一種基于激光位移傳感器的車輪直徑的檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于激光位移傳感器的車輪直徑的檢測方法，兩組激光位移傳感器同時探測車輪踏面輪廓數據點，首先通過坐標變換將探測點坐標轉換到與車輪端面平行的平面內；其次，對坐標轉換后的數據進行干擾點濾除、數據篩選、平滑處理等操作；然后，提取距車輪內端面70mm處的踏面數據點，結合傳感器布設參數，由幾何關系得到一組車輪直徑；最后，重復上述步驟計算車輪經過測量范圍內的多組直徑值，將其均值作為最終車輪直徑。本發明具有測量精度高、計算速度快等優點。
【專利說明】
-種基于激光位移傳感器的車輪直徑的檢測方法
技術領域
[0001] 本發明屬于交通安全工程技術領域，特別是一種基于激光位移傳感器的車輪直徑 的檢測方法。
【背景技術】
[0002] 隨著城軌交通的快速發展，各大城市為緩解交通壓力相繼開通多條線路，列車運 行的安全問題日益突出。列車車輪承載車輛的全部載荷，車輪狀態的好壞對列車的安全運 營密切相關。其中，車輪直徑作為車輪狀態一個重要參數，當同軸車輪輪徑相差較大，對列 車的運行帶來安全隱患。同時，隨著運行時間的增長，車輪不斷磨耗，當輪徑小于限值，需馬 上更換，否則會影響列車的安全運營。所W，對列車車輪直徑的檢測是十分必要的。
[0003] 車輪直徑的檢測是城軌列車車輛日常檢測的一項重要指標，目前，我國車輪直徑 的檢測仍然依靠人工檢測技術，使用專用的測量工具對車輪直徑進行測量，但該方法檢測 精度受人工影響較大，檢測時間長。瑞iOPTIMESS公司研究的激光輪對動態在線檢測系統， 采用多個點式激光傳感器測量輪對的直徑，系統成本高。專利CN201410787786.6介紹的輪 對動態檢測系統采用圖像法計算車輪直徑，相對于激光法，系統測量精度、穩定性及抗干擾 能力都處于劣勢。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種結構簡單、精確可靠的基于激光位移傳感器的車輪直 徑的檢測方法。
[0005] 實現本發明目的的技術解決方案為:一種基于激光位移傳感器的車輪直徑的檢測 方法，基于兩組激光位移傳感器，兩組激光位移傳感器同時探測車輪輪廓數據點，首先將輸 出點進行坐標變換;其次，對坐標轉換后的數據進行干擾點濾除、數據篩選、平滑處理等操 作;然后，提取距車輪內端面70mm處的踏面數據點，結合傳感器布設參數，由幾何關系得到 一組車輪直徑;最后，重復上述步驟計算車輪經過測量范圍內的多組直徑值，將其均值作為 最終車輪直徑。
[0006] 本發明與現有技術相比，其顯著優點：（1)方法簡單實用，僅需兩組激光位移傳感 器結合相應算法即可實現對車輪直徑的檢測；（2)采集測量區域的多組踏面數據進行車輪 直徑計算，減小誤差，提高了計算精度；（3)具有計算速度快、測量精度高等優點，為車輪直 徑的檢測提供了一種有效的解決方案。
[0007] 下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
【附圖說明】
[000引圖1是本發明中車輪直徑檢測方法的流程圖。
[0009] 圖2是本發明中車輪直徑檢測方法的布設圖。
[0010] 圖3是本發明中車輪直徑檢測的傳感器安裝側視圖。
[0011] 圖4是本發明中車輪直徑檢測的傳感器安裝正視圖。
[0012] 圖5是本發明中數據平滑處理后，關鍵點提取示意圖。
【具體實施方式】
[0013] 結合圖1，本發明基于激光位移傳感器的車輪直徑的檢測方法，步驟如下：
[0014] 步驟1，傳感器布設:結合圖2、圖3,在軌道內側設置兩組激光位移傳感器，記為L1、 L2，L1和L2的激光源點在同一條直線上且平行于軌道延伸方向，兩者之間的水平距離為L， 激光位移傳感器L1、L2與鋼軌鉛垂線的夾角均為β，與沿鋼軌的縱向水平線夾角均為α，與鋼 軌的水平安裝距離均為1。
[0015] 步驟2,坐標變換:激光位移傳感器L1、L2同時探測同一車輪得到探測點的坐標，將 探測點坐標由傳感器自身坐標系皆轉換到坐標系作Wif中，其中，傳感器自身坐標系 嚴〇.vf W激光源點為坐標原點0，激光發射方向的中屯、線為.vf軸、垂直于激光發射方向的 中必線為球)軸，將坐標系皆 > 邱fW原點0為中必旋轉0角度得到坐標系皆Wf)，k=l、2^ 別表示激光位移傳感器L1、L2。
[0016] 上述坐標變換過程如下：
[0017] 對于激光位移傳感器L1輸出的坐標值根據式（1)進行坐標旋轉得到坐 標批，，皆')：
[001 引
[0019] 對于激光位移傳感器L2輸出的坐標值根據式（2)進行坐標旋轉得到坐 標(W尸，皆')；
[0020]
[0021 ]步驟3，數據干擾點濾除:根據步驟2獲得的數據，提取車輪內端面橫坐標值，并 W此建立濾窗，濾除數據干擾點。
[0022] 其中數據干擾點濾除過程如下：
[0023] 第一步，獲取車輪內端面的軸坐標值:根據坐標變換后的數據點，提取滿足式 (3)的點
[0024]
[00劇式中皆:):、稱為變換后數據點的洶f軸坐標，ξ為激光位移傳感器在af軸方向上 的分辨率；
[00%]對滿足條件的軸方向的坐標值作均值處理，得到車輪右端面的<1軸坐標υ?; [0027]第二步，根據坐標uW建立(uW-aiUW+b)的濾窗，濾除《滬軸坐標值不在該范圍內 的點，從而得到有效的數據點，進而得到輪緣輪廓線，其中，ae(135，140)，be(0,5)。
[00%]步驟4，數據篩選:根據步驟3獲得的數據，按照Μ含100的規則對激光位移傳感器采 集的數據進行篩選，其中，Μ是激光位移傳感器每次采集的數據個數。
[0029] 步驟5,數據平滑處理:根據步驟4獲得的數據，對數據點進行平滑處理，減小噪聲 的干擾。數據平滑處理過程如下：
[0030] 根據步驟4獲得的數據，假設數據篩選后的數據點為{Ζ1，Ζ2,…，Zm}，{zi，Z2,…，Zm} 的橫軸坐標分別為{ui，U2，一，Um}，縱軸坐標分別為{vi，V2，一，Vm}，采用滑動平均法對篩選 后的數據點進行數據平滑處理，滑動平均法的基本計算公式如下：
[0031]
[0032] 其中，vi-n為采樣數據，γ/功平滑處理后的數據，m為數據點數，2N為滑動平均的數 據點數，n = 0，12,3,. .，N，hn為加權平均因子(濾波因子），必須滿足 r
[0033] 步驟6,關鍵點獲取:根據步驟3獲取的車輪內端面橫坐標值UW，提取(UW-80，U W-60)范圍內的數據點進行曲線擬合(進行最小二乘4階多項式曲線擬合），得到曲線擬合 方程，根據曲線擬合方程確定激光位移傳感器L1、L2在與車輪內端面平行的平面內激光點 到距車輪內側面70mm處踏面點的距離值dW、dW。
[0034] 步驟7，車輪直徑獲取:根據步驟6獲得的兩組激光位移傳感器在與車輪內端面平 行的平面內激光點到距車輪內側面70mm處踏面點的距離值dW與dW，結合激光位移傳感器 布設參數α、0、1，獲得車輪直徑，重復上述步驟計算車輪經過測量范圍內的多組直徑值，將 其均值作為最終車輪直徑D。該車輪直徑獲取過程如下：
[0035] 第一步，結合圖4,根據步驟6獲得的兩組傳感器在與車輪內端面平行的平面內激 光點到車輪踏面的距離dW與d("，結合傳感器安裝參數，若dW<dW，根據式(5)求得車輪 半徑R，若d<i^dW，根據式(6)求得車輪半徑R，則車輪直徑D = 2R:
[0036]
[0037]
[0038] 其中，L是激光位移傳感器L1、L2之間的水平距離，α是激光位移傳感器與鋼軌的縱 向水平線夾角;令激光位移傳感器L1、L2探測到距車輪內側面70mm踏面的點分別為p，q，過 輪屯、W與線pq的垂直的直線與線pq交于C點，與過P點的與鋼軌縱向水平線平行的直線交于e 點，1功線WC的長度，12為線pq的長度，13為線ce的，14為P點到鋼軌的垂直距離，Y為線pq與 鋼軌縱向水平線之間的夾角；
[0039] 第二步，選取車輪經過檢測區域的多組踏面數據重復進行車輪直徑的計算，根據 1.5倍標準差準則去除誤差較大的計算值，再做均值計算得到最終的車輪直徑。
[0040] 下面結合具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0041 ]實施例
[0042] 結合圖2,3,在軌道內側依次安裝兩組激光位移傳感器，記為L1、L2，L1和L2的激光 源點在同一條直線上且和軌道頂面在同一水平面上，兩組激光位移傳感器之間的水平距離 為L = 980,激光位移傳感器L1、L2與鋼軌鉛垂線的夾角均為β = 45°，與鋼軌的縱向水平線夾 角均為α = 45°，與軌道的水平安裝距離均為1 = 280,選用直徑為840mm的標準輪對進行試 驗。
[0043] 對于激光位移傳感器L1輸出的坐標值(；<|1，_}，；；1>)，根據式(1)進行坐標旋轉得到坐標 ^,1'，刮：
[0044]
[0045] 對于激光位移傳感器L2輸出的坐標值戶;)，根據式(2)進行坐標旋轉得到坐 標 k'，，，r):
[0046]
[0047] 根據坐標變換后的數據點，提取滿足式(3)的點；
[004引
[0049] 式中1、鉛為變換后數據點的作軸坐標，運里根據所選激光位移傳感器參數， ξ = 0.2；
[0050] 對滿足條件的wf軸方向的坐標值作均值處理，得到車輪右端面的《f軸坐標UW， 根據坐標υ?建立化W-a，U?+b)的一個濾窗，濾除《f軸坐標值不在該范圍內的點，從而得 到有效的數據點，進而得到輪緣輪廓線，其中，ae(135，140)，be(0,5)。
[0051]根據濾除干擾點后的數據，對其進行數據篩選、平滑處理、踏面關鍵點的提取，圖5 是數據平滑處理后關鍵點提取示意圖，兩組激光位移傳感器在與車輪內端面平行的平面內 激光點到距車輪內側面70mm處踏面點的距離值dW、dW，結合激光位移傳感器布設參數，根 據式(5)、（ 6)求得車輪半徑R，則車輪直徑D = 2R。
[0化2]
[0053]根據1.5倍標準差準則去除誤差較大的計算值，再做均值計算得到最終的車輪直 徑D = 840.16mm，標準車輪的輪徑為840mm，誤差為0.16mm，滿足現場檢修要求。
【主權項】
1. 一種基于激光位移傳感器的車輪直徑的檢測方法，其特征在于步驟如下： 步驟1，傳感器布設:在軌道內側設置兩組激光位移傳感器，記為L1、L2，L1和L2的激光 源點在同一條直線上且平行于軌道延伸方向，兩者之間的水平距離為L，激光位移傳感器 L1、L2與鋼軌鉛垂線的夾角均為β，與沿鋼軌的縱向水平線夾角均為α，與鋼軌的水平安裝距 離均為1; 步驟2,坐標變換:激光位移傳感器L1、L2同時探測同一車輪得到探測點的坐標，將探測 點坐標由傳感器自身坐標系轉換到坐標系"Γ〇ν:，"中，其中，傳感器自身坐標系 乂嚴W激光源點為坐標原點0，激光發射方向的中屯、線為yf軸、垂直于激光發射方向的 中屯、線為皆軸，將坐標系.皆'巧原點。為中屯、旋轉β角度得到坐標系"：>皆|*=1、2，分 別表示激光位移傳感器L1、L2; 步驟3,數據干擾點濾除:根據步驟2獲得的數據，提取車輪內端面橫坐標值UW，并W此 建立濾窗，濾除數據干擾點； 步驟4，數據篩選:根據步驟3獲得的數據，按照Μ含100的規則對激光位移傳感器采集的 數據進行篩選，其中，Μ是激光位移傳感器每次采集的數據個數； 步驟5,數據平滑處理:根據步驟4獲得的數據，對數據點進行平滑處理，減小噪聲的干 擾； 步驟6，關鍵點獲取:根據步驟3獲取的車輪內端面橫坐標值UW，提取化W-80，UW-60) 范圍內的數據點進行曲線擬合，根據曲線擬合方程確定激光位移傳感器L1、L2在與車輪內 端面平行的平面內激光點到距車輪內側面70mm處踏面點的距離值dW、dW; 步驟7,車輪直徑獲取:根據步驟6獲得的兩組激光位移傳感器在與車輪內端面平行的 平面內激光點到距車輪內側面70mm處踏面點的距離值dW與dW，結合激光位移傳感器布設 參數α、β、1，獲得車輪直徑，重復上述步驟計算車輪經過測量范圍內的多組直徑值，將其均 值作為最終車輪直徑D。2. 根據權利要求書1所述的方法，其特征在于步驟2中的坐標變換過程如下：對于激光 位移傳感器L1輸出的坐標值片,|>，乂1，；>，根據式(1)進行坐標旋轉得到坐標;^1>，1，；；1>):對于激光位移傳感器L2輸出的坐標值乂Si)，根據式（2)進行坐標旋轉得到坐標 ("產，皆))；3. 根據權利要求書1所述的方法，其特征在于步驟3中的數據干擾點濾除過程如下： 第一步，獲取車輪內端面的乂<1軸坐標值:根據坐標變換后的數據點，提取滿足式(3)的 點式中"fi、媽為變換后數據點的"?/1軸坐標，功激光位移傳感器在":，。軸方向上的分辨 率. 對滿足條件的軸方向的坐標值作均值處理，得到車輪右端面的《f軸坐標υ?; 第二步，根據坐標uW建立(uW-a，uW+b)的濾窗，濾除軸坐標值不在該范圍內的 點，從而得到有效的數據點，進而得到輪緣輪廓線，其中，ae(135，140)，be(0,5)。4. 根據權利要求書1所述的方法，其特征在于步驟5中的數據平滑處理過程如下： 根據步驟4獲得的數據，假設數據篩選后的數據點為{zl，Z2，…，Zm}，{zl，Z2，…，Zm}的橫 軸坐標分別為|ui，U2,…，Um}，縱軸坐標分別為{V1，V2,…，Vm}，采用滑動平均法對篩選后的 數據點進行數據平滑處理，滑動平均法的基本計算公式如下：其中，Vi-n為采樣數據，γ/1為平滑處理后的數據，m為數據點數，2N為滑動平均的數據點 數，n = 0，12,3,. .，N，hn為加權平均因子(濾波因子），必須滿足5. 根據權利要求書1所述的方法，其特征在于步驟7中的車輪直徑獲取過程如下： 第一步，根據步驟6獲得的兩組傳感器在與車輪內端面平行的平面內激光點到車輪踏 面的距離dW與dW，結合傳感器安裝參數，若dW含dW，根據式巧)求得車輪半徑R，若dW含 d W，根據式(6)求得車輪半徑R，則車輪直徑D = 2R:其中，L是激光位移傳感器L1、L2之間的水平距離，α是激光位移傳感器與鋼軌的縱向水 平線夾角;令激光位移傳感器L1、L2探測到距車輪內側面70mm踏面的點分別為p，q，過輪屯、W 與線pq的垂直的直線與線pq交于c點，與過p點的與鋼軌縱向水平線平行的直線交于e點， h為線WC的長度，12為線pq的長度，13為線ce的，U為P點到鋼軌的垂直距離，丫為線pq與鋼 軌縱向水平線之間的夾角； 第二步，選取車輪經過檢測區域的多組踏面數據重復進行車輪直徑的計算，根據1.5倍 標準差準則去除誤差較大的計算值，再做均值計算得到最終的車輪直徑。
【文檔編號】G06F17/18GK105835902SQ201610365716
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月27日
【發明人】姚小文, 黃瑛, 陳雙, 邢宗義
【申請人】南京理工大學, 南京睿速軌道交通科技有限公司