一种提取轮轨车轮空间轮缘最低点的方法与流程

本发明属于交通监测工程技术领域，具体涉及一种提取轮轨车轮空间轮缘最低点的方法。

背景技术：

在地铁、轻轨等基础交通建设当中，轮对不仅承受着车体的全部重量，而且负责传递轮对与钢轨间的作用力，因此，轮对是列车走行结构中极其重要的部件，是影响列车安全运行的重要因素。

然而，由于轮对在列车运行过程中不断与钢轨表面发生摩擦，易造成轮对踏面的磨耗；另外，在轮对通过曲线或道岔时，轮对的轮缘部分与钢轨内侧面发生摩擦，也容易造成轮缘的磨耗。基于前述的轮对踏面的磨耗、以及轮缘的磨耗，易导致轮对的外形尺寸发生改变，从而导致列车运行的安全性下降。

因此，是否能够及时、准确、快捷地检测出轮对外形尺寸参数(比如轮缘厚、轮缘高、以及轮径等)，以实时掌握轮对的质量状况，消除事故隐患，是轨道交通发展中必须要解决的难题。其中，车轮空间轮缘最低点的精确提取是保证精确检测轮对外形尺寸参数的重要环节，然而，当前还没有一种合适的方法以用于精确提取车轮空间轮缘最低点，从而保证轨道车辆在线监测的准确性。

技术实现要素：

为了解决现有技术所存在的缺陷，本发明提供了一种提取轮轨车轮空间轮缘最低点的方法，其所提取的结果更为准确、实用。

为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：

一种提取轮轨车轮空间轮缘最低点的方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、激光位移传感器布设；

s2、激光位移传感器数据获取和三维坐标变换：所述激光位移传感器探测待测车轮的轮缘并获取探测点的坐标后，再通过三维坐标变换的方式将所述探测点的坐标从所述激光位移传感器自身的坐标系全部转换到以待测车轮的圆心为原点的大地坐标系下；

s3、激光位移传感器发射的激光平面的确定：对于同一所述激光位移传感器，选取其所测的空间轮缘数据点上的其中三点，得到该激光传感器发出的激光平面在所述大地坐标系中的坐标方程；

s4、空间轮缘数据点的投影及端面投影直线的确定：在所述大地坐标系中，将所述激光位移传感器所测得的空间轮缘数据点向xoz平面做投影；在xoz平面内，先设定转折点阈值，然后找到端面投影直线的转折点，从而求取端面投影直线方程；

s5、空间轮缘投影曲线的拟合及空间轮缘最低点的初步提取：以所述端面投影直线为参照选择空间轮缘最低点的部分数据点段，进行曲线拟合，求出空间轮缘最低点在xoz平面投影坐标值；

s6、提取最终的空间轮缘最低点：根据步骤s3所确定的激光平面的坐标方程、以及步骤s5提取的空间轮缘最低点在xoz平面投影坐标值，求出待测的空间轮缘最低点在所述大地坐标系中的坐标值。

进一步的，在所述步骤s1中，激光位移传感器的布设方法包括：

将三个所述激光位移传感器安装在轨道内侧的与轨道平行的直线上；三个所述激光位移传感器与铅垂线的夹角分别为β1、β2、β3，三个所述激光位移传感器与沿轨道方向的纵向水平线的夹角分别为α1、α2、α3。

进一步的，所述三维坐标变换的旋转参数、位移参数与所述激光位移传感器的安装位置、安装角度相关。

进一步的，在所述步骤s2中，所述三维坐标变换的方式包括：

设所述激光位移传感器自身的坐标系为o1-x1y1z1，以标准车轮的轮心为原点的大地坐标系为o-xyz；对于一激光位移传感器，在o1-x1y1z1坐标系下，设其输出的坐标值为(x,y,0)，根据以下公式，

进行转换，得到该激光位移传感器在大地坐标系o-xyz的坐标点为(xp,yp,zp)；

其中，

其中，(εx,εy,εz)分别为所述激光位移传感器自身的坐标系向所述大地坐标系转化的旋转角参数，(δx,δy,δz)为坐标原点相对平移参数。

进一步的，在所述步骤s3中，激光位移传感器发射的激光平面的确定的具体方法包括：

选取所述激光位移传感器所测的空间轮缘轮廓点的其中三个数据点在所述大地坐标系中的坐标值，分别记做m1(x1,y1,z1)、m2(x2,y2,z2)、m3(x3,y3,z3)；基于同一个所述激光位移传感器所测的空间轮廓点都在一个激光发射平面上，则三个所述数据点可确定该激光传感器发出的激光平面在所述大地坐标系中的坐标方程为：

ax+by+cz+d＝0

其中，

进一步的，在所述步骤s4中，空间轮缘数据点的投影及端面投影直线的确定的具体方法包括：

s41、在建立的所述大地坐标系中，将所述激光位移传感器测得的空间轮缘数据点投影到平面xoz中，即将其所有坐标值的y坐标默认为0，得到各空间轮廓数据点在平面xoz中的投影；

s42、在平面xoz内，根据公式：

dx＝xi+1-xii＝1,2,…n

求得x坐标的差分dx；其中，xi,xi+1为轮对踏面数据点的x坐标，n为总数据点数；

s43、设置一个转折点阈值dx，然后寻找求得的dx的端面投影直线转折点；当|dx|≥dx时，记下此时x的索引m，则这m个空间轮缘数据点的x坐标的均值便是端面在平面xoz中的投影直线方程，即：

进一步的，寻找求得的dx的端面投影直线转折点的方法包括有逐差法。

进一步的，在所述步骤s5中，所述曲线拟合包括有6阶曲线拟合。

进一步的，在所述步骤s5中，空间轮缘投影曲线的拟合及空间轮缘最低点的初步提取的具体方法包括：

根据所述步骤s4确定的端面投影直线方程x，提取x轴坐标值在(x-23,x-3)范围内的数据点并进行曲线拟合，即拟合多项式为：

z＝a0+a1x+a2x²+a3x³+a4x⁴+a5x⁵+a6x⁶

则各投影数据点到该拟合曲线的距离之和，即偏方差和为：

为求得符合条件的ai值，对等式右边取ai的偏导数，得：

......

进一步化简，得：

......

转化为矩阵形式：

从而得到系数矩阵a＝[a0a1......a6]^t，进而得到拟合曲线方程为：

z＝a0+a1x+a2x²+a3x³+a4x⁴+a5x⁵+a6x⁶

针对所述拟合曲线方程，求出极小值点(x0,z0)，即为所述空间轮缘最低点在xoz平面投影坐标值。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

本发明提供的一种提取轮轨车轮空间轮缘最低点的方法，不仅传感器布设方便，而且结构、原理极为简单，更为关键的是，其所提取的结果极其精确、实用，可为轮对外形尺寸参数的非接触式在线准确测量提供可靠的保证。具体而言，比如：(1)本发明采用三维空间变换技术，以待测车轮的轮心为坐标系原点，从而有效地消除了因车轮与轨道不完全平行而造成的车轮轮缘最低点的提取误差；(2)本发明根据轮缘空间轮廓数据点和激光位移传感器激光平面的空间几何关系，然后通过空间曲线投影、曲线拟合求极值点的方法以获取轮缘最低点，相比于传统的直接从传感器所测的离散数据点中提取最低点的方法而言，提取的结果更加精确。

综上所述，本发明非常符合现代交通工程建设的实际需求，在交通安全监测工程技术领域具有广阔的市场前景。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明所述的提取轮轨车轮空间轮缘最低点的方法一实施方式的步骤示意图；

图2是实施例1所述的激光位移传感器安装示意图；

图3是实施例1所述的三维坐标变换原理图；

图4是实施例1所述的一传感器所测的空间轮缘数据点在大地坐标系中的示意图；

图5是实施例1所述的一传感器所测的空间轮缘数据点向xoz平面投影并求取端面投影直线的示意图；

图6是实施例1所述的一传感器所测的空间轮缘数据点的投影及6阶曲线拟合图。

附图标记说明：

1、车轮；2、激光位移传感器；21、第一激光位移传感器；22、第二激光位移传感器；23、第三激光位移传感器；3、轨道。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明能够以很多不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

如图1所示，本发明公开了一种提取轮轨车轮空间轮缘最低点的方法，包括以下步骤：

s1、激光位移传感器布设，其具体方法包括：

将三个激光位移传感器安装在轨道内侧的与轨道平行的直线上；三个激光位移传感器与铅垂线的夹角分别为β1、β2、β3，三个激光位移传感器与沿轨道方向的纵向水平线的夹角分别为α1、α2、α3。

s2、激光位移传感器数据获取和三维坐标变换：所述激光位移传感器探测待测车轮的轮缘并获取探测点的坐标后，再通过三维坐标变换的方式将所述探测点的坐标从所述激光位移传感器自身的坐标系全部转换到以待测车轮的圆心为原点的大地坐标系下；

在上述步骤s2中，三维坐标变换的旋转参数、位移参数与激光位移传感器的安装位置、安装角度相关；三维坐标变换的方式具体包括：

设激光位移传感器自身的坐标系为o1-x1y1z1，以标准车轮的轮心为原点的大地坐标系为o-xyz；对于一激光位移传感器，在o1-x1y1z1坐标系下，设其输出的坐标值为(x,y,0)，根据以下公式，

进行转换，得到该激光位移传感器在大地坐标系o-xyz的坐标点为(xp,yp,zp)；

其中，

其中，(εx,εy,εz)分别为激光位移传感器自身的坐标系向大地坐标系转化的旋转角参数，(δx,δy,δz)为坐标原点相对平移参数。

s3、激光位移传感器发射的激光平面的确定：对于同一激光位移传感器，选取其所测的空间轮缘数据点上的其中三点，得到该激光传感器发出的激光平面在大地坐标系中的坐标方程；

在上述步骤s3中，激光位移传感器发射的激光平面的确定的具体方法包括：

选取激光位移传感器所测的空间轮缘轮廓点的其中三个数据点在大地坐标系中的坐标值，分别记做m1(x1,y1,z1)、m2(x2,y2,z2)、m3(x3,y3,z3)；基于同一个激光位移传感器所测的空间轮廓点都在一个激光发射平面上，则三个数据点可确定该激光传感器发出的激光平面在大地坐标系中的坐标方程为：

ax+by+cz+d＝0

其中，

s4、空间轮缘数据点的投影及端面投影直线的确定：在大地坐标系中，将激光位移传感器所测得的空间轮缘数据点向xoz平面做投影；在xoz平面内，先设定转折点阈值，然后找到端面投影直线的转折点，从而求取端面投影直线方程；

在上述步骤s4中，空间轮缘数据点的投影及端面投影直线的确定的具体方法包括：

s41、在建立的大地坐标系中，将激光位移传感器测得的空间轮缘数据点投影到平面xoz中，即将其所有坐标值的y坐标默认为0，得到各空间轮廓数据点在平面xoz中的投影；

s42、在平面xoz内，根据公式：

dx＝xi+1-xii＝1,2,…n

求得x坐标的差分dx；其中，xi,xi+1为轮对踏面数据点的x坐标，n为总数据点数；

s43、设置一个转折点阈值dx，然后寻找求得的dx的端面投影直线转折点；当|dx|≥dx时，记下此时x的索引m，则这m个空间轮缘数据点的x坐标的均值便是端面在平面xoz中的投影直线方程，即：

在上述子步骤s43中，寻找求得的dx的端面投影直线转折点的方法包括有逐差法。

s5、空间轮缘投影曲线的拟合及空间轮缘最低点的初步提取：以端面投影直线为参照选择空间轮缘最低点的部分数据点段，进行曲线拟合，求出空间轮缘最低点在xoz平面投影坐标值；

在上述步骤s5中，曲线拟合具体为6阶曲线拟合；空间轮缘投影曲线的拟合及空间轮缘最低点的初步提取的具体方法包括：

根据上述步骤s4确定的端面投影直线方程x，提取x轴坐标值在(x-23,x-3)范围内的数据点并进行曲线拟合，即拟合多项式为：

z＝a0+a1x+a2x²+a3x³+a4x⁴+a5x⁵+a6x⁶

则各投影数据点到该拟合曲线的距离之和，即偏方差和为：

为求得符合条件的ai值，对等式右边取ai的偏导数，得：

......

进一步化简，得：

......

转化为矩阵形式：

从而得到系数矩阵a＝[a0a1......a6]^t，进而得到拟合曲线方程为：

z＝a0+a1x+a2x²+a3x³+a4x⁴+a5x⁵+a6x⁶

针对该拟合曲线方程，求出极小值点(x0,z0)，其即为空间轮缘最低点在xoz平面投影坐标值。

s6、提取最终的空间轮缘最低点：根据上述步骤s3所确定的激光平面的坐标方程(ax+by+cz+d＝0)、以及上述步骤s5提取的空间轮缘最低点在xoz平面投影坐标值(x0,z0)，求出待测的空间轮缘最低点在大地坐标系中的坐标值p:(x0,y0,z0)，其便是最终获取的空间轮缘最低点。

实施例1

如图2～6所示，三台激光位移传感器2沿平行于轨道3的方向安装在轨道3内侧。其中，第一激光位移传感器21、第二激光位移传感器22、第三激光位移传感器23与铅垂线的夹角均为45°，即β1、β2、β3为45°；第一激光位移传感器21、第三激光位移传感器23与沿轨道3方向的纵向水平线成45°角安装，即α1、α3均为45°，第二激光位移传感器22沿轨道3方向的纵向水平线平行安装，即α2为0°。

下文仅以第二激光位移传感器22为例，求取第二激光位移传感器22测得的车轮1的轮缘最低点。

(1)对于第二激光位移传感器22，在自身的o1-x1y1z1坐标系下，其输出的坐标值为(x,y,0)；首先，顺时针绕x1轴旋转然后顺时针绕y1轴旋转β2，最后顺时针绕z1轴旋转π，从而得到旋转参数εy＝-β2,εz＝π，根据旋转参数即可得到坐标旋转变换矩阵：

而且，第二激光位移传感器22自身的坐标系o1-x1y1z1与大地坐标系o-xyz之间点的平移矩阵[δxδyδz]^t＝[328.42-0.5846-640.3469]^t；通过坐标旋转变换矩阵和平移矩阵，可转换得到第二激光位移传感器22在大地坐标系o-xyz的坐标点(xp,yp,zp)，则：

从而，直接得到z轴最小的数据点坐标值为p1:(42.8475,0.5846,-422.9682)。

(2)在第二激光位移传感器22所测的空间轮缘轮廓点在大地坐标系中的坐标值中，选择其中3组数据，计算得到第二激光位移传感器22发出的激光平面在大地坐标系中的坐标方程为

y＝0.5846

(3)在所建立的大地坐标系中，先将第二激光位移传感器22所测得的空间轮缘数据点向xoz平面做投影；在xoz平面内，求出端面投影直线方程为：

x＝54.3173

(4)取相对端面投影直线的水平距离为2mm和23mm之间的数据，进行6阶曲线拟合，得到拟合曲线方程为：

z＝-3.0684×10^-7x⁶+8.4615×10^-5x⁵-0.0096x⁴+0.5747x³-19.0927x²+332.6156x-2781.4

对该拟合曲线方程求极小值点，即可得到车轮1轮缘最低点的投影坐标(42.7791,-422.9832)。

(5)将步骤(4)获取的车轮1轮缘最低点的投影坐标代入步骤(2)所确定的激光平面方程中，求出第二激光位移传感器22所测的最终的空间轮缘最低点的坐标值为p:(42.7791,0.5846,-422.9832)。

对比于第二激光位移传感器22直接读取的最低点坐标值p1:(42.8475,0.5846,-422.9682)，可知本发明更加符合提取轮缘最低点的实际要求。

最后，需要说明的是：本发明所述的提取轮轨车轮空间轮缘最低点的方法的其它部分参见现有技术。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。