Локомотивная система определения скорости движения и пройденного пути Российский патент 2023 года по МПК B61L25/02 G01S13/58 G01P3/64 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения пройденного пути и скорости движения магистральных и маневровых локомотивов с возможностью последующей передачи этих параметров в систему управления локомотивом.

Известны устройство для измерения линейной скорости локомотива (патенты RU №2282197 С1, 20.08.2006 [1], RU №2189599 С1, 20.09.2002 [2], RU №2378654 С1, 10.01.2010 [3], авторские свидетельства SU №977251 A, 30.11.1982 [4], SU №931515 А, 05.06.1982 [5], SU №457030 А. 11.03.1975 [6], патент GB 2093593 А, 02.09.1982 [7]).

Известное устройство для измерения линейной скорости локомотива [2]. содержит два идентичных регистратора, содержащих источники волнового излучения (например, ультразвукового), являющиеся передающими антеннами, и датчики интенсивности излучения, выполняющие функции приемных антенн. Устройство также содержит суммирующее устройство, пороговое устройство, таймер и делительное устройство, которые выполнены па основе микропроцессора.

Недостатком данного устройства является нестабильная работа устройства при различных экстремальных условиях его эксплуатации.

Также известно автономное бортовое устройство для определения положения и скорости рельсового экипажа (варианты)» (вариант с двумя регистраторами) [1], которое содержит два идентичных регистратора (приемно-излучающих устройства), установленные под днищем транспортного средства на расстоянии 0,2-0,5 м (база регистрации I.) один за другим в направлении движения. Регистратор состоит из блока управления, соединенного с передающей антенной, являющейся источником СВЧ излучения, и приемной антенны, являющейся приемником отраженного СВЧ излучения, соединенной со стробирующим усилителем.

При перемещении устройства над железнодорожным полотном регистраторы воспринимают сигналы, имеющие периодический характер, обусловленный расположением шпал в рельсошпальной решетке вдоль направления движения.

Программируемое микропроцессорное устройство фиксирует моменты времени, когда сигналы, принятые первым и вторым регистраторами, достигают своих максимумов. Момент t₁ фиксации максимума сигнала, принятого первым регистратором при прохождении очередной шпалы, отличается от момента t₂ фиксации максимума сигнала, принятого вторым регистратором при прохождении той же шпалы, на промежуток времени Δt, а именно t₂=t₁+Δt.

Скорость движения определяется как отношение длины базы регистрации L к указанному промежутку времени Δt.

Характер изменения информации при перемещении устройства (наличие максимума принятого сигнала при нахождении первого регистратора пал серединой очередной шпалы) позволяем определить количество пройденных шпал и тем самым определить положение па рельсовой колее. Недостатком данного устройства является:

1. Пониженная точность в определении скорости вследствие использования для определения параметра t только моментов фиксации максимумов отраженных от одной и той же шпалы сигналов, не используя «массу» оставшейся информации о подстилающей поверхности, содержащейся в отраженных сигналах.

2. Ненадежность метода подсчета шпал вследствие сбоев, обусловленных проездом над покрытыми сплошь слоем щебня участками пути, над стрелочными переводами, над сдвоенными шпалами, над посторонними предметами внутри колеи.

3. Необходимость в информации об эпюрах у кладки шпал на данном участке пути (2000 шпал/км. 1840 шпал/км и т.д.), в том числе и при работе в кривых.

4. Высокая вероятность пропуска очередного максимума сигнала вследствие уменьшения его амплитуды в силу различных причин (например, маскировки его в массе других сигналов от подстилающей поверхности).

5. Необходимость в повышенной мощности облучения для повышения устойчивости идентификации максимума сигнала с отраженным от очередной шпалы сигналом.

6. Невозможность автономного определения направления движения.

7. При заданном периоде определения значения скорости минимальная измеряемая скорость движения транспортного средства определяется и ограничивается минимальной базой регистрации, что препятствует работе устройства на пониженных скоростях.

Задачей также известной) устройства [3] является повышение точности измерения параметров движения и расширение функциональных возможностей.

При этом поставленная задача решается тем, что в локомотивной системе определения скорости движения и пройденного пути, содержащей приемно-излучающие устройства, каждое их которых включаем блок СВЧ излучателя с передающей антенной и блок приемника отраженного СВЧ излучения с приемной антенной и усилителем, и программируемый микропроцессор, согласно изобретению на локомотиве по ходу движения последовательно установлены три приемно-излучающие устройства, а программируемый микропроцессор включает два блока корреляционно-экстремальной обработки, два блока расчета текущей скорости, блок определения направления движения, блок селекции выходной скорости, блок ввода базовых значений и начальных условий и интегратор, при этом выход первого приемно-излучающего устройства соединен с первым входом каждого из двух блоков корреляционно-экстремальной обработки; выход второго приемно-излучающего устройства соединен со вторым входом первого блока корреляционно-экстремальной обработки, выход которого соединен с входом первого блока расчета текущей скорости, и его знаковый выход соединен с входом блока определения направления движения и со знаковым входом второго блока корреляционно-экстремальной обработки: выход третьего приемно-излучающего устройства соединен со вторым входом второго блока корреляционно-экстремальной обработки, выход которого соединен с входом второго блока расчета текущей скорости: выход первого блока расчета текущей скорости соединен с первым входом блока селекции выходной скорости и с входом ввода значения скорости второго блока корреляционно-экстремальной обработки; выход второго блока расчета текущей скорости соединен со вторым входом блока селекции выходной скорости, выход которого соединен с входом интегратора; первый выход блока ввода базовых значений и начальных условий соединен с входами ввода базового значения первого блока корреляционно-экстремальной обработки и первого блока расчета текущей скорости, а второй выход блока ввода базовых значений и начальных условий соединен с входами ввода базового значения второго блока корреляционно-экстремальной обработки и второго блока расчета текущей скорости: выход начала отсчета пройденного пути и поправок блока ввода базовых значений и начальных условий соединен с входом ввода начальных условий интегратора, причем выход блока селекции выходной скорости является выходом значения скорости локомотива, выход интегратора является выходом значения пройденного локомотивом пути, выход блока определения направления движения является выходом признака направления движения локомотива.

Существенным недостатком известного устройства [3], выбранного в качестве прототипа является то, что корреляционному методу измерения свойственна флюктуационная погрешность вызванная конечностью времени усреднения при вычислении взаимно-корреляционной функции. Для уменьшения которой необходимо увеличивать ширину луча и уменьшать длину волны излучения. Кроме того, вследствие неравномерного движения подвижного состава вследствие статических кренов и дифферентов возникают дополнительные погрешности измерения скорости подвижного состава. Наличие сноса, отклонения антенной системы от горизонтальной плоскости приводит к тому, что максимум корреляции наблюдается при смещении подвижного состава не на расчетное расстояние, закладываемое в вычислительное устройство, а на величину проекции этого расстояния па линию пути, то возникают дополнительные погрешности в измерении скорости подвижного состава. При движении подвижного состава со сносом и креном вектор скорости не совпадает с линией, соединяющей преобразователи антенной системы. При этом транспортное запаздывание имеет переменный характер, что приводит к дополнительным динамическим погрешностям в работе системы слежения. Несовпадение траекторий движения преобразователей, изменение их взаимного углового положения за время прохождения базового расстояния приводит к тому, что сигнал принятый вторым приемником, формируется участком грунта, не полностью совпадающим с отражающим участком грунта для первого приемника. Неперекрывающиеся участки грунта дают некоррелированные составляющие в сигналах приемников, на измерительную схему как добавочный шум. снижая максимальное значение коэффициента корреляции и расширяя корреляции и расширяя корреляционную кривую.

Кроме того, при эксплуатации подвижного состава при нарушении поперечной устойчивости происходит занос подвижного состава. При этом начинают скользить колеса одного из мостов переднего или заднего. При этом ведущие и тормозящие колеса менее устойчивы против заноса, лак как через них передается соответственно тяговая и тормозная силы. В тот момент, когда сила сцепления будет равна касательной реакции дороги , сцепление колеса с дорогой будет полностью использовано касательной реакцией. В этом случае достаточно действия небольшой боковой силы, чтобы начался запое колеса. Для ликвидации начавшегося заноса следует уменьшить касательную реакцию на колесе (уменьшить тяговую силу, прекратить торможение). При прямолинейном движении подвижного состава наиболее вероятен занос заднего ведущего моста, так как на его колеса при разгоне и преодолении повышенных сопротивлений дороге действует касательная реакция дороги во много раз больше, чем на колеса переднего ведомого моста. При торможении подвижного состава, вследствие перераспределения нагрузки (увеличивается на передний мост) увеличивается сила сцепления задних колес, что лак же способствует заносу заднего ведущего моста. Занос заднего ведущего моста подвижного состава при эксплуатации не только вероятнее чем переднего, но и более опасен. При эксплуатации занос подвижного состава происходит чаще всего при торможении, когда в месте контакта колес с дорогой действуют большие тормозные силы. В результате колеса теряют способность воспринимать боковые силы. При торможении занос часто возникает также из-за разной величины тормозных моментов на колеса одного моста. Для ликвидации начавшегося заноса при торможении следует уменьшить касательные реакции дороги на колесах (прекратить торможение). Для устранения потери устойчивости подвижного состава необходимо перед началом поворота уменьшить скорость движения, так как поперечная составляющая Р_у центробежной силы пропорционально квадрату скорости. Для выявления заноса и принятия решения по его исключению для подвижного состава необходимо определить боковые составляющие скорости в реальном времени, что известным устройством не обеспечивается.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности измерения линейной скорости и пройденного пути за счет расширения функциональных возможностей локомотивного измерителя скорости с исключением недостатков, которыми обладают аналоги и прототип [3].

Поставленная задача решается за счет того, что в локомотивной системе определения скорости движения и пройденного пути, содержащей приемно-излучающие устройства, каждое из которых включает антенну и программируемый микропроцессор, в которой каждое приемно-излучающее устройство содержит приёмопередающий канал, включающий смеситель, соединенный через полосовой усилитель с синхронным детектором и генератор, через два циркулятора соединенный с антенной, выход канала соединен с программируемым микропроцессором, при этом каждая антенна выполнена с возможностью одновременного излучения и приема электромагнитных сигналов по двум лучам, при этом антенны конструктивно разнесены между собой и установлены по обоим бортам локомотива с образованием четырехлучевой измерительной системы, при этом антенна выполнена в виде волноводно-щелевой антенны бегущей волны с квадратурным раскрывом, отклонение формируемых антенной лучей от нормали к антенне составляет 25 градусов при ширине диаграммы направленности 4,5 градуса, режим работы приемопередатчика непрерывный с частотной модуляцией но прямоугольному закону. СВЧ излучатель выполнен па диоде Ганна.

Предлагаемый измеритель скорости включает в себя два двухлучевых приемо-передающих устройства, образующих совместно четырехлучевую систему. В каждом приемопередатчике используется общая для двух каналов двухлучевая волноводно-щелевая антенна бегущей волны с квадратурным раскрывом. Для повышения чувствительности приемного устройства режим работы приемопередатчика выбран непрерывным с частотной модуляцией но прямоугольному закону - частотная манипуляция. Отклонения лучей от нормали к антенне 25 градусов, ширина диаграммы направленности 4,5 градуса.

Работа предлагаемого измерителя скорости заключается в следующем.

Четыре канала излучения и приема отраженных сигналов от подстилающей поверхности осуществляются посредством двух антенн, формирующих по два луча каждая. Антенны устанавливаются по двум бортам локомотива с возможностью симметричного формирования наклонного облучения подстилающей поверхности за счет разворота антенн на 45 градусов от вертикали и представляют собой плоскую симметричную волноводно-щелевую антенну бегущей волны с квадратным раскрывом. Антенны устанавливаются на расстоянии 1 м от подстилающей поверхности. Каждый приемо-передающий канал содержит приемопередатчик, циркулятор, смеситель, усилитель промежуточной частоты, блок автоматической подстройки зоны генерации, формирователь, усилитель мощности, шаговый двигатель.

При частотной манипуляции передатчик поочередно с частотой модуляции излучает два сигнала, частоты которых отличаются от центральной частоты на величину девиации. Принятый сигнал, сдвинутый по частоте на величину доплеровской частоты смешивается в смеси геле с частью излучаемого сигнала. Для выделения доплеровской частоты первая гармоника сигнала, усиленная полосовым усилителем с резонансной частотой, подается на синхронный детектор с фильтром нижних частот, на который также поступает модулирующее напряжение. При этом, колебания генератора, частота которого меняется по прямоугольному закону с помощью модулятора поступает через два циркулятора в антенну и излучается под утлом к подстилающей поверхности. Первый циркулятор совместно с нагрузкой выполняет роль вентиля, второй циркулятор осуществляет развязку передающего и приемного каналов. Принятый сигнал смешивается в диодном смесителе с частью излученного сигнала. Регулировка мощности этого сигнала осуществляется элементом настройки, например, штырем с регулируемой глубиной погружения, который установлен непосредственно у циркулятора. В полосовом усилителе выделяется первая гармоника сигнала, которая поступает на синхронный детектор, входящий в состав блока автоматической подстройки зоны генерации, где выделяется доплеровская частота. Полученные доплеровские частоты на выходе соответствующих каналов приемопередатчиков подаются в вычислитель, в котором вырабатывается в частотном виде информация о продольной, поперечной (боковой) составляющих скорости, а также модуль вектора скорости и угол дрейфа. Входные доплеровские частоты после фильтрации соответствующими фильтрами доплеровских частот поступают на формирователи, где они преобразуются в сигналы прямоугольной формы. Полученные сигналы через схему коммутации подаются на электронный сумматор доплеровских частот. На выходе сумматора вырабатываются последовательности импульсов, средние частоты которых пропорциональны соответственно продольной и боковой составляющим скорости подвижного состава. По полученным измерениям средней частоты спектра доплеровского сигнала по четырем лучам в программируемом микропроцессоре выполняются вычисления относительной скорости, угла дрейфа, продольной и поперечной составляющих скорости и соответственно составляющих пройденного расстояния и полного пройденного расстояния подвижного состава по формульным зависимостям:

По составляющим скорости V_x и V_y вычисляют модуль относительной скорости

а пройденное расстояние определяется согласно выражению:

γ₀ - угол отклонения луча антенны от вертикали, β₁, β₂ - угол между осью X (продольное направление скорости движения в горизонтальной плоскости) и проекцией направления главного излучения на отражающую горизонтальную плоскость соответственно для переднего и заднего лучей, λ - длина волны.

Четырехлучевая доплеровская система обеспечивает, практически, независимость параметров, вырабатываемых системой в зависимости от углов крена и дифферента, так как для определения составляющих скорости и угла дрейфа используются суммы доплеровских частот накрест лежащих лучей. Режим работы приемопередатчика непрерывный с частотной модуляцией, что дает возможность исключить влияние вибрации антенно-волноводного тракта, уменьшить воздействие шумов и повысить соотношение сигнал/шум.

Измерение направления движения локомотива основано на применении частотной модуляции излучаемого сигнала по прямоугольному закону частотной манипуляции. При частотной модуляции излучение с частотой модуляции F_m осуществляется поочередно в виде двух сигналов, частоты которых f₁ и f₂ отличаются от центральной частоты f₀ на величину девиации Δf: f₁=0 - Δf, f₂=f₀+Δf. Сигналы в соседних полупериодах модуляции, соответствующие частотам f₁ и f₂ выражаются формулами:

где τ₁ - время задержки, определяемое расстоянием до подстилающей поверхности.

Разность фаз доплеровских сигналов (Ε_пр1 и Ε_пр2) Δϕ = 8πΔFR₀/с пропорциональна дальности от приемо-передающей антенны до подстилающей поверхности соответствует положительному (встречному) направлению движения. При отрицательном направлении знаки фазы в формулах (6) меняются на обратные и разность фаз доплеровских сигналов соответствующих частотам излучения f₁ и f₂ в соседние полупериоды частотной модуляции.

Управление работой измерителя скорости осуществляется пультом управления, который оснащен жидкокристаллическим сенсорным экраном.

На экран выводятся значения скорости включая составляющие скорости, пройденного расстояния и их составляющие, а также угол дрейфа в реальном режиме движения, что позволяет контролировать траекторию движения подвижного состава и при выходе регистрируемых параметров движения за критические значения позволяют принимать наиболее однозначные решения для уменьшения или исключения негативных явлений при эксплуатации подвижного состава.

Использование предлагаемой локомотивной системы позволит повысить точность измерения линейной скорости и пройденного пути, осуществлять определение направления движения, расширить диапазон минимальных рабочих скоростей, а также расширить область применения на различных транспортных средствах.

Источники информации.

1. Патент RU №2282197 С1, 20.08.2006.

2. Патент RU №2189599 С1, 20.09.2002.

3. Патент RU №2378654 С1, 10.01.2010.

4. Авторское свидетельство SU №977251 А, 30.11.1 982.

5. Авторское свидетельство SU №931515 А, 05.06.1982.

6. Авторское свидетельство SU №457030 А, 11.03.1975

7. Патент GB 2093593 А, 02.09.1982.

Изобретение относится к определению местоположения или опознаванию подвижного состава. Локомотивная система определения скорости движения и пройденного пути содержит приемно-излучающие устройства, каждое их которых содержит приёмо-передающий канал, включающий смеситель, соединенный через полосовой усилитель с синхронным детектором, и генератор, через два циркулятора соединенный с антенной. Выход канала соединен с программируемым микропроцессором. При этом каждая антенна выполнена с возможностью одновременного излучения и приема электромагнитных сигналов по двум лучам, при этом антенны конструктивно разнесены между собой и установлены по обоим бортам локомотива с образованием четырехлучевой измерительной системы. Антенна выполнена в виде волноводно-щелевой антенны бегущей волны с квадратурным раскрывом. Отклонение формируемых антенной лучей от нормали к антенне составляет 25 градусов при ширине диаграммы направленности 4,5 градуса. Режим работы приемопередатчика непрерывный с частотной модуляцией по прямоугольному закону, СВЧ излучатель выполнен на диоде Ганна. Технический результат заключается в повышении точности измерения линейной скорости и пройденного пути локомотива.

Локомотивная система определения скорости движения и пройденного пути, содержащая приемно-излучающие устройства, каждое из которых включает антенну и программируемый микропроцессор, отличающаяся тем, что каждое приемно-излучающее устройство содержит приёмо-передающий канал, включающий смеситель, соединенный через полосовой усилитель с синхронным детектором, и генератор, через два циркулятора соединенный с антенной, выход канала соединен с программируемым микропроцессором, при этом каждая антенна выполнена с возможностью одновременного излучения и приема электромагнитных сигналов по двум лучам, при этом антенны конструктивно разнесены между собой и установлены по обоим бортам локомотива с образованием четырехлучевой измерительной системы, при этом антенна выполнена в виде волноводно-щелевой антенны бегущей волны с квадратурным раскрывом, отклонение формируемых антенной лучей от нормали к антенне составляет 25 градусов при ширине диаграммы направленности 4,5 градуса, режим работы приемопередатчика непрерывный с частотной модуляцией по прямоугольному закону, СВЧ излучатель выполнен на диоде Ганна.