CN105043248A - 基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置及方法。该测量装置包括轮缘踏面测量模块、ARM嵌入式主控模块、交互模块、数据存储模块、USB通信模块和电源模块。轮缘踏面测量模块使用激光位移传感器检测车轮踏面坐标，ARM嵌入式主控模块对检测到的踏面坐标进行曲线拟合从而得到车轮轮廓曲线，然后通过几何关系计算得到轮缘高、轮缘厚、车轮直径等车轮参数，交互模块显示车轮轮廓曲线与车轮参数，存储模块保存测量数据与车轮参数，上位机通过USB通信模块可以获取车轮参数并进行进一步分析，电源模块为整个测量装置供电。本发明为不落轮条件下城轨车辆车轮参数测量装置，具有便携、高速、高精度、简单实用等特点。

Description

基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及铁路车辆检测技术领域，特别是一种基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置。

背景技术

轮对作为车辆走行部中极为重要的部件，不仅承受着车体的全部重量，而且负责传递轮对与钢轨间的作用力。轮对需要承受较大的静载荷和动载荷、组装应力、闸瓦、闸片制动时产生的热应力以及通过曲线时的离心力等。因此，轮对是否保持良好的技术状态关系到行车绝对安全。鉴于轮对对于列车安全运行的重要性，准确测量车轮的轮缘厚度、轮缘高度、垂直磨耗、踏面磨耗、车轮直径等参数，确保列车车轮踏面形态参数及同轴左右轮径差符合相关的规程和标准，对于保障列车安全运行、顺利完成运输计划是非常重要的。

目前我国轮对踏面检测技术比较落后，轮对的检测装置主要是第四种检查器及轮对尺，此检测工具需要人工读数，容易出错，并且测量时不可避免地引入了人员误差，直接影响了检测的可靠性。随着列车速度的提高，机车车辆轮对磨损加快，检测周期缩短，迫切要求这一检测作业实现自动化，在这种背景下，轮对检测自动检测仪应运而生。其中固定式检测仪必须使机车车辆经过某一固定地点才能检测，在任意时间、任意地点、镟修后落轮踏面轮廓检测中有其局限性。中国专利CN103738358(便携式铁路车轮踏面参数检测仪，申请号201310731824.1，申请日：2013-12-26)公开了一种车轮踏面参数检测装置，该装置可以对车轮轮缘高、轮缘厚等踏面参数进行检测，但是该装置不能检测车轮直径，无法实现车轮参数测量一体化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便携式、速度快、精度高的基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置及方法。

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城轨车轮参数测量装置，测量装置包括轮缘踏面测量模块、ARM嵌入式主控模块、交互模块、数据存储模块、USB通信模块以及电源模块，其中轮缘踏面测量模块通过两个定位柱设置于车轮上，所述轮缘踏面测量模块、交互模块、数据存储模块、USB通信模块分别与ARM嵌入式主控模块相连接，电源模块为各模块供电；所述轮缘踏面测量模块包括步进电机驱动器、带直线步进电机的直线导轨、激光位移传感器和光电开关，其中带直线步进电机的直线导轨平行于车轮的轴线，步进电机驱动器的控制输入端与ARM嵌入式主控模块连接，步进电机驱动器的驱动输出端与直线步进电机相连，直线步激光位移传感器通过滑块设置于带进电机的直线导轨上，光电开关设置于车轮外侧且距离车轮内端面距离为d，d>135mm，激光位移传感器与ARM嵌入式主控模块相连；

以光电开关的光束所在直线与直线导轨的交点为原点，激光位移传感器前进方向为x轴正方向，激光线方向为y轴正方向建立二维直角坐标系；系统初始化时，激光位移传感器处于初始位置；测量时，ARM嵌入式主控模块通过步进电机驱动器控制直线步进电机正转，直线步进电机带动激光位移传感器沿着直线导轨以速度v匀速运动，光电开关检测到激光位移传感器到达原点时，光电开关发送信号给ARM嵌入式主控模块，ARM嵌入式主控模块发出控制信号使激光位移传感器开始检测车轮的轮缘踏面坐标点，并将检测数据传送至ARM嵌入式主控模块，当激光位移传感器运动到车轮内端面时，激光位移传感器停止检测，直线步进电机减速直至停止转动，然后直线步进电机反转并带动激光位移传感器回到初始位置；ARM嵌入式主控模块根据激光位移传感器采集的数据处理得到轮缘踏面曲线，进而确定车轮参数。

一种基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量方法，步骤如下：

步骤1，建立直角坐标系：以光电开关的光束所在直线与直线导轨的交点为原点，激光位移传感器前进方向为x轴正方向，激光线方向为y轴正方向建立二维直角坐标系；

步骤2，系统初始化，激光位移传感器处于初始位置；

步骤3，测量时，ARM嵌入式主控模块通过步进电机驱动器控制直线步进电机正转，直线步进电机带动激光位移传感器沿着直线导轨以速度v匀速运动，光电开关检测到激光位移传感器到达原点时，光电开关发送信号给ARM嵌入式主控模块，ARM嵌入式主控模块发出控制信号使激光位移传感器开始检测车轮的轮缘踏面坐标点，并将检测数据传送至ARM嵌入式主控模块；

步骤4，当激光位移传感器运动到车轮内端面时，激光位移传感器停止检测，直线步进电机减速直至停止转动，然后直线步进电机反转并带动激光位移传感器回到初始位置；

步骤5，ARM嵌入式主控模块根据激光位移传感器采集的数据处理得到轮缘踏面曲线，进而确定车轮参数。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)实现自动测量，一次测量不仅可以得到车轮的轮缘高、轮缘厚，还可以得到车轮直径；(2)采用直线步进电机和激光位移传感器，从而使得测量精度高；(3)采用电池供电，无需连接电源，携带方便；(4)设置了USB通信接口和MicroSD卡，能够实现测量数据与车轮参数的存储与传输。

附图说明

图1是本发明基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置的硬件结构框图。

图2是本发明基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置的整体结构效果图。

图3是本发明缘踏面测量模块的示意图。

图4是本发明测量车轮直径的原理图。

图5是本发明基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置的硬件电路原理图。

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城轨车轮参数测量装置，测量装置包括轮缘踏面测量模块1、ARM嵌入式主控模块2、交互模块3、数据存储模块4、USB通信模块5以及电源模块6，其中轮缘踏面测量模块1通过两个定位柱设置于车轮上，所述轮缘踏面测量模块1、交互模块3、数据存储模块4、USB通信模块5分别与ARM嵌入式主控模块2相连接，电源模块6为各模块供电；所述轮缘踏面测量模块1包括步进电机驱动器、带直线步进电机的直线导轨、激光位移传感器和光电开关，其中带直线步进电机的直线导轨平行于车轮的轴线，步进电机驱动器的控制输入端与ARM嵌入式主控模块2连接，步进电机驱动器的驱动输出端与直线步进电机相连，直线步激光位移传感器通过滑块设置于带进电机的直线导轨上，光电开关设置于车轮外侧且距离车轮内端面距离为d，d>135mm，激光位移传感器与ARM嵌入式主控模块2相连。

以光电开关的光束所在直线与直线导轨的交点为原点，激光位移传感器前进方向为x轴正方向，激光线方向为y轴正方向建立二维直角坐标系；系统初始化时，激光位移传感器处于初始位置；测量时，ARM嵌入式主控模块2通过步进电机驱动器控制直线步进电机正转，直线步进电机带动激光位移传感器沿着直线导轨以速度v匀速运动，光电开关检测到激光位移传感器到达原点时，光电开关发送信号给ARM嵌入式主控模块2，ARM嵌入式主控模块2发出控制信号使激光位移传感器开始检测车轮的轮缘踏面坐标点，并将检测数据传送至ARM嵌入式主控模块2，当激光位移传感器运动到车轮内端面时，激光位移传感器停止检测，直线步进电机减速直至停止转动，然后直线步进电机反转并带动激光位移传感器回到初始位置；ARM嵌入式主控模块2根据激光位移传感器采集的数据处理得到轮缘踏面曲线，进而确定车轮参数，具体来讲首先采用所述装置的轮缘踏面测量模块得车轮轮缘踏面坐标点之后，ARM嵌入式主控模块2通过分段曲线拟合得到轮缘踏面的轮廓曲线，然后根据车轮参数的几何关系计算得到包括轮缘高、轮缘厚车轮参数。通过装置的机械结构，使用弦高法得到轮缘直径值，进一步可得到车轮直径值。最后ARM嵌入式主控模块2将轮缘踏面坐标点以及测量结果存储在数据存储模块4，并通过交互模块3将检测结果值显示出来，上位机可通过USB通信模块5的通讯接口读取MicroSD卡中的数据进行进一步分析。

所述ARM嵌入式主控模块2为整个装置的控制核心，ARM嵌入式主控模块2通过外设接口与其他模块通信，包括SPI，USART，FSMC，PWM。所述ARM嵌入式主控模块2采用意法半导体公司生产的STM32F103C8T6型单片机，该模块包含外部8M晶振电路、复位电路、SWD程序调试电路、启动方式选择电路，并且该ARM嵌入式主控模块2能对其它各模块进行控制，并对采集的坐标点进行曲线拟合。ARM嵌入式主控模块2通过激光位移传感器的串口通信协议读取轮缘踏面检测模块检测到的踏面坐标数据，用分段曲线拟合对踏面坐标数据进行曲线拟合从而得到轮缘踏面曲线，然后根据车轮参数的几何关系计算得到轮缘高、轮缘厚、车轮直径等车轮参数。所述交互模块3为触摸屏，既可以选择操作选项，也可以显示车轮参数以及轮缘踏面曲线。所述交互模块3包括XPT2046芯片和BL32007芯片，其中XPT2046芯片和ARM嵌入式主控模块2的5个I/O口连接通信，BL32007芯片与ARM嵌入式主控模块2的FSMC功能的I/O口连接，该交互模块3采用5V供电。所述数据存储模块4采用MicroSD卡，MicroSD卡的通讯接口支持SPI协议，故将数据存储模块4接入到ARM嵌入式主控模块2的硬件SPI外设I/O口，数据存储模块4存储踏面坐标和对应车轮的车轮参数。所述数据存储模块4采用MicroSD卡，MicroSD卡通过SPI协议与ARM嵌入式主控模块2进行通信，并且完成测量结果车轮参数数据的存储。所述USB通信模块5是连接ARM嵌入式主控模块2和上位机的中介，上位机通过USB通讯接口读取MicroSD卡中的数据。所述USB通信模块5通过ARM嵌入式主控模块2中STM32F103系列芯片的USB控制器实现USB2.0全速物理接口传输，上位机通过USB通信模块5的USB通讯接口电路读取MicroSD卡中的车轮参数数据。所述电源模块6采用锂电池组供电，为整个检测装置供电，电源模块6采用锂电池组供电，由于ARM嵌入式主控模块2和其他模块所需要的供电电压要求不一样，电源模块6通过集成稳压芯片将锂电池提供的特定电压转化为系统各个模块所需要的电压，以达到各个模块的供电要求。

结合图2，本发明的检测装置包括轮缘踏面检测部分和车轮直径检测部分，系统工作时，通过基准板上的两块强磁铁使整个装置吸附在车轮上，两根定位柱与轮缘顶接触起到固定装置的作用。轮缘踏面检测部分用于测量踏面坐标点从而实现轮缘高、轮缘厚的检测，车轮直径检测部分通过机械结构，使装置能用弦高法测量车轮的直径。轮缘踏面检测部分的内部结构如图3所示。

结合图3，本发明的检测装置中的轮缘踏面测量模块由一个步进电机驱动器、一个带直线步进电机的直线导轨、一个激光位移传感器和一个光电开关组成。所述光电开关设置于车轮外侧且距离车轮内端面距离为d，以激光位移传感器前进方向为x轴正方向，激光线方向为y轴正方向建立二维直角坐标系。ARM嵌入式主控模块通过步进电机驱动器控制步进电机的转动速度和方向，步进电机带动安装在直线导轨上的激光位移传感器做直线水平运动。系统初始化时，激光位移传感器处于初始位置，需要测量时，ARM嵌入式主控模块控制步进电机正转，步进电机带动激光传感器以一个确定的速度v匀速运动。光电开关检测到激光位移传感器到达时，激光位移传感器开始检测轮缘踏面坐标点，并将数据传送至ARM嵌入式主控模块。当激光传感器运动到车轮内端面时，激光位移传感器停止检测，步进电机减速直至停止转动，然后反转，并带动激光传感器回到初始位置。

本发明基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量方法，步骤如下：

步骤1，建立直角坐标系：以光电开关的光束所在直线与直线导轨的交点为原点，激光位移传感器前进方向为x轴正方向，激光线方向为y轴正方向建立二维直角坐标系；

步骤2，系统初始化，激光位移传感器处于初始位置；

步骤3，测量时，ARM嵌入式主控模块2通过步进电机驱动器控制直线步进电机正转，直线步进电机带动激光位移传感器沿着直线导轨以速度v匀速运动，光电开关检测到激光位移传感器到达原点时，光电开关发送信号给ARM嵌入式主控模块2，ARM嵌入式主控模块2发出控制信号使激光位移传感器开始检测车轮的轮缘踏面坐标点，并将检测数据传送至ARM嵌入式主控模块2；

步骤4，当激光位移传感器运动到车轮内端面时，激光位移传感器停止检测，直线步进电机减速直至停止转动，然后直线步进电机反转并带动激光位移传感器回到初始位置；

步骤5，ARM嵌入式主控模块2根据激光位移传感器采集的数据处理得到轮缘踏面曲线，进而确定车轮参数，具体如下：

设第i次激光位移传感器检测到车轮踏面的距离为l_i，i＝1,2,…,n，由激光位移传感器运动速度v以及采样频率为f可知，第i次采样激光位移传感器距离坐标原点距离为因此第i次采样的点坐标x_i,y_i为l_i，已知光电开关设置于车轮外侧且距离车轮内端面距离为d，由此可以得到踏面的有效数据点S：

S＝{(x_i,y_i)^m}

式中m为有效数据点个数，且x_i满足：

d-135≤x_i≤d

从有效数据点中提取3个数据集：

$S_k=\left\{{({x_i}^{\left(k\right)},{y_i}^{\left(k\right)})}^{m_k}\right\},k=\mathrm{1,2,3}$

式中m_k为第k个数据集中数据点的个数，其中x_i ^(k)满足

$d-90\≤x_i^{\left(1\right)}\≤d-60$

$d-46\≤x_i^{\left(2\right)}\≤d-25.5$

$d-25\≤x_i^{\left(3\right)}\≤d-6$

设k个数据集上的拟合方程为f(x)，设f(x)的形式为：

$f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}{f}_1\left(x\right)=\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j^{\left(1\right)}{h}_j^{\left(1\right)}\left(x\right),x\∈S_1\\ f_2\left(x\right)=\underset{j=1}{\overset{m_2}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j^{\left(2\right)}{h}_j^{\left(2\right)}\left(x\right),x\∈S_2\\ f_3\left(x\right)=\underset{j=1}{\overset{m_3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j^{\left(3\right)}{h}_j^{\left(3\right)}\left(x\right),x\∈S_3\end{array}\right.$

其中，为待确定的回归系数，是给定在S_k上的一组线性无关的基函数，m_k为S_k上基函数的个数；

对于每一数据集S_k拟合误差最小二乘回归模型为：

$\min \underset{k=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{[\underset{j=1}{\overset{n_k}{\mathrm{\Σ}}}{f}_k\left(x_j^{\left(k\right)}\right)-y_j^{\left(k\right)}]}^2$

取h_j(x)＝x^j，根据最小二乘法的解法，得到每一个数据集S_k上最小二乘的法方程为：

$\left[\begin{array}{cccc}\underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}1& \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^{\left(k\right)}& ...& \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x_i^{\left(k\right)}\right)}^n\\ \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^{\left(k\right)}& \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x_i^{\left(k\right)}\right)}^2& ...& \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x_i^{\left(k\right)}\right)}^{n+1}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x_i^{\left(k\right)}\right)}^n& \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x_i^{\left(k\right)}\right)}^{n+1}& ...& \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x_i^{\left(k\right)}\right)}^{2n}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_0^{\left(k\right)}\\ {\mathrm{\α}}_1^{\left(k\right)}\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\α}}_n^{\left(k\right)}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_j^{\left(k\right)}\\ \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^{\left(k\right)}{y}_j^{\left(k\right)}\\ .\\ .\\ .\\ \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x_i^{\left(k\right)}\right)}^n{y}_j^{\left(k\right)}\end{array}\right]$

根据该方程解出后带入拟合方程f(x)，即得到各数据集S_k的拟合曲线方程；

使用弦高法测量车轮直径，设装置的定位柱半径为r，定位柱圆心之间的距离为2L，激光位移传感器激光发射点到定位柱连线之间的距离为H，由轮缘踏面检测得到激光位移传感器到轮缘顶部距离h，设轮缘顶部圆的半径为R，根据勾股定理有：

(R+r)²＝L²+[R-(H-h)]²

可得：

$R=\frac{L^2+{(H-h)}^2-r^2}{2(r+h-H)}$

车轮直径D为2倍的轮缘顶部圆半径R减轮缘高H_w，车轮直径如下：

D＝2(R-H_w)

实施例1

结合图5，各部分电路具体如以下(1)～(5)所述：

(1)轮缘踏面测量模块电路，ARM嵌入式主控模块输出的PWM信号为3.3V，而步进电机驱动器要求输入5V的PWM信号，故通过74HCT244D将ARM嵌入式主控模块输出的PWM信号进行转化，转化后的PWM信号通过两个插针与步进电机相连。

(2)ARM嵌入式主控模块电路，主控芯片选用意法半导体公司生产的STM32F103C8T6型单片机，该模块电路包含外部8M晶振电路、复位电路、SWD程序调试电路、启动方式选择电路。

(3)交互模块电路，XPT2046芯片和主控芯片的5个I/O口连接通信，BL32007芯片与主控芯片的FSMC功能的I/O口连接，该模块采用5V供电。ARM嵌入式主控模块的PB1口输出不同占空比的PWM信号给LCD_BL可以改变液晶屏的亮暗。

(4)数据存储模块电路，MicroSD卡和主控芯片的硬件SPI外设I/O口相连，每个I/O口通过3.3V电源和10K电阻上拉以保证通信的稳定。

(5)电源电路，包含锂电池组路、集成稳压芯片7805、线性驱动器、滤波电容和指示LED等。锂电池提供12～20V的直流电源VM，经过集成稳压芯片和线性驱动器后得到3.3V(3V3)和5V的直流电源，为其余各个模块电路供电；电源电路1同时包括一个指示LED，通过该LED的开关，可以掌握电源电路的工作情况。

使用所述装置得到轮缘踏面有效坐标点，根据所述分段曲线拟合方法，得到拟合方

程为f(x)：

$f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}{f}_1\left(x\right)=-283.458+13.4923x-0.1894x^2+0.0019x^3,x\∈S_1\\ f_2\left(x\right)=3887.55-319.852x+9.3403x^2-0.1159x^3+0.0005x^4,x\∈S_1\\ f_3\left(x\right)=345.614-23.9183x+0.7459x^2-0.108x^3,x\∈S_1\end{array}\right.$

根据车轮尺寸几何关系求得轮缘厚为32.0746，轮缘高为28.0085，车轮直径为839.1045。

本发明提供基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置及方法，完成了对车轮轮缘高、轮缘厚、车轮直径等车轮参数的测量，具有便携、速度快、精度高、装置简单等特点。直线步进电机在电机内部把旋转运动转化为线性运动，能实现精确位置移动，激光位移传感器可精确的对被测物体的位置进行精确检测，本发明使用直线步进电机和激光位移传感器实现轮缘踏面坐标点的检测。

Claims (8)

1.一种基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置，其特征在于，测量装置包括轮缘踏面测量模块(1)、ARM嵌入式主控模块(2)、交互模块(3)、数据存储模块(4)、USB通信模块(5)以及电源模块(6)，其中轮缘踏面测量模块(1)通过两个定位柱设置于车轮上，所述轮缘踏面测量模块(1)、交互模块(3)、数据存储模块(4)、USB通信模块(5)分别与ARM嵌入式主控模块(2)相连接，电源模块(6)为各模块供电；所述轮缘踏面测量模块(1)包括步进电机驱动器、带直线步进电机的直线导轨、激光位移传感器和光电开关，其中带直线步进电机的直线导轨平行于车轮的轴线，步进电机驱动器的控制输入端与ARM嵌入式主控模块(2)连接，步进电机驱动器的驱动输出端与直线步进电机相连，激光位移传感器通过滑块设置于带进直线步进电机的直线导轨上，光电开关设置于车轮外侧且距离车轮内端面距离为d，d>135mm，激光位移传感器与ARM嵌入式主控模块(2)相连；

以光电开关的光束所在直线与直线导轨的交点为原点，激光位移传感器前进方向为x轴正方向，激光线方向为y轴正方向建立二维直角坐标系；系统初始化时，激光位移传感器处于初始位置；测量时，ARM嵌入式主控模块(2)通过步进电机驱动器控制直线步进电机正转，直线步进电机带动激光位移传感器沿着直线导轨以速度v匀速运动，光电开关检测到激光位移传感器到达原点时，光电开关发送信号给ARM嵌入式主控模块(2)，ARM嵌入式主控模块(2)发出控制信号使激光位移传感器开始检测车轮的轮缘踏面坐标点，并将检测数据传送至ARM嵌入式主控模块(2)，当激光位移传感器运动到车轮内端面时，激光位移传感器停止检测，直线步进电机减速直至停止转动，然后直线步进电机反转并带动激光位移传感器回到初始位置；ARM嵌入式主控模块(2)根据激光位移传感器采集的数据处理得到轮缘踏面曲线，进而确定车轮参数。

2.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置，其特征在于，所述ARM嵌入式主控模块(2)采用意法半导体公司生产的STM32F103C8T6型单片机，该模块包含外部8M晶振电路、复位电路、SWD程序调试电路、启动方式选择电路，并且该ARM嵌入式主控模块(2)能对其它各模块进行控制，并对采集的坐标点进行曲线拟合。

3.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置，其特征在于，所述交互模块(3)包括XPT2046芯片和BL32007芯片，其中XPT2046芯片和ARM嵌入式主控模块(2)的5个I/O口连接通信，BL32007芯片与ARM嵌入式主控模块(2)的FSMC功能的I/O口连接，该交互模块(3)采用5V供电。

4.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置，其特征在于，所述数据存储模块(4)采用MicroSD卡，MicroSD卡通过SPI协议与ARM嵌入式主控模块(2)进行通信，并且完成测量结果车轮参数数据的存储。

5.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置，其特征在于，所述USB通信模块(5)通过ARM嵌入式主控模块(2)中STM32F103系列芯片的USB控制器实现USB2.0全速物理接口传输，上位机通过USB通信模块(5)的USB通讯接口电路读取MicroSD卡中的车轮参数数据。

6.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置，其特征在于，所述电源模块(6)采用锂电池组供电。

7.一种基于权利要求1所述激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置的城轨车轮参数测量方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，建立直角坐标系：以光电开关的光束所在直线与直线导轨的交点为原点，激光位移传感器前进方向为x轴正方向，激光线方向为y轴正方向建立二维直角坐标系；

步骤2，系统初始化，激光位移传感器处于初始位置；

步骤3，测量时，ARM嵌入式主控模块(2)通过步进电机驱动器控制直线步进电机正转，直线步进电机带动激光位移传感器沿着直线导轨以速度v匀速运动，光电开关检测到激光位移传感器到达原点时，光电开关发送信号给ARM嵌入式主控模块(2)，ARM嵌入式主控模块(2)发出控制信号使激光位移传感器开始检测车轮的轮缘踏面坐标点，并将检测数据传送至ARM嵌入式主控模块(2)；

步骤4，当激光位移传感器运动到车轮内端面时，激光位移传感器停止检测，直线步进电机减速直至停止转动，然后直线步进电机反转并带动激光位移传感器回到初始位置；

步骤5，ARM嵌入式主控模块(2)根据激光位移传感器采集的数据处理得到轮缘踏面曲线，进而确定车轮参数。

8.根据权利要求7所述的基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量方法，其特征在于，步骤5所述ARM嵌入式主控模块(2)根据激光位移传感器采集的数据处理得到轮缘踏面曲线，进而确定车轮参数，具体如下：

设第i次激光位移传感器检测到车轮踏面的距离为l_i，i＝1,2,…,n，由激光位移传感器运动速度v以及采样频率为f可知，第i次采样激光位移传感器距离坐标原点距离为因此第i次采样的点坐标(x_i,y_i)为已知光电开关设置于车轮外侧且距离车轮内端面距离为d，由此可以得到踏面的有效数据点S：

S＝{(x_i,y_i)^m}

式中m为有效数据点个数，且x_i满足：

d-135≤x_i≤d

从有效数据点中提取3个数据集：

$S_k=\left\{{({x_i}^{\left(k\right)},{y_i}^{\left(k\right)})}^{m_k}\right\},k=\mathrm{1,2,3}$

式中m_k为第k个数据集中数据点的个数，其中x_i ^(k)满足

$d-90\≤x_i^{\left(1\right)}\≤d-60$

$d-46\≤x_i^{\left(2\right)}\≤d-25.5$

$d-25\≤x_i^{\left(3\right)}\≤d-6$

设k个数据集上的拟合方程为f(x)，设f(x)的形式为：

$f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}{f}_1\left(x\right)=\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j^{\left(1\right)}{h}_j^{\left(1\right)}\left(x\right),x\∈S_1\\ f_2\left(x\right)=\underset{j=1}{\overset{m_2}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j^{\left(2\right)}{h}_j^{\left(2\right)}\left(x\right),x\∈S_2\\ f_3\left(x\right)=\underset{j=1}{\overset{m_3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j^{\left(3\right)}{h}_j^{\left(3\right)}\left(x\right),x\∈S_3\end{array}\right.$

其中，为待确定的回归系数，是给定在S_k上的一组线性无关的基函数，m_k为S_k上基函数的个数；

对于每一数据集S_k拟合误差最小二乘回归模型为：

$\min \underset{k=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{[\underset{j=1}{\overset{n_k}{\mathrm{\Σ}}}{f}_k\left(x_j^{\left(k\right)}\right)-y_j^{\left(k\right)}]}^2$

取h_j(x)＝x^j，根据最小二乘法的解法，得到每一个数据集S_k上最小二乘的法方程为：

$\left[\begin{array}{cccc}\underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}1& \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^{\left(k\right)}& ...& \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x_i^{\left(k\right)}\right)}^n\\ \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^{\left(k\right)}& \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x_i^{\left(k\right)}\right)}^2& ...& \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x_i^{\left(k\right)}\right)}^{n+1}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x_i^{\left(k\right)}\right)}^n& \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x_i^{\left(k\right)}\right)}^{n+1}& ...& \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x_i^{\left(k\right)}\right)}^{2n}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_0^{\left(k\right)}\\ {\mathrm{\α}}_1^{\left(k\right)}\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\α}}_n^{\left(k\right)}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_j^{\left(k\right)}\\ \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^{\left(k\right)}{y}_i^{\left(k\right)}\\ .\\ .\\ .\\ \underset{i=1}{\overset{m_k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x_i^{\left(k\right)}\right)}^n{y}_j^{\left(k\right)}\end{array}\right]$

根据该方程解出后带入拟合方程f(x)，即得到各数据集S_k的拟合曲线方程；

使用弦高法测量车轮直径，设定位柱半径为r，定位柱圆心之间的距离为2L，激光位移传感器激光发射点到定位柱连线之间的距离为H，由轮缘踏面检测得到激光位移传感器到轮缘顶部距离h，设轮缘顶部圆的半径为R，根据勾股定理有：

(R+r)²＝L²+[R-(H-h)]²

可得：

$R=\frac{L^2+{(H-h)}^2-r^2}{2(r+h-H)}$

车轮直径D为2倍的轮缘顶部圆半径R减轮缘高H_w，车轮直径如下：

D＝2(R-H_w)。