автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование оптико-электронных систем контроля положения железнодорожного пути в продольном профиле и плане относительно реперных меток

005060327

На правах рукописи У КД 681.786

/

ПАНТЮШИН Антон Валерьевич

Разработка и исследование оптико-электронных систем контроля положения железнодорожного пути в продольном профиле и плане относительно реперных меток

05.11.07 — Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 3 МАП 2013

Санкт-Петербург - 2013

005060327

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший

научный сотрудник Тимофеев Александр Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Латыев Святослав Михайлович,

заведующий кафедрой, НИУ ИТМО

кандидат технических наук Нужин Андрей Владимирович, начальник

отдела, ОАО «ГОИ им. С.И. Вавилова»

Ведущая организация ОАО «ЛОМО»

Защита диссертации состоится «4» июня 2013 г. в 17 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, ауд. 314-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ ИТМО.

Автореферат разослан «29» апреля 2013 г.

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.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01 кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Непрерывное развитие высокоскоростного железнодорожного движения в мире ужесточает требования, в том числе и к точности установки железнодорожного пути в проектное положение. Определение фактического положения железнодорожного пути и оценка полученных результатов с помощью технических средств контроля являются важными аспектами совершенствования процесса установки пути в проектное положение как при строительстве, так и ремонтах пути современными высокопроизводительными путевыми машинами.

Для современных технологий обслуживания железнодорожного пути с использованием его абсолютных координат перспективным решением является создание вдоль железнодорожных магистралей специальной реперной сети. В этом случае с помощью измерительных систем, относительно реперов, возможно получение объективной информации о фактическом положении железнодорожного пути в жестких условиях непрерывной работы путевых машин на скоростях до 10 км/ч.

При вышеупомянутом методе требуется контролировать изменения пространственного положения железнодорожного пути в продольном профиле (выправка) до 300 мм и в плане (рихтовка) от 2 до 7 м с погрешностью, не превышающей 1,5 мм. Особенность работы систем состоит в том, что по запросу устройства управления машиной или автоматизированной системы объективного контроля качества выправленного пути информация в цифровом виде о положении пути в плане, профиле и по уровню относительно реперных меток (РМ) должна выдаваться одновременно независимо друг от друга. При этом наряду с малым энергопотреблением и полной автономностью реперные метки должны обладать возможностью снятия с них дополнительной информации, например, о проектном положении пути.

Необходимую погрешность (2 мм) контроля положения железнодорожного полотна обеспечивают комплексы на основе спутниковой

3

навигации и автоматизированных геодезических приборов (тахеометров). В основном, подобные комплексы выполнены на базе путеизмерительных тележек, из-за малой массы которых измерения железнодорожного пути осуществляются в ненагруженном состоянии, вследствие чего результаты измерений таких комплексов необходимо пересчитывать к условиям рабочей нагрузки. Кроме того, к существенным недостаткам таких систем можно отнести невозможность контроля параметров пути на скоростях движения более 5 км/ч, что в совокупности с низкой степенью автоматизации измерений обуславливает необходимость исследования и разработки альтернативных способов контроля указанных параметров.

Современная элементная база оптико-электронных приборов позволяет создавать адаптивные системы контроля пространственного положения железнодорожного пути в продольном профиле и плане на основе подходов компьютерного зрения для выполнения требований, обеспечивающих необходимые диапазон и точность контроля. Оптико-электронные системы контроля пространственного положения железнодорожного пути (ОЭСКП) содержат набор РМ, связанный с геодезическими или специальным реперными знаками, положение которых определяется фотоприемным блоком ОЭСКП, расположенным на путевой машине и перемещающимся вместе с ней.

Указанные обстоятельства определяют актуальность выбора в качестве объ'екта исследований универсальных и адаптивных ОЭСКП, а в качестве предмета исследования - особенности построения фотоприемных блоков (ФБ) и РМ, алгоритмов функционирования ОЭСКП, структуры составляющих погрешности контроля, включая их взаимосвязи и влияние на суммарную погрешность контроля.

Цель работы

Целью диссертационной работы является исследование, проектирование и реализация опытных образцов адаптивных ОЭСКП на основе современных матричных фотоприемных структур и цифровых методов обработки информации о положении РМ, позволяющих контролировать одновременно и

непрерывно положение железнодорожного пути в продольном профиле и плане и обеспечивать при этом работу современных автоматических систем управления выправкой пути и оценки качества работы путевых машин.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели следует решить ряд задач.

1. Анализ и классификация оптико-электронных систем, предназначенных для контроля положения железнодорожного пути при движении по нему, критический анализ условий их использования и определение направления исследований.

2. Создание обобщенной модели исследуемых ОЭСКП, анализ особенностей обработки измерительной информации в них и теоретические исследования характеристик их элементов.

3. Разработка и исследование компьютерных моделей оптико-электронных модулей и способов комплексирования информации в ОЭСКП.

4. Разработка алгоритмов и программ обработки информации и управления функционированием физических моделей каналов ОЭСКП.

5. Разработка методик проектирования ОЭСКП и реализация на их базе документации на типовые опытные образцы.

6. Анализ и оценка степени влияния основных источников погрешности контроля и разработка методов их уменьшения.

7. Разработка методик и автоматизированных средств экспериментального исследования элементов и опытных образцов ОЭСКП.

Методы исследования

В теоретической области применены аналитические и численные методы геометрической оптики, векторно-матричный метод расчёта пространственных картин, разработаны инженерные методики по выбору соотношений, параметров и характеристик элементов обобщенной схемы ОЭСКП. В экспериментальной части при исследовании элементов системы и

анализе методов обработки измерительной информации используются как детерминированные компьютерные модели функциональных элементов ОЭСКП, реализованные на основе пакетов прикладного программного обеспечения МАТЬАВ и МаЛСАО, так и физические модели. Практическая проверка полученных характеристик осуществлена с использованием разработанных опытных образцов ОЭСКП.

Научная новизна работы

Подход к компенсации влияния условий рабочей среды на основе разработанных цифровых методов обработки смазанных изображений реперных меток в ОЭСКП, обеспечивающий требуемые характеристики контроля.

Методология комплексирования информации о перемещающихся специальных РМ на основе межкадрового и спектрозонального методов обработки изображений для повышения устойчивости обнаружения, распознавания и координатного анализа изображений РМ на сложном фоне.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Обобщенная структурная схема универсальной ОЭСКП, позволяющая исследовать и конфигурировать на базе модульного принципа различные структуры контроля фактического пространственного положения железнодорожного пути по реперной сети.

2. Методология выбора элементов ОЭСКП с единым матричным полем анализа и алгоритмы обработки и коррекции измерительной информации по смазу изображений РМ в фотоприемных каналах с целью компенсации влияния условий рабочей среды.

3. Математическое описание модели ОЭСКП для оценки степени влияния частных систематических и случайных погрешностей и оценки факторов, отрицательно влияющих на процесс контроля и анализ путей их ослабления.

4. Методики экспериментальных исследований и испытаний на

сформированном автоматизированном стенде для оценки статических и динамических погрешностей опытных образцов ОЭСКП с активными РМ.

5. Новые средства контроля положения железнодорожного пути в продольном профиле и в плане (патенты РФ №2424932, №2443826, №2456542, №2445572).

Практические результаты работы

1. Предложена методика определения параметров и алгоритмов обработки информации в элементах структуры ОЭСКП, позволяющая оптимизировать структуру ОЭСКП по габаритно-энергетическому критерию.

2. Сформированы методы комплексирования информации с единого матричного поля анализа и алгоритмы обработки информации на основе принципов межкадровой обработки и спектрозональной селекции для анализа динамических искажений отображений РМ.

3. Получены математические описания частных систематических и случайных факторов, отрицательно влияющих на процесс контроля, предложены методы их ослабления.

4. Реализованы опытные образцы ОЭСКП, прошедшие приемочные испытания на различных путевых машинах:

- оптико-электронная система контроля положения реперных меток (ОЭСКПРМ-0601) на путевой машине «Дуоматик 09-32» при текущем ремонте железнодорожного пути;

оптико-электронная система считывания реперных меток (ОЭССРМ-0801) на путевой машине ВПР-02м при комплексном контроле геометрических параметров железнодорожного пути после ремонта.

Реализация результатов работы подтверждена тремя актами использования методик расчета параметров оптико-электронных измерительных систем в Научно-образовательном центре оптико-электронного приборостроения кафедры Оптико-электронных приборов и систем НИУ ИТМО, 4 патентами РФ на изобретения (1 патент совместно с ОАО "РЖД"), а также в учебном процессе НИУ ИТМО.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на 21 конференциях и семинарах, 8 из которых международные: XXXIV, ..., XLII научные конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2005, ..., 2013 г.); IV, ..., VII Всероссийские межвузовские конференции молодых учёных (Санкт-Петербург, Россия, 2006, ..., 2010 г.); IV...V Международные конференции молодых ученых и специалистов «Оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2005, 2007 г.); VIII Международная конференции «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2008 г.); 5 международный симпозиум по точным измерительным технологиям и приборостроению (Ханчжоу, Китай, 2008 г.); Международная конференция SPIE Optical Engineering + Applications (США, Сан-Диего, 2012 г.).

В 2011 и 2012 годах исследования по тематике диссертации получили поддержку в рамках конкурса грантов Правительства Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, из них 4 патента на изобретение РФ, 10 статей в изданиях из перечня ВАК (из них 4 статьи в изданиях, включенных в систему цитирования Scopus).

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 108 наименований, содержит 155 страниц основного текста, 98 рисунков, 6 таблиц и 7 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи, новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится аналитический обзор методов и средств контроля положения железнодорожного пути в профиле и плане, условий их

применения.

Известные ОЭСКП, реализующие относительную систему координат контроля (Пилот-Л, ПУЛ 14 и др.) позволяют контролировать положение пути в процессе работы выправочной машины, но обеспечивают лишь сглаживание коротких неровностей пути, что не удовлетворяет требованиям капитального ремонта пути. В свою очередь, существующие ОЭСКП «абсолютного типа» (GRP1000, EM-SAT 120 и др.), позволяющие контролировать положения пути, в привязке к геодезической сети и построенные на основе стандартных автоматизированных геодезических приборов, обладают требуемой для сглаживания длинных неровностей пути точностью (5 мм), необходимой для скоростного движения. Однако они не позволяют осуществлять контроль непосредственно в процессе работы путевых машин, что обусловлено их невысокой производительностью и большой трудоемкостью проведения контроля.

Анализ характерных условий эксплуатации ОЭСКП показал, что факторами, наиболее сильно влияющими на процесс контроля положения с помощью ОЭСКП, являются сильные вибрации, запыленность, изменения параметров воздушного тракта и фоновых ситуаций.

Обобщенный критический анализ существующих систем на основе разработанной классификации показал, что только распределенные оптико-электронные системы способны адаптироваться к жестким условиям работы и поэтому могут контролировать положение железнодорожного пути в профиле, плане и по уровню. При этом они обладают возможностями управлять выправкой пути с учетом его проектного положения, а также осуществлять оценку качества работы путевых машин. На основе этого сделан вывод о целесообразности проведения исследования и разработки универсальных ОЭСКП с использованием подходов компьютерного зрения при определении положения РМ анализаторами изображений на основе матричных фотоприемников для различных стереоскопических схем геометрического типа.

Во второй главе рассмотрены теоретические основы построения ОЭСКП на основе подходов компьютерного зрения, анализ применения пассивных и активных РМ, влияние смаза при анализе изображении РМ, применение методов комплексирования информации, позволяющих снизить погрешности контроля, возникающие вследствие влияния внешних условий.

Устройство Вазиробки

УстройстЬо нобедения

МИ 1 П0И1 ОС 1

миг ПОИ 2 ОС 2

\ I I

МИМ - ПОИИ осм

НУ

ВО

па

ВУИУ

№ Г"

ВТ

зв

Реперная метка 1

ИМ

КРМ

Репериоя метка 2

ИМ

РР1

КРМ

РР2

Реперная метка N ИМ КРМ

РРМ

Рисунок 1 - Обобщенная схема универсальной ОЭСКП

Сформированная обобщенная схема построения ОЭСКП, выполненная в виде совокупности фотоприемного блока (ФБ) (рисунок 1) и реперных меток (РМ), формирующих в физической среде необходимое для определения положения в пространстве рабочего репера (РР) пространственно-временное распределение информативных параметров, носителем которых является излучение оптического диапазона, позволяет реализовывать как «абсолютные», так и относительные схемы контроля положения пути. В схеме с абсолютной системой координат ФБ размещается на единице подвижного состава и перемещается на ней мимо РМ. В этом случае ФБ сам осуществляет поиск РМ, однако он может содержать дополнительное устройство поиска реперной метки (УПРМ), которое выдает сигнал начала измерения. После чего на основе изображений РМ, сформированными приемниками оптического излучения, и показаний дополнительных датчиков (ДЦ) блоком обработки (БО) вычисляется положение РР. Причем под ДД понимаются датчики температуры,

влажности и давления воздуха, датчики ориентации ФБ в пространстве.

Предложенная в работе математическая модель канала ОЭСКП позволяет оптимизировать алгоритмы расчета положения РР. Показано, что для определения положения РР может быть использована как одноканапьная ОЭСКП с РМ, имеющей сложную пространственную структуру, так и многоканальная система в случае более простой РМ.

Условия работы ОЭСКП существенно усложняют проектирование систем, в частности, в большинстве случаев неустранимым является смаз изображения РМ в поле анализа. Для выбора наиболее подходящей структуры пассивной РМ с минимальной величиной СКО случайной составляющей погрешности определения координат изображения РМ на восстановленном от смаза изображении была разработана компьютерная модель, искажающая исходное изображение /(х,у) по следующему закону:

g(x,y) = h(x,y)*f(x,y) + n(x,y), (1)

где И(х,у) — искажающая функция, заданная матрицей вида (1//, \/Ь 1/1 ... 1/А), содержащая I, элементов, где Ь-длина смаза; п(х,у) - величина адаптивного шума, g{x,y) - смазанное изображение.

В работе рассмотрено два класса структур РМ: адаптированная для детектирования на основе взвешенного суммирования (круг) и адаптированная для детектирования на основе поиска угловых особенностей по методу Харриса (квадрат). В результате моделирования смаза с применением этих классов структур РМ были получены зависимости СКО определения координат от дисперсии нормального шума на изображении РМ и величины смаза (рисунок 2). На основе полученных зависимостей сделан вывод, что при определении положения смазанного изображения РМ, после его восстановления на основе фильтра Люси-Ричардсона, предпочтительней является структура, координаты изображения которой определяются с помощью методов, основанных на взвешенном суммировании.

1 ■ I ■ I ' I ■ I ' ......I

2 4 б 8 10 12 14 16 18 20 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

I- (пкс) I (пкс)

Рисунок 2 — СКО длины координатного вектора в зависимости от длины смаза Ь для различных уровней шума: (а) при определении положения изображения пассивной РМ в виде квадрата; (б) при определении положения изображения точечного источника при восстановленных от смаза изображениях (дисперсия шума график 1 -5-10'7пкс.; 2-5-10"5 пкс; 3 - 5-Ю"4 пкс; 4-1-10'2 пкс;

5-МО"1 пкс)

Предложено построить обработку изображений на основе анализа смазанного изображения РМ ОЭСКП, с последующим вычислением траектории ее движения и, как следствие, вычислением расстояния 2 от ФБ до РМ и смещения У в вертикальной плоскости, относительно заданной точки относительно ФБ ОЭСКП:

у = Р,-С2-С,-Р2 ^ г = Л,хД + Р,хЛ2 ^ (2)

где А1,В1,С1,01 и А1,В2,С2,Э1 - коэффициенты уравнения плоскости в глобальной системе координат, содержащей прямую траектории движения изображения РМ по поверхности приемника изображения и узловую точку оптической системы первого и второго канала ОЭСКП соответственно.

Показана возможность уменьшения влияние фоно-целевой ситуации и внутрисистемных бликов как при обнаружении, так и определении координат РМ, за счет применения межкадровой обработки изображений. В то время как для разделения каналов при идентификации изображений активных РМ, полученных в разных каналах, для случая реализации ФБ с единым цветным матричным полем целесообразно применение спектрозонального разделения. В ходе математического моделирования полученные выражения и

зависимости регистрируемой величины максимума облученности при различных скоростях движения активных РМ для различных пределов интегрирования по времени позволяют учитывать явление уменьшения максимума облученности, обусловленного движением РМ, в особенности, при габаритно-энергетических расчетах.

В третьей главе исследованы варианты построения блоков ОЭСКП, разработана методика выбора параметров схем и габаритно-энергетических расчетов оптической системы, предложена компенсация геометрических и физических факторов, возникших при преобразовании информативных параметров сигналов, проведен анализ погрешностей ОЭСКП.

Исследованы взаимосвязи геометрических параметров схем ОЭСКП с особенностями цифровых преобразований информации, на основе которых разработаны методики выбора характеристик стандартных элементов и оптимизации их параметров.

Разработанная методика энергетического расчета при применении серийных камер позволяет вести расчеты диаметра входного зрачка Ойх объектива с помощью выражения:

где £смаз - коэффициент смаза, г - комплексный коэффициент пропускания воздушного тракта и оптической системы, Енас - уровень облученности, соответствующий насыщению матрицы фотоприемника, а'- задний отрезок объектива оптической системы, Ье- энергетическая яркость РМ.

Анализ размеров входных зрачков для стереоскопических ФБ с единым и несколькими полями показал, что по габаритным соображениям преимущество имеет схема ФБ с разделенными полями, что предопределило дальнейшие исследование и разработки.

Для увеличения достоверности обнаружения изображения РМ предлагается в случае активной РМ применять набор полупроводниковых излучающих диодов (бидиодная и трипойдная метка) с использованием

(3)

вероятностной модели оценки результатов.

Анализ систематических составляющих погрешности ОЭСКП показал, что наиболее влияющими первичными погрешностями являются погрешности определения расстояний от задних главных плоскостей объективов до плоскостей анализа отображений РМ а/ и а2', соответственно, в верхнем и нижнем канале, базовое расстояние В и скорость движения ФБ ОЭСКП.

Для случайных составляющих погрешностей ОЭСКП, которые, в основном, определяются погрешностью определения координат изображений РМ на матричных полях без анализа смаза получены соотношения:

где 8и частичная погрешность определения положения изображения. Характер этих зависимостей был учтен в ходе разработки модулей ОЭСКП.

Рисунок 3 - Схема стенда для исследования ОЭСКП в лабораторных условиях При экспериментальных исследованиях на сформированном стенде (рисунок 3) ФБ ОЭСКП 1 размещался на гониометрической подвижке 2, перемещающейся, в свою очередь по направляющей 3, положение которой по оси ОЪ определялось лазерным дальномером 4. РМ закрепляется на направляющей 5, перпендикулярной направляющей 3. Перемещение РМ по направляющей 6 имитирует проезд ФБ мимо РМ. Таким образом, оказываются задействованными все системы ОЭСКП: УПРМ 7, а также оба оптических

пкс ,

(4)

канала 8 ФБ и блок обработки 9.

Полученные статические характеристики опытного образца ОЭСКП (рисунок 4) показали, что предельное значение основной погрешности не превысило 1,5 мм.

У, мм 2, мм

Рисунок 4 — Экспериментальная оценка погрешностей определения:

(а) смещения РМ ЛУ от У для дистанции 4,5 м;

(б) дистанции Д7 от Ъ при нулевом смещении У

Кроме того, во время экспериментальных исследований была показана эффективность использования траекторного анализа для ФБ с несинхронизированными матричными приемниками с бегущим затвором. В частности, была уменьшена вариация показаний прямого и обратного хода, обусловленная смазом изображений РМ, расположенной на дистанции 5 м при скорости движения до 3,3 м/с, для координаты У - до 0,15 мм и для координаты 2 - до 0,82 мм.

В четвертой главе приведено описание типовых конструкций блоков ОЭСКП, а также результаты экспериментальных исследований разработанных опытных образцов при предварительных, приемочных и эксплуатационных испытаниях систем на путевых машинах типов Дуоматик 09-32 и ВПР-02М.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований элементов ОЭСКП, а также результатов проектных расчетов по предлагаемым методикам были разработаны и изготовлены типовые опытные образцы оптико-электронных ОЭСКП: система «ОЭСКПРМ №0601» для управления путевой машиной «Дуоматик 09-32 №64» для ремонта железнодорожного пути и система «ОЭССРМ №0801» для комплексного

контроля качества железнодорожного пути после ремонта путевой машинои ВПР-02М № 35.

Аппаратные средства разработанных универсальных ОЭСКП имеют структуру, показанную на рисунке 5, и отличаются лишь устройствами крепления.

кЦВО

и

АЦП

ДУ

\ ПСПББ }

ДО

' П БПИД

'»(г-1-

I МУРМ

Рисунок 5 — Структурная схема универсальной системы ОЭСКП (ББ - базовый блок, КББ - устройство для крепления базового блока, ДО - датчик опор, ДУ - датчик уровня, ФПМ 1 и ФПМ 2 - фотоприемные модули, МУ модуль управления, ИМ - индикаторный модуль, ИСПРМ - источник системы поиска РМ, ПСПРМ - приемник системы поиска РМ, ПСПББ - приемник системы поиска ББ, БПИД - блок полупроводниковых излучающих диодов, МУРМ модуль управления РМ, БПРМ - блок

питания РМ)

Программные средства могут иметь существенные отличия в алгоритмах обработки информации и процедурах ее обмена с центральным блоком обработки путевых машин.

В ходе эксплуатационных испытаний при серии контрольных поездок на путевой машине Дуоматик 09-32 №64 оборудованной ОЭСКПРМ №0601, при текущем ремонте железнодорожного пути на прямом и переходном участках пути Москва - Санкт-Петербург координаты пути в продольном профиле и плане определялись относительно 30 РМ, расположенных на дистанциях 4120 мм, оценки максимальных СКО случайной составляющей погрешности контроля координат составили: в продольном профиле (выправка) 0,8 мм; в плане (рихтовка) 1,1 мм.

Рисунок 6 - Размещение ОЭСКП на путевой машине ВПР-02М № 35 во время

приемочных испытаний

В ходе приемочных испытаний при серии контрольных поездок на путевой машине ВПР-02М № 35, оборудованной ОЭССРМ №0801 (рисунок 6), при комплексном контроле качества железнодорожного пути после ремонта на участке, перегона Саблино-Колпино (3-й главный путь) Октябрьской ЖД координаты пути в продольном профиле и плане определялись относительно 25 РМ, расположенных на дистанциях 4120 мм, оценки максимальных СКО случайной составляющей погрешности контроля координат составили: в продольном профиле (выправка) 0,8 мм; в плане (рихтовка) 1,1 мм.

Заключение

Получены следующие основные результаты исследований.

1. Анализ и классификация существующих систем для контроля положения железнодорожного пути показали, что для рабочих условий контроля положения пути оптимальным является применение адаптивных распределенных ОЭСКП с пассивными или активными РМ.

2. Сформирована обобщенная структурная схема, позволяющая исследовать и конфигурировать на базе модульного принципа различные структуры ОЭСКП для всех этапов жизненного цикла железнодорожного пути.

3. Показано, что при размере смаза, не превышающем размера

изображения метки, целесообразно использовать алгоритмы детектирования, основанные на методах взвешенного суммирования.

4. Доказано, что с точки зрения распознавания изображений РМ на сложном фоне целесообразно использовать метки со сложной структурой, в частности, бидиодной и трипоидной структурой.

5. Выработаны подходы к выбору элементов оптических схем с единым и разделенными матричными полями анализа, основанных на комплексном габаритно-энергетическом критерии.

6. Доказана эффективность применения комплексирования информации на основе межкадровой обработки цифровых изображений РМ на фоне, содержащем малоапертурные паразитные источники оптического излучения.

7. Доказана возможность комплексирования информации на основе спектрозональной разности при обнаружении и обработке цифровых изображений РМ на едином матричном поле цветных видеокамер.

8. Доказана эффективность применения траекторного алгоритма при обработке информации во внутрибазовой схеме ОЭСКП при использовании несинхронизированных матричных фотоприемников с бегущим затвором.

9. По разработанным методикам исследований создан автоматизированный стенд и проведены экспериментальные исследования погрешностей блоков ОЭСКП, позволившие оптимизировать параметры алгоритмов обработки ОЭСКП для различных условий и схем применения.

10. Исследования степени влияния систематических и случайных погрешностей на основе математического описания модели ОЭСКП показали, что наибольшим влиянием на точность контроля обладает определение базы каналов, задних отрезков объективов и скорости перемещения РМ относительно ФБ.

11. Исследования физической модели, а также стендовые и эксплуатационные испытания разработанных опытных образцов ОЭСКП подтвердили правильность полученных теоретических результатов.

12. По результатам экспериментальных исследований предложены

новые технические решения как аппаратных средств ОЭСКП (Пат. РФ № №2424932, 2443826, №2456542, №2445572), так и программных средств (Свидетельства РФ о регистрации программ для ЭВМ №2011613482 и №2012613939).

13. Полученные в результате разработки и исследований приемы, методы и методики расчетов систем подтверждены результатами приемочных испытаний разработанных опытных образцов ОЭСКП, рекомендованных в опытную эксплуатацию на путевых машинах Дуоматик 09-32 №64 и ВПР-02М №35.

Результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

Издания из списка ВАК

1. Анисимов А.Г., Алеев A.M., Пантюшин A.B. Об основных погрешностях контроля соосности с помощью авторефлексионной оптико-электронной системы //Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск.38 Исследование в области оптики, приборостроения и управления. Труды молодых ученых/ Главный редактор д.т.н., проф. В.Н.Васильев. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2007.C.39-44

2. Анисимов А.Г., Горбачёв A.A., Краснящих A.B., Пантюшин А. В. Оптико-электронная система контроля соосности элементов турбоагрегатов / Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т.51, №9. С. 22-26

3. Жуков Д.В., Пантюшин A.B., Серикова М.Г. Повышение точностных характеристик методом оптимизации параметров алгоритма в оптико-электронной системе контроля положения реперных меток //Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 49. Оптотехника, оптические материалы. /Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. с. 183-188

4. Жуков Д.В., Пантюшин A.B., Усик A.A. Алгоритм определения координат изображений точечных источников в движущейся стереоскопической системе на примере оптико-электронной системы контроля положения реперных меток //Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 49. Оптотехника, оптические материалы. /Гл. редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. с. 207- 212

5. Анисимов А.Г., Алеев A.M., Пантюшин A.B., Тимофеев А.Н. Основные погрешности контроля соосности с помощью авторефлексионной оптико-электронной системы //Оптический журнал, том.76, №1, 2009, с 3-8

6. Pantyushin, А.V.; Serikova M.G.; Timofeev A.N. Optoelectronic system for monitoring displacements, based on LED fiducial marks Journal of Optical Technology, Vol. 76 Issue 8, pp.507-510 (2009)

7. Лашманов О.Ю., Пантюшин A.B., Тимофеев А.Н., Ярышев С.Н. Исследование возможности применения спектрозонального метода для ослабления влияния воздушного тракта в оптико-электронных системах контроля положения // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2011. 3 (73). - С. 5-9

8. Алеев A.M., Горбачёв A.A., Коротаев В.В., Пантюшин A.B. Экспериментальное исследование случайной погрешности оптико-электронного

f , V

докового прогибомера I ! Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2011. 4 (74). -С. 7-11

9. Мараев A.A., Пантюшин A.B., Тимофеев А.Н., Ярышев С.Н. Исследование метода спектрозональной селекции в оптико-электронной системе предупреждения техногенных катастроф //Приборостроение, том 54, № 12, 2011. - с. 80-81.

10. Anton Pantyushin and Valéry Korotaev "Control measurement system for railway track position", Proc. SPIE 8486, Current Developments in Lens Design and Optical Engineering XIII, 84861B (October 11, 2012)

Патенты на изобретения РФ

11. Оптико-электронная система для контроля пространственного положения железнодорожного пути [Текст]: Патент Рос.Федерации № 2424932, МПК В61К 9/08, Е01В 35/00, G01B 11/00, / Жуков Д.В., Коротаев В.В., Пантюшин A.B., Серикова М.Г., Тимофеев А.Н., Патентообладатель ИТМО, приоретет 30.12.2009; опубл. 27.07.2011, Бюл. № 21

12. Выправочно-подбивочно-рихтовочная машина для выправки и контроля железнодорожного пути и оптико-электронная система выправочно-подбивочно-рихтовочной машины [Текст]: пат. Рос.Федерация № 2443826, МПК В61К 9/08 (2006.01) Е01В 35/00 (2006.01) / Араканцев K.r.(RU), Пантюшин A.B., Тимофеев А.Н. (RU), и др; патентообладатель Открытое акционерное общество "Российские железные дороги" (RU), опубл. патента 27.02.2012 Бюл. №6

13. Способ измерения линейного смещения и устройство для его осуществления [Текст]: Патент Рос. Федерации №2456542, МПК G01B 11/02, G01S 11/12/, патентообладатель ГОУВПО СПбГУ ИТМО / Анисимов А.Г., Горбачёв A.A., Краснящих A.B., Коротаев В.В., Пантюшин A.B., Серикова М.Г., Тимофеев А.Н., заявл. 12.05.2010; опубл. 20 07. 2012, Бюл. № 20

14. Устройство контроля деформаций протяженных объектов [Текст]: Патент Рос. Федерации № 2445572 , МПК G 01 В 11/16, G 01 В 21/32 /Коротаев В.В., Тимофеев А.Н., Горбачёв A.A., Пантюшин A.B., Алев A.M., Кулешова E.H., Патентообладатель ИТМО, заявл. 09.11.2010; опубл. 20.03.2012, Бюл. № 8; приоритет 09.11.2010

Свидетельства о регистрации программы РФ для ЭВМ

15. Горбачев A.A., Пантюшин A.B., Лашманов О.Ю, Кулешова E.H. Измерение параметров движения объектов с помощью телевизионной камеры. Свидетельство на программу для ЭВМ № 2012613939, опубл. 27.04.2012

Профильные издания по тематике диссертации.

16. Коротаев В.В., Пантюшин A.B., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные системы контроля положения реперных меток //Путь и путевое хозяйство: - М.: Трансжелдориздат, 2012. - N 11. - С. 34-37. - ISSN 0033-4715

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении

«Университетские телекоммуникации»

197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49.

Тел (812) 233-46-69, объем 1,0 п.л.

Тираж 100 экз.

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО)

На правах рукописи

П 4 / Г) 1 "ЧУ'ПО

ПАНТЮШИН Антон Валерьевич

Разработка и исследование оптико-электронных систем контроля положения железнодорожного пути в продольном профиле и плане относительно

реперных меток

05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., с.н.с Тимофеев А.Н.

Санкт-Петербург - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ...............................................................................................2

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ............................................................5

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................6

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ В ПРОФИЛЕ И ПЛАНЕ

И УСЛОВИЙ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ................................................................12

1.1.1 Оптико-электронные системы контроля положения железнодорожного пути в относительной системе координат........................13

1.1.2 Оптико-электронные системы контроля положения железнодорожного пути с внутренней базой.....................................................13

1.1.3 Оптико-электронные системы контроля положения железнодорожного пути с вынесенной базой....................................................14

1.2 Оптико-электронные системы контроля положения железнодорожного пути в абсолютной системе координат.............................16

1.2.1 Системы, построенные на основе автоматизированных геодезических приборов.......................................................................................16

1.3 Системы, использующие технологию ОРЭ/ГЛОНАС....................18

1.3.1 Системы, реализующие распределенный метод......................20

1.4 Классификация и сравнение систем контроля положения железнодорожного пути.......................................................................................23

1.5 Характерные условия эксплуатации ОЭСКП..................................28

1.5.1 Характеристики температуры....................................................29

1.5.2 Характеристики изменений пропускания воздушного тракта при работах железнодорожного транспорта..........................................30

1.5.3 Фоновые помехи..........................................................................30

1.5.4 Характеристики пространственного положения железнодорожного пути.......................................................................................33

1.6 Выводы по 1 главе.............................................................................34

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ И МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ В ОЭСКП.....................36

2.1 Обобщенная модель оптико-электронной системы контроля положения железнодорожного пути в абсолютной системе координат.........36

2.2 Математическое описание преобразований измерительной информации в ОЭСКП на базе теории машинного зрения..............................41

2.3 Подходы к принципиальному построению схем ОЭСКП и взаимодействию элементов..................................................................................47

2.3.1 Подходы к принципиальному построению реперной метки. .................................................................................................................................48

2.3.2 Подходы к построению фотоприемного блока.........................60

2.3.3 Внешнебазовый вариант построения ФБ с трипойдоной меткой.....................................................................................................................60

2.3.4 Внутрибазовый вариант построения ФБ с активной РМ.........64

2.4 Возможности комплексирования информации в ОЭСКП..............70

2.4.1 Оценка возможностей комплексирования информации по методу межкадровой разности.............................................................................71

2.4.2 Исследования оценки координат изображений РМ при спектрозональных измерениях с единого матричного поля анализа..............72

2.5 Исследование влияния движения ОЭСКП на формирование изображения на матричных фотоприемниках и точность определения положения изображений РМ................................................................................77

2.5.1 Особенности регистрации изображения реперной метки относительно движущейся ОЭСКП с приемниками на основе фотоприемников с глобальным затвором...........................................................78

2.5.2 Особенности регистрации изображения реперной метки относительно движущейся ОЭСКП с приемниками на основе фотоприемников с бегущим затвором................................................................80

2.6 Выводы по главе 2..............................................................................82

3 ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОЭСКП..................................84

3.1 Методики расчета параметров в компьютерных и физических моделях ОЭСКП....................................................................................................84

3.1.1 Особенности расчета и выбора параметров блоков ОЭСКП .................................................................................................................................84

3.1.2 Взаимосвязь величин горизонтального и вертикального полей анализа отображения РМ на МФП с диапазоном измеряемых величин, скоростями перемещения ББ и временем экспозиции в МФП........85

3.1.3 Методика энергетического расчета эффективного зрачка объектива ОЭСКП.................................................................................................87

3.1.4 Подходы к выбору элементов оптических схем основанных на габаритно-энергетическом критерии.......................................90

3.2 Методы повышения помехозащищенности ОЭСКП......................91

3.3 Погрешности контроля параметров возникающие в процессе функционирования ОЭСКП.................................................................................96

3.3.1 Первичные частичные погрешности ОЭСКП...........................98

3.3.2 Понятие потенциальной точности в ОЭСКП............................99

3.3.3 Систематическая погрешность вычисления координат РМ

от погрешности задания заднего отрезка объектива канала ФБ....................101

3.3.4 Систематическая погрешность вычисления координат РМ

от погрешности задания базовых отрезков каналов ФБ.................................103

3.3.5 Систематическая погрешность вычисления координат от погрешности сведения осей координат в каналах ФБ.....................................105

3.3.6 Погрешности от наклона фотоприемного блока....................106

3.3.7 Систематические погрешности от влияния защитного стекла фотоприемного устройства....................................................................107

3.3.8 Оценка погрешности измерений от воздействия вертикального градиента температуры воздушного тракта...........................109

3.3.9 Экспериментальные исследования статических погрешностей ОЭСКП........................................................................................111

3.3.10 Исследование динамических погрешностей ОЭСКП..........120

3.3.11 Суммарная погрешность основных составляющих

погрешностей измерений системы....................................................................127

3.4 Выводы по 3 главе............................................................................128

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК УНИВЕРСАЛЬНЫХ РЕШЕНИЙ ОЭСКП НА СТАДИИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ, ПРИЕМОЧНЫХ, ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ......................................................130

4.1 Разработка универсального решения оптико-электронной системы для контроля положения железнодорожного пути..........................130

4.2 Конструкция составных частей универсальной ОЭСКП..............134

4.2.1 Базовый блок..............................................................................134

4.2.2 Реперная метка...........................................................................135

4.2.3 Фотоприемный модуль..............................................................136

4.2.4 Блок обработки...........................................................................137

4.3 Особенности построения ОЭСКП...................................................138

4.4 Описание программного обеспечения............................................139

4.4.1 Развитый алгоритм вычислений координат в ОЭСКП..........139

4.4.2 Описание интерфейса программного обеспечения................141

4.5 Испытания ОЭСКП...........................................................................145

4.5.1 Предварительные испытания....................................................145

4.5.2 Приемочные испытания............................................................147

4.6 Выводы по 4 главе............................................................................149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................151

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ А.......................................................................................165

ПРИЛОЖЕНИЕ Б........................................................................................166

ПРИЛОЖЕНИЕ В.......................................................................................167

ПРИЛОЖЕНИЕ Г........................................................................................169

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АКПП - автоматическое устройство приемки и контроля пути; АПК - автоматизированный путеизмерительный комплекс; АПТ - автоматизированная путеизмерительная тележка; ББ - базовый блок; БО - блок обработки;

БПО - блок пространственной ориентации;

ВПР - выправочно-подбивочно-рихтовочная машина;

ДУ - датчик уровня

ИМ - индикатор метки

ИСПРМ - источник системы поиска реперной метки

КРМ - крепление реперной метки

МИ - модуль интерфейса

МУ - модуль управления

МУРМ - модуля управления реперной меткой

МФП - матричный фотоприемник

ОЭСКП - оптико-электронная система контроля положения железнодорожного пути

ОС - оптическая система

ПОИ - приемник оптического излучения

ПСПББ - приемник системы поиска базового блока

РМ - реперная метка

РР - рабочий репер

УПРМ - устройство поиска реперной метки ФБ - фотоприемный блок

ВВЕДЕНИЕ

Непрерывное развитие высокоскоростного железнодорожного движения в мире ужесточает требования, в том числе и к точности установки железнодорожного пути в проектное положение [ 1 , 2 ]. Определение фактического положения железнодорожного пути и оценка полученных результатов с помощью технических средств контроля являются важными аспектами совершенствования процесса установки пути в проектное положение, как при строительстве, так и ремонтах пути современными высокопроизводительными путевыми машинами.

Для современных технологий обслуживания железнодорожного пути с использованием его абсолютных координат перспективным решением является создание вдоль железнодорожных магистралей специальной реперной сети. В этом случае с помощью измерительных систем, относительно реперов, возможно получение объективной информации о фактическом положении железнодорожного пути в жестких условиях непрерывной работы путевых машин на скоростях до 10 км/ч.

При вышеупомянутом методе требуется контролировать изменения пространственного положения железнодорожного пути в продольном профиле (выправка) до 300 мм и в плане (рихтовка) от 2 до 7 м с погрешностью, не превышающей 1,5 мм. Особенность работы систем состоит в том, что по запросу устройства управления машиной или автоматизированной системы объективного контроля качества выправленного пути информация в цифровом виде о положении пути в плане, профиле и по уровню относительно реперных меток (РМ) должна выдаваться одновременно независимо друг от друга. При этом наряду с малым энергопотреблением и полной автономностью реперные метки должны обладать возможностью снятия с них дополнительной информации, например, о проектном положении пути.

Необходимую погрешность (2 мм) контроля положения

железнодорожного полотна обеспечивают комплексы на основе спутниковой

6

навигации и автоматизированных геодезических приборов (тахеометров). В основном, подобные комплексы выполнены на базе путеизмерительных тележек, из-за малой массы которых измерения железнодорожного пути осуществляются в ненагруженном состоянии, вследствие чего результаты измерений таких комплексов необходимо пересчитывать к условиям рабочей нагрузки. Кроме того, к существенным недостаткам таких систем можно отнести невозможность контроля параметров пути на скоростях движения более 5 км/ч, что в совокупности с низкой степенью автоматизации измерений обуславливает необходимость исследования и разработки альтернативных способов контроля указанных параметров.

Современная элементная база оптико-электронных приборов позволяет создавать адаптивные системы контроля пространственного положения железнодорожного пути в продольном профиле и плане на основе подходов компьютерного зрения для выполнения требований, обеспечивающих необходимые диапазон и точность контроля. Оптико-электронные системы контроля пространственного положения железнодорожного пути (ОЭСКП) содержат набор РМ, связанный с геодезическими или специальным реперными знаками, положение которых определяется фотоприемным блоком ОЭСКП, расположенным на путевой машине и перемещающимся вместе с ней.

Указанные обстоятельства определяют актуальность выбора в качестве объекта исследований универсальных и адаптивных ОЭСКП, а в качестве предмета исследования - особенности построения фотоприемных блоков (ФБ) и РМ, алгоритмов функционирования ОЭСКП, структуры составляющих погрешности контроля, включая их взаимосвязи и влияние на суммарную погрешность контроля.

Целью диссертационной работы является исследование, проектирование и реализация опытных образцов адаптивных ОЭСКП на основе современных матричных фотоприемных структур и цифровых методов обработки информации о положении РМ, позволяющих контролировать

одновременно и непрерывно положение железнодорожного пути в продольном профиле и плане и обеспечивать при этом работу современных автоматических систем управления выправкой пути и оценки качества работы путевых машин.

Для достижения поставленной цели следует решить ряд задач.

1. Анализ и классификация оптико-электронных систем, предназначенных для контроля положения железнодорожного пути при движении по нему, критический анализ условий их использования и определение направления исследований.

2. Создание обобщенной модели исследуемых ОЭСКП, анализ особенностей обработки измерительной информации в них и теоретические исследования характеристик их элементов.

3. Разработка и исследование компьютерных моделей оптико-электронных модулей и способов комплексирования информации в ОЭСКП.

4. Разработка алгоритмов и программ обработки информации и управления функционированием физических моделей каналов ОЭСКП.

5. Разработка методик проектирования ОЭСКП и реализация на их базе документации на типовые опытные образцы.

6. Анализ и оценка степени влияния основных источников погрешности контроля и разработка методов их уменьшения.

7. Разработка методик и автоматизированных средств экспериментального исследования элементов и опытных образцов ОЭСКП.

В теоретической области применены аналитические и численные методы геометрической оптики, векторно-матричный метод расчёта пространственных картин, разработаны инженерные методики по выбору соотношений, параметров и характеристик элементов обобщенной схемы ОЭСКП. В экспериментальной части при исследовании элементов системы и анализе методов обработки измерительной информации используются как детерминированные компьютерные модели функциональных элементов

ОЭСКП, реализованные на основе пакетов прикладного программного обеспечения МАТЪАВ и МаЛСАЭ, так и физические модели. Практическая проверка полученных характеристик осуществлена с использованием разработанных опытных образцов ОЭСКП.

Научная новизна работы состоит в:

- подходе к компенсации влияния условий рабочей среды на основе разработанных цифровых методов обработки смазанных изображений реперных меток в ОЭСКП, обеспечивающий требуемые характеристики контроля.

- методологии комплексирования информации о перемещающихся специальных РМ на основе межкадрового и спектрозонального методов обработки изображений для повышения устойчивости обнаружения, распознавания и координатного анализа изображений РМ на сложном фоне.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Обобщенная структурная схема универсальной ОЭСКП, позволяющая исследовать и конфигурировать на базе модульного принципа различные структуры контроля фактического пространственного положения железнодорожного пути по реперной сети.

2. Методология выбора элементов ОЭСКП с единым матричным полем анализа и алгоритмы обработки и коррекции измерительной информации по смазу изображений РМ в фотоприемных каналах с целью компенсации влияния условий рабочей среды.

3. Математическое описание модели ОЭСКП для оценки степени влияния частных систематических и случайных погрешностей и оценки факторов, отрицательно влияющих на процесс контроля и анализ путей их ослабления.

4. Методики экспериментальных исследований и испытаний на сформированном автоматизированном стенде для оценки статических и динамических погрешностей опытных образцов ОЭСКП с активными РМ.

5. Новые средства контроля положения железнодорожного пути в продольном профиле и в плане (патенты РФ №2424932, №2443826, №2456542, №2445572).

Практические результаты работы

1. Предложена методика определения параметров и алгоритмов обработки информации в элементах структуры ОЭСКП, позволяющая оптимизировать структуру ОЭСКП по габаритно-энергетическому критерию.

2. Сформированы методы комплексирования информации с единого матричного поля анализа и алгоритмы обработки информации на основе принципов межкадровой обработки и спектрозональной селекции для анализа динамических искажений отображений РМ.

3. Получены матем�