CN110550067A - 列车车轮的测量方法及相关系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量列车(14)的至少一个车轮(12)的测量方法，包括以下步骤：获取步骤，在该获取步骤期间，当列车(14)在多个光学传感器(32)前方运动时，该多个光学传感器(32)获取车轮(12)的至少一部分的多个轮廓绘图步骤，在该绘图步骤期间，对于每个光学传感器(32)，控制模块(30)将由光学传感器(32)获取的轮廓结合，以获得车轮(12)的一部分的图，该图进一步被转换为点群；重新结合步骤，在该重新结合步骤期间，将从光学传感器(32)获得的点群结合以形成车轮(12)的三维图像；以及分析步骤，在该分析步骤期间，在三维图像上测量多个参考点和参考距离。

Description

列车车轮的测量方法及相关系统

技术领域

本发明涉及一种使用测量系统测量列车的至少一个车轮的测量方法。本发明还涉及实现所述方法的测量系统。

背景技术

在铁路上运行期间，列车的车轮遭受滚动磨损，并最终需要调整或者最坏时需要更换。为了统计磨损，通常在车间内的停止使用期间测量列车的每个车轮的直径。直径的测量通常使用手动工具完成，并且必须在列车的每个车轮上进行，这可能是耗时且不准确的。

对于固体物体存在其他测量方法，以便提供更好的准确性，例如三维扫描。三维扫描是一种分析现实世界物体或环境以收集其形状数据的方法。然后，所收集的数据可用于构建数字三维模型。许多不同的技术、尤其是光学技术可用于构建扫描设备。

激光三角测量是一种这样的光学技术，其中激光源发射光束，该光束在待测物体上反射，以被位于激光束一侧的摄像机观察到。光源、物体和摄像机形成三角形，允许高精度地将反射的激光的位置与光源和物体之间的距离联系起来。

激光三角测量通常用于从每个角度扫描的固定物体，以重建三维模型。然而，该方法效率低下且不易操作，需要拆卸车轮。在运动轮上实施激光三角测量是困难的，因为激光束照射的点必须允许推导出直径。

需要一种通过诸如激光三角测量之类的光学技术来测量列车车轮的方法，该方法既易于实施又在其结果上准确。

发明内容

因此，本发明涉及上述类型的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

-获取步骤，在该获取步骤期间，当列车在多个光学传感器前方运动时，该多个光学传感器通过光学技术获取车轮的至少一部分的多个轮廓；

-绘图步骤，在该绘图步骤期间，对于每个光学传感器，控制模块将由光学传感器获取的所有轮廓结合，以获得车轮的所述一部分的图，该图被进一步转换成点群；

-重新结合步骤，在该重新结合步骤期间，将从光学传感器获得的点群结合以形成车轮的三维图像；以及

-分析步骤，在该分析步骤期间，在三维图像上测量多个参考点和参考距离。

根据本发明的有利的但非强制性的其他方面，单独地或在任何技术上可能的组合下，根据本发明的方法可以包括以下特征：

-在获取步骤之前，所述方法还包括检测步骤，在该检测步骤期间，列车由识别传感器检测，从而触发获取步骤；

-在获取步骤期间，至少一个光学传感器是获取车轮的内侧部分的多个轮廓的内侧传感器，并且至少一个光学传感器是获取车轮的外侧部分的多个轮廓的外侧传感器；

-在获取步骤期间，每个光学传感器获取车轮的一部分的至少一百个轮廓；

-光学技术是激光三角测量；

-在分析步骤期间，根据参考距离和车轮直径的先前测量值计算车轮直径；

-通过公式D＝D’-2*(FH-FH’)计算车轮直径，其中D’是车轮直径的先前测量值，FH’是与D’同时获得的凸缘高度的先前测量值，并且FH是在分析步骤期间测量的凸缘高度；

-在重新结合步骤期间，每个点群的每个轮廓与来自另一个点群的至少一个对应轮廓结合，形成车轮的完整轮廓，所述完整轮廓形成车轮的三维图像；以及

-在分析步骤期间，从三维图像的完整轮廓中确定归一化轮廓作为呈现最小测量凸缘高度的完整轮廓。

本发明还涉及一种用于测量列车的至少一个车轮的测量系统，该测量系统包括：

-控制模块，其被配置为实现上述测量方法；以及

-多个光学传感器，其被配置为获取车轮的一部分的多个轮廓。

根据本发明的有利但非强制性的其他方面，单独地或在任何技术上可能的组合下，根据本发明的系统可以包括以下特征：

-测量系统还包括适于检测列车并触发获取步骤的识别传感器；

-每个光学传感器包括适于投射光束的激光源、适于将光束成形为平面光束的成形装置以及适于获取光束与车轮之间的接触区域的图像的摄像机，所述图像包含车轮的一部分的轮廓，控制模块被配置为从图像中提取轮廓；以及

-控制模块还被配置为访问包含来自车轮的先前测量的数据的数据库。

附图说明

将基于以下描述更好地理解本发明，以下描述仅作为说明性例子给出，而不限制本发明的范围。该描述与所附的图对应地给出，其中：

-图1是列车的车轮的测量系统的俯视图；

-图2是图1的测量系统的功能的正视图；

-图3是图1和图2的系统的激光源的侧视图；

-图4是图1和图2的系统对车轮连续扫描的图示；

-图5是从图4的扫描中获得的车轮的轮廓的图示，其中示出了参考距离；以及

-图6是测量方法的连续步骤的示意图。

具体实施方式

在图1中示意性示出了被配置用于测量列车14的车轮12的系统10。系统10被设计用于实现用于基于光学技术(例如，激光三角测量)测量车轮12的测量方法。

列车14在轨道16上运行，轨道16通向篷顶18，篷顶18保护系统10免受外部条件(例如，下雨)的影响。系统10被设计用于当列车14进入或离开篷顶18时在运动列车14的车轮12上执行测量方法。

在下文中，将描述一个车轮12的功能，但必须注意的是，其他车轮的功能类似。

车轮12安装在穿过其中心的轴20上。如图2所示，车轮12限定了圆柱形滚动表面22，该圆柱形滚动表面22环绕车轮12的周边，与轨道16接触。滚动表面22由相对于列车的车轮12的内侧上的凸缘24界定，凸缘24的直径大于滚动表面22的直径。

列车14包括被配置为用信号通知列车14的到达的识别装置，例如射频识别装置。识别装置26靠近列车14的前端位于车身的下侧。

系统10包括适于在列车14接近篷顶18时检测识别装置26以便启动测量方法的识别传感器28，例如射频识别传感器。识别传感器28位于置于轨道16之间的盒子中，并在列车14经过它时检测识别装置26。

系统10包括中央控制模块30，其适于实施测量程序的连续步骤并收集测量数据以产生结果。控制模块30包括被设计用于执行计算机程序的处理器31A、被设计用于存储和恢复数据的存储器模块31B以及允许操作者与控制模块30交互的用户界面31C。最后，控制模块30能够访问外部数据库以获得车轮12的先前测量的数据。

系统10还包括位于篷顶18内的四个光学传感器32，它们放置在位于各个轨道16两侧的四个盒子中。四个光学传感器32形成两对光学传感器32，每对光学传感器32包括位于轨道16内侧的内侧传感器32A和位于轨道16外侧的外侧传感器32B。每个光学传感器32被设计用于通过光学技术获取在其前方通过的车轮12的多个轮廓。

如图2所示，每个光学传感器32获取车轮12的侧面的轮廓，内侧传感器32A获取车轮12的内侧部分的轮廓，并且外侧传感器32B获取车轮12的外侧部分的轮廓。光学传感器32耦合至控制模块30，控制模块30开始获取并收集结果。

在所示的例子中，光学技术是激光三角测量。如图2所示，每个光学传感器32包括激光源34和摄像机36。

激光源34沿着发射的中心轴线投射光束38。发射的中心轴线位于明显垂直于轨道16的平面中。

光束38由置于激光源34上的成形装置(未示出)成形为平面光束。

在图3中可以看出，平面光束38是倾斜的，并且在平行于轨道16的垂直平面中与轨道16的方向形成倾斜角γ。倾斜角γ在30°和60°之间，例如等于45°。

平面光束38在垂直于轨道16的平面中与水平的地平面形成第一角度α。由于平面光束38的倾斜，第一角度α沿着平面光束38的宽度在最低值α1和最高值α2之间变化。

平面光束38定向成与在光学传感器32前方通过的车轮12的后部相交，形成与车轮的接触区域40。列车14的运动方向由图3中的箭头表示。

摄像机36具有中心获取轴线，该中心获取轴线在垂直于轨道16的平面中与水平的地平面形成第二角度β，第二角度β在包括在最低角度α1和最高角度α2之间的范围之外。

摄像机36适于以设定的获取频率获取平面光束38与车轮12之间的接触区域40的图像。

接触区域40的每个图像是由摄像机36获取的车轮12的一部分的三维轮廓的二维图像。来自光学传感器32获取的一系列图像的图像轮廓形成车轮12的一部分的一系列平行轮廓。该系列中的连续轮廓之间的距离取决于相对于摄像机36的获取频率的列车14的速度。图像从光学传感器32发送到控制模块30以进行分析。

控制模块30适于分析由每个光学传感器32获取的二维图像以提取三维轮廓，并结合这些轮廓以创建车轮12的图。

控制模块30通过将激光源34与接触区域40之间的距离与由摄像机36获取的图像上的接触区域40的位置联系起来而从图像中提取轮廓。该距离由已知的几何方法通过第一角度α的最低值α1和最高值α2、第二角度β和倾斜角度γ以及源34和摄像机36的相对位置来获得。

控制模块30还适于根据三维轮廓计算归一化轮廓，并且在这些轮廓上检测多个参考点和参考距离，特别是以便确定车轮12的半径。

控制模块30最终能够将结果存储在存储器模块31B中并通过界面31C将其显示给操作员，以验证或拒绝车轮12的操作条件。

列车14的车轮12的测量方法源自前面描述的测量系统10的结构，并且现在将参照图6完整地描述。

测量方法在列车进入或离开篷顶18时在列车14的车轮12上实施。

在检测步骤50中，当列车14经过测量系统10的识别传感器28时，该识别传感器28检测位于列车14上的识别装置26。识别传感器28向控制模块30发送通知，控制模块30启动获取步骤52。

在获取步骤52期间，光学传感器32通过光学技术连续地获取在它们前面经过的车轮12的图像。如前所述，光学技术例如是激光三角测量。

因此，每个光学传感器32获取一系列图像，每个图像包含车轮12的一部分的一个轮廓或一系列轮廓。在图2所示的例子中，内侧光学传感器32A获取车轮12的内侧部分的图像，并且外侧光学传感器32B获取车轮12的外侧部分的轮廓。然后光学传感器32将这一系列图像发送到控制模块30以进行分析。

在绘图步骤54中，控制模块30从由光学传感器32发送的图像中提取轮廓，以针对每个光学传感器32创建车轮12的一部分的一系列轮廓。

该系列轮廓表示车轮12的一部分的大量轮廓，这取决于相对于摄像机36的获取频率的列车14的速度。例如，每个光学传感器32获取车轮12的一部分的至少一百个轮廓。该系列轮廓被发送到控制模块30并存储在存储器模块31B中以进行分析。

如前所述，在绘图步骤54期间，每个系列轮廓中的轮廓由控制模块30结合，以便创建由光学模块32观察到的车轮12的每个部分的图。

然后将图转换为三维点群，如图4所示。三维点群中的每个点的坐标取决于光学传感器32与图中的点之间的距离以及光学传感器32的位置。点群包括一系列轮廓中的彼此平行的所有轮廓，如图4所示。

在重新结合步骤56中，将从车轮12的内侧部分和外侧部分的内侧传感器32A和外侧传感器32B获得的三维点群结合以形成整个车轮12的三维图像。为此，每个点群的每个轮廓与来自每个其他点群的对应轮廓结合，形成车轮12两侧的完整轮廓。因此，三维图像由所有完整轮廓形成。

然后，通过用户界面31C将三维图像显示给进行检查的操作员，并存储在存储器模块31B中。

在分析步骤58中，在三维图像的每个完整轮廓上检测多个参考点和多个参考距离。

在图5中表示重新结合的三维点群的一个完整轮廓的一部分，对车轮12的滚动表面22和凸缘24成像。在分析步骤58期间在完整轮廓上检测以下参考点和参考距离：

-第一点101和第二点102，它们在垂直轴上具有相同的坐标并且在水平轴上分开第一预定距离D1；

-第三点103，其位于凸缘24的内侧部分上并且在垂直轴上与第二点102分开第二预定距离D2；

-第四点104，其在完整轮廓的垂直轴上呈现最低坐标；

-凸缘宽度FW，其等于第一点101与第三点103之间在水平轴上的坐标差；以及

-凸缘高度FH，其等于第二点102与第四点104之间在垂直轴上的坐标差。

第一预定距离D1例如在50mm和100mm之间，特别是等于70mm。

第二预定距离D2例如在10mm和20mm之间，特别是等于13mm。

针对图像的每个完整轮廓计算凸缘高度FH，以便确定归一化轮廓。归一化轮廓被视为具有凸缘高度FH的最低测量值的完整轮廓。这是因为具有凸缘顶部和滚动表面22之间的最小距离并因此具有测量的最低凸缘高度FH的完整轮廓是穿过车轮12的中心并且与车轮12的圆周在正交方向上相交的完整轮廓。

有利地，将来自一系列中最接近归一化轮廓的最多四个完整轮廓的点添加到归一化轮廓中，以便增大归一化轮廓中的点密度。点密度的这种增大减小了获取误差的影响，并增加了点的数量以提高计算的准确性。

车轮直径D通过下面的公式由归一化轮廓确定：D＝D’-2*(FH-FH’)。这里，D’是由控制模块30从数据库中取得的车轮直径的先前测量值，并且FH’是与D’同时获得的凸缘高度的先前测量值，并且也取自数据库。FH是先前在归一化轮廓上获得的凸缘高度。

有利地，D’和FH’在车轮12刚用车床制造之后在车轮12上测量，并且在车轮12安装在列车14上之前存储在数据库中以便使用。

通过凸缘高度测量结果和先前值对车轮直径的确定比直径的直接测量更精确。直接测量需要获得穿过车轮中心和两个相对边界的完整轮廓，这很难精确地实现。

另外，可以在归一化轮廓上测量若干其他参考距离。

其他距离包括凸缘背部多余材料、胎面翻转、凸缘中的最大台阶、凸缘轮廓半径和背对背距离。

凸缘背部多余材料等于第一点101与归一化轮廓的水平轴上的坐标距第一点101的水平轴上的坐标最远的点之间的在水平轴上的坐标差。

胎面翻转等于凸缘背部多余材料与从数据库取得的标称宽度NW之间的差。标称宽度NW在车轮12刚用车床制造之后在车轮12上测量，并且在车轮12安装在列车14上之前存储在数据库中以供使用。

例如标称宽度NW在100mm和150mm之间，特别是等于135mm。

有利地，如果归一化轮廓包括少于三个的不同点，则将胎面翻转取为等于0，该三个不同点在水平轴上距第一点101比标称宽度NW更远，。如果距第一点101比标称宽度NW更远的点不在距至少一个其他点的预定的相关半径内，则情况也是如此。这防止了距第一点101比标称宽度NW更远的点是获取过程中的噪声的结果，并且因此在归一化轮廓上具有彼此不相关的的坐标的情况。

凸缘中的最大台阶被视为在全面考虑归一化轮廓时将归一化轮廓中的点与下一个点分开的最大距离。仅当通过它们的线与水平轴线形成小于2°的角度时，才考虑这两个点来确定凸缘中的最大台阶，以便仅考虑来自归一化轮廓的凸缘区域的点。

通过找到分开预定距离的几个点，在归一化轮廓上确定凸缘轮廓半径，对于该预定距离，归一化轮廓的在这些点之间的部分的曲率半径最小。凸缘轮廓半径被视为该部分的曲率半径。例如预定距离是7.07mm。

背对背距离被视为车轮12的第一点101与位于另一个车轮上的相同位置的等效点之间的距离，该另一个车轮与车轮12共用轴20。

Claims (13)

1.一种使用测量系统(10)测量列车(14)的至少一个车轮(12)的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

-获取步骤(52)，在该获取步骤期间，当列车(14)在多个光学传感器(32)前方运动时，所述多个光学传感器(32)通过光学技术获取所述车轮(12)的至少一部分的多个轮廓；

-绘图步骤(54)，在该绘图步骤期间，对于每个光学传感器(32)，控制模块(30)将由所述光学传感器(32)获取的所有轮廓结合，以获得所述车轮(12)的一部分的图，该图进一步被转换为点群；

-重新结合步骤(56)，在该重新结合步骤期间，将从所述光学传感器(32)获得的点群结合以形成所述车轮(12)的三维图像；以及

-分析步骤(58)，在该分析步骤期间，在三维图像上测量多个参考点和参考距离。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，在所述获取步骤(52)之前，所述方法还包括检测步骤(50)，在所述检测步骤期间，所述列车(14)由识别传感器(28)检测，从而触发所述获取步骤。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，在所述获取步骤(52)期间，至少一个所述光学传感器(32)是获取所述车轮(12)的内侧部分的多个轮廓的内侧传感器(32A)，并且至少一个所述光学传感器(32)是获取所述车轮(12)的外侧部分的多个轮廓的外侧传感器。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，在所述获取步骤(52)期间，每个光学传感器(32)获取所述车轮(12)的所述一部分的至少一百个轮廓。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述光学技术是激光三角测量。

6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，在所述分析步骤(58)期间，根据所述参考距离和车轮直径的先前测量值计算所述车轮直径。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，通过公式D＝D’-2*(FH-FH’)计算所述车轮直径，其中D’是所述车轮直径的先前测量值，FH’是与D’同时获得的凸缘高度的先前测量值，并且FH是在所述分析步骤(58)期间测量的凸缘高度。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的测量方法，其特征在于，在所述重新结合步骤(56)期间，每个点群的每个轮廓与来自另一个点群的至少一个对应轮廓结合，形成所述车轮(12)的完整轮廓，所述完整轮廓形成所述车轮(12)的三维图像。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，在所述分析步骤(58)期间，归一化轮廓作为呈现最小测量凸缘高度的完整轮廓被从所述三维图像的完整轮廓中确定。

10.一种用于测量列车(14)的至少一个车轮(12)的测量系统(10)，该测量系统(10)包括：

-控制模块(30)，其被配置为实现权利要求1所述的测量方法；以及

-多个光学传感器(32)，其被配置为获取所述车轮(12)的一部分的多个轮廓。

11.根据权利要求10所述的测量系统(10)，其特征在于，所述测量系统(10)还包括适于检测所述列车(14)并触发所述获取步骤(54)的识别传感器(28)。

12.根据权利要求10所述的测量系统(10)，其特征在于，每个光学传感器(32)包括适于投射光束(38)的激光源(34)、适于将所述光束(38)成形为平面光束的成形装置以及适于获取所述光束(38)与所述车轮(12)之间的接触区域(40)的图像的摄像机(36)，所述图像包含所述车轮(12)的所述一部分的轮廓，所述控制模块(30)被配置为从所述图像中提取所述轮廓。

13.根据权利要求10所述的测量系统(10)，其特征在于，所述控制模块(30)还被配置为访问包含来自所述车轮(12)的先前测量的数据的数据库。