CN105835902B - 一种基于激光位移传感器的车轮直径的检测方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种基于激光位移传感器的车轮直径的检测方法

技术领域

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

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。所以，对列车车轮直径的检测是十分必要的。

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。瑞士OPTIMESS公司研究的激光轮对动态在线检测***，采用多个点式激光传感器测量轮对的直径，***成本高。专利CN201410787786.6介绍的轮对动态检测***采用图像法计算车轮直径，相对于激光法，***测量精度、稳定性及抗干扰能力都处于劣势。

发明内容

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。

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。

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。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明中车轮直径检测方法的流程图。

图2是本发明中车轮直径检测方法的布设图。

图3是本发明中车轮直径检测的传感器安装侧视图。

图4是本发明中车轮直径检测的传感器安装正视图。

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

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：

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l。

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中，其中，传感器自身坐标系以激光源点为坐标原点o，激光发射方向的中心线为轴、垂直于激光发射方向的中心线为轴，将坐标系以原点o为中心旋转β角度得到坐标系k＝1、2，分别表示激光位移传感器L1、L2。

上述坐标变换过程如下：

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

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

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U^(k)，并以此建立滤窗，滤除数据干扰点。

其中数据干扰点滤除过程如下：

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

式中为变换后数据点的轴坐标，ξ为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，得到车轮右端面的轴坐标U^(k)；

第二步，根据坐标U^(k)建立(U^(k)-a,U^(k)+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，a∈(135,140)，b∈(0,5)。

步骤4，数据筛选：根据步骤3获得的数据，按照M≥100的规则对激光位移传感器采集的数据进行筛选，其中，M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。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{z₁,z₂,…,z_m}，{z₁,z₂,…,z_m}的横轴坐标分别为{u₁,u₂,…,u_m}，纵轴坐标分别为{v₁,v₂,…,v_m}，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，v_i-n为采样数据，v′_i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，h_n为加权平均因子(滤波因子)，必须满足

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U^(k)，提取(U^(k)-80,U^(k)-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d⁽¹⁾、d⁽²⁾。

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d⁽¹⁾与d⁽²⁾，结合激光位移传感器布设参数α、β、l，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：

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d⁽¹⁾与d⁽²⁾，结合传感器安装参数，若d⁽¹⁾≤d⁽²⁾，根据式(5)求得车轮半径R，若d⁽¹⁾≥d⁽²⁾，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，过轮心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，l₁为线wc的长度，l₂为线pq的长度，l₃为线ce的，l₄为p点到钢轨的垂直距离，γ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。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

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l＝280，选用直径为840mm的标准轮对进行试验。

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

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

根据坐标变换后的数据点，提取满足式(3)的点；

式中为变换后数据点的轴坐标，这里根据所选激光位移传感器参数，ξ＝0.2；

对满足条件的轴方向的坐标值作均值处理，得到车轮右端面的轴坐标U^(k)，根据坐标U^(k)建立(U^(k)-a,U^(k)+b)的一个滤窗，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，a∈(135,140)，b∈(0,5)。

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d⁽¹⁾、d⁽²⁾，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。

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。

Claims (4)

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：在轨道内端面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l；

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中，其中，传感器自身坐标系以激光源点为坐标原点o，激光发射方向的中心线为轴、垂直于激光发射方向的中心线为轴，将坐标系以原点o为中心旋转β角度得到坐标系k＝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U^(k)，并以此建立滤窗，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M≥100的规则对激光位移传感器采集的数据进行筛选，其中，M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U^(k)，提取(U^(k)-80,U^(k)-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端面70mm处踏面点的距离值d⁽¹⁾、d⁽²⁾；

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端面70mm处踏面点的距离值d⁽¹⁾与d⁽²⁾，结合激光位移传感器布设参数α、β、l，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；

所述步骤2中的坐标变换过程如下：对于激光位移传感器L1输出的坐标值根据式(1)进行坐标旋转得到坐标

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

2.根据权利要求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

式中为变换后数据点的轴坐标，ξ为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，得到车轮右端面的轴坐标U^(k)；

第二步，根据坐标U^(k)建立(U^(k)-a,U^(k)+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，a∈(135,140)，b∈(0,5)。

3.根据权利要求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{z₁,z₂, … ,z_m} ， {z₁,z₂, … ,z_m} 的横轴坐标分别为{u₁,u₂, … ,u_m} 纵轴坐标分别为{v₁,v₂, … ,v_m} 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，v_i-n为采样数据，v′_i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，h_n为加权平均因子，必须满足

4.根据权利要求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d⁽¹⁾与d⁽²⁾，结合传感器安装参数，若d⁽¹⁾≤d⁽²⁾，根据式(5)求得车轮半径R，若d⁽¹⁾≥d⁽²⁾，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探测到距车轮内端面70mm踏面的点分别为p，q，过轮心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，l₁为线wc的长度，l₂为线pq的长度，l₃为线ce的，l₄为p点到钢轨的垂直距离，γ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。