一种基于激光位移传感器的车轮直径的检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于激光位移传感器的车轮直径的检测方法，两组激光位移传感器同时探测车轮踏面轮廓数据点，首先通过坐标变换将探测点坐标转换到与车轮端面平行的平面内；其次，对坐标转换后的数据进行干扰点滤除、数据筛选、平滑处理等操作；然后，提取距车轮内端面70mm处的踏面数据点，结合传感器布设参数，由几何关系得到一组车轮直径；最后，重复上述步骤计算车轮经过测量范围内的多组直径值，将其均值作为最终车轮直径。本发明具有测量精度高、计算速度快等优点。
【专利说明】
-种基于激光位移传感器的车轮直径的检测方法
技术领域
[0001] 本发明属于交通安全工程技术领域，特别是一种基于激光位移传感器的车轮直径 的检测方法。
【背景技术】
[0002] 随着城轨交通的快速发展，各大城市为缓解交通压力相继开通多条线路，列车运 行的安全问题日益突出。列车车轮承载车辆的全部载荷，车轮状态的好坏对列车的安全运 营密切相关。其中，车轮直径作为车轮状态一个重要参数，当同轴车轮轮径相差较大，对列 车的运行带来安全隐患。同时，随着运行时间的增长，车轮不断磨耗，当轮径小于限值，需马 上更换，否则会影响列车的安全运营。所W，对列车车轮直径的检测是十分必要的。
[0003] 车轮直径的检测是城轨列车车辆日常检测的一项重要指标，目前，我国车轮直径 的检测仍然依靠人工检测技术，使用专用的测量工具对车轮直径进行测量，但该方法检测 精度受人工影响较大，检测时间长。瑞iOPTIMESS公司研究的激光轮对动态在线检测系统， 采用多个点式激光传感器测量轮对的直径，系统成本高。专利CN201410787786.6介绍的轮 对动态检测系统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】
[0004] 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位移传感器的车轮直 径的检测方法。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于激光位移传感器的车轮直径的检测 方法，基于两组激光位移传感器，两组激光位移传感器同时探测车轮轮廓数据点，首先将输 出点进行坐标变换;其次，对坐标转换后的数据进行干扰点滤除、数据筛选、平滑处理等操 作;然后，提取距车轮内端面70mm处的踏面数据点，结合传感器布设参数，由几何关系得到 一组车轮直径;最后，重复上述步骤计算车轮经过测量范围内的多组直径值，将其均值作为 最终车轮直径。
[0006] 本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)方法简单实用，仅需两组激光位移传感 器结合相应算法即可实现对车轮直径的检测；（2)采集测量区域的多组踏面数据进行车轮 直径计算，减小误差，提高了计算精度；（3)具有计算速度快、测量精度高等优点，为车轮直 径的检测提供了一种有效的解决方案。
[0007] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[000引图1是本发明中车轮直径检测方法的流程图。
[0009] 图2是本发明中车轮直径检测方法的布设图。
[0010] 图3是本发明中车轮直径检测的传感器安装侧视图。
[0011] 图4是本发明中车轮直径检测的传感器安装正视图。
[0012] 图5是本发明中数据平滑处理后，关键点提取示意图。
【具体实施方式】
[0013] 结合图1，本发明基于激光位移传感器的车轮直径的检测方法，步骤如下：
[0014] 步骤1，传感器布设:结合图2、图3,在轨道内侧设置两组激光位移传感器，记为L1、 L2，L1和L2的激光源点在同一条直线上且平行于轨道延伸方向，两者之间的水平距离为L， 激光位移传感器L1、L2与钢轨铅垂线的夹角均为β，与沿钢轨的纵向水平线夹角均为α，与钢 轨的水平安装距离均为1。
[0015] 步骤2,坐标变换:激光位移传感器L1、L2同时探测同一车轮得到探测点的坐标，将 探测点坐标由传感器自身坐标系皆转换到坐标系作Wif中，其中，传感器自身坐标系 严〇.vf W激光源点为坐标原点0，激光发射方向的中屯、线为.vf轴、垂直于激光发射方向的 中必线为球)轴，将坐标系皆 > 邱fW原点0为中必旋转0角度得到坐标系皆Wf)，k=l、2^ 别表示激光位移传感器L1、L2。
[0016] 上述坐标变换过程如下：
[0017] 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 标批，，皆')：
[001 引
[0019] 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(W尸，皆')；
[0020]
[0021 ]步骤3，数据干扰点滤除:根据步骤2获得的数据，提取车轮内端面横坐标值，并 W此建立滤窗，滤除数据干扰点。
[0022] 其中数据干扰点滤除过程如下：
[0023] 第一步，获取车轮内端面的轴坐标值:根据坐标变换后的数据点，提取满足式 (3)的点
[0024]
[00剧式中皆:):、稱为变换后数据点的汹f轴坐标，ξ为激光位移传感器在af轴方向上 的分辨率；
[00%]对满足条件的轴方向的坐标值作均值处理，得到车轮右端面的<1轴坐标υ?; [0027]第二步，根据坐标uW建立(uW-aiUW+b)的滤窗，滤除《沪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，ae(135，140)，be(0,5)。
[00%]步骤4，数据筛选:根据步骤3获得的数据，按照Μ含100的规则对激光位移传感器采 集的数据进行筛选，其中，Μ是激光位移传感器每次采集的数据个数。
[0029] 步骤5,数据平滑处理:根据步骤4获得的数据，对数据点进行平滑处理，减小噪声 的干扰。数据平滑处理过程如下：
[0030] 根据步骤4获得的数据，假设数据筛选后的数据点为{Ζ1，Ζ2,…，Zm}，{zi，Z2,…，Zm} 的横轴坐标分别为{ui，U2，一，Um}，纵轴坐标分别为{vi，V2，一，Vm}，采用滑动平均法对筛选 后的数据点进行数据平滑处理，滑动平均法的基本计算公式如下：
[0031]
[0032] 其中，vi-n为采样数据，γ/功平滑处理后的数据，m为数据点数，2N为滑动平均的数 据点数，n = 0，12,3,. .，N，hn为加权平均因子(滤波因子），必须满足 r
[0033] 步骤6,关键点获取:根据步骤3获取的车轮内端面横坐标值UW，提取(UW-80，U W-60)范围内的数据点进行曲线拟合(进行最小二乘4阶多项式曲线拟合），得到曲线拟合 方程，根据曲线拟合方程确定激光位移传感器L1、L2在与车轮内端面平行的平面内激光点 到距车轮内侧面70mm处踏面点的距离值dW、dW。
[0034] 步骤7，车轮直径获取:根据步骤6获得的两组激光位移传感器在与车轮内端面平 行的平面内激光点到距车轮内侧面70mm处踏面点的距离值dW与dW，结合激光位移传感器 布设参数α、0、1，获得车轮直径，重复上述步骤计算车轮经过测量范围内的多组直径值，将 其均值作为最终车轮直径D。该车轮直径获取过程如下：
[0035] 第一步，结合图4,根据步骤6获得的两组传感器在与车轮内端面平行的平面内激 光点到车轮踏面的距离dW与d("，结合传感器安装参数，若dW<dW，根据式(5)求得车轮 半径R，若d<i^dW，根据式(6)求得车轮半径R，则车轮直径D = 2R:
[0036]
[0037]
[0038] 其中，L是激光位移传感器L1、L2之间的水平距离，α是激光位移传感器与钢轨的纵 向水平线夹角;令激光位移传感器L1、L2探测到距车轮内侧面70mm踏面的点分别为p，q，过 轮屯、W与线pq的垂直的直线与线pq交于C点，与过P点的与钢轨纵向水平线平行的直线交于e 点，1功线WC的长度，12为线pq的长度，13为线ce的，14为P点到钢轨的垂直距离，Y为线pq与 钢轨纵向水平线之间的夹角；
[0039] 第二步，选取车轮经过检测区域的多组踏面数据重复进行车轮直径的计算，根据 1.5倍标准差准则去除误差较大的计算值，再做均值计算得到最终的车轮直径。
[0040] 下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0041 ]实施例
[0042] 结合图2,3,在轨道内侧依次安装两组激光位移传感器，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，两组激光位移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 = 45°，与钢轨的纵向水平线夹 角均为α = 45°，与轨道的水平安装距离均为1 = 280,选用直径为840mm的标准轮对进行试 验。
[0043] 对于激光位移传感器L1输出的坐标值(；<|1，_}，；；1>)，根据式(1)进行坐标旋转得到坐标 ^,1'，刮：
[0044]
[0045] 对于激光位移传感器L2输出的坐标值户;)，根据式(2)进行坐标旋转得到坐 标 k'，，，r):
[0046]
[0047] 根据坐标变换后的数据点，提取满足式(3)的点；
[004引
[0049] 式中1、铅为变换后数据点的作轴坐标，运里根据所选激光位移传感器参数， ξ = 0.2；
[0050] 对满足条件的wf轴方向的坐标值作均值处理，得到车轮右端面的《f轴坐标UW， 根据坐标υ?建立化W-a，U?+b)的一个滤窗，滤除《f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，ae(135，140)，be(0,5)。
[0051]根据滤除干扰点后的数据，对其进行数据筛选、平滑处理、踏面关键点的提取，图5 是数据平滑处理后关键点提取示意图，两组激光位移传感器在与车轮内端面平行的平面内 激光点到距车轮内侧面70mm处踏面点的距离值dW、dW，结合激光位移传感器布设参数，根 据式(5)、（ 6)求得车轮半径R，则车轮直径D = 2R。
[0化2]
[0053]根据1.5倍标准差准则去除误差较大的计算值，再做均值计算得到最终的车轮直 径D = 840.16mm，标准车轮的轮径为840mm，误差为0.16mm，满足现场检修要求。
【主权项】
1. 一种基于激光位移传感器的车轮直径的检测方法，其特征在于步骤如下： 步骤1，传感器布设:在轨道内侧设置两组激光位移传感器，记为L1、L2，L1和L2的激光 源点在同一条直线上且平行于轨道延伸方向，两者之间的水平距离为L，激光位移传感器 L1、L2与钢轨铅垂线的夹角均为β，与沿钢轨的纵向水平线夹角均为α，与钢轨的水平安装距 离均为1; 步骤2,坐标变换:激光位移传感器L1、L2同时探测同一车轮得到探测点的坐标，将探测 点坐标由传感器自身坐标系转换到坐标系"Γ〇ν:，"中，其中，传感器自身坐标系 乂严W激光源点为坐标原点0，激光发射方向的中屯、线为yf轴、垂直于激光发射方向的 中屯、线为皆轴，将坐标系.皆'巧原点。为中屯、旋转β角度得到坐标系"：>皆|*=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获得的数据，提取车轮内端面横坐标值UW，并W此 建立滤窗，滤除数据干扰点； 步骤4，数据筛选:根据步骤3获得的数据，按照Μ含100的规则对激光位移传感器采集的 数据进行筛选，其中，Μ是激光位移传感器每次采集的数据个数； 步骤5,数据平滑处理:根据步骤4获得的数据，对数据点进行平滑处理，减小噪声的干 扰； 步骤6，关键点获取:根据步骤3获取的车轮内端面横坐标值UW，提取化W-80，UW-60) 范围内的数据点进行曲线拟合，根据曲线拟合方程确定激光位移传感器L1、L2在与车轮内 端面平行的平面内激光点到距车轮内侧面70mm处踏面点的距离值dW、dW; 步骤7,车轮直径获取:根据步骤6获得的两组激光位移传感器在与车轮内端面平行的 平面内激光点到距车轮内侧面70mm处踏面点的距离值dW与dW，结合激光位移传感器布设 参数α、β、1，获得车轮直径，重复上述步骤计算车轮经过测量范围内的多组直径值，将其均 值作为最终车轮直径D。2. 根据权利要求书1所述的方法，其特征在于步骤2中的坐标变换过程如下：对于激光 位移传感器L1输出的坐标值片,|>，乂1，；>，根据式(1)进行坐标旋转得到坐标;^1>，1，；；1>):对于激光位移传感器L2输出的坐标值乂Si)，根据式（2)进行坐标旋转得到坐标 ("产，皆))；3. 根据权利要求书1所述的方法，其特征在于步骤3中的数据干扰点滤除过程如下： 第一步，获取车轮内端面的乂<1轴坐标值:根据坐标变换后的数据点，提取满足式(3)的 点式中"fi、妈为变换后数据点的"?/1轴坐标，功激光位移传感器在":，。轴方向上的分辨 率. 对满足条件的轴方向的坐标值作均值处理，得到车轮右端面的《f轴坐标υ?; 第二步，根据坐标uW建立(uW-a，uW+b)的滤窗，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，ae(135，140)，be(0,5)。4. 根据权利要求书1所述的方法，其特征在于步骤5中的数据平滑处理过程如下： 根据步骤4获得的数据，假设数据筛选后的数据点为{zl，Z2，…，Zm}，{zl，Z2，…，Zm}的横 轴坐标分别为|ui，U2,…，Um}，纵轴坐标分别为{V1，V2,…，Vm}，采用滑动平均法对筛选后的 数据点进行数据平滑处理，滑动平均法的基本计算公式如下：其中，Vi-n为采样数据，γ/1为平滑处理后的数据，m为数据点数，2N为滑动平均的数据点 数，n = 0，12,3,. .，N，hn为加权平均因子(滤波因子），必须满足5. 根据权利要求书1所述的方法，其特征在于步骤7中的车轮直径获取过程如下： 第一步，根据步骤6获得的两组传感器在与车轮内端面平行的平面内激光点到车轮踏 面的距离dW与dW，结合传感器安装参数，若dW含dW，根据式巧)求得车轮半径R，若dW含 d W，根据式(6)求得车轮半径R，则车轮直径D = 2R:其中，L是激光位移传感器L1、L2之间的水平距离，α是激光位移传感器与钢轨的纵向水 平线夹角;令激光位移传感器L1、L2探测到距车轮内侧面70mm踏面的点分别为p，q，过轮屯、W 与线pq的垂直的直线与线pq交于c点，与过p点的与钢轨纵向水平线平行的直线交于e点， h为线WC的长度，12为线pq的长度，13为线ce的，U为P点到钢轨的垂直距离，丫为线pq与钢 轨纵向水平线之间的夹角； 第二步，选取车轮经过检测区域的多组踏面数据重复进行车轮直径的计算，根据1.5倍 标准差准则去除误差较大的计算值，再做均值计算得到最终的车轮直径。
【文档编号】G06F17/18GK105835902SQ201610365716
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】姚小文, 黄瑛, 陈双, 邢宗义
【申请人】南京理工大学, 南京睿速轨道交通科技有限公司