Исследование и разработка аппаратно-программных средств оптоэлектронного датчика скорости на ПЗС

Важнейшей характеристикой любого средства транспорта, в том числе и железнодорожного подвижного состава, является его скорость. Знание скорости транспортного средства во многом определяет точность соблюдения графика и безопасность движения поездовпозволяет с высокой точностью определять координаты подвижного состава на рельсовом пути в любой момент времени. Высокоточное измерение скорости подвижного состава является важной задачей для Московского метрополитена. В настоящее время на рельсовом транспорте для определения скорости движения применяются путевые датчики и электромеханические датчики, работа которых основана на подсчете числа поворотов колеса. Погрешность измерения электромеханических датчиков составляет около 5 км/ч. Эта погрешность, обусловленная проскальзыванием колес и их износом, является весьма значительной величиной для современного и перспективного наземного рельсового транспорта, поездов и путеизмерительной станции метрополитена.

Для путеизмерительной станции Московского метрополитена разработка автономного датчика скорости является актуальной задачей. Измеряемые параметры рельсовой колеи (ширина, уровень, просадки, боковой износ головок левого и правого рельсов, положение контактного рельса и т. д.) должны быть привязаны к координатам пути. Графики этих параметров на лентах путеизмерителя используются для выявления зон, имеющих отступления от норм содержания железнодорожного пути метрополитена, для оценок этих отступлений, для планирования работ по определению очередности их устранения. Совокупность измеряемых параметров позволяет установить оценки отступлений по баллам, оценить состояние рельсовой колеи и определить необходимость ремонта или замены рельсов. Определить координаты и длины рельсовой колеи, нуждающейся в ремонте, можно с помощью высокоточного измерения скорости.

Необходимо отметить, что высокоточные бесконтактные датчики скорости имеют большое значение и для других видов транспорта, например, воздушного. Исследования российских ученых в области средств навигации аэрокосмических систем позволили предложить новый принцип измерения скорости, основанный на обработке (двумерной фильтрации) движущегося изображения ландшафта, расположенного под летательным аппаратом [1].

Для этого на борту летательного аппарата должно быть установлено специальное фотоприемное устройство, которое не только воспринимает изображение ландшафта с борта летательного аппарата, но и обрабатывает его с помощью фоточувствительной интегральной схемы на приборе с зарядовой связью (ПЗС), работающей в режиме временной задержки и накопления (ВЗН). Фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ФПЗС) с ВЗН имеет специальную трапецеидальную топологию пикселов. Направление движения проекции изображения ландшафта должно совпадать с направлением перемещения потенциальных ям в ФПЗС ВЗН. Допустимый диапазон измеряемых скоростей определяется параметрами проецирующей оптической системы и может варьироваться в значительных пределах.

Данная микросхема защищена российским патентом. На российских предприятиях НИИМП и НИИ «Пульсар» были изготовлены опытные образцы этих микросхем. К сожалению, фотоприемное устройство для измерения скорости не было реализовано.

Повышенная точность определения скорости движения и координат пути особенно важны для путеизмерительной станции. В рамках диссертации создан макет оптико-электронного датчика скорости (ОДС) для путеизмерительной станции, позволяющий продемонстрировать его точностные и эксплутационные возможности.

Рассмотрено современное состояние в области используемых на метропоездах контактных электромеханических датчиков скорости, работа которых основана на подсчете числа поворотов колеса за заданное время.

Определены их ограничения по точности измерения. Выполнен анализ мирового уровня в области бесконтактных датчиков скорости, показана целесообразность создания ОДС и его применения в сочетании с электромеханическим датчиком для повышения точности измерения скорости.

Для проведения имитационного моделирования получены реальные изображения рельсовой колеи на различных участках Московского метрополитена. Выбирались участки, имеющие разную освещенность: туннели, подъезды к станции, открытые пути. Полученные изображения были преобразованы в цифровую форму и введены в компьютер для последующего имитационного моделирования работы ОДС. Показано, что для работы в реальных условиях ОДС должен быть оснащен излучателем ИК подсветки и фильтром. Включение этих устройств в состав ОДС обеспечивает повышение контрастности изображений в туннелях и устраняет избыточную освещенность на станциях и на открытых участках пути (особенно в солнечную и снежную погоду).

Разработана математическая модель специализированного ФПЗС ВЗН и программное обеспечение для имитационного моделирования работы ОДС при воздействии движущегося изображения, описываемого гармонической функцией, имитирующей изображение железнодорожной колеи. Показано, что максимальная модуляция выходного сигнала ФПЗС ВЗН происходит в том столбце фотоприемника, в котором скорость движения проекции изображения на кристалле равна средней скорости перемещения потенциальных ям.

Разработана математическая модель специализированного ФПЗС ВЗН и программное обеспечение для имитационного моделирования работы ОДС при воздействии движущегося тестового изображения рельсового полотна. Показано, что заданная скорость движения подвижного состава определяется путем вычисления максимума функции передачи модуляции, по данным, поступающим от специализированного ФПЗС ВЗН. Наибольшая точность вычисления наблюдается на участках с хорошим уровнем освещенности, где изображения наиболее контрастные и чёткие. Это наблюдается на открытых участках. Уменьшение точности вычисления будет происходить на менее освещенных участках: на станции, при подъезде к станции, на перегоне. Точность измерения скорости прямо пропорциональна уровню освещённости.

Предложена структурная схема ОДС, содержащая фотоприемный блок, устройство управления и персональный компьютер. Обоснована современная элементная база для реализации ОДС, включающая в себя специализированный ФПЗС ВЗН, программируемую логическую матрицу и персональный компьютер.

Разработаны схема управления ОДС, реализованная на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), схема предварительной обработки выходного сигнала, конструкция и макет ОДС.

На основе разработанной принципиальной схемы ОДС создан макет, который в 2004 года прошёл испытания на путеизмерительной станции в Московском метрополитене.

Основные положения диссертации заключаются в следующем. Научная новизна:

1.Для железнодорожного транспорта и метрополитена в условиях различной освещенности рельсовой колеи, неравномерного движения подвижного состава теоретически показана возможность высокоточного определения скорости бесконтактным оптоэлектронным датчиком, построенным на базе кристалла специализированного ФПЗС.

2. Разработана методика расчета накопления зарядовых пакетов в ФПЗС с трапециидальной формой пикселей с учетом неравномерности движения.

3. Впервые разработана имитационная модель ОДС, позволяющая на основе изображений, поступающих на вход датчика как в виде гармонической функции с задаваемыми параметрами, так и в виде реальных (тестовых) изображений рельсовой колеи вычислять скорость движения подвижного состава.

Практическая ценность работы.

1. Разработан новый метод определения скорости на железнодорожном транспорте и метрополитене с помощью бесконтактного оптоэлектронного датчика скорости.

2. Выполнен цикл практических работ: разработано схемотехническое решение схема ОДС, спроектирована схема управления кристалла специализированного ФПЗС ВЗН, которая реализована на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС).

3. Проведен цикл исследований ОДС в статическом и динамическом режимах. Использование имитационного моделирования подтвердило целесообразность и перспективность бесконтактного оптоэлектронного датчика измерения скорости.

4. Показано, что использование ОДС позволит уменьшить погрешность вычисления скорости до уровня 1,5%.

5. Разработан действующий макет ОДС. В дальнейшем, на основании опыта создания данного макета может быть разработан проект системы на кристалле.

Реализация результатов работы.

Для определения основных параметров работы ОДС с учетом различных Алгоритмы работы ОДС доведены до программного обеспечения. Схемотехническое решение доведено до макета. Макет ОДС прошёл испытания на путеизмерительной станции в депо «Планерная» Московского метрополитена в 2004 г. Апробация работы.

Основные результаты работы доложены на следующих конференциях: «Неделя науки 1998», г. Москва, МИИТ, 1998гмеждународная конференция «Фотоника для транспорта», г. Прага, 1999 г.- конференция молодых специалистов, г. Ростов — на — Дону, РГУПС, 2000 г.- международная конференция «Лазеры», г. Сочи, 2000 г.- научная сессия МИФИ -2001, г. Москва,.

МИФИ, 2001 г.- международная конференция «Фотоника для транспорта», г. Сочи 2002 г.- международная конференция «Лазеры», г. Сочи, 2003гшкола молодых учёных — 2004, Софрино, Московская область, 2004 г.

Результаты диссертации вошли в 2 научно-технических отчёта по грантам Правительства Москвы за 2000 и 2002 годы. Основные результаты диссертации были представлены на конкурс Молодых учёных города Москвы и удостоены премии Правительства г. Москвы за 2003 г. На защиту выносятся следующие результаты.

1. Математическая модель и алгоритмы ОДС, отражающие двумерную обработку неоднородных движущихся изображений в специализированном ФПЗС с учетом неравномерного движения.

2. Имитационная модель, позволяющая адекватно описать работу ОДС и теоретически оценить работоспособность и точность датчика с учетом различных искажений, условий освещённости и видов подстилающей поверхности, типичных для железнодорожного транспорта и метрополитена.

3. Макет ОДС, прошедший испытания на Московском метрополитене. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Диссертация изложена на 122 страницах, включая 122 страницы машинописного текста, 6 таблиц, 100 рисунков, список литературы из 71 наименования.

4.5. Выводы.

• Выполнен цикл практических работ: разработано схемотехническое решение ОДС. Спроектирована схема управления кристалла специализированного ФПЗС ВЗН, которая реализована на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), устройство преобразования выходного сигнала в цифровую форму для ввода в компьютер, конструкцию и макет ОДС.

• Впервые разработан оптоэлектронный датчик скорости для метрополитена. Макет ОДС входит в опытный образец единой системы контроля и измерения рельсовой колеи (ЕКСИР).

• Получены результаты измерения скорости ОДС в реальных условиях эксплуатации датчика.

• Показано, что результаты измерения скорости ОДС отличаются от измерений, производимых штатным скоростемером. Отличия в значениях скорости на различных участках достигали 7%.

Заключение

.

В рамках диссертации было сделано следующее.

1. На основе анализа существующих датчиков скорости, используемых на железнодорожном транспорте обосновано использования оптоэлектронного способа измерения скорости базирующегося на двумерной обработки неоднородных движущихся изображений рельсовой колеи с помощью специализированного ФПЗС с ВЗН.

2. Теоретически обоснована возможность использования специализированного фоточувствительного прибора с зарядовой связью с временной задержкой и накоплением для измерения скорости на железнодорожном транспорте и метрополитене с учетом неравномерного движения подвижного состава.

3. Разработана математическая модель ОДС, предназначенная для выбора и отработки алгоритмов работы датчика при входном гармоническом сигнале, имитирующем реальное изображение железнодорожной колеи.

4. Показано, что применение аппарата функции передачи модуляции, связанного с поиском столбца ФПЗС с минимальной рассинхронизацией скоростей, обеспечивает высокоточное определения скорости для различных видов изображения рельсовой колеи.

5. Разработана имитационная модель, учитывающая реальные входные тестовые изображения рельсовой колеи в различных условиях освещённости и искажения, вносимые элементами оптической системы ОДС.

6. Проведён анализ результатов имитационного моделирования, который подтвердил, ожидаемы высокие точностные характеристики ОДС. Показано, что оценка среднеквадратического отклонения ошибки определения скорости составляет 0,84% от измеряемой величины. Результаты имитационного моделирования показали, что по сравнению с наиболее часто используемого на транспорте электромеханического датчика скорости, ОДС обеспечивает приблизительно в 3−5 раз более высокие точностные характеристики.

Разработаны принципиальная схема бесконтактного оптоэлектронного датчика скорости на ПЗС и аппаратно-программные средства ОДС, включающие в себя систему управления кристалла, устройство преобразования выходного сигнала в цифровую форму для ввода в компьютер, конструкцию и макет ОДС.

Впервые разработан оптоэлектронный датчик скорости для метрополитена. Макет ОДС входит в опытный образец единой системы контроля и измерения рельсовой колеи (ЕКСИР). у.