автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Методы и алгоритмы обработки информации комплексной системы определения параметров железнодорожного пути

На правах рукописи

НИКОЛАЕВ ДМИТРИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

05.13.01 — Системный анализ, управление и обработка информации (по техническим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Н. Новгород - 2005 г.

Работа выполнена в ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА» и Арзамасском Полк-техническом Институте (филиале) Нижегородскою Государственного Технического Университета.

Научный руководитель: Доктор физико-математических наук,

профессор Пакшин П.В.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Федосенко Ю.С.

Кандидат технических наук, доцент Волков Н.В.

Ведущая организация: ФГУП ЦНИИ «Буревестник»

(г. Нижний Новгород)

Защита состоится « » и-и^ ^с 'Л. 2005 г. в /5"0<часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.05 Нижегородского Государственного Технического Университета по адресу: 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24, НГТУ, корпус { , аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Нижегородского Государственного Технического Университета.

Автореферат разослан « & » juuoJZ- 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.П. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Железнодорожное сообщение обеспечивает наибольший объем грузовых и пассажирских перевозок в России. Поддержание текущего состояния перевозок и непрерывное повышение их уровня обеспечивается заданным качеством ж/д путей, что в свою очередь вызывает необходимость непрерывного сбора информации о параметрах ж/д пути и обработки полученной информации для проведения анализа его рельсового полотна.

Путеизмерительные центры, имеющие в настоящее время широкий спектр приборов и систем, основанных на различных принципах действия, проводят сбор и обработку получаемой информации. Необходимость оперативного контроля привела к использованию динамических способов, основанных на инерци-альных методах определения параметров движения и ориентации контрольно-измерительного комплекса. При этом существующие системы, работающие в динамических режимах, не проводят прямых измерений ж/д пути, значительно усложняя обработку информации, и сложны в эксплуатации.

Поэтому актуальной является задача разработки методов и алгоритмов обработки информации системы прямого определения параметров ж/д пути в динамическом режиме. Второй частью задачи является снижение временных затрат и эксплуатационных расходов и возможность применения систем контроля на необорудованном подвижном составе. Диссертационная работа направлена на решение этих, на взгляд автора, наиболее актуальных задач.

Ключевым вопросом при разработке алгоритмической части комплексных-ных систем является определение оптимального структурного решения и учет точностных характеристик применяемых датчиков первичной информации, необходимых для определения контролируемых параметров с требуемой точностью. Важным вопросом является адаптация алгоритмов обработки информации под облик применяемой системы, свойства датчиков первичной информации и принятую в ж/д центрах контроля идеологию проведения измерений.

Повышение точности и достоверности определения параметров ж/д пути вызывает необходимость разработки новых схемных решений, алгоритмов обработки информации и принципов построения комплексной системы, что и предлагается в диссертационной работе.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение точности и достоверности определения параметров ж/д пути в динамическом режиме для дальнейшего проведения контроля и оценки состояния рельсового полотна.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

-выбор структуры комплексной системы определения параметров ж/д пути (КСОП), разработка общего алгоритма работы КСОП;

- разработка алгоритмов КСОП с учетом особенностей применения системы и свойств подсистем комплекса;

- оценка точности определения параметров ж/д пути с учетом предложенной структуры КСОП и алгоритмов обработ

»МЛИОТЕКЛ I

- проведение экспериментальных исследований и практическое подтверждение полученных разработок.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложено новое структурное решение КСОП и обоснована его оптимальность.

2 Предложены математические модели обработки информации инерциального блока и датчиков рихтовок, и на их основе разработаны алгоритмы совместной обработки информации подсистем комплекса.

3. Предложены принципы построения алгоритмов расчета координат и ориентации нитей ж/д полотна в планетоцентрической системе координат.

4. Предложена методология адаптации результатов, полученных методами инерциалыто-спутниковой навигации под стандарты принятые в инженерных центрах контроля ж/д пути.

Прастическая ценность. Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложенная структура КСОП и алгоритмы расчета параметров ж/д пути позволяют существенно повысить точность определения контролируемых параметров для дальнейшего проведения оценок состояния рельсового полотна.

2. Схема обработки информации подсистем комплекса позволяет проводить прямые и явные оценки контролируемых параметров автоматически, без использования дополнительных итерационных алгоритмов и этапов обработки информации после проведения испытаний и сбора данных.

На защиту выносятся следующие результаты, полученные лично автором:

1. Новое структурное решение построения КСОП и обоснование его оптимальности.

2. Модели обработки информации инерциального блока и датчиков рихтовок, позволяющие корректно провести разработку алгоритмов совместной обработки информации подсистем комплекса.

3. Принципы построения и математическая реализация алгоритмов расчета координат и ориентации нитей ж/д полотна в планетоцентрической системе координат.

4. Методология адаптации результатов, полученных методами инерциально-спутниковой навигации под принятые в инженерных центрах контроля ж/д пути.

Внедрение работы. Основные результаты представленной работы внедрены ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА» в состав специального программного обеспечения вычислителя блока определения ориентации (БОО).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены автором и обсуждены на 5-й конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор», март 2003г.; Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2002», Пермь, апрель 2002г.; VII нижегородской сессии молодых ученых «ТЕХНИЧЕСКИЕЛАУКИ», Дзержинск, февраль 2002г., а также ряде Всероссийских. НТК, проводимых "в НГТУ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 15 таблиц и 60 наименований литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определяется цель, и формулируются задачи исследования, указываются научная новизна и практическая ценность результатов, освещаются вопросы, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации проводится обзор и анализ существующих систем контроля параметров ж/д пути построенных на различных принципах действия как для определения параметров пути в стационарных режимах, так и в динамических.

* В таблице 1 приведены технические характеристики шаблона путеизмеритель-

ного ЦУПЗ для проведения работ в стационарном режиме, разработки ООО «Эп-рос».

Таблица 1. Технические характеристики ЦУПЗ

Диапазон измерения ширины колеи, мм 1510-1550

Диапазон измерения возрышения одного рельса над другим, мм ± 160

Погрешность измерения, мм ± 1,0

Габариты, мм 1710x100x232

Масса, кг 3,5

Комплекс вихретоковой аппаратуры КИК-1, технические характеристики которого приведены в таблице 2, для определения ширины колеи железнодорожного пути предназначен для бесконтактного динамического определения ширины рельсовой колеи, а также бокового износа головки рельсов, позволяющий проводить работы на скоростях от 5 до 80 км/ч.

Таблица 2. Измеряемые параметры КИК-1

Ширина колеи / погрешность измерения, мм 1500...1550 / ±1

Боковой износ головки рельса / погрешность измерения, мм 1...20 / ±2

Время непрерывной работы, час £

Габариты, мм 550 х 300 х 150

Масса, кг 2,5

Применение в настоящее время подобных приборов и систем, для контроля ж/д параметров, становится неприемлемым в связи с ограниченными скоростями движения контролирующей аппаратуры. Все большее распространение получают динамические методы контроля с применением инерциальных датчиков при скоростях движения от 5 км/ч до 200 км/ч.

Большой объем работ по созданию средств для динамического определения параметров ж/д пути проводит научно-производственный центр информационных и транспортных систем «ИНФОТРАНС». Им созданы компьютеризированные путеобследовательские станции (вагоны) КВЛ-П1МП, КВЛ-ШМП.ц, КВЛ-Э.

Таблица 3. Измеряемые параметры КВЛ-Э

Наименование параметра Диапазон Погреш

Взаимное положение обеих рельсовых нитей по высоте (уровень), мм ±155 ±4,0

Отклонение от нормы (1520 мм) ширины колеи (шаблон), мм -10-+40 ±1,5

Стрела изгиба каждой рельсовой нити в горизонтальной плоскости ±225 ±4,0

относительно прямой хорды 21,5 м при замере в точке на расстоянии 4,1 м от конца хорды (рихтовка), мм

Стрела изгиба каждой рельсовой нити в вертикальной плоскости относительно прямой хорды 17,0 м при замере в точке на расстоянии 2,7 м от конца хорды (просадка), мм ±50 ±3,0

Московской промышленно-инновационной компанией «Прогресс» совместно с ВНИИЖТ 111КБ ЦП создана путеобследовательская станция ЦНИИ-4МД, которая позволяет контролировать более 20 параметров: часть параметров определяется в процессе поездки, часть вычисляется после нее.

В компьютеризированных путеизмерителях задача определения ориентации относительно горизонта решается с использованием инерциальных датчиков, ги-роазимутгоризонтов, некоторых морских гироскопических систем.

Упомянутые системы имеют большие массо-габаритные характеристики, требуют создания специальных условий в процессе эксплуатации, и, поэтому, устанавливаются в вагоне путеизмерительной станции.

Использование инерциальных датчиков позволяет определить ускорения движения кузова вагона и углы ориентации кузова относительно горизонта. Но поскольку кузов вагона закреплен на ходовых тележках при помощи пружинной подвески и в ходе движения имеются относительные линейные и угловые перекосы, то для компенсации измерений движений кузова вагона относительно вагонных тележек используется механическая рычажно-тросиковая система (МРТС), которая, в свою очередь, создает проблемы в эксплуатации и имеет достаточно низкую точность.

Более перспективным направлением является применение инерциальных навигационных систем (ИНС).

Для проведения путеизмерительных работ инерциальную часть системы контроля желательно устанавливать непосредственно на вагонной тележке путеизмерительной станции для исключения недостатков использования МРТС При этом получают информацию о движении вагонной тележки, находящейся в непосредственном контакте с железнодорожным полотном. При соответствующем учете условий движения степень достоверности оценок состояния железнодорожного полотна в этом случае значительно выше, чем при установке датчиков первичной информации в вагоне.

При установке ИНС в кузове вагона проблема расчета параметров рельсовых нитей чрезвычайно трудна и вряд ли может быть решена строго ввиду сложного характера колебаний самого вагона относительно тележки. Поэтому при установке ИНС в кузове вагона могут быть получены обобщенные или косвенные параметры состояния ж/д пути. Установка ИНС непосредственно на вагонной тележке, как показано в настоящей работе, позволяет по полученной информации ИНС рассчитать траектории рельсовых нитей, по которым определяются параметры ж/д пути и действующие возмущения при произвольной скорости движения вагона.

В диссертационной работе автором рассмотрен вариант установки инерци-альной системы на вагонной тележке и проблема перехода от измерений на вагонной тележке к параметрам рельсового пути с использованием инфор-

мации датчиков рихтовок (ДР), обеспечивающие комплекс информацией о расстояниях от точки установки ИНС на измерительной тележке до рельсовых нитей.

Вторая глава посвящена анализу вариантов установки инерциальной подсистемы, выбору структуры системы и обоснованию её оптимальности, разработке общего алгоритма работы КСОП.

Обработка информации при определения параметров ж/д пути могут проводиться по данным, полученным двумя вариантами, представленными в таблице 4

Таблица 4. Варианты установки инерциальной подсистемы комплекса

На ручной путеизмерительной тележке На ходовой тележке вагона-лабора гории

- малая скорость передвижения; + достоверные измерения кривых участков в плоскости горизонта и параметров горизонтальных стрел изгиба рельсовой нити (пружинная распорка); -+ не требуется привлечения дополнительно датчиков рихтовок. + высокая скорость передвижения; - присутствие свободных азимутальных колебаний измерительной тележки из-за наличия допустимого отклонения ширины колеи от нормальной (1520 мм); + косвенное выявление грунтовых дефектов

Для проведения контроля ж/д пути последовательно выполняются два этапа:

- определение параметров реального пути;

- контроль соответствия параметров реального пути проектному положению.

Для определения параметров ж/д пути необходимо обеспечить непрерывность

получения информации о местоположении и ориентации рельсовых нитей. Определенные параметры ж/д пути должны быть привязаны к конкретному месту рельсового пути для последующего проведения ремонтных работ.

Проектные параметры определяются стандартами ж/д и задают правила сопряжения прямолинейных и криволинейных участков пути в горизонтальной и вертикальной плоскостях, расстояния между рельсовыми нитями и их относительные возвышения.

На рис. 1 представлена структурная схема комплексной системы измерений.

|Антенна ПСн|_

1 пен ~П вагон

I , -|е=^оператор |

—а . I -V—

| БЧЭ ВИНС I 1 ДР I I дп I измерительная тележка

Рис. 1. Структурная схема КСОП

Бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС), является основной подсистемой комплекса, предназначена для получения непрерывной угловой и линейной информации о движении вагонной тележки.

Причины выбора БИНС - высокая точность навигационных данных, непрерывность и «гладкость» информации, высокая скорость передачи данных, автономность, помехоустойчивость, надежность.

Основным недостатком БИНС является рост погрешностей определения навигационной информации с увеличением времени функционирования, обусловленный ошибками от задания начальных условий, инструментальными погрешностями блока чувствительных элементов (БЧЭ).

Для снижения ошибок БИНС в состав КСОП включается ПСН, ошибки которого по навигационным параметрам не зависят от времени.

Для привязки измеренных параметров ж/д пути по местоположению, а также для повышения надежности и помехозащищенности системы в состав КСОП включается датчик пути (ДП), автономное использование которого не обеспечивает удовлетворительного результата из-за его погрешностей, достигающих десятков метров на 1 км пути. Основные источники погрешностей ДП- ошибки из-за торможения/проскальзывания колеса по рельсу. Комплексирование ДП с ПСН и БИНС позволяет снизить уровень ошибок ДП приблизительно в 10 раз, что позволяет использовать его для привязки оцененных дефектов пути по местоположению.

Таким образом, КСОП в составе БИНС, ПСН, ДП позволяет получить линейные и угловые параметры местоположения в точке установки БИНС.

В состав системы дополнительно включаются датчики рихтовок, с помощью которых производится переход от координат и ориентации БИНС к кординатам и ориентации нитей ж/д пути. Включение в состав КСОП ДР позволяет замкнуть задачу измерения траекторий рельсовых нитей.

Функциональная схема обработки информации в КСОП приведена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема обработки информации в КСОП

Общий алгоритм работы КСОП можно описать следующей последовательностью.

Шаг 1. Измерение и строгая синхронизация первичной информации от всех источников: БЧЭ БИНС, ПСН, ДП, ДР. Синхронизация измерений БЧЭ БИНС и ДР производится аппаратно по синхросигналу. Синхронизация измерений ПСН производится пересчетом измерений на время КСОП (с использованием метки времени ПСН) с учетом переносного движения антенны ПСН относительно БЧЭ по информации БИНС о линейном и угловом движении. Синхронизация измерений ДП производится пересчетом измерений ДП на время КСОП по информации БИНС о скорости движения.

Шаг 2. Комплексирование БИНС и ПСН. С частотой обновления информации ПСН производится совместная обработка навигационной информации БИНС и подготовленной на шаге 1 информации ПСН. Целью комплексирования являются: фильтрация шумовой составляющей измерений ПСН; оценивание погрешностей БИНС и их компенсация в замкнутой схеме. Результатом выполнения шага 2

являются навигационные параметры движения в месте установки БЧЭ, получаемые с частотой обновления информации БИНС.

Шаг 3. Комплексирование ПСН и ДП. Комплексирование производится с частотой обновления информации ПСН, обработке подлежит информация ПСН и ДП, подготовленная на шаге 1. Целью комплексирования является устранение систематических и динамических погрешностей ДП. Результатом выполнения шага 3 является привязанный по времени пройденный путь, рассчитанный с частотой обновления информации БИНС.

Шаг 4. Расчет местоположения нитей ж/д полотна и ориентации локальной системы координат, связанной с ж/д путем. Производится пересчет координат местоположения, полученных на шаге 2, в координаты нитей ж/д полотна с использованием измерений ДР. Определяется ориентация локальной системы координат, связанной с ж/д полотном с использованием ориентации БЧЭ, полученной на шаге 2, и измерений ДР. Частота обновления информации совпадает с частотой обновления информации БИНС.

Шаг 5. Преобразование и выдача потребителю информации КСОП.

Примечание: в случае отказов ПСН производится комплексирование информации БИНС и ДП. Тем самым обеспечивается резервирование и повышается надежность КСОП.

Для решения задач КСОП произведен выбор из известных методов комплексирования БИНС/ПСН. Анализ показал, что для решения задачи необходимо использовать комплексную систему на основе субоптимального фильтра Калмана.

Уравнения состояния фильтра комплексной навигационной системы, исходя из режимов работы комплексной измерительной системы и с учетом наиболее значимых и требующих компенсации источников погрешностей ЧЭ инерциаль-ного блока, запишем в виде

' =-{*)Agiäki + Ag\&k\ +АSg-(2пг+п0бл)дгг~(àg)2Mg

где ARg,AVg - векторы ошибок БИНС по местоположению и скорости; Ag\ - матрица ориентации связанных осей относительно геодезических; кажущееся ускорение â]ç\ (инерциальное ускорение а, с учетом вектора силы тяжести g, ) в проекциях на измерительные оси датчиков; ДЗА1 - инструментальные ошибки акселерометров; Qg.Qojç, - векторы угловой скорости вращения Земли и облета; gg -вектор ускорения силы тяжести; Agg - ошибка определения вектора ускорения

силы тяжести; Ф - вектор-угол рассогласования вычислительного трехгранника с опорным; Дй5) - инструментальные ошибки ДУС.

Основные технические характеристики комплексной системы (БИНС/ПСН) при применении ее в составе КСОП, подтвержденные математическим моделированием и моделированием с использованием реальных данных представлены в таблице 5.

Время готовности 10-15мин

Погрешность ориентации в горизонте 1 уьт.мин

Погрешность ориентации в азимуте 0,1"/час

Погрешность по скорости не более 0,1 м/с

Погрешность по координатам- (GPS, нет селективного доступа) (GPS, селективный доступ) не более 15 м не более 100 м

Таким образом, выбран оптимальный состав, определено функциональное назначение компонентов КСОП, обосновано местоположение БЧЭ БИНС.(надо лучш)

Третья глава посвящена вопросам разработки моделей совместной обработки информации в комплексной системе контроля при использовании информации датчиков рихтовок и инерциального блока.

В настоящее время на путеизмерительных станциях и выправочных машинах для получения информации о неровностях рельсовых нитей широко используют метод измерения по несимметричной хорде (см. рис. 3). Известные итерационные методы не позволяют по полученной информации полностью восстанавливать положение пути и являются неточными при неблагоприятных начальных и конечных условиях. Применяемые методы имеют погрешность 6... 18 % (в зависимости от частоты неровностей и их амплитудных значений), что неприемлемо для качественной выправки железнодорожного пути.

' 4 ' , r- J ^ f * - ? I

Рис. 3 Расчетная схема обработки информации по методу хорд

Преимущества предлагаемой в диссертационной работе схемы обработки нформации состоят в том, что используются данные измерений в точке непосредственного контакта измерителя с рельсовой нитью. В предлагаемой схеме нет «пропусков» информации о малых волнах, присутствующих между начальной и конечной точками измерительной хорды (базовая длина хорды » 22 м).

Расчетная схема совместной обработки информации ДР, БИНС представлена на рис. 4.

При разработке алгоритмов принята, приведенная ниже модель измерений.

Раму измерительной тележки считаем абсолютно жесткой. На раме измерительной тележки, в точке INS установлен БЧЭ БИНС, по информации которого определяются параметры движения измерительной тележки. В фиксированных точках рамы установлены датчики рихтовок, которые, в связанной с рамой сис-

теме координат (соответственно, в связанной с БЧЭ), измеряют расстояния до верхней (S„) - hn,hn и боковой (S6) - а, Ъ, с, d плоскостей рельсовых нитей, необходимые для перехода от измерений БЧЭ БИНС к параметрам непосредственно рельсовых нитей.

Использование информации ДР позволяет получить матрицу лл£ перехода от измерений ориентации БЧЭ БИНС к ориентации рельсового пути, информацию о ширине колеи, а также информацию необходимую для определения положения каждой рельсовой нити.

Обозначения на рисунке:

ось 1 - ось катания первой колесной пары; ось 2 - ось катания второй колесной пары; Ьт- ширина тележки, считаем расстояние между гребнями колес;

1т- длина тележки, считаем расстояние между осями 1 и 2;

а, Ь, с, d - измерения ДР; 1тдр - расстояние от оси катания колес тележки до'места контакта ДР с рельсовой нитью; i//pn - азимутальный угол рельсового полотна; у/т- азимутальный угол измерительной тележки г/ - расстояние от INS до центра измерительной тележки;

г", г" - расстояние от центра тележки до точек измерения левой, правой рельсовых нитей; гл, г" - расстояние от INS до точек измерения левой, правой рельсовых нитей. Примечание. Все расстояния г представлены в векторном виде (х, у, z).

Рис. 4 Расчетная схема обработки информации ДР

Систему координат связанную с ж/д путем (локальную) определим следующим образом: ось ОХл направлена по средней линии в сторону движения, ось ОУл -перпендикулярна плоскости рельсов, ось 07.п - дополняет систему координат до правой.

Углы ориентации для определения матрицы A„g определяются по геометрическим размерам измерительной тележки и информации ДР. Углы расположения правой/левой боковой грани измерительной тележки по отношению к правой/левой рельсовой нити и угол отклонения продольной оси измерительной тележки от продольной оси рельсового полотна определяются:

/ , ¿у _ kTi я J

(V? . /t-X ОСЬ I | LV />! 1

ось 2 I V\,

* о ¡т Ьт

а 'тар _ 1 Ь С |

ynp=arctg-

Улев = arc'S

Упр + Ущв

lT + 21ТЛр

lT + 21ТДР

Аналогично определяются углы крена и тангажа:

и I , т.1 h - ПР "г "ПР "ПР ~ -

к =

и — MB "лев - 2

h2 о. Ii2

^ _ "ПР "г "лев

Д у/е =

Ьт

ASr = arclg

О)

(2) (3)

Искомую матрицу ориентации ЛдБ получим, используя правило последовательности поворотов

аЛБ = А&уРАьаР аАУр ■ (4)

Ширина колеи определяется кратчайшим расстоянием от одной головки рельсовой нити до другой. В общем случае при свободном расположении измерительной тележки ширина колеи определяется величиной LK (см. рис.4) ¿Vsin(90-vW У- t d

+ cos^-^j

Заметим, что при расположении измерительной тележки без перекосов в рельсовой колее для ширины колеи становится справедливо второе выражение из (5).

Измерения в точках контактов датчиков с рельсовыми нитями могут быть получены по информации ДР с учетом радиус-векторов отражающих положение точек измерения по отношению к инерциальным измерителям (см. рис. 4).

Вектор rt представляет собой вектор констант зависящий от места установки

INS на измерительную тележку, вектора rf, г" определяются по геометрическим размерам тележки и измерениям по ДР

= const,

КН'

hЛЕЯ

-L + a 2

1ЫЧН

ЬТ J 2

(6)

где Ипр, ЬДЕВ - расстояния от правой/левой рельсовой нити до места установки датчиков на измерительной тележке по вертикальной оси.

В итоге векторы гл, гп могут быть получены из соотношений

т" =г, +г.

(7)

Таким образом, получены соотношения измерений ДР, которые будут использованы в алгоритмах для определения каждой координат рельсовой нити.

В соответствии с гл. 2, в результате комплексирования информации БИНС и ПСН координаты местоположения рассчитываются в геодезических параметрах {р,Х,й}, а ориентация БЧЭ и другие параметры движения относительно местной геодезической системы координат (ГСК).

В соответствии с принятой моделью измерений ДР справедливы соотношения (7) для координат местоположения точек касания колес относительно точки установки БЧЭ на оси системы координат, связанной с рамой ходовой тележки.

Прямоугольные координаты точек касания колесами рельсовых нитей в ГСК

г%=АгБгБ, (8)

где г£ - векторы, определенные формулами (7); А^ - матрица перехода от связанной с БЧЭ системы координат к ГСК.

Формула (8) определяет прямоугольные координаты точек касания колесами рельсовых нитей на оси ГСК относительно геодезических координат точки местоположения БЧЭ (точка INS).

Ориентация связанной с ж/д путем (локальной) системы координат относительно ГСК с учетом формулы (4)

(9)

Таким образом, предложенные математические модели обработки информации инерциального блока и датчиков рихтовок, позволяют получить координаты местоположения нитей и ориентации ж/д пути относительно ГСК, что необходимо для дальнейшего корректного проведения разработки алгоритмов комплекса.

Четвертая глава посвящена разработке алгоритмов расчета координат и ориентации ж/д полотна в планетоцентрической системе координат с учетом принятых в третьей главе моделей, адаптации полученных решений под принятые в ж/д центрах контроля, а также анализу погрешностей КСОП.

В ж/д центрах контроля и обработки информации при описании пути используются две основные системы координат: базовая (OXYZ) и связанная (O,X,Y,Z0.

На больших расстояниях нельзя использовать одну прямоугольную базовую систему координат из-за накапливающихся ошибок в определении как инерци-альной информации, так и ж/д параметров (местоположения, ориентация).

Следовательно, необходимо получать параметры пути в «абсолютной» системе координат, например планетоцентрической или геодезической. Данное высказывание подтверждается необходимостью глобальной локализации измеряемых путей и занесение сведений в базу данных ж/д центров контроля для удобства использования в дальнейшем полученной информации.

Координаты рельсовых нитей в планетоцентрической CK с учетом результатов, полученных в предыдущих главах

rr=Argrg=Arg(AgErß), (10)

где Arg - матрица перехода от местной ГСК к планетоцентрической, определяется по аналитическим формулам.

Ориентацию, полученную по матрице Arg нельзя использовать для проведения анализа пути. Ориентация должна быть получена в каждой точке пути относительно местного горизонта.

Таким образом, весь измеряемый путь должен быть разбит на участки, на каждом из которых определена базовая система координат в которой и необходимо получать параметры ж/д пути.

Используя результаты, представленные в главах 2 и 3, выберем в качестве базовой стартовую систему координат с началом в некоторой точке пути с координатами {ßc,Xc,Ac}- Пусть ориентация стартовой системы координат совпадает с ориентацией ГСК в начальной точке.

Алгоритм пересчета координат и ориентации, определенных в гл. 3, строится на базе аналитических зависимостей для модели поверхности Земли в виде эллипсоида вращения. Пусть текущая точка БЧЭ имеет координаты {ß,X,A}. Тогда

вектор разности между текущей точкой и началом координат на оси планетоцен-трической системы координат ДЯг.

ДЛг=Лг(рЛ,А)-^(рсДс,^). (11)

Расчет Яг (р, к, А) производится по аналитическим формулам. Координаты точки {рД,А} в стартовой СК с учетом (11)

Яс=Асг ДДГ, (12)

где Ас,- - матрица перехода от планетоцентрической к стартовой СК.

Ориентация локальной системы координат ж/д пути также находится по аналитическим формулам.

Сначала находим матрицу

(13)

Затем искомую матрицу перехода от локальной к базовой (стартовой) СК

■^сл (14)

Найдем координаты рельсовых нитей на оси базовой (стартовой) СК

Г^Яс+^Гр, (15)

где г,- - искомые координаты; Яс - координаты местоположения БЧЭ, вычисляемые по формуле (12); ^ - матрица перехода от ГСК в текущей точке к стартовой СК; г^ - координаты нитей в ГСК, найденные в гл.З.

Таким образом, получены координаты точек пути на оси стартовой (базовой) системы координат и определена в ней ориентация связанной (локальной) СК. Информация КСОП представлена в форме принятой ж/д центрами контроля, что подтверждает верность предложенных методов построения алгоритмов и методов адаптации полученных решений.

Используя уравнение (15) проведем анализ погрешностей КСОП.

В линейном приближении ошибка КСОП по координате имеет вид

Ъгс = ЬЯС + 2ACgЛArg + АС\АА\Г1 + А^Ьгр, (16)

где ЬЯС - ошибка по координате; Ь7р - ошибка измерения датчика рихтовок (равномерно распределенный белый шум); ЛЛ - ошибка ориентации (вычислительная); М\ - ошибка КСОП по ориентации; ЬЁС - накопление ошибок КСОП на интервале измерения между текущей точкой и началом координат; выражение с АА мало.

Величина ошибок КСОП приведена в главе 2. Изменение ошибок КСОП определяется нестабильностью инструментальных погрешностей датчиков и параметрами фильтра комплексного реЩения. Для недорогих БЧЭ величина нулевого

_л

сигнала акселерометров составляет 10 нестабильность нулевого сигнала -¿иг4«/ час. Пусть фильтрация обеспечивает в установившемся режиме сходимость со скоростью ¿/мин. Тогда накопление ошибки по координате на 1(Г3 м произойдет за время Ы> 10сек или £ 15л< при скорости движения 15м/с. Не-

скомпенсированный уход лазерных гироскопов составляет 0,1-^0,2°/час, тогда изменение ошибки КСОП от ориентации имеет аналогичный порядок.

Анализ ошибок КСОП показывает, что система удовлетворяет требованиям ж/д по точности с применением в составе КСОП БИНС средней точности.

Данные результаты получены для инерциальной системы среднего класса точности, построенной на лазерных гироскопах. Анализ показывает, что для достижения необходимой точности достаточно использовать инерциальную систему построенную на волоконно-оптических гироскопах (нескомпенсиро-ванный уход 2+3°/час) со значительно сниженными стоимостными показателями. В связи с этим фактом становится возможным оборудовать предлагаемой системой не только дорогие специализированные вагоны-лаборатории, но и выборочно рядовые составы. Данное преимущество дает возможность проведения как постоянного мониторинга состояния рельсового полотна в процессе штатных проездов, так и проведения контроля режимов движения подвижного состава.

Таким образом, решена задача определения параметров и их привязки к ж/д пути с использованием комплексной системы на базе БИНС, установленной на раму ходовой тележки путеобследовательской станции, получено уравнение ошибок и проведен точностной анализ.

В пятой главе представлены результаты испытаний контролирующей системы на ходовой тележке путеобследовательской станции и ручной измерительной тележке, получены характеристики пути и представлены параметры необходимые для проведения анализа состояния ж/д пути.

Целью проведения испытаний являются оценка достижимой точности определения параметров ж/д пути с применением блока определения ориентации разработки ОАО AHiill «ТЕМП-АВИА» в составе путеизмерительного вагона-лаборатории с использованием датчиков первичной информации: ЛГ-2, БА-50-16, ДП, ПСН.

Оценка точности определения параметров ж/д пути может проводиться по эталонным измерениям или по повторяемости измерений. В данных испытаниях эталонные измерения отсутствуют. Графики повторяемости измерений на приме-

Рис. 5 Азимутальный угол при проезде в Рис. 6 Азимутальный угол при проезде в прямом и обратном направлении, разность прямом и обратном направлении, разность углов при совмещении (вагон) углов (тележка)

По графикам наложения более высокий уровень шума при проезде на вагоне обусловлен неиспользованием информации датчиков рихтовок (отличия конструкций вагонной измерительной тележки и ручной). Данные по рихтовкам в данных проездах отсутствуют. Более высокий уровень ошибки на участках поворота обусловлен перекосами тележки в рельсовой колее при различном направлении движения (прямой/обратный ход).

Оценки автономной точности инерциальной части системы без учета погрешностей, обеспечивающих устройств (ДП, тележка) и возмущений движения дают числовые характеристики, представленные в таблице 6.

Таблиц» 6. Точность оценки параметров пути

Вид погрешности Величина погрешности

Определение уровня (при ширине колен 1520мм) не более 0.5 мм

Определение вертикальных стрел изгиба рельсовых нитей (рельсового полотна) на длине базы путеизмерительной тележки 2500мм не более 0.5 мм

Определение горизонтальных стрел изгиба рельсовых нитей на 20 метровых участках не более 1 мм

Определение радиуса круговых участков не более 1 +2 м

По результатам оценок можно сделать следующие выводы:

- анализ проездов на вагоне и тележке и сравнение результатов на примере азимутального угла при проездах в одну и другую сторону по одному и тому же участку пути позволяют сказать о хорошей повторяемости выходных параметров системы на интервалах движения порядка единиц метров;

- совмещение показаний азимутального угла при проезде на тележке и вагоне по одинаковым участкам пути имеет хорошую повторяемость на макроуровне (на отрезках длиной несколько десятков метров).

Анализ состояния рельсового полотна проводится по полученным параметрам рельсового пути и критериям оценок, принятых в железнодорожных центрах контроля. Связь, например, уровня, радиуса кривизны и скорости движения определяется следующей зависимостью Ь = 12.5 У2/^ •

____,___._Т^НГ»

ВЬ.——и— 111 и^ИЯ .

Рис. 7. Фрагмент параметров пути при проезде на тележке (азимут, уровень, кривизна)

м а не гш аи

Рис. 8. Уровень на участках: вход в кривую/выход из кривой: для первого круг, уч-ка-(1- 35мм:50м; 2- 40мм: 110м); для второго круг, уч-ка: (3- 40мм:50м; 4 - 60мм:70м)

Средний радиус, м Рекомендуемое возвышение*, мм Реальное возвышение, мм Рекомендуемая скорость, км/ч

550 56 50-60 46-51

660 47 60-80 56-64

По результатам испытаний можно сказать, что с использованием представленного структурного решения комплекса получены данные, позволяющие говорить о возможности обеспечения требуемой точности определения параметров ж/д пути, автоматизации процесса проведения контроля и получения необходимой информации в реальном времени без применения методов постобработки. Для расширения количества определяемых параметров, повышения точности и достоверности результатов необходимо использовать предлагаемую в данной диссертационной работе структурную схему построения комплексной системы контроля параметров ж/д пути.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ существующих систем определения параметров ж/д пути построенных на различных принципах действия как для проведения работ в стационарном режиме, так и в динамическом. Определены их достоинства и недостатки.

2. Исследован вопрос размещения бесплатформенного инерциального блока на путеизмерительном объекте в целях достижения необходимой точности и достоверности получаемых данных. Предложена структура общей схемы системы контроля и функциональная схема обработки информации в КСОП.

3. Предложена новая схема и модель обработки информации датчиками рихто-вок. Представлен алгоритм перехода от полученной информации инерциального блока к измеряемым точкам рельсового пути, с использованием информации датчиков рихтовок.

4. Разработаны алгоритмы получения характеристик ж/д пути с использованием информации датчиков рихтовок в требуемых системах координат. Получены уравнения ошибок измерений рельсовых нитей с использованием «измерительной пары»: инерциальный блок, датчики рихтовок.

5. Дано обоснование возможности применения инерциальной системы на волоконно-оптических гироскопах с невысокой стоимостью, что позволит устанавливать измерительную систему не только в специализированных вагонах-лабораториях, но и выборочно - на рядовых составах. Это позволяет проводить как постоянный мониторинг состояния рельсового полотна в процессе штатных проездов, так и проводить контроль режимов движения подвижного состава.

6. Представлены результаты натурных испытаний контролирующего комплекса на ручной путеизмерительной тележке и на путеобследовательском вагоне-лаборатории. Полученные данные проездов достаточны для проведения некоторых оценок состояния рельсового полотна с использованием критериев, применяемых в железнодорожных центрах контроля.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Николаев Д.В., Чуманкин Е.А. Блок определения ориентации для подвижных объектов /сборник статей по материалам VII нижегородской сессии молодых ученых «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ» Дзержинск, февраль 2002.

2. Николаев Д.В., Чуманкин Е.А., Мишин А.Ю. Оценка возможности построения блока определения ориентации для путеизмерительного вагона /тезисы докладов на Всероссийской научно-технической конференции "Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2002" Пермь, апрель 2002, с.194.

3. Николаев Д.В. Испытания лазерного гироскопа на путеизмерительной станции /тезисы докладов на Всероссийской научно-технической конференции "Информационные системы и технологии ИСТ-2002" Н.Новгород, 2002.

4. Николаев Д.В., Использование инерциальной системы для контроля параметров железнодорожного пути /сборник статей по материалам Всероссийской научно-технической конференции "Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении ПТ-2002", Н.Новгород-Арзамас, 2002, с.428-432.

5. Николаев Д.В., Мишин А.Ю., Чуманкин Е.А. Инерциальные измерения железнодорожного пути /тезисы докладов V научно-технической конференции молодых ученых "Навигация и управление движением", СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2003.

6. Николаев Д.В., Мишин А.Ю., Чуманкин Е.А., Г.И. Костенко. Комплекс наземной отработки инерциальных систем с приборами спутниковой навигации. /Навигация и управление движением. Материалы V конференции молодых ученых. - ГНЦ РФ-ЦНИИ «Электроприбор», 2003, с.240-245.

7. Николаев Д.В. Кинематический подход определения параметров железнодорожного пути /сборник статей по материалам Всероссийской научно-технической конференции "Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении ПТ-2003", Н.Новгород-Арзамас, 2003, с.413-417.

8. Николаев Д.В. Анализ особенностей измерения параметров железнодорожного пути при наличии информации контролирующей инерциально-навигационной системы /сборник статей «Перспектива 4», Арзамас, 2004.

9. Николаев Д.В., Мишин А.Ю. Повышение точности определения отклонения от горизонта комплексной системы контроля параметров рельсового пути, /сборник статей «Труды НГТУ», Н.Новгород, 2004 с.65-70.

Подписано в печать 03.05.2005. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. _Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 80 экз. Зак. 320._

Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603600, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. К. Минина, 24.

РНБ Русский фонд

2006-4 4960