一种非接触式城轨车辆轮对尺寸在线检测方法与流程

本发明属于城轨车辆车轮检测技术领域，特别是一种非接触式城轨车辆轮对尺寸在线检测方法。

背景技术：

随着我国城轨车辆的快速发展，城市轨道交通的运行速度也越来越快，因而其在线运行安全问题也日益突出。在城轨车辆运行过程中，轮对起着导向、承受以及传递载荷的作用，在这样的过程中，轮对与轨道发生摩擦，造成了车轮踏面的磨耗，使得车轮轮径、轮缘厚度、轮缘高度等轮对尺寸参数发生了变化，对乘客乘坐舒适性和安全性产生了重大影响。因此，为了保障城轨车辆运行安全，针对车辆车轮轮径和轮缘等轮对尺寸参数的在线检测技术尤为重要。

轮对尺寸在线检测系统是城市轨道交通安全运行的研究重点，国内外针对这个方面的研究也取得了重大突破。美国、日本、瑞士等国家在轮对尺寸自动检测系统研制拥有成熟的技术，但其对轨道的特殊要求和高昂的成本，使其无法广泛适用于国内的城轨交通。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结构简易、原理简单的非接触式城轨车辆轮对尺寸在线检测方法，能够实现轮对尺寸动态非接触高精度测量。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种非接触式城轨车辆轮对尺寸在线检测方法，包括以下步骤：

步骤1，传感器布设：沿列车前进方向轨道内侧顺次设置第一激光位移传感器l1、第二激光位移传感器l2，在第一激光位移传感器l1关于同侧轨道对称的轨道外侧设置第四激光位移传感器l4，在第二激光位移传感器l2关于同侧轨道对称的轨道外侧设置第三激光位移传感器l3；

步骤2，坐标变换：把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和第四激光位移传感器l4同步采集的数据所在的坐标系xoy进行坐标旋转，变换到与轨道内端面平行的坐标系uov中；

步骤3，端面及关键特征点提取：根据步骤2坐标旋转后的数据，提取第一激光位移传感器l1左端面、第三激光位移传感器l3左端面和第二激光位移传感器l2右端面、第四激光位移传感器l4右端面；对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采集的数据进行分段拟合，并根据第一激光位移传感器l1左端面、第二激光位移传感器l2右端面、第三激光位移传感器l3左端面、第四激光位移传感器l4右端面提取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到车轮踏面距离d1、d2、d3、d4；

步骤4，车轮直径计算：根据步骤3获得的第一激光位移传感器l1、第二激光位移传感器l2到车轮踏面距离d1、d2，选择车轮圆心位于第一激光位移传感器l1、第二激光位移传感器l2中心线时刻的数据，计算得到车轮直径d1；根据步骤3获得的第三激光位移传感器l3、第四激光位移传感器l4到车轮踏面距离d3、d4，选择车轮圆心位于第三激光位移传感器l3、第四激光位移传感器l4中心线时刻的数据，计算得到车轮直径d2，把车轮直径d1、d2取平均获取车轮直径d；

步骤5，车轮轮缘参数计算：根据数据融合获取第一激光位移传感器l1、第四激光位移传感器l4和第二激光位移传感器l2、第三激光位移传感器l3两组踏面轮廓线，求取轮缘厚度h1，h2轮缘高度g1、g2，然后将两组数据取平均得到轮缘厚度h'、轮缘高度g'。

本发明与现有技术相比，其优点在于：(1)采用非接触式检测方式，能够在列车运行时实现列车轮径、轮缘厚度、轮缘高度等轮对尺寸参数动态在线高精度测量；(2)结构装置简易、检测原理简单、成本低廉同时具有较高的检测精度。

附图说明

图1是本发明非接触式城轨车辆轮对尺寸在线检测方法的流程图。

图2是本发明的检测装置结构示意图。

图3是第一激光位移传感器l1、第四激光位移传感器l4与车轮之间的安装示意图。

图4是第一激光位移传感器l1左踏面以及关键特征点提取示意图。

图5是第四激光位移传感器l4右踏面以及关键特征点提取示意图。

图6是本发明的直径检测原理示意图。

图7是第二激光位移传感器l2、第三激光位移传感器l3数据融合后车轮踏面轮廓线示意图。

具体实施方式

本发明是一种非接触式城轨车辆轮对尺寸在线检测方法，首先将激光位移传感器输出的数据点坐标变换，端面及关键特征点提取，找到车轮圆心位于第一激光位移传感器l1、第二激光位移传感器l2中心线时传感器到车轮踏面距离；然后根据几何关系得到车轮直径；最后通过数据融合获取两组车轮踏面轮廓线，进而求取两组轮缘参数均值。同时，取车轮圆心位于第一激光位移传感器l1、第二激光位移传感器l2中心线前后三帧轮缘参数取均值，以提高系统检测精度。

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，本发明是一种非接触式城轨车辆轮对尺寸在线检测方法，包括以下步骤：

步骤1，传感器布设：沿列车前进方向轨道内侧顺次设置第一激光位移传感器l1、第二激光位移传感器l2，在第一激光位移传感器l1关于同侧轨道对称的轨道外侧设置第四激光位移传感器l4，在第二激光位移传感器l2关于同侧轨道对称的轨道外侧设置第三激光位移传感器l3，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的激光源所在平面在轨道平面下方。

如图2、图3所示，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离轨道垂直安装距离l1、l2、l3、l4均相等，取值范围为300～400mm；第一激光位移传感器l1、第二激光位移传感器l2水平安装距离l5和第三激光位移传感器l3、第四激光位移传感器l4水平安装距离l6相等，取值范围为800～1000mm；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l4四个传感器共面且低于轨道上表面，两个平面垂直距离为c，取值范围为100～200mm；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与铅垂线夹角β1、β2、β3、β4均相等，取值范围为40～55°；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与沿轨道方向水平夹角α1、α2、α3、α4均相等，取值范围为40～55°。

步骤2，坐标变换：把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和第四激光位移传感器l4同步采集的数据所在的坐标系xoy进行坐标旋转，变换到与轨道内端面平行的uov坐标系中；

对于第一激光位移传感器l1、第三激光位移传感器l3输出的二维坐标值根据式(1)坐标变换为坐标值

其中，上标i＝1,3，分别为第一激光位移传感器l1、第三激光位移传感器l3；

对于第二激光位移传感器l2、第四激光位移传感器l4输出的二维坐标值根据式(2)坐标变换为坐标值

其中，上标i＝2,4，分别为第二激光位移传感器l2、第四激光位移传感器l4。

步骤3，端面及关键特征点提取：根据步骤2坐标旋转后的数据，提取第一激光位移传感器l1左端面、第三激光位移传感器l3左端面和第二激光位移传感器l2右端面、第四激光位移传感器l4右端面；对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采集的数据进行分段拟合，并根据第一激光位移传感器l1左端面、第二激光位移传感器l2右端面、第三激光位移传感器l3左端面、第四激光位移传感器l4右端面提取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到车轮踏面距离d1、d2、d3、d4；

根据步骤2坐标变换后的坐标，提取满足式(3)的坐标点：

|ui-ui-1|≤0.01(3)

将满足条件的u轴横坐标值取平均值作为车轮踏面端面的横坐标值；设定第一激光位移传感器l1、第三激光位移传感器l3左端面横坐标值为xl1、xl3，第二激光位移传感器l2、第四激光位移传感器l4右端面横坐标值为xl2、xl4；

将第一激光位移传感器l1、第二激光位移传感器l2坐标变换后的点进行分段4阶最小二乘曲线拟合，获得踏面曲线方程；由第一激光位移传感器l1左端面横坐标值xl1，第二激光位移传感器l2右端面横坐标值xl2，根据式(4)获取第一激光位移传感器l1、第二激光位移传感器l2踏面关键特征点横坐标x1、x2：

同理，根据式(5)获取第三激光位移传感器l3、第四激光位移传感器l4踏面关键特征点横坐标x3、x4：

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、第四激光位移传感器l4踏面曲线方程以及横坐标值x1、x2、x3、x4，获取的踏面关键特征点纵坐标值，即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、第四激光位移传感器l4到车轮踏面距离d1、d2、d3、d4。第一激光位移传感器l1左踏面以及关键特征点提取如图4所示。

步骤4，车轮直径计算：根据步骤3获得的第一激光位移传感器l1、第二激光位移传感器l2到车轮踏面距离d1、d2，选择车轮圆心位于第一激光位移传感器l1、第二激光位移传感器l2中心线时刻的数据，计算得到车轮直径d1；根据步骤3获得的第三激光位移传感器l3、第四激光位移传感器l4到车轮踏面距离d3、d4，选择车轮圆心位于第三激光位移传感器l3、第四激光位移传感器l4中心线时刻的数据，计算得到车轮直径d2，把车轮直径d1、d2取平均获取车轮直径d；具体过程如下：

根据步骤3得到第一激光位移传感器l1、第二激光位移传感器l2到车轮踏面距离d1、d2和第三激光位移传感器l3、第四激光位移传感器l4到车轮踏面距离d3、d4，求取满足式(6)d1、d2、d3、d4的数值：

根据激光位移传感器安装参数以及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到车轮踏面距离d1、d2、d3、d4的数值，由式(7)、(8)、(9)求取车轮直径d，直径检测原理示意图如图5所示：

其中，l5为第一激光位移传感器l1和第二激光位移传感器l2水平安装距离，l6为第三激光位移传感器l3和第四激光位移传感器l4水平安装距离，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与沿轨道方向水平夹角α1、α2、α3、α4相等，均为α。

步骤5，车轮轮缘参数计算：根据数据融合获取第一激光位移传感器l1、第四激光位移传感器l4和第二激光位移传感器l2、第三激光位移传感器l3两组踏面轮廓线，求取轮缘厚度h1，h2轮缘高度g1、g2，然后将两组数据取平均得到轮缘厚度h'、轮缘高度g'。

根据数据融合方法获取第一激光位移传感器l1、第四激光位移传感器l4以及第二激光位移传感器l2、第三激光位移传感器l3车轮完整踏面轮廓曲线，根据轮缘厚度和轮缘高度定义求取车轮轮缘厚度h1、h2，轮缘高度g1、g2；根据式(10)获得此次单帧车轮轮缘厚度h'、轮缘高度g'；第二激光位移传感器l2、第三激光位移传感器l3数据融合后车轮踏面轮廓线如图6所示。

实施例1

沿列车前进方向轨道内侧依次安装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。第一激光位移传感器l1和第四激光位移传感器l4关于轨道对称布置，第二激光位移传感器l2和第三激光位移传感器l3关于轨道对称布置。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、第四激光位移传感器l4离轨道垂直安装距离l1、l2、l3、l4均为350mm，第一激光位移传感器l1和第二激光位移传感器l2水平安装距离l5与第三激光位移传感器l3和第四激光位移传感器l4水平安装距离l6均为950mm，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l4四个传感器共面且低于轨道上表面，两个平面垂直距离c为150mm，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与铅垂线夹角β1、β2、β3、β4均相等，取值范围为45°；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与沿轨道方向水平夹角α1、α2、α3、α4均相等，取值范围为45°。

首先对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输出的坐标值按下式进行坐标变换：

对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坐标变化后的数据点，提取满足|ui-ui-1|≤0.01的点，并对这些点横坐标值取均值，获得第一激光位移传感器l1左端面、第三激光位移传感器l3左端面和第二激光位移传感器l2右端面、第四激光位移传感器l4右端面横坐标值。

将第一激光位移传感器l1、第二激光位移传感器l2坐标变换后的点进行分段4阶最小二乘曲线拟合，获得踏面曲线方程；由第一激光位移传感器l1左端面横坐标值xl1，第二激光位移传感器l2右端面横坐标值xl2，根据下式获取第一激光位移传感器l1、第二激光位移传感器l2踏面关键特征点横坐标x1、x2：

同理，根据下式获取第三激光位移传感器l3、第四激光位移传感器l4踏面关键特征点横坐标x3、x4：

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、第四激光位移传感器l4踏面曲线方程以及横坐标值x1、x2、x3、x4，获取的踏面关键特征点纵坐标值，即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、第四激光位移传感器l4到车轮踏面距离d1、d2、d3、d4。

根据获得的d1、d2、d3、d4，提取满足|d1-d2|≤0.05的数据点，此时d1＝222.26，d2＝222.24，提取满足|d3-d4|≤0.05的数据点，此时d3＝222.23d4＝222.27根据下式计算d＝800.1348mm。

根据人工检测车轮直径为800.0mm，可见轮径检测方法满足现场检修需求。

当车轮圆心位于第一激光位移传感器l1、第二激光位移传感器l2中心线，获得此帧第一激光位移传感器l1、第四激光位移传感器l4以及第二激光位移传感器l2、第三激光位移传感器l3数据融合后获得轮缘厚度h1＝28.84，h2＝28.86，轮缘高度g1＝29.34，g2＝29.28。两组数据取均值得到轮缘厚度h'＝28.85，轮缘高度g'＝29.31。

根据人工测量车轮轮缘参数为28.9mm，轮缘厚度29.3mm，可见轮缘检测方法满足现场检修需求。