RU2769956C1 - Method and system for determining the speed of a locomotive and the direction of movement - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measuring equipment, namely, to radio location, and can be used on railways (Rwy) to determine such parameters of movement of the locomotive as instantaneous speed, distance travelled, direction of movement. The technical result is achieved due to the application, in the claimed system for determining the speed of the locomotive and the direction of movement, of two consecutive short-range radars placed in the undercar space of the locomotive, as well as markers along the geometry of the Rwy track, constituting plates for attaching rails to sleepers, processing signals reflected from the markers.

EFFECT: increase in the accuracy of measurement of the speed of movement of the locomotive on the Rwy track, especially at low speeds, from starting, determining the direction of movement.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к радиолокации, и может быть использовано на железных дорогах (ж/д) для определения параметров движения локомотива таких, как мгновенная скорость, пройденный путь, направление движения.The invention relates to measuring technology, namely to radar, and can be used on railways (railway) to determine the parameters of the movement of the locomotive such as instantaneous speed, distance traveled, direction of movement.

Общей проблемой на ж/д транспорте является измерение малых скоростей движения с начала трогания с места и в самом конце движения, вплоть до остановки. Это объясняется тем, что для измерения скорости применяются механические датчики, которые обладают значительной погрешностью измерения, кроме того, при пробуксовке и юзе они не работоспособны.A common problem in railway transport is the measurement of low speeds from the beginning of starting off and at the very end of the movement, up to a stop. This is due to the fact that mechanical sensors are used to measure the speed, which have a significant measurement error, in addition, they are not operable when slipping and skidding.

Известны автодинные радиолокаторы малого радиуса действия с частотной модуляцией, которые нашли широкое применение на ж/д транспорте в качестве измерителей параметров движения вагонов на сортировочных горках, локомотивов относительно полотна дороги, обнаружителей занятости стрелочных переводов и ж/д переездов, датчиков предупреждения столкновений и многое другое, см. Носков В.Я. и др. «Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазона и их применение» ч. 9 «Радиолокационное применение автодинов. Успехи современной радиоэлектроники», 2016, №3, стр. 32-80.Autodyne short-range radars with frequency modulation are known, which are widely used in railway transport as measuring parameters for the movement of cars on marshalling yards, locomotives relative to the roadbed, occupancy detectors for turnouts and railway crossings, collision avoidance sensors, and much more. , see Noskov V.Ya. et al. “Modern hybrid-integrated autodyne generators of the microwave and millimeter range and their application”, part 9 “Radar application of autodynes. Successes of modern radio electronics”, 2016, No. 3, pp. 32-80.

Недостаток: большая сложность.Disadvantage: a lot of complexity.

Также известен патент РФ №2378654 от 10.01.2010 г. «Локомотивная система определения скорости движения и пройденного пути», которая содержит три приемоизлучающих устройства, каждое из которых включает блок СВЧ -излучателя с передающей антенной и приемный блок отраженного СВЧ -излучения с приемной антенной и усилителем и программируемый микропроцессор с двумя блоками корреляционно-экстремальной обработки. Все приемоизлучающие устройства расположены последовательно по продольной симметрии рельса и отраженные сигналы от подстилающего балласта, воспринимаются и анализируются по специальному обеспечению.Also known is the patent of the Russian Federation No. 2378654 dated January 10, 2010 “Locomotive system for determining the speed and distance traveled”, which contains three receiving and emitting devices, each of which includes a microwave emitter unit with a transmitting antenna and a receiving unit of reflected microwave radiation with a receiving antenna and an amplifier and a programmable microprocessor with two blocks of correlation-extremal processing. All transceivers are located in series along the longitudinal symmetry of the rail and the reflected signals from the underlying ballast are perceived and analyzed by special software.

Недостаток: очень сложное схемное решение за счет применения корреляционной обработки, а также нестабильная работа в экстремальных условиях эксплуатации.Disadvantage: a very complex circuit design due to the use of correlation processing, as well as unstable operation in extreme operating conditions.

Эта система вообще не применима в высокоскоростных ж/д магистралях, в которых не используются шпалы, а есть только прочное подстилающее основание на всем пути, т.е. нет балласта в обычном смысле этого слова, т.е. нет реперов для отчетов.This system is not applicable at all in high-speed railway lines, which do not use sleepers, but only have a solid sub-base all the way, i.e. there is no ballast in the usual sense of the word, i.e. there are no benchmarks for reports.

В настоящее время намечается тенденция перехода электрического ж/д транспорта на постоянном токе на переменный ток промышленной частоты, это дает значительное повышение эксплуатационных характеристик одновременно с применением управления всеми двигательными (ведущими) колесами локомотива по схеме мотор/колесо от центрального процессора. Это предъявляет повышение требований к измерениям параметров движения как на сверхмалых (0.5-2 м/с), так и на больших скоростях (300-500 км/ч).At present, there is a tendency for the transition of electric railway transport at direct current to alternating current of industrial frequency, this gives a significant increase in performance simultaneously with the use of control of all motor (driving) wheels of the locomotive according to the motor / wheel scheme from the central processor. This imposes increased requirements for measuring motion parameters both at ultra-low (0.5–2 m/s) and high speeds (300–500 km/h).

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения скорости движения локомотива на ж/д пути, особенно на малых скоростях, начиная трогания с места с определением направления движения.The technical objective of the invention is to improve the accuracy of measuring the speed of the locomotive on the railway track, especially at low speeds, starting from a stop with determining the direction of movement.

Технический результат достигается за счет применения двух последовательных радиолокаторов малого радиуса действия, размещенных в подкузовном пространстве локомотива, а в качестве маркеров по геометрии ж/д пути выбраны накладки крепления рельсов к шпалам и оптимальной обработки отраженных от маркеров сигналов.The technical result is achieved through the use of two successive short-range radars located in the underbody space of the locomotive, and linings for attaching rails to sleepers and optimal processing of signals reflected from markers are chosen as markers for the geometry of the railway track.

Для решения поставленной задачи предлагается способ и система определения скорости локомотива и направления движения, основанный на применении - использовании искусственных ориентиров - маркеров вдоль геометрии ж/д пути в виде накладок для крепления рельсов к шпалам, характеризующийся тем, что по мере движения локомотива излучающей по двум последовательным каналам зондирующие радиолокационные сигналы, принимают отраженные от меток ответные сигналы и, зная расстояние-базу между зондирующими - приемными каналами, а так же засекают время между проходом ответных импульсов от текущей метки по каждому каналу по формуле:To solve the problem, a method and system for determining the speed of the locomotive and the direction of movement is proposed, based on the use - the use of artificial landmarks - markers along the geometry of the railway track in the form of overlays for attaching rails to sleepers, characterized in that as the locomotive moves along two probing radar signals to serial channels, receive the response signals reflected from the marks and, knowing the distance-base between the probing - receiving channels, as well as detect the time between the passage of response pulses from the current mark along each channel according to the formula:

где

(расстояние между каналами) t - время прохода меткиwhere

(distance between channels) t - mark pass time

Определяют скорость локомотива по выражению:

а по последовательности времени прохода каналами метки определяют направление движения, так если последовательность первый-второй канал, то движение вперед, если же второй-первый, то назад; при движении с места все отсчеты проводят по второй метке.Determine the speed of the locomotive by the expression:

and according to the sequence of passage time by the channels, the marks determine the direction of movement, so if the sequence is the first-second channel, then movement forward, if the second-first, then backward; when moving from a place, all readings are carried out according to the second mark.

На фиг. 1 изображена структурная электрическая схема системы, на которой показано:In FIG. 1 shows a structural electrical diagram of the system, which shows:

1) накладки для крепления рельсов к шпалам (они же маркерные метки);1) pads for attaching rails to sleepers (they are also marker marks);

2) первый радиолокационный датчик (Д1);2) the first radar sensor (D1);

3) второй радиолокационной датчик (Д2);3) the second radar sensor (D2);

4) первый блок обработки отраженных сигналов от меток (БОС 1);4) the first block for processing reflected signals from tags (BOS 1);

5) второй блок обработки отраженных сигналов от меток (БОС2);5) the second block for processing reflected signals from tags (BOS2);

6) микроконтроллер (МК);6) microcontroller (MC);

7) потребители сигналов скорости и направления движения;7) consumers of speed and direction signals;

8) шины управления и синхронизации (Ш1);8) control and synchronization buses (Sh1);

9) двунаправленные шины связи (Ш2 и Ш3);9) bidirectional communication buses (Sh2 and S3);

10) Ш4 и Ш5 - диаграммы направленности датчиков Д1 и Д2.10) Ш4 and Ш5 - radiation patterns of sensors D1 and D2.

Блок питания условно не показан.The power supply is not shown conventionally.

Схема имеет следующие соединения.The circuit has the following connections.

Первый Д1 и второй Д2 радиолокационные датчики зондирующими и отраженными сигналами шинами Ш4 и Ш5 связаны с метками 1, а выходы датчиков Д1 и Д2 через БОС1 и БОС2 соответственно связаны с первым и вторым входами микроконтроллера 6; первый выход которого шиной Ш1 связан с управляющими и синхронизирующими входами первого и второго датчиков Д1 и Д2; второй выход МК6 сигналами скорости и направления движения связан с их потребителями.The first D1 and second D2 radar sensors are connected by probing and reflected signals by buses Ш4 and Ш5 to marks 1, and the outputs of sensors D1 and D2 through BOS1 and BOS2, respectively, are connected to the first and second inputs of the microcontroller 6; the first output of which bus W1 is connected to the control and synchronizing inputs of the first and second sensors D1 and D2; the second output of MK6 is connected with their consumers by signals of speed and direction of movement.

На фиг. 2 показана схема расположения составных частей системы относительно друг другу, геометрии ж/д пути и подкузовного пространства локомотива на которой изображено:In FIG. 2 shows the layout of the components of the system relative to each other, the geometry of the railway track and the underbody space of the locomotive, which shows:

1 - накладки для крепления рельсов (8 шт);1 - pads for fastening rails (8 pcs);

2 и 3 - первый и второй датчики Д1 и Д2;2 and 3 - the first and second sensors D1 and D2;

8 - шпалы (6 шт);8 - sleepers (6 pcs);

9 - подкузовное пространство;9 - underbody space;

10 - рельсовый путь;10 - rail track;

А, Б, В, Г - обозначение шпал;A, B, C, D - designation of sleepers;

L1 - расстояние между центральными продольными осями соседних шпал (также и накладок);L1 - the distance between the central longitudinal axes of adjacent sleepers (also linings);

L2 - расстояние между датчиками;L2 - distance between sensors;

L3 - расстояние крепления датчиков относительно внутренней головки рельса;L3 - sensor mounting distance relative to the inner rail head;

Все расстояния и взаимное расположение даны условно.All distances and relative positions are given conditionally.

На фиг. 3 показаны расположения первого (2) и второго (3) датчиков относительно ж/д шпал на стоянке локомотива, на которых изображено:In FIG. 3 shows the location of the first (2) and second (3) sensors relative to railway sleepers at the locomotive parking, which shows:

А, Б, В и Г - шпалы с накладкамиA, B, C and D - sleepers with overlays

11 и 12 - диаграммы направленности первого и второго датчиков соответственно11 and 12 - radiation patterns of the first and second sensors, respectively

a) расположение датчиков между соседними шпалами А и Б;a) location of sensors between adjacent sleepers A and B;

b) расположение датчиков по обе стороны шпалы А;b) location of sensors on both sides of sleeper A;

c) расположение первого датчика с правой стороны около шпалы А, а второго - прямо над шпалой А;c) the location of the first sensor on the right side near sleeper A, and the second - directly above sleeper A;

d) расположение первого датчика прямо над шпалой А, второго - слева от шпалы А.d) the location of the first sensor directly above sleeper A, the second - to the left of sleeper A.

L - линия ж/д пути.L - railway line.

Система работает следующим образом. В основу работы положен принцип радиолокационного обнаружения по ходу локомотива естественных маркеров по геометрии ж/д пути, а именно накладок для крепления рельсов к шпалам. Для чего в подкузовном пространстве локомотива расположены два радиолокационных датчика следующим образом: последовательно по оси локомотива с краю, а их проекции на рельсовое полотно совпадают с накладками с внутренней или внешней стороны рельса, расстояние между датчиками чуть меньше или равно расстоянию между соседними шпалами, т.е. чуть меньше 50 см (45-49).The system works as follows. The work is based on the principle of radar detection along the course of the locomotive of natural markers along the geometry of the railway track, namely, linings for attaching rails to sleepers. Why are two radar sensors located in the underbody space of the locomotive as follows: sequentially along the axis of the locomotive from the edge, and their projections on the rail bed coincide with the linings on the inside or outside of the rail, the distance between the sensors is slightly less than or equal to the distance between adjacent sleepers, i.e. e. slightly less than 50 cm (45-49).

По ходу движения локомотива датчики излучают зондирующие радиолокационные сигналы с узкой диаграммой направленности строго вниз на ж/д полотно. По мере движения датчики последовательно проходят над балластом и накладками, от которых получают отраженные сигналы, причем от балласта и шпал их мощность минимальна, а от накладок в децибелы выше. Заметим, что от датчиков не требуется ни определения расстояния до накладок, ни определения угла места, а только наличие отраженных от накладок сигналов.In the direction of the locomotive, the sensors emit probing radar signals with a narrow directivity pattern strictly down onto the railway track. As they move, the sensors sequentially pass over the ballast and overlays, from which they receive reflected signals, and their power from the ballast and sleepers is minimal, and from the overlays it is higher in decibels. Note that the sensors are not required to determine the distance to the overlays, nor to determine the elevation angle, but only the presence of signals reflected from the overlays.

Полученные отраженные сигналы обрабатываются в датчиках в формате логики, т.е. итоговый результат обработки представляет собой лог.0, если датчик находится вне накладки, и лог.1, если над ней.The received reflected signals are processed in the sensors in a logic format, i.e. the final processing result is log.0 if the sensor is outside the overlay, and log.1 if above it.

Эти сигналы поступают на микроконтроллер, который по логической единице от первого датчика (см. фиг. 3, поз.а) движение вперед до шпалы Б) начинает отсчет времени.These signals are sent to the microcontroller, which, according to a logical unit, from the first sensor (see Fig. 3, pos.a) moving forward to sleeper B) starts the countdown.

Когда второй датчик достигнет шпалы Б, микроконтроллер получит лог.1, отсчет времени прекращается, а микроконтроллер производит вычисление скорости по известной формуле, в которой известно время Δt и расстояние между датчиками:When the second sensor reaches sleeper B, the microcontroller will receive a log.1, the time counting stops, and the microcontroller calculates the speed using a well-known formula in which the time Δt and the distance between the sensors are known:

Уточнение. Замер времени для расчета от начала движения производится при второй лог.1 от датчика 2 от накладки В (движение вперед) и от накладки Г (движение назад) от датчика 3.Clarification. The measurement of time for calculation from the beginning of the movement is carried out at the second log.1 from sensor 2 from overlay B (forward movement) and from overlay G (reverse movement) from sensor 3.

Измерение направления движения происходит также при фиксации второй шпалы по следующему алгоритму: если первым фиксируется датчик 2, то движение вперед, если же датчик 3, то движение назад.The movement direction is also measured when the second sleeper is fixed according to the following algorithm: if sensor 2 is detected first, then movement forward, if sensor 3, then movement backward.

Заметим, что измерение скорости и направления происходит одновременно, а по ней легко вычислить и величину пройденного пути.Note that the measurement of speed and direction occurs simultaneously, and it is easy to calculate the distance traveled from it.

Типы применяемых радиолокационных датчиков и виды излучаемых зондирующих сигналов могут быть самыми различными. Основные требования это: малые ГМХ, высокая помехоустойчивость, простое программное обеспечение и малая стоимость.The types of radar sensors used and the types of emitted probing signals can be very different. The main requirements are: small GMC, high noise immunity, simple software and low cost.

Предлагаемое техническое решение позволит решить задачу измерения скорости локомотива при любых погодных условиях: дождь, ночь, туман, снегопад, перепад температур и т.д. при высокой точности измерения, недоступной другим способам.The proposed technical solution will solve the problem of locomotive speed measurement under any weather conditions: rain, night, fog, snowfall, temperature difference, etc. with high measurement accuracy, inaccessible to other methods.

Таким образом, предлагаемое техническое решение полностью соответствует основному экономическому постулату «стоимость -эффективность».Thus, the proposed technical solution fully complies with the basic economic postulate "cost-effectiveness".

Claims (1)

Система определения скорости локомотива и направления движения, содержащая маркеры на геометрии ж/д пути, первый и второй радиолокационные датчики, соответственно, первый и второй блоки обработки отраженных сигналов - БОС, микроконтроллер, шину управления и синхронизации, две двунаправленные шины связи и потребители сигналов скорости и направления движения со следующими соединениями: первый и второй радиолокационные датчики зондирующими и отраженными сигналами шинами и связаны с метками, а выходы датчиков через первый и второй БОС, соответственно, связаны с первым и вторым входами микроконтроллера, первый выход которого шиной связан с управляющими и синхронизирующими входами первого и второго датчиков; второй выход микроконтроллера сигналами скорости и направления движения связан с их потребителями.The system for determining the speed of the locomotive and the direction of movement, containing markers on the geometry of the railway track, the first and second radar sensors, respectively, the first and second blocks for processing reflected signals - BOS, a microcontroller, a control and synchronization bus, two bidirectional communication buses and consumers of speed signals and directions of movement with the following connections: the first and second radar sensors are connected by probing and reflected signals to the tires and are connected to the tags, and the sensor outputs through the first and second BOS, respectively, are connected to the first and second inputs of the microcontroller, the first output of which is connected by the bus to the control and synchronizing inputs of the first and second sensors; the second output of the microcontroller is connected with their consumers by signals of speed and direction of movement.

Images