автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование и разработка стереоскопической оптико-электронной системы контроля пространственного положения железнодорожного пути

САЖТ-Г1ЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи УДК 681.786.4

АРАКАНЦЕВ Константин Геннадьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Специальность: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2011 г.

1 А АПР 2011

4843943

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Коняхин Игорь Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Латыев Святослав Михайлович

кандидат технических наук Нужин Андрей Владимирович

Ведущая организация

ОАО «ЛОМО»

Защита диссертации состоится " /_2011 г. з 15 ч. 30 мин.

на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 при Санкт-Петербургском Государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, 14., ауд. 313-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПб ГУ ИТМО.

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять в адрес университета: 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, секретарю диссертационного совета Д 212.227.01.

Автореферат разослан "11" марта 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01 кандидат технических наук, доцент

В.М. Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Одним из направлений развития измерительной техники является внедрение автоматизированных средств, обеспечивающих контроль взаимного положения объектов в реальном масштабе времени с оперативной обработкой информации вычислительными средствами. Это позволяет обеспечить повышение производительности оборудования, снизить затраты на подготовительные операции, сэкономить ресурсы и повысить объективность контроля при сокращении доли ручного труда.

В настоящее время, согласно действующим указаниям МПС России № А-224У и № С-493У, с целью повышения безопасности и комфортабельности движения поездов на высокоскоростных железнодорожных магистралях (Москва - Санкт-Петербург и др.) ведутся работы по подготовке инфраструктуры европейского типа, включающей в себя специальную систему реперов с известными координатами в плане и по высоте. Контроль пространственного положения железнодорожного пути относительно реперов повышает эффективность мониторинга его технического состояния и позволяет с требуемой точностью производить постановку пути в проектное положение.

Практически требуется контролировать пространственное положение реперов в системе координат, связанной с осью железнодорожного пути. Диапазоны измерений в плоскости, перпендикулярной оси железнодорожного пути, составляют: 300 мм в продольном профиле (смещения по вертикали); 2000...7000 мм в плане (горизонтальное смещение по дистанции). Погрешность измерения в продольном профиле не должна превышать 1 мм, в плане - 2 мм.

В настоящее время для контроля указанных параметров используются автоматизированные путеизмерительные тележки (АПТ), оснащенные электронным тахеометром, либо ОРБ-приемником. АПТ первого типа обеспечивают необходимую точность измерений, однако имеют ряд суще-

стиенных недостатков: невысокую производительность измерений, ограничивающую скорость движения измерительной базы (3,5 км/ч при требуемой - 10 км/ч), сложную структуру, высокую стоимость, большие габариты, низкую степень автоматизации измерений. Также, вследствие того, что измерения выполняются в ненагруженном состоянии железнодорожного пути, необходим последующий пересчет результатов к условиям рабочей нагрузки.

Таким образом, необходима реализация измерительных систем, которые наряду с необходимой точностью и диапазоном обеспечивают при рабочей нагрузке на путь автоматизацию многокоординатных измерений на скоростях до 10 км/ч и отвечают требованиям малой энергоемкости, автономности и относительно небольшой стоимости системы в целом.

Развитие оптоэлектронной элементной базы делает перспективным для выполнения указанных требований применение оптико-электронных систем (ОЭС) геометрического типа, реализующих триангуляционный метод измерений (стереоскопическая схема) и позволяющих при относительно простой структуре и невысокой чувствительности к влиянию факторов внешней среды (по сравнению с интерференционными и светолока-ционными системами) обеспечить требуемые точность и диапазон измерений. Такие ОЭС включают связанный с репером контрольный элемент (КЭ), положение которого определяется приемным блоком, расположенным на путевой машине.

Указанные обстоятельства определяют актуальность выбора в качестве объекта исследования стереоскопической оптико-элекгронной системы (СОЭС) контроля пространственного положения железнодорожного пут, а в качестве предмета исследования - особенностей алгоритмов функционирования СОЭС указанного типа, соотношений между параметрами элементов структурной схемы и метрологическими характеристиками системы, структуры составляющих погрешности измерения, их взаимосвязи и влияния на суммарную погрешность измерения.

Цель работы

Целью диссертационной работы является исследование и разработка принципов композиции, методов расчёта параметров и характеристик СОЭС контроля положения объекта по реперной сети, а также разработка, практическая реализация и экспериментальное исследование СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели следует решить ряд задач:

1. Проанализировать структуру и основные параметры современных средств контроля пространственного положения железнодорожного пути и определить направление дальнейших исследований.

2. Разработать принципы композиции, структуру и методику расчета параметров СОЭС контроля пространственного положения объекта по реперной сети.

3. Разработать компьютерную модель для исследования СОЭС на системотехническом уровне, на основе которой выполнить экспериментальные исследования соотношений между параметрами элементов и метрологическими параметрами СОЭС (диапазон измерений, точность, рабочая дистанция), а также оценить влияние на суммарную погрешность основных составляющих погрешности измерения.

4. Используя полученные соотношения, спроектировать и реализовать макет СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути и выполнить его экспериментальные исследования.

5. На основе результатов исследования компьютерной модели и экспериментальных исследований макета спроектировать и реализовать опытный образец СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути, провести его стендовые и эксплуатационные испытания.

Методы исследования

В теоретической области применяются соотношения геометрической

оптики, векторно-матричный метод расчёта и разработанные на их основе методики исследования соотношений между параметрами измерительной системы. В экспериментальной области при исследовании соотношений между параметрами СОЭС и анализе методов обработки измерительной информации используются реализованные на основе компьютерных технологий МаЛСАО и МАТЪАВ имитационные модели функциональных элементов СОЭС. Практическая проверка полученных соотношений реализована посредством экспериментального исследования макета СОЭС, моделирующего основные узлы и алгоритмы функционирования системы, а также стендовых и эксплуатационных испытаний опытного образца СОЭС.

Научная новизна работы

Разработаны принципы композиции СОЭС, соотношения между параметрами функциональных элементов и алгоритмы измерения, позволяющие обеспечить требуемые по условиям практической задачи метрологические параметры (рабочая дистанция, многокоординатность, точность).

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Общие принципы композиции и структура ОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути по реперной сети, в соответствии с которыми ОЭС представляет собой измерительную систему геометрического типа, построенную по схеме двухканалыюго (стереоскопического) измерителя координат с активными контрольными элементами.

2. Принципы композиции СОЭС, в соответствии с которыми при малой по сравнению с измеряемой дистанцией величине межосевой базы (соотношение, тихшчное для метрологической задачи контроля положения железнодорожного пути по реперной сети) предпочтительной по критерию обеспечения диапазона и дистанции измерения является композиция системы с параллельными оптическими осями измерительных каналов приемного блока.

-73. Алгоритм обработки измерительной информации для стереоскопических и гиперстереоскопических оптико-электронных систем, позволяющий определять координаты объекта как решение переопределенной системы линейных уравнений по методу наименьших квадратов.

4. Принципы построения детерминированной модели СОЭС с приведением первичных погрешностей параметров системы к плоскостям анализа изображений, позволяющей выполнить теоретическое исследование составляющих суммарной погрешности измерения.

5. Принципы построения имитационной компьютерной модели СОЭС с использованием теории возмущений линейных операторов, позволяющей выполнить численный анализ систематических погрешностей СОЭС произвольной пространственной конфигурации и оценить потенциальную точность измерения положения объекта.

6. Результаты экспериментальных исследований макета, а также стендовых и эксплуатационных испытаний опытного образца СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути, позволившие уточнить состав сильно влияющих погрешностей измерения.

Практическая ценность работы

¡.Получены методики расчета параметров и анализа погрешностей СОЭС контроля пространственного положения объектов, позволяющие исследовать структуру суммарной погрешности и выработать пути повышения точности измерений.

2. Синтезирована обобщенная компьютерная модель СОЭС, реализующая универсальный алгоритм расчета координат точечного объекта, который позволяет создать адаптивную модель поведения системы при измерениях как в статическом, так и в динамическом режимах.

3. Реализована физическая модель (макет) СОЭС, результаты экспериментальных исследований на которой подтвердили принципиальную возможность практической реализуемости высокоточной СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути.

-84. Спроектирован и реализован опытный образец СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути, успешно прошедший стендовые испытания и испытания в эксплуатационных условиях на путевой машине «Дуоматик 09-32».

Реализация результатов работы подтверждена тремя актами использования методик расчета параметров оптико-электронных измерительных систем в отраслевой лаборатории кафедры Оптико-электронных приборов и систем и в учебном процессе СПбГУ ИТМО, а также патентом на изобретение (совместно с ОАО "Российские железные дороги").

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на 19 конференциях и семинарах, 8 из которых международные: XXXV, ..., XL научные конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2006, ..., 2011 г.); III, ..., VII Всероссийские межвузовские конференции молодых учёных (Санкт-Петербург, Россия, 2006, ..., 2010 г.); 4-ый Международный симпозиум по приборостроению и измерительным технологиям (Харбин, Китай, 2006 г.); V Международная конференция молодых ученых и специалистов «0птика-2007» (Санкт-Петербург, Россия, 2007 г.); VIII и IX Международные конференции «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2008 и 2010 г.); 9-ый Международный симпозиум по измерительным технологиям и интеллектуальному приборостроению (Санкт-Петербург, Россия, 2009 г.); 6-ой Международный симпозиум по точным измерительным технологиям и приборостроению (Ханчжоу, Китай, 2010 г.); Ежегодная конференция Европейского оптического общества (Париж, Франция, 2010 г.); 7-ая международная конференция по оптическому приборостроению (Иокогама, Япония, 2010 г.)

В 2008, 2009 и 2010 годах исследования по тематике диссертации получали поддержку в рамках конкурса грантов Правительства Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов.

Публикании

Основные результаты диссертации отражены в 16 печатных работах, из них 1 патент на изобретение, 4 статьи в изданиях из списка ВАК и 3 в зарубежных индексируемых журналах.

Структура н объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 54 наименований, содержит 163 страницы основного текста, 83 рисунка, 22 таблицы и 3 приложения.

Краткое содержание работы

Во Введении обосновывается актуальность работы. Указываются контрольно-измерительные задачи, средство решения которых составляет область научных исследований.

В Главе 1 приводится аналитический обзор современных средств контроля пространственного положения железнодорожного пути (путеизмерительные тележки и комплексы, оснащенные тахеометром, либо системой спутниковой навигации GPS). В качестве основных недостатков рассмотренных систем отмечаются сложная структура, низкая производительность, большие габариты и масса, высокая стоимость оборудования и низкая степень автоматизации измерительного процесса.

В качестве альтернативы рассматривается стереоскопическая оптико-электронная система (СОЭС), которая, будучи установлена непосредственно на выправочной (путевой) машине, осуществляет контроль железнодорожного пути относительно реперов, расположенных вдоль пути на стабильных основаниях (опоры контактной сети, пикетные столбики и

др)-

Предложены и рассмотрены варианты композиции стереоскопических оптико-электронных систем по принципу относительного расположения оптических осей измерительных каналов в пространстве.

Показано, что при выполнении соотношения ^„„»¡Ы (2„„„ - минимальная измеряемая дистанция, |Ь| - длина вектора, определяющего межосевую базу) предпочтительной для контроля положения объекта является геометрическая схема с параллельными оптическими осями (рисунок 1). На рисунке 1 обозначены: Р - объект; Ь - вектор межосевой базы; у(, у2 - векторы оптических осей; аI - угол между Ь и уь а2 - угол между Ь и у2.

Сформулированы требования к исследуемой системе, в соответствии с которыми СОЭС должна быть компактной и реализованной на основе типовых оптоэлектронных компонентов. Обнаружение реперов в процессе измерений и сами измерения должны быть полностью автоматизированы и производиться как в статическом режиме, так и на скоростях выправоч-ной машины до 10 км/ч.

В Главе 2 Исследуются соотношения между параметрами структурной схемы СОЭС. В соответствии с принципом функционирования (рисунок 2), путевая машина с установленным на ней базовым (приемным) блоком (ББ) измерительной системы движется по рельсовому пути вдоль стабильных оснований, на которых закреплены контрольные элементы (КЭ).

А

Рисунок 2 - Структура СОЭС контроля пространственного положения объекта по реперной сети

метрическая схема СОЭС с параллельными оптическими осями

Во время движения ББ осуществляет обнаружение контрольных элементов и производит измерение их положения в продольном профиле (У) и плане (7) относительно начала собственной (приборной) системы координат ХУХ.

В соответствии с обобщенной структурной схемой (рисунок 3), ББ СОЭС состоит из двух измерительных оптико-электронных преобразователей (ИОЭП 1 и 2), в которых формируются кадры с изображением КЭ.

Рисунок 3 - Обобщенная структурная схема СОЭС Полученные кадры пересылаются в блок обработки (БО), где осуществляется расчет координат изображений КЭ с последующим определением положения КЭ относительно приборной системы координат. Эга информация пересылается в центральный блок обработки (ЦБО), который находится в путевой машине, где на основе полученных данных осуществляется расчет необходимых сдвижек и подъемок для приведения железнодорожного пути в проектное положение.

Определение положения КЭ в приборной системе координат осуществляется в соответствии с моделью перспективной проекции (рисунок 4). На рисунке 4 обозначены: Р - КЭ; Р'ь Р'2 - изображения КЭ; F,. F2 - плоскости анализа изображений в ИОЭП 1 и 2; 0WXWYWZ-Vv - глобальная система координат; 0CiXciYciZc-„ 0C2XC2YC2ZC2 - локальные системы координат ИОЭП 1 и 2; 0FiXhYFi, OnXF2Yf2 - системы координат в плоскостях анализа изображений; U|V,, u2v2 - матричные системы координат; - фокусные расстояния объективов ИОЭП 1 и 2, мм; (u<>i, vot), (щ2> vo:) — координаты точек пересечения оптических осей объективов ИОЭП 1 и 2 с плоскостями анализа изображений, пиксели; Ri, R2 - .матрицы поворота.

определяющие угловое положение локальных систем координат ИОЭП 1 и 2 относительно осей глобальной системы координат; 1|» 1:2 - векторы трансляции, определяющие положение центров локальных систем координат в глобальной системе координат; К|2,1)2 - матрица поворота и вектор трансляции, определяющие относительное угловое и линейное положение локальной системы координат ИОЭП 1 в локальной системе координат ИОЭП 2.

! ^¿Оп

'1 -- V»;

у V;

X,: Г/*!.......

/ I И,,., Лъа

- / ¿с.

Рисунок 4 - Геометрическая схема СОЭС Положение КЭ в локальных системах координат ИОЭП 1 и 2 -

РС1=(ХС, ГС1 2С1)' и РС2 ={ХС2 УС2 1С1) - может быть определено при помощи алгоритма, основанного на поиске минимального огрез ка между двумя скрещивающимися визирными линиями (Р'|Р и Р'2Р):

?СА = , РС2 = 2С2А;'р2, (1)

где Р( V, 1) ,Р2~( и2 у2 0 - векторы однородных коорди-

нат изображений КЭ в матричных системах координат ИОЭП 1 и 2, пиксели; Аь А2 - матрицы внутренних параметров ИОЭП 1 и 2. Координаты 2а и 2с2 предварительно определяются из выражения

а'- т

(2 > /О -1 /

№ V

элементы К1-К4 и Ь|-Ь2 которого определяются матрицами Аь А2 и , а также векторами Рь Рг и <12- Оценка координат КЭ, произведенная с использованием этого алгоритма, удовлетворяет критерию наименьшей среднеквадратической ошибки решения.

Предложен алгоритм расчета координат КЭ, основанный на решении системы линейных уравнений (СЛУ)

МРц, = N, (3)

где Р№ = (^с Ун, '¿к) - вектор координат КЭ в глобальной системе координат, которая может быть совмещена с локальной системой координат ИОЭП 1 или ИОЭП 2; М, N - матрица коэффициентов и вектор свободных членов СЛУ, элементы которых зависят от значений внешних и внутренних параметров ИОЭП 1 и 2, а также от координат изображений КЭ.

В случае статических измерений, система СЛУ (3) является переопределенной (4 уравнения, 3 неизвестных) и может быть решена методом наименьших квадратов с использованием псевдообратной матрицы М*, найденной с помощью одного из ортогональных разложений (ЗУБ, либо (У*.) матрицы М. В случае динамических измерений в качестве измерительной информации предлагается использовать смаз изображений КЭ на матрицах ИОЭП 1 и 2. В этом случае СЛУ (3) становится полностью определенной (3 уравнения, 3 неизвестных) и может быть решена классическим методом Гаусса. Представленный алгоритм может быть использован в измерительных системах с произвольным количеством ИОЭП (гиперстереоскопические системы). Теория возмущений линейных операторов вкупе с этим алгоритмом позволяет оперировать матрицами, описывающими влияние отклонений параметров СОЭС от номинальных значений на погрешность измерения координат КЭ. С точки зрения точности, рассмотренные алгоритмы полностью эквивалентны между собой.

-14В Главе 3 выполняется анализ погрешностей СОЭС контроля пространственного положения объекта по реперной сети для случая параллельных друг другу (и плоскости горизонта) оптических осей объективов, когда ИОЭП 1 и 2 располагаются друг над другом на базовом расстоянии Ь. При этом глобальная система координат совмещена с локальной системой координат нижнего ИОЭП. В этом случае справедливы формулы (4) для расчета координат КЭ по измеренным координатам (хц, ум) и {хп, Уп) его изображений на матрицах ИОЭП 1 и 2.

__ /2Ьхп ._ /гЬУп 7

ЪУт\-ЪУег /гУп-ЛУп ЛУп-АУгг Анализ систематических погрешностей СОЭС показал, что наиболее влияющими первичньши погрешностями яачяются погрешности фокусного расстояния используемых объективов_/} и/?, базового расстояния Ъ, а также углового положения ИОЭП 1 и 2 в вертикальной плоскости.

Анализ случайных погрешностей СОЭС показал, что потенциальная точность измерения координат КЭ определяется погрешностью измерения координат изображений КЭ на матрицах ИОЭП 1 и 2.

Также показано, что СКЗ случайной погрешности измерения дистанции 2\\ до КЭ, обусловленная случайной погрешностью определения координат изображений КЭ на матрицах ИОЭП 1 и 2, обратно пропорциональна произведению/6.

На рисунке 5 в виде зависимостей от дистанции показаны результаты стохастического моделирования СКЗ случайной погрешности измерения координат КЭ примм, ¿=300 мм, оценка СКЗ случайной погрешности измерения координат изображений КЭ ох/г;=о>|я=0,1р и охп=аует=§,\р, где/>=2.775 мкм - размер пикселя матриц ИОЭП 1 и 2.

Согласно рисунку, частичные погрешности координат ЛХ№ и АУи- , обусловленные случайными погрешностями Лл>7 и 4>'№ зависят от дис-

танции Z¡i по линейному закону, а частичная погрешность dZ¡,-- по параболическому.

0.U 0,10 0.С8 0.06 ■ 0,04 0.02

аХ,у. мм cYn\ мм

ЛГ

¿A, ММ

2000 3000 4000 5000 6000 "ООО 8000 9000 100!« 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

а) б)

Рисунок 5 - Зависимость СКЗ случайной погрешности измерения координат Л'» (а, график 1), У,г (я. график 2) и Z,y (б) от рабочей дистанции

Рассмотрена калибровка параметров СОЭС в линейном и нелинейном приближениях. Показано, что нелинейный метод калибровки параметров СОЭС, основанный на минимизации ошибки ренроецирования, дает результаты оценивания более устойчивые к ошибкам измерении, чем линейный.

В Главе 4 приводятся описание и результаты экспериментального исследования физической модели (рисунок 6) СОЭС контроля пространственного положения объекта по реперной сети, целью которого была проверка практической реализуемости СОЭС и работоспособности алгоритмов обработки измерительной информации, а также оценка погрешности измерений в статическом режиме функционирования системы. Установка смонтирована на основании 1 и включает: 2 - исследуемую СОЭС с двумя ИОЭП (на основе CMOS-камер с USB-интерфейсом, разрешение 2592x1944, размер пикселя 2,775 мкм х 2,775 мкм; объективы с/=25 мм, A=i:l,4), расположенными на базовом расстоянии b~300 мм; 3 - двухко-ординатную моторизованную подвижку Standa (диапазон и дискретность перемещений каретки - 300x200 мм и 2,5 мкм соответственно); 4 - КЭ (инфракрасный полупроводниковый излучающий диод L-34SF4C, мощность 150 мВт); 5, 6 - устройства крепления; 7, 8 - вычислительные устройства; 9 - блок сопряжения; 10, 11, 12 — блоки питания; 13 - лазерный

дальиомер (Leica DISTO D3a, диапазон измерений 0,05-100 м, погрешность измерения 1 мм).

Рисунок 6 - Структурная схема установки для экспериментального исследования физической модели СОЭС

В ходе эксперимента производилось измерение координат изображений КЭ, последовательно перемещаемого с помощью двухкоординатной подвижки в объеме пространства, ограниченного размерами прямоугольного параллелепипеда со сторонами 200x300x300 мм. Шаг поперечных смещений КЭ составил 20 мм по координатным осям Хр и Ур, шаг перемещений по дистанции вдоль оси - 100 мм. Таким образом, производилось измерение координат КЭ в трех плоскостях, при этом первая плоскость отстояла от СОЭС на расстояние -3200 мм, вторая - на расстояние -3300 мм, третья - на расстояние —3400 мм. После калибровки параметров СОЭС были рассчитаны координаты КЭ, определяющие его положение в локальной системе координат ИОЭП 1. Оценка СКЗ случайной погрешности измерения координат КЭ в зависимости от задаваемой дистанции составили: для дистанции 3200 мм - оХа=0,09 мм, оУ'с/=0,21 мм, (72С/=0,71 мм; для дистанции 3300 мм — <тХа~(), 10 мм, аУа=0,27 мм, о1а~0,74 мм; для дистанции 3400 мм - аХа-0,16 мм, аУа-0,29 мм, ст2с;=0,87 мм.

На рисунке 7 точками показаны экспериментальные данные, сплошными линиями - результаты стохастического моделирования СКЗ случай-

ной пофешности измерения координат КЭ, экстраполированные до дистанции 6000 мм. Как видно из рисунка 7, требуемое условие о2а Ь 2 мм выполняется до дистанции -5500 мм. Практика показывает, что дальность установки стабильных оснований от оси железнодорожного пути крайне редко превышает указанное расстояние.

Рисунок 7 - Сравнение экспериментальных данных (• • •) с результатами стохастического моделирования (-) погрешностей СОЭС

В Главе 5 приводятся результаты стендовых испытаний опытного образца СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути, которые выявили вариацию показаний при измерении координат КЭ в прямом и обратном ходе, обусловленную смазом изображений при относительном движении КЭ. Максимальное расхождение результатов измерений, соответствующее дистанции 5 м, составило 0,3 мм для координаты 7 и 2,3 мм для координаты '¿. Показано, что вариация может быть существенно уменьшена при использовании траекторного алгоритма расчета координат КЭ, который позволяет восстановить правильную стереопару в Л1060Й момент времени.

Эксплуатационные испытания опытного образца СОЭС производились участке главного пути Москва - Санкт-Петербург (рисунок 8).

Рисунок 8 - Размещение опытного образца СОЭС на путевой машине Дуо-матик 09-32 и КЭ на опоре контактной сети

Оборудованная опытным образцом СОЭС путевая машина произвела серию измерительных поездок, в каждой из которых определялись координаты пути в продольном профиле и плане относительно 30 контрольных элементов. Дистанция от КЭ до ближайшего рельса в ходе эксплуатационных испытаний не превышала 4120 мм. При этом оценка СКЗ случайной погрешности измерения, координат КЭ составила: в продольном профиле -о\Г=0,8 мм; в плане - а7.—\,\ мм.

Заключение

Получены следующие основные результаты исследований:

1. Обзор современных методов и средств, реализующих метод контроля пространственного положения железнодорожного пути по реперной сети, показал, что требуемая точность измерений (1 мм в продольном профиле и 2 мм в плане) обеспечивается оптико-электронными системами геометрического типа.

2. Показана целесообразность применения стереоскопической оптико-электронной системы для контроля пространственного положения объекта по реперной сети.

3. Рассмотрены структура и варианты композиции СОЭС по принципу относительного расположения оптических осей измерительных каналов приемного блока в пространстве.

-194. Синтезирована обобщенная компьютерная модель СОЭС, реализующая универсальный (для измерений в статическом и динамическом режимзх) алгоритм расчета координат точечного объекта, основанный на решении системы линейных уравнений методом наименьших квадратов.

5. Создана имитационная компьютерная модель, основанная на теории возмущений линейных операторов, которая позволила выявить наиболее влияющие систематические погрешности СОЭС и оценить потенциальную точность контроля положения объекта по реперной сети.

6. Исследования физической модели, а также стендовые и эксплуатационные испытания опытного образца СОЭС контроля положения железнодорожного пути подтвердили правильность полученных теоретических результатов.

Результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1) Араканцев К.Г., Тимофеев А.Н., Ярышев С.Н. Пути совершенствования распределенных оптико-электрсяных систем контроля смещений // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 18. Исследования в области оптики и физики. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2005, с 215- 221.

2) Араканцев К.Г. Ослабление влияния вертикального градиента температуры воздушного тракта на погрешность измерения положения объекта. // Изв. вузов. Приборостроение. 2006. Т.49, №8, с. 38-42.

3) Араканцев К.Г. Исследование методических погрешностей двухкоординатного оптико-электронного датчика контроля положения объектов. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 26. Исследования в области приборостроения. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006, с. 151-157.

4) Алеев А.М., Араканцев К.Г., Тимофеев А.Н. Исследование схемы внутрибазного оптико-электронного канала двойного изображения с матричной фотоприемной частью для контроля смещений. Международная конференция "Прикладная оптика - 2006". Сборник трудов. Том.1 "Оптическое приборостроение". - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006, с. 43 -47.

5) Анисимов А.Г., Араканцев К.Г., Горбачев А.А. Исследование погрешности контроля дистанции в симметричном внутрибазовом канале двухкоординатной оптико-электронной системы контроля смещений. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 34. Современная оптика. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006, с 213-218.

6) LA. Konyakhin, K.G. Arakantsev, A. N. Timofeev. Précision system for motion path paramétrés measurement of wheei and rail transport. International Symposium on Instrumentation Science and Technology, Instituée of Physics Publishing, doi: 10. ¡08 8/1742-6596/48/1/186, Journal of Physics: Conférence, Sériés 48 (2006), p. 998-1002.

7) Алеев, A.M., Араканцев. К.Г. Экспериментальная оценка систематических погрешностей измерения смещений внутрибазной оптико-электронной системой контроля положения железнодорожного пути. 'Груды пятой международной конференции молодых ученых и специалистов "0птика-2007". - СПб: СПбГУ ИТ.МО, 2007, с. 230-231.

8) Алеев A.M., Араканцев К.Г., Тимофеев А.Н., Ершова К.Б., ГГетуховский В.В., Петуховский C.B., Холин А.Е. Оптико-электронная система контроля положения железнодорожного пути относительно реперных меток. // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т.51, №9, с. 18-22.

9) Алеев A.M., Араканцев К.Г., Тимофеев А.Н. Выбор параметров оптической системы двухкоординатного внутрибазного оптико-электронного устройства с единым матричным полем анализа / Труды оптического общества им. Д.С. Рождественского, том 1, VIII Международная конференция ^Прикладная оптика -2008». - СПб: СПбГУ ИТМО, 2008, с. 38.

10) Араканцев К.Г., Кокяхин H.A., Тимофеев А.Н. Внутрибазная оптико-электронная система контроля линейных смещений объектов / Труды оптического общества им. Д.С. Рождественского, том 1, VIII Международная конференция «Прикладная оптика - 2008». Санкт-Петербург, 20-24 октября, СПбГУ ИТМО, 2008, с. 45-47.

11) Араканцев К.Г., Тимофеев А.Н. Физическое моделирование двух волнового метода измерений в авторефлексионной оптико-элекгрониой системе контроля смещений. // Оптический журнал. 2009. Т.76, №1, с. 9-12.

12) Konstantin G. Arakantsev, Igor A. Konyakhin, Aleksandr N. Timofeev. Inner-Base Optoelectronic System for the Control of Linear Displacements. Key Engineering Materials Vol. 437 (2010) p. 237-241.

13) Konstantin G. Arakantsev, Dmitry V. Zhukov, Igor A. Konyakhin. Methods of data processing and estimation of measuring accuracy in stereoscopic system for the control of objects displacements // Proc. SPIE 7544, 75446E (2010); doi.10.1117/12.885206.

14) Михеев C.B., Араканцев К.Г., Копылова T.B. Оптико-электронные системы контроля конструкций крупных промышленных сооружений по положению их элементов // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2010,4 (68), с. 119.

15) Араканцев К.Г. Применение теории возмущений к анализу погрешностей в стереоскопической системе контроля пространственного положения объектов / Труды оптического общества им. Д.С. Рождественского, том 1 (2), IX Международная конференция «Прикладная оптика - 2010». Санкт-Петербург, 1822 октября, СПбГУ ИТМО, 2010, с. 97-101.

16) Пат. 2387561 Российская Федерация, МПК7 B61K9/0S, Е01В35/00. Оптико-электронная система для контроля пространственного положения железнодорожного пути / К.Г. Араканцев, В.В. Коротаев [и др.]; ОАО "Российские железные дороги". - №2009110271/11; заявл. 23.03.2009; опубл. 27.04.2010, Бюл.№ 12.

Тиражирование и брошюровка выполнены в Центре "Университетские телекоммуникации". Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14. Тел (812) 233-46-69. Тираж 100 экз.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ.

1.1 Современные средства контроля пространственного положения железнодорожного пути, реализующие относительный метод измерений.

1.2 Современные средства контроля пространственного положения железнодорожного пути, реализующие абсолютный метод измерений.

1.2.1 Путеизмерительные комплексы.

1.2.2 Путеизмерительные тележки.

1.2.2.1 Путеизмерительные тележки с электронным тахеометром.

1.2.2.2 Путеизмерительные тележки со спутниковым приемником.

1.2.2.3 Сравнение путеизмерительных комплексов и АПТ различных типов.

1.3 Пути развития методов и средств контроля пространственного положения железнодорожного пути.

1.3.1 Дальномеры физического тина.

1.3.2 Дальномеры геометрического типа.

1.3.2.1 Принципы композиции дальномеров геометрического типа с базисом при инструменте.

1.3.2.2 Стереоскопическая оптико-электронная система с параллельными оптическими осями.

1.4 Цель и задачи диссертационного исследования.

1.5 Выводы по Главе 1.

ГЛАВА 2. ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ В СОЭС КОНТРОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ.

2.1 Модель ИОЭП на основе перспективной проекции.

2.2 Модель СОЭС на основе перспективной проекции.

2.3 Методы расчета пространственных координат КЭ в СОЭС при статическом и динамическом режимах измерений.

2.3.1 Статические измерения.

2.3.1.1 Метод двух скрещивающихся визирных линий.

2.3.1.2 Метод, основанный на решении системы линейных уравнений.

2.3.2 Динамические измерения.

2.3.3 Сравнение методов обработки измерительной информации в СОЭС.

2.4 Выводы по Главе 2.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ СОЭС КОНТРОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ.

3.1 Измерительная задача.

3.2 Анализ основных составляющих погрешности измерений.

3.2.1 Основные габаритные соотношения и элементная база.

3.2.2 Проверочный энергетический расчет.

3.2.3 Первичные погрешности.

3.2.4 Частичные погрешности.

3.2.4.1 Систематические погрешности.

3.2.4.2 Случайные погрешности.

3.2.5 Метод численного анализа погрешностей с использованием теории возмущений линейных операторов.

3.2.6 Рекомендации к выбору метода определения параметров СОЭС.

3.3 Методы калибровки внешних и внутренних параметров СОЭС.

3.3.1 Калибровка одного ИОЭП.

3.3.2 Взаимное ориентирование ИОЭП.

3.5 Выводы по Главе 3.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОЭС КОНТРОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЕ-ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ.

4.1 Описание экспериментальной установки.

4.2 Ход эксперимента и калибровка СОЭС.

4.2.1 Ход эксперимента.

4.2.2 Калибровка СОЭС.

4.3 Анализ погрешностей измерений.

4.4 Выводы по Главе 4.

ГЛАВА 5. ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА СЧИТЫВАНИЯ РЕПЕРНЫХ МЕТОК.

5.1 Техническое описание ОЭССРМ.

5.1.1 Структурная схема ОЭССРМ.

5.1.2 Схема соединений и схема подключений ОЭССРМ.

5.1.3 Устройство и работа составных частей ОЭССРМ.

5.1.3.1 Базовый блок.

5.1.3.2 Метка реперная.

5.1.3.3 Блок обработки.

5.1.4 Описание программного обеспечения.

5.2 Стендовые испытания.

5.3 Эксплуатационные испытания.

5.4 Выводы по Главе 5.

Железнодорожный транспорт России в течение своей истории является основой транспортной системы страны. В настоящее время более 80% грузооборота транспорта общего пользования и 40% пассажирооборота в транспортной системе России выполняется железными дорогами [1].

Основным требованием, определяющим безопасность движения, комфорт и экономическую эффективность содержания железнодорожного пути, является обеспечение проектного положения пути при его текущем содержании. Особенно точно проектная геометрия пути должна быть выдержана на скоростных участках. Геометрические параметры пути в плане и профиле определяют при съемке их фактических значений согласно требованиям нормативных документов с оценкой соответствия установленным скоростям движения поездов и выявлением отступлений от норм содержания. Оценивать состояние геометрии колеи необходимо при назначении ремонта, при предпроектном обследовании, паспортизации пути по параметрам плана, профиля, уровню, создании геоинформационных систем и банка данных о состоянии и устройстве пути, проверке качества ремонта и соответствия отремонтированного пути проектным характеристикам.

Неточности в плановом и высотном положении точек пути при высоких скоростях движения отрицательно сказываются на плавности хода подвижного состава, приводят к преждевременному расстройству колеи и увеличению расходов на ее содержание. Возникновение неровностей пути обусловлено неточностью первоначальной укладки, изменением исходных геометрических очертаний в процессе эксплуатации, а также выправкой колеи с привязкой от соседнего пути и работой выправочных машин исключительно по методу сглаживания (известен также как хордовый или относительный метод измерений), который не обеспечивает постановку пути в проектное положение без введения коррекции [2]. Несмотря на то, что геометрические параметры пути (кривизна в плане и профиле, уклон продольного профиля, ширина колеи, возвышения наружного рельса) в рамках относительного метода могут быть определены с высокой точностью, определение взаимного положения элементов пути не обеспечивает полной оценки параметров рельсовой колеи. Не позволяет использовать полученные данные для проектно-изыскательских работ, геоинформационных систем, кадастровых съемок и т. д. В особенности, данное обстоятельство сказывается при контроле высокоскоростных трасс, так как область применения относительного метода ограничена путями, скорость движения поездов по которым не превосходит 120 км/ч [3]. Как показывают результаты теоретических и экспериментальных исследований, при росте скоростей движения значительно возрастает влияние величины отклонений пути от проектного положения на силы взаимодействия подвижного состава. Поэтому на высокоскоростных магистралях применение лишь относительного, метода для контроля состояния пути оказывается недостаточным.

С целью повышения точности содержания проектного положения пути на железных дорогах многих стран (Германии, Франции, Бельгии, Польши, Чехии, Австрии и др.) широко используют рабочие реперы. Съемка плана и профиля железнодорожного пути с использованием специальной реперной системы является перспективной не только с технологической точки зрения, но и с точки зрения снижения затрат в ходе эксплуатации железнодорожного пути. В настоящее время согласно действующим указаниям МПС России (№ А-224У от 27.02.97 г. и № С-493У от 27.04.98 г.), на железнодорожной магистрали Москва — Санкт-Петербург, а также на других магистралях первого и второго класса, ведутся работы по подготовке инфраструктуры для движения высокоскоростных поездов со скоростью 250 км/ч и более [2]. Для этих целей вдоль железнодорожной магистрали создается специальная реперная система контроля состояния железнодорожного пути в профиле и плане. Она представляет собой систему геодезических пунктов с известными координатами в плане для данной железной дороги и высотами в Балтийской системе высот (по техническим требованиям, согласованным с Федеральной службой геодезии и картографии России от 20.03.98 г. и утвержденным МПС РФ 26.03.98 г.). Согласно требованиям, реперы закрепляются в опорах контактной сети вдоль всей рельсовой колеи. На прямых участках реперы устанавливаются на каждой второй опоре, на кривых — в каждой. Координаты реперов в такой сети предварительно определяются с высокой точностью в ходе геодезической съемки.

На участках с реперной системой работы, связанные с ремонтом и выправкой пути, должны выполняться на основе данных о его проектном положении, закрепленном относительно реперов, которые позволяют реализовать наиболее перспективный на сегодняшний день абсолютный метод контроля проектного положения пути в системе координат геодезической сети. Реализация этого метода измерений стала возможной с появлением и развитием оптико-электронных трехкоординатных датчиков (в т.ч. электронных тахеометров) и технологии глобального позиционирования. В рамках абсолютного метода геометрические параметры (кривизна в плане и продольном профиле, уклон продольного профиля) вычисляются непосредственно из измеренных пространственных координат точек пути. Этот метод позволяет контролировать фактическое положение пути практически с миллиметровой точностью (при использовании электронных тахеометров).

Практически требуется контролировать положение реперов в системе координат, связанной с осью железнодорожного пути. Согласно Правилам технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации [4], минимальное расстояние от оси пути до внутреннего края опор контактной сети должно находиться в диапазоне от 2450 мм до 5700 мм. При этом диапазон контролируемых перемещений в продольном профиле (по требованиям ВНИИЖТ) должен составлять 300 мм [5]. Общая погрешность проектной линии на участке с реперной сетью при текущем содержании пути не должна превышать 10 мм [2]. Поскольку качество выправки пути определяется стабильностью рабочих реперов, точностью опорной реперной сети и измерительных устройств путевых машин, точность последних должна быть на порядок выше установленного допуска. Контроль обычно осуществляется в достаточно жестких условиях эксплуатации, характеризуемых изменением температуры окружающей среды в пределах от -10°С до +50°С, воздействием осадков, влажности, электромагнитных помех промышленного происхождения, наличием оптических помех (солнечное излучение, искусственное освещение, вспышки электросварки и т.п.).

В настоящее время для контроля положения железнодорожного пути абсолютным методом используются автоматизированные путеизмерительные тележки (АПТ), оснащенные электронным тахеометром, либо GPS-приемником. По данным рекламных проспектов, АПТ с электронным тахеометром обеспечивают погрешность измерения координат пути в продольном профиле и плане 1—2 мм. АПТ со спутниковым приемником в стационарном режиме обеспечивают погрешность 4-8 мм [6]. В движении использование GPS приводит к еще более грубым ошибкам. Таким образом, необходимую точность измерений обеспечивает только метод контроля пространственного положения железнодорожного пути с использованием АПТ, оснащенных электронным тахеометром, однако и этот метод имеет ряд существенных недостатков. К ним относятся невысокая производительность измерений (от 0,5 до 3,5 км/ч), сложная схема, высокая стоимость, большие габариты, низкая степень автоматизации измерений, а также то, что измерения производятся в ненагруженном состоянии железнодорожного пути [6].

Указанные недостатки современных средств контроля положения железнодорожного пути позволяют заключить, что сегодня разработка измерительных1 систем, для которых на первое место, кроме обеспечения необходимой точности и диапазонов измерений, выдвигаются требования к полной автоматизации измерений на скоростях до 10 км/ч, малой энергоемкости, автономности и малой стоимости системы в целом, видится актуальной и практически важной задачей. Выполнение этих требований может быть обеспечено соответствующим выбором физических принципов построения и схемы измерительной системы, методов и алгоритмов обработки сигналов, а также совершенствованием технических решений при их разработке и производстве.

Развитие оптоэлектронной элементной базы и основанных на ней средств измерений делает перспективным использование для метрологического обеспечения указанных задач оптико-электронных измерительных систем, отвечающих требованиям реализации многокоординатных, широкодиапазонных, высокоскоростных и бесконтактных измерений с автоматизацией снятия отсчета и повышенной достоверностью получаемой информации. При этом с каждым репером, расположенным на пути движения выправочной машины, связывается контрольный элемент (КЭ), изображения которого регистрируются измерительной системой, включающей два измерительных оптико-электронных преобразователя (ИОЭП) на основе матричных фотоприемников с последующей компьютерной (микропроцессорной) обработкой видеокадров. В настоящее время серийные измерительные системы этого типа, отвечающие указанным требованиям, отсутствуют.

Указанные обстоятельства определяют актуальность выбора в качестве объекта исследования стереоскопической оптико-электронной системы (СОЭС) контроля пространственного положения железнодорожного пути, а в качестве предмета исследования — особенностей алгоритмов функционирования СОЭС указанного типа, соотношений между параметрами элементов структурной схемы и метрологическими характеристиками системы, структуры составляющих погрешности измерения, их взаимосвязи и влияния на суммарную погрешность измерения.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка принципов композиции, методов расчёта параметров и характеристик СОЭС контроля положения объекта по реперной сети, а также разработка, практическая реализация и экспериментальное исследование СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать структуру и основные параметры современных средств контроля пространственного положения железнодорожного пути и определить направление дальнейших исследований.

2. Разработать принципы композиции, структуру и методику расчета параметров СОЭС контроля пространственного положения объекта по реперной сети.

3. Разработать компьютерную модель для исследования СОЭС на системотехническом уровне, на основе которой выполнить экспериментальные исследования соотношений между параметрами элементов и метрологическими параметрами СОЭС (диапазон измерений, точность, рабочая дистанция), а также оценить влияние на суммарную погрешность основных составляющих погрешности измерения.

4. Используя полученные соотношения, спроектировать и реализовать макет СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути и выполнить его экспериментальные исследования.

5. На основе результатов исследования компьютерной модели и экспериментальных исследований макета спроектировать и реализовать опытный образец СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути, провести его стендовые и эксплуатационные испытания.

В теоретической области применяются соотношения геометрической оптики, векторно-матричный метод расчёта и разработанные на их основе методики исследования соотношений между параметрами измерительной системы. В экспериментальной области при исследовании соотношений между параметрами СОЭС и анализе методов обработки измерительной информации используются реализованные на основе компьютерных технологий МаШСАХ) и МАТЬАВ имитационные модели функциональных элементов СОЭС. Практическая проверка полученных соотношений реализована посредством экспериментального исследования макета СОЭС, моделирующего основные узлы и алгоритмы функционирования системы, а также стендовых и эксплуатационных испытаний опытного образца СОЭС.

Во Введении обосновывается актуальность работы. Указываются контрольно-измерительные задачи, средство решения которых составляет область научных исследований.

В Главе 1 приводится аналитический обзор современных средств контроля пространственного положения железнодорожного пути. Определяются требуемые совокупности свойств, обосновывается выбор физического принципа действия исследуемой системы. Формулируются цель и задачи диссертационного исследования.

В Главе 2 приводится обобщенная структурная схема и описывается принцип функционирования СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути. Рассматривается модель СОЭС на основе перспективной проекции. Производится выбор и сравнение алгоритмов обработки измерительной информации.

В Главе 3 выполняется анализ погрешностей СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути и приводится описание процедуры калибровки исследуемой системы.

В Главе 4 приводятся результаты экспериментального исследования физической модели (макета) СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути.

В Главе 5 приводится описание конструкции, а также результаты стендовых и эксплуатационных испытаний опытного образца СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути.

В Заключении делаются выводы о проделанной работе и приводятся ее результаты.

Научная новизна работы

Разработаны принципы композиции СОЭС, соотношения между параметрами функциональных элементов и алгоритмы измерения, позволяющие обеспечить требуемые по условиям практической задачи метрологические параметры (рабочая дистанция, многокоординатность, точность).

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Общие принципы композиции и структура ОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути по реперной сети, в соответствии с которыми ОЭС представляет собой измерительную систему геометрического типа, построенную по схеме двух канального (стереоскопического) измерителя координат с активными контрольными элементами.

2. Принципы композиции СОЭС, в соответствии с которыми при малой по сравнению с измеряемой дистанцией величине межосевой базы (соотношение, типичное для метрологической задачи контроля положения железнодорожного пути по реперной сети) предпочтительной по критерию обеспечения диапазона и дистанции измерения является композиция системы с параллельными оптическими осями измерительных каналов приемного блока.

3. Алгоритм обработки измерительной информации для стереоскопических и гиперстереоскопических оптико-электронных систем, позволяющий определять координаты объекта как решение переопределенной системы линейных уравнений по методу наименьших квадратов.

4. Принципы построения детерминированной модели СОЭС с приведением первичных погрешностей параметров системы к плоскостям анализа изображений, позволяющей выполнить теоретическое исследование составляющих суммарной погрешности измерения.

5. Принципы построения имитационной компьютерной модели СОЭС с использованием теории возмущений линейных операторов, позволяющей выполнить численный анализ систематических погрешностей СОЭС произвольной пространственной конфигурации и оценить потенциальную точность измерения положения объекта.

6. Результаты экспериментальных исследований макета, а также стендовых и эксплуатационных испытаний опытного образца СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути, позволившие уточнить состав сильно влияющих погрешностей измерения.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 54 наименований, содержит 177 страниц основного текста, 83 рисунка, 22 таблицы и 3 приложения.

Основные результаты диссертационного исследования.

1. Обзор современных средств контроля пространственного положения железнодорожного пути, показал, что точность контроля, необходимая для работы выправочных машин по установке пути в проектное положение, может быть обеспечена оптико-электронными измерительными системами геометрического типа.

2. Главными недостатками путеизмерительных устройств, оборудованных тахеометрами, являются низкая производительность измерений, большие габариты и масса, высокая стоимость измерительного оборудования, низкая степень автоматизации процесса измерений, а также то, что измерения производятся в ненагруженном состоянии пути.

3. Указанных недостатков могут быть лишены измерительные устройства, построенные по схеме дальномера геометрического типа с базисом при инструменте (стереоскопическая схема).

4. Предложены и рассмотрены варианты композиции стереоскопических оптико-электронных систем по принципу относительного расположения оптических осей измерительных каналов в пространстве. Показано, что для измерительной задачи по контролю пространственного положения железнодорожного пути предпочтительной является геометрическая схема с параллельными оптическими осями.

5. Описан принцип работы и предложена обобщенная структурная схема СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути.

6. Разработана детерминированная модель СОЭС на основе перспективной проекции, позволяющая исследовать составляющие суммарной погрешности измерения.

7. Синтезирована обобщенная компьютерная модель СОЭС, реализующая универсальный алгоритм расчета координат точечного объекта, основанного на решении системы линейных уравнений с использованием (^Я- или БУО-разложения, который позволяет построить адаптивную модель поведения системы при измерениях как в статическом, так и в динамическом режимах.

8. Наиболее сильно влияющими составляющими систематической погрешности измерений координат КЭ являются: погрешности параметров а (разворот ИОЭП вокруг оси ОсХс), /у (смещение ИОЭП вдоль оси ОсУс), а также погрешность фокусного расстояния/объективов ИОЭП.

9. Относительно слабо влияющими составляющими систематической погрешности измерений являются погрешности параметров у (разворот ИОЭП вокруг оси OcZc) и (смещение ИОЭП вдоль оси Ос2с).

10. Для уменьшения систематических погрешностей измерений, обусловленных отклонением параметров элементов СОЭС от номинальных значений, необходима калибровка системы.

11. Случайная погрешность измерения дистанции до КЭ, обусловленная погрешностью определения координат изображений КЭ на матрицах ИОЭП 1 и 2, обратно пропорционально произведению /■Ь фокусного и базового расстояний системы.

12. При практической реализации СОЭС необходимо контролировать наклон базового блока системы в вертикальной плоскости, ввиду значительного влияния этой первичной погрешности на результат измерений координат КЭ.

13. Численный анализ систематических и случайных погрешностей на модели СОЭС, основанной на теории возмущений линейных операторов, подтвердил выводы, полученные при анализе на детерминированной модели СОЭС основанной на дифференцировании закона функционирования СОЭС по исследуемым параметрам.

14. Результаты исследований макета системы доказали адекватность модели СОЭС контроля положения объекта, построенной на основе модели перспективной проекции.

15. Разработана структурная схема, спроектирован и изготовлен опытный образец оптико-электронной системы считывания реперных меток (ОЭССРМ), входящей в состав АКПП.

16. В ходе стендовых испытаний опытного образца ОЭССРМ, были выявлены динамические погрешности, обусловленные смазом изображений КЭ при движении МР относительно ББ, а также погрешностью синхронизации измерительных каналов в рассматриваемой системе. Для уменьшения вариации показаний ОЭССРМ предложен траекторный алгоритм расчета координат КЭ.

17. Результаты эксплуатационных испытаний опытного образца ОЭССРМ на путевой машине Дуоматик 09-32 показали, что разработанная система полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к СОЭС кошроля пространственного положения железнодорожного пути.

Одним из главных результатов диссертационного исследования стал вывод о том, что погрешности исследуемой СОЭС не превосходят требуемых значений (1 мм в продольном профиле и 2 мм в плане) на дистанциях, не превышающих 5-5,5 м. Ниже приводятся возможные пути уменьшения погрешностей СОЭС, которые могут привести к увеличению диапазона действия системы по дальности.

1. Наиболее простой способ уменьшения погрешностей измерений состоит в изменении параметров СОЭС (увеличение расстояния между камерами, фокусных расстояний объективов, размеров и разрешения матричных приемников), что приведет к увеличению габаритов и удорожанию системы в целом.

2. Поиск схемных решений, которые (например, за счет введения дополнительных оптических элементов) позволят сделать СОЭС менее чувствительной к отклонениям ее параметров от номинальных значений.

3. Дополнительное исследование методов калибровки, которые позволят получать информацию о фактических значениях параметров СОЭС с более высокой точностью.

4. Дополнительное исследование алгоритмов обработки измерительной информации, которые позволят с большей точностью определять координаты изображений контрольного элемента на матричных приемниках камер.

5. Внесение изменений в существующую конструкцию СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути. Например, создание более компактной (в идеале - пассивной) реперной метки, контрольный элемент которой будет соосен анкерному болту, на который крепится метка.

Результаты теоретических исследований используются в НИР и учебном процессе, что отражено тремя актами использования. [Приложение 1].

Результаты эксплуатационных испытаний оптико-электронной системы считывания реперных меток (ОЭССРМ) подтверждены актом приемки системы, используемой в составе АКПП [Приложение 2].

На ОЭССРМ в 2010 году получен патент за номером 2387561 [Приложение 3].

Результаты диссертационного исследования отражены в 16 печатных публикациях, среди которых 1 патент на изобретение, 4 публикации в журналах из списка ВАК, 3 в зарубежных индексируемых изданиях.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор особенно благодарит своего научного руководителя д.т.н., профессора Коняхина Игоря Алексеевича за постоянную стратегическую и практическую поддержку проводимых исследований, за конструктивную критику и ценные указания, позволившие проводить работу на уровне, достойном подачи на соискание степени кандидата технических наук. Также автор выражает признательность к.т.н., доценту Тимофееву Александру Николаевичу за консультирование по вопросам построения теоретических моделей, за рекомендации и обеспечение экспериментов, а также всему остальному коллективу кафедры Оптико-электронных приборов и систем СПбГУ ИТМО за внимание к автору и проводимым им исследованиям. Кроме того, автор благодарит аспирантов кафедры ОЭПиС Жукова Дмитрия, Усика Александра и Пантюшина Антона за ценные советы и помощь в проведении экспериментальных исследований.

Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2010 годы)» и федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Железнодорожный транспорт Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.transportall.ru/railways/ (дата обращения 21.02.2011).

2. Ефремов И.Н. Особенности содержания кривых в плане при использовании специальной реперной системы. Вестник ВНИИЖТ, 2004, №5.

3. Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) / МПС РФ. М.: Транспорт, 1996.

4. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации. М: Омега-Л, 2009 - 144 с.

5. Мелентьев Л. П, Ершков О. П. О нормах возвышения наружного рельса в кривых участках пути. М.: Трансжелдориздат, 1960.

6. Самратов У.Д., Сакович Л.А., Кривдин Д.Г. О точности определения геометрических параметров железнодорожного пути с помощью АПК. // Геопрофи. 2007, №6 с. 28-32. I

7. Правила и технология выполнения основных работ при текущем содержании пути (ЦПТ 52). - М.: Транспорт, 1998 г.

8. Джабиев А.Н., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной: Монография / Под общ. ред. Э.Д. Панкова СПб.: ИТМО, 1998 - 238 с.

9. Воробьев Б. Н., Корнев О.В., Федоров A.C. Лазерная система автоматического управления путерихтовочной машиной. Электронная промышленность, 1981, №5, с. 18-21.

10. Оптическое приемно-анализирующее устройство Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.esup.ru/OMEGA-1000.htm (дата обращения 21.02.2011).

11. Измерительные системы для путеремонтной техники: Пилот-Л1 Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.west-ter.ru/prtizmpilot-ll.phtml (дата обращения 21.02.2011).

12. Rudolf Becker. How can the tamping effects be assured, measured, and what future developments are planned? Электронный ресурс. Режим доступа: www.uic.org/reunion.php/20029/tgmd22becker.pdf (дата обращения 21.02.2011).

13. Track Construction and Maintenance Machines and Technology for Dedicated Passenger Lines Электронный ресурс. Режим доступа: www.plassertheurer.com/pdfs/papers/wenty05.pdf (дата обращения 21.02.2011).

14. The precise and robust track measuring system Leica GRP1000 Электронный ресурс. — Режим доступа: www.leica-geosystems.se/se/BrochureGRP1000en.pdf (дата обращения 21.02.2011).

15. Аппаратно-програмный комплекс (АПК) «Профиль» Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.stu.ru/docs/working/3/45.doc (дата обращения 21.02.2011).

16. Tamper Guidance by swiss trolley Электронный ресурс. Режим flocTyna:http://www.terra.ch/indexben.php?nav=inc/nav/bahnvermessen&chapte r=inc/en/bahnen/bahnbytrolleyen (дата обращения 21.02.2011).

17. Корженевич И.П. Специальная реперная система для контроля положения положения пути в плане Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.kiprw.com/Articles/V25.pdf (дата обращения 21.02.2011).

18. Маркс JL, Лихтбергер Б. Измерение параметров пути с привязкой к системе глобального позиционирования // Железные дороги мира. 2002. № 7. с. 71-75.

19. Грейм И.А. Оптические дальномеры и высотомеры геометрического типа. М.: "Недра", 1971 - 176 с.

20. Laser displacement sensors — AccuRange 600 Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.acuitylaser.com/AR600/sensor-technical-data.shtml (дата обращения 21.02.2011).

21. Дуда Р., Харт П. Распознавание образов и анализ сцен М.: Мир, 1976-521 с.

22. Форсайт Д., Понс Ж. Компьютерное зрение. Современный подход. — М: Вильяме, 2004 928 с.

23. Грузман И.С. Цифровая обработка изображений в информационных системах: учеб. пособие Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002 - 352 с.

24. Е. Е. Тыртышников. Матричный анализ и линейная алгебра. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007 480 с.

25. Дж. Деммель. Вычислительная линейная алгебра. М.: Мир, 2001, 429 с.

26. Дж. Форсайт, К. Молер. Численное решение линйеных алгебраических уравнений. М.: Мир, 1969, 167 с.

27. Уоткинс Д.С. Основы матричных вычислений. — М: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009 — 664 с.

28. Дж. Голуб, Ч. Ван Лоун. Матричные вычисления. Изд. 2-е. М.: Мир, 1999, 548 с.

29. Ч. Лоусон, Р. Хансон. Численное решение задач метода наименьших квадратов. М.: Наука, 1986, 382 с.

30. Ф. Р. Гантмахер. Теория матриц. Изд. 3-е. М.: Наука, 1967, 575 с.

31. Р. Хорн, Ч. Джонсон. Матричый анализ. М.: Мир, 1986, 446 с.

32. П. Ланкастер. Теория матриц. Изд. 1-е. М.: Наука, 1978, 280 с.

33. Соломатин В.А. Системы контроля и измерения с многоэлементными приемниками —М.: Машиностроение, 1992 128 с.

34. Прэтт У. Цифровая обработка изображений, т. 1-2 (1982)

35. Справочник конструктора оптико-механических приборов. / Панов В.А., Кругер М.Я., Кулагин В.В. и др.; Под общ. ред. Панова В.А. JL: Машиностроение, 1980 - 742 с.

36. Неумывакин Ю.К. Автоматизация геодезических измерений в мелиоративном строительстве. — М.: Недра, 1984 — 126 с.

37. Зацарийный A.B. Автоматизация высокоточных инженерно-геодезических измерений. М.: Недра, 1976

38. Гурвич A.C., Кон А.И., Миронов В.А. Лазерное излучение в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1978

39. Гурвич A.C. Распространение лазерного пучка в атмосфере. М.: Мир, 1981

40. Вагнер Е.Т. Лазеры в самолетостроении. М.: машиностроение, 1982. - 184 с.

41. Великотный М.А. Распределение градиента облученности в энергетической равносигнальной зоне // Сб. науч. трудов. Л.: ЛИТМО, 1977. Вып. 90. - с. 80-83

42. Прилепин М.Т., Голубев А.Н. Оптические квантовые генераторы в геодезических измерениях. — М.: Недра, 1972 — 168 с.

43. Сытник B.C. Лазерные геодезические приборы в строительстве. М.: Стройиздат, 1988- 165 с.

44. Араканцев К.Г. Ослабление влияния вертикального градиента температуры воздушного тракта на погрешность измерения положения объекта. // Изв. вузов. Приборостроение. 2006. Т.49, №8 с. 38-42.

45. Араканцев К.Г., Тимофеев А.Н. Физическое моделирование двухволнового метода измерений в авторефлексионной оптико-электронной системе контроля смещений. // Оптический журнал. 2009. Т.76, №1 с. 9-12.

46. Като Т. Теория возмущений линейных операторов. — Изд-во «Мир», 1972-739 с.

47. First Order Error Analysis of a Linear System of Equations by use of Error Propagation Matrices connected to the Pseudo Inverse Solution

48. Электронный ресурс.: P. Wedin, G. Wikstrom. Proceedings of the Householder Symposium XV, 2005. - 31 с. - Режим доступа: https://www.cs.umu.se/~wikstrom/myhomepage/pap3 .pdf (дата обращения 21.02.2011).

49. Wedin P. Perturbation Theory for Pseudoinverses, BIT, 13:217-232, 1973

50. Camera Calibration Toolbox for Matlab Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calibdoc/ (дата обращения 21.02.2011).

51. Измаилов А. Ф., Солодов М.В. Численные методы оптимизации : учеб. пособие. М.: Физматлит, 2003 - 304 с.

52. Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB M.: Техносфера, 2006. - 616с.

53. Коган А.Я., Ершова К.Б., Петуховский В.В. и др. Актуальные проблемы выправки и приемки пути после ремонта // Путь и путевое хозяйство. 2007, №5 с.7-9.