СПОСОБ КОРРЕКЦИИ ДАТЧИКА ПРОЙДЕННОЙ ДИСТАНЦИИ Российский патент 2004 года по МПК G01C22/00 E01B35/00 

Использование: при контроле и прогнозе состояния железнодорожного пути. Сущность изобретения: способ заключается в том, что измеряют изменения географических координат и скорости объекта в процессе движения при помощи спутниковой навигационной системы, а также при помощи системы навигации и ориентации и одометра. На основе полученной информации, используя цифровой фильтр, передаточная функция которого меняется в зависимости от характера и формы траектории движения объекта, производится интегрирование (комплексирование) этих систем. В результате получают уточненные оценки погрешности одометра, по которым корректируют номинальное значение его шага.

Изобретение относится к контролю состояния железнодорожного пути. Известен способ коррекции одометра по изменениям географических координат [1, 2], вырабатываемым по показаниям спутниковой навигационной системы (СНС). При этом в качестве системы измерения углового положения рельсового пути относительно горизонта и курсового угла используется бесплатформенная инерциальная навигационная система и система датчиков положения (СДП) кузова вагона относительно рельсового пути.

На каждом i-м шаге (при выработке одометром сигнала) определяют приращения географических координат с учетом углов тангажа ψ_i и курса К_i рельсового пути

где l - цена одного деления одометра. Далее разбивают на интервалы, каждый из которых содержит по n показаний одометра. Величину интервала (n) выбирают по какому-либо критерию. В частности, поскольку сигналы одометра обычно поступают чаще сигналов СНС, n может быть количеством импульсов одометра, поступивших на интервале между соседними сигналами СНС. Суммарное приращение географических координат на k-м интервале находят в результате суммирования:

СНС вырабатывает сферические географические координаты: ϕ - геодезическую широту (угол между плоскостью экватора и нормалью к поверхности сфероида), λ - геодезическую долготу и высоту h над уровнем океана (рефференц-эллипсоидом). Связь между геоцентрическими координатами и вырабатываемыми СНС координатами ϕ, λ и h определяется соотношениями:

где е - эксцентриситет эллипсоида, а и b - полуоси эллипсоида (для эллипсоида Хайфорда а=6378388 м; b=6356909 м).

Приращения геоцентрических координат по показаниям СНС на k-м интервале, соответствующие вычисленным с помощью формул (1), определяются с учетом (3) как

Их преобразуют в приращения географических координат:

где A(ϕ_k-1, λ_k-1) - матрица перехода из геоцентрической системы координат в географическую топоцентрическую.

Ошибки δξ, δη, δζ измерения приращения координат одометром формируются в соответствии с выражением (1). Их составляющими являются систематические dl_s и случайные dl_r погрешности одометра, а также систематические и случайные погрешности dψ_s, dψ_r, dK_s и dK_r измерений углов тангажа и курса рельсового пути. Эти углы вырабатываются измерительным комплексом вагона, в состав которого входит БИНС. Погрешности δξ, δη и δζ могут быть выражены через параметры состояния варьированием соотношений (1). Проводя линеаризацию с учетом малости погрешностей и отбрасывая малые второго порядка, содержащие произведения погрешностей, получают

где обозначено dl=dl_s+dl_r, dK=dK_s+dK_r.

Таким образом, для оценки погрешности одометра, вектор состояния фильтра (например, оптимального фильтра Калмана (ОФК)) системы представляют в виде

где dξ’, dη’, dζ’ - погрешности определения приращений географических координат по данным СНС; введены в вектор состояния Х, т.к. dξ’, dη’, dζ’ описываются дифференциальными уравнениями 2-го порядка.

С учетом (5) уравнение измерений, в качестве которых могут быть разности приращений географических координат, определяемых по показаниям одометра и СНС, принимает вид

где матрица измерений

Далее вырабатывают оценки систематической dl_s и случайной dl_r погрешности одометра, которые используют для коррекции.

Известен способ коррекции одометра по изменениям географических координат, вырабатываемым по показаниям спутниковой навигационной системы (СНС). При этом в качестве системы измерения углового положения рельсового пути относительно горизонта и курсового угла используется аналитическая гировертикаль усеченного состава (АГВУС) [3] и СДП кузова вагона относительно рельсового пути.

На основе измерений приращений координат по показаниям СНС Δξ’_k, Δη’_k, Δζ’_k (4) оценивают изменения курсового угла рельсового пути и изменения абсолютной величины проекции вектора перемещения измерительной тележки на плоскость горизонта L’_k за итерацию

Затем определяют приращение горизонтальной составляющей пути, которая в случае движения по криволинейному участку имеет форму дуги, у которой L’_k является стягивающей хордой

По показаниям одометра, АГВУС и СДП получают оценку изменения курсового угла ΔK_k и приращение горизонтальной составляющей пути

где i - номер импульса одометра в течение итерации; V_i - скорость движения по показаниям одометра; b_i - центростремительное ускорение; n - количество импульсов одометра, поступивших за итерацию; ψ_Пi - текущее значение угла продольного уклона рельсового пути, вырабатываемого по показаниям АГВУС (ψ_i) и СДП, определяющей угол отклонения тележки относительно кузова вагона в его диаметральной плоскости (ψ_дпi)

В качестве элементов вектора измерений ОФК выступают разности:

1) оценок изменений курсовых углов ΔK_k (10) и ΔК’_k (8);

2) проекций вектора перемещений на ось Оζ ГСК Δζ_k (2) и Δζ’_k (4);

3) приращений горизонтальных составляющих пути (10) и (9)

Вектор состояния в этом случае будет иметь следующий вид

где dL_од - погрешность определения пройденной дистанции по показаниям одометра; dW_x, dW_y, dW_z - погрешности в показаниях акселерометров, входящих в состав АГВУС; dl_ДП1, dl_ДП2, dl_ДП3 dl_ДП4 - погрешности в показаниях датчиков положения СДП; dξ’_r, dη’_r, dζ’_r - погрешности определения изменений координат кузова вагона в ГСК по показаниям СНС; j=s, r (s - систематическая составляющая погрешности; r - случайная).

Получая путем варьирования выражений (12), определяющих зависимости интегрируемых параметров от погрешностей чувствительных элементов (13), записывают матрицу измерений Н

где ненулевые элементы определяются выражениями

при

L_одk - величина приращения пройденного пути по показаниям одометра за k-тую итерацию; средние значения ускорений по показаниям акселерометров и уклона рельсового пути (5.16) на k-той итерации;

T_k - время, характеризующее длительность k-той итерации.

Затем проводят коррекцию показаний одометра

Известен способ коррекции одометра [2] по скорости движения. При этом производится интегрирование (комплексирование) по скорости движения объекта, полученной по показаниям одометра и бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС), интегрированной со спутниковой навигационной системой.

Расхождение углов тангажа тележки и кузова и угла наклона пути обусловлено, в основном, продольными неровностями пути и колебаниями кузова на рессорах. Учитывая большую базу кузова (более 10 м) и сравнительно небольшую величину неровностей, можно считать средние значения этих углов одинаковыми. Если проводить оценки по двум составляющим скорости - вертикальной V_Hод и горизонтальной V_Год, разность курсовых углов (при прохождении кривой достигает величины ΔK) при переходе к коррекции по скоростям исключается из рассмотрения. В этом случае по показаниям одометра определяются

где угол ψ вырабатывается ИНС. Варьируя выражения (15), получаем уравнения погрешностей в виде

При интегрировании одометра и БИНС по скоростям вектор параметров составляют, исходя из уравнений погрешностей (16), следующим образом

где δV_ИНСГ и δ _VИНСН - горизонтальная и вертикальная составляющие погрешности скорости, вырабатываемой БИНС.

Матрица измерений в этом случае принимает вид

и приращения пути рассчитываются в соответствии с формулой.

Сравнивая значения компонент скоростей, выработанных одометром с соответствующими показаниями БИНС V_H и , получим оценки и (10). Тогда скорректированное значение приращения пути определяют в соответствии с соотношением

Недостатком вышеизложенных способов является сравнительно низкая точность, зависящая от режима движения объекта.

Задачей изобретения является разработка универсального способа коррекции датчика пути, погрешность которого не зависит от режима и условий движения объекта.

Для решения поставленной задачи в способе коррекции датчика пройденной дистанции реализуется идентификация коэффициентов его модели погрешности.

Модель погрешностей одометра, т.е. определения пройденной дистанции δS, представляют в виде

где δS₀ - ошибка начальной выставки; m≈0,0005...0,005 - коэффициент проскальзывания; m₁, m₂ и m₃ - коэффициенты зависимости погрешности от скорости, ускорения и движения по криволинейным участкам пути, радиуса R; V_ОД - скорость движения по показаниям одометра; m* - коэффициент, характеризующий отличие величины проскальзывания, обусловленное положением измерительной колесной пары при движении; δS_c - ошибка из-за неровности пути и колебаний вагона в колее, ν_од - случайная инструментальная погрешность.

Идентификация коэффициентов модели (19) реализуется на основе экстремально-корреляционного метода [4]. В качестве анализируемых параметров используются результаты измерения курсового угла при проезде одноколейного участка железнодорожного пути "туда" и "обратно". При этом используются реперные точки криволинейных участков пути.

В результате оцениваются величины несовпадения путевых координат точек пути двух проездов

где k - номер криволинейного участка; K_1,2 - величина курсового угла анализируемого участка пути при проездах "туда" и "обратно"; S - путевая координата; Δ - приращение путевой координаты, на котором оценивается величина J_k.

Сопоставительный анализ величины изменения J с характеристиками движения (скоростью, ускорением) и величиной кривизны пути в плане позволяет определить коэффициенты модели (19). Для путеизмерительного вагона ЦНИИ-4 они имеют следующие величины: m=0,0005; m₁=0,000025 с/м; m₂=0.065 с²/м; m₃=175 м; m*=0,03.

Таким образом, предложенный способ позволяет идентифицировать модель погрешности датчика проеденного пути, которая используется для коррекции его показаний, а также может быть задействована при демпфировании шулеровских колебаний по схеме, аналогичной схеме демпфирования ИНС по скорости от лага.

Источники информации

1. Инерциальные методы и средства определения параметров движения объектов: Учебное пособие по курсам “Проектирование и конструирование устройств АСНУ” и “Инерциальные системы навигации и управления” /В.И.Гупалов, А.В.Мочалов, А.М.Боронахин; СПбГЭТУ. СПб., 2000 г., 84.

2. А.М.Боронахин, А.В.Мочалов, М.Рехель, И.Шмайстер. Исследование интегрированной системы навигации на рельсовом пути.//Сборник статей и докладов “Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации”. - СПб.: ГНЦ РФ-ЦНИИ “Электроприбор”, 2001, с.181-197.

3. Боронахин А.М., Гупалов В.И., Мочалов А.В. Интегрированная система навигации на рельсовом пути на базе аналитической гировертикали усеченного состава// Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ", №1, 2002, с.10-13.

4. Тупысев В.А., И.Б.Вайгант. Выявление деформаций железнодорожного пути с использованием измерений вариаций трассы// Матер. II С.-Петербургской междун. конф. по гироскопич. техн. и навиг. - СПб., 1995, Ч.1. - С.195.

Изобретение относится к области контроля и прогнозирования состояния железнодорожного пути. На основе цифровой фильтрации производят интегрирование изменений географических координат и скорости объекта, полученных при обработке информации, поступающей из канала спутниковой навигационной системы и каналов системы навигации и ориентации и одометра. Далее получают уточненные оценки погрешности одометра, по которым корректируют номинальное значение его шага. В зависимости от режима движения объекта меняют передаточную функцию цифрового фильтра в соответствии с моделью погрешности датчика пройденной дистанции. Изобретение обеспечивает коррекцию датчика пути, погрешность которого оказывается не зависящей от режима и условий движения объекта. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ коррекции датчика пройденной дистанции, заключающийся в том, что на основе цифровой фильтрации производят интегрирование изменений географических координат и скорости объекта, полученных при обработке информации, поступающей из канала спутниковой навигационной системы и каналов системы навигации и ориентации и одометра, далее получают уточненные оценки погрешности одометра, по которым корректируют номинальное значение его шага, отличающийся тем, что в зависимости от режима движения объекта меняют передаточную функцию цифрового фильтра в соответствии с моделью погрешности датчика пройденной дистанции

где δS₀ - ошибка начальной выставки;

m≈0,0005÷0,005 - коэффициент проскальзывания;

l - цена деления одометра;

m₁, m₂ и m₃ - коэффициенты зависимости погрешности от скорости, ускорения и движения по криволинейным участкам пути, радиуса R;

V_ОД - скорость движения по показаниям одометра;

m* - коэффициент, характеризующий отличие величины проскальзывания, обусловленное положением измерительной колесной пары при движении;

δS_C - ошибка из-за неровности пути и колебаний вагона в колее;

ν_ОД - случайная инструментальная погрешность.