Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов и аппаратуры измерения скорости 9
1.1. Методы измерения скорости 9
1.2. Датчики скорости для железнодорожного транспорта 14
1.3. Постановка задачи 25
1.4. Выводы 26
Глава 2. Исследование оптико-электронного способа измерения скорости 27
2.1. Обоснование способа. выбор и описание элементной базы 27
2.2. Математическая модель фпзс для измерения скорости 32
2.3. Анализ результатов моделирования одс 38
2.4. Выводы .. 39
Глава 3. Разработка математической модели датчика скорости 40
3.1. Теория функции передачи модуляции 40
3.2. Функция передачи модуляции для оптико-электронного датчика скорости 42
3.3. Имитационная модель процесса определения скорости 57
3.4. Результаты имитационного моделирования 70
3.4. Анализ работоспособности одс в динамическом режиме 88
3.5. Выводы 91
Глава 4. Разработка устройства и конструкции ОДС 92
4.1. Синтез устройства управления одс на плис 92
4.2. Устройство предварительной обработки выходных сигналов и ввода данных в бортовой компьютер 101
4.3. Разработка конструкции и макета одс 105
4.4. Испытания макета одс на московском метрополитене 111
4.5. Выводы 114
заключение 115
список используемой литературы 117
- Датчики скорости для железнодорожного транспорта
- Математическая модель фпзс для измерения скорости
- Имитационная модель процесса определения скорости
- Устройство предварительной обработки выходных сигналов и ввода данных в бортовой компьютер
Введение к работе
Важнейшей характеристикой любого средства транспорта, в том числе и железнодорожного подвижного состава, является его скорость. Знание скорости транспортного средства во многом определяет точность соблюдения графика и безопасность движения поездов; позволяет с высокой точностью определять координаты подвижного состава на рельсовом пути в любой момент времени. Высокоточное измерение скорости подвижного состава является важной задачей для Московского метрополитена. В настоящее время на рельсовом транспорте для определения скорости движения применяются путевые датчики и электромеханические датчики, работа которых основана на подсчете числа поворотов колеса. Погрешность измерения электромеханических датчиков составляет около 5 км/ч. Эта погрешность, обусловленная проскальзыванием колес и их износом, является весьма значительной величиной для современного и перспективного наземного рельсового транспорта, поездов и путеизмерительной станции метрополитена.
Для путеизмерительной станции Московского метрополитена разработка автономного датчика скорости является актуальной задачей. Измеряемые параметры рельсовой колеи (ширина, уровень, просадки, боковой износ головок левого и правого рельсов, положение контактного рельса и т.д.) должны быть привязаны к координатам пути. Графики этих параметров на лентах путе измерителя используются для выявления зон, имеющих отступления от норм содержания железнодорожного пути метрополитена, для оценок этих отступлений, для планирования работ по определению очередности их устранения. Совокупность измеряемых параметров позволяет установить оценки отступлений по баллам, оценить состояние рельсовой колеи и определить необходимость ремонта или замены рельсов. Определить координаты и длины рельсовой колеи, нуждающейся в ремонте, можно с помощью высокоточного измерения скорости.
Необходимо отметить, что высокоточные бесконтактные датчики скорости имеют большое значение и для других видов транспорта, например, воздушного. Исследования российских ученых в области средств навигации аэрокосмических систем позволили предложить новый принцип измерения скорости, основанный на обработке (двумерной фильтрации) движущегося изображения ландшафта, расположенного под летательным аппаратом [1]
Для этого на борту летательного аппарата должно быть установлено специальное фотоприемное устройство, которое не только воспринимает изображение ландшафта с борта летательного аппарата, но и обрабатывает его с помощью фоточувствительной интегральной схемы на приборе с зарядовой связью (ПЗС), работающей в режиме временной задержки и накопления (ВЗН). Фото чувствительный прибор с зарядовой связью (ФГТЗС) с ВЗН имеет специальную трапецеидальную топологию пикселов. Направление движения проекции изображения ландшафта должно совпадать с направлением перемещения потенциальных ям в ФПЗС ВЗН. Допустимый диапазон измеряемых скоростей определяется параметрами проецирующей оптической системы и может варьироваться в значительных пределах.
Данная микросхема защищена российским патентом. На российских предприятиях НИИМП и НИИ "Пульсар" были изготовлены опытные образцы этих микросхем. К сожалению, фотоприемное устройство для измерения скорости не было реализовано.
Повышенная точность определения скорости движения и координат пути особенно важны для путеизмерительной станции. В рамках диссертации создан макет оптико-электронного датчика скорости (ОДС) для путеизмерительной станции, позволяющий продемонстрировать его точностные и эксплутационные возможности.
Рассмотрено современное состояние в области используемых на метропоездах контактных электромеханических датчиков скорости, работа которых основана на подсчете числа поворотов колеса за заданное время.
Определены их ограничения по точности измерения. Выполнен анализ мирового уровня в области бесконтактных датчиков скорости, показана целесообразность создания ОДС и его применения в сочетании с электромеханическим датчиком для повышения точности измерения скорости.
Для проведения имитационного моделирования получены реальные изображения рельсовой колеи на различных участках Московского метрополитена. Выбирались участки, имеющие разную освещенность: туннели, подъезды к станции, открытые пути. Полученные изображения были преобразованы в цифровую форму и введены в компьютер для последующего имитационного моделирования работы ОДС. Показано, что для работы в реальных условиях ОДС должен быть оснащен излучателем ИК подсветки и фильтром. Включение этих устройств в состав ОДС обеспечивает повышение контрастности изображений в туннелях и устраняет избыточную освещенность на станциях и на открытых участках пути (особенно в солнечную и снежную погоду).
Разработана математическая модель специализированного ФПЗС ВЗН и программное обеспечение для имитационного моделирования работы ОДС при воздействии движущегося изображения, описываемого гармонической функцией, имитирующей изображение железнодорожной колеи. Показано, что максимальная модуляция выходного сигнала ФПЗС ВЗН происходит в том столбце фотоприемника, в котором скорость движения проекции изображения на кристалле равна средней скорости перемещения потенциальных ям.
Разработана математическая модель специализированного ФПЗС ВЗН и программное обеспечение для имитационного моделирования работы ОДС при воздействии движущегося тестового изображения рельсового полотна. Показано, что заданная скорость движения подвижного состава определяется путем вычисления максимума функции передачи модуляции, по данным, поступающим от специализированного ФПЗС ВЗН. Наибольшая точность вычисления наблюдается на участках с хорошим уровнем освещенности, где изображения наиболее контрастные и чёткие. Это наблюдается на открытых участках. Уменьшение точности вычисления будет происходить на менее освещенных участках: на станции, при подъезде к станции, на перегоне.
Точность измерения скорости прямо пропорциональна уровню освещённости. Предложена структурная схема ОДС, содержащая фотоприемный блок, устройство управления и персональный компьютер. Обоснована современная элементная база для реализации ОДС, включающая в себя специализированный
ФПЗС ВЗН, программируемую логическую матрицу и персональный компьютер.
Разработаны схема управления ОДС, реализованная на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), схема предварительной обработки выходного сигнала, конструкция и макет ОДС.
На основе разработанной принципиальной схемы ОДС создан макет, который в 2004 года прошёл испытания на путеизмерительной станции в
Московском метрополитене.
Основные положения диссертации заключаются в следующем. Научная новизна: І.Для железнодорожного транспорта и метрополитена в условиях различной освещенности рельсовой колеи, неравномерного движения подвижного состава теоретически показана возможность высокоточного определения скорости бесконтактным оптоэлектронным датчиком, построенным на базе кристалла специализированного ФПЗС.
Разработана методика расчета накопления зарядовых пакетов в ФПЗС с трапециидальной формой пикселей с учетом неравномерности движения.
Впервые разработана имитационная модель ОДС, позволяющая на основе изображений, поступающих на вход датчика как в виде гармонической функции с задаваемыми параметрами, так и в виде реальных (тестовых) изображений рельсовой колеи вычислять скорость движения подвижного состава.
Практическая ценность работы
Разработан новый метод определения скорости на железнодорожном транспорте и метрополитене с помощью оесконтактного оптоэлектронного датчика скорости.
Выполнен цикл практических работ: разработано схемотехническое решение схема ОДС, спроектирована схема управления кристалла специализированного ФПЗС ВЗН, которая реализована на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). . 3. Проведен цикл исследований ОДС в статическом и динамическом режимах.
Использование имитационного моделирования подтвердило целесообразность и перспективность бесконтактного оптоэлектронного датчика измерения скорости.
Показано, что использование ОДС позволит уменьшить погрешность вычисления скорости до уровня 1,5%.
Разработан действующий макет ОДС. В дальнейшем, на основании опыта создания данного макета может быть разработан проект системы на кристалле.
Реализация результатов работы
Для определения основных параметров работы ОДС с учетом различных
Алгоритмы работы ОДС доведены до программного обеспечения.
Схемотехническое решение доведено до макета. Макет ОДС прошёл испытания на путеизмерительной станции в депо "Планерная" Московского метрополитена в 2004г. Апробация работы
Основные результаты работы доложены на следующих конференциях: "Неделя науки 1998м, г. Москва, МИИТ, 1998г; международная конференция "Фотоника для транспорта", г. Прага, 1999г.; конференция молодых специалистов, г. Ростов - на - Дону, РГУПС, 2000г.; международная конференция «Лазеры», г.Сочи, 2000г.; научная сессия МИФИ -2001, г. Москва,
МИФИ, 2001г.; международная конференция "Фотоника для транспорта", г.Сочи 2002г.; международная конференция «Лазеры», г.Сочи, 2003г; школа молодых учёных - 2004, Софрино, Московская область, 2004г.
Результаты диссертации вошли в 2 научно-технических отчёта по грантам Правительства Москвы за 2000 и 2002 годы. Основные результаты диссертации были представлены на конкурс Молодых учёных города Москвы и удостоены премии Правительства г. Москвы за 2003г. На защиту выносятся следующие результаты
1. Математическая модель и алгоритмы ОДС, отражающие двумерную обработку неоднородных движущихся изображений в специализированном ФПЗС с учетом неравномерного движения.
2. Имитационная модель, позволяющая адекватно описать работу ОДС и теоретически оценить работоспособность и точность датчика с учетом различных искажений, условий освещённости и видов подстилающей поверхности, типичных для железнодорожного транспорта и метрополитена.
3. Макет ОДС, прошедший испытания на Московском метрополитене. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Диссертация изложена на 122 страницах, включая 122 страницы машинописного текста, 6 таблиц, 100 рисунков, список литературы из 71 наименования.
Датчики скорости для железнодорожного транспорта
Рассмотрим существующие датчики скорости, используемые на железнодорожном транспорте.
Электромеханические датчики скорости устанавливаются на специальных крышках букс колесных пар. Для повышения надежности определения скорости, непосредственно влияющей на безопасность движения, аппаратура дублируется. Используются 2 датчика и 2 блока измерения скорости. В электромеханическом датчике измерение фактической скорости и её сравнение с допустимой осуществляется по частотному принципу. Он основан на измерении частоты выходного сигнала электромагнитного датчика скорости ДС-1 посредством полосовых фильтров, на выходе которых включеныэлектромагнитные реле. Диапазон измеряемых скоростей движения поезда разбивается на контролируемые ступени.
Блок измерителя включает в себя: усилитель, 9 полосовых фильтров Ф1-Ф8, Ф10, каждый из которых представляет собой спаренную систему резонансных контуров с автотрансформаторной связью, фиксирующие реле Р1-Р8, Р10. Частота, генерируемая датчиком ДС, связанным электромагнитным способом с осью колёсной пары, поступает на вход усилителя У. Частота сигнала пропорциональна частоте вращения оси колёсной пары, а значит и скорости поезда (рис 1.3).
Если частота, генерируемая датчиком скорости, совпадает с полосой пропускания фильтра, то срабатывает его скоростное реле. Этим фиксируется, что скорость поезда находится в пределах данного диапазона скорости. При изменении скорости поезда сначала возбуждается реле следующей ступени скорости, а затем отпускается якорь предыдущей ступени скорости [16]. К усилителю измерителя подключают указатель фактической скорости УС -стрелочный прибор, откалиброванный в км/ч, а также регистрирующий скоростемер, обеспечивающий запись фактической скорости движения поезда на ленте скоростемера.
Коэффициент пропорциональности, связывающий фактическую скорость и частоту выходного сигнала, равен 5,5 Гц/км/ч. Величина этого коэффициента определяет для заданного диаметра ходового колеса число зубьев шестерни осевого датчика. Вычисление числа оборотов колеса происходит благодаря тому, что колесо локомотива имеет ферритовый сектор. Число оборотов равно числу раз, за которое ферритовый сектор проходит через разомкнутый трансформатор и замыкает цепь (рис 1.4).[17]
Недостатками электромеханического датчика скорости являются; низкая точность измерений, ограниченная погрешностью измерения диаметра колеса, допускаемого при изготовлении, износ при эксплуатации, а такжепроскальзыванием и пробуксовкой колес (особенно при ускорении и торможении). Погрешность измерений составляет ± 5 км/ч.
При использовании электромеханического датчика скорости координаты поезда определяются с низкой точностью. Это снижает безопасность движения поездов и увеличивает энергопотребление.
Однако существуют возможности уменьшения погрешности измерения скорости, обусловленной скольжением колёсных пар. Они заключаются в своевременном обнаружении начала буксования, юза, снижении тягового или тормозного усилия. Такую задачу решают проти вобуксовочные ипротивогазовые устройства. [18], [19]. В процессе ускорения и торможения локомотива происходит перераспределение нагрузки по осям. В режиме ускорения наиболее нагруженной является ось последней колёсной пары, а в момент торможения - первой [20, 21]. Следовательно, вероятность буксования последней и юза первой колёсных пар будет наименьшая. Предложены устройства, в которых ЧИД устанавливаются на первую и последнюю ось. В режиме ускорения информация поступает с ЧИД, установленного на последней колесной паре, а в режиме торможения с ЧИД, установленного на первой колесной паре. Такой способ уменьшения погрешности вычисления оказался малоэффективным, т.к. предполагаемая последовательность буксования и юза независимо от перераспределения вертикальных нагрузок на оси колёс не всегда соблюдается [22].
Исследования процессов взаимодействия колеса с рельсом показали, что одновременно одинаковой интенсивности буксования и юза нескольких колёс не может быть. Это позволило разработать устройство для определения параметров движения, принцип работы которого следующий: ЧИД устанавливают на нескольких осях колёсных пар. В режиме ускорения информация поступает на анализирующее устройство того ЧИД, у которого частота сигнала на выходе наименьшая, в режиме торможения - наибольшая [23]. Недостатком таких устройств является то, что диаметры бандажей колёс различных осей, на которых устанавливается ЧИД, разные. Это приводит к дополнительным погрешностям, которые составляют ± 2 % [24, 25].
На сортировочных горках одним из базовых измерительных средств, используемых в системе автоматической регулировки скорости, является радиолокационный измеритель. Эффективность систем автоматической регулировки скорости определяется как алгоритмами функционирования, так и составом технических средств.Радиолокационный измеритель скорости РИС-ВЗ позволяет определять скорости в диапазоне от 1,5 до 35 км/ч; дальность действия от 1 м до 250 м.
Математическая модель фпзс для измерения скорости
Рассмотрим структурную схему ФПЗС, которая представляет собойматрицу фоточувствительных элементов с параллельным переносом строк, навыходе которой расположен последовательный регистр сдвига (рис. 2.5.)
Скорость V перемещения спроецированного на кристалл движущегося изображения определяет частоту переноса строк ґм, при которой обеспечивается синхронизация, с помощью фазовых импульсов Фш, Ф;м, Фзм-Частота переноса строк Гм пропорциональна скорости:где: m - число фаз; L - длина электрода.
Любой строчный фрагмент изображения и соответствующая ему картина зарядов движутся по матрице синхронно. Изображение движется непрерывно, апотенциальные ямы перемещаются скачкообразно в соответствии с диаграммой тактовых импульсов. После достижения строчным фрагментом последовательного выходного регистра сдвига картина зарядов параллельно передаётся в регистр и оттуда в последовательной форме - на элемент вывода зарядов. Частота тактовых импульсов f5 в регистре сдвига с помощью регистровых импульсов Rgl, Rg2, Rg3 должна обеспечить передачу всей строки зарядов на выход до поступления в регистр сдвига следующей строки. Поэтому fl6=N fM, где N - число фоточувствительных элементов в строке. Применительно к матрице специализированного ФПЗС ВЗН.
Период следования матричных импульсов определяется соотношением:Так как длина элементов разная І-з(і), то синхронизация будет достигнута только в одном столбце, у которого будет соблюдено условие синхронизации. Зная период синхронизации и номер столбца, в котором было получено максимальное значение функции передачи модуляции (ФПМ), можно определить скорость движения изображения.
Рассмотрим математическую модель датчика. В качестве входного сигнала используем изображение, спроецированное на кристалл в виде косинусоидальной решётки (рис 2.6) [45].
Пусть входное изображение перемещается со скоростью V, имеет косинусоидальный вид и описывается функцией (2.5):[46-48] где Nr - количество столбцов, Lo - начальная длина ячейки, Lo = 12 мкм. Зарядовый пакет Q(i,j), накопленный за время Tf прохождения строчногофрагмента изображения через элемент j длиной Ьэ, определяется интегрированием выражения (2.6) по времени. Время Tf при синхронизацииравно периоду следования тактовых импульсов, поэтому Tf= Ьэ/v.Tf- период тактовых импульсов. Заряд, накопленный в j- ом элементе равен (2.7):
Так как при фиксированной частоте синхронизации скорость движения потенциальных ям в разных столбцах матрицы различна и равна V=L3/T , где Ьэ - размер ячейки в направлении движения, Т - период синхронизации. Если скорость движения изображения по фоточувствительной области датчика лежит в пределах допустимых скоростей для данного периода синхронизации, то в том столбце матрицы, в котором скорость движения изображения наиболее точно совпадает со скоростью движения потенциальных ям, будет наблюдаться максимум функции передачи модуляции. Накопленные в матричной секции зарядовые пакеты сдвигаются в выходной регистр.
С учётом смещения относительно начала координат где: W - ширина ячейки; La - длина активной области ячейки накопления, непокрытая алюминием и пропускающая фотоны; m - номер строки; j - номер столбца; Lz - полупериод косинусной решётки. Интегрируя выражение (2.9) по времени, найдём зарядовый пакет, накопленный в ячейки за время Т.
Вычислив зарядовый пакет в любой ячейке, необходимопромоделировать процесс временной задержки и накопления. Двигаясь от строчки i=l до строчки i=128 j-ro столбца, значение зарядовых пакетов накапливается.Зарядовый пакет, пройдя по матрице ПЗС и попав в выходной регистр, равен:Далее необходимо найти разницу соседних строк зарядовых пакетов, поступающих в выходной регистр:
Просуммировав значения разности соседних строк зарядовых пакетов, найдём сумму разностей Rij, - это и будет функция передачи модуляции (2.12):
Для нахождения условия синхронизации необходимо найти максимальное значение Rij именно в том столбце j, в котором Rij будет максимальным, - скорость движения зарядовых пакетов на матрице ПЗС будет соответствовать скорости движения изображения. Зная номер столбца, в котором выполняется условие синхронизации, находим скорость движения изображения:
Имитационная модель процесса определения скорости
Задача определения скорости с помощью бесконтактного оптико-электронного датчика на метрополитене решается впервые. Практического опыта решения таких задач не существует. Поэтому для подтверждения возможности и ожидаемой точности оптоэлектронного способа определения скорости было предложено использовать имитационное моделирование. Оно включает в себя: математическую модель датчика скорости, математическую модель движения поезда, а в качестве тестового изображения — реальное изображение рельсовой колеи, которое может быть получена с движущегося поезда.
Для получения тестового изображения была проведена съёмка рельсовой колеи на Таганско - Краснопресненской линии Московского метрополитена.
Съемка производилась в туннелях (на закрытых участках) и на открытых участках (на перегонах при подъезде к станциям метро «Текстильщики» и «Выхино»).
Экспериментальная съемка изображений рельсового пути Московского метрополитена выполнена в рамках штатной работы путеизмерительной станции при участии ее начальника Тусеева А.Б.
Адекватность результатов имитационного моделирования во многом определяется выбором тестовых изображений, которые по своему качеству и уровню освещенности должны соответствовать реальным изображениям рельсовой колеи на различных участках Московского метрополитена. В качестве тестовых изображений были выбраны изображения с различными уровнями освещённости: на открытом участке, на станции, при подъезде к станции и на перегоне. Выбранные тестовые изображения исследовались и анализировались в имитационной модели [55]. В имитационной модели тестовые изображения воспринимаются как массив яркостей.
Проведем анализ полученных изображений рельсовой колеи Московского метрополитена (рис. 3.14, рис. 3.15, рис.3.16, рис. 3.17, рис. 3.18), а также «идеальной» для распознавания картины изображения.
Из полученных изображений видно, что на различных участках Московского метрополитена изображения отличаются: по уровню освещённости, контрастности, по качеству. Причём видно, что на открытом участке изображения характеризуется высоким качеством, хорошей контрастностью, отчётливо видны элементы рельсового полотна: хорошо различимы шпалы, рельсы, на станции освещенность хорошая, отчетливо видны изображения рельсов, однако на станции отсутствуют шпалы и поэтому изображение между рельсами является однородным не контрастном. При подъезде к станции изображение не очень высокого качества но, тем не менее, изображение рельсовой колеи и шпалы различимы. На перегоне изображение не очень высокого качества, слабо видны шпалы, однако рельсы различимы. На перегоне и при подъезде к станциям нет достаточного освещения, подсветка фар локомотива освещает рельсовую колею далеко вперёд, а вблизилокомотива, куда была ориентирована съемка с фотоаппарата темно. Дляповышения качества съёмки на перегоне и при подъезде к станции была использована инфракрасная подсветка, это позволило визуально отличить шпалы, рельсы, другие элементы рельсовой колеи.
Таким образом, полученные изображения рельсовой колеи отличаются друг от друга по определённым параметрам (табл. 3.2.) и охватывают все типовые участки метрополитена, а картина изображения, в которой чередуются белые и чёрные строки - «идеальна» для распознавания, Следовательно, для имитационного моделирования в качестве подстилающей поверхности будем использовать эти изображения как тестовые изображения.
Как видно из приведенного выше анализа, полученные изображения перекрывают широкий диапазон условии видимости рельсовой колеи с борта движущегося поезда метро. Поэтому при использовании их в качестве тестовых изображений можно получить объективный вывод о возможности применения оптико-электронного датчика на Московском метрополитене.
Для проведения имитационного моделирования разработана математическая модель, в которой реальное движущееся изображение описывается двумерной функцией яркости от пространственных координат z, у и от времени t:
Применительно к имитационной модели ОДС это будет изображение рельсовой колеи, по которому будет передвигаться кристалл ФПЗС ВЗН со скоростью пропорциональной скорости перемещения подвижного состава пожелезнодорожному пути. Коэффициент пропорциональности равен коэффициенту уменьшения проецирующей оптической системы.
Математическая модель специализированного ФПЗС ВЗН с трапецеидальной формой пикселов (рис. 3.19) должна содержать уравнения фоточувствительных областей для любого пиксела (элемента) в пространственных координатах изображения.
Пронумеруем строки специализированного ФПЗС от 0 до NB, где NB -число строк элементов в матрице ФПЗС ВЗН, и столбцы от 0 до Nr, где Nr -число столбцов в матрице ФПЗС ВЗН.
Уравнение начальной строки имеет вид:Wy и Wz - линейные размеры активной области кристалла по горизонтали и вертикали.Запишем уравнение для прямой с номером і:
Устройство предварительной обработки выходных сигналов и ввода данных в бортовой компьютер
Оптоэлектронный датчик скорости способен измерять скорость движения локомотива от 0 км/ч до 160 км/ч. Диапазон измеряемых скоростей разоивается на 6 диапазонов скоростей. В зависимости от диапазона скоростей меняется частота сдвига строк. Первый режим соответствует диапазону скоростей движения локомотива от 80 до 160 км/ч. При скорости движения локомотива менее 80 км/ч уменьшается частота сдвига строк в 2 раза, что соответствует увеличению накопленного заряда в элементах кристалла ФПЗС. Второй режим соответствует диапазону скоростей от 40 до S0 км/ч. При третьем режиме диапазон будет от 20 до 40 км/ч, при четвёртом - от 10 до 20 км/ч.
Для определения скорости движения локомотива при скоростях менее 10 км/ч необходимо отключать секции накопления.
Для вычисления скоростей от 5 до 10 км/ч отключается половина секции накопления, и прибор будет представлять собой прибор 512 х 64 элементов. Отключение 3/4 секции происходит для определения скоростей в диапазоне от 2,5 до 5 км/ч, и в таком случае прибор будет представлять матрицы 512 х 32 элемента,
В случае отключения секции происходит уменьшение точности определения скорости. Однако для малых скоростей уменьшение точности вычисления скорости даёт малую погрешность в вычислении пройденного расстояния. В схемотехническом решении реализованы как отечественные, так и импортные комплектующие (рис 4.15) [64].D2 - ПЛИС ХС95108 подробно описано в п. 4.1.ADG333A - электронный ключ с малой утечкой, работающий на переключение, разработанный компанией Analog Devices [65]. Ток утечки: 1ут=0,1нА. [66] « ADG701 - электронный ключ с малой утечкой, работающий на включение/выключение разработанный компанией Analog Devices. Ток утечки: 1ут=0,01нА.[б7]ADG663 - электронный ключ с малой утечкой, работающий на включение/выключение разработанный компанией Analog Devices. Ток утечки: Гут=0,05 нА.[68]AD828 - усилитель, разработанный компанией Analog Devices. Коэффициент усиления с замкнутой обратной связью равен 2. Ток утечки равен [ут=б.6мА.[69]AD9200 - скоростной аналого-цифровой преобразователь (АЦП) разработанный компанией Analog Devices. Разрешение - 10 Bit. Частота обновления 20 кГц. [70]Dl, D2, D3 - инверторы (элементы И-НЕ), разработанные в отечественной промышленности.
ПЗС Тара - специализированный фоточувствительный прибор с зарядовой связью разработанный в отечественной промышленности подробно принцип действия описан в гл.2.
Размера кристалла специализированного ФПЗС ВЗН недостаточно, для того чтобы зафиксировать элементы рельсового пути. Поэтому необходимо применить оптику. Выбор линзы основывается на расчете её линейного увеличения.
Расчёт оптических характеристик оптоэлектронного датчика скорости основан на следующих постоянных величинах:Н - ширина кристалла оптоэлектронного датчика скорости; Н=512х12х1(Г6=0,006144мd - расстояние от линзы ОДС до железнодорожного полотна; с1=0,46мh - ширина железнодорожного полотна, на которую фокусируется кристалл ОДС;Ь=0,5мF - фокусное расстояние,от линзы до кристалла.
Расстояние f от линзы до изображения связано с расстоянием d от рельсовой колеи до линзы и фокусным расстоянием F линзы (рис. 4.17) [71]. Из подобия треугольников запишем:
Испытания ОДС проходили 28.04.2004 г. на открытой территории депо Планерная Московского метрополитена на базе путеизмерительной станции (Приложение JVnl). В Путеизмерительной поезд состоял из 4 вагонов: вагон путеизмерительной станции, обычный вагон метро, 2 локомотивных вагона метро, приводящие в движение путеизмерительную станцию. К путеизмерительной станции была подвешена поперечная балка. К балке был прикреплён ОДС таким образом, чтобы оптическая система датчика была направлена на железнодорожный путь.
Путеизмерительная станция, выехав на открытую часть, двигалась по территории депо, набирая и сбрасывая скорость, вплоть до остановки. Были измерены все режимы реального движения путеизмерительной станции: ускорение, движение без набора скорости торможение, резкое торможение, остановка. В ходе испытаний поезд останавливался 4 раза. Вместе с оптоэлектронным датчиком скорости работал основной скоростемер путеизмерительной станции. Скорость состава менялась в диапазоне от 0 до 30 км/ч (рис. 4.18).
Подготовка к испытаниям включала всебя:1. Подключение ОДС к аккумуляторной батарее напряжением 12В путеизмерительной станции2. Установка специальной балки на платформу вагона-путеизмерителя для оптоэлектроиной измерительной системы единая система контроля и измерения рельсовой колеи (ЕКСИР).3. Установка макета ОДС на балку.4. Проведение оптической юстировки и калибровки аппаратуры.5. Проверка работоспособности макета ОДС в стационарном состоянии путеизмерительной станции
В процессе испытаний путеизмерительная станция прошла все режимы реального движения: набирала скорость, тормозила и производила остановки.
