Патент на изобретение №2243505

(54) СПОСОБ КОРРЕКЦИИ ДАТЧИКА ПРОЙДЕННОЙ ДИСТАНЦИИ

(57) Реферат:

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.

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 _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: – геодезическую широту (угол между плоскостью экватора и нормалью к поверхности сфероида), – геодезическую долготу и высоту h над уровнем океана (рефференц-эллипсоидом). Связь между геоцентрическими координатами и вырабатываемыми СНС координатами , 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(_k-1, _k-1) – матрица перехода из геоцентрической системы координат в географическую топоцентрическую.

Ошибки , , 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 d_s, d_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 , и 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 d’, d’, d’ – погрешности определения приращений географических координат по данным СНС; введены в вектор состояния Х, т.к. d’, d’, d’ 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 ’_k, ’_k, ’_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 K_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; _Пi – текущее значение угла продольного уклона рельсового пути, вырабатываемого по показаниям АГВУС (_i) и СДП, определяющей угол отклонения тележки относительно кузова вагона в его диаметральной плоскости (_дпi)

В качестве элементов вектора измерений ОФК выступают разности:

1) оценок изменений курсовых углов K_k (10) и К’_k (8);

2) проекций вектора перемещений на ось О ГСК _k (2) и ’_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; d’_r, d’_r, d’_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 K) при переходе к коррекции по скоростям исключается из рассмотрения. В этом случае по показаниям одометра определяются

где угол 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 V_ИНСГ и _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 S, представляют в виде

где S₀ – ошибка начальной выставки; m0,0005…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; S_c – ошибка из-за неровности пути и колебаний вагона в колее, _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; – 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.

Формула изобретения

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 S₀ – ошибка начальной выставки;

m0,0005÷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;

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

_ОД – случайная инструментальная погрешность.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве системы навигации и ориентации используют бесплатформенную инерциальную навигационную систему.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве системы навигации и ориентации используют аналитическую гировертикаль усеченного состава.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что интегрирование производят по скорости движения объекта, полученной по показаниям одометра и бесплатформенной инерциальной навигационной системы, интегрированной со спутниковой навигационной системой.

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 13.03.2006

Извещение опубликовано: 20.02.2007 БИ: 05/2007