Overslaan en naar de inhoud gaan
Home > Over ons > Nieuws > Lokalisatie van spoorwegvoertuigen bij verlies van GPS-signaal. Televic Rail en Flanders Make op het goede spoor…

Lokalisatie van spoorwegvoertuigen bij verlies van GPS-signaal. Televic Rail en Flanders Make op het goede spoor…

Voor applicaties voor spoorwegvoertuigen zoals een omroepinstallatie of monitoring van fouten in het treinspoor is positie-informatie nodig. Omdat deze vaak door GPS-signalen wordt aangeleverd, is deze misschien niet altijd beschikbaar, bijvoorbeeld bij het rijden door tunnels, valleien, enz. In dit project hebben Televic en Flanders Make een goedkoop en nauwkeurig positie-indicatiesysteem ontwikkeld dat op een voor het spoor gecertificeerd platform werkt en een schatting van de voertuigpositie geeft met een foutenmarge van 5 meter wanneer het GPS-signaal gedurende 2 minuten wegvalt.

Televic ontwikkelt, bouwt en installeert hoogwaardige, hoogtechnologische communicatiesystemen voor specifieke nichemarkten. Televic Rail, één van haar ondernemingen, heeft samen met Flanders Make een accuraat en betrouwbaar lokalisatiesysteem ontwikkeld waarmee de positie en snelheid van treinen met behulp van boordmetingen ingeschat kunnen worden. De informatie vanuit deze lokalisatiesystemen kan voor de volgende toepassingen ingezet worden:

  • Een omroepinstallatie (afdeling Passagiersinformatiesystemen) die de positie van de trein nauwkeurig bepaalt om aan te kondigen wanneer deze in stations zal aankomen.
  • Een monitoringsysteem voor fouten in het treinspoor (Mechatronica-afdeling) dat de locatie van gedetecteerde fouten in het treinspoor nauwkeurig aangeeft.

Voorbeelden van toepassingen waarvoor positionering van het spoorwegvoertuig nodig is:  (links) passagiersinformatiesysteem, (rechts) monitoring van fouten in het treinspoor  [https://en.wikipedia.org/wiki/Rail_inspection]

GPS-positionering levert een goede oplossing wanneer er een voldoende aantal ongehinderde satellietsignalen beschikbaar is. Doorgaans zijn minimaal vier signalen nodig om een correcte positie-indicatie te kunnen geven. Wanneer de GPS-ontvangst wegvalt, bijvoorbeeld door tunnels, valleien, enz., wordt het gebruik van ‘dead reckoning’ (DR of gegist bestek) noodzakelijk. Bij gebruik van DR wordt de actuele positie van het voertuig berekend op basis van de kennis van de vorige positie en andere beschikbare hoeveelheden zoals versnellingen, snelheden, hoeksnelheid. Deze fysische grootheden zijn permanent beschikbaar omdat ze binnen in het raamwerk gemeten worden, doorgaans door een systeem genaamd ‘Inertial Measurement Unit’ (IMU - apparaat voor meting van traagheid). Binnen het kader van het Mechatronics 4.0 vis-traject hebben Flanders Make en Televic Rail nu een DR-algoritme ontwikkeld waarmee GPS-data, de door een IMU gemeten acceleratie- en rotatiesnelheid en gegevens vanuit een snelheidsradar gefuseerd kunnen worden. Het ontwikkelde algoritme kan ook de verschillende bemonsteringsfrequenties aan waarbinnen deze signalen beschikbaar (binnen een bereik van 1 Hz tot 1 kHz). Om de gegevens te fuseren, werd voor Kalmanfiltering gekozen.

Hieronder krijgt u een korte beschrijving van de testen die op de testterreinen in Lommel uitgevoerd zijn en van het ontwikkelde algoritme dat gebruikt wordt voor de positie-indicatie. Ook tonen we aan dat een foutenmarge van minder dan 5 m kan gerealiseerd worden, zelfs wanneer de GPS-gegevens gedurende 2 minuten ontbreken.  

Test en gegevens

In plaats van treinen voor de metingen te gebruiken, werd beslist om de testen uit te voeren met een wagen waarop de beoogde meetsystemen geïnstalleerd werden. Om deze metingen binnen een gecontroleerde en veilige omgeving te kunnen uitvoeren, werd daarbij voor de testterreinen in Lommel (LPG) gekozen. De LPG omvatten een brede waaier van wegtypes en events maar maken ook testen aan een constante snelheid, met verschillende draaicirkels, enz. mogelijk. 

De testterreinen in Lommel omvatten verschillende testbanen speciaal ontworpen voor het simuleren van een breed spectrum van wegtypes. Voor de op testbaan 10 aan een snelheid van 70 km/u uitgevoerde test wordt het punt aangegeven waarop de GPS uitgeschakeld wordt.

De wagen werd uitgerust met een snelheidsradar en een GPS/IMU-module om de voor het algoritme benodigde gegevens te verkrijgen. Ook werd er een hoogwaardig GPS-systeem geïnstalleerd om de referentiepositie doorlopend te meten en de reële prestaties van het fusiealgoritme te kunnen inschatten. Er werden een aantal tests in verschillende omstandigheden (d.w.z. verschillende snelheden, ondergronden, draaicirkels) uitgevoerd op testbanen 5, 10 en 16. Voor de meting op testbaan 10 werd de GPS-module in elke lus op een vast punt gedurende 120 seconden uitgeschakeld.

Test uitgevoerd aan een snelheid van 70 km/u (~ 19.4 m/s) met uitschakeling van GPS (onderbroken blauwe lijn).

Fusiealgoritme

Er zijn voor het DR-algoritme gegevens van diverse aard beschikbaar. Deze bevatten allemaal nuttige informatie die kan helpen om het voertuig bij afwezigheid van GPS-informatie te lokaliseren. Deze gegevens zijn snelheid (vanuit de snelheidsradar), versnellingen vanuit de versnellingsmeter en hoekverdraaiing vanuit de gyroscoop. Wanneer de GPS-informatie beschikbaar is (vaak aan een lagere snelheid), kunnen deze gegevens gebruikt worden om een nog accuratere locatie te bepalen en om de positie-informatie ter beschikking te hebben aan een snelheid die overeenkomt met de hoogste datasnelheid.

In deze context hebben we gebruik gemaakt van een Kalman-filter (KF) om deze verschillende gegevenstypes te fuseren. Bij een KF gebeurt dit simultaan met behulp van twee modellen: een model dat de dynamiek van de interne variabelen uitdrukt (het dynamische model) en een ander model dat aangeeft hoe de meting aan deze variabelen gekoppeld moet worden (het meetmodel).

In het kort komt het hierop neer: wanneer een gegevensmonster ontvangen wordt, wordt dit in de globale status van de KF (updatefase) gefuseerd, vervolgens wordt er een voorspellingsstap toegepast om de volgende systeemstatus te bepalen. Het voordeel van de KF is dat het meetmodel binnen elke tijdsinstantie verschillend kan zijn, wat toelaat dat gegevens andere snelheden hebben. Zo kunnen we bijvoorbeeld een meetmodel ontwerpen waarin uitsluitend alle versnellingen of alle gegevens gelijktijdig opgenomen worden. De algemene strategie van het DR-systeem is om de actueel beschikbare gegevens te gebruiken en om daarbij een verschillend meetmodel te selecteren afhankelijk van de vraag welke gegevens beschikbaar zijn.

Resultaten

Voor de validering van het algoritme lag de focus vooral op de test uitgevoerd op testbaan 10, waar de omstandigheden die van het treinspoor dicht benaderen en de GPS-module gedurende een periode van 120 seconden uitgeschakeld werd.

De tests tonen aan dat de gemiddelde fout, zelfs bij aanwezigheid van een GPS-signaal, niet gelijk is aan nul. De belangrijkste reden hiervoor is dat het goedkopere en het hoogwaardige GPS-(referentie)systeem niet dezelfde positie aanleveren, waardoor we over het algemeen afhankelijk zijn van de nauwkeurigheid van de GPS (wat het systeem zou moeten zijn dat de juiste positie aangeeft).  Gedurende de tijd dat de GPS uitgeschakeld is, wordt de fout niet snel groter. De fout blijft stabiel tussen 2m en 6m.

Op de kaart links ziet u de testbaan met de geschatte positie met behulp van het schattingsalgoritme (zwarte lijn), het GPS-signaal (blauwe lijn) dat gedurende 120 seconden uitgeschakeld wordt en het referentiesignaal (roze lijn). Op de kaart rechts ziet u de gemaakte fout over het hele traject (bovenste kaart) en een focus op de fout gedurende de tijd waarin de GPS uitgeschakeld is (onderaan). De gemiddelde fout over het volledige traject schommelt tussen 4 en 5 meter als we het begin ervan, terwijl de filter nog niet geconvergeerd is, buiten beschouwing laten.

Conclusies

Flanders Make en Televic Rail hebben samengewerkt om een accuraat en betrouwbaar lokalisatiesysteem te ontwikkelen voor het inschatten van de positie/snelheid van de trein met behulp van boordmetingen. Dit systeem is gebaseerd op GPS-, IMU- en radarinformatie. Het fuseert al deze gegevens met behulp van een Kalman-filter, waardoor een accurate positie-indicatie voor het spoorwegvoertuig vastgesteld kan worden, zelfs wanneer een bepaald signaal gedurende een beperkte tijdsperiode zou wegvallen.

Op basis van experimentele gegevens verkregen op de testterreinen in Lommel met een met de nodige instrumentatie uitgerust voertuig werd aangetoond dat het ontwikkelde systeem een positioneringsfout van minder dan 5m haalt, zelfs wanneer de GPS-gegevens gedurende 2 minuten wegvallen. Televic Rail werkt momenteel aan de implementatie van het ontwikkelde algoritme op een door de spoorwegen gecertificeerd ingebouwd platform.

 

Deze resultaten zijn verwezenlijkt in het kader van het Mechatronics 4.0 vis-traject, dat gefinancierd wordt door het VLAIO. In dit vis-traject zetten Sirris, Flanders Make en iMinds innovatieve mechatronische oplossingen om in concrete industriecases van ondernemingen en dit binnen de volgende toepassingsgebieden: sensorarchitecturen, geavanceerd controle-ontwerp, sensoren en algoritmen voor statusmonitoring en machinediagnoses, visie- en scanondersteunde methodes voor de karakterisering van productkenmerken.