УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ДВИЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к области измерений векторов скорости и ускорения движущегося объекта и может быть использована в системах для контроля движения объектов железнодорожного транспорта и метрополитена, подводных лодок и других подвижных объектов.
Известна инерциальная система управления (см. кн. Жаков A.M., Пигулевский Ф.А. Управление баллистическими ракетами. - М.: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1965. стр.241-243), в которой контроль движения подвижного объекта осуществляют путем измерения векторов скорости и ускорения с использованием инерциального устройства, выполненного в виде трех пружинных акселерометров, расположенных на осях Декартовой системы координат. Один акселерометр располагают вдоль направления движения (ось X) для регистрации движения. Два других акселерометра располагают перпендикулярно (оси Y, Z) для регистрации отклонения от направления движения.
Каждый акселерометр включает в себя измеритель в виде груза массой m, прикрепленного к корпусу устройства с помощью пружин. Груз связан с контактом потенциометра, питаемого от источника постоянного тока.
Пружины выполняют функцию демпфера, а также - автоматического регулятора положения измерителя - возвращения груза в исходное положение при исчезновении ускорения.
Однако наличие трех акселерометров влечет необходимость предварительной взаимной или внешней синхронизации и калибровки для того, чтобы они в равной степени одинаково и синхронно реагировали на изменение движения, а также необходимость их точной ориентации по взаимно перпендикулярным осям перед началом движения объекта и сохранении этого положения в процессе движения.
Эти операции требуют достаточно трудоемких высокоточных работ. Кроме того, при движении, сопряженном с перегрузками, взаимно перпендикулярное положение акселерометров трудно сохранить. Известно, что изменение положения акселерометров приводит к искажению вектора скорости и ускорения.
Недостатком известного устройства является также возможность появления резонансного эффекта для каждой из пружин. Каждая пружина является колебательным устройством и имеет собственную частоту колебания. При вибрациях может возникнуть резонанс, который приведет к искажению реакции пружин на внешнее воздействие и, следовательно, к искажению регистрации параметров движения объекта.
Решаемая задача заключается в создании устройства для контроля движения подвижного объекта простого и надежного в эксплуатации.
Техническим результатом является упрощение устройства и повышение точности измерения за счет использования жидкостного инерциального датчика.
Это достигается тем, что устройство контроля подвижного объекта содержит заполненный жидкостью корпус, выполненный в виде прямого параллелепипеда и закрепленный одной гранью на подвижном объекте в горизонтальной плоскости, датчики давления, установленные равномерно на внешней поверхности каждой грани корпуса, шесть аналого-цифровых преобразователей, шесть блоков усреднения, блок времени и блок обработки, выходом соединенный посредством канала связи с блоком контроля и управления подвижным объектом, при этом выходы датчиков давления, размещенных на каждой грани корпуса, подключены через последовательно соединенные соответствующие аналого-цифровой преобразователь и блок усреднения к соответствующим информационным входам блока обработки, другой информационный вход которого соединен с выходом блока времени, причем жидкость заполняет корпус не более 85% его объема.
При этом в качестве датчиков давления используют тензометрические датчики.
На фиг.1 представлен разрез поперечного сечения используемого в устройстве инерциального датчика, на фиг.2 представлена структурная схема одного из вариантов выполнения предлагаемого устройства для контроля движения подвижного объекта, на фиг.3 - разрез поперечного сечения инерционного датчика в подвижном состоянии объекта при ускорении движения, на фиг.4 - разрез поперечного сечения инерционного датчика в подвижном состоянии объекта при торможении; на фиг.5 - разрез поперечного сечения инерционного датчика при повороте объекта налево, на фиг.6 - разрез поперечного сечения инерционного датчика при повороте объекта направо.
Подвижным объектом в конкренном примере использования предлагаемого устройства является электровоз или вагон поезда железнодорожного транспорта.
Устройство включает заполненный жидкостью 1 корпус 2 в форме прямого параллелепипеда, одной гранью закрепленный на локомотиве электропоезда в горизонтальной плоскости, датчики 3 давления, установленные равномерно по всей внешней поверхности каждой грани корпуса 2, шесть аналого-цифровых преобразователей 4, шесть блоков 5 усреднения, блок 6 обработки, выходом соединенный посредством канала связи с аппаратно-программным устройством автоматизированного рабочего места поездного диспетчера (АРМ ДНЦ), и блок 7 времени.
При этом выходы датчиков 3 давления, расположенных на каждой грани корпуса, подключены через последовательно соединенные соответствующие аналого-цифровой преобразователь 4 и блок 5 усреднения к соответствующим информационным входам блока 6 обработки. Выход блока 7 времени подключен к соответствующему входу блока 6 обработки. Жидкость 1 заполняет корпус 2 не более 85% его объема.
Корпус 2 с жидкостью 1 выполняет функции инерциального датчика положения объекта, его чувствительным элементом является жидкость, реагирующая на внешнее воздействие.
В качестве блока 6 обработки используют процессор, программное обеспечение которого выполняет следующие функции:
- фиксирует усредненные значения показаний датчиков давления, расположенных на каждой грани корпуса, в состоянии покоя электропоезда;
- в режиме реального времени фиксирует показания усредненных значений датчиков давления, расположенных на каждой грани корпуса в процессе движения электропоезда;
- сравнивает в автоматическом режиме показания усредненных значений датчиков давления для каждой грани корпуса с соответствующим нулевым значением и определяет режимы движения электропоезда;
- вычисляет изменения усредненных значений показаний датчиков, расположенных на противоположных гранях корпуса;
- по изменениям давления на противоположных гранях корпуса вычисляет ускорение, скорость электропоезда и определяет пространственное положение электропоезда;
- направляет данные о величине ускорения, скорости электропоезда и его пространственном положении в программно-аппаратное устройство автоматизированного рабочего места поездного диспетчера;
- с учетом времени движения и скорости следования электропоезда определяет местоположение объекта.
Устройство используют следующим образом.
Корпус 2 в виде прямого параллелепипеда соединен механически с локомотивом электропоезда таким образом, чтобы одна его грань установлена в горизонтальной плоскости.
При движении электропоезда измеряют давления на стенки корпуса:
Рв - давление на верхнюю грань корпуса;
Рн - давление на нижнюю грань корпуса;
Рп - давление на переднюю грань корпуса (по отношению к движению);
Рз - давление на заднюю грань корпуса;
Рл - давление на левую грань корпуса (условно, по отношению к движению);
Рпр - давление на правую грань корпуса (условно, по отношению к движению).
Первоначально осуществляют калибровку, заключающуюся в том, что в неподвижном состоянии электропоезда измеряют величину давления на каждую грань параллелепипеда с помощью датчиков 3 давления.
В качестве датчиков 3 используют тензометрические датчики. Тензометрический датчик преобразует силы, действующие на стенку корпуса, в изменение электрического сопротивления.
Сигналы с выходов датчиков 3 давления, расположенных на каждой грани корпуса 2, преобразуют с помощью соответствующего аналого-цифрового преобразователя 4 в цифровую форму, затем в блоке 5 усреднения вычисляют среднее значение величин давления на каждую грань. Полученные значения передают в блок 6 обработки, в котором фиксируют их как нулевые уровни начальных значений давлений.
Таким образом, процесс калибровки учитывает начальное распределение давлений на грани корпуса независимо от его ориентации относительно подвижного объекта. Этим устраняется трудоемкая и сложная процедура ориентации жидкостного инерциального датчика, и повышается точность измерений.
По результатам калибровки получают значения давлений: Рв0, Рн0, Рп0, Рз0, Рл0, Рпр0, которые запоминают в памяти блока 6 обработки.
Начало движения электропоезда характеризуется изменением начальных значений давлений на гранях корпуса 2. Изменения давлений фиксируются блоком 5 обработки автоматически в режиме реального времени. Благодаря чему поездной диспетчер в любой момент времени может осуществить сопоставительную оценку скорости и ускорения электропоезда, а также интегральную оценку пройденного им пути.
При равномерном движении электропоезда жидкость 1 внутри корпуса 2 находится в состоянии равновесия и не перемещается.
При ускорении электропоезда по направлению движения на жидкость 1 действует внешняя сила, которая прижимает жидкость 1 к задней грани корпуса 2 (фиг.3).
В этом случае Рз(х,у)>Рз0, Рп(х,у)<Рп0. При этом интегральное значение будет ΔР=Рп-Рз<0.
При ускорении меняется пространственное распределение Рву и Рну давлений: Рву(х,у)≠Рв0(х,у), Рну(х,у)≠Рн0(х,у).
При торможении электропоезда по направлению движения на жидкость 1 действует внешняя сила, которая прижимает жидкость 1 к передней грани корпуса 2 (фиг.4).
В этом случае Рз(х,у)<Рз0; Рп(х,у)>Рп0, а интегральное значение ΔР=Рп-Рз>0.
При торможении Рвт(х,у)≠Рв0(х,у), Рнт(х,у)≠Рн0(х,у).
При повороте подвижного объекта налево по направлению движения на жидкость 1 действует внешняя сила, которая прижимает ее к правой грани корпуса 2 (фиг.5).
В этом случае Рл(х,у)<Рл0, Рпр(х,у)>Рпр0, а интегральное значение ΔР=Рпр-Рл>0.
При торможении Рвт(х,у)≠Рв0(х,у), Рнт(х,у)≠Рн0(х,у)
При повороте подвижного объекта направо по направлению движения на жидкость 1 действует внешняя сила, которая прижимает ее к левой грани корпуса 2 (фиг.6).
В этом случае Рл(х,у)>Рл0, Рпр(х,у)<Рпр0, а интегральное значение - ΔР=Рпр-Рл<0
Блок 6 обработки по изменениям давлений в режиме реального времени определяет ускорение, скорость и положение электропоезда. Полученные данные отправляют в АРМ ДНЦ для контроля 2 движения электропоезда.