一种基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测装置及方法与流程

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轮对尺寸在线检测装置及方法。

背景技术：

轮对是城轨车辆与轨道耦合的关键部件，其状态的好坏直接关系到城轨交通的行车安全。在车辆运行过程中，轮对的踏面和轮缘部分与钢轨接触摩擦，造成轮对踏面和轮缘磨耗，使得轮对尺寸参数发生变化。轮对尺寸参数的变化对车辆相关技术性能甚至运营安全有巨大影响，因此及时准确的进行轮对尺寸检测，掌握轮对运行状态，具有重要的现实意义。

轮对尺寸的在线检测技术和系统一直是国内外轨道交通研究的重点。国外轮对尺寸的在线检测技术与应用已经较为成熟，但由于设备规模大、安装基础要求高、价格昂贵，导致国外的系统不适合国内地铁公司的实际情况。我国的成都主导科技有限公司和西南交通大学采用激光视觉传感技术和电磁超声探伤技术，联合研制出轮对故障在线检测系统，但是因为采用了大量的测量器件，导致结构复杂、造价昂贵，且实际应用中无法取代已有的人工检测。北京交通大学的研究人员采用两个激光位移传感器和涡流位移传感器相结合的方法获取轮对外形尺寸，该方法在实际应用时存在涡流位移传感器难以选型等困难，且传感器一致性较差，难以在实际中推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种实用性强、精度高、测量原理简单的基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测装置及方法，能够实现轮对尺寸在线非接触式测量。

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轮对尺寸在线检测装置，包括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和第五激光位移传感器l5，五个激光位移传感器均为基于三角测量原理的2d激光位移传感器；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沿列车前进方向依次设置在轨道内侧，第五激光位移传感器l5设置在第一激光位移传感器l1对称的轨道外侧，第四激光位移传感器l4设置在第三激光位移传感器l2对称的轨道外侧。

一种基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测方法，包括以下步骤：

步骤1，布设传感器：沿列车前进方向，在轨道内侧依次设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，在轨道外侧设置第五激光位移传感器l5、第四激光位移传感器l4，第三激光位移传感器l3和第四激光位移传感器l4、第一激光位移传感器l1和第五激光位移传感器l5关于二者之间的轨道对称设置；

步骤2，坐标变换、数据融合：第一激光位移传感器l1、第三激光位移传感器l3、第四激光位移传感器l4、第五激光位移传感器l5同时探测车轮输出探测点坐标后，通过坐标变换和坐标平移分别将第一激光位移传感器l1和第五激光位移传感器l5、第三激光位移传感器l3和第四激光位移传感器l4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，根据踏面轮廓外形几何关系计算出轮缘高h1、h2，轮缘厚d1、d2，并对分别对轮缘高h1和h2，轮缘厚d1、d2求平均值，得到最终的轮缘高h、轮缘厚d；

步骤3，踏面右端面提取：根据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经步骤2坐标变换之后的数据，对踏面右端面进行提取，得出踏面右端面的横坐标；

步骤4，提取第二激光位移传感器l2与车轮圆心在同一竖直线时的踏面基准点：当第二激光位移传感器l2到轮缘最低点距离最短时，此时第二激光位移传感器l2与车轮圆心在同一竖直线，对该时刻踏面曲线进行分段拟合后，根据步骤2得到的踏面右端面横坐标提取第一激光位移传感器l1、第三激光位移传感器l3测得的踏面基准点坐标；

步骤5，计算车轮直径：设定第二激光位移传感器l2的踏面基准点坐标为(0,0)，根据步骤4得到的第一激光位移传感器l1、第三激光位移传感器l3测得的踏面基准点坐标建立坐标系，计算车轮直径。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)测量原理简单，只需五个激光位移传感器即可实现对轮对尺寸的检测，系统稳定性高；(2)在线非接触式测量，提高了检测效率和精度，为实现轮对尺寸在线测量提供了一种新的解决方案。

附图说明

图1是本发明中基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测装置的结构示意图。

图2是本发明中四个激光位移传感器与车轮之间的安装角度的示意图。

图3是本发明中轮对踏面探测激光位移传感器安装示意图。

图4是本发明中经坐标变换、数据融合后的踏面数据点示意图，其中(a)为第三、第四激光位移传感器的融合结果图，(b)第一、第五激光位移传感器的融合结果图。

图5是本发明中车轮直径在线检测装置的工作原理示意图。

具体实施方式

本发明是基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测方法，首先对传感器输出数据进行处理，获得踏面基准点坐标，然后根据几何关系计算得到轮径。

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，本发明基于激光位移传感器的非接触式轮对尺寸在线检测装置，包括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、第五激光位移传感器l5，其中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沿列车前进方向依次设置在轨道内侧，第五激光位移传感器l5设置在第一激光位移传感器l1对称的轨道外侧，第四激光位移传感器l4设置在第三激光位移传感器l2对称的轨道外侧。

结合图2～3，两个激光位移传感器与车轮之间的安装角度示意图。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、第五激光位移传感器l5至轨道的垂直距离均为l，l的范围为200mm～400mm；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、第五激光位移传感器l5与铅垂线的夹角分别为β1、β2、β3、β4、β5，β1、β2、β3、β4、β5的范围为40°～60°；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、第五激光位移传感器l5与沿轨道方向的直线夹角分别为a1、a2、a3、a4、a5，a1、a2、a3、a4、a5的范围均为15°～65°。

所述第一激光位移传感器l1与第二激光位移传感器l2之间的距离为l1；第二激光位移传感器l2与第三激光位移传感器l3之间的距离为l2；l1、l2的范围均为300mm～550mm。

结合图2～4，本发明基于激光位移传感器轮对尺寸在线检测方法，包括以下步骤：

步骤1，布设传感器：沿列车前进方向，在轨道内侧依次设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，在轨道外侧设置第五激光位移传感器l5、第四激光位移传感器l4，第三激光位移传感器l3和第四激光位移传感器l4、第一激光位移传感器l1和第五激光位移传感器l5关于二者之间的轨道对称设置；

步骤2，坐标变换、数据融合：第一激光位移传感器l1、第三激光位移传感器l3、第四激光位移传感器l4、第五激光位移传感器l5同时探测车轮输出探测点坐标后，通过坐标变换和坐标平移分别将第一激光位移传感器l1和第五激光位移传感器l5、第三激光位移传感器l3和第四激光位移传感器l4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，根据踏面轮廓外形几何关系计算出轮缘高h1、h2，轮缘厚d1、d2，并对分别对轮缘高h1和h2，轮缘厚d1、d2求平均值，得到最终的轮缘高h、轮缘厚d，具体如下：

步骤2.1、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、第五激光位移传感器l5同时探测车轮得到探测点坐标，所述探测点坐标以激光发射方向的中心线为y轴、垂直于激光发射方向中心线的直线为x轴、激光源为坐标原点；

步骤2.2、对第四激光位移传感器l4和第一激光位移传感器l1输出的二维坐标值根据以下公式进行坐标变换，得到以激光源为原点、垂直于轨道的直线为x轴、平行于车轮端面的直线为y轴的坐标系下的坐标值

其中，βi为激光位移传感器与铅垂线的夹角；上标i＝1,4分别对应第一激光位移传感器l1、第四激光位移传感器l4；

步骤2.3、对第二激光位移传感器l2、第三激光位移传感器l3及第五激光位移传感器l5输出的二维坐标值根据以下公式进行坐标变换，得到以激光源为原点、垂直于轨道的直线为x轴、平行于车轮端面的直线为y轴的坐标系下的坐标值

其中，βi为激光位移传感器与铅垂线的夹角；上标i＝2,3,5分别对应第二激光位移传感器l2、第三激光位移传感器l3、第五激光位移传感器l5；

步骤2.4、将坐标变换后的第四激光位移传感器l4的探测数据，平移到坐标变换后第三激光位移传感器l3的探测数据所在坐标系下；将坐标变换后的第五激光位移传感器l5的探测数据，平移到坐标变换后第一激光位移传感器l1的探测数据所在坐标系下，分别进行数据融合，公式如下：

其中，(a,b)为第四激光位移传感器l4的原始坐标原点在第三激光位移传感器l3坐标变换后的坐标系中的坐标值，(a',b')为第五激光位移传感器l5的原始坐标原点在第一激光位移传感器l1坐标变换后的坐标系中的坐标值，为在融合坐标系中的坐标值，为在融合坐标系中的坐标值；

步骤2.5、根据数据融合后的踏面轮廓离散点，结合轮对尺寸定义，得到轮缘高h1、h2，轮缘厚d1、d2，分别求平均值得轮缘高h、轮缘厚d。

步骤3，踏面右端面提取：根据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经步骤2坐标变换之后的数据，对踏面右端面进行提取，得出踏面右端面的横坐标，具体如下：

设定步骤2坐标变换后得到的踏面有效数据点为(xk,yk)，提取满足式(4)的点：

|xk-xk-1|＜ε(4)

式中，ε为激光位移传感器在步骤2.1中建立的坐标系下x轴上的分辨率；

满足条件的横坐标值的平均值，作为踏面右端面的横坐标值，第一激光位移传感器l1、第三激光位移传感器l3踏面端面的横坐标值分别为xl1、xl3。

步骤4，提取第二激光位移传感器l2与车轮圆心在同一竖直线时的踏面基准点：当第二激光位移传感器l2到轮缘最低点距离最短时，此时第二激光位移传感器l2与车轮圆心在同一竖直线，对该时刻踏面曲线进行分段拟合后，根据步骤2得到的踏面右端面横坐标提取第一激光位移传感器l1、第三激光位移传感器l3测得的踏面基准点坐标，具体如下：

步骤4.1、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测得的踏面轮廓线进行最小二乘法的曲线拟合，得到踏面曲线方程；

步骤4.2、根据踏面曲线方程，第二激光位移传感器l2的拟合曲线的极小值点即为轮缘最低点，该点纵坐标值为yl2；

步骤4.3、yl2为最小值时第二激光位移传感器l2与车轮圆心在同一竖直线，提取该时刻第一激光位移传感器l1、第三激光位移传感器l3在步骤3得到的踏面端面的横坐标值xl1、xl3，设定踏面端面所在直线为y1、y3，所述y1、y3为垂直于在步骤2.2和步骤2.3中建立的坐标系下x轴的直线；

由基准点定义知，踏面上与端面直线y1、y3相距70mm的点为基准点，设定第一激光位移传感器l1、第三激光位移传感器l3所得踏面基准点a1、a3的坐标分别为(xc1,yc1)、(xc3,yc3)，其中，xc1＝xl1+70，xc3＝xl3-70；由基准点横坐标值，根据拟合的踏面曲线方程得到基准点纵坐标值yc1、yc3。

步骤5，计算车轮直径：设定第二激光位移传感器l2的踏面基准点坐标为(0,0)，根据步骤4得到的第一激光位移传感器l1、第三激光位移传感器l3测得的踏面基准点坐标建立坐标系，计算车轮直径，具体如下：

步骤5.1、设定第二激光位移传感器l2的踏面基准点坐标为a2(0,0)即原点o，以第二激光位移传感器l2的竖直方向为y轴，过a2点且与y轴垂直的方向为x轴，，建立直角坐标系xoy；

步骤5.2、确定滚动圆a1、a2、a3三点在步骤5.1所述坐标系下的坐标，设定第二激光位移传感器l2与滚动圆最低点的垂直距离为h，计算公式如下：

其中，(xc1,yc1)、(xc3,yc3)分别为第一激光位移传感器l1、第三激光位移传感器l3在各自坐标系下踏面基准点坐标；分别为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在检测到的滚动圆圆周上三点的坐标；l1为第一激光位移传感器l1与第二激光位移传感器l2之间的距离，l2为第二激光位移传感器l2与第三激光位移传感器l3之间的距离；

步骤5.3、计算滚动圆的圆心坐标(p0,q0)，公式为：

式中，(p0,q0)为滚动圆的圆心坐标，则滚动圆的直径d为：

所求得d即为车轮直径。下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

结合图2～3，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、第五激光位移传感器l5与铅垂线的夹角均为45°，即β1、β2、β3、β4、β5为45°，第一激光位移传感器l1、第三激光位移传感器l3与沿轨道方向的直线的夹角分别为44°、45°，即α1、a3为44°、45°，第二激光位移传感器l2与滚动圆最低点的垂直距离h为75mm，第一激光位移传感器l1与第二激光位移传感器l2之间的距离为481mm，第二激光位移传感器l2与第三激光位移传感器l3之间的距离为473mm，激光位移传感器的采样频率为200hz。

首先，当车轮经过五个激光位移传感器的有效测量范围时对车轮进行探测，将探测的数据点坐标按下式进行坐标变化，

第二激光位移传感器l2的数据点进行坐标变换后得到踏面轮廓线，对其踏面轮廓线进行最小二乘法的分段曲线拟合，得到踏面曲线方程，根据踏面曲线方程，提取出其拟合曲线的极小值点即为轮缘最低点纵坐标值yl2。

车轮通过检测系统，第二激光位移传感器l2共输出7组(t1,t2...,t7)有效数据，结果如下表所示：

由此看出t4时刻yl2值最小，提取该时刻第一激光位移传感器l1、第三激光位移传感器l3第四激光位移传感器l4、第五激光位移传感器l5坐标变换后的数据点，将第四激光位移传感器l4、第五激光位移传感器l5的数据按下式进行坐标平移从而分别与第三激光位移传感器l3、第一激光位移传感器l1的数据点进行融合获取车轮踏面轮廓。

对第一激光位移传感器l1、第三激光位移传感器l3、第四激光位移传感器l4、第五激光位移传感器l5提取满足|xk-xk-1|＜0.01的点，并对这些点的横坐标进行算数平均运算，得到踏面端面的横坐标值分别为xl1＝227.2,xl3＝-224.3,xl4＝-359.1,xl5＝362.2。

由图4中的几何关系，图4是本发明中经坐标变换、数据融合后的踏面数据点示意图，其中(a)为第三、第四激光位移传感器的数据点融合结果图，(b)第一、第五激光位移传感器的数据点融合结果图。根据踏面端面的横坐标值可以确定得车轮轮缘高h1为28.25mm、h2为28.27mm，轮缘厚d1为31.13mm、d2为31.14mm，对其分别求平均后得最终的轮缘高h为28.26mm、轮缘厚d为31.135mm。

根据踏面端面的横坐标值，可以确定第一激光位移传感器l1和第三激光位移传感器l3的踏面基准点横坐标分别为297.2，-294.3，然后带入曲线拟合方程得到第一激光位移传感器l1和第三激光位移传感器l3的踏面基准点纵坐标分别为263.6818，272.4951。因此第一激光位移传感器l1和第三激光位移传感器l3的踏面基准点α1、a3的坐标为(297.2，263.6818)、(-294.3，272.4951)。

令第二激光位移传感器l2的踏面基准点坐标为a2(0,0)，在图5的坐标系xoy中，则滚动圆a1、a2、a3三点坐标为：

pc1＝l1-yc1cosa1＝284.98qc1＝yc1sina1-h＝114.29

pc2＝0qc2＝0

pc3＝-(l2-yc3cosa3)＝-286.55qc3＝yc3sina3-h＝111.45

则由轮心计算公式可得轮心坐标为(-2.3021,418.1815)，则滚动圆直径为：

因此，该车轮系统测量的轮缘厚为31.135mm，轮缘高为28.26mm，轮径为836.38mm，根据人工测量该车轮的实际轮缘厚为31.1mm，轮缘高为28.3mm，轮径为836.4mm，可见该方法满足现场实际测量要求。

综上所述，本发明通过五个激光位移传感器配合工作，实现了轮缘高、轮缘厚、轮径的非接触式在线检测，大大提高了系统的稳定性和测量结果的精确性。