СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ПОСРЕДСТВОМ ГИРОСКОПИЧЕСКОЙ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01C7/04 

Техническое решение относится к области гироскопической техники и может быть использовано для исследования рельефа поверхности с использованием гироскопической инерциальной системы измерения пространственного положения (ГИСИПП), построенной на базе гидродинамических гироскопов.

Прототипом для данного технического решения выбран способ исследования рельефа поверхности, в котором используются гироскопы, устанавливаемые на подвижную платформу (а.с. 649950, G 01 7/04, 1979), в котором жестко закрепляют измерительный комплекс, содержащий два гироскопа и устройство регистрации сигналов на основании, перемещающемся вдоль исследуемого рельефа поверхности, и регистрируют сигналы с измерительного комплекса, по которым судят об изменении рельефа поверхности.

Недостаток прототипа - отсутствие рекомендаций и соответствующих операций, позволяющих провести контроль рельефа поверхности (железных и автомобильных) дорог вдоль направления перемещения основания, с установленном на нем ГИСИПП, включающей виброударостойкие гидродинамические гироскопы. Как правило, известные гироскопы /2/ могут применяться в большинстве случаях в комфортных условиях.

Задача технического решения - проведение неразрушающего контроля изменений рельефа поверхности /железных или автомобильных дорог/ вдоль направления перемещения основания с использованием ГИСИПП и во времени.

Задача решается так, что способ исследования рельефа поверхности посредством гироскопической инерциальной системы измерения пространственного положения, в котором жестко закрепляют измерительный комплекс, содержащий два гироскопа и устройство регистрации сигналов на основании, перемещающемся вдоль исследуемого рельефа поверхности, и регистрируют сигналы с измерительного комплекса, по которым судят об изменении рельефа поверхности, имеет особенность такую, что в качестве гироскопов используются гидродинамические гироскопы, один из которых имеет аксиальное смещение центра масс, перед закреплением измерительного комплекса на перемещающемся основании заполняют радиальный зазор гидродинамического подвеса жидкостью частично в каждом гироскопе, обеспечивают при этом нейтральную аксиальную плавучесть чувствительного элемента, осуществляют собственное вращение гидродинамических подвесов, жестко закрепляют измерительный комплекс, содержащий первый и второй гидродинамический гироскопы на основании, перемещающемся вдоль исследуемого рельефа поверхности, при установке на основании ориентируют оси собственного вращения гироскопов вертикально, направляют ось чувствительности второго гидродинамического гироскопа с аксиальным смещением центра масс в направлении движения основания, а вторую ось чувствительности этого гироскопа - перпендикулярно направлению движения основания, оси чувствительности первого гироскопа направляют параллельно осям чувствительности второго гидродинамического гироскопа, устанавливают на платформе таймер текущего времени и измеритель скорости перемещения основания, перед проведением исследования рельефа поверхности осуществляют калибровку измерительной системы, при проведении исследования рельефа поверхности центрируют чувствительные элементы гидродинамических гироскопов и перемещают измерительный комплекс вдоль исследуемого направления, регистрируют при этом сигналы углового и поступательного движения основания и соответствующие им сигналам скорость и текущее время перемещения основания, сравнивают зарегистрированные сигналы с совокупностью сигналов, полученных при калибровке комплекса вдоль направления движения основания, повторяют измерения заданное количество раз и сравнивают предыдущие и последующие измерения, по которым судят об изменении рельефа поверхности как вдоль направления перемещения основания так и во времени.

При калибровке измерительного комплекса исследуют участок рельефа известным способом, центрируют чувствительные элементы гидродинамических гироскопов и контролируют этот же участок рельефа поверхности с использованием измерительного комплекса с двумя гидродинамическими гироскопами, формируют совокупность характерных изменений сигнала измерительного комплекса и соответствующих им изменений рельефа поверхности.

Для центрирования чувствительных элементов гидродинамических гироскопов так, что разгоняют подвес поплавков до угловой скорости, большей номинальной, и осуществляют его интенсивное торможение до номинальной угловой скорости собственного вращения, затем осуществляют периодическое центрирование чувствительных элементов гироскопов с интервалом времени Т=Δ Кр/Δmg, где односторонний осевой зазор между элементами центрирующего устройства; Кр, Δm, g - коэффициент инерционного гидродинамического демпфирования осевых движений поплавка, его плавучесть и ускорение силы тяжести соответственно.

По изменению угла тангажа оценивают «волнообразность» рельефа в направлении движения основания, а по изменению угла крена - возвышение одной половины основания над другой, по изменению ускорения, перпендикулярного направлению движения основания, оценивают отклонения рельефа перпендикулярные направлению движения основания, при этом для оценки амплитуды «волнистости» рельефа в направлении движения основания устанавливают измеритель ускорения с вертикальной осью чувствительности.

Новизна. Исследование рельефа поверхности посредством измерительного комплекса, построенного на базе гидродинамических гироскопов, один из которых имеет аксиальное смещение центра масс чувствительного элемента. В «изобретательский уровень» решения отнести определенную привязку осей чувствительности гироскопов к основанию, жесткое крепление их к основанию, осуществление регистрации угловых и поступательных движений в зависимости от фактических отклонений рельефа поверхности от номинальных их значений в режиме бескарданной инерциальной системы измерений рельефа поверхности в направлении перемещения основания. Кроме того предложено осуществлять многократный контроль одних и тех же участков рельефов поверхностей посредством одинаковых измерительных комплексов. На основе сравнительного анализа последующих и предыдущих записей сигналов с гироскопов предложено осуществлять суждение об изменении во времени исследуемого рельефа поверхности. Конечно же главным отличительным достоинством ГИСИПП является возможность ее крепления жестко на движущемся основании. Такая возможность обусловлена известной областью применения гидродинамических подвесов поплавков на динамичных основаниях, формирующих широкий спектр вибрационных и ударных нагрузок. Впервые проведено соответствие сигналов с измерительного комплекса и характерных изменений рельефа поверхности и движения основания (см. фиг.2). Впервые предложено применение гидродинамического гироскопа с вертикальной осью собственного вращения в течение значительных по величине интервалов времени с использованием периодического центрирования поплавков гироскопов перед и в процессе проведения измерений. Фиг.1. Функциональная схема ГИСИПП, показана привязка осей гироскопов к основанию перемещающемуся в направлении ГДГ1, ГДГ2 - первый 1 и второй 2 гидродинамические гироскопы, X,Y,Z - оси, связанные с основанием, Х2, У2, Z2 - оси, связанные с поплавком ГДГ2, X1, У1, Z1 - оси, связанные с поплавком, Н1, Н2 - кинетические моменты ГДГ1, ГДГ2, α, β - углы крена и тангажа основания; , - углы отклонения чувствительных элементов (поплавков) первого и второго гидродинамических гироскопов; И И И И - выходные сигналы ГДГ1 и ГДГ2; И1, И2, И3, И4, И5 - выходные сигналы гироскопической инерциальной системы измерения пространственного положения (ГИСИПП) и поплавкового маятникового акселерометра 3 (ПМА), отмеченного на фиг.1 пунктиром; блок преобразования информации 4 (БПИ) - вычислительное устройство разделения сигналов об угловых и поступательных движениях основания; g - ускорение силы тяжести. Фиг.2 - зависимости выходных сигналов ГИСИПП от времени; А1, А2 - соответствуют выходному сигналу И3 (А1 - продольные колебания основания по тангажу, А2 - соответствует спускам и подъемам в направлении движения основания Х); Б1, Б2 - соответствуют выходному сигналу И4 (периодические отклонения основания по крену от вертикали; Б1, Б2 - наклоны по крену основания от вертикали); В1, В2 - соответствуют выходному сигналу И1 (В1 - поперечные колебания основания, В2 - повороты основания в плоскости горизонта); Г - колебания вдоль вертикали, измеряемые, например, поплавковым маятниковым акселерометром 3 ПМА. Обоснование решения. Предложенный способ исследования рельефа поверхности с использованием гироскопической инерциальной системы измерения пространственного положения, т.е. качества железнодорожного полотна или автомобильных дорог. Основная идея решения: по угловым и поступательным движениям основания, которые являются следствием его перемещения вдоль контролируемого рельефа от номинальных (допустимых) их значений. Речь идет об оценке продольных и поперечных отклонений основания при его движении вдоль исследуемого направления. Задача решается с применением измерительного комплекса, построенного на базе пары гироскопов со сферическим гидродинамическим подвесом чувствительных элементов (сферических поплавков). За счет вибрационной и ударной прочности подвеса поплавка гидродинамического типа стала возможной установка приборов непосредственно на движущееся основание или даже на колесную пару, что является определяющим элементом предложенного способа. При движении колесной пары по изменяющемуся рельефу с различного типа «неровностями» как в горизонтальной, так и вертикальной плоскости будут иметь место колебания ее по закону, обусловленному различными изменениями рельефа, которые возникли (появились) до данного проводимого исследования. Неоднократный контроль позволяет вывить изменения рельефа во времени. При этом предлагается осуществлять контроль рельефа на всем исследуемом участке посредством записи сигналов с ГИСИПП, скорости перемещения основания и текущего времени движения основания. Это позволит с высокой точностью определить характер отклонения и место (координату) его расположения на контролируемом участке рельефа. Периодический контроль одного и того же участка позволит выявить изменения отклонений рельефа во времени.

Далее рассмотрим некоторые характерные изменения рельефа поверхности (на примере железнодорожного полотна) и соответствующие им сигналы с ГИСИПП. (Фиг.2) А1 - возвратно-поступательные движения колесных пар в вертикальной плоскости приводит к продольным колебаниям основания по тангажу β, которые фиксируются первым ГДГ1, который формирует выходной сигнал И А2 - сигналы, соответствующие отклонению основания и рельефа поверхности в течение длительных промежутков времени, что соответствует спускам и подъемам в направлении движения основания; «Волнообразность» - А1, Б1 - угловые движения основания вокруг продольной оси по крену, обусловленные превышением левой половины основания относительно правой и наоборот, что соответствует периодическим отклонениям плоскости основания от горизонтальной плоскости; эти отклонения фиксируются обеими гироскопами, а ГДГ1 формирует сигнал И ГДГ2 формирует сигнал И Б2 - движение основания, наклоненного к плоскости горизонта под углом α, Б1 - сигнал с ГИСИПП, который соответствует «проседанию» одного рельса или повышенному износу одного рельса относительно другого. Смена фазы выходного сигнала характеризует соответствующий износ другого рельса относительно первого. Периодические сигналы с ГИСИПП - И4 будут характеризовать «негоризонтальность» плоскости, проходящей через внешние поверхности рельсов. Формирование сигналов с ГИСИПП И4 и последующее их затухание (Б2) укажет на то, что основание перемещается поперек наклонной плоскости.

В1 - характеризует наличие возвратно-поступательных движений поперек направления движения X, что соответствует периодическому отклонению основания по рысканью Х («зигзагообразность»). При поворотах основания характер выходных сигналов И1 изменится и будет соответствовать, представленному на чертеже В2; на участке T1-T2 имеет место поворот основания с угловой скоростью, близкой к постоянной, что соответствует действию на гироскоп центробежного ускорения; участок Т2-Т3 соответствует последующему прямолинейному движению без отклонений основания по рысканью. Г - характеризует колебания основания в вертикальной плоскости за счет «волнистости» рельефа в направлении движения основания X, фиксируемые, например, измерителем ускорения (типа ПМА) в направлении оси Z. Таким образом комплекс дефектов железнодорожного полотна (исследуемого рельефа поверхности) может быть разделен определенным образом на составляющие посредством специфической ГИСИПП и указано место их расположения. Для определения этого места и введен таймер и измеритель скорости перемещения основания в исследуемом направлении. При этом одновременно с сигналами ГИСИПП предложено осуществлять измерение скорости и текущего времени движения основания в исследуемом направлении. Кроме того ГИСИПП формирует сигнал И2, который на фиг.2 не показан, фиксирующий изменение скорости перемещения основания в направлении X, т.к. И2 пропорционален ускорению в исследуемом направлении. Для более высокоточной оценки изменений рельефа поверхности в рамках данного технического решения предложено осуществить калибровку измерительной системы ГИСИПП. Для этого необходимо проехать по известным характерным отклонениям рельефа от номинальных его значений и записать с использованием стандартных средств сигналы с ГИСИПП и в настоящее время применяемой системы. По результатам калибровки составляется «банк данных», т.е. совокупность сигналов с ГИСИПП и им соответствующих характерных отклонений контролируемого рельефа.

Реализуется «Способ исследования рельефа поверхности посредством гироскопической инерциальной системы измерения пространственного положения» следующим образом.

Заполняют радиальный зазор гидродинамического подвеса жидкостью частично в каждом из двух гидродинамических гироскопов. Обеспечивают при этом нейтральную аксиальную плавучесть чувствительных элементов (поплавков). Осуществляют собственное вращение гидродинамических подвесов поплавков в каждом из этих приборов. Кроме того, у одного из гироскопов осуществляют осевое смещение центра масс. Эти операции являются подготовительными перед установкой измерительного комплекса на основании.

Жестко закрепляют измерительный комплекс на основании, перемещающемся вдоль исследуемого рельефа поверхности. Измерительный комплекс включает пару гидродинамических гироскопов. Один из них является типовым (стандартным), т.е. таким каким он применяется по первоначальному своему назначению на динамичных основаниях, другой прибор имеет особенность такую, что поплавок имеет аксиальное смещение центра масс. На фиг.1 первый гироскоп помечен как ГДГ1, другой ГДГ2. Ориентируют оси собственного вращения ГДГ1 и ГДГ2 вертикально. Направляют ось чувствительности второго гидродинамического гироскопа ГДГ2 с аксиальным смещением центра масс в направлении Х движения основания. Вторую ось чувствительности У этого гироскопа направляют перпендикулярно направлению движения основания X. Оси чувствительности первого гироскопа ГДГ1 направляют параллельно осям чувствительности второго гидродинамического гироскопа ГДГ2. Устанавливают на платформе таймер текущего времени и измеритель скорости перемещения основания, а также устройство регистрации сигналов с измерительного комплекса.

Перед проведением исследования рельефа поверхности осуществляют калибровку измерительной системы. Проводят в рамках этой операции исследование участка рельефа с известными характерными отклонениями с использованием ранее применяемых способов, центрируют чувствительные элементы ГДГ1 и ГДГ2 и повторно контролируют этот же участок рельефа поверхности с использованием измерительного комплекса, построенного на базе ГИСИПП. Таким образом создают «банк данных» для последующего использования при сравнительном анализе записанных сигналов с ГИСИПП и из этого «банка данных».

Центрируют чувствительные элементы гидродинамических гироскопов так, что разгоняют подвес поплавков до угловой скорости, большей номинальной, и осуществляют его интенсивное торможение до номинальной угловой скорости собственного вращения, затем осуществляют периодическое центрирование чувствительных элементов гироскопов, интервал времени между центрированиями поплавков выбирают в соответствии с соотношением Т=Δ Кр/Δmg, которое отражает время перемещения центра поплавка вдоль одностороннего осевого зазора Δ между элементами центрирующего устройства. При этом перемещение поплавка происходит за счет не нулевой аксиальной плавучести Δm в поле силы тяжести g. Препятствует осевому движению сила аксиального гидродинамического демпфирования Кр Δ/Т с коэффициентом Кр /2/ стр.91.

Перемещают измерительный комплекс вдоль исследуемого направления, фиксируют при этом сигналы с каналов углового и поступательного движения основания и соответственно этим сигналам фиксируют скорость и текущее время перемещения основания.

Проводят сравнительный анализ записанных сигналов с известной совокупностью измерений рельефа поверхности, полученной при калибровке системы, вдоль направления движения основания.

Повторяют измерения заданное количество раз и сравнивают предыдущие и последующие измерения, по которым судят об изменении рельефа поверхности как вдоль направления перемещения основания, так и во времени.

Особенность регистрации сигналов с выхода каналов углового и поступательного движения состоит в том, что оценивают по изменению угла тангажа «волнообразность» рельефа в направлении движения основания (фиг.2 А1) или наличие спусков или подъемов (А2). По изменению угла крена оценивают - возвышение одной половины основания над другой, Б1 - периодические отклонения основания от вертикали; Б2 - отражает наличие наклонов основания по крену, обусловленной перемещением поперек наклонной плоскости. По изменению ускорения, перпендикулярного направлению движения основания Х, оценивают отклонения рельефа, перпендикулярные направлению его движения. Т.е. определяют «зигзагообразность» исследуемого рельефа - отклонения (периодические) основания по рысканью (В1). В случае, если характер изменения сигнала И1 не является периодическим (как В1), а соответствует эпюре В2, то заключают, что на этом участке Т1-Т2 зарегистрирован поворот основания с угловой скоростью, близкой к постоянной. Дополнительно для оценки амплитуды «волнистости» рельефа в направлении движения основания Х (фиг.2-Г) в ГИСИПП размещают измеритель ускорения с вертикальной ориентированной осью Z чувствительности. Такими приборами могут быть поплавковый маятниковый акселерометр (ПМА) (стр.105 /1// или поплавковый гидродинамический акселерометр (ПГДА). (стр.8, 115 /1//. Сигнал с этих приборов на фиг.2, 1 помечен как И5. Использование представленного технического решения позволяет осуществить исследование рельефа поверхности /автомобильный: и железных дорог/ вдоль направления перемещения основания с жестко закрепленным на нем измерительным комплексом на базе ГИСИПП и во времени. При этом ГИСИПП включает пару гидродинамических гироскопов, имеющих вибрационную и ударную стойкость к внешним воздействиям. Это в свою очередь решает задачу своевременного выявления отклонений рельефа от допустимых /номинальных/ значений, что в конечном счете определит безопасность движения по этому рельефу перемещающихся оснований /поездов и автомобилей/. Этот технический результат достигается посредством следующего технического эффекта.

Используют в измерительном комплексе ГИСИПП пару гидродинамических гироскопов, один из которых стандартный, а другой - со смещенным центром масс в осевом направлении. Определенным образом ориентируют их на движущемся основании и жестко крепят их к нему. Осуществляют калибровку измерительной системы так, что формируют совокупность сигналов с ГИСИПП в зависимости от характерных изменений рельефа исследуемой поверхности. Перемещают основание с измерительным комплексом вдоль контролируемого рельефа и фиксируют сигнал с него, а также скорость и текущее время движения основания. Повторяют измерения несколько раз и сравнивают последующие и предыдущие измерения; так выявляют изменения рельефа во времени. В результате находят динамику изменения рельефа вдоль направления движения основания и во времени, что позволяет выявить не допустимо значительные отклонения рельефа от номинальных его значений. Это даст возможность обеспечить безопасность перемещения вдоль контролируемого рельефа, движущихся объектов /в том числе поездов или автомобилей/.

Источники информации

1. А.С. № 649950, G 01 с 7/04, 1979.

2. Андрейченко К.П. Динамика поплавковых гироскопов и акселерометров. Москва, Машиностроение, 1987 (глава 6).

Изобретение предназначено для контроля железнодорожного полотна и автомобильных дорог вдоль направления перемещения основания с жестко закрепленным на нем измерительным комплексом, включающим два гидродинамических гироскопа и блок преобразования информации с этих приборов. Один из них стандартный, а другой с аксиальным смещением центра масс чувствительного элемента. Определенным образом ориентируют приборы на движущемся основании, осуществляют калибровку измерительной системы, формируя совокупность сигналов с измерительного комплекса в зависимости от характерных изменений рельефа исследуемой поверхности. Перемещают основание с измерительным комплексом вдоль контролируемого рельефа и фиксируют сигналы с него, а также скорость и текущее время движения основания. Повторяют измерения несколько раз и, сравнивая последующие и предыдущие измерения, выявляют изменения рельефа во времени. Техническим результатом является возможность определения динамики изменения рельефа вдоль направления движения основания и во времени. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ исследования рельефа поверхности посредством гироскопической инерциальной системы измерения пространственного положения, в котором жестко закрепляют измерительный комплекс, содержащий два гироскопа и устройство регистрации сигналов на основании, перемещающемся вдоль исследуемого рельефа поверхности, и регистрируют сигналы с измерительного комплекса, по которым судят об изменении рельефа поверхности, отличающийся тем, что в качестве гироскопов используются гидродинамические гироскопы, один из которых имеет аксиальное смещение центра масс, перед закреплением измерительного комплекса на перемещающемся основании заполняют радиальный зазор гидродинамического подвеса жидкостью частично в каждом гироскопе, обеспечивают при этом нейтральную аксиальную плавучесть чувствительного элемента, осуществляют собственное вращение гидродинамических подвесов, жестко закрепляют измерительный комплекс, содержащий первый и второй гидродинамический гироскопы на основании, перемещающемся вдоль исследуемого рельефа поверхности, при установке на основании ориентируют оси собственного вращения гироскопов вертикально, направляют одну ось чувствительности второго гидродинамического гироскопа с аксиальным смещением центра масс в направлении движения основания, а вторую ось чувствительности этого гироскопа - перпендикулярно направлению движения основания, оси чувствительности первого гироскопа направляют параллельно осям чувствительности второго гидродинамического гироскопа, устанавливают на платформе таймер текущего времени и измеритель скорости перемещения основания, перед проведением исследования рельефа поверхности осуществляют калибровку измерительной системы, при проведении исследования рельефа поверхности центрируют чувствительные элементы гидродинамических гироскопов и перемещают измерительный комплекс вдоль исследуемого направления, регистрируют при этом сигналы углового и поступательного движения основания и соответствующие им скорость и текущее время перемещения основания, сравнивают зарегистрированные сигналы с совокупностью сигналов, полученных при калибровке комплекса вдоль направления движения основания, повторяют измерения заданное количество раз и сравнивают предыдущие и последующие измерения, по которым судят об изменении рельефа поверхности как вдоль направления перемещения основания, так и во времени.2. Способ исследования рельефа поверхности посредством гироскопической инерциальной системы измерения пространственного положения по п.1, отличающийся тем, что при калибровке измерительного комплекса исследуют участок рельефа с известными характерными отклонениями известным способом, центрируют чувствительные элементы гидродинамических гироскопов и контролируют этот же участок рельефа поверхности с использованием измерительного комплекса с двумя гидродинамическими гироскопами, формируют совокупность характерных изменений сигнала измерительного комплекса и соответствующих им изменений рельефа поверхности.3. Способ исследования рельефа поверхности посредством гироскопической инерциальной системы измерения пространственного положения по п.1, отличающийся тем, что для центрирования чувствительных элементов гидродинамических гироскопов разгоняют подвес поплавков до угловой скорости большей номинальной и осуществляют его интенсивное торможение до номинальной угловой скорости собственного вращения, затем осуществляют периодическое центрирование чувствительных элементов гироскопов с интервалом времени Т=Δ Kp/(Δm)g, где Δ - односторонний осевой зазор между элементами центрирующего устройства; Кр, Δm, g - коэффициент инерционного гидродинамического демпфирования осевых движений поплавка, его плавучесть и ускорение силы тяжести, соответственно.4. Способ исследования рельефа поверхности посредством гироскопической инерциальной системы измерения пространственного положения по п.1, отличающийся тем, что по изменению угла тангажа оценивают волнообразность рельефа в направлении движения основания, а по изменению угла крена - возвышение одной половины основания над другой, по изменению ускорения перпендикулярного направлению движения основания оценивают отклонения рельефа, перпендикулярные направлению движения основания, при этом для оценки амплитуды волнистости рельефа в направлении движения основания устанавливают измеритель ускорения с вертикальной осью чувствительности.