Измеритель модуля скорости для подвижных транспортных объектов
СОКОЛОВ Сергей Викторович, Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ), заведующий кафедрой «Информатика и вычислительная техника», профессор, д-р техн, наук, Москва, Россия
ОХОТНИКОВ Андрей Леонидович, АО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте», заместитель начальника Департамента информационных технологий - начальник отдела стратегического развития, Москва, Россия
Ключевые слова: транспортный объект, система управления движением поездов, измерение модуля скорости, параметры движения, катушка индуктивности, кривая торможения
Аннотация. В статье представлены новые принципы построения неинерциальных измерителей модуля скорости - одного из важнейших параметров описания движения подвижных транспортных объектов, в частности, беспилотных (автономных) локомотивов. Рассмотрены базовые варианты схем измерения модуля скорости и их основные параметры, определяющие быстродействие и точность определения скорости движения. Показаны преимущественные особенности описываемых устройств, состоящие в уменьшении аппаратурных и вычислительных затрат, повышении точности определения модуля текущей скорости. Приведенные преимущества устройств обеспечивают возможность их эффективного использования при решении навигационной задачи подвижных единиц железнодорожного и городского рельсового транспорта.
Для решения задач управления транспортными объектами (ТО), в том числе автономными (беспилотными), необходимо определять параметры, характеризующие их движение и влияющие на принятие эффективного управленческого воздействия. Чем точнее и адекватнее реальным условиям осуществляется определение этих параметров, тем надежнее и безопаснее происходит управление транспортными объектами. Для рельсовых транспортных объектов (РТО) параметры, влияющие на их движение и, соответственно, управление в различных ситуациях, принято подразделять на внутренние (скорость, координаты и масса РТО) и внешние (крутизна уклона, кривизна пути, сцепление системы «колесо-рельс», координаты препятствий, погодные условия и др.).
Учитывать параметры движения РТО необходимо как для ограничения скорости на участках, где видимость или влажность резко изменяется [1], так и для работы датчиков систем технического зрения (СТЗ) беспилотных локомотивов. Для этого требуется введение параметров движения в алгоритмы калибровки и настройки приборов и устройств СТЗ [2]. Причем такая система должна работать адаптивно, исходя из ситуации и измеренных параметров движения, основным из которых является модуль скорости РТО.
Важность измерения модуля скорости РТО непосредственно следует из правила определения момента формирования команды на торможение. Такой момент выбирается из критического условия равенства рассчитанного пути торможения STOpM поезда,
движущегося со скоростью V, и измеренного сенсорами СТЗ расстояния 1_изм до препятствия [3]: Stopm (V) = Lh3m- Значение модуля скорости инвариантно выбору системы координат:
где Vx, Vy, Vz - проекции скорости объекта на оси выбранной произвольной системы координат. Поэтому модуль скорости является, по существу, универсальным параметром движения для решения задачи позиционирования транспортного объекта.
Известны устройства измерения скорости РТО, основанные на разных физических принципах: приеме спутниковых навигационных сигналов [4], астронавигационных [5], инерциальных [6], корреляционно-экстремальных [7] и одометрических [8] измерениях, использовании доплеровского эффекта [9] и др.
Анализ принципа действия и характеристик таких устройств показывает, что их недостатками являются конструктивная сложность [5,8], значительная масса [7], большой объем вычислительных затрат при обработке измерений [5,6,8] или низкая точность [6] и др.
В связи с этим возникла необходимость создания устройства измерения модуля скорости, которое при применении на РТО обеспечивало бы приемлемый технический компромисс по аппаратурным и вычислительным затратам при обеспечении требуемой (в субсантиметровом диапазоне) точности определения модуля текущей скорости подвижных единиц железнодорожного и городского рельсового транспорта. Рассмотрим один из возможных вариантов решения поставленной задачи.
Функциональная схема индукционного измерителя модуля скорости представлена на рисунке. Здесь введены следующие обозначения: тактовый генератор -1, делитель частоты - 2, три катушки индуктивности - 3V 32, З3, расположенные над рельсовой линией - 4, однополупериодный выпрямитель - 5, N-разрядный двоичный счетчик - 6, элемент задержки - 7, группа N элементов «И»-В.,, В2,.., BN, вычислитель-9.
Измеритель модуля скорости размещается на корпусе транспортного объекта. Выход генератора 1 подключается к счетному входу А1 счетчика 6 и через делитель частоты 2 ко входу запуска А2 и входам первой и третьей катушек индуктивности 31 и 32, расположенных на равном расстоянии S по обе стороны от второй катушки. Выходы катушек 31 и З3 за счет электромагнитного взаимодействия связаны с рельсовой линией 4, с которой также связан вход катушки индуктивности 32. Ее выход подключен ко входу од-нополупериодного выпрямителя 5, а выход выпрямителя соединен со входом останова А3 счетчика 6, а также через элемент задержки 7 - со входом сброса А4 двоичного счетчика и первыми входами элементов «И». Вторые входы элементов «И» подключены к одноименным выходам счетчика 6, а выходы элементов «И» и выход переполнения А5 двоичного счетчика 6 - к соответствующим входам вычислителя. Его выход служит выходом данного измерителя модуля скорости.
При движении РТО в направлении, показанном на рисунке, измеритель модуля скорости работает следующим образом. Тактовые импульсы с выхода тактового генератора 1 поступают на счетный вход А1 двоичного счетчика 6 и вход делителя частоты 2. С выхода этого делителя импульсы идут на вход запуска А2 счетчика 6 и входы первой и третьей катушек индуктивности. На выходах
катушек появляются импульсные магнитные потоки с амплитудой Ф, осуществляющие намагничивание рельса 4 в области их воздействия. При движении РТО со скоростью V через время Т вторая катушка индуктивности, расположенная на расстоянии S от первой катушки, оказывается над намагниченной областью рельса 4.
В результате на вторую катушку индуктивности 32 воздействует магнитный поток остаточной намагниченности, порождающий на ее выходе ЭДС с амплитудой рбФ/сН. В силу равномерной намагниченности рельса два электрических импульса (положительный и отрицательный), определяемые передним фронтом и спадом индуцированной импульсной ЭДС, поступают на вход однополупери-одного выпрямителя 5. На его выход приходит только положительный импульс, который далее идет на вход останова А3 счетчика 6. В течение времени Т, от момента запуска двоичного счетчика 6 и до его останова, в счетчике 6 осуществляется счет импульсов, поступающих с выхода тактового генератора на счетный вход А1 двоичного счетчика 6.
На выходе счетчика формируется двоичный код, пропорциональный времени Т и обратно пропорциональный скорости V транспортного объекта. Одновременно с этим импульс с выхода однополупериодного выпрямителя 5 поступает через элемент задержки 7 на вход сброса А4 двоичного счетчика 6, приводя его в исходное состояние, а также на первые входы N элементов «И». На вторые входы элементов «И» приходят сигналы с одноименных выходов счетчика 6. Благодаря этому обеспечивается считывание двоичного кода, обратно пропорционального скорости V. В блоке вычисления 9 на основании считанного двоичного кода вычисляется текущее значение модуля скорости V, которое снимается с выхода блока 9, являющегося выходом устройства.
При движении РТО задним ходом (в направлении, обратном показанному на рисунке) работа измерителя модуля скорости происходит аналогично, за исключением того, что на вторую катушку индуктивности 32 воздействует магнитный поток остаточной намагниченности, образованной импульсным магнитным потоком с выхода не первой, а третьей катушки З3.
Выбор величины разрядности N двоичного счетчика 6 осуществляется из условия
При V < Vmin на выходе переполнения А5 двоичного счетчика 6 возникает сигнал переполнения П, поступающий в блок вычисления 9. После этого двоичный код с выхода счетчика 6 аннулируется и воспринимается только код, следующий за ним.
Данное устройство может работать на оптическом принципе с учетом замены катушек индуктивности на источники оптического излучения и приемник теплового излучения, а также однополупери-одного выпрямителя на пороговое устройство. В этом случае устройство будет работать следующим образом. С выхода делителя частоты 2 импульсы поступят на вход запуска А2 двоичного счетчика 6 и на входы источников оптического излучения 31 и З3, на выходах которых формируются импульсные оптические потоки, осуществляющие нагрев поверхности рельса в области их воздействия. При движении РТО со скоростью V в прямом направлении через время Т приемник теплового излучения 32, расположенный на расстоянии S от первого источника оптического излучения Зг окажется над нагретой поверхностью рельса. В результате на приемник будет воздействовать тепловой поток, порождающий на его выходе импульс, поступающий на вход порогового устройства 5. Оно сформирует импульсный сигнал на входе останова А3 двоичного счетчика 6 только при наличии импульса на выходе приемника теплового излучения 32, т.е. при резком превышении общего теплового фона поверхности рель
са 4. Импульс, поступающий с выхода порогового устройства 5 на вход останова А3 счетчика 6, производит его останов. Аналогично ранее описанному алгоритму вычисляется текущее значение модуля скорости V, которое считывается с выхода вычислителя 9.
При движении РТО задним ходом работа измерителя линейной скорости происходит как и прежде, за исключением того, что на приемник теплового излучения 32 воздействует тепловой поток, порожденный нагревом поверхности рельса 4 за счет оптического потока с выхода не первого Зг а второго источника оптического излучения З3.
Таким образом, получим альтернативный высокоточный вариант измерения модуля скорости для точного расчета кривой торможения при определении препятствия ТО или поддержания (регулировки) максимальной допустимой скорости при движении РТО по участку.
В заключение отметим, что рассмотренное устройство обеспечивает автономное измерение модуля относительной скорости транспортного объекта с высокой точностью и может быть использовано при решении навигационной задачи подвижных единиц рельсового транспорта.
Точное определение модуля скорости РТО влияет на его способность безопасной остановки перед препятствием или маневрирования в случае возникновения непредвиденной ситуации. Знание точной скорости дает возможность машинисту и диспетчерам принимать более обоснованные решения, связанные с режимом движения рельсовых транспортных средств и их безопасностью, а также контролировать соблюдение графика движения поездов, особенно на участках с лимитирующими скоростями. Это обеспечивает своевременное прибытие поездов на станции и помогает избегать их опозданий. Кроме того, знание скорости способствует оптимизации расхода топлива и электроэнергии, а также снижению выброса вредных веществ в атмосферу.
Поскольку скорость напрямую связана с работой тягового оборудования, тормозной системы и других компонентов поезда, ее текущее измерение позволяет оценивать и техническое состояние подвижного состава.
Для контроля тренировки персонала (локомотивных бригад) также важно определение текущей скорости подвижного состава, так как это используется для обучения и аттестации машинистов, а также для оценки их профессиональных навыков по вождению поезда в ручном режиме.
СПИСОК источников
1. Охотников А.Л., Чернин М.А. Разработка систем для автономного подвижного состава // Автоматика, связь, информатика. 2021. № 11. С. 21-24. DOI: 10.34649/АТ.2021.11.11.006.
2. Охотников А.Л., Костюков А.В. Калибровка датчиков системы технического зрения тягового подвижного состава // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2023. № 2 (90). С. 20-29. DOI: 10.46973/0201 -727Х_2023_2_20.
3. Методология обоснования требований безопасности при использовании систем технического зрения в интеллектуальных системах управления движением поездов / Л.А. Баранов, П.Ф. Бестемьянов, Е.П. Балакина, А.Л. Охотников // Интеллектуальные транспортные системы : материалы Международной научно-практической конференции, Москва, 26 мая 2022 года. М.: РУТ (МИИТ), 2022. С. 54-58.
4. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. 4 изд., перераб. и доп. М.: Радиотехника, 2010. 800 с.
5. Патент № 2548927 С1 Российская Федерация, МПК G01C 21/02. Система астронавигации: № 2013154159/28: заяви. 05.12.2013: опубл. 20.04.2015/В.М. Антимиров, А.Ю. Вагин, А.С. Вдовин [и др.]; заявитель Федеральное государственное унитарное предприятие «Научное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова». - EDN WVPZGP.
6. Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. Автономные системы. М.: Наука, 1966. 579 с.
7. Щербинин В.В. Построение инвариантных корреляционно-экстремальных систем навигации и наведения летательных аппаратов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011.230 с.
8. Патент № 2799734 РФ, G01C 21/18, G01C 22/02, B61L 25/02. Бортовое устройство позиционирования рельсового транспортного средства: / Иванов В.Ф., Охотников А.Л., Попов П.А., Соколов С.В., Сухоруков С.А.; патентообладатель ОАО «РЖД». № 2023110066; заявл. 20.04.2023; опубл. 11.07.2023; Бюл. № 20.
9. Лазерные доплеровские измерители // НИИТеплоприбор : официальный сайт. URL:/ https://niiteplopribor. ru/lazernye-izmeriteli/ (дата обращения 03.03.2024).
