автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование оптико-электронной системы хранения направления в плоской системе координат

□03488237 На правах рукописи

Елкин Евгений Александрович

Разработка и исследование оптико-электронной системы хранения направления в плоской системе координат

Специальность 05.11.07 — Оптические п оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

10 ДМ 2009

Москва - 2009

003488237

Работа выполнена на кафедре информационно-измерительных систем Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК).

Научный руководитель:

Доктор технических наук, Профессор Майоров Андрей Александрович

Официальные онпоненты: Доктор технических наук, Профессор

Хорошев Михаил Васильевич

Кандидат технических наук Мсйтин Валерий Аркадьевич

Ведущая организация:

ОАО НПП «Геофизика-Космос»

Защита состоится « ИГ» декабря 2009

г. в

и

часов на заседании

диссертационного совета Д212.143.03 при Московском государственном университете геодезии и картографии по адресу: 105064, Москва К-64, Гороховский переулок, д.4, МИИГАиК, зал заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета геодезии и картографии (105064, Москва К-64, Гороховский переулок, д.4).

Автореферат разослан « • ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертациошюго совета

'ЛИацм

Ю.М. Климков

Общая характеристика работы

Актуальность исследований обусловлена потребностью в создании принципиально новой системы хранения направления, основанной на виртуальном измерении углового положения контролируемого основания.

Из рассмотренных свойств гироскопов различного типа, как устройств, решающих задачу хранения направления, следует, что у каждого есть недостатки, ему присущие. Между тем, у всех типов гироскопов общий недостаток - это интегрируемость ошибки измерения курса со временем, что делает невозможной работу гироскопического устройства в течение длительного периода времени.

Общим при традиционном методе хранения курса гироскопическим устройствами, использующимися сегодня, является создание направления на подвижном основании физическими элементами этих устройств, а также сохранение их положения в независимой от подвижного основания системе координат (инерциалыюй или связанной с землей).

Необходимость периодического выставления гироскопа по заданному направлению влияет как на точность измерений, так и на удобство его эксплуатации.

Высокие точности измерений могут обеспечить механические, кольцевые лазерные и возможно, лучшие образцы волоконно-оптических гироскопов. С точки зрения стоимости в этом случае лучше всего волоконно-оптические гироскопы, однако, их цена на Западе, судя по проведенным исследованиям рынка, составит от 10 тыс. долларов и выше. Стоимость кольцевого лазерного гироскопа при той же точности раза в два выше.

Постоянно возрастающие требования к точностным и эксплуатационным характеристикам гироскопических приборов стимулируют интерес не только к дальнейшим усовершенствованиям рассмотренных в работе гироскопов, но и к поискам принципиально новых идей, позволяющих решить проблему создания чувствительных датчиков для индикации и измерения угловых движений объекта в пространстве.

Резюмируя все вышесказанное, напрашивается вывод: в настоящее время для системы определения ориентации подвижного объекта использование оптических инерциальных измерителей в чистом виде нецелесообразно. Среди гироскопов наиболее перспективными, видимо, являются механические гироскопы как обладающими наивысшей точностью при минимальных габаритах. Использование волоконно-оптических гироскопов также накладывает дополнительные требования. Для повышения точности с использованием математического аппарата фильтрации необходимо проведение дополнительных исследования.

Анализ литературы показывает, что в классических системах определения ориентации инерциальные датчики дополнены датчиками положения, выполняя измерения каждые в своем спектре изменения угловых скоростей. При этом относительные погрешности измерений, выполненные гироскопами в низкочастотной области спектра, увеличиваются и могут быть одного порядка с измеряемыми величинами. В этом случае необходимо периодически корректировать измеряемые данные, используя независимые измерения.

Таким образом, интересна разработка нового подхода к хранению направления, идеей которого станет отказ от так называемого физического метода хранения направления. При этом оно может виртуально сохраняться через результаты угловых измерений, производящихся с момента запуска устройства.

Идея метода должна быть универсальна, и конкретика ее применения в той или иной области может варьироваться лишь от массогабаритных параметров навигационного устройства.

При этом стоимость должна быть конкурентоспособной по отношению к существующим сегодня приборам.

Целью диссертационной работы является разработка метода хранения направления в плоской системе координат, основашюго на отказе

от традиционного физического хранения. При этом оно может храниться в виде результатов угловых расчетов.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) Выполнен аналитический обзор литературных и патентных источников известных методов навигации, хранения и определения положения, проведен их анализ, выявлены частные и общие недостатки;

2) Разработана и исследована модель оптико-электронной системы хранения направления, основанной на виртуальном измерении изменений положения контролируемого основания;

3) Разработаны методики расчета, получены аналитические зависимости, учитывающие связь массогабаритных параметров устройства с точностью измерений, возможных погрешностей;

4) Проведен анализ и расчет параметров работы исследуемой системы применительно к контролю характеристик железнодорожного пути, точность результатов которого превышает используемые сегодня методы.

Методы исследования

Все разработанные методы и алгоритмы были протестированы на персональных компьютерах.

В качестве математического аппарата для расчетов использовались:

1) Ковариационная модель для нахождения оптических передаточных функций;

2) Преобразование Фурье;

3) Для проведения численных и аналитических расчетов были использованы программные пакеты МАТНСАО, МАРЬЕ.

Для трехмерного моделирования была использована среда ЗБ МАХ.

Основные положения, выносимые на защиту

1) Методика хранения направления в плоской системе координат. Хранение направления реализуется виртуально через результаты периодических угловых измерений;

2) Алгоритм построения математической модели системы;

3) Анализ и расчет возможных ошибок системы хранения направления. Возможные пути их компенсации;

4) Практическая реализация предложенного метода для контроля параметров железнодорожных путей.

Научная новизна результатов диссертационного исследования:

1) Обоснована необходимость создания и применения нового подхода в области храпения направления;

2) Найден новый алгоритм, позволяющий осуществлять хранения направления, основываясь на результатах угловых измерений;

3) Построена математическая модель системы, позволяющая рассмотреть специфику ее работы, детально рассмотрены возможные погрешности измерений, определена потенциальная точность измерений;

4) Подана заявка на изобретение устройства, работа которого построена на одной из реализаций исследуемой оптико-электронной системы.

Научная ценность работы состоит в разработке и исследовании принципиально новой оптико-электронной системы, в основе работы которой лежит идея отказа от традиционного физического хранения.

Практическая ценность работы заключается в разработке методики, алгоритмов расчета оптико-электронной системы, позволяющей производить контроль параметров железнодорожного полотна. При этом стоимость и точность метода вполне конкурентоспособна по сравнению с современными аналогами.

Личный вклад автора

Все полученные в ходе исследования математические и аналитические расчеты и зависимости принадлежат автору. Им разработаны модель работы метода, исследованы все возможные причины возникновения погрешностей, проведена оценка точности метода при различных условиях эксплуатации.

Апробация работы

Основные результаты исследования на 3-х международных конференциях и научно-технической конференции студентов и молодых ученых МИИГАиК.

Публикации

По материалам работы опубликованы 2 статьи в рецензируемых изданиях, включенных в список ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 120 страниц машинописного текста.

Содержание работы

Во введении приводится краткий исторический очерк методов определения и хранения направления с древнейших времен до наших дней.

В первой главе проводится обзор современных устройств хранения направления - гироскопов.

В ходе проведенного исследования были выявлены недостатки, присущие каждому типу гироскопических устройств, а также общие особешюсти работы, вносящие погрешности в измерения.

Анализ показал, что в классических системах определения ориентации инерциальные датчики дополнены датчиками положения, выполняя измерения каждые в своем спектре изменения угловых скоростей. При этом относительные погрешности измерений, выполненные гироскопами в низкочастотной области спектра, увеличиваются и могут быть одного порядка с измеряемыми величинами. В этом случае необходимо

периодически корректировать измеряемые данные, используя независимые измерения.

У всех исследованных типов гироскопов обнаружен общий недостаток - интегрируемость ошибки измерения курса со временем, что делает невозможной работу гироскопического устройства в течение длительного периода времени, при этом создавая необходимость периодического выставления гироскопа по заданному направлению, что влияет как на точность измерений, так и на удобство его эксплуатации.

1 угл. с. гпрокомппсировшшс

Скорость вращения Земли

Ю"3

1.5-10" 1.5-10я 1.5-Ю"1 1.5-10"' 0.015 0.15 1.5 15

Стабильность (|ра.Ч'Ч)

Рис. 1. Точность гироскопов

Таким образом, интересна разработка нового подхода к хранению направления, идеей которого станет отказ от так назьюаемого физического метода хранения направления. При этом оно может виртуально сохраняться через результаты угловых измерений, производящихся с момента запуска устройства.

Идея метода должна быть универсальна, и конкретика ее применения в той или иной области может варьироваться лишь от массогабаритных параметров навигационного устройства.

При этом стоимость должна быть конкурентоспособной по отношению к существующим сегодня приборам.

Предлагается схема работы метода, в основе которой лежит взаимодействие двух каналов: опорного и измерительного. При этом в качестве плоскости измерения предлагается выбрать плоскость вращения инерционной массы - маховика. Он закреплен на контролируемом основании в подшипниках. Таким образом, его работа никак не будет связана с вращением самого основания.

Целью совместной работы опорного и измерительного каналов является определение угловых поворотов основания, на котором они расположены.

Схемы обоих каналов представлены на рис. 2 и 3.

Отражатель

'"оллиматор точник излучения

Работа

Маховик

Рис.2. Опорный канал

Ма\овнк

Рабочее отверстие

'иоочее отверстие Оптическая пара

Рис. 3. Измерительный канал

Системы обоих каналов расположены на основании, положение которого контролируется. Это позволяет избежать рассогласований в работе внутри каждого из каналов.

Дается подробное описание работы опорного и измерительного каналов. При этом уделяется особое внимание работе опорного, в котором происходит компенсация поворотов основания оптическими методами, что делает возможным связать с ним хранимое направление.

Ход лучей до поворота основания показан на рис. 4 толстыми линиями. Излучение от источника 1 попадает на коллимирующую линзу 2, после чего, отразившись, - в объектив приемной системы 3. Рабочее отверстие 4 располагается в задней фокальной плоскости объектива, что позволяет получить промежуточное изображение, которое через конденсор 5 попадает на фотоприемное устройство 6.

При повороте основания на некоторый угол а вместе с ним повернется, и вся система опорного канала, что показано на рис. 4. Тогда согласно законам оптики отраженный луч повернется в противоположную сторону на угол 2а. Однако промежуточное изображение после прохождения излучения объектива 3 все равно будет сформировано в плоскости рабочего отверстия 4. После чего оно попадет на фотоприемное устройство б.

Таким образом, период появления электронных импульсов на фотоприемнике 6 не будет зависеть от вращения основания (рис. 5). Хранимое направление можно связать с этими импульсами.

Рис. 4. Ход лучей в опорном канале до и после поворота основания (вид сверху)

Сигнал

Время

Рис. 5. Сигнал опорного канала не зависит от поворотов основания

Сигнал на фотоприемнике измерительного канала (рис. 6) возникает с учетом задержки (опережения) с случае поворота основания п направлпении совпадающем или противоположном вращению маховика.

Сигнал

Время

Рис. 6. Сигнал измерительного канала с учетом вращения основания

Таким образом, сопоставление сигналов опорного и измерительного каналов позволяет получить сигнал рассогласования, который в свою очередь несет информацию об изменении углового положения основания а.

Во второй главе приводится построите математической модели, позволяющей описать работу исследуемого метода хранения направлещи.

Логика работы устройства, реализующего исследуемый метод, а также преобразования оптических сигналов в системах каналов, описаны через систему передаточных функций компонентов.

Для опорного канала найдены передаточные функции следующих компонентов: коллиматора, отражателя, объектива приемной системы, рабочего отверстия, конденсора, фотоприемшпеа.

Для измерительного канала: объектив приемной системы и конденсор, входящие в оптическую пару, рабочее отверстие, фотоприемник.

Полученные значения, сопоставленные со скоростью вращения маховика, позволяют получить форму импульсов на фотоприемнике.

В результате расчетов, полученные передаточные характеристики имею виды:

опорный _ канап

агссоБ! '—— '1 \-Х-

2 хЛ 12/,

Г *г!?гг

*ехр г

5 2агЫ§

О 2/.

180

^отр

/ fy

Л(—:-г—)Л(——)- Дли опорного канала;

1 измерительный _канап

JJL).jlUJL

\2ZoJ 2хЛ

"схр

* ) - для

ХлО ^Ху о

измерительного канала.

Тогда формы электрических сигналов опорного и измерительного каналов будут выражаться зависимостями:

^онгрный _ханал пи ^опорный

' Н *Е

эпормый _канал ист _{топрний _каиап

U =¿' * Н *Е

имиримельный_канах пи ^изш/ытемный _канах шигритепьний_ханоп жт-шмеритеяншй *аюа

Угол поворота основания может быть найден по формуле, учитывающей время появления данных сигналов относительно друг друга и угловую скорость вращения маховика:

Вариант реализации электронного тракта для исследуемой системы имеет вид:

На схеме: ФПУ ОК и ФГ1У ИК - фото приемные устройства опорного и измерительного каналов, ^ и 12 - время появления импульсов.

В третьей главе проводятся расчеты погрешностей измерений метода.

К случайным погрешностям отнесена угловая погрешность измерительного канала. Ее причина заключается в том, что не известен момент начала вращения основания во время одного периода вращения маховика. Погрешность рассчитана исходя из наиболее неблагоприятных

возможных условий. Рассчитанное значение представлено как угловая ошибка измерения и как временная ошибка появления импульса на фотоприемнике. Построенные предельные зависимости Л,.тах и тах соответствуют частоте вращения маховика 10 Гц, то есть 600 об/мин.

Результаты представлены на рис. 7.

По оси абсцисс отложена частота поворотов основания в секундах.

По оси ординат - временная (с, секунды) и угловая (", секунды) ошибки появления сигнала.

о) б)

Рис. 7.Предельные временная Дтшах (а) и угловая Аашах (б) ошибки измерительного канала

К инструментальным отнесена погрешность смещения промежуточного изображения в плоскости рабочего отверстия опорного канала в результате искривления фокальной плоскости при повороте основания.

Ситуация представлена на рис. 8. Позициями 1 и 2 обозначен объектив приемной системы опорного канала до и после поворота основания на угол

л соответственно. Положение промежуточных изображений 3 и 4 в плоскости рабочего отверстия будут отличаться на угол &.

Рис.8. Ошибка формирования изображения при повороте основания

Рассчитанная зависимость угловой ошибки 9 (в секундах) от угла поворота основания а (в градусах) представлена на рис. 9.

Рис. 9. Угловая ошибка измерений при повороте основания в диапазоне углов 0°... ¡5°

Особый интерес представляет участок в интервале углов поворотов основания 0°...3.75° с ошибкой измерений, fie превышающей 1", что может

оказаться полезным при проектировании устройства, ориентированного на работу с данной точностью.

Угловая ошибка измерений при повороте основания в диапазоне углов 0°...3.75° представлена на рис. 10.

О 0.19 0.38 0.56 0.75 0.94 1.13 1.31 1.5 1.69 1.88 2.06 2.25 2.41 2.63 2.81 3 3.19 3.38 3.56 3.75 0 а 3.75

Рис. Ю.Угловая ошибка измерений при повороте основания в диапазоне углов 0°... 3.75°

Рассчитано угловое поле прибора, реализующего исследуемую систему хранения направления. Его значение связано с диапазоном возможных измерений поворотов контролируемого основания. При этом показано, что его увеличение ведет к увеличению габаритов устройства.

Зависимость углового поля системы Р от относительного отверстия

О

/

агс^

(л 2/,

График этой зависимости представлен на рис. 11.

о

О 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 0 а 1

Рис. 11. Зависимость углового поля системы от относительного отверстия

Проведен подробный анализ влияния наклона основания в вертикальной плоскости на скорость вращения маховика. В результате вычислений было получено соотношение, позволяющее определить минимальную скорость вращения, необходимую для осуществления измерений с учетом возможных значений угла наклона.

Проведен анализ массогабаритных параметров маховика, а также влияния возникающих гироскопических сил (рис. 12 а,б) на скорость его вращения.

а) ' б)

Рис. 12. Силы, возникающие при наклоне оси маховика в вертикальной плоскости (а), силы, действующие на ось маховика в подшипнике (б)

Проведенный расчет справедлив для диапазона изменения угла у в пределах 0°... 90°.

Угловая скорость вращения маховика сомт в зависимости от угла наклона у и времени /, в течение которого ось меняла свое положение, имеет вид:

При условии у = 90" получаем:

СОиш ('■ У)= ®о

Учитывая требование вращения маховика вплоть до достижения угла у = 90°, имеем:

®о = .

В выражениях коэффициент С зависит от момента инерции маховика (массы и габаритов), размеров подшипников и трения в них:

(2 __!_*

8 8 2 \ 2 ) 2 4 1 16 5

✓ 14 ,

Из соотноше!шя видно, что значение начальной угловой скорости ®0 маховика следует задавать исходя из предполагаемого времени /, требующегося для наклона оси маховика на заданный угол а также его массогабаритных параметров.

В четвертой главе проводится экспериментальное исследование метода хранения направления применительно к контролю параметров железнодорожных путей.

Точное знание геометрии пути является критическим фактором обеспечения безопасности движения поездов на железных дорогах. В кривых участках нагрузка на путь значительно сильнее, чем в прямых.

Объясняется это тем, что при движении состава по кривой на рельсы передаются дополнительные силы: неуравновешенная часть центробежной силы и силы рамного давлешм от вписывания жесткой базы подвижного состава в колею.

Задача метода - измерение углов отклонения от плоскости горизонта в продольном и поперечном направлениях (тангаж и крен, соответственно), а также отклонения от задашюго направления движения.

Исходя из требований к точности проведения работ, имеем:

Длина хорды, м Радиус изгиба полотна, м Разность стрел изгиба, мм

20 400 12

Указашгая ситуация представлена на рис. 13 (масштаб не соблюдается):

Хранимое направление ^ т Хранимое направление с учетом ошибки

X Железнодорожная кривая 10 ю

\

Рис. 13. Железнодорожная кривая

Согласно принципу работы метода, необходимо просканировать участок железнодорожной кривой. При этом изменение направления хранимого направления указано на рисунке.

Из геометрических расчетов следует, что значение угла <р составляет

1.76°.

Рассчитанная ошибка измерения 5 будет равна 0.07" или 210"5 Положение реальной точки кривой относительно расчетной будет отличаться на 8.7-Ю"3 мм, что значительно точнее требуемых 12 мм.

Предложенный метод хранения направления может стать альтернативой существующим методам определения геометрических параметров рельсовой колеи, работающих по принципу непрерывного определения углового положения вагона-путеизмерителя.

Основные результаты работы

1) Проведен анализ современных средств хранения направления, определены их принципиальные и неустранимые источники погрешностей. Доказана актуальность создания нового метода, лишенного этих недостатков.

2) Разработана модель оптико-электронной системы хранения направления, в основе работы которой лежит принципиально новый подход виртуального хранения направления.

3) Проведен подробный анализ работы системы, разработана ее математическая модель, определены и рассчитаны значения возможных погрешностей измерений.

4) Получены расчетные формулы, позволяющие проектировать устройство, ориентируюсь на конкретную область применений.

5) Результаты экспериментального исследования компьютерного макета системы подтвердили правильность теоретических расчетов.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1) Колодеж Ю.В., Елкип Е.А. Метод хранения направления. // «Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка» - 2009, № 2, с. 97101.

2) Колодеж Ю.В., Майоров A.A., Елкин Е.А. Принцип работы углоизмерителыюго устройства. // «Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка» - 2009, № 5, с. 95-98.

3) Майоров A.A., Колодеж Ю.В., Елкин Е.А. Методика хранения направления в плоской системе координат. // «Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Геодезия, картография и кадастр - XXI век», Москва, МИИГАиК, 2009, с. 255.

4) Елкин Е.А., Майоров A.A. Метод хранения направления в плоской системе координат. // «Тезисы докладов VI Международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2009», Санкт-Петербург, СПбГУ ИТМО, 2009, с. 314.

Подписано в печать 26.11.2009. Гарнитура Тайме Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем 1,5 усл. печ. л. Тираж 80 экз. Заказ №359 Цена договорная Отпечатано в типографии МИИГАиК 105064, Москва, Гороховский пер., 4

Введение.

ГЛАВА 1. Исследование существующих методов хранения направления.

1.1 Классические гироскопы.

1.2 Новые типы гироскопов.

1.3 Гироскопы с воздушной опорой.

1.4 Поплавковые гироскопы.

1.5 Динамически настраиваемые гироскопы.

1.6 Кольцевые лазерные гироскопы.

1.7 Волоконно-оптические гироскопы.

1.8 Волновые твердотельные гироскопы.

1.9 Вибрационные гироскопы.

1.10 Микромеханические гироскопы.

1.11 Неконтактные гироскопы.

1.12 Необходимость нового метода хранения направления.

1.13 Исследуемая оптико-электронная система хранения направления в плоской системе координат.

1.13.1 Вращающийся маховик и связанная с ним независимая система координат.

1.13.2 Система опорного канала.

1.13.3 Система измерительного канала.

Выводы по главе 1:.

ГЛАВА 2. Математическое моделирование оптико-электронной системы хранения направления в плоской системе координат.

2.1 Методика построения математической модели.

2.1.1 Расчет передаточной функции анализатора изображения.

2.1.2 Передаточная функция рабочего отверстия.

2.1.3 Расчет передаточной функции объектива.

2.1.4 Передаточная функция сканирующей системы.

2.2 Передаточная функция системы опорного канала.

Выводы по главе 2:.

ГЛАВА 3. Исследование работы оптико-электронной системы хранения направления в зависимости от внешних и внутренних факторов, влияющих на точность измерений.

3.1 Определение угловой ошибки измерения при повороте основания.

3.2 Ошибка измерительного канала.

3.3 Влияние наклона основания в вертикальной плоскости на скорость вращения маховика.

3.4 Угловое поле поворота основания.

Выводы по главе 3:.

ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование работы оптико-электронной системы хранения направления для контроля параметров железнодорожных путей.

4.1 Измерение параметров железнодорожного пути.

Выводы по главе 4:.

Задача хранения направления на подвижных объектах наиболее часто встречается в геодезии, навигации и в тяжелом машиностроении. В последнем случае из-за отсутствия приемлемых технических решений поставленные цели достигаются геодезическими измерениями.

К сожалению, современный уровень развития навигационно-измерительных систем не позволяет обеспечить всех заинтересованных в высокоточных результатах. Это связано как с дороговизной самих вычислительных систем и периферийного оборудования, так и с рядом сложностей и систематических ошибок, которым сопутствует измерительный процесс.

Для удовлетворения потребностей различных организаций, в задачи которых входит хранения направления в той или иной области, целесообразна разработка альтернативной оптико-электронной системы, принципы работы которой должны принципиально отличаться от использующихся сегодня методов, а некоторые недостатки, им свойственные, - устранены.

Целью работы является разработка оптико-электронной системы хранения направления в плоской системе координат, основанного на отказе от традиционного физического хранения. При этом оно может храниться в виде результатов угловых расчетов.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) Выполнен аналитический обзор литературных и патентных источников известных методов навигации, хранения и определения положения, проведен их анализ, выявлены частные и общие недостатки;

2) Разработана и исследована модель оптико-электронной системы хранения направления, основанной на виртуальном измерении изменений положения контролируемого основания;

3) Разработаны методики расчета, получены аналитические зависимости, учитывающие связь массогабаритных параметров устройства с точностью измерений, возможных погрешностей;

4) Проведен анализ и расчет параметров работы исследуемой системы применительно к контролю характеристик' железнодорожного пути, точность результатов которого превышает используемые сегодня методы.

Выбранное направление исследования является актуальным.

Актуальность исследований обусловлена потребностью в создании принципиально новой системы хранения направления, основанной на виртуальном измерении углового положения контролируемого основания.

Из рассмотренных свойств гироскопов различного типа, как устройств, решающих задачу хранения направления, следует, что у каждого есть недостатки, ему присущие. Между тем, у всех типов гироскопов общий недостаток - это интегрируемость ошибки измерения курса со временем, что делает невозможной работу гироскопического устройства в течение длительного периода времени.

Общим при традиционном методе хранения курса гироскопическим устройствами, использующимися сегодня, является создание направления на подвижном основании физическими элементами этих устройств, а также сохранение их положения в независимой от подвижного основания системе координат (инерциальной или связанной с землей).

Научная новизна работы заключается в разработке и исследовании принципиально новой оптико-электронной системы, в основе работы которой лежит идея отказа от традиционного физического хранения.

Теоретической и методологической основой диссертационной работы послужили труды в области навигации и проведении геодезических измерений. Также в работе использованы материалы, опубликованные в периодических изданиях, доклады российских и международных конференций.

Положения, выносимые на защиту:

1) Обоснование целесообразности построения оптико-электронной системы хранения направления в плоской системе координат.

2) Принцип работы системы. Хранение направления реализуется виртуально через результаты периодических угловых измерений.

3) Алгоритм построения математической модели системы.

4) Анализ и расчет возможных ошибок системы хранения направления. Возможные пути их компенсации.

5) Практическая реализация предложенного метода для контроля параметров железнодорожных путей.

Структура диссертационной работы:

Диссертационная работа изложена на 101 странице печатного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.

Выводы по главе 4:

Учитывая перечисленные в первой главе недостатки современных гироскопов и их точности, можно утверждать, что точность данного метода не будет выше точности элементов, на которых он реализован.

Предложенный метод хранения направления может стать альтернативой существующим методам определения геометрических параметров рельсовой колеи, работающих по принципу непрерывного определения углового положения вагона-путеизмерителя. Применение в составе оборудования скоростного вагона-путеизмерителя интегрированной системы предложенного метода позволяет обеспечить измерение геометрических параметров пути в практически неограниченном диапазоне изменения скорости движения, точную локализацию места измерения, ориентации (крен, уклон и курсовой угол) и динамики движения объекта.

Для определения ошибки предложенного метода хранения направления и сравнения ее с допустимыми сегодня значениями проведем расчет для одной плоскости - плоскости тангажа. Очевидно, что для плоскости крена результаты будут аналогичные.

Разработанный метод контроля рельсового пути может заполнить существующий пробел в данной отрасли и открыть новое информационное поле для исследований и конкретных применений.

Бесхордовый инерциальный метод, позволяющий измерять неровности рельсовых нитей в продольной и вертикальной плоскостях, обладает научной и технической новизной.

Заключение

Проведен анализ современных средств хранения направления, определены их принципиальные и неустранимые источники погрешностей. Доказана актуальность создания нового метода, лишенного этих недостатков.

Разработана модель оптико-электронной системы хранения направления, в основе работы которой лежит принципиально новый подход виртуального хранения направления.

Проведен подробный анализ работы системы, разработана ее математическая модель, определены и рассчитаны значения возможных погрешностей измерений.

Получены расчетные формулы, позволяющие проектировать устройство, ориентируюсь на конкретную область применений.

Рассчитаны возможные ошибки системы, приведены их аналитические и графические зависимости. Проведен анализ их влияния на работу системы.

В качестве эксперимента выполнен расчет применения системы для контроля параметров железнодорожных путей согласно требований, предъявляемых для данного вида измерений. Эксперимент показал хорошие результаты, позволяющие сделать вывод о рациональности применения системы в данной области техники.

Результаты экспериментального исследования компьютерного макета системы подтвердили правильность теоретических расчетов.

В целом были достигнуты все поставленные перед работой цели и получены ожидаемые результаты.

1. Агурок И.П., Родионов С.А. Использование оптической передаточной функции для вычисления функции концентрации энергии. Оптико-мех. промышленность. 1985 - №8 - С. 19-21.

2. Алиев Т. М., Тер-Хачатуров В. А. Измерительная техника. М.: Высшая школа, 1991.

3. Астахов И.Е., Будак В.П., Лисицин Д.В. Основные краевые задачи переноса оптического изображения в активной ОЭС через случайно-неровную поверхность раздела сред// Оптика атмосферы, 1992. Т.5, N8. С.843-851.

4. Бессекерский В. А., Фабрикант Е. А. Динамический синтез систем гироскопической стабилизации. Л.: Судостроение, 1968.

5. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. -М. Наука, 1970. -856 с.

6. Бромберг П.В. Теория инерциальной навигации. М.: Наука, 1979.

7. Булгаков Б. В. Прикладная теория гироскопов. М.: Гостехиздат, 1978.

8. Бычков С. И., Лукьянов Д. П., Бакаляр А. И. Лазерный гироскоп. М.: Сов. радио, 1975.

9. Вычислительная оптика. Справочник. Под общей редакцией М. М. Русинова. -Л. Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984. -423 с.

10. Гироскопические системы / Под ред. Д. С. Пельпора. В 3 ч. М.: Высш. шк., 1986-1988. Ч. 1: Теория гироскопов и гироскопических стабилизаторов. 1986; Ч. 2: Гироскопические приборы и системы. 1988; Ч. 3: Элементы гироскопических приборов. 1988.

11. П.Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. -М. Мир, 1970. -364 с.

12. Информационная оптика / Н.Н. Евтихиев, О.А. Евтихиева, И.Н. Компанец и др. Под ред. Н.Н. Евтихиева. М.: Изд-во МЭИ, 2000.

13. Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение (Ленинград, отд-ние), 1986.

14. Ишлинский А. Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М.: Наука, 1976.

15. Казанцев Андрей Валерьевич. Разработка инерциальных методов измерения параметров рельсового пути : Дис. . канд. техн. наук : 05.11.16 : СПб., 2005 142 с. РГБ ОД, 61:05-5/3567

16. Коновалов С.Ф. Теория виброустойчивости акселерометров. М.: Машиностроение, 1991.

17. Кононов В. И., Федоровский А. Д., Дубинский Г. П.Оптические системы построения изображений. -К.: Техника, 1981.

18. Кузовков Н.Т., Салычев О.С. Инерциальная навигация и оптимальная фильтрация. М.: Машиностроение, 1982.

19. Марешаль А., Франсон М. Структура оптического изображения. -М: Мир, 1970.

20. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1983.

21. Михалев И. А., Окоемов Б. Н., Чикулаев М. С. Системыавтоматического управления самолетом. М.: Машиностроение, 1987.

22. Мосягин Г.М., Немтинов В.Б., Лебедев Е.Н. Теория оптико-электронных систем. М.: Машиностроение, 1990.

23. Пельпор Д. С., Колосов Ю. А., Рахтеенко Е. Р. Расчет и проектирование гироскопических стабилизаторов. М.: Машиностроение, 1972.

24. Помыкаев И. И., Селезнев В. П., Дмитроченко Л. А. Навигационные приборы и системы. М.: Машиностроение, 1983.

25. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. Л.: Машиностроение, 1989.

26. Проектирование оптических систем. Под редакцией Р. Шеннона, Дж.

27. Вайанта. -М. Мир, 1983. с. 178- 332.31 .Проектирование оптико-электронных приборов / Ю.Б. Парвулюсов, С.А. Родионов, В.П. Солдатов и др. Под общ. ред. Ю.Г. Якушенкова. 2-е изд., перераб. и доп., М.: Логос, 2000.

28. Родионов С. А. Автоматизация проектирования оптических систем.

29. Л. Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. -270 с.

30. Родионов С.А. М. Наука. 1985, Оптические изображающие и регистрирующие среды. Том XXIII. С.44-55.

31. Репников А. В., Сачков Г. П., Черноморский А. И. Гироскопические системы. М.: Машиностроение, 1983.

32. Северов Л. А. Механика гироскопических систем. М.: Изд-во МАИ, 1996.

33. Стюард И. Г. Введение в Фурье-оптику. -М. Мир, 1988. -182 с.

34. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. -М.: Наука, 1986.-288С.

35. Филипеня Наталья Сергеевна. Разработка инерциальных методов и средств измерения параметров рельсового пути : диссертация кандидата технических наук : 05.11.16 Санкт-Петербург, 2007 142 е., Библиогр.: с. 136-142 РГБ ОД, 61:07-5/4722

36. Шереметьев А. Г. Волоконный оптический гироскоп. М.: Радио и связь, 1987.

37. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. —

38. М.: Логос, 1999. -480С. 41 .http://www.ee.surrev.ac.uk/CSER/UOSAT/papers/iaf96/disnet/disnet.htm 42.http://www.fizoptika.ru43 .http://www.imar-navigation.de/englishside/imar.html44.1nertial Sensor Technology Trends. Nil Barbour, George Schmidt, 1998

39. Workshop on Autonomous Underwater 45.Picosat Free Flying Magnetometer Experiment. Dana S. Clarke, Michael T. Hicks, Alissa M. Fitzgerald, Jason J. Suchman, Robert J. Twiggs, J. Randolf, , Thomas W. Kenny. Vehicles, 20-21 August 1998, Cambridge, MA.