Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор современных методов и средств контроля пространственного положения железнодорожного пути 14
1.1 Современные средства контроля пространственного положения железнодорожного пути, реализующие относительный метод измерений 17
1.2 Современные средства контроля пространственного положения железнодорожного пути, реализующие абсолютный метод измерений
1.2.1 Путеизмерительные комплексы 24
1.2.2 Путеизмерительные тележки
1.2.2.1 Путеизмерительные тележки с электронным тахеометром 28
1.2.2.2 Путеизмерительные тележки со спутниковым приемником 30
1.2.2.3 Сравнение путеизмерительных комплексов и АПТ различных типов. 33
1.3 Пути развития методов и средств контроля пространственного положения железнодорожного пути 37
1.3.1 Дальномеры физического тина 38
1.3.2 Дальномеры геометрического типа 39
1.3.2.1 Принципы композиции дальномеров геометрического типа с базисом при инструменте 40
1.3.2.2 Стереоскопическая оптико-электронная система с параллельными оптическими осями 44
1.4 Цель и задачи диссертационного исследования 48
1.5 Выводы по Главе 1 49
ГЛАВА 2. Обобщенная структурная схема и методы обработки измерительной информации в соэс контроля пространственного положения железнодорожного пути 51
2.1 Модель ИОЭП на основе перспективной проекции 53
2.2 Модель СОЭС на основе перспективной проекции 58
2.3 Методы расчета пространственных координат КЭ в СОЭС при статическом и динамическом режимах измерений 59
2.3.1 Статические измерения 60
2.3.1.1 Метод двух скрещивающихся визирных линий 60
2.3.1.2 Метод, основанный на решении системы линейных уравнений
2.3.2 Динамические измерения 67
2.3.3 Сравнение методов обработки измерительной информации в СОЭС 68
2.4 Выводы по Главе 2 70
ГЛАВА 3. Анализ погрешностей соэс контроля пространственного положения железнодорожного пути 71
3.1 Измерительная задача 71
3.2 Анализ основных составляющих погрешности измерений
3.2.1 Основные габаритные соотношения и элементная база 72
3.2.2 Проверочный энергетический расчет 75
3.2.3 Первичные погрешности 76
3.2.4 Частичные погрешности
3.2.4.1 Систематические погрешности 81
3.2.4.2 Случайные погрешности 96
3.2.5 Метод численного анализа погрешностей с использованием теории возмущений линейных операторов 98
3.2.6 Рекомендации к выбору метода определения параметров СОЭС 107
3.3 Методы калибровки внешних и внутренних параметров СОЭС 108
3.3.1 Калибровка одного ИОЭП 108
3.3.2 Взаимное ориентирование ИОЭП 113
3.5 Выводы по Главе 3 116
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование соэс контроля пространственного положения железно дорожного пути 119
4.1 Описание экспериментальной установки 119
4.2 Ход эксперимента и калибровка СОЭС
4.2.1 Ход эксперимента 122
4.2.2 Калибровка СОЭС
4.3 Анализ погрешностей измерений 126
4.4 Выводы по Главе 4 131
ГЛАВА 5. Оптико-электронная система считывания реперных меток 133
5.1 Техническое описание ОЭССРМ 133
5.1.1 Структурная схема ОЭССРМ 133
5.1.2 Схема соединений и схема подключений ОЭССРМ 135
5.1.3 Устройство и работа составных частей ОЭССРМ
5.1.3.1 Базовый блок 136
5.1.3.2 Метка реперная 137
5.1.3.3 Блок обработки 138
5.1.4 Описание программного обеспечения 139
5.2 Стендовые испытания 143
5.3 Эксплуатационные испытания 147
5.4 Выводы по Главе 5 149
Заключение 150
Благодарности 155
Список использованных источников
- Современные средства контроля пространственного положения железнодорожного пути, реализующие абсолютный метод измерений
- Методы расчета пространственных координат КЭ в СОЭС при статическом и динамическом режимах измерений
- Основные габаритные соотношения и элементная база
- Устройство и работа составных частей ОЭССРМ
Введение к работе
Железнодорожный транспорт России а течение своей истории является основой траЕіспортнои системы страны, В настоящее время более 80% грузооборота транспорта общего пользования и 40% пассажирооборота в транспортной системе России выполняется железными дорогами [1].
Основным требованием, определяющим безопасность движения, комфорт и экономическую эффективность содержания железнодорожного пути, является обеспечение проектного положення пути при его текущем содержании. Особенно точно проектная геометрия пути должна быть выдержана на скоростных участках. Геометрические параметры пути н плаце и профиле определяют при съемке их фактических значений согласно требованиям 'Нормативных документов с оценкой соответствия установленным скоростям движения поездов и выявлением отступлений от норм содержании. Оценивать состояние геометрии колеи необходимо при назначении ремонта, при предпроектном обследовании, паспортизации пути по параметрам плана, профиля., уровню, создании геоинформационных систем и банка данных о состоянии и устройстве пути, проверке качества ремонта и соответствия отремонтированного куги проектным характеристикам.
Неточности в плановом и высотном положении точек пути при ВЫСОКИХ скоростях движения отрицательно скалываются на плавности ходя подвижного состава, приводят к преждевременному расстройству колеи и увеличению расходов на ее содержание. Возникновение неровностей нуги обусловлено неточностью первоначальной укладки, изменением исходных геометрических очертаний в процессе эксплуатации, а также выпрапкой колеи с привязкой от соседнего пути и работой выправочнЕих машин исключительно по методу сглаживания (известен также как хордовый или отнФСит&йъиый метод измерений), который не обеспечивает постановку пути и проектное положение без введения коррекции [2]. Несмотря на то, что геометрические параметры пути (кривизна в плане и профиле, уклон продольного профиля, ширина колеит возвышения наружного рельса) в рамках относительного метода могут быть определены с высокой точностью, определение взаимного положеним элементов пути не обеспечивает полной оценки параметров рельсовой колеи. ї іе позволяет использовать полученные данные для проектно-изыскательсклх работ, гс о информационных систем, кадастровых съемок и т. д. В особенности, данное обстоятельство сказывается при контроле высокоскоростных трасс, так как область применения относительного метода ограничена путями, скорость движения поездов по которым не превосходит 120 км/ч [3]. Как показывают результаты теоретических и экспериментальных исследований, при росте скоростей движения значительно возрастает влияние величины отклонений пути от проектного положения на силы взаимодействия подвижного состава. Поэтому на высокоскоростных магистралях применение лишь относительного, метода для контроля состояния пути оказывается не достато ч чым,
С целью повышения точности содержания проектного положения пути на железных дорогах многих стран (Германии, Франции, Бельгии, Польши, Чехии, Австрии и др.) широко используют рабочие реперы. Съемка плана й профили железнодорожного пути с использованием специальной реперноЙ системы является перспективной не только с технологической точки зрения, но и с точки зрения снижения затрат в ходе эксплуатации железнодорожного пути. В настоящее время согласно действующим указаниям МПС России (№ А-224У от 27.02.97 г. и Jfe С-493У от 27.04.9S г.), на железнодорожной магистрали Москва — Санкт-Петербург, а также на других магистралях первого и второго класса, веду гея работы по подготовке инфраструктуры для движения высокоскоростных поездов со скоростью 250 км/ч и более [2]. Для этих целей вдоль железнодорожной магистрали создастся специальная реперная система контроля состояния железнодорожного пути в профиле и плане. Она представляет собой систему геодезических пунктов с известными координатами п плане для данной -железной дороги и высотами в Балтийской системе высот (по техническим требоваЕіиям, согласованным с Федеральной службой геодезии и картографии России от 20.03,98 г, и утвержденным МПС РФ 26.03,98 г.). Согласно требованиям, реперы закрепляются в опорах контактной сети вдоль всей рельсовой колеи. На прямых участках реперы устаЕіавливаются на каждой второй опоре, на кривых — в каждой. Координаты реперов в такой сети предварительно определяются с высокой точностью ь ходе геодезической съемки.
На участках с реперной системой работы, связанные с ремонтом и выправкой пути, должны выполняться на основе данных о его проектном положении, закрепленном относительно реперов, которые позволяют реализовать наиболее перспективный на сетдняшний день абсолютный метод контроля проектного положения пути в системе координат геодезической сети. Реализация этого метода измерений стала возможной с появлением и развитием оптикооле «тронных трехкоординатных датчиков (в т^чь электронных тахеометров) и технологии глобального позиционирования, В рамках абсолютного метода геометрические параметры (кривизна п плане и продольном профиле, уклон продольного профиля) вычисляются непосредственно из измеренных пространственных координат точек пути. Этот метод позволяет контролировать фактическое положение пути практически с миллиметровой точностью (при использовании электронных тахеометров).
Практически требуется контролировать положение реперов и системе координат, связанной с осью железнодорожного пути. Согласно Правилам технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации [4J, минимальное расстояние от оси пути до внутреннего края опор контактной сети должно находиться в диапазоне от 2450 мм до 5700 мм. Мри этом диапазон контролируемых перемещений в продольном профиле (по требованиям ВНИИЖ'С) должен составлять 300 мм [5]. Общая погрешность проектной линии па участке с реперной сетью при текущем содержании пути не должна превышать 10 мм [2]. Поскольку качество выправки пути определяется стабильностью рабочих реперов, точностью опорной реперноЙ сети и измерительных устройств путевых машин, точность последних должна быть на порядок выше установлен но i"o допуска. Контроль обычно осуществляется в достаточно жестких условиях эксплуатации, хараістеризуемьіх изменением температуры окружающей среды в пределах от -ЮС до +50^0, воздействием осадков, влажности, электромагнитных помех промышленного происхождения, наличием оптических помех (солнечное излучение, искусственное освещение, вспышки электросварки и тлгь).
В настоящее время для контроля положения железнодорожного пути абсолютным методом используются автоматизированные путеизмерительные тележки (АПТ), оснащенные электронным тахеометром, либо GPS-приемником. lio данньш рекламных проспектов, АГІТ с электронным тахеометром обеспечивают погрешность измерения координат пути в продольном профиле и плане 1-2 мм. АПТ со спутниковым приемником п стационарном режиме обеспечивают погрешность -4-Й мм [6]. В движении использование GPS приводит к еще более грубым ошибкам. Таким образом, необходимую точность измерений обеспечивает только метод контроля пространственного положении железнодорожного пути с использованием АІТҐ, оснащенных электронным тахеометром, однако и этот метод имеет ряд существенных недостатков. К ним относятся невысокая производительность измерений (от 0,5 до 3,5 км/ч), сложная схема, высокая стоимость, большие габариты, низкая степень автоматизации измерений, а также то, что измерения производятся в пенаїруженном состоянии железнодорожного пути [6].
Укачанные недостатки современных средств контроля положения железнодорожного нуги позволяют заключить, что сегодня разработка измерительных систем, для которых на первое место, кроме обеспечения необходимой точности и диапазонов измерений, выдвигаются требования к полной автоматизации измерений на скоростях до 10 км/ч, малой энергоемкости, автономности и малой стоимости системы в целом, видится актуальной и практически важной задачей. Выполнение этих требований может быть обеспечено соответствующим выбором физических принципов построения и схемы измерительной системы, методов и алгоритмов обработки сигналов, а также совершенствованием технических решений при их разработке и производстве.
Развитие оптоэлектроппой элементной базы и основанных на ней средств измериний делает перспективным использование для метрологического обеспечения указанных задач оптико-электронных измерительных систем, отвечающих требованиям реализации многокаординатных, широкодиапазонных., высокоскоростных и бесконтактных измерений с автоматизацией снятия отсчета и повышенной достоверностью получаемой информации. При этом с каждым репером, расположенным на пути движения выправочной машины, связывается контрольный элемент (КЭ), изображения которою регистрируются измерительной системой, включающей два измерительных оптико-электронных преобразователя (ИОЭП) на основе матричных фотоприемкиков с последующей компьютерной (микропроцессорной) обработкой видеокадров ІЗ настоящее время серийные измерительные системы этого Типа, отвечающие указанным требованиям, отсутствуют.
Указанные обстоятельства определяют актуальность выбора в качестве объекта исследования стереоскопической оптико-злеюронной системы (СОЭС) контроля пространственного положения железнодорожного пути, а м качестве предмета исследования - особенностей алгоритмом функционирования СОЭС указанного типа, соотношений между параметрами элементов структурной схемы и метрологическими характеристиками системы, структуры составляющих погрешности измерения, их взаимосвязи и влияния ни суммарную погрешность измерения.
Целью диссертационной работы является исследование н разработка принципов композиции, методов расчёта параметров и характеристик СОЭС контроля положения объекта по реперіюй сети, а также разработка, практическая реализация и экспериментальное исследование СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Проанализировать структуру и основные параметры современных средств контроля пространственного положения железнодорожного пути и определить направление- дальнейших исследований,
Разработать принципы композиции, схруктуру и методику расчета параметров СОЭС контроля пространственного положения объекта по репер ной сети.
Разработать компьютерную модель для исследования СОЭС на системотехническом уровне, на основе которой выполнить экспериментальные исследования соотношений между параметрами элементов и метрологическими параметрами СОЭС (диапазон измерений, точность, рабочая листанция)> а также оценить плиячие на суммарную погрешность основных составляющих погрешности измерения,
Используя полученные соотношения! спроектировать и реализовать макет СОЭС контроля пространственного положеним железнодорожного пути и выполнить его ."жепериментальные исследования.
На основе результатов исследования компьютерной модели и экспериментальны* исследований макета спроектировать и реализовать опытный образец СОЭС контроля пространственного положення железнодорожного пути, провести его стендовые и эксплуатационные испытания,
ГЇ теоретической области применяются соотношения геометрической оптики, векггорно-матричный метод расчета и разработанные па их основе методики исследования соотношений между параметрами измерительной системы. В экспериментальной области при исследовании соотношений между параметрами СОЭС и анализе методов обработки измерительной информации используются реализованные па 00ИОВЄ компьютерных технологий MathCAD и MATLAB имитационные модели функциональных элементов СОЭС. Практическая проверка полученных соотношений реализована посредством экспериментального исследования макета СОЭС, моделирующего основные узлы и алгоритмы функционирования системы, а также стендовых и эксплуатационных испытаний опытного образца СОЭС.
Во Введении обосновывается актуальность работы. Указываются контрольно-измерительные задачи, средство решения которых составляет область научных исследований.
В Главе I приводится аналитический обзор современных средств контроля пространственного положения железнодорожного пути. Определяются требуемые совокупности свойств, обосновывается выбор физического принципа действия исследуемой системы. Формулируются цель и задачи диссертационного исследования.
В Главе 2 приводится обобщенная структурная схема и описывается принцип функционирования СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути. Рассматривается модель СОЭС на основе перспективной проекции. Производится выбор и сравнение алгоритмов обработки измерительной информации.
В Главе 3 выполняется анализ погрешностей СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути и приводится описание процедуры калибровки исследуемой системы.
В Глапс 4 приводятся результаты зкеперименталыюго исследования физической модели (макета) СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути,
В Глине 5 приводится описание конструкции, а также результаты стендовых и эксплуатационных испытаний опытного образца СОЭС контроля пространственного Положения железнодорожного пути.
В Заключении делаготся выводы о проделанной работе и приводятся ее результаты.
Научная іговизна работы
Разработаны принципы композиции СОЭС, соотношения между параметрами функциональных элементов и алгоритмы измерения, позволяющие обеспечить требуемые по условиям практической задачи метрологические параметры (рабочая дистанция, многокоординатность, точность).
Основные результаты, выносимые на защиту
Общие принципы композиции и структура ОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути но репернои сети, в соответствии с которыми ОЭС представляет собой измерительную систему геометрического типа, построенную по схеме дзухканального (стереоскопического) измерителя координат с активными контрольными элементами.
Принципы композиции СОЭС, в соответствии с которыми при малой по сравнению с измеряемой дистанцией величине межосевой базы (соотношение, типичное для метрологической задачи контроля положения железнодорожного пути по репернои сети) предпочтительной по критерию обеспечения диапазона и дистанции измерения является композиция системы с параллельными оптическими осями измерительных каналов приемного блока.
Алгоритм обработки измерительной информации пня стереоскопических и гиперстереоскопических оптико-электронных систем, позволяющий определить координаты объекта как решение переопределенной системы линейных уравнений по методу наименьших квадратов.
Принципы построения детерминированной модели СОЭС с приведением первичных погрешностей параметров системы к плоскостям анализа изображений, позволяющей выполнить теоретическое исследование составляющих суммарной погрешности измерения.
5. Принципы построения имитационной компьютерной модели СОЭС с использованием теории возмущений линейных операторов, позволяющей выполнить численный анализ систематических погрешностей СОЭС произвольной пространственной конфигурации и оценить потенциальную точность измерения положения объекта.
6. Результаты экспериментальных исследований макета, а также стендовых и эксплуатационных испытаний опытного образца СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути. позволившие уточнить состав сильно влияющих погрешностей измерения.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 54 наименований, содержит 177 страниц основного текста, 83 рисунка, 22 таблицы и 3 приложения.
Работа выполнена на кафедре "Оптико-электронные приборы и системы" Санкт-Петербургекого государственного университета информационных технологий, механики и оптики.
Современные средства контроля пространственного положения железнодорожного пути, реализующие абсолютный метод измерений
Геометрическая схема измерения параметров рельсового пути при помощи устройства фирмы «НПФ ЭСУП» На рисунке 1.5 обозначены: ОПАУ - оптическое приемно-анализирующее устройство; ПЧФ - позиционно-чувствительный фотоприемник; s -расстояние от задней главной плоскости объектива до фоточувствительной поверхности; fUiM - инструментальная стрела изгиба; // - расстояние между ближайшими номинально параллельными осями колесных пар первой и второй тележек; 12 - расстояние между осями измерительных колес второй тележки; JC/ — горизонтальная составляющая сдвига точки контакта базового рельса и первого измерительного колеса с прямой линией, проходящей через точки контакта второго и третьего колес. В устройстве используются две кинематически связанные измерительные тележки, образующие транспортно-механическую часть измерительной системы. На первой по ходу движения тележке установлен источник светового излучения, а на второй - приемник излучения. Приемник излучения представляет собой оптико-электронную приемно-анализирующую систему, визирная ось которой в номинальном положении устройства (на прямолинейном и горизонтальном участке рельсового пути) расположена параллельно базовому рельсу. Оптическая приемно-анализирующая система подключена к электронному устройству выделения координатной информации, соединенному с программно-аппаратным комплексом алгоритмической обработки информации, с которым в свою очередь соединены датчики уровня и пройденного пути. Вторая измерительная тележка выполнена трехколесной. Она содержит заднюю колесную пару и направляющее колесо, при этом реборды направляющего колеса и задней колесной пары, установленные на одной из нитей рельсового пути, принятой в качестве базового рельса, находятся на одной прямой, перпендикулярной оси вращения задней колесной пары.
Основной частью системы «Пилот Л1» является фотоприемное устройство, установленное на передней тележке контрольно-измерительной системы ВПР машины, и лазер, относительно луча которого измеряется положение рельсов в горизонтальном и вертикальном направлении. Кроме измерения сдвижек и подъемок система определяет возвышение рельсов у передней тележки, стрелы изгиба и возвышение в зоне подбивочно-рихтовочного устройства. Фотоприемник включает в себя датчик наклона, что позволяет измерять положение рельсов не только в плане и профиле, но и по уровню. Фотоприемник имеет высокую устойчивость по отношению к воздействию внешних условий (солнце, туман, дождь и ветер, вибрации и удары) благодаря использованию соответствующей модуляции луча, специальной оптической системе и оптимальной аналоговой и цифровой обработке оптического и электрического сигналов. Приемник распознает уровень мощности лазерного луча и исключает значения со слабой интенсивностью, тем самым, обеспечивая высокую надежность и точность измерения положения рельсов.
Как и российский продукт, система может работать в режиме записи и прямого управления путевой машиной. Также "Plasser & Theurer" применяет названную измерительную установку в специальных измерительных путевых машинах, которые проходят перед ВПР машиной по выправляемому участку и имеют возможность передавать информацию сразу на несколько ВПР, что непосредственно увеличивает производительность. В измерительной установке «The curve laser CAL» используются два лазера - один для базирования и другой для непосредственного измерения и управления. Как утверждает сайт производителя, такое комплексное использование особенно оправданно при стрелочных переходах.
Рассмотренные выше измерительные системы относят к сглаживающему типу. Такие системы более просты в обслуживании, чем системы постановки пути на проектные отметки, не требуют получения информации о положении ремонтируемого участка и тем самым исключают необходимость выполнения работ, связанных с определением проектного положения пути. Машины с выправочными и рихтовочными системами сглаживающего типа при использовании их в комплексе с другими путевыми машинами не требуют значительного фронта работ и времени на их настройку, что является эксплуатационным преимуществом, особенно при "окнах" малой продолжительности. Однако эти системы имеют ряд существенных недостатков. Качество выправляемого пути при использовании таких систем зависит от его положения до выправки, а также от точности регулировки и длины измерительной базы. По мере движения машины вперед имеющаяся в точке подъемки небольшая ошибка будет накапливаться по параболическому закону. Ошибка возникает по нескольким причинам: вследствие погрешности измерения пройденного пути, которая увеличивается с расстоянием, запаздывания срабатывания подъемного механизма относительно посылки сигнала датчиков уровня и из-за начального отклонения измерительных точек от проектных отметок, когда машина начинает работать с невыправленного участка пути. 1.2 Современные средства контроля пространственного положения железнодорожного пути, реализующие абсолютный метод измерений
Выше перечисленных недостатков лишены ВПР системы, ставящие путь на проектные отметки. В данном случае ошибка определения координат выправляемого участка является следствием погрешности измерительной системы и не зависит от предыдущих результатов работы ВПР машины. Таким образом, при сведении к минимуму погрешности измерительной части, можно добиться более качественного исправления участка пути [7]. Это особенно важно в условиях капитального и среднего ремонтов пути.
Для установки пути в проектное положение требуется отработанная технология получения информации о фактическом плановом и высотном положении пути для последующей работы путевых машин по методу фиксированных точек. Для реализации всех преимуществ реперной системы при содержании кривых в плане необходимо обеспечить высокую точность измерений проектного положения пути с учетом всех составляющих размерной цепочки, которая включает в себя:
В соответствии с нормами, утвержденными МПС, допуск при текущем содержании пути на участке с реперной сетью не должен превышать 10 мм [2]. Поэтому точность измерительных устройств путевых машин должна быть на порядок выше установленного допуска. В настоящее время в России и за рубежом в качестве систем, реализующих абсолютный метод контроля железнодорожного пути, применяются путеизмерительные тележки и путеизмерительные комплексы.
Методы расчета пространственных координат КЭ в СОЭС при статическом и динамическом режимах измерений
Если объект совершает относительно глобальной системы координат прямолинейное движение (рисунок 2.8), то определение координат объекта может быть выполнено двумя способами.
Если за время измерений (время экспозиции) не происходит существенного перемещения изображений объекта в плоскостях анализа камер, следует применять метод обработки измерительной информации, соответствующий статическим измерениям. Если же в изображениях объекта возникает сильный смаз, предлагается задавать в каждой камере по одной плоскости (1 и 2), которые проходят через центр проекции и линию смаза изображения в плоскости анализа камеры. Выбранные плоскости своим пересечением зададут в пространстве траекторию движения объекта. Выбор третьей плоскости определяется пространственным расположением камер, а также тем положением объекта относительно глобальной системы координат, в котором должны измеряться его координаты. Рисунок 2.8 - К методу нахождения координат объекта при динамическом режиме измерений
При контроле положения железнодорожного пути с помощью СОЭС приемный (базовый) блок должен регистрировать положение КЭ точно в створе с MP. Поэтому третья плоскость должна быть выбрана вертикальной, проходящей через центры проекции ИОЭП 1 и 2. Таким образом, метод расчета координат объекта в динамическом режиме работы является частным случаем метода, основанного на решении системы линейных уравнений, описанного в п. 2.4.1.2. Благодаря тому, что в случае динамических измерений выбираются три плоскости вместо четырех, мгновенные координаты объекта могут быть найдены решением полностью определенной систему линейных уравнений с тремя неизвестными.
Произведем сравнение описанных в п. 2.3.1 и п. 2.3.2 методов расчета координат КЭ по координатам его изображений в СОЭС. Метод нахождения минимального расстояния между двумя скрещивающимися визирными линиями (п. 2.3.1.1) и метод решения системы линейных уравнений (п. 2.3.1.2) предоставляют возможность производить численную оценку координат КЭ по координатам его изображений в соответствии с критерием минимума среднеквадратической ошибки решения. Стоит отметить, что оба метода могут быть использованы в случае применения произвольного количества камер (случай гиперстереоскопической измерительной системы), когда требуется повысить точность определения координат объекта за счет увеличения количества иоэп.
Метод, основанный на решении переопределенной системы линейных уравнений при помощи QR-разложения, по сравнению с методом, использующим для нахождения псевдообратной матрицы сингулярное разложение (SVD), отличается меньшей вычислительной трудоемкостью [27], что делает этот метод (наравне с методом скрещивающихся визирных линий) наилучшим выбором для расчета координат КЭ при измерениях в режиме реального времени. Однако на этапе исследования погрешностей СОЭС более предпочтительным для использования является метод с использованием сингулярного разложения, поскольку он в простой и наглядной форме предоставляет наиболее полную информацию о матрице коэффициентов системы линейных уравнений. Как будет показано в дальнейшем, алгоритм сингулярного разложения является эффективным инструментом для численного анализа погрешностей СОЭС. Теория возмущений линейных операторов [22, 23] вкупе с алгоритмом сингулярного разложения позволяет оперировать матрицами, которые описывают влияние отклонений параметров СОЭС от номинальных значений на погрешность измерения координат КЭ.
В случае динамических измерений и линейной траектории движения объекта траекторный алгоритм, основанный на анализе смаза изображений, позволяет восстановить правильную стереопару в любой момент времени и тем самым существенно уменьшить погрешность, обусловленную рассинхронизацией работы ИОЭП, которая при динамических измерениях приводит к неправильной интерпретации СОЭС истинного положения объекта.
1. Описан принцип работы и предложена обобщенная структурная схема СОЭС контроля пространственного положения железнодорожного пути.
2. Разработана модель СОЭС на основе перспективной проекции, устанавливающая связь между координатами КЭ в глобальной (приборной) системе координат и координатами его изображений в плоскостях анализа ИОЭП (1 и 2) и позволяющая исследовать составляющие суммарной погрешности измерения.
3. Предложены алгоритмы расчета координат КЭ по координатам его изображений в плоскостях анализа ИОЭП 1 и 2.
4. Синтезирована обобщенная компьютерная модель СОЭС, реализующая универсальный алгоритм расчета координат точечного объекта, основанного на решении системы линейных уравнений с использованием QR- или SVD-разложения, который позволяет построить адаптивную модель поведения системы при измерениях как в статическом, так и в динамическом режимах.
5. Установлено, что для системы с установленными значениями параметров в условиях статических измерений оптимальным по критерию трудоемкости вычислений является алгоритм, синтезированный на основе детерминированной модели поиска координат объекта с использованием двух скрещивающихся визирных линий.
Основные габаритные соотношения и элементная база
Элементы вектор-столбца N зависят от фокусных расстояний объективов (/} и/г), координат изображений КЭ в плоскостях анализа ИОЭП 1 и 2 (/ /, /"/, / 2, / V), а также внешних параметров, определяющих линейное положение ИОЭП 1 и 2 относительно глобальной системы координат (tXh hi, t Zh Х2, tn-, hi) Как видно из численных матриц Ем и EyV (таблицы 3.4 и 3.5), элементы, описывающие распространение ошибок коэффициентов системы линейных уравнений (2.7) на измерение дистанции Zw (строки №3 в матрицах ЕЛ/ и Едг) на порядок больше, чем элементы, описывающие распространение ошибок коэффициентов на измерение координат Xw и Yw (строки №1 и №2 в матрицах Е и Е#). Этот факт находится в согласии с выводами, сделанными по итогам анализа случайных погрешностей в п. 3.2.4.2.
Стоит отметить, что указанное соотношение между элементами, находящимися в разных строках матриц ЕА/ и EN, сохраняется при перемещении КЭ вдоль координатных осей глобальной системы координат. Закономерность изменения элементов в матрицах ЕЛ/ и E/V можно проследить с помощью таблиц 3.6 —3.8.
Как видно из таблиц 3.6 и 3.7 при перемещении КЭ вдоль координатных осей Xw и Yw происходит перераспределение суммы элементов по ячейкам, находящимся в соответствующих строках матриц ЕЛ/ и E,v. В матрице ЕЛ/ с увеличением дистанции Zw до КЭ (таблица 3.8) происходит равномерное увеличение всех элементов матрицы. Это говорит о том, что с увеличением расстояния увеличиваются погрешности измерения всех координат. В матрице Едг с увеличением дистанции Zw происходит пропорциональное увеличение элементов, находящихся в третьей строке.
Из представленных таблиц также видно, что элементы матриц ЕЛ/ и Е\, находящиеся в разных строках при перемещении КЭ вдоль осей мировой системы координат изменяются независимо друг от друга. Элементы, находящиеся в 3-ей строке закономерно увеличиваются с дистанцией, а коэффициенты, находящиеся в 1-ой и 2-ой строках, перераспределяются между собой при изменении соответствующих координат КЭ. При этом перераспределение происходит с сохранением суммы в соответствующей строке матрицы.
Стоит отметить, что всегда, за исключением случая, когда КЭ находится на оси глобальной системы координат в столбцах 1 - 8 матрицы Ем присутствуют ненулевые элементы, однако их в силу их малости, их влияние на суммарную погрешность измерений можно не учитывать.
В таблицах 3.9 и 3.10 приведены значения коэффициентов влияния частичных погрешностей параметров СОЭС на погрешности коэффициентов системы линейных уравнений (2.7), рассчитанные для номинальных значений внешних и внутренних параметров системы. Представленные в таблицах коэффициенты влияния (за исключением коэффициентов для tzint/j, которые крайне малы) не зависят от положения КЭ в глобальной системе координат и зависят только от структуры СОЭС, то есть от расположения ИОЭП 1 и 2 в пространстве и фокусных расстояний используемых объективов.
Как видно из представленных таблиц, наиболее сильное влияние на погрешность измерения координат КЭ оказывают первичные погрешности Af, Аа, Afi, Atx, Ah, поскольку для них в качестве коэффициентов влияния выступают фокусные расстояния (/} nfi) и базовое расстояние Ь. Первичная погрешность Atz вносит незначительный вклад в общую погрешность измерений, а погрешность Ау в первом приближении вовсе не оказывает никакого влияния на результат измерений. Необходимо также отметить, что первичные погрешности Аа и Aty, а также Ар и Atx при малых значениях попарно идентичны между собой с точки зрения влияния на результат измерений.
В таблице ЗЛО также проявляется взаимосвязь наиболее влияющих на результат измерений первичных погрешностей Af и АЬ (здесь — AtY). Для первичной погрешности базового расстояния AtY роль коэффициентов влияния играют фокусные расстояния объективов (/} и f2), а для первичной погрешности фокусного расстояния Af роль коэффициента влияния играет базовое расстояние Ъ. Этот факт говорит о том, что чувствительность измерительной схемы СОЭС к смещениям КЭ в первую очередь определятся произведением fb номинального значения фокусного расстояния используемых объективов и расстояния между центрами локальных систем координат ИОЭП 1 и 2. Нулевые значения в первом столбце таблицы 3.10 обусловлены структурой рассматриваемой СОЭС и отражают тот факт, что мировая система координат совпадает с локальной системой координат ИОЭП1.
Рассмотренный метод является приближенным, так как позволяет оценить погрешности лишь только первого порядка, то есть те погрешности измерений, которые описываются первыми производными коэффициентов матрицы М по исследуемым параметрам. Как показано в п. 3.2.4, первичные погрешности всех параметров СОЭС могут быть приведены к погрешностям определения координат изображений КЭ в плоскостях анализа ИОЭП 1 и 2. В доказательство того, что метод, основанный на теории возмущений линейных операторов, может быть использован для численного анализа погрешностей СОЭС, проведем сравнение результатов стохастического моделирования случайной погрешности измерений с использованием данного метода с результатами стохастического моделирования (рисунок 3.20), проведенного с использованием точного метода двух скрещивающихся визирных линий.
На рисунке 3.21 показаны результаты стохастического моделирования СКЗ случайной погрешности измеренной дистанции Zw до КЭ в зависимости от СКЗ случайной погрешности измерения координат изображений на матрицах ( JXF, ayF). Стохастическое моделирование было проведено для двух методов обработки измерительной информации (1 - для метода, основанного на теории возмущений линейных операторов, 2 - для метода скрещивающихся визирных линий). координатами Х =щг=0 мм, Z IOOOO мм. Из рисунка видно, что зависимость для метода, основанного на теории возмущений линейных операторов (график 1), носит линейный характер. При этом разница между зависимостями 1 и 2 становится существенной при очень больших значениях (TXF и oyF, которые никогда не имеют места на практике. На практике алгоритм поиска энергетического центра изображения обеспечивает СКЗ случайной погрешности порядка 0,1 пикселя [33]. При этом разница СКЗ случайных погрешностей измеренных координат объекта, вычисленных с использованием двух методов, не превышает 5-10" мм дляХіу и Yw, и 2-Ю"2 мм для Zw Как упоминалось выше, метод расчета координат объекта, основанный на решении системы линейных уравнений, может быть использован не только в СОЭС, но и в измерительных системах с любым количеством камер, т.е. в так называемых гиперстереоскопических системах. В доказательство этого на рисунке 3.22 представлена смоделированная зависимость СКЗ случайной погрешности измеренной дистанции до объекта от количества используемых камер при ахр=оур=0,\ пкс и Z 10000 мм. Как видно из рисунка, погрешность измерения дистанции обратно пропорциональна корню квадратному из количества используемых для этой цели стереоскопических систем.
Устройство и работа составных частей ОЭССРМ
Каждая строка соответствует одной серии испытаний. В нижнем подокне указываются данные об основных результатах измерения положения энергетических центров изображений КЭ, полученных с камер, дистанции до КЭ, его положение в приборной системе координат, наклоне ББ относительно горизонта, а также дата проведения измерений.
При этом приводятся усредненные результаты по серии измерений. Количество измерений в одной серии задается в меню «Настройки» (рисунок 5.12) параметром «Количество циклов» и составляет обычно несколько десятков отдельных измерений при статических испытаниях и единицу при динамических испытаниях.
После выполнения серии измерений полный состав измерительных данных, непосредственно снятых с ОЭССРМ и еще не прошедших цикл статистической обработки, при необходимости может быть сохранен в отдельном файле (например, для контрольной статистической обработки в другой программной системе или для проведения дополнительных исследований алгоритмов обработки). Эти данные могут быть просмотрены в виде таблицы из окна «Описание эксперимента» (рисунок 5.13) в дополнительном окне просмотра. В строках правого подокна выводятся результаты измерения координат КЭ относительно приборной системы координат (в миллиметрах) с соответствующими доверительными интервалами.
В столбцах таблицы левого подокна соответственно указаны: номер измерения, координаты изображения КЭ на матрицах верхней и нижней камер (в пикселях), нижней камеры (в пикселях), служебная информация о яркости изображений КЭ и времени выполнения данного измерения.
Стендовые испытания опытного образца ОЭССРМ проводились с целью исследования динамических погрешностей системы на стенде (рисунок 5.14), имитирующем движение ББ, расположенного на измерительной тележке путевой машины, относительно MP (см. рисунок 2.1), которая закреплялась напротив ББ с помощью горизонтальной подвижки, обеспечивающей перемещение MP в направлении оси ОХ. Положение ББ фиксировалось с помощью специального крепления так, чтобы ББ мог перемещаться относительно MP по оптической скамье в направлении оси OZ, варьируя тем самым расстояние между ББ и MP в диапазоне от 2000 до 5000 мм.
Порядок эксперимента заключался в том, что на разных дистанциях от ББ до MP производилась серия измерений положения КЭ в вертикальной плоскости (Y) и дистанции (Z) до КЭ с помощью ОЭССРМ. Во время измерений MP сдвигалась в направлении оси ОХ (прямой ход) и противоположно ему (обратный ход) таким образом, чтобы отражатель MP пересекал лазерный луч ДО.
Измерительные данные (массив кадров, содержащих изображения КЭ), полученные для разных направлений движения MP (прямого и обратного), записывались в БО, после чего производился расчет координат КЭ и их статистическая обработка. В таблице 5.2 представлены вариации среднего при измерениях координат Y и Z, а также СКЗ случайной погрешности измеренных значений при работе системы в прямом и обратном ходе MP.
Как видно из представленной таблицы, максимальное расхождение результатов измерений для координаты Z соответствует максимальной дистанции измерения (5 м) и составляет 2,3 мм.
При вычислении координаты Y максимальное расхождение результатов также соответствует максимальной дистанции измерений и равно 0,3 мм. Важно отметить, что вариация измеренных координат КЭ является крайне нежелательной, поскольку измерительные поездки должны производиться как в прямом, так и в обратном ходе путевой машины.
Вариацию средних значений измеренных координат КЭ можно объяснить, обратившись к рисунку 5.15, где приведены характерные изображения КЭ (инвертированные и повернутые на 90 градусов по часовой стрелке), снятые в движении с верхней (а) и нижней (б) камер системы. Видно, что изображения КЭ смазаны и находятся на разных участках кадра. Это объясняется неодновременным захватом кадров с обеих камер по сигналу с ДО. Имеет место погрешность рассинхронизации измерительных каналов. (разрешение кадров 1280x200) Рассинхронизация камер и смаз изображений приводят к динамическим погрешностям измерений. То есть, к погрешностям, которые возникают при движении ББ и MP друг относительно друга. Однако стоит отметить, что указанные факторы оказали влияние на различие показаний системы в прямом и обратном ходе потому, что при расчете координат КЭ использовался алгоритм скрещивающихся визирных линий (п. 2.3.1.1, гл. 2), который подразумевает относительную неподвижность ББ и MP и соответствующую этому случаю обработку точечных изображений КЭ. Из-за отсутствия синхронизации за время, прошедшее между захватом кадров с обеих камер, MP успевает переместиться, вследствие чего изображения КЭ, снятые с верхней и нижней камер, соответствуют разным пространственным положениям КЭ. Кроме того, возникает дополнительная погрешность от сма а изображений, поскольку при расчете координат КЭ с использованием алгоритма скрещивающихся визирных линий поиск энергетического центра осуществляется по произвольной части следа, оставленного изображением.
В рассматриваемой системе смаз изображений КЭ из-за применения камер на основе КМОП структур, обладающих прогрессивной разверткой, не может быть устранен. Уменьшение экспозиции в камерах такого типа не приводит к существенному изменению длинны следа изображения КЭ, а только к уменьшению его ширины. Применение камер на основе ПЗС с кадровым переносом заряда могло бы разрешить указанные трудности, однако из-за высокой стоимости таких камер их применение в ОЭССРМ экономически не целесообразно.
Таким образом, смаз изображений КЭ и рассинхронизацию камер в рассматриваемой системе аппаратными средствами устранить невозможно, однако влияние этих факторов на вариацию показаний можно существенно уменьшить, используя для расчета координат КЭ траекторный алгоритм (п. 2.3.2 гл. 2), основанный на анализе смаза (рисунок 5.16) и определении траектории движения КЭ в приборной системе координат. При условии, что относительное положение камер известно, траекторный алгоритм позволяет осуществить восстановление изображений стереопары в любой момент времени.
