CN107139967A - 基于激光位移传感器的非接触式轮对尺寸在线检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光位移传感器的非接触式轮对尺寸在线检测方法。该方法包括以下步骤：沿列车前进方向轨道内侧顺次设置第一、第二激光位移传感器，关于轨道对称的外侧顺次设置第四、第三激光位移传感器；第一、第二激光位移传感器的激光源均与轨道上表面处于同一平面；将激光位移传感器输出的数据点进行坐标变换，提取端面及关键特征点；找到车轮圆心位于第一、第二激光位移传感器中心线时激光位移传感器到车轮踏面距离，根据几何关系计算车轮直径；通过数据融合获取两组车轮踏面轮廓线，进而得出两组轮缘参数均值。本发明具有结构简单、精度高、稳定性高的优点。
Description
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非接触式轮对尺寸在线检测方法。
背景技术
城轨交通车辆车轮是机车与轨道的耦合部位，承载着整个机车的重量并保证机车在轨道上的运行。车轮在运行过程中不断地与轨道发生摩擦，造成车轮踏面磨耗，使车轮轮径、轮缘厚度以及轮缘高度等轮对尺寸参数发生变化，影响着列车安全运行以及乘客生命财产安全。因而对车轮踏面外形变化的跟踪监测，具有重要的意义。
轮对尺寸检测系统是轨道交通安全运行研究的重点，国内外研究均有很大的突破。美国、瑞士、日本、俄罗斯等国在轮对尺寸自动检测系统研制拥有成熟的技术，但是其昂贵的成本以及对轨道的特殊要求，不适合在国内广泛应用。国内成都主导科技有限责任公司生产的LY系列轮对故障动态检测系统采用光截图像测量技术，能够自动检测车轮外形尺寸，但是该系统结构复杂、成本高、抗干扰能力差，检测精度低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简易、原理简单的基于激光位移传感器的非接触式轮对尺寸在线检测方法，能够实现轮对尺寸动态非接触高精度测量。
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非接触式轮对尺寸在线检测方法，包括以下步骤：
步骤1，传感器布设：沿列车前进方向轨道内侧顺次设置第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2，在第一激光位移传感器L1关于同侧轨道对称的轨道外侧设置第四激光位移传感器L4，在第二激光位移传感器L2关于同侧轨道对称的轨道外侧设置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的激光源均与轨道上表面处于同一平面；
步骤2，坐标变换：把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和第四激光位移传感器L4同步采集的数据所在的坐标系xoy进行坐标旋转，变换到与轨道内端面平行的uov坐标系中；
步骤3，端面及关键特征点提取：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、第三激光位移传感器L3左端面和第二激光位移传感器L2、第四激光位移传感器L4右端面；对第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2采集的数据进行分段拟合，并根据第一激光位移传感器L1左端面、第二激光位移传感器L2右端面提取第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2到车轮踏面距离d1、d2；
步骤4，车轮直径计算：根据步骤3获得的第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2到车轮踏面距离d1、d2，选择车轮圆心位于第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2中心线时刻的数据，并计算车轮直径；
步骤5，车轮轮缘参数计算：根据数据融合获取第一激光位移传感器L1、第四激光位移传感器L4和第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3两组踏面轮廓线，进而求取轮缘厚度h1、h2，轮缘高度g1、g2，两组数据取平均获取轮缘厚度h'、轮缘厚度g'；根据步骤4获取圆心位于第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2中心线时刻前后3帧数据，获取轮缘厚度h1'、h2'、h3'和轮缘高度g1'、g2'、g3'，将三组数据取平均获取轮缘厚度h、轮缘厚度g。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)采用非接触式检测方式，检测原理简单、成本低，能够在列车运行时实现列车轮径、轮缘厚度、轮缘高度等轮对尺寸参数动态在线高精度测量；(2)轮缘参数使用多组和多帧检测方法，提高了检测精度。
附图说明
图1是本发明基于激光位移传感器的非接触式轮对尺寸在线检测方法的流程图。
图2是本发明的检测装置结构示意图。
图3是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是第一激光位移传感器L1左踏面以及关键特征点提取示意图。
图5是本发明的直径检测原理示意图。
图6是第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3数据融合后车轮踏面轮廓线示意图。
具体实施方式
本发明是基于激光位移传感器的非接触式轮对尺寸在线检测方法，首先将激光位移传感器输出的数据点坐标变换，端面及关键特征点提取，找到车轮圆心位于第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2中心线时传感器到车轮踏面距离，根据几何关系得到车轮直径。通过数据融合获取两组车轮踏面轮廓线，进而求取两组轮缘参数均值。同时，取车轮圆心位于第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2中心线前后三帧轮缘参数取均值，以提高系统检测精度。
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，本发明是一种基于激光位移传感器的非接触式轮对尺寸在线检测方法，包括以下步骤：
步骤1，传感器布设：图2为本发明的检测装置结构示意图。沿列车前进方向轨道内侧顺次设置第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2，在第一激光位移传感器L1关于同侧轨道对称的轨道外侧设置第四激光位移传感器L4，在第二激光位移传感器L2关于同侧轨道对称的轨道外侧设置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的激光源均与轨道上表面处于同一平面；
如图2、图3所示，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、第四激光位移传感器L4离轨道垂直安装距离l1、l2、l3、l4均相等，取值范围为300～400mm；第一激光位移传感器L1和第二激光位移传感器L2水平安装距离l5与第三激光位移传感器L3和第四激光位移传感器L4水平安装距离l6相等，取值范围为800～1000mm；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、第四激光位移传感器L4与铅垂线夹角β1、β2、β3、β4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、第四激光位移传感器L4与沿轨道方向水平夹角α1、α2、α3、α4均相等，取值范围为40～55°。
步骤2，坐标变换：把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和第四激光位移传感器L4同步采集的数据所在的坐标系xoy进行坐标旋转，变换到与轨道内端面平行的uov坐标系中，具体过程如下：
对于第一激光位移传感器L1、第三激光位移传感器L3输出的二维坐标值根据式(1)坐标变换为坐标值
其中，上标i＝1,3，分别代表第一激光位移传感器L1、第三激光位移传感器L3；
对于第二激光位移传感器L2、第四激光位移传感器L4输出的二维坐标值根据式(2)坐标变换为坐标值
其中，上标i＝2,4，分别代表第二激光位移传感器L2、第四激光位移传感器L4。
4.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的非接触式轮对尺寸在线检测方法，其特征在于，步骤3所述端面及关键特征点提取，具体如下：
根据步骤2坐标变换后的坐标，提取满足式(3)的坐标点：
|ui-ui-1|≤0.02 (3)
将满足条件的u轴横坐标值取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、第三激光位移传感器L3左端面横坐标值为xL1、xL3，第二激光位移传感器L2、第四激光位移传感器L4右端面横坐标值为xL2、xL4；
对第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2坐标变换后的数据点进行分段4阶最小二乘曲线拟合，获得踏面曲线方程；由第一激光位移传感器L1左端面横坐标值xL1，第二激光位移传感器L2右端面横坐标值xL2，根据式(4)获取第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2踏面关键特征点横坐标x1、x2：
根据第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2踏面曲线方程以及横坐标值x1、x2，获取踏面关键特征点纵坐标值，即为第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2到车轮踏面距离d1、d2。第一激光位移传感器L1左踏面以及关键特征点提取如图4所示。
步骤4：车轮直径计算：根据步骤3获得的第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2到车轮踏面距离d1、d2，选择车轮圆心位于第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2中心线时刻的数据，并计算车轮直径，具体过程如下：
根据步骤3得到的第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2到车轮踏面距离d1、d2，求取满足式(5)d1、d2的数值：
|d1-d2|≤0.05 (5)
根据激光位移传感器安装参数以及第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2到车轮踏面距离d1、d2的数值，由式(6)求取车轮直径D，直径检测原理示意图如图5所示：
其中，l5为第一激光位移传感器L1和第二激光位移传感器L2水平安装距离，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、第四激光位移传感器L4与沿轨道方向水平夹角α1、α2、α3、α4均相等为α。
步骤5：车轮轮缘参数计算：根据数据融合获取第一激光位移传感器L1、第四激光位移传感器L4和第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3两组踏面轮廓线，进而求取轮缘厚度h1、h2，轮缘高度g1、g2，两组数据取平均获取轮缘厚度h'、轮缘厚度g'；根据步骤4获取圆心位于第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2中心线时刻前后3帧数据，获取轮缘厚度h1'、h2'、h3'和轮缘高度g1'、g2'、g3'，将三组数据取平均获取轮缘厚度h、轮缘厚度g，具体过程如下：
根据数据融合方法获取第一激光位移传感器L1、第四激光位移传感器L4以及第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3车轮完整踏面轮廓曲线，根据轮缘厚度和轮缘高度定义求取车轮轮缘厚度h1、h2，轮缘高度g1、g2；根据式(7)获得此次单帧车轮轮缘厚度h'、轮缘高度g'；第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3数据融合后车轮踏面轮廓线如图6所示。
根据步骤4获得的车轮圆心位于激光位移传感器第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2中心线时，取此帧以及前后两帧轮缘厚度h1'、h2'、h3'以及轮缘高度g1'、g2'、g3'数值，按照式(8)求得车轮轮缘厚度h、轮缘高度g：
实施例1
沿列车前进方向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，轨道外侧依次安装第三激光位移传感器L3、第四激光位移传感器L4。第一激光位移传感器L1和第四激光位移传感器L4关于轨道对称布置，第二激光位移传感器L2和第三激光位移传感器L3关于轨道对称布置。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、第四激光位移传感器L4离轨道垂直安装距离l1、l2、l3、l4均为350mm，第一激光位移传感器L1和第二激光位移传感器L2水平安装距离l5与第三激光位移传感器L3和第四激光位移传感器L4水平安装距离l6均为950mm，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、第四激光位移传感器L4与铅垂线夹角β1、β2、β3、β4均为45°，与沿轨道方向水平夹角α1、α2、α3、α4均为45°。
首先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、第四激光位移传感器L4输出的坐标值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、第四激光位移传感器L4坐标变化后的数据点，提取满足|ui-ui-1|≤0.02的点，并对这些点横坐标值取均值，获得第一激光位移传感器L1、第三激光位移传感器L3左端面和第二激光位移传感器L2、第四激光位移传感器L4右端面横坐标值。
对第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2坐标变换后的数据点进行4阶最小二乘曲线拟合，获得踏面曲线方程。由第一激光位移传感器L1左端面横坐标值xL1，第二激光位移传感器L2右端面横坐标值xL2，根据下式获取第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2踏面关键特征点横坐标x1、x2，并将x1、x2带入踏面曲线方程获得第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2到车轮踏面距离d1、d2。
根据获得的d1、d2，提取满足|d1-d2|≤0.05的数据点，此时d1＝222.20，d2＝222.23，根据下式计算D＝800.1748mm。
根据人工检测车轮直径为800.0mm，可见轮径检测方法满足现场检修需求。
当车轮圆心位于第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2中心线，获得此帧第一激光位移传感器L1、第四激光位移传感器L4以及第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3数据融合后获得轮缘厚度h1＝28.96，h2＝28.86，轮缘高度g1＝29.20，g2＝29.30。两组数据取均值得到轮缘厚度h1'＝28.91，轮缘高度g1'＝29.25。
同理，获得车轮圆心位于第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2中心线前后两帧车轮轮缘厚度h2'＝28.95、h3'＝28.85以及轮缘高度g2'＝29.18、g3'＝29.27。三帧数据取均值得到轮缘厚度h＝28.90，轮缘高度g＝29.23。
根据人工测量车轮轮缘参数为28.8mm，轮缘厚度29.2mm，可见轮缘检测方法满足现场检修需求。
Claims (6)
1.一种基于激光位移传感器的非接触式轮对尺寸在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，传感器布设：沿列车前进方向轨道内侧顺次设置第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2，在第一激光位移传感器L1关于同侧轨道对称的轨道外侧设置第四激光位移传感器L4，在第二激光位移传感器L2关于同侧轨道对称的轨道外侧设置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的激光源均与轨道上表面处于同一平面；
步骤2，坐标变换：把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和第四激光位移传感器L4同步采集的数据所在的坐标系xoy进行坐标旋转，变换到与轨道内端面平行的uov坐标系中；
步骤3，端面及关键特征点提取：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、第三激光位移传感器L3左端面和第二激光位移传感器L2、第四激光位移传感器L4右端面；对第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2采集的数据进行分段拟合，并根据第一激光位移传感器L1左端面、第二激光位移传感器L2右端面提取第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2到车轮踏面距离d1、d2；
步骤4，车轮直径计算：根据步骤3获得的第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2到车轮踏面距离d1、d2，选择车轮圆心位于第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2中心线时刻的数据，并计算车轮直径；
步骤5，车轮轮缘参数计算：根据数据融合获取第一激光位移传感器L1、第四激光位移传感器L4和第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3两组踏面轮廓线，进而求取轮缘厚度h1、h2，轮缘高度g1、g2，两组数据取平均获取轮缘厚度h'、轮缘厚度g'；根据步骤4获取圆心位于第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2中心线时刻前后3帧数据，获取轮缘厚度h1'、h2'、h3'和轮缘高度g1'、g2'、g3'，将三组数据取平均获取轮缘厚度h、轮缘厚度g。
2.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的非接触式轮对尺寸在线检测方法，其特征在于，步骤1所述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、第四激光位移传感器L4离轨道垂直安装距离l1、l2、l3、l4均相等，取值范围为300～400mm；第一激光位移传感器L1和第二激光位移传感器L2水平安装距离l5与第三激光位移传感器L3和第四激光位移传感器L4水平安装距离l6相等，取值范围为800～1000mm；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、第四激光位移传感器L4与铅垂线夹角β1、β2、β3、β4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、第四激光位移传感器L4与沿轨道方向水平夹角α1、α2、α3、α4均相等，取值范围为40～55°。
3.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的非接触式轮对尺寸在线检测方法，其特征在于，步骤2所述坐标变换，具体如下：
对于第一激光位移传感器L1、第三激光位移传感器L3输出的二维坐标值根据式(1)坐标变换为坐标值
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其中，上标i＝1,3，分别代表第一激光位移传感器L1、第三激光位移传感器L3；
对于第二激光位移传感器L2、第四激光位移传感器L4输出的二维坐标值根据式(2)坐标变换为坐标值
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其中，上标i＝2,4，分别代表第二激光位移传感器L2、第四激光位移传感器L4。
4.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的非接触式轮对尺寸在线检测方法，其特征在于，步骤3所述端面及关键特征点提取，具体如下：
根据步骤2坐标变换后的坐标，提取满足式(3)的坐标点：
|ui-ui-1|≤0.02 (3)
将满足条件的u轴横坐标值取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、第三激光位移传感器L3左端面横坐标值为xL1、xL3，第二激光位移传感器L2、第四激光位移传感器L4右端面横坐标值为xL2、xL4；
对第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2坐标变换后的数据点进行分段4阶最小二乘曲线拟合，获得踏面曲线方程；由第一激光位移传感器L1左端面横坐标值xL1，第二激光位移传感器L2右端面横坐标值xL2，根据式(4)获取第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2踏面关键特征点横坐标x1、x2：
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根据第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2踏面曲线方程以及横坐标值x1、x2，获取踏面关键特征点纵坐标值，即为第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2到车轮踏面距离d1、d2。
5.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的非接触式轮对尺寸在线检测方法，其特征在于，步骤4所述车轮直径计算，具体如下：
根据步骤3得到的第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2到车轮踏面距离d1、d2，求取满足式(5)d1、d2的数值：
|d1-d2|≤0.05 (5)
根据激光位移传感器安装参数以及第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2到车轮踏面距离d1、d2的数值，由式(6)求取车轮直径D：
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，l5为第一激光位移传感器L1和第二激光位移传感器L2水平安装距离，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、第四激光位移传感器L4与沿轨道方向水平夹角α1、α2、α3、α4均相等为α。
6.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的非接触式轮对尺寸在线检测方法，其特征在于，步骤5所述车轮轮缘参数计算，具体如下：
根据数据融合方法获取第一激光位移传感器L1、第四激光位移传感器L4以及第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3车轮完整踏面轮廓曲线，根据轮缘厚度和轮缘高度定义求取车轮轮缘厚度h1、h2，轮缘高度g1、g2；根据式(7)获得此次单帧车轮轮缘厚度h'、轮缘高度g'：
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<mfenced open = "{" close = "">
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<mn>2</mn>
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<mrow>
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<mi>g</mi>
<mo>&prime;</mo>
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<mo>=</mo>
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<mrow>
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<mn>2</mn>
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</mfenced>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
根据步骤4获得的车轮圆心位于激光位移传感器第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2中心线时，取此帧以及前后两帧轮缘厚度h1'、h2'、h3'以及轮缘高度g1'、g2'、g3'数值，按照式(8)求得车轮轮缘厚度h、轮缘高度g：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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<mtd>
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<mi>h</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
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<mo>+</mo>
<msup>
<msub>
<mi>h</mi>
<mn>3</mn>
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<mo>&prime;</mo>
</msup>
</mrow>
<mn>3</mn>
</mfrac>
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<mtr>
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<mi>g</mi>
<mo>=</mo>
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<mn>1</mn>
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</msup>
<mo>+</mo>
<msup>
<msub>
<mi>g</mi>
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</msup>
<mo>+</mo>
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<msub>
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<mo>&prime;</mo>
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<mn>3</mn>
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3
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