Разработка и исследование оптико-электронной системы хранения направления в плоской системе координат

Задача хранения направления на подвижных объектах наиболее часто встречается в геодезии, навигации и в тяжелом машиностроении. В последнем случае из-за отсутствия приемлемых технических решений поставленные цели достигаются геодезическими измерениями.

К сожалению, современный уровень развития навигационно-измерительных систем не позволяет обеспечить всех заинтересованных в высокоточных результатах. Это связано как с дороговизной самих вычислительных систем и периферийного оборудования, так и с рядом сложностей и систематических ошибок, которым сопутствует измерительный процесс.

Для удовлетворения потребностей различных организаций, в задачи которых входит хранения направления в той или иной области, целесообразна разработка альтернативной оптико-электронной системы, принципы работы которой должны принципиально отличаться от использующихся сегодня методов, а некоторые недостатки, им свойственные, — устранены.

Целью работы является разработка оптико-электронной системы хранения направления в плоской системе координат, основанного на отказе от традиционного физического хранения. При этом оно может храниться в виде результатов угловых расчетов.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) Выполнен аналитический обзор литературных и патентных источников известных методов навигации, хранения и определения положения, проведен их анализ, выявлены частные и общие недостатки;

2) Разработана и исследована модель оптико-электронной системы хранения направления, основанной на виртуальном измерении изменений положения контролируемого основания;

3) Разработаны методики расчета, получены аналитические зависимости, учитывающие связь массогабаритных параметров устройства с точностью измерений, возможных погрешностей;

4) Проведен анализ и расчет параметров работы исследуемой системы применительно к контролю характеристик' железнодорожного пути, точность результатов которого превышает используемые сегодня методы.

Выбранное направление исследования является актуальным.

Актуальность исследований обусловлена потребностью в создании принципиально новой системы хранения направления, основанной на виртуальном измерении углового положения контролируемого основания.

Из рассмотренных свойств гироскопов различного типа, как устройств, решающих задачу хранения направления, следует, что у каждого есть недостатки, ему присущие. Между тем, у всех типов гироскопов общий недостаток — это интегрируемость ошибки измерения курса со временем, что делает невозможной работу гироскопического устройства в течение длительного периода времени.

Общим при традиционном методе хранения курса гироскопическим устройствами, использующимися сегодня, является создание направления на подвижном основании физическими элементами этих устройств, а также сохранение их положения в независимой от подвижного основания системе координат (инерциальной или связанной с землей).

Научная новизна работы заключается в разработке и исследовании принципиально новой оптико-электронной системы, в основе работы которой лежит идея отказа от традиционного физического хранения.

Теоретической и методологической основой диссертационной работы послужили труды в области навигации и проведении геодезических измерений. Также в работе использованы материалы, опубликованные в периодических изданиях, доклады российских и международных конференций.

Положения, выносимые на защиту:

1) Обоснование целесообразности построения оптико-электронной системы хранения направления в плоской системе координат.

2) Принцип работы системы. Хранение направления реализуется виртуально через результаты периодических угловых измерений.

3) Алгоритм построения математической модели системы.

4) Анализ и расчет возможных ошибок системы хранения направления. Возможные пути их компенсации.

5) Практическая реализация предложенного метода для контроля параметров железнодорожных путей.

Структура диссертационной работы:

Диссертационная работа изложена на 101 странице печатного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.

Выводы по главе 4:

Учитывая перечисленные в первой главе недостатки современных гироскопов и их точности, можно утверждать, что точность данного метода не будет выше точности элементов, на которых он реализован.

Предложенный метод хранения направления может стать альтернативой существующим методам определения геометрических параметров рельсовой колеи, работающих по принципу непрерывного определения углового положения вагона-путеизмерителя. Применение в составе оборудования скоростного вагона-путеизмерителя интегрированной системы предложенного метода позволяет обеспечить измерение геометрических параметров пути в практически неограниченном диапазоне изменения скорости движения, точную локализацию места измерения, ориентации (крен, уклон и курсовой угол) и динамики движения объекта.

Для определения ошибки предложенного метода хранения направления и сравнения ее с допустимыми сегодня значениями проведем расчет для одной плоскости — плоскости тангажа. Очевидно, что для плоскости крена результаты будут аналогичные.

Разработанный метод контроля рельсового пути может заполнить существующий пробел в данной отрасли и открыть новое информационное поле для исследований и конкретных применений.

Бесхордовый инерциальный метод, позволяющий измерять неровности рельсовых нитей в продольной и вертикальной плоскостях, обладает научной и технической новизной.

Заключение

.

Проведен анализ современных средств хранения направления, определены их принципиальные и неустранимые источники погрешностей. Доказана актуальность создания нового метода, лишенного этих недостатков.

Разработана модель оптико-электронной системы хранения направления, в основе работы которой лежит принципиально новый подход виртуального хранения направления.

Проведен подробный анализ работы системы, разработана ее математическая модель, определены и рассчитаны значения возможных погрешностей измерений.

Получены расчетные формулы, позволяющие проектировать устройство, ориентируюсь на конкретную область применений.

Рассчитаны возможные ошибки системы, приведены их аналитические и графические зависимости. Проведен анализ их влияния на работу системы.

В качестве эксперимента выполнен расчет применения системы для контроля параметров железнодорожных путей согласно требований, предъявляемых для данного вида измерений. Эксперимент показал хорошие результаты, позволяющие сделать вывод о рациональности применения системы в данной области техники.

Результаты экспериментального исследования компьютерного макета системы подтвердили правильность теоретических расчетов.

В целом были достигнуты все поставленные перед работой цели и получены ожидаемые результаты.