M,經過集成穩壓芯片和線性驅動器后得到 3. 3V(3V3)和5V的直流電源,為其余各個模塊電路供電;電源電路1同時包括一個指示 LED,通過該LED的開關,可以掌握電源電路的工作情況。
[0062] 使用所述裝置得到輪緣踏面有效坐標點,根據所述分段曲線擬合方法,得到擬合 方
[0063] 程為 f(x):
[0065] 根據車輪尺寸幾何關系求得輪緣厚為32. 0746,輪緣高為28. 0085,車輪直徑為 839.1045。
[0066] 本發明提供基于激光位移傳感器的城軌車輪參數測量裝置及方法,完成了對車輪 輪緣高、輪緣厚、車輪直徑等車輪參數的測量,具有便攜、速度快、精度高、裝置簡單等特點。 直線步進電機在電機內部把旋轉運動轉化為線性運動,能實現精確位置移動,激光位移傳 感器可精確的對被測物體的位置進行精確檢測,本發明使用直線步進電機和激光位移傳感 器實現輪緣踏面坐標點的檢測。
【主權項】
1. 一種基于激光位移傳感器的城軌車輪參數測量裝置,其特征在于,測量裝置包括輪 緣踏面測量模塊(I)、ARM嵌入式主控模塊(2)、交互模塊(3)、數據存儲模塊(4)、USB通信 模塊(5)以及電源模塊(6),其中輪緣踏面測量模塊(1)通過兩個定位柱設置于車輪上,所 述輪緣踏面測量模塊(1)、交互模塊(3)、數據存儲模塊(4)、USB通信模塊(5)分別與ARM嵌 入式主控模塊(2)相連接,電源模塊(6)為各模塊供電;所述輪緣踏面測量模塊(1)包括步 進電機驅動器、帶直線步進電機的直線導軌、激光位移傳感器和光電開關,其中帶直線步進 電機的直線導軌平行于車輪的軸線,步進電機驅動器的控制輸入端與ARM嵌入式主控模塊 (2)連接,步進電機驅動器的驅動輸出端與直線步進電機相連,激光位移傳感器通過滑塊設 置于帶進直線步進電機的直線導軌上,光電開關設置于車輪外側且距離車輪內端面距離為 d,d>135mm,激光位移傳感器與ARM嵌入式主控模塊(2)相連; 以光電開關的光束所在直線與直線導軌的交點為原點,激光位移傳感器前進方向為X軸正方向,激光線方向為y軸正方向建立二維直角坐標系;系統初始化時,激光位移傳感器 處于初始位置;測量時,ARM嵌入式主控模塊(2)通過步進電機驅動器控制直線步進電機正 轉,直線步進電機帶動激光位移傳感器沿著直線導軌以速度V勻速運動,光電開關檢測到 激光位移傳感器到達原點時,光電開關發送信號給ARM嵌入式主控模塊(2),ARM嵌入式主 控模塊(2)發出控制信號使激光位移傳感器開始檢測車輪的輪緣踏面坐標點,并將檢測數 據傳送至ARM嵌入式主控模塊(2),當激光位移傳感器運動到車輪內端面時,激光位移傳感 器停止檢測,直線步進電機減速直至停止轉動,然后直線步進電機反轉并帶動激光位移傳 感器回到初始位置;ARM嵌入式主控模塊(2)根據激光位移傳感器采集的數據處理得到輪 緣踏面曲線,進而確定車輪參數。2. 根據權利要求1所述的基于激光位移傳感器的城軌車輪參數測量裝置,其特征在 于,所述ARM嵌入式主控模塊(2)采用意法半導體公司生產的STM32F103C8T6型單片機,該 模塊包含外部8M晶振電路、復位電路、SWD程序調試電路、啟動方式選擇電路,并且該ARM嵌 入式主控模塊(2)能對其它各模塊進行控制,并對采集的坐標點進行曲線擬合。3. 根據權利要求1所述的基于激光位移傳感器的城軌車輪參數測量裝置,其特征在 于,所述交互模塊(3)包括XPT2046芯片和BL32007芯片,其中XPT2046芯片和ARM嵌入式 主控模塊(2)的5個I/O口連接通信,BL32007芯片與ARM嵌入式主控模塊(2)的FSMC功 能的I/O口連接,該交互模塊⑶采用5V供電。4. 根據權利要求1所述的基于激光位移傳感器的城軌車輪參數測量裝置,其特征在 于,所述數據存儲模塊(4)采用MicroSD卡,MicroSD卡通過SPI協議與ARM嵌入式主控模 塊(2)進行通信,并且完成測量結果車輪參數數據的存儲。5. 根據權利要求1所述的基于激光位移傳感器的城軌車輪參數測量裝置,其特征在 于,所述USB通信模塊(5)通過ARM嵌入式主控模塊(2)中STM32F103系列芯片的USB控 制器實現USB2. 0全速物理接口傳輸,上位機通過USB通信模塊(5)的USB通訊接口電路讀 取MicroSD卡中的車輪參數數據。6. 根據權利要求1所述的基于激光位移傳感器的城軌車輪參數測量裝置,其特征在 于,所述電源模塊(6)采用鋰電池組供電。7. -種基于權利要求1所述激光位移傳感器的城軌車輪參數測量裝置的城軌車輪參 數測量方法,其特征在于,步驟如下: 步驟1,建立直角坐標系:以光電開關的光束所在直線與直線導軌的交點為原點,激光 位移傳感器前進方向為X軸正方向,激光線方向為y軸正方向建立二維直角坐標系; 步驟2,系統初始化,激光位移傳感器處于初始位置; 步驟3,測量時,ARM嵌入式主控模塊(2)通過步進電機驅動器控制直線步進電機正轉, 直線步進電機帶動激光位移傳感器沿著直線導軌以速度V勻速運動,光電開關檢測到激光 位移傳感器到達原點時,光電開關發送信號給ARM嵌入式主控模塊(2),ARM嵌入式主控模 塊(2)發出控制信號使激光位移傳感器開始檢測車輪的輪緣踏面坐標點,并將檢測數據傳 送至ARM嵌入式主控模塊(2); 步驟4,當激光位移傳感器運動到車輪內端面時,激光位移傳感器停止檢測,直線步進 電機減速直至停止轉動,然后直線步進電機反轉并帶動激光位移傳感器回到初始位置; 步驟5,ARM嵌入式主控模塊(2)根據激光位移傳感器采集的數據處理得到輪緣踏面曲 線,進而確定車輪參數。8.根據權利要求7所述的基于激光位移傳感器的城軌車輪參數測量方法,其特征在 于,步驟5所述ARM嵌入式主控模塊(2)根據激光位移傳感器采集的數據處理得到輪緣踏 面曲線,進而確定車輪參數,具體如下: 設第i次激光位移傳感器檢測到車輪踏面的距離為I1,i= 1,2,…,n,由激光位移傳 感器運動速度V以及采樣頻率為f?可知,第i次采樣激光位移傳感器距離坐標原點距離為車輪內端面距離為d,由此可以得到踏面的有效數據點S: S= {(x;,y;)m} 式中m為有效數據點個數,且Xi滿足:d-135 ^Xi^d 從有效數據點中提取3個數據集:其中,{?rt為待確定的回歸系數,把11是給定在&上的一組線性無關的基函數, "\為sk上基函數的個數; 對于每一數據集Sk擬合誤差最小二乘回歸模型為:根據該方程解出(471,...,《丨41 )后帶入擬合方程f(x),即得到各數據集&的擬 合曲線方程; 使用弦高法測量車輪直徑,設定位柱半徑為r,定位柱圓心之間的距離為2L,激光位移 傳感器激光發射點到定位柱連線之間的距離為H,由輪緣踏面檢測得到激光位移傳感器到 輪緣頂部距離h,設輪緣頂部圓的半徑為R,根據勾股定理有: (R+r)2=L2+[R-(H-h)]2 可得:車輪直徑D為2倍的輪緣頂部圓半徑R減輪緣高Hw,車輪直徑如下: D= 2 (R-Hw) 〇
【專利摘要】本發明公開了一種基于激光位移傳感器的城軌車輪參數測量裝置及方法。該測量裝置包括輪緣踏面測量模塊、ARM嵌入式主控模塊、交互模塊、數據存儲模塊、USB通信模塊和電源模塊。輪緣踏面測量模塊使用激光位移傳感器檢測車輪踏面坐標,ARM嵌入式主控模塊對檢測到的踏面坐標進行曲線擬合從而得到車輪輪廓曲線,然后通過幾何關系計算得到輪緣高、輪緣厚、車輪直徑等車輪參數,交互模塊顯示車輪輪廓曲線與車輪參數,存儲模塊保存測量數據與車輪參數,上位機通過USB通信模塊可以獲取車輪參數并進行進一步分析,電源模塊為整個測量裝置供電。本發明為不落輪條件下城軌車輛車輪參數測量裝置,具有便攜、高速、高精度、簡單實用等特點。
【IPC分類】G01B11/24, G01B11/06, G01B11/08, G01B11/00
【公開號】CN105043248
【申請號】CN201510213822
【發明人】謝海椿, 邢宗義, 楊靜, 石奮義, 張永, 戴碩, 江飛
【申請人】南京理工大學
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年4月29日