一种城轨列车轮对尺寸在线检测方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种城轨列车轮对尺寸在线检测方法及装置，该系统主要包括：沿列车轨道成镜面对称布置两个2D激光位移传感器，在同一轨道两侧按一定几何关系布置两个激光对射开关；2D激光传感器探测获取踏面轮廓线，两个激光对射开关检测车轮通过速度；通过提取车轮通过检测系统的踏面轮廓线按几何关系算出轮缘高与轮缘厚；通过提取车轮在不同时刻探测得到的踏面轮廓线的轮缘最低点的坐标，在速度已知的情况下，将不同时刻点的还原到同一时刻下的坐标值，从而拟合出车轮轮缘顶点所在的圆，用轮缘顶点圆直径减去两倍的轮缘高得到车轮直径。本发明公布了一种城轨列车轮对尺寸在线检测方法及装置，具有成本低、操作简单、非接触式的高精度测量。
【专利说明】一种城轨列车轮对尺寸在线检测方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于交通安全工程【技术领域】，特别是一种城轨列车轮对尺寸在线检测方法 及装置。
【背景技术】
[0002] 随着我国城市轨道交通的快速发展及多条线路的开通运行，列车在线运行的安全 问题也日益突出。轮对是保证列车在钢轨上的运行和转向，承受车辆的全部静、动载荷，是 列车走行系中极为重要的部件。因此，轮对的状况直接关系到列车的运行质量和安全，对其 尺寸参数的实时监测是保障地铁车辆安全的一项重要措施。
[0003] 对于轮对尺寸的在线检测技术，早期的方法是采用基于CCD图像测量技术进行测 量，但该方法的系统结构布置较为复杂，且受振动、环境影响大。随着传感器技术的发展，激 光测距得到了越来越广泛的应用，目前国内的轮对尺寸测量均引进了基于激光测距和摄像 技术的轮对尺寸检测方法。但是，在轮对尺寸检测过程中，技术难点是难以精确快速获得轮 对的相关参数，如轮缘高、轮缘厚以及轮对直径。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种简便高效、精确可靠的城轨列车轮对尺寸在线检测方 法及装置，采用非接触式测量，检测速度快、操作简便。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案是：一种城轨列车轮对尺寸在线检测方法，包括 以下步骤：
[0006] 步骤1，布设传感器：第一激光对射开关与第二激光对射开关沿列车前进方向依 次安装于同一条轨道的两侧，且第一激光对射开关与第二激光对射开关平行，两者之间的 安装距离为L 1 ;两组激光位移传感器成对称方式安装于同一条轨道两侧，列车沿前进方向 依次经过第一激光对射开关、第二激光对射开关、激光位移传感器，第二激光对射开关与激 光位移传感器安装距离为L 2 ;轨道外侧与内侧激光位移传感器与轨道的相对垂直距离分别 为L3、L4，轨道外侧与内侧激光位移传感器与铅垂线的夹角分别为β P β 2，轨道外侧与内侧 激光位移传感器与沿轨道方向的纵向水平线夹角分别为ap Ci2 ;
[0007] 步骤2,数据分组：两组激光位移传感器同时探测车轮输出探测点坐标后，将数据 点按输出时刻的不同将数据点分组到同一时刻的数组中；
[0008] 步骤3,坐标变换、数据融合：通过坐标变换和坐标平移将两组激光位移传感器同 一时刻的输出点融合到同一坐标系上，融合后的点即为踏面轮廓线上的离散点；
[0009] 步骤4,提取轮缘顶点坐标：将融合后同一时刻踏面轮廓线上的离散点根据坐标 值的大小提取出纵坐标值最小的坐标点，该点坐标即为该时刻轮缘顶点坐标；
[0010] 步骤5,获取轮缘高、轮缘厚：根据步骤3处理得到的踏面轮廓线上的离散点求取 每个时刻轮缘高、轮缘厚，并对其求平均值作为该车轮轮缘高、轮缘厚；
[0011] 步骤6,拟合点时空还原：将不同时刻得到的轮缘顶点坐标通过坐标旋转和时空 变换融合到同一时刻的轮缘顶点圆上；
[0012] 步骤7,最小二乘拟合圆：将经过变换后的一组轮缘顶点坐标通过最小二乘法拟 合成一个圆求解出轮缘顶点圆直径，该直径减去两倍的轮缘高即为该车轮的直径。
[0013] 一种城轨列车轮对尺寸在线检测装置，包括第一激光对射开关与第二激光对射开 关与两组激光位移传感器，其中两个激光对射开关均由发射装置和接收装置组成，两个激 光对射开关的发射装置均安装于同一轨道的同一侧，两个激光对射开关的接收装置均安装 于该轨道的另一侧；两个激光对射开关与两组激光位移传感器均安装于支架上，由轨道底 部的夹具固定；第一激光对射开关与第二激光对射开关沿列车前进方向依次安装于同一条 轨道的两侧，且第一激光对射开关与第二激光对射开关平行，两者之间的安装距离为L 1 ;两 组激光位移传感器成对称方式安装于同一条轨道两侧，列车沿前进方向依次经过第一激光 对射开关、第二激光对射开关、激光位移传感器，第二激光对射开关与激光位移传感器安装 距离为L 2 ;轨道外侧与内侧激光位移传感器与轨道的相对垂直距离分别为L3、L4，轨道外侧 与内侧激光位移传感器与铅垂线的夹角分别为β i、β 2，轨道外侧与内侧激光位移传感器与 沿轨道方向的纵向水平线夹角分别为α2。
[0014] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1)成本低，仅需两组激光位移传感器 即可实现对轮缘高、轮缘厚及轮径等轮对尺寸的检测；（2)由激光位移传感器自动获取车 轮通过检测系统时的连续输出坐标，通过相应算法处理，获得所测车轮的相关轮对尺寸，操 作简单；(3)具有在线非接触式测量等优点，为实现轮对尺寸在线测量提供了一种有效的 解决方案。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是本发明中轮对尺寸在线获取方法的算法流程图。
[0016] 图2是本发明中轮对尺寸在线检测装置的设备布设图。
[0017] 图3是本发明中轮对踏面探测的传感器安装示意图。
[0018] 图4是不同时刻探测的轮缘顶点示意图。
[0019] 图5是经坐标变换、数据融合后的踏面数据点。
【具体实施方式】
[0020] 本发明是基于激光传感器检测系统，通过激光位移传感器得出不同时刻轮缘高、 轮缘厚以及轮缘的顶点坐标。通过空间坐标变换及时空变换将不同时刻轮缘的不同点融合 到一个坐标系中。将这些不同点通过最小二乘法拟合成圆并得出车轮直径。
[0021] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0022] 结合图1，本发明城轨列车轮对踏面轮廓线的获取方法及装置，包括以下步骤：
[0023] 步骤1，布设传感器：第一激光对射开关与第二激光对射开关沿列车前进方向依 次安装于同一条轨道的两侧，且第一激光对射开关与第二激光对射开关平行，两者之间的 安装距离为L 1 ;两组激光位移传感器成对称方式安装于同一条轨道两侧，列车沿前进方向 依次经过第一激光对射开关、第二激光对射开关、激光位移传感器，第二激光对射开关与激 光位移传感器安装距离为L 2 ;轨道外侧与内侧激光位移传感器与轨道的相对垂直距离分别 为L3、L4，轨道外侧与内侧激光位移传感器与铅垂线的夹角分别为β P β 2，轨道外侧与内侧 激光位移传感器与沿轨道方向的纵向水平线夹角分别为αρ α2;
[0024] 步骤2,数据分组：两组激光位移传感器同时探测车轮输出探测点坐标后，将数据 点按输出时刻的不同将数据点分组到同一时刻的数组中；探测车轮输出探测点坐标是以激 光发射方向为y轴，垂直于激光发射方向为X轴，激光源为坐标原点。
[0025] 步骤3,坐标变换、数据融合：通过坐标变换和坐标平移将两组激光位移传感器同 一时刻的输出点融合到同一坐标系上，融合后的点即为踏面轮廓线上的离散点；传感器数 据获取及数据融合，具体如下：
[0026] 对轨道外侧2D激光位移传感器输出的二维坐标值（xn(1)，y n(1))根据以下公式进行 坐标变换（un(1)，v n(1)):
【权利要求】
1. 一种城轨列车轮对尺寸在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，布设传感器：第一激光对射开关与第二激光对射开关沿列车前进方向依次安 装于同一条轨道的两侧，且第一激光对射开关与第二激光对射开关平行，两者之间的安装 距离为U;两组激光位移传感器成对称方式安装于同一条轨道两侧，列车沿前进方向依次 经过第一激光对射开关、第二激光对射开关、激光位移传感器，第二激光对射开关与激光位 移传感器安装距离为L 2;轨道外侧与内侧激光位移传感器与轨道的相对垂直距离分别为 L3、L4，轨道外侧与内侧激光位移传感器与铅垂线的夹角分别为βρ β2，轨道外侧与内侧激 光位移传感器与沿轨道方向的纵向水平线夹角分别为αι、α 2; 步骤2,数据分组：两组激光位移传感器同时探测车轮输出探测点坐标后，将数据点按 输出时刻的不同将数据点分组到同一时刻的数组中； 步骤3,坐标变换、数据融合：通过坐标变换和坐标平移将两组激光位移传感器同一时 刻的输出点融合到同一坐标系上，融合后的点即为踏面轮廓线上的离散点； 步骤4,提取轮缘顶点坐标：将融合后同一时刻踏面轮廓线上的离散点根据坐标值的 大小提取出纵坐标值最小的坐标点，该点坐标即为该时刻轮缘顶点坐标； 步骤5,获取轮缘高、轮缘厚：根据步骤3处理得到的踏面轮廓线上的离散点求取每个 时刻轮缘高、轮缘厚，并对其求平均值作为该车轮轮缘高、轮缘厚； 步骤6,拟合点时空还原：将不同时刻得到的轮缘顶点坐标通过坐标旋转和时空变换 融合到同一时刻的轮缘顶点圆上； 步骤7,最小二乘拟合圆：将经过变换后的一组轮缘顶点坐标通过最小二乘法拟合成 一个圆求解出轮缘顶点圆直径，该直径减去两倍的轮缘高即为该车轮的直径。
2. 根据权利要求1所述的城轨列车轮对尺寸在线检测方法，其特征在于，步骤1所述的 激光位移传感器采用基于三角测量原理的2D激光位移传感器。
3. 根据权利要求1所述的城轨列车轮对尺寸在线检测方法，其特征在于，步骤2所述的 探测车轮输出探测点坐标是以激光发射方向为y轴，垂直于激光发射方向为X轴，激光源为 坐标原点。
4. 根据权利要求1所述的城轨列车轮对尺寸在线检测方法，其特征在于，步骤3所述坐 标变换、数据融合的具体步骤如下： 对轨道外侧激光位移传感器输出的二维坐标值（xn(1)，yn(1))根据以下公式进行坐标变 换(un(1)，vn(1)): K⑴=⑴2 +);,,丨-sin(θ + βχ) = xniV} cos βχ + ynil) sin βχv"⑴⑴2 + 凡⑴―cos(θ + βλ) = yn{l) cos βχ - χ",υ sin βλ 对轨道内侧激光位移传感器输出的二维坐标值（xn(2)，yn(2))根据以下公式进行坐标变 换（un(2)，vn(2)): w"'2i = Vx?'21" + .>!?i21" sin(6>' -/?:) = X；1' co& β2-y,'；-' ?\ιβ2 V"，：l = ν'Λ'"'21_ + 2,_ cos(θ' - β2)= V,,'21 cos /?, + Λ-,/2' SIR 其中，θ为（xn(1)，yn(1))与原始坐标系纵坐标的夹角、θ'为（x n(2)，yn(2))与原始坐标 系纵坐标的夹角，^为外侧传感器与铅垂线的夹角、β2为内侧传感器与铅垂线的夹角， (un(1)，vn(1))、（un (2)，vn(2))为原始坐标进行变换后坐标系内的坐标值； 根据以下公式，将坐标变换后的两组数据进行融合： un(0) = un⑴+a un(0) = un⑵ vn(〇) = vn⑴+b vn(〇) = vn⑵ 其中（a, b)为外侧传感器的原始坐标原点在内侧传感器变换后的坐标系中的坐标值， (un(tl)，vn(tl))为这两点在融合坐标系中的坐标值。
5. 根据权利要求1所述的城轨列车轮对尺寸在线检测方法，其特征在于，步骤6中所述 拟合点时空还原，具体过程如下： (6. 1)设&、t2、…、tn为车轮经过2D激光传感器有效探测范围内的η个时刻， ai、 a2、…、…七为相应时刻步骤4中提取的轮缘顶点位置，并设ai、a2、…、…七坐 标分别为（Xi, 、（χ 2, y2)、…、（xi，yD、…（χη，yn); (6. 2)将n个点的纵坐标进行坐标旋转，则坐标旋转如下式： y1 i = · cos (90° - α ) = yj · sin a 式中a为传感器与水平线的安装角度； (6. 3)将η个点的横坐标进行时空还原，假设的坐标为（0, yi)，则坐标变换公式如下 式： X，i = v · (ti-ti) -1 Yi-Yi I · cot a 式中f i为h时候的轮缘顶点经时空还原后的横坐标，v由下式确定： v =-!- ? - τ2 式中U为两激光对射开关的安装距离，?\、Τ2分别为车轮通过第一激光对射开关与第 二激光对射开关时触发开关信号的时刻； 经以上变换可得出坐标变换后同一时刻轮缘顶点圆上的点a' pa' 2、…、a' i、···、 a' η 坐标值为（X' l，y' 1)，（X' 2，y' 2)、…、（叉'i，y' i)…、（X' n，y' η)。
6. 根据权利要求1所述的城轨列车轮对尺寸在线检测方法，其特征在于，步骤7中所述 最小二乘法拟合成圆并得出车轮直径，具体过程如下： 根据轮缘顶点圆上η个测量点坐标（X/，y/ )进行拟合圆，采用最小二乘法，公式如 下： 「" v (χ^+ν'" v! ￡)^Lr+/r+4A^_,/ = 1,2···/? 式中，a为拟合后的圆心横坐标X(l的-2倍即a = -2X(I，b为拟合后的圆心纵坐标yQ 的倍即b = -2y。，并且 IID-EG d - CG-D: ? lie-ED 〇 =-；- d2-gc 式中C、D、E、G、H为中间参数，分别如下： C^n^xf -Xx；Xx； D = E"nlLx'> +/?Σ·ν/>'/2 -Σ(χ<，2 +^，2)Σχ? 'i = l2...n σ = ?Σ-ν;2-ΣΚ Η - ?^χ；2 ν； + ?X ν；3 - Χ.(.ν；: + ν'2 ν； 将求解出的直径减去两倍的轮缘高即为车轮的直径。
7. -种城轨列车轮对尺寸在线检测装置，其特征在于，包括第一激光对射开关与第二 激光对射开关与两组激光位移传感器，其中两个激光对射开关均由发射装置和接收装置组 成，两个激光对射开关的发射装置均安装于同一轨道的同一侧，两个激光对射开关的接收 装置均安装于该轨道的另一侧；两个激光对射开关与两组激光位移传感器均安装于支架 上，由轨道底部的夹具固定；第一激光对射开关与第二激光对射开关沿列车前进方向依次 安装于同一条轨道的两侧，且第一激光对射开关与第二激光对射开关平行，两者之间的安 装距离为U ;两组激光位移传感器成对称方式安装于同一条轨道两侧，列车沿前进方向依 次经过第一激光对射开关、第二激光对射开关、激光位移传感器，第二激光对射开关与激光 位移传感器安装距离为L 2 ;轨道外侧与内侧激光位移传感器与轨道的相对垂直距离分别为 L3、L4，轨道外侧与内侧激光位移传感器与铅垂线的夹角分别为βρ β2，轨道外侧与内侧激 光位移传感器与沿轨道方向的纵向水平线夹角分别为αι、α 2。
8. 根据权利要求7所述的城轨列车轮对尺寸在线检测装置，其特征在于，所述第一激 光对射开关与第二激光对射开关之间相对安装距离U的范围为100mm?400mm，且与轨道 的相对垂直距离的范围为100mm?450mm，第二激光对射开关与激光位移传感器安装距离 L2为0mm?100mm范围内，轨道外侧与内侧激光位移传感器与轨道的相对垂直距离L3、L 4 的范围均为100mm?450_，轨道外侧与内侧激光位移传感器与铅垂线的夹角β ρ β 2的范 围均为25°?65°，轨道外侧与内侧激光位移传感器与沿轨道方向的纵向水平线夹角c^、 α 2的范围均为15°?65°。
【文档编号】B61K9/12GK104228875SQ201410519742
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】王晓浩, 丁建隆, 邢宗义, 袁敏正, 李宏辉, 苏钊颐, 李海玉, 黄文 , 王贵, 王露 申请人:南京理工大学, 广州市地下铁道总公司