Интегрированная система ориентации и навигации для задач диагностики рельсового пути

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 656.2

Интегрированная система ориентации и навигации для задач диагностики рельсового пути

В.Ю.ЛАЗАРЕВ, Д.Ю.ЛАРИОНОВ, Р. В. ШАЛЫМОВ Научный руководитель д.т.н., проф. А. М. Боронахин.

(Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»)

Приведена концепция построения комплексной системы измерения, как геометрических параметров рельсового пути (включая ширину и рихтовки), так и коротких неровностей поверхностей катания рельсов. Рассмотрены особенности построения системы навигации на рельсовом пути. Особое внимание уделено вопросам использования оптических профилометров в составе системы диагностики рельсового пути и совместной обработке их показаний с данными от бесплатформенной инерциальной навигационной системы. Приводятся результаты экспериментальных проездов системы в составе путеизмерительной тележки.

рельсовый путь мониторинг навигация

Введение

В настоящее время наблюдается тенденция увеличения использования железнодорожного транспорта, в связи с этим увеличиваются скоростные показатели движения грузовых и пассажирских поездов, а также растет плотность их движения. Очевидно, что современные условия эксплуатации требуют более тщательного контроля состояния рельсового пути. Именно от своевременного обнаружения и устранения неполадок зависит безопасность, а также возможность скоростного движения поездов (300км/ч). Для этих целей в настоящее время используется ряд технических средств, таких как путеизмерительные вагоны и ручные средства измерения, но оперативный контроль качества железнодорожного пути ими затруднен.

Одним из возможных решений этой проблемы является размещение, как на вагонах-дефектоскопах, так и на непрерывно курсирующих пассажирских и грузовых поездах Малогабаритной Инерциальной Системы Диагностики Рельсового Пути (МИСД РП) - разработки кафедры лазерных измерительных и навигационных систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ» [1, 2].

Настоящая работа посвящена разработке устройства для измерения горизонтальных неровностей пути с использованием (МИСД РП).

Влияние месторасположения ИНС в составе системы

На рис.1 приведены возможные места установки БИНС и реализованные в отечественных ПВ (скорости движения до 160 км/ч). С точки зрения эффективного использования БИНС в задаче диагностики геометрических параметров рельсового пути на скоростях 160 км/ч , в том числе с точки зрения оптимальности конструкторских решений, является вариант а (ИНТЕГРАЛ, ГК ТВЕМА) ? использование моноблочной конструкции, включающей в себя БИНС и профилографы (шаблон), монтируемой на подрессоренную часть ходовой тележки.

Рис.1. Варианты расположения ИНС на российских ПВ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Недостатком варианта б (ЭРА, НПЦ ИНФОТРАНС) является сложность обеспечения необходимой жесткости дополнительной плиты, на которой также смонтированы профилографы (шаблон). Однако достоинство такого подхода - более комфортные условия для эксплуатации БИНС, так как благодаря дополнительной подвеске, колебания платформы находятся в более низкочастотной области по сравнению с колебаниями рамы тележки (вариант а). Недостатком варианта в (ЦНИИ-4МДМ, ПИК ПРОГРЕСС) является то, что при измерении просадок высокочастотные составляющие движения точек контакта «колесо-рельс» должны обеспечиваться системой датчиков Б?К, представляющих собой тросик с системой его натяжения через ролик и контролем изменения его длины (рис. 2). Также, в случае установки БИНС на кузове вагона, она будет определять движение семнадцатиметровой хорды (базы вагона) по рельсовому пути. Таким образом, измеряется не истинное положение пути в плане и в профиле, которое интересует службы пути, а траектория движения базы вагона.

Следует отметить, что аналогичной логики стоит придерживаться и для реализации решений на скоростях до 300 км/ч (жесткость конструкции в этом случае приобретает еще большее значение) и обеспечения требований стандарта [1] к точностям измерения таких геометрических параметров как: продольный уровень, поперечный уровень, изгиб, кривизна, профиль и т.д.. В этом случае становится необходимым объединение в моноблочной конструкции БИНС и оптических сканеров внутренних профилей головок (ОСВПГ) рельсовых нитей. При такой конфигурации БИНС, как построитель опорной системы координат, сможет давать как информацию о средней линии пути, так и углы поворота моноблочной конструкции, а значит и углы, под которыми ОСВПГ смотрят на рельсы.

Инерциальная система мониторинга рельсового пути

ИСМРП (Рис.3) в полной комплектации предназначена для определения основных геометрических параметров пути, а также таких дефектов поверхности катания рельсов, включает в себя две подсистемы - 1)подсистема измерения геометрических параметров (ПИГП); 2) подсистема диагностики коротких неровностей (ПДКН); и состоит из:

· четырех инерциальных ММ, расположенных на буксах колесных пар тележки вагона;

· БИНС, закрепленной под кузовом вагона;

· ПА СНС;

· датчика пути (одометра);

· двух лазерных сканеров (профилометров);

· четырех датчиков перемещений (ДП), позволяющих учитывать рассогласование показаний ММ и БИНС, вызванное различием мест их установки.

Рис.3 Малогабаритная инерциальная система диагностики рельсового пути

О результатах разработки ПДКН был сделан доклад в 2012 году [6].

Основа (ПИГП) представляет собой моноблочную конструкцию, содержащая в своем составе БИНС и профилометр на базе двух лазерных сканеров. Моноблок предполагает установку на ходовой тележке несущей подвижной единицы. Одной из важнейших задач в области путеизмерений является привязка результатов диагностики к пространственным координатам (месту на рельсовом пути). Решение подобной задачи требует наличия в составе ПИГП, помимо БИНС, еще двух подсистем: приемной аппаратуры спутниковых навигационных систем (GLONASS, GPS, etc.) и датчика пути (одометра).

Для обеспечения динамических характеристик в качестве чувствительных элементов БИНС используются волоконно-оптические гироскопы (ВОГ). Требования к диапазону измерений ВОГ определяются минимальной скоростью движения (5 км/ч для РЖД) и при движении по кривой минимального радиуса могут быть получены как

.

БИНС на ВОГ обладают существенно лучшими возможностями к измерениям в условиях активных внешних механических воздействий (вибрации и удары на тележке вагона). В процессе испытаний ВОГ была выявлена зависимость их показаний от действующего магнитного поля, поэтому была уточнена модель погрешностей ВОГ - чувствительность к магнитному полю и в состав БИНС были введены магнитометры для аналитической компенсации этой зависимости.

Особенностью построения интегрированной системы ориентации и навигации (ИСОН) является оценка погрешности датчика пути (одометра). Для этого реализуется алгоритм, приведенный на рис. 11, позволяющий оценить коэффициент скольжения m:

В зависимости от качества сигналов СНС может быть реализовано два варианта ИСОН. Коррекция одометра осуществляется по координатам, если сигнал СНС достоверен и по скоростям - если нет.

Рисунок. 11. Алгоритм ИСОН

Алгоритм определения параметров геометрии рельсового пути

Предлагаемый инерциальный метод состоит в следующем. Полученные от лазерных сканеров внутренние профили рельсов обрабатываются, определяются точки на уровне 13 мм от поверхности катания рельса. На рисунке 3.12 приведен схематический вид расположения датчиков системы с обозначениями, используемыми в дальнейшем.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4. Расположение датчиков МИСД РП-М.

T - верхняя точка рельса; P - точка контакта рельса и колеса;
, , , - декартовы координаты точки T по показаниям сканера 1 (для левого по ходу движения рельса) и сканера 2 (для правого рельса), соответственно; , , , - декартовы координаты точки P по показаниям сканера 1 (для левого по ходу движения рельса) и сканера 2 (для правого рельса), соответственно; L - расстояние между лазерными сканерами;
H - высота БИНС по отношению к рельсовому пути. Лазерный сканер измеряет расстояние до головки рельса (точки T и P). БИНС закреплена в центре балки, установленной на ходовой тележке, и измеряет положение (угол) рамы тележки.

Для измерения ширины рельсового пути используются только показания лазерных сканеров. Ширина () является расстоянием между левой и правой точками P. Это расстояние вычисляется по формуле (1.1):

, (1.1)

где - ширина рельсовой колеи; , - глобальные координаты x точек P левого и правого рельсов, соответственно, получаемые пересчетом координат , по показаниям БИНС (разворот из текущего положения тележки в центральное).

Схема измерения уровня, с соответствующими обозначениями приведена на рисунке 5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5 - Схема измерения уровня

C - уровень; - угол крена рамы тележки; , - глобальные координаты центра рельсовой колеи; , - глобальные координаты центра БИНС

Уровнем является расстояние по вертикали между точками T или P головок левого и правого рельсов. Этот геометрический параметр вычисляется с использованием данных от лазерных сканеров и угла крена от БИНС в соответствии с выражением (1.2):

, (1.2)

где C - уровень; а координаты с рисунка 5:

, .

Тогда, с учетом малости углов и полученной ранее формулы (1.1), выражение (1.2) примет вид (1.3):

(1.3)

Определение рихтовки рельсов по показаниям датчиков системы определяется в соответствии с приведенными ниже формулами (1.4) - (1.6).

Изменение географических координат по показаниям ИНС (курсовой канал) и датчика пути (одометра):

; , (1.4)

где ДN, ДE - изменение географических координат (северной и восточной, соответственно) центра БИНС; - дискрет одометра; - угол курса по показаниям БИНС; - количество импульсов одометра на дистанции пути л; л - длина волны неровности. Тогда можно определить рихтовку средней точки пути:

, (1.5)

где - рихтовка средней точки пути (, на рисунке 5). В результате рихтовка правого и левого рельсов определяется по формулам:

;

, (1.6)

где , - рихтовка левого и правого рельсов, соответственно. При этом сумма рихтовок соответствует выражению (1.7):

. (1.7)

Перекосы вычисляются как разность между двумя поперечными уровнями на равных интервалах. Таким образом, поворот получается из сравнения ранее измеренных данных и текущих в соответствии с выражением (1.8):

, (1.8)

где (n) - перекос на текущем импульсе одометра n; - количество импульсов одометра на дистанции пути l; l - дистанция определения перекоса (3 метра).

Апробация алгоритма

На этом этапе разработки оптико-инерциальной системы диагностики рельсового пути был создан макет, имеющий целью проведение испытаний системы и демонстрацию ее возможностей потенциальным заказчикам. Фото макета представлено на рис. 6.

Тележка прошла испытания в Корее(г.Карлсруэ). Состав ОИСДРП представлен на рисунке а.

На рис. 6 б и в - представлены фото макета с испытаний в Южной Корее. На рис. 6 б - видна подсвеченная лазерным профилометром кромка рельса. Внешний вид ПО макета представлен на рис.7.

а)

б) в)

Рис.6 Макет Оптико-инерциальной системы диагностики рельсового пути.

Внешний вид ПО макета представлен на рис.7.

Рис.7. ПО макета Оптико-Инерциальной Системы Диагностики Рельсового Пути.

Заключение

Таким образом, в работе был произведен анализ измерительных схем путеизмерительных вагонов, он показал целесообразность установки моноблока с БИНС и профилометром непосредственной на раму тележки. А так же показана возможность построения БИНС на базе ВОГ для задач диагностики рельсового пути. При этом для эффективной работы ВОГ в составе БИНС в условиях железной дороги, необходима установка магнитометров, для компенсации погрешностей, вызванных магнитными полями. Приведен алгоритм определения параметров геометрии рельсового пути при совместной обработке данных профилометров, БИНС и одометра.

Литература

1. Боронахин, А.М. Малогабаритная интегрированная система диагностики рельсового пути // Гироскопия и навигация, №1 (64) // А.М. Боронахин, Л.Н. Олейник, Н.С. Филипеня. - С-Петербург: ЦНИИ «Электроприбор», 2009. - С. 63 - 74.

2. Боронахин А.М. Инерциальная система мониторинга рельсового пути // А.М. Боронахин [и др.] // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. Вып. 10. С 84 - 91.

Размещено на Allbest.ru