信号は送信信号として送信アンテナ１０２ａおよびＩＱ復調器１０４に出力される。

　送信アンテナ１０２ａは、発振器１０１からの送信信号を電波として地面（車両の進行方向下斜め方向）に照射するものである。
　受信アンテナ１０２ｂは、送信アンテナ１０２ａの近傍に設置され、送信アンテナ１０２ａにより照射され地面で反射した電波を受信して反射信号を取得するものである。この受信アンテナ１０２ｂにより取得された反射信号は増幅器１０３に出力される。

　なお、送信アンテナ１０２ａおよび受信アンテナ１０２ｂは、パッチアンテナで構成すれば同一基板上に形成できる。この場合、部品としては１つのアンテナ１０２として扱え、機能としては送信アンテナ１０２ａと受信アンテナ１０２ｂを含むものとすることができる。また、送信アンテナ１０２ａおよび受信アンテナ１０２ｂの偏波方向は水平偏波であるとする。すなわち、枕木３の長手方向と並行であり、レール２の長手方向とは直交する向きである。

　増幅器１０３は、受信アンテナ１０２ｂからの反射信号を所定の振幅レベルまで増幅するものである。この増幅器１０３により増幅された反射信号はＩＱ復調器１０４に出力される。

　ＩＱ復調器１０４は、増幅器１０３からの反射信号に対して、発振器１０１からの送信信号を基準信号として直交検波を行うものである。このＩＱ復調器１０４により直交検波された信号は位相変換積分器１０５に出力される。

　位相変換積分器１０５は、ＩＱ復調器１０４からの信号に基づいて、位相を算出・積算することで、車両の移動距離を算出するものである。なお、位相変換積分器１０５は、入力端子１０８を介して外部からリセット信号が入力された場合には、移動距離をゼロに戻す。この位相変換積分器１０５により算出された移動距離を示す信号は出力端子１０７に出力される。
　なお、ＩＱ復調器１０４および位相変換積分器１０５は距離演算手段を構成する。

　次に、移動距離計測装置１のアンテナ１０２の配置例について、図３を参照しながら説明する。なお、図３（ａ）は移動距離計測装置１を底面側から見た模式図であり、図３（ｂ）は移動距離計測装置１を側面側から見た模式図である。
　図３（ａ）において、破線２０１は、移動距離計測装置１の左右を対称に二等分する線であり、車両の進行方向軸と一致する。また、図３（ｂ）において、破線２０２は、移動距離計測装置１を前後に対称に二等分する垂線である。また、破線２０３は、車両の進行方向下斜め方向に垂線２０２から角度θだけ傾いた線である。なお、角度θは４５度である。
　この図３に示すように、アンテナ１０２は、その中心が破線２０１上に位置し、電波の放射方向が破線２０３に一致するように配置されている。

　次に、上記のように構成された移動距離計測装置１の動作について、図４を参照しながら説明する。
　移動距離計測装置１の動作では、図４に示すように、まず、発振器１０１は、高周波信号（送信信号）を発生する（ステップＳＴ１）。ここで、車体５が移動した場合に反射波の位相を変化させるため、送信波に対してレール軌道面が滑らかな面ではなく、粗い面となるような周波数を選ぶ必要がある。この基準としてレイリー基準が知られており、物体の凹凸の間隔の１／８より波長が短ければ粗い面として扱うことができる。枕木３や砂利石４などの地面形状の凹凸の間隔は約１０ｃｍ程度であり、波長が１０ｃｍ÷８＝１．２５ｃｍ以下の電波、すなわち３×１０＾８÷０．０１２５ｍ＝２４ＧＨｚ以上の周波数の電波を用いることで、その電波に対してレール軌道面は粗い面となる。なお、レール軌道面とは、枕木３や砂利石４がある水平面のことである。もちろん、カーブではカントと呼ばれる傾斜がついているが、枕木３の上面と平行な面をレール軌道面と呼ぶ。

　次いで、送信アンテナ１０２ａは、発振器１０１からの送信信号を電波として、地面（車両の進行方向下斜め方向）に照射する（ステップＳＴ２）。この送信アンテナ１０２ａから放射された送信波は、図５に示すように、破線２０３がレール軌道面と交わる点を中心にした領域に照射され、その照射した領域内の枕木３や砂利石４で反射する。ただし、送信波は斜め方向に照射されるため、破線２０３がレール軌道面と交わる点よりやや手前側（実線２０４とレール軌道面とが交わる点）での反射が最も強くなる。これは、手前の方がアンテナ１０２とレール軌道面の距離が短いためであり、このズレ量は送信アンテナ１０２ａの指向性の鋭さに依存する。すなわち、反射強度が最も強くなる方向は、指向性が鋭いほど破線２０３に近づき（ズレ量は減少し）、指向性が広いほど破線２０３から離れる（ズレ量が拡大する）。例えば、送信アンテナ１０２ａと受信アンテナ１０２ｂとが近傍（１０ｃｍ以内程度）に配置され、最大指向性利得の向きが同じ状態であり、角度θが４５度である６×６パッチのアンテナの場合、４２度方向の反射が最も強くなる。

　次いで、受信アンテナ１０２ｂは、送信アンテナ１０２ａにより照射されて地面で反射した電波を受信して反射信号を取得し、増幅器１０３は、この反射信号を所定の振幅レベルまで増幅する（ステップＳＴ３）。

　次いで、ＩＱ復調器１０４は、増幅器１０３からの反射信号に対して、発振器１０１からの送信信号を基準信号として直交検波を行い、位相変換積分器１０５は、この直交検波結果から位相を算出・積算することで、車両の移動距離を算出する（ステップＳＴ４）。
　以下では、図５を用いて、車両の移動に伴って生じる位相変換積分器１０５出力の変化について説明する。

　まず、図５に示す実線２０４の方向を求める方法について説明する。
　図５において、指向性パターン２０５は、送信アンテナ１０２ａと受信アンテナ１０２ｂとで同一であるとする。また、指向性パターン２０５を表す関数をＦ（η）とする。なお、ηは、破線２０３方向を基準にした角度である。そして、地面反射率やアンテナ１０２の絶対利得を無視すると、反射波の強度Ｈ（η）は次式（１）で表される。

　ここで、ｈはレール軌道面から送信アンテナ１０２ａと受信アンテナ１０２ｂの中点までの高さである。このＨ（η）が最大となる角度ηを求めれば、その方向が実線２０４の方向となる。なお、送信アンテナ１０２ａと受信アンテナ１０２ｂの指向性パターン２０５は予め計測しておく。この式（１）を用いることで、アンテナ１０２の指向性パターン２０５（Ｆ（η））、アンテナ１０２の高さｈ、および、アンテナ１０２の取り付け角度θから、実線２０４の方向（角度η）を求めることができる。そして、この実線２０４の方向からの反射波を用いて車両の移動距離の算出を行う。

　図５において、実線２０４とレール軌道面の交わる点には砂利石４（または枕木３など）が存在し、ベクトルΔｙは、この砂利石４が微小単位時間当りに見かけ上進む方向と大きさを示している。もちろん、実際には、砂利石４が移動するのではなく、車両（移動距離計測装置１）が移動するのであるが、ここでは移動距離計測装置１を基準に考える。また、微小単位時間とは、最高速度のときの車両が進む距離が送信波の波長より十分小さい値（１／１０以下）となる時間間隔である。

　そして、アンテナ１０２に対する砂利石４の距離の変化量Δｒは次式（２）で表される。
Δｒ＝Δｙ×ｓｉｎ（θ－η）　　　　　　　（２）
　また、送信波の波長をλとすると、微小単位時間で反射波の位相θは次式（３）だけ変化する。
Δθ＝２（２π／λ）×Δｒ（３）
　この位相の変化ΔθがＩＱ復調器１０４出力の変化として現れる。この際、ＩＱ復調器１０４は、反射信号と送信信号との直交検波により、Ｉ成分とＱ成分の２つの成分を有するＩＱ信号を出力する。そして位相変換積分器１０５は、ａｔａｎ（Ｑ／Ｉ）から位相を得ることができる。なお、ａｔａｎは逆正接である。そして、微小単位時間前との差分位相がΔθとなるため、微小単位時間当たりの移動距離Δｙを算出することができる。よって、この差分位相Δθを積分することで、その積分時間で車両が移動した距離を求めることができる。

　以上の説明では、ＩＱ復調器１０４出力から位相を求め、そこから差分位相を求めて、さらに積分することで移動距離を算出する場合について示した。しかしながら、実際には、上記複数の処理は不要であり、ＩＱ復調器１０４出力から直接的に車両の移動距離を算出することができる。

　図６はＩＱ復調器１０４出力のＩ成分（Ｘ軸）およびＱ成分（Ｙ軸）と、車両の移動距離（Ｚ軸）との関係を示した図である。この図中の符号２０６はＸ－Ｙ平面上を回転する位相をＺ軸に引き伸ばして示した螺旋である。なお、位相は時計周りに回り、時計周りの位相の回転を正とする。
　ＩＱ復調器１０４出力から積算位相を求めると、当該積算位相は螺旋２０６上の１点となる。その積算位相をψとすると移動距離Ｙは次式（４）で表される。
Ｙ＝ψ／（ｓｉｎ（θ－η）×４π／λ）　　　　（４）

　図６において、螺旋２０６上の点２０７は位相が２πから０に変わる点である。ここで、位相は、螺旋２０６上を回転して、２πから０に戻るのではなく、次の回転は２πから４πまで回転するものとして計算する。この位相の不連続点を連続するように積み上げることはフェーズアンラップとして知られており、ここではその方法を用いる。すなわち、位相を２π以上にわたって積算し、その積算位相から移動距離を求める。
　このフェーズアンラップがうまく機能するためには、処理速度が重要である。すなわち、車両が想定する最高速度で走行中であっても、位相が１周まわるのに十分なサンプル点が得られる処理速度が求められる。よって、先に説明した微小単位時間以下の時間間隔で処理を行う必要がある。

　以上のように、位相変換積分器１０５では、位相の回転を２π以上にわたって積算した積算位相を求めることで、ＩＱ復調器１０４出力から直接的に移動距離を算出することができる。
　ここで、本発明の移動距離計測装置１では、車両の移動距離を算出する際に振幅情報は用いない。この振幅情報は非常に不安定であり、レール軌道の電波の反射状態が降雨や降雪などで変化することで振幅が大きく変わる。また、鉄橋やポイントなど金属物体の上を通過すると振幅がスパイク状に変化する。このスパイク状波形の周波数成分は非常に広帯域であり、ドップラ周波数を解析することで車両の移動距離を算出する従来の方法では、ドップラスペクトルが全体的に大きく変動し、正確なドップラ周波数を得ることができなくなるという課題が生じる。それに対して、本発明の移動距離計測装置１では、振幅情報を用いずに車両の移動距離を算出できるため、レール軌道の電波の反射状態が変動しても正確に移動距離を算出することができる。
　なお、位相変換積分器１０５は、入力端子１０６を介して外部からリセット信号が入力された場合には、移動距離をゼロに戻す。

　以上のように、この実施の形態１によれば、振幅情報を使わずに反射波の位相によって車両の移動距離を計測するように構成したので、金属物体が装置の正面に存在する場合など、レール軌道の電波の反射状態が変化する状況下であっても正確に車両の移動距離を計測することができる。また、反射強度が最大となる方向からの反射波を用いるように構成したので、計測精度を向上することができる。

実施の形態２．
　実施の形態１では、図３に示すように、移動距離計測装置１の計測方位（移動距離計測装置１の底面図もしくは上面図に投影した際の電波の照射する方向）が破線２０１方向であり、当該破線２０１方向と車両進行方向とが一致している場合について説明した。
　それに対して、実施の形態２では、計測方位（破線２０１方向）と車両進行方向とが一致していない場合について説明する。

　図７はこの発明の実施の形態２に係る移動距離計測装置１の車両取付角度３０３を説明する図である。
　ここで、計測方位３０１（図３の破線２０１方向）と車両進行方向３０２とのなす角度を移動距離計測装置１の車両取付角度（ヨー角度）３０３と呼ぶ。そして、実施の形態１では、計測方位３０１と車両進行方向３０２とが一致する場合、すなわち車両取付角度３０３が０度の場合について説明した。それに対して、実施の形態２では、車両取付角度３０３がΔα（≠０）の場合について説明する。

　まず、移動距離計測装置１の計測方位３０１と車両進行方向３０２とのなす角度（車両取付角度３０３）がΔα（≠０）のときに生じる課題について説明する。
　図７のベクトルΔｙは、図５のベクトルΔｙと同一である。すなわち、ベクトルΔｙは、実施の形態１で説明したように、車両（移動距離計測装置１）を基準に考えたときに、車両の進行方向への移動に伴い、電波が最も強く反射する砂利石４（または枕木３）などの反射点が微小単位時間当りに見かけ上進む方向と大きさを示している。
　一方、図７のベクトルΔｙ’は、移動距離計測装置１の計測方位３０１を基準とし、車両取付角度３０３がΔα（≠０）のときに、車両の進行方向への移動に伴い、電波が最も強く反射する砂利石４（または枕木３）などの反射点が微小単位時間当りに見かけ上進む方向と大きさを示している。

　このとき、ベクトルΔｙとベクトルΔｙ’との間には以下の関係式（５）が成り立つ。
Δｙ＝Δｙ'／ｃｏｓ（Δα）　　　　　　　（５）
　すなわち、車両取付角度３０３が０度の場合には、車両の移動距離と移動距離計測装置１により算出される移動距離は一致する。しかし、車両取付角度３０３がΔαの場合には、移動距離計測装置１により算出される移動距離は、車両の移動距離よりｃｏｓ（Δα）だけ短くなる。例えば、Δαが２．５度の場合には、移動距離計測装置１により算出される移動距離は、実際の移動距離よりも約０．１％短くなる。

　以上のように、車両取付角度３０３がΔα（≠０）の場合、移動距離計測装置１により算出された移動距離は、実施の車両の移動距離に対して短くなり、測定誤差が生じる。したがって、移動距離測定を超高精度に実施するためには、移動距離計測装置１の車両取付角度３０３が０度となるように取り付ける必要があり、その作業が困難であるという課題がある。
　また、経年変化により車両取付角度３０３が変化していないかを定期的にメンテナンスする必要があり、手間がかかるという課題がある。

　さらに、鉄道分野では、移動測定誤差を抑圧するため、地上子および車上子を用いて測定誤差を補正する方法がある。ここで、地上子は、軌道間に複数設置され、各設置地点での移動距離情報を記憶したＩＤタグである。また、車上子は、列車に設置され、地上子に記憶された移動距離情報を読み取るリーダである。そして、列車が軌道間を移動している際に車上子により地上子から読み取られた移動距離情報に基づいて、移動距離計測装置１により算出された移動距離を順次補正することで、移動測定誤差を抑圧することができる。しかしながら、この方法では、地上子を複数設置する必要があり、設置コストおよびメンテナンス費がかかるという課題がある。

　実施の形態２では、上記のような課題を解決するためになされたもので、車両取付角度３０３が０度でなくても車両の移動距離を正確に計測できる移動距離計測装置１を提供することを目的としている。

　図８はこの発明の実施の形態２に係る移動距離計測装置１の内部構成を示す図である。図８に示す実施の形態２に係る移動距離計測装置１は、図２に示す実施の形態１に係る移動距離計測装置１に取付角度検出器（方向誤差検出手段）１０８および補正演算器（補正演算手段）１０９を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
　なお、位相変換積分器１０５は、算出した移動距離を示す信号を補正演算器１０９に出力する。

　取付角度検出器１０８は、移動距離計測装置１の計測方位（電波の照射する方向）と車両の進行方向とのなす角度（車両取付角度３０３）を算出するものである。この取付角度検出器１０８により算出された車両取付角度３０３を示す信号は補正演算器１０９に出力される。この取付角度検出器１０８の内部構成については後述する。

　補正演算器１０９は、取付角度検出器１０８により算出された車両取付角度３０３を用いて、位相変換積分器１０５により算出された移動距離を補正した補正移動距離を算出するものである。この補正演算器１０９により算出された補正移動距離を示す信号は出力端子１０７に出力される。

　次に、取付角度検出器１０８の内部構成について、図９を参照しながら説明する。
　取付角度検出器１０８は、図９に示すように、２軸加速度センサ１０８１、加速度閾値判定部１０８２、取付角度演算部１０８３および取付角度記憶部１０８４から構成されている。

　２軸加速度センサ１０８１は、車両の加速および減速（列車の力行および回生）に伴う加速度を計測するものである。この２軸加速度センサ１０８１により計測された加速度を示す信号は加速度閾値判定部１０８２に出力される。

　加速度閾値判定部１０８２は、２軸加速度センサ１０８１により計測された加速度に対して、車両（列車）の振動による加速度成分を排除した後、閾値判定を行うものである。ここで、加速度閾値判定部１０８２は、加速度が所定の閾値を満足したと判定した場合には、当該加速度を示す信号を取付角度演算部１０８３に出力する。

　取付角度演算部１０８３は、加速度閾値判定部１０８２により閾値を満足すると判定された加速度を用いて、車両取付角度３０３を算出するものである。この取付角度演算部１０８３により算出された車両取付角度３０３を示す信号は取付角度記憶部１０８４に出力される。

　取付角度記憶部１０８４は、取付角度演算部１０８３により算出された車両取付角度３０３を示す信号を記憶するものである。この取付角度記憶部１０８４に記憶された車両取付角度３０３を示す信号は補正演算器１０９に出力される。

　次に、移動距離計測装置１の取付角度検出器１０８の配置例について、図１０を参照しながら説明する。なお、図１０は図３に示す移動距離計測装置１に取付角度検出器１０８の配置例を追記したものであり、図１０（ａ）は移動距離計測装置１を底面側から見た模式図であり、図１０（ｂ）は移動距離計測装置１を側面側から見た模式図である。アンテナ１０２の配置例は、図３と同様であるため、その説明を省略する。また、破線２０４は、破線２０２と直交し、かつ、図１０（ａ）に示す面内において破線２０１に対して鉛直方向となる線である。

　そして、取付角度検出器１０８（２軸加速度センサ１０８１）は、車両進行方向と一致する破線２０１に平行な加速度（第１軸方向の加速度Ａｘ）を計測し、かつ、車両進行方向に対して鉛直方向である破線２０４に平行な加速度（第２軸方向の加速度Ａｙ）を計測するように配置されている。

　次に、上記のように構成された移動距離計測装置１の動作について、図１１を参照しながら説明する。なお、図１１のステップＳＴ１～４は、図４のステップＳＴ１～４と同様でありその説明を省略する。なお、位相変換積分器１０５により算出された移動距離を示す信号は補正演算器１０９に出力される。
　また、取付角度検出器１０８では、事前に、移動距離計測装置１の計測方位（電波の照射する方向）と車両の進行方向とのなす角度（車両取付角度３０３）を算出し、補正演算器１０９に通知している。

　そしてステップＳＴ５では、補正演算器１０９は、取付角度検出器１０８により算出された車両取付角度３０３を用いて、位相変換積分器１０５により算出された移動距離を補正した補正移動距離を算出する。この補正演算器１０９により算出された補正移動距離を示す信号は出力端子１０７に出力される。
　以下に、取付角度検出器１０８および補正演算器１０９による移動距離の補正方法について示す。

　図１２は車両（列車）の移動速度の時間推移と２軸加速度センサ１０８１による計測値との関係を説明する図である。なお、図１２では、車両の振動による加速度成分を排除した結果を示している。この車両の振動による加速度成分の排除方法については後述する。
　この図１２に示すように、２軸加速度センサ１０８１による計測値は、車両が加速または減速した際に変化する。

　ここで、図１２（ｂ）に示すように車両取付角度３０３が０度の場合には、２軸加速度センサ１０８１による計測値において、第１軸方向の加速度Ａｘは車両の加速度と一致し、第２軸方向の加速度Ａｙはゼロとなる。
　一方、図１２（ｃ）に示すように車両取付角度３０３がΔα（≠０）の場合には、２軸加速度センサ１０８１による計測値において、Ａｘ，Ａｙそれぞれの加速度が計測される。ここで、車両の加速度をＡとした場合、２軸加速度センサによる測定値Ａｘ，Ａｙは次式（６），（７）で表される。
Ａｘ＝Ａｃｏｓ（Δα）　　（６）
Ａｙ＝Ａｓｉｎ（Δα）　　（７）

　よって、２軸加速度センサ１０８１により計測された加速度Ａｘ，Ａｙから、車両取付角度Δαは次式（８）で求まる。
Δα＝ａｔａｎ（Ａｙ／Ａｘ）　　　　　　　（８）

　そして、補正演算器１０９は、取付角度検出器１０８により算出された車両取付角度Δαを基に、次式（９）から、位相変換積分器１０５出力である移動距離Ｙを補正した補正移動距離ＹＣＡＬを算出し、最終的な移動距離として出力端子１０７に出力する。
ＹＣＡＬ＝Ｙ／（ｃｏｓ（Δα））　　　　　　（９）

　次に、取付角度検出器１０８の詳細動作について説明する。
　取付角度検出器１０８の詳細動作では、まず、２軸加速度センサ１０８１は、車両の加速および減速（列車の力行および回生）に伴う加速度を計測する。この２軸加速度センサ１０８１により計測された加速度を示す信号は加速度閾値判定部１０８２に出力される。

　次いで、加速度閾値判定部１０８２は、２軸加速度センサ１０８１から加速度を示す信号が入力されると、車両（列車）の振動に伴って生じる加速度成分をフィルタや周波数解析により排除する。ここで、車両が等加速度運動している場合には車両の加速度は一定値となり、そこに車両の振動による加速度が加算されることになる。そのため、ローパスフィルタや周波数解析を用いた、車両加速度成分と振動加速度成分の分離・振動加速度成分の排除が最も効率的に行える。
　すなわち、例えばローパスフィルタとして、測定値の１秒間分の移動平均値を演算すればよい。また、測定した加速度を周波数解析し、車両の加速および減速時の加速度と車両の振動による加速度とを分離するなどの方法がある。

　そして、車両の振動による加速度成分のうち、第１軸方向の加速度をＮｘとし、第２軸方向の加速度をＮｙとおくと、２軸加速度センサ１０８１により計測される加速度は次式（１０），（１１）で表される。
Ａｘ＝Ａｃｏｓ（Δα）＋Ｎｘ　　　　　　　（１０）
Ａｙ＝Ａｓｉｎ（Δα）＋Ｎｙ　　　　　　　（１１）
　なお、上式（６），（７）は、上式（１０），（１１）からそれぞれ振動による加速度Ｎｘ，Ｎｙを排除したものである。

　そして、加速度閾値判定部１０８２は、車両（列車）の振動による加速度成分を排除した加速度Ａｘ，Ａｙの値を閾値判定する。ここで、加速度が所定の閾値を満足したと判定した場合には、当該加速度を示す信号を取付角度演算部１０８３に出力する。なお、閾値としては、加速度の値、加速度の絶対値、加速度の時間変化幅、もしくはこれらの組合せがある。
　すなわち、例えば等加速度運動時の加速度を抽出するには、加速度Ａｘが所定の閾値を超え、加速度Ａｘの時間変化幅（標準偏差）が所定変位内である加速度を抽出すればよい。

　次いで、取付角度演算部１０８３は、加速度閾値判定部１０８２により閾値を満足すると判定された加速度を用いて、上式（８）より車両取付角度３０３を算出する。この取付角度演算部１０８３により算出された車両取付角度３０３を示す信号は取付角度記憶部１０８４に出力される。

　次いで、取付角度記憶部１０８４は、取付角度演算部１０８３により算出された車両取付角度３０３を示す信号を記憶する。そして、この取付角度記憶部１０８４に記憶された車両取付角度３０３を示す信号は補正演算器１０９に出力される。

　なお、車両取付角度３０３を計測するタイミングとしては、例えば列車の場合には、車両基地で移動距離測定装置１を車体５に取り付けた後、予め直線区間であると分かっている軌道上で列車を走行させた際に計測する。

　以上のように、この実施の形態２によれば、車両取付角度３０３が０度でない場合に生じる誤差（移動距離計測装置１により計測された移動距離が実際よりも短くなるという誤差）を、車両取付角度３０３を検出することで補正するように構成したので、実施の形態１における効果に加えて、車両取付角度３０３が０度でなくても正確に車両の移動距離を計測することができる。

　また、車両取付角度３０３が０度でなくても正確に移動距離を計測可能であるため、車両取付角度３０３を０度とする調整作業が不要となり、車両への取り付け作業を容易としかつメンテナンス性を向上させた移動距離計測装置１を提供することができる。

　さらに、鉄道分野において、車両取付角度３０３によらず車両の移動距離を正確に計測することができるので、設置する移動距離補正用の地上子の数を削減または全廃することができ、設置コストやメンテナンスコストを抑えることができる。

　なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

　この発明に係る移動距離計測装置は、金属物体が装置の正面に存在する場合であっても車両の移動距離を正確に計測でき、車両の移動距離を計測する移動距離計測装置等に用いるのに適している。

　１　移動距離計測装置、２　レール、３　枕木、４　砂利石、５　車体、６　接続軸、７　台車、８　車輪、９　艤装金具、１０１　発振器、１０２　アンテナ、１０２ａ　送信アンテナ（送信手段）、１０２ｂ　受信アンテナ（受信手段）、１０３　増幅器、１０４　ＩＱ復調器、１０５　位相変換積分器、１０６　入力端子、１０７　出力端子、１０８　取付角度検出器（方向誤差検出手段）、１０９　補正演算器（補正演算手段）、１０８１　２軸加速度センサ、１０８２　加速度閾値判定部、１０８３　取付角度演算部、１０８４　取付角度記憶部。

Claims

　車両に設けられ、送信信号を電波として地面に照射する送信手段と、
　前記送信手段の近傍に設けられ、当該送信手段により放射されて前記地面で反射した電波を受信して反射信号を取得する受信手段と、
　前記受信手段により取得された反射信号の位相に基づいて前記車両の移動距離を算出する距離演算手段と
を備えた移動距離計測装置。
　前記距離演算手段は、前記送信手段および前記受信手段の放射パターン、高さ、取り付け角度に基づいて、地面で反射して返ってきた反射信号の強度が最大となる角度を算出し、前記角度を用いて前記車両の移動距離を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の移動距離計測装置。
　前記送信手段は、前記反射信号を前記送信信号で直交検波して位相を算出し、当該位相の変位量を２π以上にわたって積算し得られた積分位相から移動距離を算出する
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の移動距離計測装置。
　前記距離演算手段は、２４ＧＨｚ以上の電波を用いる
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の移動距離計測装置。
　前記電波の照射方向と車両の進行方向とのなす角度を算出する方向誤差検出手段と、
　前記方向誤差検出手段により算出された角度を用いて、前記距離演算手段により算出された移動距離を補正する補正演算手段とを備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の移動距離計測装置。
　前記方向誤差検出手段は、車両の加減速に伴う加速度を計測し、当該計測した加速度に基づいて前記角度を算出する
ことを特徴とする請求項５記載の移動距離計測装置。