CN105946898A - 一种基于激光测距的城轨列车车轮直径检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光测距的城轨列车车轮直径检测方法及系统，包括以平行于轨道延伸方向安装于轨道内侧的两组2D激光位移传感器，两组传感器的激光源与轨道上表面处于同一平面。两组2D激光位移传感器探测获取车轮踏面轮廓线，通过坐标旋转变换将传感器坐标转换到与车轮内端面平行的平面内，获取车轮内端面横坐标，以此建立滤窗对数据进行干扰点滤除；提取距车轮内端面70mm处踏面点的数据，通过几何关系计算选取车轮轮心位于两组传感器激光光源中垂线上的那组采集数据作为计算数据，结合传感器安装参数，由几何关系得到车轮直径。本发明具有检测速度快、测量精度高、系统结构简单、安装方便、在线非接触式测量等特点。

Description

一种基于激光测距的城轨列车车轮直径检测方法及系统

技术领域

本发明属于交通安全工程技术领域，特别是一种基于激光测距的城轨列车车轮直径检测方法及系统。

背景技术

城轨列车车轮承载着列车的全部载荷，在列车的运行过程中，踏面不断磨耗，车轮直径不断减小，为防止车轮磨耗过度会给列车的运行到来安全隐患，需对列车车轮的轮径定期进行检测。同时，受运行线路的影响，同轴车轮的磨耗不均匀，当同轴车轮轮径相差较大时，车轮磨耗加剧，影响列车的安全运行，甚至会危及乘客的生命安全。所以，对列车车轮轮径的检测是十分必要的。

车轮轮径的检测一直国内外轨道交通方面研究的重点。如李兆新在文献《城轨车辆轮对尺寸在线动态检测系统》中介绍了瑞士OPTIMESS公司研究的激光轮对动态在线检测系统，该系统采用多个点式激光传感器测量轮对的直径，系统成本高，结构安装复杂。国内车轮轮径的检测系统主要有成都主导科技公司研制的LY系列轮对动态检测系统、复旦奥特公司研制的AUT-3500轮对尺寸在线检测系统，二者都是采用图像法计算车轮直径，相对于激光法，系统测量精度、稳定性及抗干扰能力都处于劣势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、精确可靠的基于激光测距的城轨列车车轮直径检测方法及系统，采用非接触式测量，检测速度快、操作简便。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于激光测距的城轨列车车轮直径检测方法及系统，包括以平行于轨道延伸方向安装于轨道内侧的两组2D激光位移传感器，两组传感器的激光源与轨道上表面处于同一平面；两组2D激光位移传感器探测获取车轮踏面轮廓线，通过坐标旋转变换将传感器坐标转换到与车轮内端面平行的平面内，获取车轮内端面横坐标，以此建立滤窗对数据进行干扰点滤除；提取距车轮内端面70mm处踏面点的数据，通过几何关系计算选取车轮轮心位于两组传感器激光光源中垂线上的那组采集数据作为计算数据，结合传感器安装参数，由几何关系得到车轮直径。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)系统简单实用，仅需两组激光位移传感器即可实现对车轮直径的检测，同时，该系统也适用于车轮踏面几何参数的检测；(2)传感器采样频率高，自动获取车轮通过检测系统时的连续输出坐标，通过相应算法处理，可实现车轮在检测区域内的定位；(3)具有结构简单、在线非接触式测量等优点。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明基于激光测距的城轨列车车轮直径检测方法的流程图。

图2是本发明基于激光测距的城轨列车车轮直径检测系统的设备布设图。

图3是本发明检测系统的传感器安装侧视图。

图4是本发明检测系统的传感器安装正视图。

图5是本发明中踏面关键点提取示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明基于激光测距的城轨列车车轮直径检测方法，步骤如下：

步骤1，传感器布设，在轨道内侧依次设置两组2D激光位移传感器，记为L1、L2，L1和L2的激光源点在同一条直线上，该直线平行于轨道延伸方向且和轨道顶面在同一水平面上，两组激光位移传感器之间的水平距离为L，激光位移传感器L1、L2与钢轨铅垂线的夹角均为β，与沿钢轨的水平线夹角均为α，与钢轨的水平安装距离均为l。

步骤2，数据获取及坐标变换，两组激光位移传感器L1、L2同时探测车轮得到探测点的坐标，令激光位移传感器自身坐标系为将轴旋转变换到与车轮内端面平行的平面内，得到坐标系k＝1、2，分别表示激光位移传感器L1、L2。坐标变换的具体过程如下：

对于激光位移传感器L1输出的坐标值根据式(1)进行坐标旋转得到坐标

$\left(\begin{array}{c}{u}_n^{\left(1\right)}\\ v_n^{\left(1\right)}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β})& -\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β})\\ \sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β})& \cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β})\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_n^{\left(1\right)}\\ y_n^{\left(1\right)}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{x}_n^{\left(1\right)}\sin \mathrm{\β}-y_n^{\left(1\right)}\cos \mathrm{\β}\\ x_n^{\left(1\right)}\cos \mathrm{\β}+y_n^{\left(1\right)}\sin \mathrm{\β}\end{array}\right)---\left(1\right)$

对于激光位移传感器L2输出的坐标值根据式(2)进行坐标旋转得到坐标

$\left(\begin{array}{c}{u}_n^{\left(2\right)}\\ v_n^{\left(2\right)}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\β}& -\sin \mathrm{\β}\\ \sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_n^{\left(2\right)}\\ y_n^{\left(2\right)}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{x}_n^{\left(2\right)}\cos \mathrm{\β}-y_n^{\left(2\right)}\sin \mathrm{\β}\\ x_n^{\left(2\right)}\sin \mathrm{\β}+y_n^{\left(2\right)}\cos \mathrm{\β}\end{array}\right)---\left(2\right)$

步骤3，数据干扰点滤除，根据步骤2，提取车轮内端面横坐标值U^(k)，以此建立滤窗，滤除数据干扰点。传感器数据干扰点的滤除过程如下：

第一步，获取车轮右端面的轴坐标值，根据坐标旋转后的数据点，提取满足式(3)的点

$|u_i^{\left(k\right)}-u_{i-1}^{\left(k\right)}|\≤\mathrm{\ξ}---\left(3\right)$

式中为变换后数据点的轴坐标，ξ为传感器在轴方向上的分辨率；对满足条件的轴方向的坐标值求平均作为车轮右端面的轴坐标U^(k)；

第二步，根据坐标U^(k)建立(U^(k)-a,U^(k)+b)的一个滤窗，滤除轴坐标值不在该范围内的点，从而得到有效的数据点，进而得到轮缘轮廓线，其中，a∈(135,140)，b∈(0,5)。

步骤4，关键点获取，根据步骤3获取的车轮内端面横坐标值U^(k)(即获取的车轮右端面的轴坐标U^(k))，提取(U^(k)-80,U^(k)-60)范围内的点进行曲线拟合(选用最小二乘4阶多项式进行曲线拟合)，得到拟合方程，根据曲线拟合方程确定U^(k)-70mm处的车轮踏面数据点(就是指关键点)，并得到在与车轮内端面平行的平面内，两组激光位移传感器L1、L2激光点到距车轮内端面70mm处点的距离值d⁽¹⁾、d⁽²⁾。

步骤5，关键踏面选择，根据步骤4获得的激光位移传感器L1、L2在车轮内端面平行的平面内，两组激光位移传感器L1、L2激光点到距车轮内端面70mm处点的距离值d⁽¹⁾、d⁽²⁾，根据|d⁽¹⁾-d⁽²⁾|≤0.03原则，选取车轮轮心在激光位移传感器L1、L2中心线上时刻的车轮踏面数据。

步骤6，车轮直径计算，根据步骤5获得关键踏面数据，结合α、β、l等传感器布设参数，由几何关系得到车轮直径D。车轮直径计算过程为：结合α、β、l等传感器安装参数，根据步骤5获取的踏面数据及两组激光位移传感器L1、L2激光点到距车轮内端面70mm处点的距离值d⁽¹⁾、d⁽²⁾，根据式(4)求得车轮直径D，其中D⁽¹⁾、D⁽²⁾分别是激光位移传感器L1、L2计算的直径值。

$\left\{\begin{array}{c}{(D^{\left(1\right)}/2)}^2={(D^{\left(1\right)}/2-d^{\left(1\right)}\sin \mathrm{\α})}^2+{(L/2-d^{\left(1\right)}\cos \mathrm{\α})}^2\\ {(D^{\left(2\right)}/2)}^2={(D^{\left(2\right)}/2-d^{\left(2\right)}\sin \mathrm{\α})}^2+{(L/2-d^{\left(2\right)}\cos \mathrm{\α})}^2\\ D=(D^{\left(1\right)}+D^{\left(2\right)})/2\end{array}\right.---\left(4\right)$

结合图2、图3和图4，本发明基于激光测距的城轨列车车轮直径检测系统，包括连接在中央处理单元的两组2D激光位移传感器，两组2D激光位移传感器均安装在支架上，所述两组2D激光位移传感器设置在轨道内侧，记为L1、L2，L1和L2的激光源点在同一条直线上，该直线平行于轨道延伸方向且和轨道顶面在同一水平面上，两组激光位移传感器之间的水平距离为L，激光位移传感器L1、L2与钢轨铅垂线的夹角均为β，与沿钢轨的水平线夹角均为α，与钢轨的水平安装距离均为l。

所述中央处理单元包括依次连接的坐标变换模块、数据干扰点滤除模块、关键点获取模块、关键踏面选择模块、车轮直径计算模块；

在坐标变换模块中，两组激光位移传感器L1、L2同时探测车轮得到探测点的坐标后，令激光位移传感器自身坐标系为将轴旋转变换到与车轮内端面平行的平面内，得到坐标系k＝1、2，分别表示激光位移传感器L1、L2；

在数据干扰点滤除模块中，根据坐标变换模块的坐标变换，提取车轮内端面横坐标值U^(k)，以此建立滤窗，滤除数据干扰点；

在关键点获取模块中，根据数据干扰点滤除模块获取的车轮内端面横坐标值U^(k)，提取(U^(k)-80,U^(k)-60)范围内的点进行曲线拟合，根据曲线拟合方程确定U^(k)-70mm处的踏面数据点，并得到在与车轮内端面平行的平面内，两组激光位移传感器L1、L2激光点到该点的距离值d⁽¹⁾、d⁽²⁾；

在关键踏面选择模块中，根据关键点获取模块获得的激光位移传感器L1、L2在车轮内端面平行的平面内，两组激光位移传感器L1、L2激光点到车轮踏面的距离值d⁽¹⁾、d⁽²⁾，根据|d⁽¹⁾-d⁽²⁾|≤0.03原则，选取车轮轮心在激光位移传感器L1、L2中心线上时刻的数据；

在车轮直径计算模块中，结合α、β、l等传感器安装参数，根据步骤5获取的踏面数据及两组激光位移传感器L1、L2激光点到距车轮内端面70mm处点的距离值d⁽¹⁾、d⁽²⁾，由几何关系车轮直径D：

本发明的两组传感器之间的水平距离L的范围为840～1040mm，与铅垂线的夹角β的范围为40°～50°，与沿轨道方向的纵向水平线夹角α的范围为40°～50°，与轨道的水平安装距离l的范围为100～400mm。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

在轨道内侧依次安装两个2D激光位移传感器，记为L1、L2，L1和L2的激光源点在同一条直线上且和轨道顶面在同一水平面上，两组传感器之间的水平距离为L＝980，激光位移传感器L1、L2与钢轨铅垂线的夹角均为β＝42°，与钢轨的纵向水平线夹角均为α＝45°，与钢轨的水平安装距离均为l＝250；

对于传感器L1输出的坐标值根据式(1)进行坐标旋转得到坐标

对于传感器L2输出的坐标值根据式(2)进行坐标旋转得到坐标

根据坐标旋转后的数据点，提取满足式(3)的数据点

$|u_i^{\left(k\right)}-u_{i-1}^{\left(k\right)}|\≤\mathrm{\ξ}---\left(3\right)$

式中为变换后数据点的轴坐标，ξ为传感器在轴方向上的分辨率，这里根据所选传感器参数，ξ＝0.2；

对满足条件的轴方向的坐标值求平均作为车轮右端面的轴坐标U^(k)，根据坐标U^(k)建立(U^(k)-a,U^(k)+b)的一个滤窗，滤除轴坐标值不在该范围内的点，从而得到有效的数据点，进而得到轮缘轮廓线，其中，a∈(135,140)，b∈(0,5)。

根据获取的车轮右端面的轴坐标U^(k)，提取(U^(k)-80,U^(k)-60)范围内的点，选用最小二乘4阶多项式进行曲线拟合，得到拟合方程，根据曲线拟合方程确定U^(k)-70mm处的踏面数据点，如图5所示，并得到在与车轮内端面平行的平面内，两组激光位移传感器激光点到该点的距离值d⁽¹⁾、d⁽²⁾；

根据获得的d⁽¹⁾与d⁽²⁾，提取满足|d⁽¹⁾-d⁽²⁾|≤0.03的传感器采集数据点；

求得满足要求的d⁽¹⁾＝238.80，d⁽²⁾＝238.83，结合传感器布设参数，求得D⁽¹⁾＝779.73mm，D⁽²⁾＝779.50mm，则车轮直径D＝779.62mm。

实测车轮直径为780.0mm，误差δ＝0.38mm，满足现场检修要求。

Claims (7)

1.一种基于激光测距的城轨列车车轮直径检测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1，传感器布设，在轨道内侧依次设置两组2D激光位移传感器，记为L1、L2，L1和L2的激光源点在同一条直线上，该直线平行于轨道延伸方向且和轨道顶面在同一水平面上，两组激光位移传感器之间的水平距离为L，激光位移传感器L1、L2与钢轨铅垂线的夹角均为β，与沿钢轨的水平线夹角均为α，与钢轨的水平安装距离均为l；

步骤2，数据获取及坐标变换，两组激光位移传感器L1、L2同时探测车轮得到探测点的坐标，令激光位移传感器自身坐标系为将轴旋转变换到与车轮内端面平行的平面内，得到坐标系k＝1、2，分别表示激光位移传感器L1、L2；

步骤3，数据干扰点滤除，根据步骤2，提取车轮内端面横坐标值U^(k)，以此建立滤窗，滤除数据干扰点；

步骤4，关键点获取，根据步骤3获取的车轮内端面横坐标值U^(k)，提取(U^(k)-80,U^(k)-60)范围内的点进行曲线拟合，得到拟合方程，根据曲线拟合方程确定U^(k)-70mm处的车轮踏面数据点，并得到在与车轮内端面平行的平面内，两组激光位移传感器L1、L2激光点到距车轮内端面70mm处点的距离值d⁽¹⁾、d⁽²⁾；

步骤5，关键踏面选择，根据步骤4获得的激光位移传感器L1、L2在车轮内端面平行的平面内，两组激光位移传感器L1、L2激光点到距车轮内端面70mm处点的距离值d⁽¹⁾、d⁽²⁾，根据|d⁽¹⁾-d⁽²⁾|≤0.03原则，选取车轮轮心在激光位移传感器L1、L2中心线上时刻的车轮踏面数据；

步骤6，车轮直径计算，根据步骤5获得关键踏面数据，结合α、β、l传感器布设参数，由几何关系得到车轮直径D。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2中坐标变换的具体过程如下：

对于激光位移传感器L1输出的坐标值根据式(1)进行坐标旋转得到坐标

对于激光位移传感器L2输出的坐标值根据式(2)进行坐标旋转得到坐标

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3中传感器数据干扰点的滤除过程如下：

第一步，获取车轮右端面的轴坐标值，根据坐标旋转后的数据点，提取满足式(3)的点

式中为变换后数据点的轴坐标，ξ为传感器在轴方向上的分辨率；对满足条件的轴方向的坐标值求平均作为车轮右端面的轴坐标U^(k)；

第二步，根据坐标U^(k)建立(U^(k)-a,U^(k)+b)的一个滤窗，滤除轴坐标值不在该范围内的点，从而得到有效的数据点，进而得到轮缘轮廓线，其中，a∈(135,140)，b∈(0,5)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤6的车轮直径计算过程为：结合α、β、l等传感器安装参数，根据步骤5获取的踏面数据及两组激光位移传感器L1、L2激光点到距车轮内端面70mm处点的距离值d⁽¹⁾、d⁽²⁾，根据式(4)求得车轮直径D，其中D⁽¹⁾、D⁽²⁾分别是激光位移传感器L1、L2计算的直径值。

5.一种基于激光测距的城轨列车车轮直径检测系统，其特征在于包括连接在中央处理单元的两组2D激光位移传感器，两组2D激光位移传感器均安装在支架上，所述两组2D激光位移传感器设置在轨道内侧，记为L1、L2，L1和L2的激光源点在同一条直线上，该直线平行于轨道延伸方向且和轨道顶面在同一水平面上，两组激光位移传感器之间的水平距离为L，激光位移传感器L1、L2与钢轨铅垂线的夹角均为β，与沿钢轨的水平线夹角均为α，与钢轨的水平安装距离均为l。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于所述中央处理单元包括依次连接的坐标变换模块、数据干扰点滤除模块、关键点获取模块、关键踏面选择模块、车轮直径计算模块；

在坐标变换模块中，两组激光位移传感器L1、L2同时探测车轮得到探测点的坐标后，令激光位移传感器自身坐标系为将轴旋转变换到与车轮内端面平行的平面内，得到坐标系k＝1、2，分别表示激光位移传感器L1、L2；

在数据干扰点滤除模块中，根据坐标变换模块的坐标变换，提取车轮内端面横坐标值U^(k)，以此建立滤窗，滤除数据干扰点；

在关键点获取模块中，根据数据干扰点滤除模块获取的车轮内端面横坐标值U^(k)，提取(U^(k)-80,U^(k)-60)范围内的点进行曲线拟合，根据曲线拟合方程确定U^(k)-70mm处的踏面数据点，并得到在与车轮内端面平行的平面内，两组激光位移传感器L1、L2激光点到该点的距离值d⁽¹⁾、d⁽²⁾；

在关键踏面选择模块中，根据关键点获取模块获得的激光位移传感器L1、L2在车轮内端面平行的平面内，两组激光位移传感器L1、L2激光点到车轮踏面的距离值d⁽¹⁾、d⁽²⁾，根据|d⁽¹⁾-d⁽²⁾|≤0.03原则，选取车轮轮心在激光位移传感 器L1、L2中心线上时刻的数据；

在车轮直径计算模块中，结合α、β、l等传感器安装参数，根据步骤5获取的踏面数据及两组激光位移传感器L1、L2激光点到距车轮内端面70mm处点的距离值d⁽¹⁾、d⁽²⁾，由几何关系车轮直径D。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于所述两组传感器之间的水平距离L的范围为840～1040mm，与铅垂线的夹角β的范围为40°～50°，与沿轨道方向的纵向水平线夹角α的范围为40°～50°，与轨道的水平安装距离l的范围为100～400mm。