Кафедра лазерных измерительных и навигационных систем (ЛИНС) Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет Россия, , С.-Петербург, ул. пр.Попова, 5 Горелая Алина Владимировна Измерение взаимного положения вагона и подрессоренного основания Специальность: – информационно-измерительные и управляющие системы Д И С С Е Р Т А Ц И Я на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, Венедиктов В.Ю. Санкт-Петербург – 2015

Актуальность исследований Увеличение скоростей движения Рост протяженности железных дорог Рост объема грузоперевозок использованием железнодорожного транспорта Протяженность высокоскоростных железнодорожных линий Общая протяженность железных дорог Средства и методы для контроля параметров железнодорожной колеи 2

Целью работы является разработка и исследование оптической системы определения взаимного положения двух плоскостей, предназначенной для оснащения путеизмерительных вагонов. Задачи: Обзор методов и средств диагностики рельсового пути; Анализ требований, предъявляемых к точности системы; Разработка принципиальной схемы измерений; Разработка математической модели вычисления взаимного положения объектов; Исследование основных погрешностей измерения; Проведение экспериментальных исследований системы определения взаимного положения объектов. Цель и задачи 3

Глава 1. Обзор методов и средств диагностики рельсового пути

Измерение параметров рельсового пути Геометрические параметры рельсового пути Путеизмерительные вагоны-лаборатории Стрелы изгиба в плане от несимметричной хорды (рихтовка) Поперечный уровень «Интеграл»«Эра» Путеизмерительный вагон M1200(Matisa, Швейцария) Универсальная путеизмерительная лаборатория UFM 120 (OMWE, Германия) Путеизмерительный вагон Roger 1000 (MerMec, Италия) 5

Определение взаимного положение СНС и БИНС БИНС ПА СНС На кузов БИНС – бесплатформенная инерциальная навигационная система; ПА СНС – приемная аппаратура спутниковых навигационных систем; а) Схемы расположения БИНС и СНС a) б)б) в)в) Курс K, вырабатываемый ИНС, K 1 и K 2 – курсы тележек для случая прохождения криволинейного участка траектории. 6 Для построения ИСОН: необходимо привести характеристики движения приемной антенны СНС к месту установки БИНС

Существующие системы измерения взаимного положения Трособлочная система ЦНИИ-4МД, ПИК ПРОГРЕСС Макс. рабочая скорость 150 км/ч Громоздкость Низкая вибро- и удароустойчивость Изменение жесткости пружины в процессе эксплуатации Зависимость от погодных условий Принципиальная измерительная схема ПВ(OMWE) Необходима высокая точность изготовления деталей Высокая стоимость изготовления Сложная механика Не универсальна (не подходит к вагонам разных типов) 7

Глава 2. Концепция построения системы измерения взаимного положения плоскостей

Принципиальная схема построения системы Начальное положение системы Система в процессе движения П- подвижная плоскость тележки; П1- неподвижная плоскость вагона; П2- плоскость вагона, ориентированная в процессе движения произвольным образом; А, В, С – светящиеся реперы; 1,2,3– приемники, следящие за соответствующими реперами; Обновление информации с min частотой кадровой развертки 25 Гц, (при движении со скоростью 200 км/час или 56 м/с это означает обновление информации через каждые 2.2 м пути) Дальномеры Триангуляционный метод – лазер, 2- регистрирующий элемент, 3 – фокусирующая линза, 4 – контролируемый объект. Большие затраты времени Необходимость смены точек наблюдения (сканирующих элементов) 9 Малая частота съема при экономически целесообразной стоимости

б) в) а) α прямая хорда R l X Диапазоны и требования к точности измерений: а) б) в) тележка 2,4 м 1,5 м Требования к точности измерений 10 На высоких скоростях движения (160 км/ч) начинают сказываться новые виды возмущений, в том числе воздействие встречных воздушных потоков.

диапазон изменения углов: ± 3,7°; погрешность измерения углов: ± 1'; диапазон изменения линейных перемещений: ± 0,015 м; погрешность измерения линейных перемещений: ± 0,001 м. Требования к системе измерения параметров движения ж.д.тележки по отношению к вагону Вариант 1 h Вариант 2 Варианты построения системы Невозможность динамических вычислений – точка крепления излучателя; 2 – плоскость матрицы; 3 – точка подвеса приемного канала; h – расстояние от тележки до вагона. вагон тележка 11

Математическая модель системы измерения На плоскости В пространстве α 12

13 Математическая модель системы измерения 4 1,2,3 – матрицы, 4 – проекция центра качаний на неподвижную плоскость.

X 14 Вычисление смещений

Глава 3. Техническая реализация системы

Приемно-передающий канал Принципиальная схема 1 – лазер, 2 – рассеивающая линза, 3,4 – защитное стекло, 5 – крышеобразная призма, 6 – фокусирующая линза, 7 – диафрагма, 8 – интерференционный фильтр, 9 – регистрирующая матрица. Погрешность измерений Излучатель: блок лазерных диодов; Приемник: КМОП матрица. 16

Параметры измерительного канала 17

18 Излучательный канал в защитном кожухе Приемно-передающий канал Модель кожуха излучательного канала на юстировочной подвижке Модель кожуха приемного канала на юстировочной подвижке Приемный канал в защитном кожухе

Глава 4. Экспериментальные данные. Погрешности измерений

Лабораторныймакет системы измерения взаимного положения плоскостей Лабораторный макет системы измерения взаимного положения плоскостей 20 Изображения светящихся источников с соответствующих камер, в состоянии покоя Общий вид натурного макета Изображение светящихся источников снятое с камер при произвольном перемещение тележки относительно вагона вагон, 2 – тележка, 3- приемный канал, 4 – излучательный канал.

Результаты натурных испытаний Отклик камеры при запотевании защитного стекла Изначальный отклик камеры 21 Поперечное воздействие воздушного потока Продольное воздействие воздушного потока )x max 0,01(мм)3) x max 0,011(мм) 2)y max 0,008(мм)4)y max 0,007(мм)

Вычислениеисходныхперемещений Вычисление исходных перемещений. Отклики на камерах 22 начальное(м)конечное(м) z y z y z y L0.658 К Ψ θ Lx (м) Ly (м)0.000 Lz (м) Зададим смещение 0,01(м) Данные приемных каналов: Расчет углов: Расчет смещений:

Заключение Разработка математической модели вычисления взаимного положения объектов; Исследование основных погрешностей измерения; Проведение экспериментальных исследований системы определения взаимного положения объектов. Проведен обзор методов и средств диагностики рельсового пути; Выполнен анализ требований, предъявляемых к точности системы; Разработана принципиальная схема измерений; Получена математическая модель вычисления взаимного положения объектов; Разработана конструкция системы; Исследованы основных погрешностей измерения; Проведены экспериментальные исследования системы определения взаимного положения объектов, подтверждена адекватность предложенной модели. 23

Апробация Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная научно-практическая конференция «XXXIX НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбГПУ» (2010), Санкт-Петербург, Россия. Научно-техническая конференция профессорско- преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им.В.И. Ульянова (Ленина), ( ), Санкт-Петербург, Россия. Всероссийская научно-техническая XIII конференция молодых ученых «Навигация и управление движением» (2011), Санкт- Петербург, Россия. Международная студенческая конференция Science and Progress ( ), Санкт-Петербург, Россия. Публикации Основные теоретические и практические результаты диссертации изложены в 6 публикациях, среди которых 1 статья в ведущем рецензируемом издании, рекомендованном в действующем перечне ВАК, 5 – в научных сборниках и трудах российских и международных конференций, 1 патент РФ. 24

Положения выносимые на защиту 1. При решении задачи об оптическом измерении взаимного положения двух плоскостей минимизация объема вычислений может быть получена в модифицированной триангуляционной схеме, в которой используется три независимых канала, содержащих каждый источник направленного луча, угловое положение которого фиксировано по отношению к одной из указанных плоскостей, и приемник, ось поля зрения которого фиксирована по отношению к другой плоскости. 2. Оптимальной с точки зрения простоты вычислений компоновкой системы является схема, в которой оси трех источников (или оси трех полей зрения приемников) пересекаются в точке, соответствующей точке качания общего центра системы. 3. Система нечувствительна к атмосферному воздействию и высокочастотным вибрациям. 25