CN104648440B - 一种轮对几何参数在线测量系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轮对几何参数在线测量系统及其方法，系统包括至少一个测量单元，所述测量单元包括至少一组传感器组，每个所述传感器组包括第一结构光传感器和第二结构光传感器，所述第一结构光传感器为多线结构光传感器，所述第一结构光传感器设于所述轮对轨道的内侧，所述第二结构光传感器设于所述轮对轨道的外侧。通过本发明的测量系统，实现了对轮对几何参数的快速、精确的在线测量。

Description

一种轮对几何参数在线测量系统及其方法

技术领域

本发明涉及轮对的测量技术领域，具体涉及一种轮对几何参数在线测量系统及其方法。

背景技术

轮对作为火车的基本走形部件，其几何参数的测量是保证铁路运输安全的重要措施。目前对于轮对几何参数的自动测量主要采用测量仪、接触式传感器以及非接触式传感器三种方式；其中：

采用自动便携式测量仪进行测量时，需采用多种传感器技术测量轮对参数，而且仍需人工参与，无法实现自动测量，效率和精度较低，无法满足铁路快速发展以及可靠性的需要；

采用接触式传感器进行测量时，需要首先用支架托起轮对使其旋转，然后采用多种传感器测量轮对参数，这种测量方式的缺陷是需要拆卸轮对，费时费力，间接增加了成本，且无法实现并获取轮对参数的实时测量；

采用非接触式测量时，测量装置安装于列车出入库地点，当列车经过测量装置时系统实时测量列车轮对参数，但是目前的该测量方法均采用单线结构光传感器扫描轮对，然而列车在实际行走过程中，其在钢轨上属于S形路线，无法保证轮对的直线式行走路线，因此单一的单线结构光传感器获取的轮对内侧面信息不准确，导致获得的基点位置精确度不高；同时，由于车轮和钢轨间的相对位置受到振动的影响，在测量车轮直径时，获取的至少3个车轮踏面基点就不在同一圆上，因此该方法通常无法精确测量真实情况下的轮对直径以及其他参数。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种轮对几何参数在线测量系统及其方法，旨在快速、精确地实现对包括火车等在内的轮对几何参数的在线测量。

本发明采用的技术方案具体为：

一种轮对几何参数在线测量系统，包括至少一个测量单元，所述测量单元包括至少一组传感器组，每个所述传感器组包括第一结构光传感器和第二结构光传感器，所述第一结构光传感器为多线结构光传感器，所述第一结构光传感器设于所述轮对轨道的内侧，所述第二结构光传感器设于所述轮对轨道的外侧。

在上述轮对几何参数在线测量系统中，所述第二结构光传感器为单线结构光传感器，所述第二结构光传感器的光平面与第一结构光传感器的一个光平面重合。

在上述轮对几何参数在线测量系统中，所述第二结构光传感器为多线结构光传感器，所述第二结构光传感器的至少一个光平面与第一结构光传感器的至少一个光平面重合。

在上述轮对几何参数在线测量系统中，所述多线结构光传感器包括面阵CCD相机和多线结构光发生器，所述多线结构光发生器发出若干光平面，所述光平面之间相互平行。

一种轮对几何参数在线测量方法，根据第一结构光传感器和第二结构光传感器发出的光平面在车轮踏面上形成的光条，完成对轮对参数中的轮对内侧面的拟合，根据内侧面的拟合以及光条信息，完成对轮对参数的测量；所述第一结构光传感器的至少一个光平面与所述第二结构光传感器的至少一个光平面重合。

在上述轮对几何参数在线测量方法中，所述的“根据第一结构光传感器和第二结构光传感器发出的光平面在车轮踏面上形成的光条，完成对轮对参数中的轮对内侧面的拟合”包括：

所述第一结构光传感器为多线结构光传感器，车轮经过轮对轨道时，轮对轨道内侧的第一结构光传感器的多线结构光发生器发出若干光平面，在轮对踏面上形成若干光条，若干个光条对应获取轮对内侧面上的若干个车轮踏面轮廓信息点；

第一结构光传感器的面阵CCD相机获取所述多线结构光发生器发出的光平面在轮对踏面上形成的若干光条，经过图像处理(利用质心法、神经网络等方法从图像中提取各光条的中心坐标，再根据标定文件将图像坐标转换为世界坐标)得到车轮踏面的对应位置信息，对各个位置信息加以拟合，得到轮对内侧面的拟合方程。

在上述轮对几何参数在线测量方法中，在得到轮对内侧面的拟合方程之后，根据相邻的所述轮对内侧面的拟合方程，完成对轮对参数中的轮对内侧距的测量。

在上述轮对几何参数在线测量方法中，在得到轮对内侧面的拟合方程之后，第一结构光传感器发出的光平面和第二结构光传感器发出的光平面同时照射在对应的轮对踏面形成若干光条，获得该轮对踏面的完整轮廓，根据轮对踏面的完整轮廓和所述轮对内侧面的拟合方程，计算轮对中车轮的轮辋宽、轮缘厚和轮缘高。

在上述轮对几何参数在线测量方法中，在得到轮对内侧面的拟合方程之后，第一结构光传感器发出的光平面照射在对应的轮对踏面表面形成若干光条，根据若干光条获取每条光条对应的轮廓线，根据所获取的轮廓线和所述轮对内侧面的拟合方程，得出对应个数的车轮踏面基点，根据车轮踏面基点拟合出直径圆，进而计算出踏面圆直径。

本发明产生的有益效果是：

传统对于轮对几何参数的测量方法中，测量结果在不同程度上易受车辆蛇形、轮对本身以及测量系统振动等因素的干扰，造成其准确度有待提高；相较而言，本发明的测量方法通过利用多光条结构光传感器，可以在一次测量时同时获得多个踏面轮廓位置信息，使得车辆蛇行、轮对以及测量系统的振动几乎不会影响轮廓间的相互关系，避免了车辆蛇行造成的内侧面位置测量不准确以及由于轮对和/或测量系统的振动带来的踏面基点测量不准确的问题，整体上提高了测量系统的准确度和精确度。

附图说明

当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一种轮对几何参数在线测量系统的结构示意图(第一结构光传感器为单线结构光传感器)；

图2为本发明一种多线结构光传感器的结构示意图；

图3为本发明一种轮对几何参数在线测量系统在轮对内侧面拟合过程中的原理示意图；

图4为本发明一种轮对几何参数在线测量系统在计算轮对中车轮的轮辋宽、轮缘厚和轮缘高过程中的原理示意图；

图5为车轮的轮辋宽、轮缘厚和轮缘的计算原理示意图；

图6为本发明一种轮对几何参数在线测量系统在计算轮对中车轮踏面圆直径过程中的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

以可完成测量最基本完整单元的基于多线结构光传感器的轮对几何参数在线测量系统为例，且以每个传感器组的第一结构光传感器为一个多线结构光传感器、第二结构光传感器为一个单线结构光传感器为例，通过以下的实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明。

系统包括4支多线结构光传感器(M1、M2、M3、M4)和4支单线结构光传感器(S1、S2、S3、S4)和其他相应附件，其中轮对内侧左右各布置两个多线结构光传感器，轮对外侧各布置两个单线结构光传感器，4支单线结构光传感器分别与4支多线结构光传感器正对放置，且单线结构光传感器的光平面与多线传感器的某一个光平面重合。具体如图1所示：

多线结构光传感器(M1、M2)固定于左侧轮对的内侧，并保证能同时获得左侧车轮的踏面轮廓图像，多线结构光传感器(M3、M4)固定于右侧轮对的内侧，并保证能同时获得右侧车轮踏面轮廓图像；

单线结构光传感器(S1、S2)固定于左侧轮对的外侧，并分别保证其光平面与多线结构光传感器(M1、M2)的某一个光平面重合；单线结构光传感器(S3、S4)固定于右侧轮对的外侧，并分别保证其光平面与多线传感器(M3、M4)的某一个光平面重合。

上述参数测量系统的轮对各几何参数测量分工为：

轮对同侧的四个线结构光传感器结合，用于计算对应车轮的直径；轮对内侧左右对应的两个多线结构光传感器的结合，用于计算轮对内侧距；同一车轮对应的单线结构光传感器与多线结构光传感器组成的测量单元，用于计算轮辋宽、轮缘厚以及轮缘高，至此可实现轮对几何参数快速准确在线动态测量。

上述在线测量系统中的多线结构光传感器(M1、M2、M3、M4)为多线激光视觉传感器，其结构如图2所示，包括面阵CCD相机以及多线结构光发生器，多线结构光发生器发出的光平面平行。通过调节面阵CCD相机的焦距,保证各光条成清晰的成像。

以5线结构光发生器和一个面阵CCD组成的多线激光视觉传感器为例，5线结构光发生器由5支单线激光器构成，五支激光器发出的光平面相互平行。测量过程中的信息处理过程具体包括轮对内侧面的拟合、轮对内侧距、轮辋宽、轮缘厚、轮缘高以及车轮踏面圆直径等车轮参数的获取；信息处理过程具体为：

1、轮对内侧面拟合

传感器(M1、M2)固定于车轮内侧，当车轮经过轮轨时，如图3所示，传感器(M1、M2)的光条同时获取轮对内侧面上的5个车轮踏面轮廓信息。(L1、L2、L3、L4、L5)是从多线激光传感器M1发出的5条激光条，(L6、L7、L8、L9、L10)是从多线激光传感器M2发出的5条激光条，上述激光条组涵盖了轮对内侧面和车轮部分踏面，面阵CCD相机获取激光条所得出的光条图像后，经图像处理后，得到踏面对应的车轮位置信息，再通过拟合可以得到该轮对内侧面的方程，以平面拟合为例，得到的轮对内侧面空间平面方程PA形式为：

A1*x+B1*y+C1*z+D1＝0 (1)

同理，获得另外一侧轮对内侧面空间平面方程形式为：

A2*x+B2*y+C2*z+D2＝0 (2)

2、轮对内侧距

由轮对内侧面空间平面方程(1)和(2)得出轮对内侧距D：

3、轮对中的车轮的轮辋宽、轮缘厚、轮缘高

多线激光视觉传感器M1和单线激光视觉传感器S1分别固定于钢轨的内侧与外侧，如图4所示，传感器M1发射出5个光平面，在轮对踏面上形成5个激光条(L1、L2、L3、L4、L5)，传感器S1发出的1个光平面与M1发出的第3个光平面重合，在轮对踏面上与多线传感器的第3个平面一起形成光条L3，由光条L3获得完整轮对轮廓，从而计算出轮对中车轮的轮辋宽、轮缘厚以及轮缘高，计算过程如图5所示：

参数定义：

基点Pb为距离内侧面70mm(70mm为铁路标准中规定的数值)处的车轮踏面上的一点；

内侧面Pi为车轮内侧平面；

外侧面Po为车轮外侧平面；

车轮踏面：车轮滚压在钢轨上的接触部分；

轮缘：车轮踏面内侧沿圆周凸起的凸缘；

轮缘顶点Pf：凸缘的最高点；

轮缘厚度测定线：距离基点Pb12mm(12mm为铁路标准中规定的数值)高度处的某一条水平线；

轮辋宽Ww：外侧面Po与内侧面Pi之间的水平距离。

设外侧面上的一点Po(xo,yo,zo)，根据之前拟合出的内侧面方程(公式(1)或者公式(2)，此处统称为：A*x+B*y+C*z+D＝0)，则轮辋宽的计算公式为：

轮缘厚Tw：轮缘厚度测定线与轮缘交点Pt(xt,yt,zt)到内侧面Pi之间的距离。

同理，根据之前拟合出的内侧面方程，得出轮缘厚Tw的计算公式为：

轮缘高Hw：基点Pb(xb,yb,zb)与轮缘顶点Pf(xf,yf,zf)之间的距离。

同理，根据之前拟合出的内侧面方程，得出轮缘高Hw的计算公式为：

Hw＝|zf-zb| (6)

4、车轮踏面圆直径

如图6所示，多线激光器(M1、M2)的激光条同时处于轮对两侧，此时光条处于轮廓处，即得到(L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10)10条轮廓线，根据获取的10条轮廓线以及已经拟合出的内侧面方程，得到十个踏面基点(P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10)。由于这些点均落在直径圆上，所以根据这10个点拟合出直径圆，该圆的直径即为轮对直径，计算方法具体为：

根据10个踏面基点的三维坐标Pn＝(xn，yn，zn)，n＝1,2,3，…10；

由式：

得到踏面圆所在平面方程系数(Ac，Bc，Cc，Dc)，

则踏面圆所在平面方程为：

Ac*x+Bc*y+Cc*z+Dc＝0 (8)

由于10个踏面基点在踏面圆所在平面和某一球面的相交线上，根据圆心O必在踏面圆所在平面和平面内圆上的点到圆心O的距离等于半径R这两个几何关系，采用最小二乘法即可求出踏面圆直径。

当然第二结构光传感器也可以选用多线结构光传感器，这种情况下，需要保证第一结构光传感器和第二结构光传感器至少一个光平面重合，当然，第一结构光传感器和第二结构光传感器也可以采用一个以上的单线和/或多线结构光传感器。

轮对作为车辆上与钢轨相接触的部分，由左右两个车轮牢固地压装在同一根车轴上所组成。在机车、客车、货车以及地铁等轨道交通工具中均有轮对，对于其中轮对参数的测量，均属于本发明的适用范围。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，显然，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种轮对几何参数在线测量系统，其特征在于，包括至少一个测量单元，测量单元包括至少一组传感器组，每个传感器组包括第一结构光传感器和第二结构光传感器，第一结构光传感器为多线结构光传感器，第一结构光传感器设于轮对轨道的内侧，第二结构光传感器设于轮对轨道的外侧；

第二结构光传感器为多线结构光传感器，第二结构光传感器的至少一个光平面与第一结构光传感器的至少一个光平面重合；

第二结构光传感器为多线结构光传感器，第二结构光传感器发出的至少一个光平面与第一结构光传感器发出的至少一个光平面在车轮踏面上重合形成光条；

多线结构光传感器包括面阵CCD相机和多线结构光发生器，多线结构光发生器发出若干光平面,光平面之间相互平行；第一结构光传感器和第二结构光传感器发出的光平面在车轮踏面上形成光条。

2.一种轮对几何参数在线测量系统，其特征在于，包括至少一个测量单元，测量单元包括至少一组传感器组，每个传感器组包括第一结构光传感器和第二结构光传感器，第一结构光传感器为多线结构光传感器，第一结构光传感器设于轮对轨道的内侧，第二结构光传感器设于轮对轨道的外侧；

第二结构光传感器为单线结构光传感器，第二结构光传感器发出的光平面与第一结构光传感器发出的一个光平面在车轮踏面上重合形成光条；

多线结构光传感器包括面阵CCD相机和多线结构光发生器，多线结构光发生器发出若干光平面,光平面之间相互平行；第一结构光传感器和第二结构光传感器发出的光平面在车轮踏面上形成光条。

3.一种轮对几何参数在线测量方法，其特征在于，根据第一结构光传感器和第二结构光传感器发出的光平面在车轮踏面上形成的光条，完成对轮对参数中的轮对内侧面的拟合，根据内侧面的拟合以及光条信息，完成对轮对参数的测量；第一结构光传感器的至少一个光平面与第二结构光传感器的至少一个光平面重合；

所述的“根据第一结构光传感器和第二结构光传感器发出的光平面在车轮踏面上形成的光条，完成对轮对参数中的轮对内侧面的拟合”包括：

第一结构光传感器为多线结构光传感器，车轮经过轮对轨道时，轮对轨道内侧的第一结构光传感器的多线结构光发生器发出若干光平面，在轮对踏面和轮对内侧面上形成若干光条，若干个光条对应获取轮对内侧面上的若干个车轮踏面轮廓信息点；

第一结构光传感器的面阵CCD相机获取多线结构光发生器发出的光平面在轮对踏面和轮对内侧面上形成的若干光条，经过图像处理得到车轮踏面的对应位置信息，对各个位置信息加以拟合，得到轮对内侧面的拟合方程；

在得到左右两个轮对内侧面的拟合方程之后，根据两个轮对内侧面的拟合方程，完成对轮对参数中的轮对内侧距的测量；

在得到轮对内侧面的拟合方程之后，第一结构光传感器发出的光平面和第二结构光传感器发出的光平面同时照射在对应的轮对踏面形成若干光条，获得该轮对踏面的完整轮廓，根据轮对踏面的完整轮廓和轮对内侧面的拟合方程，计算轮对中车轮的轮辋宽、轮缘厚和轮缘高几何参数；

在得到轮对内侧面的拟合方程之后，第一结构光传感器发出的光平面照射在对应的轮对踏面表面形成若干光条，根据若干光条获取每条光条对应的轮廓线，根据所获取的轮廓线和轮对内侧面的拟合方程，得出对应个数的车轮踏面基点，根据车轮踏面基点拟合出直径圆，进而计算出踏面圆直径。