CC BY
47
скорректировать статическую характеристику. В результате среднее квадратическое значение нескомпенсированной случайной составляющей погрешности измерения составило 2,30", что соответствует требованиям к точности оптико-электронной авторефлексионной углоизмери-тельной системы определения деформаций элементов конструкции РТ-70.
список литературы
1. Джабиев А. Н., Коняхин И. А., Панков Э. Д. Автоколлимационные углоизмерительные средства мониторинга деформаций. СПб.: СПбГИТМО (ТУ), 2000. 197 с.
2. Коняхин И. А., Панков Э. Д. Трехкоординатные оптические и оптико-электронные угломеры. Справочник. М.: Недра, 1991. 224 с.
3. Ворона А. М., Лю Лэй. Экспериментальное исследование погрешности авторефлексионных измерений вследствие виньетирования // Тр. III Межвуз. конф. молодых ученых. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. С. 55—57.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
оптико-электронных приборов и систем 14.01.08 г.
УДК 536.8:621.384
А. М. Алеев, К. Г. Араканцев, А. Н. Тимофеев
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики
К. Б. Ершова, В. В. Петуховский, С. В. Петуховский, А. Е. Холин
Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта
Москва
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ ОТНОСИТЕЛЬНО РЕПЕРНЫХ МЕТОК
Рассматриваются особенности построения и технические характеристики оптико-электронной системы контроля положения железнодорожного пути в продольном профиле, плане и по уровню. Контроль осуществляется относительно инфракрасных реперных меток, расположенных на опорах контактной сети и задающих проектное положение железнодорожного полотна.
Ключевые слова: оптико-электронная система, внутрибазовая схема, матричный фотоприемник, реперная метка, погрешность измерения координат.
Измерение параметров положения железнодорожного пути и оценка полученных результатов являются важными аспектами совершенствования процесса ремонта пути современными высокопроизводительными путевыми машинами. Измерения должны производиться в автоматическом режиме при движении по пути в достаточно жестких условиях эксплуатации (вибрации, удары, засветки и т.д.) [1].
В настоящее время во Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта (Москва) опробованы методы и схемы, позволяющие синхронно с другими измерениями регистрировать параметры положения пути в пределах практически любого участка [2]. Применение существующих оптико-электронных средств хотя и обеспечивает более высокую степень автоматизации измерения геометрических параметров пути, однако
позволяет измерять лишь некоторые из них [3, 4], тогда как задача комплексного определения положения железнодорожного пути в системе координат, привязанной к геодезической опорной сети, полностью практически не решена.
Разработанная в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики оптико-электронная система контроля положения реперных меток (ОЭС КПРМ) позволяет в процессе движения выправочной машины определять просадки рельсовой нити в вертикальной плоскости (выправка), взаимное положение рельсовых нитей по высоте (поперечный уровень) и положение в плане (рихтовка) относительно инфракрасных реперных меток, сопряженных с геодезической опорной сетью.
Схема измерений, положенная в основу работы ОЭС КПРМ, представлена на рис. 1. В системе базовый блок 1, расположен на тележке 3, которая жестко базируется на железнодорожном пути 4. Положение базового блока относительно реперных меток 2 определяется в приборной системе координат 0ХУ2 (ось ОХ — рихтовка, ось ОУ — выправка). Координаты, а также угол поворота базового блока вокруг оси 02 (поперечный уровень) измеряются в момент прохождения выправочной машины мимо опоры с закрепленной на ней меткой.
Рис. 1. Схема измерений координат положения пути
В основу измерений положена внутрибазовая схема [5, 6], представленная на рис. 2. При использовании в этой схеме двух фотоприемных модулей (ФМ), каждый из которых содержит объектив 1 и матричный фотоприемник 2, измеряются координаты у'1 и у'2 изображений реперной метки 3 на фотоприемниках. По этим координатам вычисляются координаты У1 и 21 (выправка и рихтовка) положения железнодорожного пути в профиле и плане:
У1 =
В,
В2
У 2
2 02 а 2
- во
в1
1 у1
г 01 а 1
у_1_ + В\_
У '1 >
2 2 01 а 1
г.=(В1+в 2.^ - ое+в--1 ■
2 02 а 2 2 01 а 1
где В1 и В2 — расстояния (базы) от оси 02 приборной системы координат до оптических осей объективов верхнего и нижнего ФМ; а'1 и а'2 — задние отрезки объективов верхнего и нижнего ФМ; у'1 и у'2 — координаты изображений реперной метки, измеренные в верхнем и нижнем ФМ в системе координат матричных фотоприемников.
Потенциальная точность измерений во внутрибазовых схемах определяется погрешностью измерения координат Ду\ и Ду'2. Относительные частичные погрешности ^^, , дЗ^д^ < измерения координат смещений пути от величины Ду'г- определяются выражениями
Ду \ . ^ N (2-)(-М)(-1)(В + В2)Ду \
д1л
1Ду\
дЗ
а \ (N + Му 1Ду а ) (В1N - В2М)(N + М) ' где /=1 соответствует верхнему ФМ, 1=2 — нижнему ФМ, N =
" В2 у 2 " , М = " В у 1"
_ ¿02 а 2 _ _ ¿01 а 1 _
Зависимости суммарных относительных погрешностей дZlДy., дЗ^ду ■ от Ду'\ имеют следующий вид:
д21ду = (д71Ду ')2, дЗ1Ду
i(дYlДУl■)) .
/=1
В ходе экспериментальных исследований было установлено, что метод энергетического взвешивания позволяет измерять координаты изображения реперной метки с погрешностью 0,01—0,04 размера пиксела матричного фотоприемника [7].
3
Рис. 2. Принципиальная схема ОЭС КПРМ
Графики, отражающие теоретические зависимости погрешностей измерения координат железнодорожного пути от погрешностей определения координат изображений реперной метки, представлены на рис. 3. Анализ графиков показывает, что основным фактором, определяющим такие параметры системы, как фокусное расстояние объектива (/) и расстояние между каналами ФМ, является погрешность определения координаты смещения пути в плане. Из анализа хода кривых следует, что в целях увеличения потенциальной точности системы необходимо увеличивать расстояние между каналами ФМ. При этом для обеспечения работы системы во всем заданном диапазоне смещений пути следует уменьшать фокусное расстояние
2
объектива. В соответствии с техническим заданием на размер базы наложено жесткое ограничение: она равна 300 мм. Это обстоятельство определяет выбор фокусного расстояния объектива, а также предельную точность системы (см. рис. 3, кривые 2).
а) б)
Рис. 3. Графики зависимости погрешностей измерения координат смещения пути в профиле (а) и в плане (б) от величины Z1: 1 — при /=40 мм, 5=150 мм; 2 — при /'=35 мм, B=300 мм; 3 — при /=30 мм, B=500 мм.
Для реализации опытного образца системы были выбраны КМОП-матрица 0V5610 Color CMOS QSXGA фирмы „Omni Vision", США (размер пиксела 5,5*5,5 мкм), объектив Гелиос 33 /= 35 мм). В качестве излучателя, установленного на реперной метке, применен светодиод SFH 485 P фирмы „Siemens", Германия (Х=880 нм).
В ходе исследований были обнаружены существенные погрешности измерения координат смещения пути в плане AZi (Yj) и в профиле Ail Yi) , которые имеют нелинейный характер. В обоих случаях прослеживается наличие накопленной систематической погрешности [8]. В целях их уменьшения были уточнены некоторые параметры системы. В результате обработки серий измерений заранее заданных координат были уточнены базы каналов, задние отрезки объективов, наклон и разворот матричных приемников относительно визирных осей каналов.
Экспериментальные исследования величин среднеквадратических отклонений измеряемых параметров показали, что при движении реперной метки со скоростью до 10 км/ч СКО регистрируемых смещений пути в профиле (ось OY) не превышает 0,3 мм, а СКО смещений пути (ось OZ) в плане не превышает 1,8 мм.
Согласно анализу результатов экспериментов для различных скоростей движения на среднее квадратическое значение погрешности измерений положения железнодорожного полотна существенное влияние оказывает режим работы фотоприемных модулей, поэтому переход на единое измерительное поле (внутрибазовую схему с одним ФМ) позволит значительно модернизировать систему.
список литературы
1. Гуленко Н. Н., Фомин В. В. Механизация и автоматизация путевых работ за рубежом. М.: Транспорт, 1975. 232 с.
2. Актуальные проблемы выправки и приемки пути после ремонта / А. Я. Коган, К. Б. Ершова, В. В. Петухов-ский и др. // Путь и путевое хозяйство. 2007. № 5. С. 7—9.
3. Пат. 2256575 РФ. Способ измерения геометрии рельсового пути и устройство для его осуществления /
И. В. Бондаренко, М. А. Великотный, А. П. Калюжный // Б.И. 2005. № 20.
22
А. Г. Анисимов, А. А. Горбачев, А. В. Краснящих, А. В. Пантюшин
4. Джабиев А. Н., Мусяков В. Л., Панков Э. Д., Тимофеев А. Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной / Под ред. Э. Д. Панкова. СПб.: СПбГУ ИТМО, 1998. 238 с.
5. Чуриловский В. Н. Теория оптических приборов. М. — Л.: Машиностроение, 1966. С. 564.
6. Алеев А. М., Араканцев К. Г., Тимофеев А. Н. Исследование схемы внутрибазового оптико-электронного канала двойного изображения с матричной фотоприемной частью для контроля смещений // Сб. трудов VII Междунар. конф. „Прикладная оптика — 2006", 16—20 окт. 2006 г., Санкт-Петербург. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. Т. 1. С. 43—47.
7. Араканцев К. Г., Тимофеев А. Н., Ярышев С. Н. Пути совершенствования распределенных оптико-электронных систем контроля смещений // Исследования в области оптики и физики: науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2005. Вып. 18. С. 215—221.
8. Алеев А. М., Араканцев К. Г. Экспериментальная оценка систематических погрешностей измерения смещений внутрибазовой оптико-электронной системой контроля положения железнодорожного пути // Тр. Пятой междунар. конф. молодых ученых и специалистов „Оптика — 2007", 15—19 окт. 2007 г., Санкт-Петербург. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. С. 230—231.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
оптико-электронных приборов и систем 14.01.08 г.
СПбГУ ИТМО
УДК 681.786
А. Г. Анисимов, А. А. Горбачев, А. В. Краснящих, А. В. Пантюшин
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СООСНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ТУРБОАГРЕГАТОВ
Рассматривается оптико-электронная система контроля соосности элементов турбоагрегатов, реализованная на основе анализа матричного поля. Приводится методика пересчета координат для измерительных и технологических баз.
Ключевые слова: контроль положения, соосность, прямолинейность, линейное и угловое позиционирование, турбоагрегат, фоточувствительный прибор с зарядовой связью, метод авторефлексии.
Для осуществления безотказной работы современных крупногабаритных технологических агрегатов необходимо соблюдение высоких требований по линейному и угловому позиционированию составляющих. Актуальной проблемой является обеспечение точности позиционирования (до 0,06 мм и менее) опор турбоагрегатов атомных и гидроэлектростанций относительно линии вала. Общий уровень автоматизации данных агрегатов требует соответствующего уровня автоматизации и унификации систем пространственного контроля.
При решении задач пространственного контроля сочетание таких факторов, как дистан-ционность и бесконтактность, возможность полной автоматизации процесса измерений, а также высокое быстродействие при обработке информации обеспечивает перспективность использования оптико-электронных систем. В большей степени решения подобного класса задач реализованы в оптико-электронной системе контроля соосности (ОЭС КС) [1]. Однако при создании таких систем возникают вопросы их рационального построения. Настоящая статья направлена на восполнение информации о построении этих систем.
