УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ Российский патент 1997 года по МПК E01B35/00 

Изобретение относится к области систем для измерения пространственных параметров рельсовых путей или их отклонений от проектных. Изобретение может быть использовано также для определения координат точек поверхностей грунтовых неровностей искусственного и природного происхождения в условиях, затрудняющих или делающих невозможным производить измерения контактными средствами, например, в условиях, отличных от нормальной атмосферной среды, ограниченной видимости и подвижности оператора, преимущественно при контроле подводной части рельсовых путей, используемых для подъема и спуска судов.

Известно устройство для измерения положения рельсового пути, содержащее смонтированные на транспортном средстве датчик пройденного пути, датчик положения пути в плане и датчик положения пути в продольном профиле, подключенные к регистрирующему блоку.

Это устройство является наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения.

Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает измерение основных характеристик рельсового пути и вызывает необходимость для более широкого спектра исследования пути использовать дополнительные сложные известные устройства. Это устройство не может быть использовано в труднодоступных условиях, например при обследовании рельсового пути под водой.

Кроме того, момент измерения значения параметра на выходе любого датчика не синхронизирован с моментом съема информации с него. Это приводит к возникновению случайной ошибки в привязке по времени измеряемых параметров. Наиболее отрицательные последствия, связанные с этим, отражаются на точности измерений пройденного пути и как следствие на точности фиксации пространственных координат исследуемых точек, поскольку при их определении по рекурсивным формулам в качестве одного из сомножителей используют данные о пройденном пути. Среднеквадратическая ошибка измерения пройденного транспортным средством пути, обусловленная несовпадением момента съема информации и моментом измерения показания датчика, определяется выражением:

где dL среднеквадратичная ошибка;
V скорость перемещения транспортного средства;
f частота съема информации с датчиков;
n количество пройденных мерных отрезков пути;
i количество опрашиваемых датчиков.

Даже при очень низких скоростях перемещения транспортного средства ошибка измерения пройденного пути становится доминирующей в погрешностях измерения параметров и исключает возможность получения точных результатов.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, состоит в повышении точности дистанционного измерения положения пути путем обеспечения совпадения момента съема информации и момента измерений показаний датчиков. Кроме того, устройство способно работать с использованием датчиков аналогового типа и датчиков на фотоэлектрических или электромагнитных преобразователях.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для измерения пространственного положения рельсового пути, содержащее смонтированные на движущемся по исследуемому рельсовому пути транспортном средстве датчик пройденного пути, датчик положения пути в плане и датчик положения пути в продольном профиле, выходы которых связаны с регистрирующим блоком, снабжено датчиком положения пути в поперечном профиле, датчиком ширины колеи, выполненным многоканальным блоком памяти с одним управляющим входом, переключателем работа/контроль, коммутатором цифровых сигналов с управляющим входом, вычислительным блоком и блоком управления, причем выходы датчиков ширины колеи, положения пути в плане, продольном профиле и поперечном профиле подключены к входам блока памяти, выходы датчика пройденного пути и блока управления соединены с управляющим входом блока памяти через переключатель работа/контроль, управляющий вход указанного коммутатора соединен с блоком управления, а выход этого коммутатора через вычислительный блок соединен с регистрирующим блоком.

Кроме этого, устройство снабжено коммутатором аналоговых сигналов и аналого-цифровым преобразователем, а выходы блока памяти, выполненного для аналоговых сигналов, через коммутатор аналоговых сигналов и аналого-цифровой преобразователь соединены с коммутатором цифровых сигналов, причем указанный блок памяти может быть выполнен в виде многоканального преобразователя угол-код, при этом устройство снабжено датчиком глубины погружения и датчиками целостности левого и правого рельсов пути, подключенными к соответствующим входам блока памяти.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения положения рельсового пути; на фиг. 2 проекция профиля рельсового пути на вертикальную плоскость.

Устройство для измерения положения рельсового пути (фиг. 1) содержит смонтированные на движущейся по исследуемому рельсовому пути транспортном средстве (условно не показано) формирователь 1 импульса начала мерного отрезка пути, датчик 2 положения пути в плане, датчик 3 положения пути в продольном профиле, датчик 4 положения пути в поперечном профиле, датчик 5 ширины колеи. Кроме этих датчиков могут быть установлены датчик 6 глубины погружения, датчик 7 и датчик 8 целостности соответственно, левого и правого рельсов пути. Указанные датчики 2, 3, 4 могут быть выполнены гироскопическими. Кроме того, указанные датчики могут быть выполнены с выходом аналогового типа, например потенциометрическими, или на фотоэлектрических или электромагнитных преобразователях перемещений, например сельсинах-датчиках, вращающихся трансформаторах, обладающих большей точностью по сравнению с аналоговыми датчиками. В устройстве могут быть совместно использованы датчики указанных типов. Выходы всех указанных датчиков связаны с коммутатором 9 цифровых сигналов, выход которого линией связи 10 соединен с вычислительным блоком 11 для подачи на его вход последовательного кода сигналов. Выход этого блока подключен к регистрирующему блоку 12. Выход формирователя 1 импульса начала мерного отрезка пути соединен со входом счетчика 13 мерных отрезков пути, который одним выходом соединен с коммутатором 9 цифровых сигналов для подачи на него параллельного цифрового кода, соответствующего измеренному значению пройденного пути. Второй выход счетчика 13 соединен с входом переключателя 14 работа/контроль. Формирователь 1 и счетчик 13 образуют датчик пройденного пути. Выход этого переключателя соединен с управляющим входом многоканального блока 15 памяти аналоговых сигналов указанных датчиков аналогового типа. Датчики своими выходами подключены к входам этого блока. Переключатель 14 соединен также и с управляющим входом многоканального блока 16 памяти для цифровых сигналов. К этому блоку 16 памяти подключены выходами датчики 2 8, которые выполнены на фотоэлектрических или электромагнитных преобразователях перемещений. Выход блока 16 памяти соединен с соответствующим входом коммутатора 9 цифровых сигналов для передачи на него параллельно цифрового кода. Блок 15 памяти аналоговых сигналов своими многоканальными аналоговыми выходами подключен к входам коммутатора 17 аналоговых сигналов, выполненного с управляющим входом и соединенного выходом с аналого-цифровым преобразователем 18 для поочередной передачи на него выборочных значений аналоговых сигналов указанных датчиков аналогового типа. Выходы аналого-цифровых преобразователя 18 соединены с соответствующими входами коммутатора 9 цифровых сигналов. Устройство снабжено распределителем импульсов 19 и тактовым генератором 20, которые образуют блок управления, соединенного своими выходами с этим распределителем, входами блока памяти 16 цифровых сигналов, счетчика 13 мерных отрезков пройденного пути и аналого-цифрового преобразователя 18. Распределитель импульсов 19 своими выходами соединен с входом переключателя 14 работа/контроль, с управляющим входом коммутатора 17 аналоговых сигналов и управляющим входом коммутатора 9 цифровых сигналов.

Устройство для определения пространственного положения рельсового пути работает следующим образом.

В процессе движения по исследуемому пути транспортного средства, несущего указанные датчики 1 8, с выхода счетчика 13 мерных отрезков пройденного пути, к которому присоединен формирователь 1 импульса начала мерного отрезка, измеренное значение пройденного пути в виде параллельного цифрового кода подается на входы коммутатора 9 цифровых сигналов. При этом со второго выхода этого счетчика 13 через переключатель 14 работа/контроль подается сигнал разрешения считывания информации с датчиков на управляющий вход многоканального блока 15 памяти и управляющий вход многоканального блока 16 памяти. Если все датчики 1 8 или часть из них аналоговые, то они соединены со входами блока 15. Последний при подаче на его управляющий вход разрешающего сигнала производит одновременно для всех входных аналоговых каналов выборку и запоминание значений напряжений входных аналоговых сигналов до момента поступления нового разрешающего сигнала на указанный управляющий вход. Запомненные значения напряжений входных аналоговых сигналов транслируются без изменения по многоканальным аналоговым выходам на входы коммутатора 17 аналоговых сигналов для подключения выборочных значений аналоговых сигналов с выходом датчиков на вход аналого-цифрового преобразователя 18. Последний преобразует аналоговые сигналы в параллельный цифровой код, который подается на коммутатор 9 цифровых сигналов. Если все датчики 2 8 или часть из них выполнены на фотоэлектрических или электромагнитных преобразователях перемещений, то их выходы соединены со входами многоканального блока 16 памяти цифровых сигналов. При поступлении на управляющий вход этого блока памяти сигнала разрешения считывания информации от переключателя 14 работа/контроль сигналы выходов датчиков одновременно преобразуются в параллельный цифровой код, который по многоканальным выходам блока 16 памяти подается на входы коммутатора 9 цифровых сигналов. Последний поступившие параллельные цифровые коды с блока 16 памяти и с аналого-цифрового преобразователя 9, а также сигнал от счетчика 13 мерных отрезков преобразует в последовательный цифровой код, который по линии связи 10 подается на вход вычислительного блока 11, а после обработки в этом блоке на регистрирующий блок 12. Управляющие импульсные последовательности формируются распределителем импульсов 19, от которого сигналы поступают на переключатель 14 работа/контроль, на управляющий вход коммутатора 17 и управляющий вход коммутатора 9 цифровых сигналов. Распределитель 19 импульсов срабатывает при поступлении на него сигналов от тактового генератора 20, соединенного с входом счетчика 13 мерных отрезков. Поскольку импульсы разрешения считывания сигналов с выхода датчиков формируются в счетчике 13 только в момент изменения значения пройденного пути при срабатывании формирователя 1 импульса начала мерного отрезка, то в неподвижном состоянии транспортного средства импульсы разрешения считывания, подаваемые в движении на управляющий вход 15 блока, не формируются и информация в этом блоке не фиксируется. Для устранения этого в устройство введен переключатель 14 работа/контроль, обеспечивающий подачу импульсной последовательности с выхода распределителя 19 импульсов на управляющий вход блока 15 вместо импульсов разрешения с выхода счетчика 13. В результате блок 15 считывает информацию с выхода датчика 2 8. Таким же образом переключатель 14 работа/контроль обеспечивает функционирование устройства при включении в работу блока 16. Этот режим может использоваться для проведения калибровки считываемых параметров, например для коррекции определенной ширины колеи рельсового пути или для коррекции исходных угловых координат в начальной точке отсчета, а также для оценки работоспособности устройства.

Пространственные характеристики на основе информации от датчиков рельсового пути определяются следующим образом (фиг. 2) На фиг. 2:
β_i (1,0 1,2) угол отклонения пути в продольном профиле (тангаж), считываемый с гировертикали в каждой отсчетной точке;
L_б длина базы измерительного устройства;
1 м мерный отрезок пути, определяемый датчиком пройденного пути, в частном случае 1 м равен длине окружности колеса;
Z_i (1,0 1,2) вертикальная координата отсчетной точки;
X_i (1 0, 1, 2) горизонтальная координата отсчетной точки.

Следует отметить, что счетчик 13 мерных отрезков обеспечивает получение данных о длине пройденного участка пути и привязку к ней данных других датчиков. Его показания связаны с угловым положением одного из колес транспортной платформы, используемого в качестве измерительного. В вычислительном блоке 11 обеспечивается подсчет числа мерных отрезков, в частном случае оборотов измерительного колеса, при движении транспортного средства. Длина пройденного пути определяется как
L dJ•n
где L длина пути, пройденного транспортным средством,
n количество мерных отрезков (оборотов измерительного колеса);
dJ длина мерного отрезка (окружности измерительного колеса).

Описание пространственных характеристик рельсового пути базируется на методе линейно-кусочной апроксимации пространственной кривой.

В соответствии с фиг. 2 вертикальная координата отсчетной точки равна:

Горизонтальная координата отсчетной точки равна:

Относительный уклон в отсчетной точке равен
U_i=X_i/Z_i. (3)
Отклонения рельсового пути от первоначального направления в горизонтальной (азимутальной) плоскости в каждой отсчетной точке равно:

где Y_i отклонение проекции на горизонтальную плоскость отсчетной точки от первоначального направления рельсового пути в горизонтальной плоскости;
Φ_i угловое отклонение измерительного устройства в горизонтальной плоскости от первоначального направления, считываемое с азимутального гироскопа в каждой отсчетной точке.

Ширина колеи в отсчетной точке равна:
1k_i= k_o•(Ng)+αk_o (5)
где N_g показания датчика ширины колеи в отсчетной точке;
k₀ коэффициент пропорциональности;
αk_o исходная константа, имеющая размерность длины.

Превышение левого и правого рельса над линией, проходящей по середине рельсового пути, координаты которой описаны уравнениями (1), (2), (4) характеризуется следующими уравнениями:

где h_лi превышение левого рельса в отсчетной точке;
h_пi превышение правого рельса в отсчетной точке;
1k_i ширина колеи в отсчетной точке;
γ_i угол наклона, считываемый с гировертикали в отсчетной точке.

Формулы (1) (4) охватывают общий случай кусочно-линейной апроксимации траектории при 1 м<>L_б. Для частичного случая, когда 1 м L_б вышеуказанные формулы приобретают следующий вид:


Следует отметить, что в качестве датчика ширины колеи может быть использовано механическое устройство, преобразующее с помощью системы рычагов расстояние между рельсами в угол поворота измерительного потенциометра, или ультразвуковой эхо-импульсный дальномер. Принцип действия такого датчика основан на измерении времени задержки принимаемого эхо-импульса при изменении расстояния до отражающей плоскости. В качестве гироскопических датчиков могут использоваться известные, применяемые в системах ориентации летательных аппаратов. Выходящая из вычислительного блока 11 информация поступает на регистрирующий блок 12. Здесь итоговая информация может быть представлена на экран дисплея в виде графиков или таблиц данных, которые при необходимости переносятся на бумажный носитель информации. Питание всех элементов устройства может осуществляться как от стационарной сети, так и от автоматического блока питания.

Использование: устройство относится к области систем для измерения положения рельсового пути или его отклонения от проектного. Сущность изобретения: устройство содержит смонтированные на транспортном средстве формирователь 1 импульса начала мерного отрезка пути, датчик 2 положения пути в плане, датчик 3 положения пути в продольном профиле, датчик 4 положения пути в поперечном профиле, датчик 5 ширины колеи. Выходы всех указанных датчиков связаны с коммутатором 9 цифровых сигналов, выход которого линией связи 10 соединен с вычисленным блоком 11 для подачи на его вход последовательного кода сигналов. Выход этого блока подключен к регистрирующему блоку 12. Выход формирователя 1 импульса начала мерного отрезка пути соединен с входом счетчика 13 мерных отрезков. Формирователь 1 и счетчик 13 образуют датчик пройденного пути. Счетчик 13 мерных отрезков соединен одним выходом с коммутатором 9 цифровых сигналов для подачи на него параллельного цифрового кода, соответствующего измеренному значению пройденного пути. Второй выход счетчика 13 мерных отрезков соединен с входом переключателя 14 работа/контроль, выход которого соединен с управляющим входом многоканального блока 15 памяти сигналов датчиков аналогового типа, которые своими выходами подключены к входам этого блока, и соединен с управляющим входом блока 16 памяти, который выполнен в виде многоканального преобразователя угол-код, к которому подключены своими выходами указанные датчики, выполненные на фотоэлектрических или электромагнитных преобразователях перемещений. Выход блока 16 соединен со входом коммутатора 9 цифровых сигналов для передачи на него параллельного цифрового кода. Блок 15 памяти своими многоканальными аналоговыми выходами подключен к входам коммутатора 17 аналоговых сигналов, выполненного с управляющим входом и соединенного выходом с аналого-цифровым преобразователем 18 для поочередной передачи на него выборочных значений аналоговых сигналов. Выходы аналого-цифрового преобразователя 18 соединены с входами коммутатора 9 цифровых сигналов. Устройство включает также распределитель 19 импульсов и тактовый генератор 20, соединенный своим выходом с этим распределителем, входами преобразователя 16 угол-код, счетчика 13 мерных отрезков пути и аналого-цифрового преобразователя 18. Распределитель 19 импульсов и тактовый генератор 20 образуют блок управления. Распределитель 19 импульсов своими выходами соединен с входом переключателя 14 работа/контроль, с управляющим входом коммутатора 9 цифровых сигналов. Устройство может также включать датчик 6 глубины погружения - для определения положения рельсового пути под водой и датчики 7, 8, соответственно, целостности левого и правого рельса, подключенные аналогично указанным. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения положения рельсового пути, содержащее смонтированные на транспортном средстве датчик пройденного пути, датчик положения пути в плане и датчик положения пути в продольном профиле, подключенные к регистрирующему блоку, отличающееся тем, что оно снабжено датчиком положения пути в поперечном профиле, датчиком ширины колеи, выполненным многоканальным блоком памяти с одним управляющим входом, переключателем работа/контроль, коммутатором цифровых сигналов с управляющим входом, вычислительным блоком и блоком управления, при этом выходы датчиков ширины колеи, положения пути в плане, продольном профиле и поперечном профиле подключены к входам блока памяти, выходы датчика пройденного пути и блока управления соединены с управляющим входом блока памяти через переключатель работа /контроль, управляющий вход указанного коммутатора соединен с блоком управления, а выход этого коммутатора через вычислительный блок соединен с регистрирующим блоком. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено коммутатором аналоговых сигналов и аналого-цифровым преобразователем, а выходы блока памяти, выполненного для аналоговых сигналов, через коммутатор аналоговых сигналов и аналого-цифровой преобразователь соединены с коммутатором цифровых сигналов. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный блок памяти выполнен в виде многоканального преобразователя угол код. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено датчиком глубины погружения, подключенным к одному из входов указанного блока памяти. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено датчиками целостности левого и правого рельсов пути, подключенными к соответствующим входам указанного блока памяти.