Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние методов и средств измерения геометрических параметров рельсового пути 8
1.1. Контроль геометрических параметров - как важнейшая составляющая диагностики пути 8
1.2. Основные термины и понятия, используемые в области измерения геометрических параметров рельсового пути 10
1.3. Современные путеизмерительные вагоны 20
1.4. Способы измерения основных геометрических параметров рельсового пути 29
1.5. Проблемы, подлежащие исследованиям 3 7
Выводы по главе 41
2. Бесхордовый инерциальныи метод измерения неровностей рельсовых нитей в продольной вертикальной плоскости 42
2.1 .Экспериментальный анализ хордовых измерительных устройств 42
2.2. Бесхордовый инерциальныи метод измерения просадки 46
2.3. Анализ погрешностей бесхордового измерительного устройства 49
2.4. Экспериментальные исследования в составе путеизмерительного вагона ЦНИИ-4 55
Выводы по главе 63
3. Разработка и исследование метода измерения путеизмерительным вагоном вертикальной жесткости рельсового пути 64
3.1. Метод измерения путеизмерительным вагоном жесткости рельсового пути 65
3.2. Анализ погрешностей 70
3.3. Методика поверки метода измерения ПВ жесткости рельсовых нитей 72
Выводы по главе 75
4. Разработка и исследование метода высокоточной привязки результатов измерений параметров рельсового пути на основе интегрированной системы навигации 76
4.1. Разработка интегрированной системы одометр/СНС/ИНС в составе путеизмерительного вагона ЦНИИ-4 77
4.2. Результаты испытаний интегрированной системы 95
4.3. Математическая модель погрешности определения пройденной дистанции и модификация алгоритма коррекции путем учета режима и условий движения 99
Выводы по главе 106
Заключение 107
Список использованной литературы 109
Приложение 1. Анализ хордовых методов измерения геометрических параметров рельсового пути 116
Приложение 2. Алгоритмы обработки и коррекции показаний одометра 122
Приложение 3. Интегрированные системы с использованием ОФК 133
Приложение 4. Таблица 139
- Основные термины и понятия, используемые в области измерения геометрических параметров рельсового пути
- Бесхордовый инерциальныи метод измерения просадки
- Анализ погрешностей
- Результаты испытаний интегрированной системы
Введение к работе
Железнодорожная дорога в России всегда была и остается главной транспортной артерией для перевозки грузов и пассажиров. Основная задача, которая стоит перед железнодорожниками, удовлетворение всех запросов потребителей транспортных услуг при условии обеспечения безопасности перевозок.
С подъемом экономики железнодорожный транспорт в России имеет хорошие перспективы и должен быть готов к освоению возрастающих объемов перевозок грузов и пассажиров. Первостепенное значение придаётся развитию средств диагностики пути, поскольку их состояние непосредственно связано с безопасностью движения поездов и планированием ремонтных работ. Определяющим фактором при этом является качество и своевременность проведения диагностики. В связи с этим оправдана потребность в современных средствах и методах измерения, позволяющих проводить контроль параметров рельсового пути на больших скоростях без ущерба качеству. Если в настоящее время в качестве таких средств успешно выступают путеизмерительные вагоны (ПВ), то не все методы измерения претерпели модернизацию и обеспечивают необходимую точность и достоверность.
Так, например, в современном ПВ ЦНИИ-4 такой высокоточный, обладающий большим потенциалом измерительный инструмент, как спутниковая навигационная система (СНС) используется лишь для начальной выставки инерциальной навигационной системы (ИНС) [1], применение которой также значительно ограничено. Неровности рельсовых нитей измеряются "дедовскими" хордовыми методами, без привлечения информации об инерциальном положении в пространстве путеизмерительного средства.
Все контролируемые параметры состояния рельсовой колеи фиксируются как функция пройденного вагоном-путеизмерителем пути, требования к точности его измерения чрезвычайно высоки. Решение задачи определения
пройденного вагоном на момент времени t пути от некоторой опорной точки необходимо, во-первых, для локализации (привязки) результатов контроля рельсового пути и, во-вторых, для определения характеристик пути независимо от скорости вагона. Естественно, что все погрешности измерений пройденного пути приводят к неточной привязке обнаруженных дефектов и контролируемых геометрических параметров. Пройденная ПВ дистанция измеряется электронно-механическим устройством, вырабатывающим определенное количество импульсов на оборот колеса (одометром). Погрешность определения пройденной дистанции при использовании такого датчика велика и составляет 5м на 1 км пути [1].
Данная работа направлена на совершенствование методов диагностики и контроля геометрических параметров путем рационального и более полного использования имеющихся в арсенале ПВ средств измерения, таких как СНС и ИНС, а также их интегрированием в одну навигационную систему. В частности, разработан бесхордовый метод измерения вертикальных неровностей рельсовых нитей в продольной плоскости, в котором устранены недостатки хордового метода, посредством использования данных об угловом положении кузова вагона относительно плоскости горизонта, получаемых с ИНС. Впервые получен метод измерения при помощи ПВ распределенной жесткости рельсовых нитей, в основе которого также лежит инерциальная информация. Интегрирование одометра, СНС и ИНС в навигационную систему позволило получить модель погрешностей датчика пути, разработать алгоритмы определения пройденной дистанции и добиться высокой точности привязки обнаруженных дефектов.
Цель работы - разработка новых методов измерения параметров рельсового пути на основе привлечения инерциальной навигационной информации.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
разработкой бесхордового метода измерения вертикальных неровностей рельсовых нитей в продольной плоскости (просадки);
разработкой метода измерения ПВ распределенной вертикальной жесткости рельсовых нитей;
разработкой метода высокоточной привязки результатов измерения параметров рельсового пути, на основе интегрированной системы навигации одометр/ИНС/СНС.
Методы исследования базируются на теории инерциальной навигации, теории оптимальной обработки информации, методах математического и имитационного моделирования.
Научная новизна проведенных исследований заключается в том, что в ходе их выполнения впервые:
предложен бесхордовый метод измерения вертикальных неровностей, позволяющий с высокой точностью определять величину коротких и длинных просадок, а также оценивать дефекты поверхности катания рельсовых нитей;
разработан метод измерения ПВ жесткости рельсовых нитей;
получена модель погрешности датчика пути, учитывающая характер и условия движения, произведена идентификация ее коэффициентов, на основе которой разработан метод коррекции показаний датчика пути.
Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что разработка новых методов на базе имеющегося измерительного комплекса приборов и датчиковой аппаратуры, привела к созданию конкретных систем, нашедших практическое применение. В работе получены следующие практические результаты:
- результаты экспериментального проезда ПВ ЦНИИ-4 показали
преимущества бесхордового метода измерения просадки, в частности, его
достоверность и более высокую точность, возможность определять короткие
просадки, а при малом инкременте одометра идентифицировать стыки и короткие дефекты поверхности катания;
- рабочие программы, реализующие разработанный метод высокоточной привязки результатов контроля к пройденной дистанции на основе интегрированной системы навигации позволяют обеспечить независимость результатов измерений от режима и условий движения и увеличить воспроизводимость результатов измерений пройденного расстояния.
Вместе с тем, следует отметить, что до настоящего времени в мировой путеизмерительной технике такой параметр как жесткость рельсовых нитей не используется по причине отсутствия метода измерения ПВ. Разработанный метод измерения ПВ жесткости рельсового пути заполнит существующий пробел и откроет новое информационное поле для исследования, а также позволит нормировать результаты измерения геометрических параметров, зависящих от нагрузки, по ее величине.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Бесхордовый инерциальный метод, позволяющий измерять неровности рельсовых нитей в продольной вертикальной плоскости.
Экспериментальные исследования, подтверждающие достоверность и более высокую точность результатов измерения вертикальных неровностей бесхордовым методом.
Метод, позволяющий измерять путеизмерительным вагоном вертикальную жесткость рельсового пути.
Математическая модель, описывающая погрешность определения пройденной дистанции по показаниям датчика пути.
Метод коррекции показаний датчика пути, на основе интегрированной системы навигации, учитывающий характер и условия движения.
Основные термины и понятия, используемые в области измерения геометрических параметров рельсового пути
Рельс. Почти все рельсы в поперечном сечении имеют тавровый (Т-образный) профиль с плоским основанием, узкой вертикальной стенкой и слегка скругленной по верхним краям прямоугольной головкой [7]. В развитых странах рельсы длиной 12 м, скреплявшиеся на стыках двухголовными накладками с болтами и гайками, заменили на сварные. Такие рельсы обеспечивают более безопасное движение составов без вертикальной тряски на стыках; именно стыки быстрее всего изнашивались, и их упразднение существенно снизило объемы ремонтных работ. Обычно между шпалой и основанием рельса вставляется стальная подкладка, чем обеспечиваются более прочное скрепление рельса со шпалой и уменьшение износа из-за динамических ударных нагрузок от подвижного состава.
Шпалы и балласт. В Западной Европе, Японии и других местах, где лесоматериалов мало, шпалы обычно делают из железобетона. В США до сих пор широко применяются деревянные шпалы со специальной пропиткой.
Балласт выполняет двойную роль: он служит подушкой пути и дренирующим слоем для отвода дождевой воды с полотна. Обычно наилучшим балластом считается щебень из твердых скальных пород, раздробленных на куски размерами около 5 см, но в качестве балласта можно использовать также отходы горнодобывающей промышленности, гальку, гравий и другие подобные материалы.
В итоге верхнему строению придается некоторая упругость, благодаря чему рельсовый путь при движении по нему поездов слегка смещается вверх-вниз, подобно пружине. Тем не менее, на станциях, в тоннелях и на мостах рельсовый путь укладывается на жесткое основание из стали или бетона.
Ширина рельсовой колеи. Стандартная колея шириной 1,435 м принята почти везде в Северной Америке и на основных железнодорожных магистралях стран Западной Европы. Она же характерна для Китая и многих других районов мира. Разновидности широкой колеи (с расстоянием между рельсами пути от 1,52 до 1,68 м) типичны для республик бывшего СССР, Аргентины, Чили, Финляндии, Индии, Ирландии, Испании и Португалии. Пути с более узкой колеей (от 0,6 до 1,07 м) обычны для Азии, Африки, Южной Америки, а также для второстепенных железных дорог Европы, особенно в гористой местности, и лесовозных дорог России [7]. В соответствии с нормами, установленными соответствующей инструкцией МПС России [2,5,8] в табл. 1.1 представлены значения номинального размера ширины колеи между внутренними гранями головок рельсов. Кривизна пути и уклоны. Нельзя проложить железную дорогу вообще без поворотов, спусков и подъемов, но все они снижают эффективность перевозок, ибо приводят к ограничениям скорости, длины и веса поездов и к необходимости вспомогательной тяги. В связи с этим при строительстве железных дорог обычно используются все возможности для того, чтобы сделать дорогу прямее и ровнее.
Уклоны на большинстве железнодорожных магистралей не превышают 1 % (т.е. перепад уровня полотна дороги 1 м на ее длине 100 м) от длины по горизонтали [7]. Уклоны, превосходящие 2%, на главных железных дорогах встречаются редко, хотя в горах бывают и более 3%. Подъем в 4% для обычного локомотива практически неприодолим, но с ним легко справляется локомотив, оснащенный колесом с механизмом зубчатого зацепления с кремальерой пути.
Верх головок рельсов обеих нитей пути на прямых участках должен быть в одном уровне. Разрешается на прямых участках пути содержать одну рельсовую нить на 6 мм выше другой в соответствии с нормами, установленными соответствующей инструкцией МПС России. Возвышение наружной нити на кривых участках пути в зависимости от радиуса кривой и скоростей движения по ней устанавливается приказом начальника железной дороги в соответствии с инструкцией МПС России [2,5], при этом возвышение не должно превышать 150 мм.
Вертикальные неровности в продольной плоскости рельсовых нитей — просадка. Просадка - это неровности каждой из рельсовых нитей в вертикальной плоскости по отношению к среднему уровню каждой нити. К вертикальным неровностям можно отнести дефекты, вызванные пустотами в железнодорожном балласте (подушке), разрушением шпал, междушпальным прогибом рельсовых нитей, волнообразный износ поверхности катания рельс, устраняемый шлифованием и другие. Подобно гармонической кривой, протяженность железнодорожной неровности принято называть длиной волны и в зависимости от ее величины, просадку разделяют на длинную (более 6 м) и короткую (с длиной волны до 6 м).
Вертикальная жесткость пути (Н/м) определяется отношением приложенной к середине головки рельса вертикальной силы к вертикальному прогибу в точке приложения этой силы [9]. Применительно к подрельсовому основанию пути используют также понятие «вертикальная погонная жесткость основания» (Н/м ). Эта жесткость называется физическим модулем упругости пути. Под физическим модулем упругости пути понимают реакцию основания на единице его длины при деформации основания, равной единице (в МН/м2). Этот модуль имеет различные значения для различных конструкций пути и различных направлений деформаций.
Рассмотрим вертикальную жесткость пути в точке приложения сосредоточенной силы. Экспериментально получаемые диаграммы [9] зависимости прогиба пути от вертикальной сосредоточенной нагрузки, приложенной к головке рельса в каком-либо сечении пути, имеют вид, показанный на рис. 1.1. Очевидно, что эта зависимость, особенно при малых значениях приложенной силы, нелинейная. При возрастании и убывании нагрузки кривые прогиба рельса изменяются по разным законам. Между этими кривыми на графике образуется петля гистерезиса, площадь внутри которой характеризует рассеяние энергии в пути.
Прогиб рельса при небольших нагрузках (до 40-50 кН), при котором происходит сжатие зазоров между рельсами и скреплениями, скреплениями и шпалами, в балласте и т.п., называют первоначальным скачком прогиба рельса. За пределами этого скачка зависимость прогиба пути от вертикальной сосредоточенной нагрузки практически линейна. Именно поэтому вертикальную жесткость пути обычно определяют для нагрузок на рельс, превышающих 40 кН.
Бесхордовый инерциальныи метод измерения просадки
Сущность метода заключается в том, что при помощи гироскопической системы, измеряют текущие углы ориентации кузова вагона относительно горизонта и при помощи датчиков букса-кузов текущие положение кузова относительно рельсовых нитей. На основе полученной информации вырабатываются текущие значения углов поперечного уровня и продольного уклона, которые затем усредняются на базе вагона, получая текущие средние значения углов рельсовой колеи. Величину просадки получают как разность значений относительных положений букс измерительной колесной пары к полученному положению кузова вагона, параллельного средней линии рельсовой колеи, и текущими расстояниями букса-кузов. [37].
Угол бортовой качки кузова вагона относительно горизонта, получаемый по показаниям гироскопической системы, может быть определен из выражения Єк=Єр+Є0ТИ, (2.1) где 0ОТН— угол поперечного наклона кузова вагона относительно плоскости рельс, измеряемый датчиками букса-кузов измерительной колесной пары, 0 -угол поперечного наклона рельсового пути. Текущее значение взаимного положения рельсовых нитей по уровню получим в виде: ер/ = ек(- - 90тн/ = 9к/ + — -—L» (2.2) где /д — расстояние между точками крепления датчиков букса-кузов измерительной колесной пары; h,n - показания датчиков букса кузов измерительной колесной пары. Текущее значение продольного уклона: W = v.,-vm, =ч кУ7 +/8 2 /з /4 . (23) где \/к,— угол продольного наклона кузова вагона относительно горизонта, измеряемый гироскопической системой, vj/OTH/- угол продольного наклона кузова вагона относительно плоскости рельс, измеряемый при помощи датчиков букса кузов второй и четвертой колесных пар (или первой и третьей), Ъ — база вагона, /3,4,- и /7,8/ - показания датчиков букса-кузов второй и четвертой колесных пар соответственно.
Таким образом, одной колесной парой измеряют неровности в вертикальной продольной плоскости, что часто интерпретируют как короткую просадку. Длинную просадку можно определить, построив зависимости изменения средних углов колеи от продольной координаты (пути). Предложенный бесхордовый метод является одноточечным и позволяет измерять вертикальные неровности любой длины волны [38].
На рис. 2.6 представлена структурная схема бесхордового метода измерения ПВ вертикальных неровностей рельсовых нитей. Следует отметить, что для использования метода ПВ не нуждается в переоборудовании и установке дополнительных измерительных устройств и систем.
В ПВ ЦНИИ-4 показания датчиков БК характеризуют не текущее расстояние от буксы до кузова, а величину его приращения A/ = 1{ -10. Т.е. в том случае, когда кузов вагона параллелен рельсовой колее, их показания равны нулю.
Величину /д - расстояние между точками крепления датчиков букса-кузов измерительной колесной пары и Ъ - базу вагона считаем постоянными, их значения определяются один раз при помощи длинномерных измерительных приборов. Поэтому аддитивная погрешность, вносимая этими составляющими, определяется разрешающей способностью измерителя, для измерения расстояния между буксами колесной пары примем её равной 0,1 мм, а для базы вагона 0,5 мм. В этом случае их вклад составит - .д/ = -Д/д = -0,1-10-3 =0,005-10-3 м, а/д д 2 д д .д М .0,5-10-3 =0,0005-10-3 м, 8Ь 2 2 где величины Д9к/,Д\/К/ определяются из результатов экспериментальных исследований и достигают в поперечной плоскости 0,02 рад при движении по прямолинейным участкам и 0,1 рад на криволинейных участках, а в продольной плоскости 0,002 рад.
В ПВ ЦНИИ-4 используется инерциальная система ГНС-ГЛ1, установленная в кузов вагона над тележкой вагона с измерительной (цилиндрической) колесной парой [1], относящаяся к классу бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) [39,40,41]. БИНС служит постоянным и точным источником данных о положении вагона в пространстве (навигационных данных), используемых при вычислении геометрических параметров железнодорожного пути [42]. В состав БИНС входят акселерометры и датчики угловых скоростей, в их качестве выступают лазерные гироскопы КМ-11. Для КМ-11 величины Д(Д0К(.) и Д(Д\/К/) определятся разрешающей способностью и соответствуют 0,625". Поскольку при использовании 4-х триггерной схемы выделения набега фазы в канале КМ-11 получают два импульса на 2п набега фазы, что соответствует 1,25" [43]. Для определения величины неровности используются приращения углового положения и показания датчиков БК за итерацию, следовательно, на соседних циклах погрешности измерения можно считать равными и такие составляющие как дрейф нуля, нелинейность, ошибки в определении линейных перемещений, взаимовычитаются и не вносят вклад в результат измерений.
Экспериментальные исследования метода проводились в составе ПВ ЦНИИ-4. На основе данных, полученных в результате проезда ПВ в направлении Санкт-Петербург - Москва и обратно, были получены величины вертикальных неровностей в продольной плоскости хордовым и бесхордовым методами. На рисунках 2.9 и 2.10 представлены результаты определения короткой просадки каждой из рельсовых нитей с использованием бесхордового метода. Как видно, характер изменения неровностей левой и правой рельсовых нитей синхронный. Это объясняется неравномерностью жесткости основания под рельсовым путем и, как следствие, синхронной просадкой левой и правой рельсовых нитей. Возвышение одной рельсовой нити над другой (5-10 мм.) может быть вызвано динамическим взаимодействием между рельсовой нитью и вагоном (боковой качкой вагона), различной степенью просадки левой и правой рельс, а также проектным возвышением наружного рельса над внутренним при движении по криволинейному участку (рис. 2.10).
Одним из контролируемых параметров рельсовой колеи является поперечный уровень. Косвенным признаком достоверности результата измерения неровности рельсовых нитей можно считать соответствие изменения разности левой и правой просадок характеру изменения поперечного уровня, т.к. он характеризует возвышение одной рельсовой нити над другой.
Анализ погрешностей
Для метрологического обеспечения метода измерения предлагается проводить контроль путем сравнения измерений жесткости ПВ небольшого участка (25-100 м), жесткость которого заранее известна.
Скользящий груз Р2 создает силу давления на правый рельс и при его перемещении изменяется сила давления на правый рельс. Груз Р\ подбирается таким образом, чтобы уравновесить силы и добиться нулевого давления на левый рельс. Вес груза Р\ определяется в соответствии с выражением (3.12). Представленная на рис. 3.2. схема позволяет добиться регулируемого давления только на один рельс. Уровень (квадрант) позволяет определить и оценить изменение угла 9, при варьировании нагрузки на правый рельс.
Другой методикой для аттестации мерного участка является схема, когда нагрузку испытывают обе рельсовые нити. Для этого балка нагружается различными весами с двух сторон. В этом случае, необходимо фиксировать вертикальное перемещение рельсовых нитей в точках приложения силы, при помощи геодезических приборов, позволяющих с высокой точностью на расстоянии проводить измерения (например, лазерный безотражательный электронный тахеометр, погрешность измерения расстояний которого 10"4 м при дистанции до 100 м, точность измерения вертикального угла 2" [47, 48]). Зная вертикальный прогиб рельс и величину приложенной силы можно рассчитать жесткость нити в точке. Выводы по главе
1. Впервые получен метод измерения путеизмерительным вагоном вертикальной жесткости рельсового пути, что позволит в дальнейшем нормировать контролируемые параметры по величине нагрузки.
2. Проведен анализ погрешностей метода. Предельная погрешность составила 0,1745 кНУмм, что эквивалентно 9,47 %.
3. Разработана методика аттестации мерного участка пути для метрологических испытаний метода. 4. Разработка и исследование метода высокоточной привязки результатов измерений параметров рельсового пути на основе интегрированной системы навигации
Поскольку все контролируемые параметры состояния рельсовой колеи фиксируются как функция пройденного вагоном-путеизмерителем пути, требования к точности его измерения чрезвычайно высоки. Решение задачи определения пройденного вагоном на момент времени t пути от некоторой опорной точки необходимо, во-первых, для локализации (привязки) результатов контроля рельсового пути и, во-вторых, для определения характеристик пути независимо от скорости вагона. Естественно, что все погрешности измерений пройденного пути приводят к неточной локализации обнаруженных дефектов и контролируемых геометрических параметров.
Как отмечалось выше, кроме методов измерения дистанции, перечисленных в первой главе (стр.34-37), эффективным способом повышения точности измерения пройденного пути является интегрирование одометра с ИНС, СНС [28]. В приложении 2 можно ознакомиться с вариантами построения интегрированных систем навигации, в основу которых положены алгоритмы коррекции пройденной дистанции по координатам и скоростям.
Состав и структура интегрированной системы навигации на рельсовом пути могут меняться в зависимости от характера решаемой задачи, планируемых точностных характеристик, сложности и стоимости путеизмерительного средства.
Разница в характере погрешностей навигационных устройств создает благоприятные условия для их интегрирования, однако, при этом необходимо решить следующие проблемы:
1. Для эффективного интегрирования систем необходимо иметь максимально достоверные модели их погрешностей с учетом специфики их работы в условиях путеизмерительного вагона; 2. От географических координат, вырабатываемых ИНС и СНС, перейти к приращениям пройденного пути, аналогичным тем, которые вырабатывает одометр.
3. Учесть разницу траекторий движения оси измерительной колесной пары и чувствительных элементов ИНС, приемной антенны СНС. Последние кроме поступательного движения, участвуют в колебательном движении вагона, и их траектории движения зависят от их расположения в вагоне. Особенно значительно эти траектории могут различаться при прохождении кривых из-за дополнительного наклона вагона и движения точек вагона на скользящих хордах.
В настоящем разделе рассматриваются пути решения проблем, возникших при внедрении интегрированной системы навигации одометр/ИНС/СНС в отечественный вагон (ЦНИИ-4). В частности, различия в оборудовании (состав, степень интеграции, надежность) потребовали модернизации и учета вышеизложенной специфики в алгоритме коррекции, проведения экспериментов для описания математических моделей погрешностей параметров системы. ИНС, входящая в состав ЦНИИ-4, не интегрирована с СНС. Это привело к необходимости разработки алгоритмов, обеспечивающих синхронизацию их сигналов и учитывающих колебательное движение приемной антенны СНС, установленной на крыше вагона.
В основе интегрированной системы навигации лежит алгоритм коррекции показаний одометра по координатам, вырабатываемым СНС. По информации о пройденной дистанции (показания одометра) и об угловом положении рельсового пути (угол курса К и тангажа ці, вырабатываемые ИНС) определяются изменения географических координат ДЛ, Дгц, ДА за итерацию (рис.4.1), длительность которой задается частотой приема сигналов от СНС (1 Гц). По изменению геодезических координат (широты ф, долготы А, и высоты И), определяем приращение координат колесной пары по показаниям СНС А, к, Ar\ k, А . Приемная антенна СНС, установленная на крыше, участвует в колебательном движении вагона, что может приводить к отклонению траектории ее движения от профиля рельсового пути. Как следствие, происходит рассогласование не только ориентации векторов перемещений антенны и ИНС, но и их величин, в особенности при движении по криволинейным участкам пути, где происходит дополнительный наклон кузова вагона по углу бортовой качки [49]. В связи с этим, возникает необходимость коррекции координат, получаемых с использованием СНС. Эту функцию выполняет блок пересчета показаний СНС. Разность полученных приращений координат подвергается оптимальной фильтрации Калмана (приложение 3), результатом которой является оценка погрешности определения длины вектора перемещения за итерацию dLK. Далее вычисляется текущий скорректированный шаг одометра. Используя результаты контрольных проездов вагона ЦНИИ-4, было проведено моделирование погрешности определения пройденной дистанции Д А, вызванной смещением антенны СНС от диаметральной плоскости кузова вагона и её участием в колебательном движении вагона (рис. 4.2). Видно, что ее изменение коррелированно с изменением курсового угла К, а величина составила 40 см на 2 км пути. Данная погрешность является существенной и должна оцениваться при работе алгоритма коррекции показаний одометра.
Результаты испытаний интегрированной системы
Для проверки эффективности работы алгоритма коррекции показаний одометра и адекватности составленной математической модели интегрированной системы одометр/ИНС/СНС было разработано программное обеспечение и организованы контрольные проезды вагона ЦНИИ-4 одноколейного (50-ти километрового) участка пути (направление Санкт-Петербург-Пестово) [52, 53]. На рис. 4.7 показаны графики изменения скорости движения V и скорректированной цены деления одометра dS. На участке 4-6 км локомотив совершал торможение, что привело к проскальзыванию колесной пары по рельсовому пути и уменьшению скорректированного шага одометра. При наборе скорости (участок 6-8 км) наблюдается обратный эффект, который приводит к увеличению dS (показания одометра меньше, чем истинное приращение пути).
Изменение оценки погрешности показаний одометра d от пройденной дистанции и изменение курсового угла К приведены на рис.4.8. Причиной систематической составляющей погрешности одометра является уменьшение в процессе эксплуатации диаметра измерительного колеса, а также его проскальзывание. Скорость нарастания погрешности при движении по криволинейному участку выше, чем на прямолинейном участке пути. Вероятнее всего это вызвано увеличением силы давления вагона на наружный рельс пути (так как возникают центробежные силы).
Использование ОФК позволило корректировать показания не только одометра, но и ИНС. Экспериментально (на стоянке вагона) было определено, что ИНС имеет систематическую составляющую погрешности определения курсового угла ( ОД6град/ч). На рис. 4.9 приведена оценка погрешности dK, вырабатываемая ОФК. Как видно из характера изменения dK, она имеет систематическую составляющую и динамическую, обусловленную движением вагона с ускорением и по криволинейному участку, где скорость изменения dK отлична от случая движения по прямолинейному участку.
В настоящий момент Октябрьская железная дорога не оборудована контрольными точками с известными координатами и расстояниями между ними (пикетами), подобными немецким InduSI, которые бы позволяли привязываться к ним в автоматическом режиме в процессе проезда, а ручная фиксация по километровым столбам не обеспечивает достаточной точности. Информация о географических координатах каких-либо точек пути, которые могли бы быть использованы при анализе результатов, также в настоящий момент отсутствует. Для определения точности воспроизведения результатов при проездах использовался автокорреляционный метод. Так как невозможно было точно привязаться к какой-либо опорной точке, в этой роли выступали моменты входа в поворот и выхода из него, определяемые на графиках изменения курсового угла. В результате дистанция выбранного участка составила 8,7 км. Сравнительный анализ определения дистанции с использованием алгоритма коррекции приведен в таблице. Видно, что воспроизводимость результатов измерений при использовании интегрированной системы возросла в 12 раз.
Изменения курсового угла рельсового пути К 4.3. Получение математической модели погрешностей определения пройденной дистанции и модификация алгоритма коррекции путем учета режима и условий движения
Наряду с существенным повышением точности определения пройденной дистанции, рассмотренная ранее система коррекции имеет недостаток — математическая модель оптимального фильтра Калмана не отражает зависимости величины погрешности одометра от динамики и траектории движения объекта.
Поэтому стало необходимым определение математической модели погрешности датчика пути, идентификация ее коэффициентов, а также разработка алгоритма коррекции показаний одометра, учитывающего различное влияние режима и условий движения на работу системы навигации на рельсовом пути.
В отличие от погрешности, вызванной износом колеса, проскальзывание не является систематической составляющей, а величиной непрерывно изменяющейся в зависимости от характера и условий движения. Для описания процесса проскальзывания были использованы результаты контрольных проездов вагона одноколейного участка пути в различных направлениях. Как и в предыдущих опытах, в качестве опорных точек при анализе использовалась информация о местоположении криволинейных участках пути (КУП). На рис.4.10 представлен один из криволинейных участков. При отсутствии проскальзывания в процессе прохождения одного и того же поворота путевые координаты (при учете начального несовпадения точек старта) должны совпадать. На данном участке разница путевых координат составляет 15-20 метров.
При проезде одноколейного участка в прямом направлении (отрезок 1-1) ошибка в определении дистанции (рис.4.11), вызванная проскальзыванием колеса составит АУ,, при движении в обратном направлении (2-2) AJ2, с учетом смещения J0, вызванного несовпадением точек старта и финиша. Следовательно, величина несовпадения путевых координат (рис.4.10) содержит информацию о суммарной величине проскальзывания, накопившейся при прохождении контрольного участка «туда» и «обратно» (А/12 рис.4.11).
Использование экстремально-корреляционного метода [29] позволяет определить несовпадение результатов контрольных проездов при измерении путевых координат местоположения КУП.
