基于激光位移传感器的列车车轮尺寸参数在线检测方法

摘要

本发明公开了一种基于激光位移传感器的列车车轮尺寸参数在线检测方法。方法为：在列车前进方向的轨道内侧依次安装第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2，在与第二激光位移传感器L2对称的轨道外侧安装第三激光位移传感器L3；首先将第一、第二、第三个激光位移传感器同时探测车轮得到的数据进行坐标变换；然后提取第一、第二、第三激光位移传感器的车轮端面及关键点，最后通过车轮端面及拟合曲线计算车轮轮缘参数，获取第一、第二激光位移传感器L1、L2到车轮轮缘最低点的距离，进而计算车轮的直径。本发明结构布设方便、系统稳定、测量原理简单，能够进行高精度的在线检测。

说明书

技术领域

本发明属于铁路车轮检测技术领域，特别是一种基于激光位移传感器的列车车轮尺寸参数在线检测方法。

背景技术

随着国内轨道交通的大规模建设，列车运行速度的不断提高，其安全问题日益受到广泛重视。轮对作为轮轨车辆重要的走行部件，其质量优劣对列车运行安全至关重要，而轮对的外形尺寸是衡量轮对技术状态的重要指标。由于在恶劣的工作条件下长时间与轨道摩擦以及刹车、振动等，使得轮对踏面表面出现磨损、擦伤、剥离等缺陷，这些缺陷都严重威胁着行车安全。因此，必须及时有效地对列车轮对状态进行检测，及时发现轮对缺陷，修复或更换超限轮对，以避免列车事故的发生。

轮对尺寸在线检测系统一直是国内外轨道交通研究的重点。美国、俄罗斯、瑞士、日本等国在轮对尺寸研究在轮对自动检测拥有较为成熟的技术，但由于设备规模大、安装基础要求高、价格昂贵，导致国外的系统不适合国内地铁公司的实际情况。对于国内轮对尺寸的在线检测技术，成文凭研究了基于机器视觉的轮对尺寸检测技术，提高了检测效率，但由于车轮磨损部分有着强烈的反光现象，使得数字图像中轮对的边缘变得模糊，给后期的图像处理带来了难度；胡波提出了一种基于PSD的激光位移测量技术的轮对尺寸动态监测系统，具有实时性强、分辨率高的特点，但系统所需传感器多，对安装要求高且价格昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构布设方便、系统稳定、测量原理简单的基于激光位移传感器的列车车轮尺寸参数在线检测方法，实现高精度的在线非接触式测量。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种基于激光位移传感器的列车车轮尺寸参数在线检测方法，包括以下步骤：

步骤1，布置激光位移传感器：在列车前进方向的轨道内侧依次安装第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2，在与第二激光位移传感器L2对称的轨道外侧安装第三激光位移传感器L3；

步骤2，坐标变换：第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3同步采集车轮踏面轮廓数据，将采集得到的数据所在的坐标系xoy进行坐标变换，转换到与轨道内端面平行的uov坐标系中；

步骤3，端面及关键点提取：根据步骤2坐标变换后的数据，提取第一激光位移传感器L1和第二激光位移传感器L2的右端面、第三激光位传感器L3的左端面；根据第一激光位移传感器L1的采集数据拟合曲线，提取车轮轮缘顶点，计算第一激光位移传感器L1到轮缘顶点距离最小值d₁，并计算此时第二激光位移传感器L2到轮缘的距离d₂；

步骤4，轮缘参数计算：根据步骤3端面提取，以及对第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3数据曲线拟合的结果，计算车轮轮缘高参数及轮缘厚参数；

步骤5，计算车轮直径：根据步骤3提取的第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2到踏面的距离d₁、d₂，计算车轮的轮缘顶点圆直径，根据步骤4求取的轮缘高计算车轮直径。

进一步地，步骤1所述的第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3与轨道之间的垂直安装距离l₁、l₂、l₃均相等，取值范围为300mm～400mm；第一激光位移传感器L1与第二激光位移传感器L2之间的安装距离l_w范围为100mm～200mm，第三激光位移传感器L3与第二激光位移传感器L2沿轨道对称安装；第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3与铅垂线的夹角β₁、β₂、β₃均相等，取值范围为40～55°；第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3与轨道水平方向上的夹角α₁、α₂、α₃均相等，取值范围为40～50°。

进一步地，步骤2所述坐标变换，具体如下：

(1)第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3同时探测车轮，得到探测点的坐标，该探测点的坐标以激光位移传感器激光发射方向的中心线为y轴，垂直于y轴的方向为x轴，激光位移传感器的激光源为坐标原点；

(2)将第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2测得的坐标根据公式(1)进行坐标变换，变换后的坐标系以激光位移传感器的激光源为原点，垂直于轨道方向的直线为u轴，与车轮端面平行的方向为v轴，在旋转过后的坐标系中的表示为

其中，上标i＝1,2表示第一激光位移传感器L1，第二激光位移传感器L2的坐标；

将第三激光位移传感器L3测得的坐标根据公式(2)坐标变换为变换后的坐标系以激光位移传感器的激光源为原点，垂直于轨道方向的直线为u轴，与车轮端面平行的方向为v轴：

进一步地，步骤3所述端面及关键点提取，具体如下：

(1)根据步骤2坐标变换后的坐标，提取满足式(3)的坐标点：

|u_i-u_i-1|≤0.02(3)

将满足式(3)的所有点的横坐标的平均值作为车轮踏面端面的横坐标值；设定第一激光位移传感器L1右端面、第二激光位移传感器L2右端面、第三激光位移传感器L3左端面的横坐标值分别为u_L1、u_L2、u_L3；

(2)对第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3坐标变换后的数据，进行分段4阶最小二乘曲线拟合，提取第一激光位移传感器L1拟合曲线上v轴方向上最低点的坐标(u₁,v₁)，作为车轮的轮缘最低点，该点的纵坐标值即为当车轮圆心与第一激光位移传感器L1距离最近时，第一激光位移传感器L1到车轮轮缘的距离d₁，计算此时第二激光位移传感器L2到车轮轮缘的距离d₂。

进一步地，步骤4所述轮缘参数计算，具体如下：

根据步骤3获得踏面曲线方程，将第二激光位移传感器L2右端面左侧70mm处点的纵坐标作为轮缘高参数H，并将该点下方10mm处点的横坐标作为轮缘厚参数W。

进一步地，步骤5所述车轮直径计算，具体如下：

当第一激光位移传感器L1采集到轮缘最低点时，车轮圆心与激光位移传感器L1的距离最近，根据步骤3计算此时激光位移传感器L1与车轮踏面的最短距离d₁，第二激光位移传感器L2到车轮轮缘的距离d₂；根据步骤1中第二激光位移传感器L2与铅垂线方向的夹角α₂，第一激光位移传感器L1与第二激光位移传感器L2的安装距离l_w，根据公式(4)计算车轮直径D：

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)所采用的检测装置结构简单、激光位移传感器布设方便、系统稳定；(2)测量原理简单，能够对列车车轮尺寸参数进行高精度的在线检测。

附图说明

图1为本发明基于激光位移传感器的列车轮径在线检测方法的流程图。

图2为本发明中检测装置结构示意图。

图3为本发明中第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3与车轮之间的安装示意图。

图4为本发明中第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3经坐标变换、数据融合后的踏面数据点示意图。

图5为是本发明直径检测原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明基于激光位移传感器的列车车轮尺寸参数在线检测方法，包括以下步骤：

步骤1，布置激光位移传感器：在列车前进方向的轨道内侧依次安装第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2，在与第二激光位移传感器L2对称的轨道外侧安装第三激光位移传感器L3。图2为本发明检测装置结构示意图。

进一步地，第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3与轨道之间的垂直安装距离l₁、l₂、l₃均相等，取值范围为300mm～400mm；第一激光位移传感器L1与第二激光位移传感器L2之间的安装距离l_w范围为100mm～200mm，第三激光位移传感器L3与第二激光位移传感器L2沿轨道对称安装；第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3与铅垂线的夹角β₁、β₂、β₃均相等，取值范围为40～55°；第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3与轨道水平方向上的夹角α₁、α₂、α₃均相等，取值范围为40～50°。图3为第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3与车轮之间的安装示意图。

步骤2，坐标变换：第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3同步采集车轮踏面轮廓数据，将采集得到的数据所在的坐标系xoy进行坐标变换，转换到与轨道内端面平行的uov坐标系中。具体过程如下：

(1)第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3同时探测车轮得到探测点的坐标，该探测点的坐标以激光位移传感器激光发射方向的中心线为y轴，垂直于y轴的方向为x轴，激光位移传感器的激光源为坐标点。

(2)将第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2测得的坐标根据公式(1)进行坐标变换，变换后的坐标系以激光位移传感器的激光源为原点，垂直于轨道方向的直线为u轴，与车轮端面平行的方向为v轴，在旋转过后的坐标系中的表示为

其中，上标i＝1,2表示第一激光位移传感器L1，第二激光位移传感器L2的坐标。

将第三激光位移传感器L3测得的坐标根据公式(2)坐标变换为变换后的坐标系以激光位移传感器的激光源为原点，垂直于轨道方向的直线为u轴，与车轮端面平行的方向为v轴。

步骤3，端面及关键点提取：根据步骤2坐标变换后的数据，提取第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2右端面、第三激光位传感器L3的左端面；根据第一激光位移传感器L1拟合曲线，提取车轮轮缘顶点，计算第一激光位移传感器L1到轮缘顶点距离最小值d₁，并计算此时第二激光位移传感器L2到轮缘的距离d₂。具体过程如下：

(1)根据步骤2坐标变换后的坐标，提取满足式(3)的坐标点：

|u_i-u_i-1|≤0.02(3)

将满足(3)的所有点的横坐标的平均值作为车轮踏面端面的横坐标值；设定第一激光位移传感器L1右端面、第二激光位移传感器L2右端面、第三激光位移传感器L3左端面的横坐标值分别为u_L1、u_L2、u_L3。

(2)对第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3坐标变换后的数据点进行分段4阶最小二乘曲线拟合，提取第一激光位移传感器L1拟合曲线上v轴方向上最低点的坐标(u₁,v₁)，作为车轮的轮缘最低点，该点的纵坐标值即为当车轮圆心与第一激光位移传感器L1距离最近时，第一激光位移传感器L1到车轮轮缘的距离d₁，计算此时第二激光位移传感器L2到车轮轮缘距离d₂。

步骤4：轮缘参数计算：根据步骤3端面提取，以及对第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3数据曲线拟合的结果，计算车轮轮缘高参数及轮缘厚参数。具体过程如下：

根据步骤3获得踏面曲线方程，将第二激光位移传感器L2右端面左侧70mm处点的纵坐标作为轮缘高参数H，并将该点下方10mm处点的横坐标作为轮缘厚参数W。

步骤5，计算车轮直径：根据步骤3提取的第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2到踏面的距离d₁、d₂，计算车轮的轮缘顶点圆直径，根据步骤4求取的轮缘高计算车轮直径。具体过程如下：

当第一激光位移传感器L1采集到轮缘最低点时，代表此时车轮圆心与激光位移传感器L1的距离最近，根据步骤3计算此时激光位移传感器L1与车轮踏面的最短距离d₁，第二激光位移传感器L2到车轮轮缘的距离d₂；根据步骤1中第二激光位移传感器L2与铅垂线方向的夹角α₂，第一激光位移传感器L1与第二激光位移传感器L2的安装距离l_w，根据公式(4)计算车轮直径D。

实施例1

在列车前进方向的轨道内侧依次安装第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2，在与第二激光位移传感器L2对称的轨道外侧安装第三激光位移传感器L3。第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3与轨道之间的垂直安装距离l₁、l₂、l₃均相等，取值为300mm。第一激光位移传感器L1与第二激光位移传感器L2之间的安装距离l_w为100mm，第三激光位移传感器与第二激光位移传感器沿轨道对称安装；第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3与铅垂线的夹角β₁、β₂、β₃均相等，取值为50°。第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3与轨道水平方向上的夹角α₁、α₂、α₃均相等，取值为45°。

对第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3输出点按下式进行坐标变换：

对第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3、坐标变换后的数据点提取满足|u_i-u_i-1|≤0.02的坐标点，并对满足条件的坐标点横坐标值取均值，获得第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2右端面横坐标值u_L1＝-190.273、u_L2＝-219.414，第三激光位移传感器L3左端面横坐标值u_L3＝-240.135。

对第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2与第三激光位移传感器L3坐标融合后的数据进行分段4阶最小二乘曲线拟合，获得踏面曲线方程。根据激光位移传感器L1的曲线方程，求取轮缘最低点的横纵坐标值分别为u₁＝-204.167、u₂＝220.985，即d₁＝220.985。计算此时第二激光位移传感器L2到车轮轮缘的距离d₂＝302.45。

根据踏面曲线方程，计算第二激光位移传感器L2右端面左侧70mm处点的纵坐标作为轮缘高参数H，H＝28.406mm，并计算该点下方10mm处点的横坐标作为轮缘厚参数W，W＝30.132mm。

根据以上计算得到的d₁、d₂及步骤1中第二激光位移传感器L2与铅垂线方向的夹角α₂，第一激光位移传感器L1与第二激光位移传感器L2的安装距离l_w，计算车轮直径D：

计算得D＝807.834mm。

根据人工测量该车轮的实际轮径为808.029mm，实际轮缘高度为28.308mm，实际轮缘厚度为30.278mm。可见该方法满足现场实际测量要求。本发明通过三个激光位移传感器配合工作，实现了列车车轮尺寸参数在线检测，大大提高了系统的稳定性和测量结果的精确性。