M，经过集成稳压芯片和线性驱动器后得到 3. 3V(3V3)和5V的直流电源，为其余各个模块电路供电；电源电路1同时包括一个指示 LED，通过该LED的开关，可以掌握电源电路的工作情况。
[0062] 使用所述装置得到轮缘踏面有效坐标点，根据所述分段曲线拟合方法，得到拟合 方
[0063] 程为 f(x):
[0065] 根据车轮尺寸几何关系求得轮缘厚为32. 0746,轮缘高为28. 0085,车轮直径为 839.1045。
[0066] 本发明提供基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置及方法，完成了对车轮 轮缘高、轮缘厚、车轮直径等车轮参数的测量，具有便携、速度快、精度高、装置简单等特点。 直线步进电机在电机内部把旋转运动转化为线性运动，能实现精确位置移动，激光位移传 感器可精确的对被测物体的位置进行精确检测，本发明使用直线步进电机和激光位移传感 器实现轮缘踏面坐标点的检测。
【主权项】
1. 一种基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置，其特征在于，测量装置包括轮 缘踏面测量模块（I)、ARM嵌入式主控模块（2)、交互模块（3)、数据存储模块（4)、USB通信 模块（5)以及电源模块（6)，其中轮缘踏面测量模块（1)通过两个定位柱设置于车轮上，所 述轮缘踏面测量模块（1)、交互模块（3)、数据存储模块（4)、USB通信模块（5)分别与ARM嵌 入式主控模块（2)相连接，电源模块（6)为各模块供电；所述轮缘踏面测量模块（1)包括步 进电机驱动器、带直线步进电机的直线导轨、激光位移传感器和光电开关，其中带直线步进 电机的直线导轨平行于车轮的轴线，步进电机驱动器的控制输入端与ARM嵌入式主控模块 (2)连接，步进电机驱动器的驱动输出端与直线步进电机相连，激光位移传感器通过滑块设 置于带进直线步进电机的直线导轨上，光电开关设置于车轮外侧且距离车轮内端面距离为 d，d>135mm，激光位移传感器与ARM嵌入式主控模块（2)相连； 以光电开关的光束所在直线与直线导轨的交点为原点，激光位移传感器前进方向为X轴正方向，激光线方向为y轴正方向建立二维直角坐标系；系统初始化时，激光位移传感器 处于初始位置；测量时，ARM嵌入式主控模块（2)通过步进电机驱动器控制直线步进电机正 转，直线步进电机带动激光位移传感器沿着直线导轨以速度V匀速运动，光电开关检测到 激光位移传感器到达原点时，光电开关发送信号给ARM嵌入式主控模块（2)，ARM嵌入式主 控模块（2)发出控制信号使激光位移传感器开始检测车轮的轮缘踏面坐标点，并将检测数 据传送至ARM嵌入式主控模块（2)，当激光位移传感器运动到车轮内端面时，激光位移传感 器停止检测，直线步进电机减速直至停止转动，然后直线步进电机反转并带动激光位移传 感器回到初始位置;ARM嵌入式主控模块（2)根据激光位移传感器采集的数据处理得到轮 缘踏面曲线，进而确定车轮参数。2. 根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置，其特征在 于，所述ARM嵌入式主控模块（2)采用意法半导体公司生产的STM32F103C8T6型单片机，该 模块包含外部8M晶振电路、复位电路、SWD程序调试电路、启动方式选择电路，并且该ARM嵌 入式主控模块（2)能对其它各模块进行控制，并对采集的坐标点进行曲线拟合。3. 根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置，其特征在 于，所述交互模块（3)包括XPT2046芯片和BL32007芯片，其中XPT2046芯片和ARM嵌入式 主控模块（2)的5个I/O口连接通信，BL32007芯片与ARM嵌入式主控模块（2)的FSMC功 能的I/O口连接，该交互模块⑶采用5V供电。4. 根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置，其特征在 于，所述数据存储模块（4)采用MicroSD卡，MicroSD卡通过SPI协议与ARM嵌入式主控模 块（2)进行通信，并且完成测量结果车轮参数数据的存储。5. 根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置，其特征在 于，所述USB通信模块（5)通过ARM嵌入式主控模块（2)中STM32F103系列芯片的USB控 制器实现USB2. 0全速物理接口传输，上位机通过USB通信模块（5)的USB通讯接口电路读 取MicroSD卡中的车轮参数数据。6. 根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置，其特征在 于，所述电源模块（6)采用锂电池组供电。7. -种基于权利要求1所述激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置的城轨车轮参 数测量方法，其特征在于，步骤如下： 步骤1，建立直角坐标系：以光电开关的光束所在直线与直线导轨的交点为原点，激光 位移传感器前进方向为X轴正方向，激光线方向为y轴正方向建立二维直角坐标系； 步骤2,系统初始化，激光位移传感器处于初始位置； 步骤3,测量时，ARM嵌入式主控模块（2)通过步进电机驱动器控制直线步进电机正转， 直线步进电机带动激光位移传感器沿着直线导轨以速度V匀速运动，光电开关检测到激光 位移传感器到达原点时，光电开关发送信号给ARM嵌入式主控模块（2)，ARM嵌入式主控模 块（2)发出控制信号使激光位移传感器开始检测车轮的轮缘踏面坐标点，并将检测数据传 送至ARM嵌入式主控模块（2); 步骤4,当激光位移传感器运动到车轮内端面时，激光位移传感器停止检测，直线步进 电机减速直至停止转动，然后直线步进电机反转并带动激光位移传感器回到初始位置； 步骤5，ARM嵌入式主控模块（2)根据激光位移传感器采集的数据处理得到轮缘踏面曲 线，进而确定车轮参数。8.根据权利要求7所述的基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量方法，其特征在 于，步骤5所述ARM嵌入式主控模块（2)根据激光位移传感器采集的数据处理得到轮缘踏 面曲线，进而确定车轮参数，具体如下： 设第i次激光位移传感器检测到车轮踏面的距离为I1,i= 1，2,…，n，由激光位移传 感器运动速度V以及采样频率为f?可知，第i次采样激光位移传感器距离坐标原点距离为车轮内端面距离为d，由此可以得到踏面的有效数据点S: S= {(x；,y；)m} 式中m为有效数据点个数，且Xi满足：d-135 ^Xi^d 从有效数据点中提取3个数据集：其中，{?rt为待确定的回归系数，把11是给定在&上的一组线性无关的基函数， "\为sk上基函数的个数； 对于每一数据集Sk拟合误差最小二乘回归模型为：根据该方程解出（471，...，《丨41 )后带入拟合方程f(x)，即得到各数据集&的拟 合曲线方程； 使用弦高法测量车轮直径，设定位柱半径为r，定位柱圆心之间的距离为2L，激光位移 传感器激光发射点到定位柱连线之间的距离为H，由轮缘踏面检测得到激光位移传感器到 轮缘顶部距离h，设轮缘顶部圆的半径为R，根据勾股定理有： (R+r)2=L2+[R-(H-h)]2 可得：车轮直径D为2倍的轮缘顶部圆半径R减轮缘高Hw，车轮直径如下： D= 2 (R-Hw) 〇
【专利摘要】本发明公开了一种基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置及方法。该测量装置包括轮缘踏面测量模块、ARM嵌入式主控模块、交互模块、数据存储模块、USB通信模块和电源模块。轮缘踏面测量模块使用激光位移传感器检测车轮踏面坐标，ARM嵌入式主控模块对检测到的踏面坐标进行曲线拟合从而得到车轮轮廓曲线，然后通过几何关系计算得到轮缘高、轮缘厚、车轮直径等车轮参数，交互模块显示车轮轮廓曲线与车轮参数，存储模块保存测量数据与车轮参数，上位机通过USB通信模块可以获取车轮参数并进行进一步分析，电源模块为整个测量装置供电。本发明为不落轮条件下城轨车辆车轮参数测量装置，具有便携、高速、高精度、简单实用等特点。
【IPC分类】G01B11/24, G01B11/06, G01B11/08, G01B11/00
【公开号】CN105043248
【申请号】CN201510213822
【发明人】谢海椿, 邢宗义, 杨静, 石奋义, 张永, 戴硕, 江飞
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年4月29日