А.М. Алеев, В.В. Коротаев, А.Н. Тимофеев, С.Н. Ярышев
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики

К.Б. Ершова, В.В. Петуховский, С.В. Петуховский, А.Е. Холин
Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта

Введение

Создание и эксплуатация крупногабаритных промышленных объектов требуют определения пространственного положения их отдельных элементов в заданной абсолютной системе координат. Измерительные системы, используемые для решения данной задачи, наряду с высокой точностью определения пространственных координат, должны обеспечивать быстродействие в сочетании с дистанционным характером измерений. Одной из серьезных практических проблем является определение текущего положения железнодорожного пути в пространственной системе координат [1]. Решение данной задачи крайне необходимо для обеспечения безопасности и плавности движения поездов на высоких скоростях.

Разработанная в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики, оптико-электронная система контроля положения реперных меток (ОЭСКПРМ), построенная на базе телевизионных камер высокого разрешения по стереоскопической схеме, позволяет в процессе движения выправочной машины определять просадки железнодорожного полотна в вертикальной плоскости (выправка), взаимное положение рельсовых нитей по высоте (поперечный уровень) и положение в плане (рихтовка) относительно массива полупроводниковых излучающих диодов, являющихся реперными метками, которые сопряжены с геодезической опорной сетью [2].

Описание работы системы

ОЭСКПРМ состоит из базового блока 1 (рис.1), блока обработки и реперных меток 2. Базовый блок системы оборудован лазерным датчиком, необходимым для обнаружения меток. Базовый блок, расположенный на тележке 3, которая жестко базируется на железнодорожном пути 4, определяет свое положение относительно реперных меток 2 в приборной системе координат OXYZ (OX - рихтовка, OY - выправка).

Рис. 1. Схема работы оптико-электронной системы контроля положения реперных меток.

Реперная метка (рис.4) содержит полупроводниковый излучающий диод (ПИД), который конструктивно объединен с отражательным элементом, необходимым для функционирования датчика обнаружения меток. Причем, координаты, а также угол поворота базового блока относительно оси OZ (поперечный уровень), измеряются в момент прохождения выправочной машины мимо опоры с закрепленной на ней меткой.

Сканирование всего массива реперных точек позволяет (с учетом данных от штатных систем контроля железнодорожного полотна) вычислить положение любой точки сканируемого участка в абсолютной системе координат. Это, в свою очередь, позволяет производить его наладку с привязкой к абсолютной пространственной системе координат.

В базовом блоке (рис. 2) две камеры, разнесенные в пространстве на расстояние равное величине базы B=B₁+B₂ (их визирные оси составляют углы a ₁ и a ₂ с осью OZ приборной системы координат) реализуют стереоскопическую схему измерений. В этой схеме визирные оси объективов верхней и нижней камер проходят через задние главные точки объектива и точки с координатами (u₀1,v₀1) и (u₀₂,v₀₂) на поверхностях фоточувствительных матриц M₁ и M₂. и при этом поверхности матриц расположены на расстояниях a₁ и a₂ от задней главной точки объектива.

Рис. 2. Принцип действия оптико-электронной системы контроля положения реперных меток.

При работе системы после обнаружения метки (получение сообщения от датчика обнаружения меток), производится захват кадров с камер. На основе анализа кадров определяются координаты изображений источника в системе координат, связанной с матричным полем камер. После этого на основе полученных данных рассчитываются величины относительного смещения S (выправка) и удаления L (рихтовка) базового блока и реперной метки по формулам:

, (1)

, (2)

где Z₀₁, Z₀₂ - координата пересечения оси OZ визирными осями верхнего и нижнего каналов соответственно, y₁ и y₂ - координаты энергетических центров изображений реперной метки, измеренные в системе координат верхней и нижней камер, и пересчитанные с учетом различных поправок.

Эти координаты являются функциями следующих параметров [3]:

, (3)

где u₁, u₂ ,v₁ и v₂ - координаты изображений по осям O₁U₁, O₂U₂ и O₁V₁, O₂V₂ матриц соответственно, n - показатель преломления защитных стекол камер, d - толщина защитных стекол камер, k - размер пикселя матричного фотоприемника.

Как известно, потенциальная точность измерений определяется погрешностью D y₁ и D y₂ определения центра изображений [2]. Относительные частичные погрешности , измерения координат смещений пути от D y_i определяются выражениями:

,

, (4)

где i=1 соответствует верхней камере, i=2 - нижней камере, а

,

В свою очередь, зависимости суммарных относительных погрешностей определения координат смещений пути от погрешностей измерения энергетических центров изображений реперной метки будут определяться как: , . (5)

Экспериментальные исследования показали, что погрешность определения координат изображений на матрице не превышает 0,05 пиксела в лабораторных условиях [3]. В этом случае, для элементов примененных в схеме ОЭСКПРМ (две телевизионные камеры VEI-545 USB производства ООО "ЭВС" использующие КМОП-матрицы OV5610 Color CMOS QSXGA фирмы Omni Vision с размером пикселя 0,00555 мм; объектив Гелиос 33 с f= 35 мм; излучатели реперной метки - светодиод SFH 485 P фирмы Siemens c l =880 нм), и значений В₁=В₁=150 мм, Z₀₁=Z₀₂= 3000 мм, расчетная величина погрешности на дистанции 2000 м не должна превышать 0,016 мм при определении смещения и 0,33 мм при определении дистанции. Однако экспериментальные исследования погрешностей в статическом режиме во всем диапазоне измерений показали, что погрешность измерений носит как систематический, так и случайный характер и достигает величин существенно больших, чем указано выше. Возникновение существенных составляющих систематических погрешностей обусловлено, в основном, неточностью задания значений задних отрезков объективов и углов сведения каналов. Уменьшение величин систематических погрешностей достигнуто калибровкой системы.

Калибровка заключалась в минимизации суммарной ошибки априорно известных координат метки и координат, рассчитанных на основе экспериментально полученного массива координат изображений метки в этих точках путем поиска локального минимума по алгоритму Левенберга-Маркардта [4].

Использование указанной методики позволило снизить ошибку определения смещения до 0,4 мм, а ошибку определения дистанции до 1,3 мм, что почти в три раза уменьшило величину систематической составляющей погрешности получаемой до калибровки, т.е с установленными номинальными параметрами определенными на основе конструкторской документации.

Проверка точностных характеристик системы проведена в несколько этапов непосредственно при контроле пространственного положения железнодорожного пути.

Испытания системы в рабочих условиях

Эксплуатационные испытания системы проведены в период 24-27 июля 2008 г на прямом и переходном участке кривой пути около 2 км главного хода Москва - Санкт-Петербург (пикеты 2.15 - 2.86). Оборудованная ОЭСКПРМ выправочно-подбивочно-рихтовочная путевая машина Дуоматик 09-32 №64 (рис.3) произвела серию измерительных поездок, в каждой из которых определялись координаты пути в плане и профиле относительно 30 реперных меток. На путевую машину был установлен базовый блок, включающий в себя телевизионные камеры, и блок обработки, представляющий собой промышленный компьютер.

Рис. 3. Путевая машина Дуоматик 09-32 с установленной системой контроля положения реперных меток.

Реперные метки (рис.4) закреплялись на рабочих реперах, ввинченных в опоры контактной сети. Рабочие репера являются объектами геодезической опорной сети, относительно которой задано проектное положение пути. Таким образом, измеренное системой значение текущего положения пути относительно ПИД метки (рис.4), отнесенного на известную величину от репера, определяет величину смещения пути из проектного положения и служит основанием для выправки пути.

Рис. 4. Размещение меток на рабочих реперах.

Результаты работы

Эксплуатационные испытания на машине Дуоматик 09-32 №64 подтвердили технические характеристики системы ОЭСКПРМ. Средние квадратические отклонения положения пути (СКО) составили:

- по вертикали (выправка) - 0,8 мм;
- по дистанции (рихтовка) - 1,1 мм;
- по наклону (уровню) - 0,91 угл. град.

По результатам испытаний ОЭСКПРМ рекомендована к использованию в комплексе с микропроцессорной системой управления выправкой пути ВНИИЖТ-МАТЕСС [1] для машин типа ВПР и Дуоматик 09-32. а также к освоению промышленного производства с выпуском установочной партий в количестве 10 шт.

Литература:

1. Коган А.Я., Ершова К.Б., Петуховский В.В. и др. Актуальные проблемы выправки и приемки пути после ремонта // Путь и путевое хозяйство. 2007. №5. C.7-9.
2. Алеев А.М., Араканцев К.Г, Тимофеев А.Н. Ершова К.Б. , Петуховский В.В., Петуховский С.В., Холин А.Е. Оптико-электронная система контроля положения железнодорожного пути относительно реперных меток // Известия вузов. Приборостроение. 2008, Т. 51. №9. С. 18 - 22.
3. Анисимов А.Г., Араканцев К.Г., Горбачев А.А. Исследование погрешности контроля дистанции в симметричном внутрибазовом канале двухкоординатной оптико-электронной системы контроля смещений. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2006. Выпуск 34. С.213-218.
4. Форсайт Д., Понс Ж. Компьютерное зрение. Современный подход.: Пер. с англ. // М. Издательский дом "Вильямс", 2004. - 928 с.: ил.
5. Пантюшин А.В., Серикова М.Г., Тимофеев А.Н. Оптико-электронная система для контроля смещений на основе реперных меток излучающих диодов //Оптический журнал, том.76, №8, 2009, с 74-78.

 Скачать статью (RAR -архив, 707 kb)

Автор(ы)  :  А.М. Алеев, В.В. Коротаев, А.Н. Тимофеев, С.Н. Ярышев, К.Б. Ершова, В.В. Петуховский, С.В. Петуховский, А.Е. Холин