一种基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及铁路车辆检测技术领域，特别是一种基于多种传感器的城轨车辆车轮 直径检测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 城轨交通系统中，车轮是影响安全运行的一个重要环节，特别是在火车提速以后， 对车轮的外形几何尺寸要求更高。轮对装置是保证机车车辆在钢轨上的运行和转向，承受 来自机车车辆的全部静、动载荷，是机车行走结构中极其重要的部件。轮对踏面表面和近表 面的磨损、擦伤、剥离、裂纹等缺陷是危及行车安全的重大因素。由于在高速、重装、高密度 条件下运行，机车轮对的磨损越来越严重，极大地影响着机车与轨道设施的安全与使用寿 命。因此，机车轮对运用状态对运输安全影响重大，时常对机车轮对重要参数进行检测显得 非常必要。
[0003] 按列车是否运行，目前国内外对于轮对几何参数的测量主要有静态检测和动态检 测。静态检测是在车辆非运行状态进行的，该方法虽然精度较高，但是检测效率很低。动 态检测是在车辆的运行状态下进行的，其特点是检测精度高、检测速度快、检测自动化程度 高，并且不占用车辆周转时间，只是实现起来比较困难，技术难度较高。
[0004] 早期国内一般采用基于CCD测量图像测量技术进行测量，但该方法存在系统结构 布置复杂，且抗干扰能力差。随着传感器技术的发展，激光位移传感器在轮对直径测量上的 应用越来越广泛。在车轮直径测量过程中，技术难点是如何使测量装置尽量简单、测量精度 和测量响应速度提高。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种测量精度高、速度快的基于多种传感器的城轨车辆车 轮直径检测装置及方法，采用非接触式测量，成本低、易于操作。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案是：一种基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测 量装置，沿着车辆前进方向，在轨道外侧依次设置一个测速传感器、一个涡流传感器和一个 激光位移传感器，三个传感器均固定于轨道上且平行于轨道延伸方向，其中测速传感器与 涡流传感器之间的距离为L 2，涡流传感器与激光位移传感器之间的距离为L1，激光位移传 感器的激光发射方向与列车前进方向的夹角为180° - α，即激光位移传感器的激光发射 方向与轨道之间的夹角为α。
[0007] 一种基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量方法，步骤如下：
[0008] 步骤1，设置传感器：沿着车辆前进方向，在轨道外侧依次设置一个测速传感器、 一个涡流传感器和一个激光位移传感器，三个传感器在同一条直线上且平行于轨道延伸方 向，其中测速传感器与涡流传感器之间的距离为L 2，涡流传感器与激光位移传感器之间的 距离为L1，激光位移传感器的激光发射方向与列车前进方向的夹角为180° -α，即激光位 移传感器的激光发射方向与轨道之间的夹角为α，当L2小于IOOmm时，车轮通过检测系统 的速度为速度传感器测得的速度；
[0009] 步骤2,建立二维坐标系：在进行直径测量的车轮圆周所在平面上建立二维坐标 系，以激光位移传感器所在位置为原点坐标，车轮前进方向为X轴负方向，竖直向上的方向 为y轴正方向；
[0010] 步骤3,测量车辆速度V及激光位移传感器的输出值：记录时刻激光位移传感器 的输出I 1，并记录下测速传感器的探测值V ;车轮继续往前运动时，激光位移传感器会有连 续不断的距离值Ii输出，i = 1，2, 3, 4···;
[0011] 步骤4,坐标点时空还原：对激光位移传感器有效输出的各时刻轮缘顶点的坐标 进行时空还原，将不同时刻坐标点还原至h时刻在车轮上所处的位置，并求出该点在步骤2 中所建坐标系中的坐标；
[0012] 步骤5,求取各时刻车轮直径：根据涡流传感器定位点和步骤4得出点的坐标计算 各个时刻车轮直径；
[0013] 步骤6,求取最终车轮直径：对步骤5求得的各时刻的直径值采用1. 5 〇准则去除 粗大误差，对剩余直径值在时间轴上采用一次方程进行最小二乘拟合得出拟合方程，计算 不同时刻拟合方程的纵坐标值，并进行均值化处理，从而得到最终车轮直径。
[0014] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1)基于多种传感器并采用非接触式 测量，实现了对列车的在线高精度测量；(2)由激光传感器自动获得车轮点坐标，测速传感 器自动测得车辆行进速度，并通过相应算法处理数据，获得当下所测车轮直径，方法简单、 易于操作；（3)具有检测速度快、成本低的优点。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量方法的流程图。
[0016] 图2是本发明基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量装置的传感器安装示意 图。
[0017] 图3是本发明中不同时刻探测的轮缘顶点示意图。
[0018] 图4是本发明中不同有效时刻的直径值分布点及其拟合直线图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0020] 结合图1?3,本发明基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量装置，沿着车辆前 进方向，在轨道外侧依次设置一个测速传感器、一个涡流传感器和一个激光位移传感器，三 个传感器均固定于轨道上且平行于轨道延伸方向，其中测速传感器与涡流传感器之间的距 离为L 2，涡流传感器与激光位移传感器之间的距离为L1，激光位移传感器的激光发射方向 与列车前进方向的夹角为180° -α，即激光位移传感器的激光发射方向与轨道之间的夹 角为α。
[0021] 所述激光位移传感器的激光发射方向与轨道之间夹角α的范围为15?65°，激 光位移传感器的米样间隔为25?40ms。
[0022] 所述测速传感器与涡流传感器之间的距离L2S 10?100mm，特别是450mm ;激光 位移传感器与涡流传感器之间的距离L1S 440?460mm，特别是80mm ;此时车轮通过检测 系统的速度为测速传感器测得的速度。
[0023] 如图1所示，本发明基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量方法，步骤如下： [0024] 步骤1，设置传感器：结合图2,沿着车辆前进方向，在轨道外侧依次设置一个测速 传感器、一个涡流传感器和一个激光位移传感器，三个传感器在同一条直线上且平行于轨 道延伸方向，其中测速传感器与涡流传感器之间的距离为L2，涡流传感器与激光位移传感 器之间的距离SL 1，激光位移传感器的激光发射方向与列车前进方向的夹角为180° -α， 即激光位移传感器的激光发射方向与轨道之间的夹角为α，当L2小于IOOmm时，车轮通过 检测系统的速度为速度传感器测得的速度；所述激光位移传感器采用基于三角测量原理的 激光位移传感器，激光位移传感器用于测量车轮踏面基点与激光位移传感器之间的距离。
[0025] 步骤2,建立二维坐标系：在进行直径测量的车轮圆周所在平面上建立二维坐标 系，以激光位移传感器所在位置为原点坐标，车轮前进方向为X轴负方向，竖直向上的方向 为y轴正方向；
[0026] 步骤3,测量车辆速度V及激光位移传感器的输出值：记录^时刻激光位移传感器 的输出I 1，并记录下测速传感器的探测值V ;车轮继续往前运动时，激光位移传感器会有连 续不断的距离值Ii输出，i = 1，2, 3, 4···;提取其中12时刻的输出值12;
[0027] 步骤4,坐标点时空还原：对激光位移传感器有效输出的各时刻轮缘顶点的坐标 进行时空还原，将不同时刻坐标点还原至h时刻在车轮上所处的位置，并求出该点在步骤2 中所建坐标系中的坐标；具体方法如下：
[0028] (4. 1)设^、t2、…、&、…、tn为车轮经过激光位移传感器有效探测范围内的η 个时亥Ihapa2、…、ap 相应时刻步骤4中提取的轮缘顶点位置，并设a i、a2、…、 31、"、311变换后的坐标分别为（叉1，71)、（叉 2,72)、"、匕，71)、?^711);
[0029] (4. 2)变换坐标的公式如下：
[0030] Xi= 1 ± · cos α +V Δ
[0031] Yi= 1 ± · sin α
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