автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и разработка аппаратно-программных средств оптоэлектронного датчика скорости на ПЗС

На правах рукописи

Файнберг Михаил Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ОПТОЭЛЕКТРОННОГО ДАТЧИКА СКОРОСТИ НА ПЗС

Специальность: 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в Институте проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук (ИППМ РАН)

Научный руководитель: доктор технических наук Глебов А.Л.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Стенин В.Я. кандидат технических наук Скрылёв A.C.

диссертационного , , Институте проблем

проектирования в микроэлектронике Российской академии наук (ИППМ РАН) по адресу: 124681, г. Москва, ул. Советская, д.З.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИППМ РАН.

Автореферат разослан 10 ноября 2005 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 002.078.01,

Ведущая организация: РНЦ «Курчатовский Институт»

Защита состоится

в d£z. на заседании

кандидат технических наук

А.И. Корнилов

ты?

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Для определения скорости поезда используются электромеханические датчики, принцип работы которых основан на измерении числа оборотов колеса. Недостатком таких датчиков является высокая погрешность (до ± 5 км/ч), которая обусловлена буксованием или юзом колеса, с осью которого связан скоростемер. Применяются также путевые датчики-передатчики, которые устанавливаются вдоль рельсового пути, а локомотив оснащается приёмником. При прохождении поездным составом точечного датчика начинается отсчёт времени, которое потребуется подвижному составу, чтобы достичь другого датчика. Зная расстояние между датчиками и время, потраченное па преодоление расстояния между ними, вычисляется скорость движения подвижного состава. Недостатком таких устройств является отсутствие автономности и напольное расположение аппаратуры, что затрудняет проведение путевых работ. Точность и время определения скорости зависят от расстояния между путевыми датчиками и быстродействием приёмника. На точность определения скорости влияют различные факторы: чувствительность локомотивного приёмника, колебания (боковая качка, галопирование) приёмной стороны катушки, установленной на подрессорной части локомотива.

При подъезде к станции в качестве опытного образца используются точечные датчики определения скорости поезда. Их использование предполагает установку напольного оборудования в начале и в конце блок-участка. Исходя из зависимости использования, точечными датчиками напольного оборудования их не представляется возможным использовать на перегонах.

В данной работе рассматривается возможность создания бесконтактного, автономного, оптоэлектронного датчика определения скорости на транспорте, основанного на анализе и двумерной обработке движущегося изображения рельсовой колеи. Датчик, построенный на базе специализированного прибора с зарядовой связью (ПЗС), обеспечит определение скорости поезда на всем маршруте движения, позволит увеличить показатели безопасности и точности соблюдения пространственного и временного графика на железнодорожном (ж.д) транспорте и метрополитене, уменьшить межпоездной интсрвял| лвижения, существенно повысить

ЯОС НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА |

СПетерви^зу, I

о»

эффективность работы путеизмерительной станции.

Измеряемые параметры рельсовой колеи (ширина, уровень, просадки, боковой износ головок левого и правого рельсов, положение контактного рельса и т.д.) должны быть привязаны к координатам пути. Графики этих параметров на лентах путеизмерителя используются для выявления зон, имеющих отступления от норм содержания железнодорожного пути метрополитена, для оценок этих отступлений, для планирования работ по определению очередности их устранения.

Поэтому поставленная в работе задача - исследование и разработка аппаратно-программных средств оптоэлектронного датчика скорости на ПЗС является актуальной.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является исследование и разработка аппаратно-программных средств оптоэлектронного датчика скорости (ОДС) на ПЗС. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать и обосновать метод измерения скорости с помощью специализированного фоточувствительного прибора с зарядовой связью (ФПЗС) с временной задержкой и накоплением (ВЗН).

2. Для проведения исследований предложенного метода разработать математическую модель ОДС, которая, учитывает состояние и освещенность рельсовой колеи.

3. Провести исследование основных характеристик предложенного ОДС в различных условиях эксплуатации.

4. Для обеспечения цикла исследования разработать имитационную модель и программное обеспечение ОДС.

5. Разработать алгоритмы двумерной обработки неоднородных изображений с помощью специализированного ФПЗС.

6. Разработать схемотехническое решение и программное обеспечение для макетирования ОДС.

Постановка задачи и основные результаты диссертационного исследования были сформулированы и получены под руководством профессора Шилина В.А.

Научная новизна работы

1. Для железнодорожного транспорта и метрополитена в условиях различной освещенности рельсовой колеи, неравномерного движения подвижного состава теоретически показана возможность

высокоточного определения скорости бесконтактным оптоэлектронным датчиком, построенным на базе кристалла специализированного ФПЗС.

2. Разработана методика расчета накопления зарядовых пакетов в ФПЗС с трапециидальной формой пикселей с учетом неравномерности движения.

3. Впервые разработана имитационная модель ОДС, позволяющая на > основе изображений, поступающих на вход датчика как в виде

гармонической функции с задаваемыми параметрами, так и в виде реальных (тестовых) изображений рельсовой колеи вычислять скорость движения подвижного состава.

Практическая ценность работы

1. Разработан новый метод определения скорости на железнодорожном транспорте и метрополитене с помощью бесконтактного оптоэлектронного датчика скорости.

2. Выполнен цикл практических работ: разработано схемотехническое решение схема ОДС. Спроектирована схема управления кристалла специализированного ФПЗС ВЗН, которая реализована на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС).

3. Проведен цикл исследований ОДС в статическом и динамическом режимах. Использование имитационного моделирования подтвердило целесообразность и перспективность бесконтактного оптоэлектронного датчика измерения скорости.

4. Показано, что использование ОДС позволит уменьшить погрешность вычисления скорости до уровня 1,5%.

5. Разработан действующий макет ОДС. В дальнейшем, на основании опыта создания данного макета может быть разработан проект системы на кристалле.

Реализация результатов работы

Для определения основных параметров работы ОДС с учетом различных видов рельсовой колеи, условий се освещённости и контрастности была применен метод имитационного моделирования.

Алгоритмы работы ОДС доведены до программного обеспечения.

Схемотехническое решение доведено до макета. Макет ОДС прошёл испытания на путеизмерительной станции в депо "Планерная" Московского метрополитена в 2004г. (Акт испытаний прилагается).

На защиту выносятся следующие результаты

1. Математическая модель и алгоритмы ОДС, отражающие двумерную обработку неоднородных движущихся изображений в специализированном ФПЗС с учетом неравномерного движения.

2. Имитационная модель, позволяющая адекватно описать работу ОДС и теоретически оценить работоспособность и точность датчика с учетом различных искажений, условий освещённости и видов подстилающей поверхности, типичных для < железнодорожного транспорта и метрополитена.

3. Макет ОДС, прошедший испытания на Московском метрополитене.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены на следующих конференциях: "Неделя науки 1998", г. Москва, МИИТ, 1998г; международная конференция "Фотоника для транспорта", г. Прага, 1999г.; конференция молодых специалистов, г. Ростов - на - Дону, РГУПС, 2000г.; международная конференция «Лазеры», г.Сочи, 2000г.; научная сессия МИФИ -2001, г. Москва, МИФИ, 2001г.; международная конференция "Фотоника для транспорта", г.Сочи 2002г.; международная конференция «Лазеры», г.Сочи, 2003г; школа молодых учёных - 2004, Софрино, Московская область, 2004г.

Результаты диссертации вошли в 2 научно-технических отчёта по грантам Правительства Москвы за 2000 и 2002 годы. Основные результаты диссертации были представлены на конкурс Молодых учёных города Москвы и удостоены премии Правительства г. Москвы за 2003 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Диссертация изложена на 122 страницах, включая 122 страницы машинописного текста, 6 таблиц, 100 рисунков, список литературы 71 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель диссертационной работы и сформулированы задачи для ее достижения.

Первая глава посвящена обзору существующих методов и датчиков измерения скорости на железнодорожном фанспорге, в том числе датчиков анализа вращения колёсных нар, путевых, радиолокационных, корреляционных и навигационных датчиков.

На основании классификации, разработанной профессором Барановым Л.А., рассмотрены существующие измерители скорости движения подвижного состава.

Измерители скорости, основанные на пересчете угловой скорости колёсных пар, представляют собой частотомеры. Они преобразуют частотно-импульсный сигнал, поступающий ог колесной пары локомотива, в цифровой код для ввода измерительной информации в микропроцессорное устройство управления. Частотно импульсные датчики (ЧИД) устанавливаются на оси или в редукторе привода колёсной пары. Путь, пройденный поездом, определяется подсчётом числа импульсов N за время измерения.

где К - радиус колеса,

Ъ - число импульсов ЧИД, формируемых за один оборот.

Недостатком этого метода является погрешность, обусловленная буксованием или юзом колеса, с осыо которого связан ЧИД.

Другой метод измерения скорости, основан на определении времени прохождения фиксированных отрезков пути. Вдоль рельсового пути устанавливаются точечные датчики-передатчики, а локомотив оснащается приёмником. При прохождении локомотивом точечного датчика начинается отсчёт времени, которое потребуется подвижному составу, чтобы достичь другого датчика. Зная расстояние между датчиками и время, потраченное на преодоление расстояния между ними, вычисляется скорость движения подвижного состава. Аппаратура устанавливается на рельсовом пути и на борту локомотива. Координата местоположения поезда определяется с помощью подсчёта пройденных путевых датчиков, а точность определения скорости движения пропорциональна частоте установления путевых датчиков на рельсовом пути.

Недостатком таких устройств является напольное расположение аппаратуры, что затрудняет проведение путевых работ. Точность и время определения скорости зависят от расстояния между путевыми датчиками и быстродействием приёмника. На точность определения

скорости влияют различные факторы: чувствительность локомотивного приёмника, колебания приёмной стороны катушки.

Применяются также радиотехнические методы измерения скорости, принцип действия которых основан на непрерывном облучении объекта. Сигнал излучателя достигает объект, отражается от него и поступает на вход антенны. Частота отражённого сигнала отличается от частоты излучённого на величину, пропорциональную скорости объекта. Точность измерения зависит от стабильности частоты излучаемого сигнала, точности установки частоты генератора.

Для определения скорости используются также корреляционный метод. Он основан на непрерывном облучении поверхности железнодорожного полотна СВЧ сигналом, приёме отражённого сигнала двумя разнесёнными по продольной оси локомотива антеннами и определении временного сдвига между двумя отражёнными сигналами. Временной сдвиг определяется путём вычисления взаимной корреляционной функции этих сигналов и отыскания её максимума.

Все более широкое применение начинают применяться методы, основанные на системе глобальной спутниковой навигации (ГЛОНАСС, GPS). В отечественной системе ГЛОНЛСС и международной системе GPS в качестве радионавигационной опорной станции используются навигационные космические аппараты (НКА), размещённые на геостационарной орбите. Для определения скорости подвижного состава с помощью глобальной системы спутниковой навигации необходимо иметь в зоне видимости 4 НКА: один НКА вблизи зенита, три НКА вблизи горизонта равномерно разнесены по направлению. Этот метод, обладая высокой точностью, не может работать в туннелях и на других закрытых участках пути. Недостатком метода является, зависимость от условий функционирования космической навигационной системы и невозможность работы в гористой местности, тоннелях отсутствие автономности.

Анализ показывает, что из рассмотренных датчиков на метрополитене могут быть использованы датчики скорости, основанные на измерении вращения колёсных пар, путевые датчики и корреляционные. В настоящее время применяются только электромеханические датчики и точечные датчики скорости.

На безопасность движения существенно влияет качество результатов контроля состояния железнодорожного пути, которое осуществляется путеизмерительной станцией. Поэтому создание автономного датчика скорости для путеизмерительной станции, обеспечивающего высокоточную привязку результатов измерения параметров движения к координатам рельсовой колеи в настоящее время также является одной из приоритетных задач.

Во второй главе разработан и обоснован метод определения скорости с помощью специализированного матричного ФПЗС, разработанного в отечественной промышленности, теоретически обоснована возможность бесконтактного измерения скорости с помощью двумерной обработки неоднородных изображений с помощью специализированного ФПЗС ВЗН, описан его принцип действия.

Специализированный ФПЗС был предложен российскими учёными Баклановым А.И., Ларионовым C.B., Карасевым В.И. и др. и защищен авторским свидетельством N304847 от 01.12.89г. Опытные образцы специализированного ФПЗС были произведены в ГУП НПП «Пульсар» и ФГУП НПП "ОПТЭКС". На базе данного ФПЗС планировалось разработать датчик скорости космических аппаратов.

Оптоэлектронный датчик скорости может быть использован для измерения скорости различных видов транспорта: автомобильного, авиационного, железнодорожного. В данной работе рассматривается возможность создания и использования оптоэлектронного датчика скорости для железнодорожного транспорта, метрополитена и путеизмерительной станции.

Разрабатываемый оптоэлектронный датчик скорости должен измерять скорость движения локомотива от 0 км/ч до 160 км/ч. Для обеспечения высокоточной работы датчика в широком диапазоне скоростей в зависимости от текущей скорости движения поезда происходит изменение частоты сдвига строк ФПЗС.

Для выбора оптической характеристики объектива, устанавливаемой на кристалл специализированного ФПЗС, был произведён геометрический расчет оптической силы объектива. Он состоял в том, что расстояние от объектива ОДС до железнодорожного полотна составляет 0,46 м, ширина железнодорожного полотна, на которое фокусируется кристалл ОДС равно 0,5 м. Путем вычислений получен коэффициент силы линзы. Он равен Глинэы = 0,0123.

ФПЗС представляет собой матрицу фоточувствительных элементов с параллельным переносом строк, на выходе которого расположен последовательный регистр сдвига.

Скорость V перемещения спроецированного на кристалл движущегося изображения определяет частоту переноса строк Гм с помощью фазовых импульсов Фш, Ф2М, Фзм, при которой обеспечивается синхронизация.

Частота переноса строк пропорциональна скорости

, к (2)

" *

Ьэ - длина фоточувствительного элемента.

Для обеспечения высокоточной работы датчика в широком диапазоне скоростей предусмотрено изменение частоты сдвига строк ФПЗС в зависимости от текущей скорости движения поезда. Диапазон рабочих частот сдвига выбирается исходя из конструктивных особенностей кристалла. Рабочие частоты кристалла ФПЗС лежат в

диапазоне от Ант до Пнах

/- - У— - ^ = 0.. 958 КГ ц Г = £ = = 7.833 кГц

¿7 2410* " Г" 12-10'

Диапазону скоростей от 80 до 160 км/ч, соответствует частота сдвига 3,280 кГц; диапазону от 40 до 80 км/ч-частота сдвига 1,640 кГц; диапазону от 20 до 40 км/ч-частота сдвига 0,820 кГц; диапазону от 10 до 20 км/ч-частота сдвига 0,410 кГц. Для скоростей менее 10 км/ч отключаются секции накопления.

Матрица специализированного ФПЗС работает в режиме ВЗН, который предусматривает синхронизацию скорости сдвига строк зарядовых пакетов в матрице ПЗС и скорости движения изображения по кристаллу. Отличительная особенность специализированного ФПЗС ВЗН заключается в том, что фоточувствительные элементы (пиксели) имеют разную длину в направлении, совпадающем с направлением движения изображения (рис. 1). Фоточувствительная область в ФПЗС представляет собой матрицу форматом 512 (Г) х 128 (В) элементов. Длина пикселей изменяется от 24 мкм (для первого столбца) до 12 мкм (для 512 столбца).

По ширине все пиксели матрицы одинаковы. Ширина пикселей равна 12 мкм. Часть площади пикселей покрыта непрозрачным алюминиевым экраном, обеспечивающим одинаковую площадь фоточувствительной зоны у всех пикселей: 12x12 мкм.

3 - элемент с индексом у; 4 - выходной регистр

Любой строчный (]>pai мент изображения и еоогве1С1вующая ему картина зарядов движутся по матрице синхронно. Изображение движется непрерывно, а потенциальные ямы перемещаются скачкообразно в соответсгвии с диаграммой тактовых импульсов После достижения строчным фрагмешом последовательного выходного регистра сдвша картина зарядов параллельно передаётся в регистр и оггуда в последова1сльной форме - на элемеш вывода зарядов.

Частота тактовых импульсов f6 в регистре сдвига с помощью регистровых импульсов Rgl, Rg2, Rg3 должна обеспечть передачу всей строки зарядов на выход до поступления в регистр сдвига следующей строки. Поэтому f6=N«fM, где N - число фоточувствительных элементов в строке. Таким образом:

fb = 512-fM (3)

Так как длины элементов различны и равны L3(i) для i-ro элемента, то синхронизация будет достигнута только в одном столбце, у которого будет соблюдено условие синхронизации. Зная период синхронизации и номер столбца, в котором было получено максимальное значение функции передачи модуляции (ФПМ), можно определить скорость движения изображения.

^ = (1023-у) Lo fM (4)

511

Для проведения исследования характеристик ОДС в рамках диссертации под руководством профессора Шилина В.А. были получены соотношения (6) - (12), на основе которых построена математическая модель оптоэлектронного датчика скорости. В качестве входного сигнала используется изображение в виде косинусоидальной решётки, спроецированное на кристалл.

Предположим, что входное изображение движется со скоростью V, имеет косинусоидальный вид и описывается функцией:

Х-У'!1

ф=ф„

i + m-cos 71

где: Ь7. - пространственный полупериод входного сигнала в направлении г.; Фо - средний поток фотонов; М — относительная амплитуда косинусоидальной решётки.

Заряд (сК?1,]), накопленный в ячейке с индексами (1 за время ск. \ - количество строк, \ меняется от 1 до 128,] - количество столбцов, ] меняется от 1 до 512.

Зарядовый пакет СКу), накопленный за время Tf прохождения строчного фрагмента изображения через элемент ] длиной Ьэ, определяется интегрированием следующего выражения по времени.

О -l)L,

_ . [, .. 2 L, . л-L, тс

В • dt • <, L, - М--- • sin--cos-

| л 2'L, 2- L,

1 + M • cos

f Л z-v-t

71

0 -DL

[(2 i -l>L,-2vt]

L, (6)

d/.=

где В = д- % ■ Т ■ Ф„ • 1\, ц0) = ь„ • (2 Кыг-|1)--1.

ГЧг -1

где Nг-кoличecтвo столбцов,Ьо-минимальная длина ячейки,Ьо=12мкм.

Время Tf при синхронизации равно периоду следования тактовых импульсов, поэтому Тр= Ьэ/у. Tf - период тактовых импульсов, накопленных зарядовым пакетом в ] ом- элементе \ - ой строки:

а,= (</£?=в- \ и,

К-ОГ, (.,--)г,

М 2'1- sm^'cos ' [(2 /-l) L,-2 v i] 7t 2 L, 2 L, lv ' ' 1

= B di |l -M ——• sin^ cos-я 2'L, 2

^ [(2 ,-1) 1..-2 V-[]| = - I + М .5„г(^Ь).софч Ь. (.-.,)]

где К=я/Ьг; ^ = В.^.Т/=Ч. Ф„.Пф.Ь\- Т,„. ■ Т/

При фиксированной частоте синхронизации скорость движения потенциальных ям в разных столбцах матрицы различна и равна

У=Ьэ/Т , где Ьэ - размер ячейки в направлении движения, Т - период синхронизации. В том столбце матрицы, в котором скорость движения изображения наиболее точно совпадает со скоростью движения потенциальных ям, будет наблюдаться максимум функции передачи модуляции. Накопленные зарядовые пакеты сдвигаются в выходной регистр.

С учётом смещения относительно начала координат Ъо

где: W - ширина ячейки; Ьа - длина активной области ячейки накопления, не покрытая алюминием и пропускающая фотоны; т -номер строки; ] - номер столбца; Ьг - полупериод косинусоидальной решётки.

с | ( /

= В-\У-Ф (11- вШ

о я

. м ^ • (

Ц + М • — -вт --

' ( Л ( Тг

вш + I) -ят (¿„-VI)

II1-' /V1-/ )))

= (8)

мп|— (2г„ + 1.л-2У1)

•(11

I 1.,

7<»(и)=» 64

Интегрируя выражение (8) по времени, найдём зарядовый пакет, накопленный в ячейке за время Т.

<|+| кг

ДО,, =В \У-Ф0х

. .Т-М.-^^пГ-*'1"

я -V Ь,

Так как кристалл специализированного ФПЗС работает по принципу временной задержки и накопления, то в алгоритме работы ОДС необходимо промоделировать этот принцип. Двигаясь от строки ¡=1 до строки ¡=128 .¡-го столбца, значения зарядовых пакетов накапливаются.

Предлагается следующий метод оценки выполнения условия синхронизации.

Зарядовый пакет, пройдя по матрице ПЗС и попав в выходной регистр, равен:

(9)

1=1

Далее вычисляется разность зарядовых пакетов соседних строк, поступающих в выходной регистр:

13

Г,.!

Просуммировав значения разностей соседних строк, найдём сумму разностей Ш^

R, - R.-i.j+ rij

(10)

зарядовых пакетов

(П)

Путем эмпирических вычислений было показано, что при максимуме суммы разностей Rij будет соблюдено условие синхронизации. Именно в том столбце j, в котором Rij будет максимальным, скорость движения зарядовых пакетов на матрице ПЗС будет равна скорости движения изображения. Местоположение экстремума суммы разностей соответствует положению экстремума ФПМ. Определив номер столбца, в котором выполняется условие синхронизации - вычислим скорость движения изображения:

(1023-7)-^-^«* (12)

511

Программное обеспечение, разработанное на основе уравнений (6)-(13), позволяет промоделировать процессы, происходящие в датчике: процесс накопления, процесс перемещения зарядов по матрице ФПЗС, процесс ВЗН, сдвиг в выходной регистр, считывание результатов, а также определить номер столбца с максимальной ФПМ.

На рис. 2 показаны результаты моделирования при разных скоростях локомотива. Результаты моделирования показали, что для входного гармонического сигнала отличие заданной скорости от измеренной с помощью ОДС, находится в диапазоне +/- 1%.

Ш

I М «• »• Н

fскип* «я

.tewW-Yi^A«

IM »• К* «• «И <i> к

Рис. 2. Результаты моделирования при скоростях 100 и 50 км/ч Третья глава посвящена анализу функции передачи модуляции с учетом конструктивных особенностей кристалла специализированного ФПЗС, а также разработке алгоритма и

программного обеспечения для имитационного моделирования ОДС по полученным тестовым изображениям рельсовой колеи.

На основании проведенных исследований, анализа результатов имитационного моделирования была предложена следующая структура ОДС для железнодорожного транспорта, транспорта в которой отражены основные элементы ОДС (рис. 3).

Направление движения локомотива

Кристалл ФПЗС В311

Оптический блок

11реобраюва1 ель О

--, I Форм и [

АЦП У"!*"1"

ИМПУЛЬС 01

1П Формирователь управляющих импульс он иа ПЛ ИС

БортовоИ компьютер

Рис. 3. Структурная схема оптоэлектронно! о датчика скорости

Движущееся изображение рельсовой колеи проецируется через оптический блок на кристалл специализированного ФПЗС, управление основными сигналами ФПЗС осуществляется с помощью формирователя управляющих импульсов. Далее сигнал с выхода кристалла усиливается и преобразуется в цифровую форму с помощью АЦП. Затем в компьютере происходит вычисление столбца с максимальной ФПМ и скорости движение поезда.

ФПМ является важнейшей характеристикой любой системы передачи оптической информации. Физически она определяется искажениями в канапе информационного обмена между объектом и наблюдателем, вносимыми в передаваемую информацию всеми элементами этого канала: оптическими, фоточувствительными, электронными.

На спад ФПМ влияют следующие параметры:

• коэффициент оптической силы линзы

• функция прозрачности поверхностного слоя ФПЗС

• апертура интегрирующего элемента.

Функция передачи модуляции определяется отношением амплитуд (приведенных к среднему значению) и сдвигом фаз выходного и входного гармонических сигналов основной частоты.

15

ФПМ зависит от ФПМ оптики и ФПМ кристалла. Основное влияние на спад ФПМ оказывает ФПЗС.

//.(*) Цн4к+к,и)) /(АЧЛ-дд) 4,ОУ4.О] лы (13)

где: Нл(К,]) - импульсный отклик линзы, Нп(К) - пространственное распределение зарядов на выходе, обусловленное потерями, Ндиф^) - диффузионное расплывание, Р(]) - Апертура интегрирующего элемента, Ат1(]), Аго(]) - коэффициенты прозрачности поверхностного слоя.

Применительно к специализированному ФПЗС необходимо дополнительно учесть следующие факторы:

• непрерывный характер движения изображения по фокальной плоскости кристалла;

• рассинхронизацию между скоростью движения изображения и средней скоростью сдвига потенциальных ям.

Полученные коэффициенты в ФПМ зависят от номера столбца, но наибольшее влияние будет оказывать рассинхронизация скоростей.

Так как рассинхронизация скоростей в различных столбцах будет различной, то ФПМ также будет зависеть от номера столбца. ФПМ достигает максимума в том столбце, где рассинхронизация минимальна, и АДу (коэффициент отвечающий за рассинхронизацию скоростей) достигает максимума.

Продифференцируем это выражение относительно изменения приращения средней скорости движения зарядовых пакетов и скорости движения изображения, приравняв его к нулю. Согласно условию экстремума функции: функция достигает экстремума, если её дифференциал равен нулю.

Г 2 = 0; 1,ЛУ = ——— = о' у = 1023- —————— 04)

и-^О) 2 J V Ц

В выражении (14) Ьэ(]')^0, Ыс^О, следовательно, Ду=0, а это означает выполнение условия синхронизации. Таким образом, при максимальной функции передачи модуляции в столбце с длиной элемента, равной Ьэ, разность между средней скоростью зарядовых пакетов в матрице СФГ13С и скоростью движения изображения в столбце с индексом ] будет минимальной. Скорость движения зарядовых пакетов будет стремиться к скорости движения изображения с учетом оптических характеристик линзы, и рассинхронизация скоростей будет минимальной.

Задача определения скорости с помощью бесконтактного

оптоэлектронного датчика на метрополитене решается впервые. Практического отечественного опыта решения таких задач не существует. Поэтому для определения ожидаемой точности предлагаемого метода было предложено использовать имитационное моделирование, включающее в себя: математическую модель датчика скорости, а в качестве тестового изображения - реальное изображение рельсовой колеи, которое получено с движущегося поезда.

Экспериментальная съемка изображений рельсового пути Московского метрополитена выполнена в рамках штатной работы путеизмерительной станции.

В ходе эксперимента были получены изображения рельсовой колеи на расстоянии 2 - Зм от локомотива с различных ракурсов. Предложена методика выбора истового изображения. Для получения тестового изображения была проведена съёмка рельсовой колеи на Таганско-Краснопресненской линии Московского метрополитена.

Полнота и качество результатов имитационного моделирования во многом определяется выбором тестовых изображений, которые по своему качеству, уровню освещенности и контрастности должны соответствовать реальным изображениям рельсовой колеи на различных участках метрополитена. В качестве тестовых изображений были выбраны изображения с различными уровнями освещённости: на открытом участке, на станции, при подъезде к станции и на перегоне, а также было сделано «идеальное» с точки зрения распознавания изображение, сочетающее в себя белые и чёрные строки элементов. Несмотря на то, что ОДС размещается под поездом, выбранные тестовые изображения по своим параметрам: уровню освещённости, контрастности соответствуют реальному изображению, которое воспринимает ОДС. Выбранные тестовые изображения, представленные на рис.4, использовались при проведении имитационного моделирования. При моделировании тестовые изображения представляются в виде массива яркостей в различных участках кадра.

Из полученных изображений видно, что на различных участках изображения отличаются: по уровню освещённости, контрастности и по качеству. Причём видно, что на открытом участке изображение характеризуется высоким качеством, хорошей контрастностью, отчётливо видны элементы рельсового полотна: хорошо различимы шпалы, рельсы. На станции освещённость хорошая, отчетливо видны изображения рельсов. Однако, из-за отсутствия шпал, изображение

между рельсами является однородным и неконтрастным. При подъезде к станции изображение не очень высокого качества но, тем не менее, рельсовая колея и шпалы различимы.

Таким образом, полученные изображения рельсовой колеи отличаются друг от друга по определённым параметрам и охватывают все типовые участки метрополитена, а «идеальное» изображение, в котором чередуются белые и чёрные строки - наиболее информативно для распознавания скорости.

Рис. 4. Тестовые изображения рельсовой колеи: а) «идеальное», б) на перегоне, в) при подъезде к станции, г )на открытом участке, д) на станции

Как видно из приведенного выше анализа, полученные изображения перекрывают широкий диапазон условий видимости рельсовой колеи с борта движущегося поезда метро. Поэтому

объективный вывод о возможности применения оптоэлектронного датчика на Московском метрополитене можно сделать при использовании выбранных изображений рельсовой колеи в качестве тестовых изображений.

При разработке имитационной модели учитывалось то, что ячейка накопления зарядов ФПЗС ВЗН представляет собой ромб, а картина изображения - строки прямоугольников. Поэтому для простоты вычислительного процесса ромбы пикселей ФПЗС ВЗН преобразованы в прямоугольники с помощью аппроксимирующих прямых. Представленные ниже выражения (15) - (18) образуют модель аппроксимации элементов ФПЗС ВЗН в прямоугольную форму пикселей.

Математическая модель специализированного ФПЗС ВЗН с трапецеидальной формой пикселей должна содержать уравнения фоточувствительных областей для любого пикселя.

Прямые начала строк пикселей пронумерованы от 1 до N8, где N6 - число строк элементов в матрице ФПЗС ВЗН и прямые столбцов от 1 до ТЧг, где 1Мг - число столбцов в матрице ФПЗС ВЗН. Уравнение нулевой прямой имеет вид:

Уо = аог, гдеао=4У/у/У/2 (15)

Шу и У/г - линейные размеры активной области кристалла по горизонтали и по вертикали, на которую спроецировано изображение. Уравнение для прямой с номером имеет вид:

У, = а,г +Ь,,где "-^м._1|Д/ Ь,= - а, \ Дг "--Л02 ^(16)

Уравнения прямых, ограничивающих алюминиевый экран и определяющих начало фоточувствительных областей пикселей, определяются из условий их параллельности с прямыми линиями

начала следующей ст

роки пикселей:

(16)

Следовательно, каждая строка фоточувствительных областей пикселей ограничена двумя прямыми: первая строка ограничена сверху прямой Уф0 (г), а снизу - У|(г); ¡-ая строка ограничена сверху прямой Уф, . | (г), а снизу - У, (г); строка с номером Ыв ограничена сверху прямой Уфм„.|(г), а снизу - Ум„ {г).

Пиксель с координатами (¡,]) ограничен следующими прямыми:

Слева: У = (¡)ДУ,

Справа: Сверху:

Снизу:

Y = (j+1)AY,

y^)'K.(^j)'

2 W,

■ -1-1

(i-Э

Определив уравнения прямых для пикселей ij элементов матрицы ФПЗС опишем уравнения прямых, образующих фоточувствительную область элементов матрицы. Для этого построим прямую Усер=Ду()+1/2). В местах пересечений этой прямой с границами фоточувствительной области построим прямые перпендикулярные прямой середины столбца на j-ом элементе (рис.5).

Каждый элемент матрицы - прямоугольник, ограниченный слева и справа прямыми j-I и j соответственно, сверху и снизу Zcpi и Zcp i+1. Таким образом, мы получаем матрицу прямоугольных фоточувствительных элементов. Координаты прямых Zcp(ij) кристалла ОДС и координаты ZH3(ij) тестового изображения имеют вид:

, . П. dz = сиз-л-'- Z,„ = 5Z//y • к

511

С учётом модели аппроксимации элеметов ФПЗС разработана методика имитационного моделирования.

ДУм

dV(j+l/2)

tf. 1 2

N■-1

Nu

W7

Матрица июбражепк^

ПШ

T—T

k=l

k=|6Ziu

k-3

Zcp

Рис. 5. Аппроксимация элементов матрицы ФПЗС ВЗН в прямоугольную форму

Методика имитационного моделирования.

Имитационное моделирование включает в себя следующие этапы:

1. Вычисление координат строк и столбцов кристалла по геометрическим размеров ФПЗС;

2. Задание тестового изображения;

3. Считывание значений яркостей тестового изображения из файла;

4. Задание количества шагов движения объекта по тестовому изображению;

5. Задание скорости движения объекта (поезда);

6. Анализ скорости движения поезда и определение частоты сдвига зарядов по кристаллу;

7. Расчет значений зарядов СКу), накопленных в ФПЗС;

8. Моделирование движения специализированного ФПЗС по тестовому изображению со скоростью, равной введенной скорости движения поезда;

9. Формирование в выходном регистре ФПЗС массива значений зарядов СЮ о) - ой строки, прошедших через кристалл датчика, и запоминание значений С2 ¡-ой строки;

10.Формирование в выходном регистре ФПЗС массива значений зарядов 0(1+1 о) - ой строки и запоминание значения ¡+1-ой строки;

11 .Нахождение разности значений двух соседних строк, поступающих от выходного регистра ФПЗС г,} = ¡(2,1 - (31+,

12. Накопление строки разности путем суммирования г, , с ранее накопленной строкой Я,.^: я = Я1 , J + г,);

13.Определение столбца в котором сумма разностей Я^ будет максимальной;

14. Вычисление скорости движения подвижного

г (1023-7) ю-г..

состава 511 г—- , где ГШ11ПЬ| - зависит от конструктивных особенностей объектива.

15.Вывод полученных результатов в графической форме.

Результаты моделирования для различных тестовых

изображений и значений скорости поезда представлены на рис.6.

Рис. 6. Результаты моделирования тестового изображения

рельсовой колеи и картина с выхода ОДС: а) на перегоне, б) при подъезде к станции, в) на станции, г) на открытом участке, д) для «идеального» изображения

На экранной форме - в левом верхнем квадрате показано тестовое изображение, в правом верхнем квадрате показан вид ФПМ, внизу заданные конструктивные особенности кристалла ФПЗС. В правой нижней части экранной формы - заданное значение скорости движения, направление движения, количество строк, по которым производится вычисление скорости. В правом нижнем углу -вычисленное значение скорости, которую можно сравнить с заданной.

Справа от каждой экранной формы показано изображение рельсовой колеи, с выхода ОДС. На рисунке видно, что максимальная четкость изображения приходится на столбец, в котором получен максимум ФПМ. Остальные столбцы картинки в той или иной степени "размыты", имеют плохую резкость изображения.

Из представленных результатов видно, что ОДС точно определил условия синхронизации, правильно нашёл столбец, в котором достигается максимум ФПМ, и рассчитал скорость движения поезда. Проанализировав результаты моделирования можно подытожить, что средняя погрешность вычисления скорости: при подъезде к станции - 1,29%, на станции - 1,11%, в тоннеле - 1,08%, на открытом участке - 0,34%, на "идеальной" тестовой картинке - 0,33%.

Максимальная ошибка вычисления скорости наблюдалась в тоннеле, на станции и при подъезде к станции. Повышенная погрешность обусловлена плохим качеством, расплывчатостью, недостаточной освещенностью изображения. В таких условиях трудно определить разность ФПМ в двух соседних столбцах изображения.

Проведён расчет оценки среднеквадратического отклонения ошибки определения скорости, которое составляет 0,84% от измеряемой величины.

Исходя из особенностей ж.д. транспорта, который заключается в частых ускорениях и торможениях был произведён анализ работы ОДС в динамическом режиме. Для упрощения расчета предположено, что поезд движется равноускоренно / равнозамедленно. Рассчитаем максимальное ускорение, которое не влияет на точность вычисления скорости. Рассмотрим диапазон скоростей от 40 до 80 км/ч. Определение ошибки дискретизации в матрице по скорости в диапазоне от V1 до У2:

д^ = ИиИ = ИгШ. = 2,17 • 10" м/с 09)

п 512

При включении прибора, исходя из конструктивных особенностей кристалла первичное время накопления заряда в

кристалле составляет 87 мс. Последующие строки от кристалла будут поступать со временем равным At.

Д/ = 0087 = ()()0068с 128

Считаем, что для надёжного определения скорости достаточно 128 строк

tK = 87мс, I" - время, необходимое для определения скорости кристаллом.

Определение ускорения, допустимого для данного шага дискретизации.

fk = 2jZ:^= (20) ' 8,7 кг1

Отсюда следует, что ускорения подвижного транспорта менее 0,25 м/с2 не приведут к дополнительным ошибкам т.к. данное ускорение лежит в пределах ошибки дискретизации.

Оценим дополнительную погрешность, связанную с неравномерностью движения. При ускорении равном а2=\ м/с2

точность определения скорости равна = i-8,7io' 0 м.

„„,,„,. 2 2 . с

Средняя погрешность вычисления в процентном отношении составит: /iW^Ofi^S %

13,89

Определение дополнительной погрешности в пути из-за неравномерного движения. Изменение скорости за время такта ВЗН :

v 2 2 с

Время разгона поезда, за которое поезд наберёт скорость от 0 до 60 км/ч (16,7 м/с) при ускорении а равно (22):

t = ^ = ^ = ,6,7 с (22)

а 1

Если максимальная погрешность измерения скорости у будет существовать на всем интервале разгона от 0 до 60 км/ч,

И1Ы 1К«р

то максимальная ошибка измерения расстояния будет равна (23):

S™ = ду •t = 4,35-Ю'2-16,7 = 0,73^ (23)

max hjm скор pair ' 7 '

Даже для путеизмерительной станции метрополитена для фиксации неисправностей очень важна точная привязка к координате рельсовой колеи, достаточно точности в 0,73 м. А для поездов метрополитена, где стоят задачи правильного определения

координаты поезда, соблюдения межпоездного графика движения поездов точность вычисления в 0,73 м является допустимой.

Таким образом, на основании данного анализа можно сделать вывод о возможности использования ОДС в условиях ускоренного / замедленного движения для ускорений, характерных для метрополитена.

Четвертая глава посвящена проектированию и созданию устройства управления ОДС на ПЛИС, разработке и реализации схемотехнического решения ОДС, созданию макета ОДС. Представлены результаты испытаний ОДС на Московском метрополитене.

В качестве ПЛИС была использована модель ХС95108 - 20 РС84 160 I. Был проведен анализ правильности программирования ПЛИС, проверены все необходимые сигналы, снятые с микросхемы ПЛИС, сделаны осциллограммы. Анализ полученных результатов показал, что сигналы, снятые с ПЛИС ХНшх по амплитуде и длительности совпадают с сигналами, обозначенными во временной диаграмме.

В рамках диссертации разработана и реализована принципиальная схема макета ОДС.

Испытания ОДС проходили на открытой территории депо Планерная Московского метрополитена на базе путеизмерительной станции. К путеизмерительной станции была прикреплена поперечная балка, к ней установлен ОДС таким образом, чтобы объектив кристалла специализированного ФПЗС был направлен на железнодорожный путь. Были измерены все режимы реального движения путеизмерительной станции: ускорение, движение без набора скорости торможение, резкое торможение, остановка. Параллельно с ОДС работал основной скоростемер путеизмерительной станции. Скорость состава менялась в диапазоне от 0 до 12 км/ч. Во всех этих режимах проводилось измерение скорости движения макетом ОДС и электромеханическим датчиком (по путеизмерительной ленте). Разность в вычислениях между скоростью штатного скоростемера и ОДС лежит в пределах 7%, что является допустимым, учитывая паспортные характеристики штатного скоростемера ± 5 км/ч. А на скоростях от 0 до 12 км/ч погрешность измерения штатным скоростемером может составлять более 50% Поэтому оценить точность ОДС в процессе натурных испытаний, основываясь на результатах измерения скорости штатным

измерителем, не представляется возможным.

Заключение

В ходе выполнения диссертационного исследования проведён

цикл теоретических и экспериментальных работ, получены

следующие основные результаты:

1. На основе анализа существующих датчиков скорости, используемых на железнодорожном транспорте обосновано использования оптоэлектронного способа измерения скорости, базирующегося на двумерной обработке неоднородных движущихся изображений рельсовой колеи с помощью специализированного ФПЗС с ВЗН.

2. Теоретически обоснована возможность использования специализированного фоточувствительного прибора с зарядовой связью с временной задержкой и накоплением для измерения скорости на железнодорожном транспорте и метрополитене для неравномерного движения подвижного состава.

3. Разработана математическая модель ОДС, предназначенная для отработки алгоритмов работы датчика при входном гармоническом сигнале, имитирующем реальное изображение железнодорожной колеи.

4. Показано, что применение аппарата функции передачи модуляции, связанного с поиском столбца ФПЗС с минимальной рассинхронизацией скоростей, обеспечивает надежное высокоточное определения скорости для различных видов изображения рельсовой колеи.

5. Разработана имитационная модель, учитывающая реальные входные тестовые изображения рельсовой колеи в различных условиях освещённости

6. Проведён анализ результатов имитационного моделирования, который подтвердил, ожидаемые высокие точностные характеристики ОДС. Показано, что оценка среднеквадратического отклонения ошибки определения скорости составляет 0,84% от измеряемой величины. Результаты имитационного моделирования показали, что по сравнению с наиболее часто используемого на транспорте электромеханического датчика скорости, ОДС обеспечивает приблизительно в 3-5 раз более высокие точностиые характеристики.

7. Разработаны принципиальная схема бесконтактного оптоэлектронного датчика скорости на ФПЗС и аппаратно-

программные средства ОДС, включающие в себя систему управления кристалла, устройство преобразования выходного сигнала в цифровую форму для ввода в компьютер, конструкцию и макет ОДС.

8. Впервые разработан оптоэлектронный датчик скорости для метрополитена. Макет ОДС входит в опытный образец единой системы контроля и измерения рельсовой колеи (ЕКСИР).

Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бучирин В.Г., Файнберг М.Е. Математическое моделирование фотонного датчика скорости на приборах с зарядовой связью // Сборник научных трудов, конференция «Неделя науки 1998».-С. 36-37.

2. Fainberg М.Е., Buchirin V.G., Potapova N.M. Noncontact CCD Velocity sensor for locomotives//SPIE Vol. 3901/10-14 March 1999.

- P. 56-64.

3. Файнберг М.Е. Разработка схемы управления фотонным датчиком скорости для локомотива // Сборник тезисов, докладов, конференция «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых учёных в их решении». - РГУПС, 2000.

- С. 21.

4. Fainberg М.Е., Kabov S.F., Larionov S.V., Shilin V.A., Utenkov A.A. Rail track image analysis for development of CCD velocity sensor // International conference «Laser's 2000». - P. 182-185.

5. Файнберг М.Е. Устройство управления на ПЛИС для фотонного датчика скорости // Сборник научных трудов, конференция «Молодежь и наука». - М.: МИФИ. - 2001. - С. 41-42.

6. Fainberg М.Е. Railway track test images processing for calibration of the photonic velocity sensor // SPIE, 2002. - V. 4761. - P. 40-47.

7. Fainberg M.E., Kabov S.F., Utenkov A.A. Photonic velocity sensor based on CCD // SPIE, 2002. - V. 4761. - P. 82-89.

8. Файнберг М.Е. Разработка однокристального устройства управления фотонного датчика скорости // Сборник научных трудов, 14 конференция МТК Лазеры в науке, техники и медицине. - 2003. - С. 160-162.

9. Fainberg М.Е., Skrylev P.A. Non-contact Velocity sensor Simulator // International conference Smart Imagers and their Application Proceeding SPIE, 2004. -V. 5944. - P. 210 - 213.

»2163

РНБ Русский фонд

2006-4 22740

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И АППАРАТУРЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ.

1.1. Методы измерения скорости.

1.2. Датчики скорости для железнодорожного транспорта.

1.3. Постановка задачи.

1.4. Выводы.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО СПОСОБА ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ.

2.1. Обоснование способа. Выбор и описание элементной базы.

2.2. Математическая модель ФПЗС для измерения скорости.

2.3. Анализ результатов моделирования ОДС.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДАТЧИКА СКОРОСТИ.

3.1. Теория функции передачи модуляции.

3.2. Функция передачи модуляции для оптико-электронного датчика скорости.

3.3. Имитационная модель процесса определения скорости.

3.4. Результаты имитационного моделирования.

3.4. Анализ работоспособности ОДС в динамическом режиме.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА И КОНСТРУКЦИИ ОДС.

4.1. Синтез устройства управления ОДС на ПЛИС.

4.2. Устройство предварительной обработки выходных сигналов и ввода данных в бортовой компьютер.

4.3. Разработка конструкции и макета ОДС.

4.4. Испытания макета ОДС на московском метрополитене.

4.5. Выводы.

Важнейшей характеристикой любого средства транспорта, в том числе и железнодорожного подвижного состава, является его скорость. Знание скорости транспортного средства во многом определяет точность соблюдения графика и безопасность движения поездов; позволяет с высокой точностью определять координаты подвижного состава на рельсовом пути в любой момент времени. Высокоточное измерение скорости подвижного состава является важной задачей для Московского метрополитена. В настоящее время на рельсовом транспорте для определения скорости движения применяются путевые датчики и электромеханические датчики, работа которых основана на подсчете числа поворотов колеса. Погрешность измерения электромеханических датчиков составляет около 5 км/ч. Эта погрешность, обусловленная проскальзыванием колес и их износом, является весьма значительной величиной для современного и перспективного наземного рельсового транспорта, поездов и путеизмерительной станции метрополитена.

Для путеизмерительной станции Московского метрополитена разработка автономного датчика скорости является актуальной задачей. Измеряемые параметры рельсовой колеи (ширина, уровень, просадки, боковой износ головок левого и правого рельсов, положение контактного рельса и т.д.) должны быть привязаны к координатам пути. Графики этих параметров на лентах путеизмерителя используются для выявления зон, имеющих отступления от норм содержания железнодорожного пути метрополитена, для оценок этих отступлений, для планирования работ по определению очередности их устранения. Совокупность измеряемых параметров позволяет установить оценки отступлений по баллам, оценить состояние рельсовой колеи и определить необходимость ремонта или замены рельсов. Определить координаты и длины рельсовой колеи, нуждающейся в ремонте, можно с помощью высокоточного измерения скорости.

Необходимо отметить, что высокоточные бесконтактные датчики скорости имеют большое значение и для других видов транспорта, например, воздушного. Исследования российских ученых в области средств навигации аэрокосмических систем позволили предложить новый принцип измерения скорости, основанный на обработке (двумерной фильтрации) движущегося изображения ландшафта, расположенного под летательным аппаратом [1]

Для этого на борту летательного аппарата должно быть установлено специальное фотоприемное устройство, которое не только воспринимает изображение ландшафта с борта летательного аппарата, но и обрабатывает его с помощью фоточувствительной интегральной схемы на приборе с зарядовой связью (ПЗС), работающей в режиме временной задержки и накопления (ВЗН). Фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ФПЗС) с ВЗН имеет специальную трапецеидальную топологию пикселов. Направление движения проекции изображения ландшафта должно совпадать с направлением перемещения потенциальных ям в ФПЗС ВЗН. Допустимый диапазон измеряемых скоростей определяется параметрами проецирующей оптической системы и может варьироваться в значительных пределах.

Данная микросхема защищена российским патентом. На российских предприятиях НИИМП и НИИ "Пульсар" были изготовлены опытные образцы этих микросхем. К сожалению, фотоприемное устройство для измерения скорости не было реализовано.

Повышенная точность определения скорости движения и координат пути особенно важны для путеизмерительной станции. В рамках диссертации создан макет оптико-электронного датчика скорости (ОДС) для путеизмерительной станции, позволяющий продемонстрировать его точностные и эксплутационные возможности.

Рассмотрено современное состояние в области используемых на метропоездах контактных электромеханических датчиков скорости, работа которых основана на подсчете числа поворотов колеса за заданное время.

Определены их ограничения по точности измерения. Выполнен анализ мирового уровня в области бесконтактных датчиков скорости, показана целесообразность создания ОДС и его применения в сочетании с электромеханическим датчиком для повышения точности измерения скорости.

Для проведения имитационного моделирования получены реальные изображения рельсовой колеи на различных участках Московского метрополитена. Выбирались участки, имеющие разную освещенность: туннели, подъезды к станции, открытые пути. Полученные изображения были преобразованы в цифровую форму и введены в компьютер для последующего имитационного моделирования работы ОДС. Показано, что для работы в реальных условиях ОДС должен быть оснащен излучателем ИК подсветки и фильтром. Включение этих устройств в состав ОДС обеспечивает повышение контрастности изображений в туннелях и устраняет избыточную освещенность на станциях и на открытых участках пути (особенно в солнечную и снежную погоду).

Разработана математическая модель специализированного ФПЗС ВЗН и программное обеспечение для имитационного моделирования работы ОДС при воздействии движущегося изображения, описываемого гармонической функцией, имитирующей изображение железнодорожной колеи. Показано, что максимальная модуляция выходного сигнала ФПЗС ВЗН происходит в том столбце фотоприемника, в котором скорость движения проекции изображения на кристалле равна средней скорости перемещения потенциальных ям.

Разработана математическая модель специализированного ФПЗС ВЗН и программное обеспечение для имитационного моделирования работы ОДС при воздействии движущегося тестового изображения рельсового полотна. Показано, что заданная скорость движения подвижного состава определяется путем вычисления максимума функции передачи модуляции, по данным, поступающим от специализированного ФПЗС ВЗН. Наибольшая точность вычисления наблюдается на участках с хорошим уровнем освещенности, где изображения наиболее контрастные и чёткие. Это наблюдается на открытых участках. Уменьшение точности вычисления будет происходить на менее освещенных участках: на станции, при подъезде к станции, на перегоне. Точность измерения скорости прямо пропорциональна уровню освещённости.

Предложена структурная схема ОДС, содержащая фотоприемный блок, устройство управления и персональный компьютер. Обоснована современная элементная база для реализации ОДС, включающая в себя специализированный ФПЗС ВЗН, программируемую логическую матрицу и персональный компьютер.

Разработаны схема управления ОДС, реализованная на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), схема предварительной обработки выходного сигнала, конструкция и макет ОДС.

На основе разработанной принципиальной схемы ОДС создан макет, который в 2004 года прошёл испытания на путеизмерительной станции в Московском метрополитене.

Основные положения диссертации заключаются в следующем. Научная новизна:

1.Для железнодорожного транспорта и метрополитена в условиях различной освещенности рельсовой колеи, неравномерного движения подвижного состава теоретически показана возможность высокоточного определения скорости бесконтактным оптоэлектронным датчиком, построенным на базе кристалла специализированного ФПЗС.

2. Разработана методика расчета накопления зарядовых пакетов в ФПЗС с трапециидальной формой пикселей с учетом неравномерности движения.

3. Впервые разработана имитационная модель ОДС, позволяющая на основе изображений, поступающих на вход датчика как в виде гармонической функции с задаваемыми параметрами, так и в виде реальных (тестовых) изображений рельсовой колеи вычислять скорость движения подвижного состава.

Практическая ценность работы

1. Разработан новый метод определения скорости на железнодорожном транспорте и метрополитене с помощью бесконтактного оптоэлектронного датчика скорости.

2. Выполнен цикл практических работ: разработано схемотехническое решение схема ОДС, спроектирована схема управления кристалла специализированного ФПЗС ВЗН, которая реализована на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС).

3. Проведен цикл исследований ОДС в статическом и динамическом режимах. Использование имитационного моделирования подтвердило целесообразность и перспективность бесконтактного оптоэлектронного датчика измерения скорости.

4. Показано, что использование ОДС позволит уменьшить погрешность вычисления скорости до уровня 1,5%.

5. Разработан действующий макет ОДС. В дальнейшем, на основании опыта создания данного макета может быть разработан проект системы на кристалле.

Реализация результатов работы

Для определения основных параметров работы ОДС с учетом различных Алгоритмы работы ОДС доведены до программного обеспечения. Схемотехническое решение доведено до макета. Макет ОДС прошёл испытания на путеизмерительной станции в депо "Планерная" Московского метрополитена в 2004г. Апробация работы

Основные результаты работы доложены на следующих конференциях: "Неделя науки 1998", г. Москва, МИИТ, 1998г; международная конференция "Фотоника для транспорта", г. Прага, 1999г.; конференция молодых специалистов, г. Ростов - на - Дону, РГУПС, 2000г.; международная конференция «Лазеры», г.Сочи, 2000г.; научная сессия МИФИ -2001, г. Москва,

МИФИ, 2001г.; международная конференция "Фотоника для транспорта", г.Сочи 2002г.; международная конференция «Лазеры», г.Сочи, 2003г; школа молодых учёных - 2004, Софрино, Московская область, 2004г.

Результаты диссертации вошли в 2 научно-технических отчёта по грантам Правительства Москвы за 2000 и 2002 годы. Основные результаты диссертации были представлены на конкурс Молодых учёных города Москвы и удостоены премии Правительства г. Москвы за 2003г. На защиту выносятся следующие результаты

1. Математическая модель и алгоритмы ОДС, отражающие двумерную обработку неоднородных движущихся изображений в специализированном ФПЗС с учетом неравномерного движения.

2. Имитационная модель, позволяющая адекватно описать работу ОДС и теоретически оценить работоспособность и точность датчика с учетом различных искажений, условий освещённости и видов подстилающей поверхности, типичных для железнодорожного транспорта и метрополитена.

3. Макет ОДС, прошедший испытания на Московском метрополитене. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Диссертация изложена на 122 страницах, включая 122 страницы машинописного текста, 6 таблиц, 100 рисунков, список литературы из 71 наименования.

4.5. Выводы.

• Выполнен цикл практических работ: разработано схемотехническое решение ОДС. Спроектирована схема управления кристалла специализированного ФПЗС ВЗН, которая реализована на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), устройство преобразования выходного сигнала в цифровую форму для ввода в компьютер, конструкцию и макет ОДС.

• Впервые разработан оптоэлектронный датчик скорости для метрополитена. Макет ОДС входит в опытный образец единой системы контроля и измерения рельсовой колеи (ЕКСИР).

• Получены результаты измерения скорости ОДС в реальных условиях эксплуатации датчика.

• Показано, что результаты измерения скорости ОДС отличаются от измерений, производимых штатным скоростемером. Отличия в значениях скорости на различных участках достигали 7%.

Заключение.

В рамках диссертации было сделано следующее.

1. На основе анализа существующих датчиков скорости, используемых на железнодорожном транспорте обосновано использования оптоэлектронного способа измерения скорости базирующегося на двумерной обработки неоднородных движущихся изображений рельсовой колеи с помощью специализированного ФПЗС с ВЗН.

2. Теоретически обоснована возможность использования специализированного фоточувствительного прибора с зарядовой связью с временной задержкой и накоплением для измерения скорости на железнодорожном транспорте и метрополитене с учетом неравномерного движения подвижного состава.

3. Разработана математическая модель ОДС, предназначенная для выбора и отработки алгоритмов работы датчика при входном гармоническом сигнале, имитирующем реальное изображение железнодорожной колеи.

4. Показано, что применение аппарата функции передачи модуляции, связанного с поиском столбца ФПЗС с минимальной рассинхронизацией скоростей, обеспечивает высокоточное определения скорости для различных видов изображения рельсовой колеи.

5. Разработана имитационная модель, учитывающая реальные входные тестовые изображения рельсовой колеи в различных условиях освещённости и искажения, вносимые элементами оптической системы ОДС.

6. Проведён анализ результатов имитационного моделирования, который подтвердил, ожидаемы высокие точностные характеристики ОДС. Показано, что оценка среднеквадратического отклонения ошибки определения скорости составляет 0,84% от измеряемой величины. Результаты имитационного моделирования показали, что по сравнению с наиболее часто используемого на транспорте электромеханического датчика скорости, ОДС обеспечивает приблизительно в 3-5 раз более высокие точностные характеристики.

Разработаны принципиальная схема бесконтактного оптоэлектронного датчика скорости на ПЗС и аппаратно-программные средства ОДС, включающие в себя систему управления кристалла, устройство преобразования выходного сигнала в цифровую форму для ввода в компьютер, конструкцию и макет ОДС.

Впервые разработан оптоэлектронный датчик скорости для метрополитена. Макет ОДС входит в опытный образец единой системы контроля и измерения рельсовой колеи (ЕКСИР). у

1. С.В.Ларионов, А.И.Бакланов, Н.И.Фрост, А.С.Скрылев. Оптико-электронные датчики вектора скорости движения изображения на основе ПЗС.//"Приборостроение", декабрь 1993 г.

2. Баранов Л.А., Головичер Я.М., Ерофеев Е.В., Максимов В.М. Микропроцессорные системы автоведения электроподвижного состава / Под ред. Л.А. Баранова. М.: Транспорт, 1990. - 272 с.

3. Шишляков А.В, Скороходов В.И. Частотный метод измерения скорости движения поездов// Вестник ВНИИЖТ.-1966. N7. - С. 51-54

4. Куренков Н.И. Осевой измеритель скорости и пути подвижного состава ж.д. транспорта/ Тр. ин-тов инж. ж.-д. трансп.: МНИТ.- М.: 1978.- Вып. 612.С -.47-51

5. Зимарьков Б.Д. Устройство для измерения пути, пройденного локомотивом/Труды ВНИИЖТ. Л.: 1970. - вып. зад. - с. 23-29.

6. Лисенков В.М., Кострома Т.В., Фёдоров Н.Е. Принципы построения системы интегрального регулирования движения соединенных поездов/ Тр. ин-тов инж. ж.-д. трансп.: МИИТ.-М.\:1978.-вып. 612.-е. 68-75.

7. Рогонов Ю.С., Шалягин Д.В. Координатная рельсовая цепь/ Тр. ин-тов инж. ж.-д. трансп.: МИИТ.-МЛ: 1981.-вып. 612.-е. 101-104.

8. Григорин-Рябов В.В., Вериго A.M., Шелухин О.И., Шелухин В.И. Радиотехнические железнодорожные устройства. М.:Транспорт, 1986. 161с.

9. Шелухин В.И., Малышев И.Н., Симонян К.Р. Автоматизация технологических процессов роспуска составов на сортировочных горках: Учеб. Пособие. 4.1. М.: МИИТ, 1994.- 64 с

10. Ю.Баранов Л.А. Квантование по уровню и временная дискретизация в цифровых системах управления. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 304 е.: ил.

11. П.Баклановым А.И., Ларионовым С.В., Карасевым В.И. и др. Авторское свидетельство N304847 от 01.12.89г.

12. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз, 2000.

13. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. М.: КНИЦ ВКС, 1995.

14. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. —М.: 1995.

15. Волков Н.М., Иванов Н.Е., Салищев В.А., Тюбалин В.В. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. «Успехи современной радиоэлектроники» №1. 1997 г.

16. Брылеев АлМ., Кравцов Ю.А., Лодыгин Г.С. Система автоматического регулирования движения скорости движения поездов на метрополитене. Методическое указание к курсовому и дипломному проектированию. Часть II поездные устройства.

17. Правило заводского ремонта и электропоездов и электросекций. М.: Транспорт, 1971.-267 с.

18. Глушков М.Г., Краснобаев Н.И., Таран Н.В., Шредер И.Б., Лиепа М.А., Эйдлин Ю.А. О боксовании электровозов ЭР2И с импульсным регулированием. // Электрическая и тепловозная тяга. 1977.№ 7 - С. 25-27.

19. Егоров В.И., Росланс B.C. Дискретное устройство для обнаружения юза и боксовании колёсных пар. // Электрическая и тепловозная тяга. 1972. - №6. - С. 37 - 38.

20. Усов В.А., Головин В.И., Красноселов И.Г. Анализ способов измерения координат движения поезда при боксовании колёсных пар локомотива. / Труды УрЭМИИТ. Свердловск: 1980. Вып. 61. - С. 83-91.

21. Ликратев Ю.Н. Усовершенствование всех противобуксовочных устройств. // Электрическая и тепловозная тяга. 1977. - №4. ~ С. 46-47.

22. Исаев И.П. Случайные факторы и коэффициент сцепления. М.: Транспорт, 1970,- 184 с.

23. Савушкин А.К. Компенсация ошибок, вызванных буксованием. / Труды МИИТ. М.: Транспорт, 1966 Вып. 233. - С. 41-49.

24. Юбель X., Драгер У. Измерение скорости и пройденного пути локомотивном прибором системы LZB. // Железные дороги мира. 1984. - №3. - С. 41-44.

25. Лызлов С.С. Методы ввода и обработки информации о параметрах движения в микропроцессорных системах автоведения поездов метрополитена. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 1987 г.

26. Ваванов Ю.В., А.В. Елизаренко, В.А. Танцюра и др. Радиотехнические системы железнодорожного транспорта. М.: Транспорт, 1991. 303 с.27.1Нелухин В.И. Датчики измерения и контроля устройств железнодорожного транспорта. М.: Транспорт, 1990. 119 с.

27. Липкин И.А. Спутниковые навигационные системы. М.: Вузовская книга, 2001.

28. Бузюк М.А. Проект системы контроля и управления движением поездов на сети железнодорожной компании Burlington Northern (США)./ ВИНИТИ. Организация перевозок. Автоматизированные системы управления транспортом.: М 1986. №2 с. 12-15.

29. Журнал «Железные дороги мира», № 9 2001.

30. Приборы с зарядовой связью: Пер. с англ. Под ред. Барба Д.Ф. М.: Мир, 1982. 240 с.

31. Стенин В.Я. Применение микросхем с зарядовой связью. М.: Радио и связь, 1991.-256 с.

32. Электронные информационные устройства железнодорожной автоматики. //Сборник научных трудов под ред. А.В. Шилейко, М.:МИИТ, 1995. вып. 886 - 155 с.

33. Baklanov АЛ.,. Karasev V.I,. Larionov S.V, Shilin V.A. A new type device on CCD for measuring velocity of railtransport, SPIE Vol. 3901.

34. Бучирин В.Г., Файнберг М.Е. Математическое моделирование фотонного датчика скорости на приборах с зарядовой связью. "Неделя науки 1998".

35. E.E.Bokareva, A.S.Skrylev "Time delay and integration charge-coupled devices for ecological monitoring systems" /Proceedings of SPIEE/ The Conference on Photonic System for Ecological Monitoring/ 8-12 December 1996, Prague, Vol.3200 pp.196-200.

36. Sequin C.H. IEEE Trans. Electron Devices, 1973, v.ED-20, № 3, p. 244.

37. С.В.Ларионов, А.И.Бакланов, Н.И.Фрост, А.С.Скрылев. Оптико-электронные датчики вектора скорости движения изображения на основе ПЗС.//''Приборостроение", декабрь 1993 г.

38. А.И.Бакланов, С.В.Ларионов, А.С.Скрылев, Н.И.Фрост, А.И.Хатунцев. Датчик скорости и направления движения изображения. //Электронная промышленность, N6-7. 1993 г.

39. A.I.Khatountsev, N.S.Mostovljansky, V.N.Kroutilin, N.I.Frost. Measurement of functional parameters for sensors of velocity and direction of a moving image. //SPIE Vol. 2790/III.

40. Кузнецов Ю.А., Шилин В.А. Микросхемотехника БИС на приборах с зарядовой связью. М. Радио и связь, 1988. - 160 е., ил.

41. Приборы с зарядовой связью/Под ред. М.Хоувза, Д. Моргана; Пер. с англ. Под ред. Ф.П. Пресса. М.: Энергоиздат, 1981, - 372 с.

42. Скрылев А.С. Приборы с зарядовой связью для обработки аналоговых сигналов // Обзоры по электронной технике. Сер Полупроводниковые приборы. -1983. -Вып. 9(995). С. 3-56.

43. Котов Б.А., Черевань О.А. Возможность исследования синусоидальных сигналов для управления приборами с зарядовой связью// Техника средств связи, сер. Техника телевидения, 1985. вып. 2. - С. 33.

44. Файнберг М.Е. Разработка схемы управления фотонным датчиком скорости для локомотива. // Конференция молодых специалистов, тезисы доклада. РГУПС, 2000.

45. Fainberg М.Е., Buchirin V.G., Potapova N.M. Noncontact CCD Velocity sensor for locomotives.// SPIE Vol. 3901/10-14 March 1999. pp 56-64.

46. Файнберг М.Е. Бесконтактный датчик скорости на ФПЗС для локомотива. Дипломное проектирование, М.:МИИТ 1998 130 - с.

47. Fainberg М.Е., Kabov S.F., Utenkov A.A. Photonic velocity sensor based on CCD.//SPIE Vol. 4761 2002.

48. Носов Ю.Р., Шилин В.А. Основы физики приборов с зарядовой связью. М.: Наука. Гл. ред. Физ. - мат. Лит., 1986. - (Физика полупроводников и полупроводниковых приборов). - 320 с.

49. Fainberg М.Е., Kabov S.F., Larionov S.V., Shilin V.A., Utenkov A.A. Rail, track image analysis for development of CCD velocity sensor. // International conference "Laser's 2000".

50. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. В двух книгах. Книга 1. Пер. с англ. Под ред. Д. С. Лебедева. М.:Мир, 1982. С. 790.

51. Уайт М.Г. Конструирование твердотельных приёмников изображения. В кн.: Полупроводниковые формирователи сигналов изображения. Под ред. П. Йеснера, Ф. Ван де Вилле, М. Уайта. Пер. с англ. Под ред. Р.А. Суриса М.: Мир, 1979, с. 337.

52. Fainberg М.Е. Railway track test images processing for calibration of the photonic velocity sensor. .// SPIE Vol. 4761 2002.

53. XILINX XC95108 In-System Programmable CPLD, Product Specification, Ver. 3.1998.

54. Fainberg M.E., Skrylev P.A. Non-contact Velocity sensor Simulator.// International conference Smart Imagers and their Application Proceeding SPIE, Vol. 5944 2004.

55. Мнацаканов В. Л. Предельные возможности метрополитена как транспортной системы. М., «Метро и тоннели» № 3, 2002 г.

56. Гаврилов Я.И., Мнацаканов В.А. Вагоны метрополитена с импульсными преобразователями. М., Транспорт, 1986, 230с.

57. Вицын Н. Современные тенденции развития систем автоматизированного проектирования в области электроники. // Chip News, №1, 1997, с.12-15.

58. Стешенко В. Б. Школа разработки аппаратуры цифровой обработки сигналов на ПЛИС. Программное обеспечение проектирования на ПЛИС фирмы Xilinx.//Chip News, №1, 1999

59. Xilinx Inc., home page http://www.xilinx.com

60. Файнберг M.E. Устройство управления на ПЛИС для фотонного датчика скорости. //Научная конференция в МИФИ, 2001.

61. М. Гук. Аппаратные средства IBM PC. С-Пб.: Питер, 1999. с . 631- 658.

62. Файнберг М.Е. Сборник научных трудов конференции 14 МТК Лазеры в науке, техники и медицине 2003. стр. 160-162.

63. Analog Devices, home page http://www.analog.com

64. Analog Devices Quad SPDT Switch ADG 333A. Datasheet.

65. Analog Devices Low Voltage SPST Switches ADG 701. Datasheet.

66. Analog Devices Precision 5V Quad SPST Switches ADG 663. Datasheet.

67. Analog Devices Precision Video OP Amp ADG 828. Datasheet.

68. Analog Devices CMOS A/D Converter AD 9200. Datasheet.

69. Кабардин О.Ф. Физика: Справ, материалы: Учеб. Пособие для учащихся. -2-е изд., перераб. И доп. М.: Просвещение, 1988. - 367 е.: ил.