Исследование внешнебазной системы для контроля пространственного положения железнодорожного пути

Размещено на http://allbest.ru

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО)

Исследование внешнебазной системы для контроля пространственного положения железнодорожного пути

А.В. Никулин, А.Н. Тимофеев, И.С. Некрылов

Санкт-Петербург, Россия

Контроль состояния железнодорожного пути определяет его производительность, безопасность и экономическую эффективность эксплуатации. Поэтому прецизионный контроль пространственного положения железнодорожного пути является очень ответственной задачей. Нередко контроль должен проводиться с погрешностью менее 1 мм в диапазоне ±360 мм на дистанции до 7 м при скорости контроля до 10 км/ч. Частично эта цель достигается как с помощью геодезического оборудования (лазерные трекеры, оптико-электронные нивелиры, теодолиты, тахеометры), так и с помощью систем на основе GPS/ГЛОНАСС.

Известно, что приведенные подходы либо имеют, во-первых, недостаточную производительность («скорость» контроля, пройденный путь за единицу времени), во-вторых, недостаточную точность контроля [1]. Указанные недостатки обуславливают актуальность разработки, исследования и внедрения систем.

Для решения указанной проблемы предлагается оптико-электронная схема бесконтактного контроля продольных и поперечных смещений на базе матричного фоточувствительного прибора (МФП).

Возможности полной автоматизации процесса измерений и высокого быстродействия при обработке измерительной информации обеспечивает перспективность использования подобной оптико-электронной системы.

Исследуемая система построена на схеме внешнебазного дальномера с матричным фотоприёмным полем анализа и реперными метками (рисунок 1), выполненными в виде тест-объекта, нанесённого на опоры контактной сети с помощью светоотражательной краски и смещенного относительно оптической оси системы на величину B/2.

Рисунок 1 - Схема построение измерительной цепи

Оптико-электронная система содержит видеокамеру 1, объектив 2 и тест-объект 3, представляющий два перекрестия, имеющие координаты А( ), B(), которые являются координатами точек пересечения соответствующих прямых.

Координаты служат основой для вычисления координат контрольного элемента (КЭ) по двум осям OX и OY, с помощью масштаба , координата по оси OZ вычисляется с помощью параллактического треугольника, используя линейный размер базы B и рабочий отрезок объектива [2]. освещенность фотоприёмник железнодорожный

Предлагаемая схема обладает большей гибкостью, за счет выноса измерительной базы на КЭ (внешняя база).

Во-первых, линейный размер базы B является одним из основных критериев, влияющих на погрешность определения дистанции, что делает актуальным увеличение базы до максимально возможных значений.

В схемах, где измерительная база располагается непосредственно в системе (например, размещение набора светодиодов с известными габаритами перед входным зрачком объектива), размер базы может быть ограничен диаметром объектива или конструктивными требованиями к самой системе [2].

Во-вторых, отсутствует необходимость в электропитании и управления КЭ, что освобождает систему от дополнительных проводов и автономных источников питания.

Следуя соображениям геометрической оптики, допустив, что расстояние от измерительной системы до КЭ много больше фокусного расстояния оптической системы, получены следующие соотношения для нахождения координат КЭ в пространстве:

, , (1)

где: X, Y - горизонтальные и вертикальные координаты тест - объекта., Z - расстояние от передней главной плоскости объектива до тест-объекта, В - линейный размер базы, В'- изображение базы на матрице, a' - рабочий отрезок объектива, p - линейный размер пикселя матрицы.

Особый интерес для анализа представляет потенциальная точность, которая может быть достигнута с использованием предложенной схемы

, , ,(2)

где: дZ, дY - погрешность положения реперной метки, соответственно в продольном профиле и плане, дy - погрешность положения изображения реперной метки на матрице.

Метод обработки включает в себя алгоритм нахождения граничных точек прямых, образующих перекрестия. В результате решения системы линейных уравнений и пересчета с учетом масштаба , система вычисляет координаты КЭ.

Определять координаты объекта на матрице можно с точностью 0,05 пикселя фотоприёмника [3]. Графики, отражающие характер зависимости погрешностей от дистанции контроля показаны на рисунке 3.

а б

Рисунок 3 - Оценка погрешности измерительной цепи

В качестве матричным фотоприемника системы используется видеокамера на ПЗС-матрице Sony ICX274 с размерами пикселя 4,4 мкм; в качестве объектива - телеобъектив с рабочим отрезком мм, а мм. Поперечные смещения КЭ достигают ±360 мм на дистанциях от 1 до 7 метров, что полностью удовлетворяет требованиям, поставленным перед схемой.

Погрешность измерения поперечных координат , имеет линейную зависимость в интересующем диапазоне дистанций. Показано, что на дистанции 7 м (максимальная дистанция контроля) и не превышают 0,8 мм, что является достаточно хорошим показателем для контроля подобного вида объектов.

Погрешность контроля координаты имеет квадратичную зависимость и на дистанции 7 м не превышает 0,7 мм. За счет увеличения значения базы мм существует возможность уменьшения , и при заданных составляет ? 0,4 мм на максимальной дистанции контроля. Характер зависимости представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Оценка погрешности измерения дистанции в зависимости от базы измерения

Перспективным развитием работы является анализ влияния внешних факторов на погрешность схемы, таких как состояние воздушного тракта, деформации тест-объекта. Создание робастного алгоритма обнаружения тест-объекта, дающего высокую вероятность обнаружения, даже в условиях недостаточной освещенности.

Работа выполнена при государственной финансовой поддержке ведущих университетов Российской Федерации (Госзадания 2014/190 и 8.599.2014/K).

Список использованных источников

1. Алеев А.М., Араканцев К.Г, Тимофеев А.Н. Ершова К.Б., Петуховский В.В., Петуховский С.В., Холин А.Е. Оптико-электронная система контроля положения железнодорожного пути относительно реперных меток / Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т.51, №9. С. 18-22

2. Учебник для техникумов/ С. В. Кулагин, А. С. Гоменюк, В. Н. Дикарёв и др. - 2 -е изд., перераб и доп. - М.: Машиностроение, 1984. - 352 с., ил.

3. Жуков Д.В., Коняхин И.А., Усик А.А. Итерационный алгоритм определения координат изображений точечных излучателей // Оптический журнал. 2009. Т. 76. №1. С. 43-45.

Аннотация

Исследование внешнебазной системы для контроля пространственного положения железнодорожного пути. А.В. Никулин, А.Н. Тимофеев, И.С. Некрылов. Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО) Санкт-Петербург, Россия, тел. (812)595-41-59, E-mail: a.v.nikulin@live.ru

Проводится исследование характеристик модернизированной оптико-электронной системы контроля положения железнодорожного пути в продольном профиле и в плане по реперным меткам, установленным на опорах контактной сети.

Размещено на Allbest.ru