本發(fā)明屬于軌道車輛在線監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種城軌列車車輪直徑的檢測方法。

背景技術(shù)：

城軌交通系統(tǒng)中，輪對是列車走行結(jié)構(gòu)中極其重要的部件，它承載著列車的全部動、靜載荷，是影響列車安全運行的重要因素。列車在長時間的運行過程中，車輪的磨耗會越來越嚴重，車輪直徑不斷減小，當(dāng)同軸的兩個車輪車輪直徑相差較大時，列車會傾向車輪直徑較小的一側(cè)，進而加劇該車輪的磨耗，導(dǎo)致列車運行的安全性下降。因此，車輪直徑對列車的安全運行影響重大，對列車車輪直徑進行檢測是十分必要的。

目前，我國車輪直徑的檢測仍然依賴于傳統(tǒng)的人工檢測技術(shù)，利用特制的測量工具對車輪直徑進行測量，該方法不僅勞動強度大，測量精度也受人為因素的影響。近年來，對于車輪直徑的自動檢測技術(shù)的研究，國內(nèi)一般采用圖像法對車輪直徑進行測量，如成都主導(dǎo)科技公司研制的ly系列輪對動態(tài)檢測系統(tǒng)、廣州復(fù)旦奧特公司研制的aut-3500輪對尺寸在線監(jiān)測系統(tǒng)。以上方法存在精度不高，并且容易受外界光線和輪對表面狀態(tài)(污物等)的干擾。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于：提供一種城軌列車車輪直徑的檢測方法，具有測量原理簡單、計算速度快、測量結(jié)果準確的特點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明按以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：

本發(fā)明所述城軌列車車輪直徑的檢測方法，包括如下步驟：

在軌道內(nèi)側(cè)依次布設(shè)至少三個傳感器sn，其中n為傳感器的標識，n≥3；

通過所述傳感器獲取被探測車輪在探測點的坐標；

將所述坐標變換至以標準車輪的圓心為原點的大地坐標系下；

在變換后的大地坐標系下，提取有效數(shù)據(jù)點，得到輪緣部分數(shù)據(jù)點，建立輪緣輪廓線；

對所述輪緣輪廓線上提取輪緣最低點；

根據(jù)所述輪緣最低點，求取車輪的直徑。

進一步地，所述將所述坐標變換至以標準車輪的圓心為原點的大地坐標系下的步驟，具體為：

所述傳感器sn分別獲取的探測點的坐標所在的坐標系為on-xnynzn；

以標準車輪的圓心為原點的大地坐標系為o-xyz；

所述傳感器sn在on-xnynzn坐標系下，其輸出的坐標值為(xn,yn,0)，根據(jù)如下公式(1)進行轉(zhuǎn)換至大地坐標系o-xyz的坐標點(xpn,ypn,zpn)：

進一步地，所述

其為坐標系on-xnynzn沿z軸逆時針旋轉(zhuǎn)βn角度，后沿x軸順時針旋轉(zhuǎn)(π/2+αn)角度，再繞y軸旋轉(zhuǎn)π得到的旋轉(zhuǎn)矩陣；[anbncn]^t為傳感器自身坐標系on-xnynzn與大地坐標系o-xyz之間原點的平移矩陣，βn為傳感器sn與鉛垂線的夾角，αn為傳感器sn與沿軌道方向的縱向水平線夾角。

進一步地，所述提取有效數(shù)據(jù)點的步驟，具體如下：

獲取車輪右端面的橫坐標，并根據(jù)右端面橫坐標值建立濾窗對有效的數(shù)據(jù)點進行提取。

進一步地，根據(jù)變換后的大地坐標系下對應(yīng)的橫坐標，對滿足條件的x軸方向的坐標值求平均作為車輪右端面的x軸坐標x；提取滿足公式(2)的點

|xi-xi-1|≤ξ(2)

式中：xi為變換后數(shù)據(jù)點的x軸坐標，ξ為傳感器在x軸方向上的分辨率；

根據(jù)坐標x的值建立(x-a,x+b)的濾窗，濾除x軸坐標值不在該范圍內(nèi)的點，得到有效的數(shù)據(jù)點，進而得到輪緣輪廓線；

其中，a為(35,40)中的任一實數(shù)，b為(0,5)中的任一實數(shù)。

進一步地，對所述輪緣輪廓線上提取輪緣最低點的步驟，具體如下：

根據(jù)所述有效的數(shù)據(jù)點，提取z軸坐標最小的點，即輪緣最低點，并根據(jù)該點的索引得到其x、y軸坐標值，從而得到傳感器sn探測到輪緣最低點為pn(xpn,ypn,zpn)。

進一步地，所述求取車輪的直徑的步驟，具體如下：

根據(jù)所述輪緣最低點坐標pn(xpn,ypn,zpn)，根據(jù)由p1p2p3共面，得到所在面平面方程：

a1x+b1y+c1z+d1＝0(3)

其中，

由p1、p2、p3都在所求圓面上，三點到圓心的距離相等，可得方程組：

對式(4)進行化簡得到下式：

其中：

聯(lián)立式(3)和(5)：

將上述方程組用矩陣形式表示：

對式(6)求解，得到圓心坐標(x0,y0,z0)：

其中，

根據(jù)幾何關(guān)系，求得車輪輪緣頂點圓的半徑rw：

輪緣頂點圓半徑減去輪緣高得到車輪半徑，從而得到輪徑d：

d＝2(rw-h)

其中，h為輪緣高。

進一步地，所述傳感器sn在同一條直線上，并且平行于軌道延伸方向。

進一步地，所述傳感器sn與軌道的相對安裝距離ln,ln≥300mm。

進一步地，所述傳感器為激光位移傳感器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)采用三維空間變換技術(shù)，消除了因車輪與軌道不完全平行而引起的誤差，提高了車輪直徑的測量精度；

(2)由傳感器自動獲取車輪輪緣的相應(yīng)坐標，通過相應(yīng)算法處理，獲得所測車輪的直徑，操作簡單、計算速度快；

(3)具有在線非接觸式測量等優(yōu)點，為實現(xiàn)車輪直徑在線測量提供了一種精確度更高的解決方案。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細的說明，其中：

圖1是本發(fā)明所述的城軌列車車輪直徑的檢測方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明所述的城軌列車車輪直徑的檢測方法的傳感器安裝示意圖；

圖3是本發(fā)明所述的城軌列車車輪直徑的檢測方法的傳感器布設(shè)圖；

圖4是本發(fā)明所述的城軌列車車輪直徑的檢測方法的傳感器安裝側(cè)視圖；

圖5是本發(fā)明所述的城軌列車車輪直徑的檢測方法的傳感器安裝a向視圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1～圖5所示，本發(fā)明所述的城軌列車車輪直徑的檢測方法，是通過三維坐標變換將傳感器探測到數(shù)據(jù)點轉(zhuǎn)換到以標準輪對輪心為原點的大地坐標系中，提取輪緣部分有效數(shù)據(jù)點，得到車輪輪緣的輪廓線，根據(jù)得到的輪緣輪廓線，利用幾何關(guān)系得到輪緣最低點并求取車輪直徑。

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明，以三個傳感器為例。

結(jié)合圖1～5，一種城軌列車車輪直徑的檢測方法，包括以下步驟：

步驟1：傳感器布設(shè)，沿著列車前進方向，在軌道內(nèi)側(cè)依次安裝三個激光位移傳感器，記為傳感器s1、s2、s3，三個傳感器在同一條直線上且平行于軌道延伸方向，激光位移傳感器s1、s2、s3與鉛垂線的夾角分別為β1、β2、β3，與沿軌道方向的縱向水平線夾角分別為α1、α2、α3，與軌道的相對安裝距離分別為l1、l2、l3；其中采用的傳感器為激光位移傳感器，并且根據(jù)我們國家的相關(guān)標準，與軌道的相對安裝距離不小于300mm，避免被行駛中的輪子碰到。

步驟2：傳感器數(shù)據(jù)獲取及三維坐標變換，三個激光位移傳感器同時探測車輪得到探測點坐標后，通過三維坐標變換將傳感器的輸出點都轉(zhuǎn)換到以標準車輪的圓心為原點的大地坐標系下，傳感器數(shù)據(jù)獲取及三維坐標變換，具體如下：

激光位移傳感器s1、s2、s3分別對應(yīng)坐標系o1-x1y1z1、o2-x2y2z2、o3-x3y3z3，以標準輪對圓心為原點的大地坐標系為o-xyz；

對激光位移傳感器s1，在o1-x1y1z1坐標系下，傳感器輸出的坐標值為(x1,y1,0)，根據(jù)式(1)進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到大地坐標系o-xyz的坐標點(xp1,yp1,zp1)：

其中：

為坐標系o1-x1y1z1沿z軸逆時針旋轉(zhuǎn)β1角度，后沿x軸順時針旋轉(zhuǎn)(π/2+α1)角度，再繞y軸旋轉(zhuǎn)π得到的旋轉(zhuǎn)矩陣；[a1b1c1]^t為傳感器自身坐標系o1-x1y1z1與大地坐標系o-xyz之間原點的平移矩陣；

對于激光位移傳感器s2，在o2-x2y2z2坐標系下，傳感器輸出的坐標值為(x2,y2,0)，根據(jù)式(2)進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到大地坐標系o-xyz的坐標點(xp2,yp2,zp2)：

其中：

為坐標系o2-x2y2z2沿z軸逆時針旋轉(zhuǎn)β2得到的旋轉(zhuǎn)矩陣，后沿x軸順時針旋轉(zhuǎn)π/2，再沿y軸旋轉(zhuǎn)π得到的旋轉(zhuǎn)矩陣；[a2b2c2]^t為坐標系o2-x2y2z2與大地坐標系o-xyz之間點的平移矩陣；

對于激光位移傳感器s3，在o3-x3y3z3坐標系下，傳感器輸出的坐標值為(x3,y3,0)，根據(jù)式(3)進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到大地坐標系o-xyz的坐標點(xp3,yp3,zp3)：

其中：

為坐標系o3-x3y3z3沿z軸順時針旋轉(zhuǎn)了β3，后沿x軸順時針旋轉(zhuǎn)了α3，最終得到的旋轉(zhuǎn)矩陣；[a3b3c3]^t為坐標系o3-x3y3z3與大地坐標系o-xyz之間原點的平移矩陣。

步驟3：有效點數(shù)據(jù)提取，獲取車輪右端面的橫坐標值，并根據(jù)右端面橫坐標值建立濾窗對測量數(shù)據(jù)進行有效數(shù)據(jù)的提取，得到輪緣部分數(shù)據(jù)點，進而得到輪緣輪廓線；所述有效點數(shù)據(jù)提取，具體過程如下：

1)獲取車輪右端面的x坐標值

根據(jù)步驟2中得到的三維坐標變換后的數(shù)據(jù)點，提取滿足式(4)的點

|xi-xi-1|≤ξ(4)

式中xi為變換后坐標點的x軸坐標，ξ為傳感器在x軸方向上的分辨率；

對滿足條件的x軸坐標值求算術(shù)平均作為車輪右端面的x軸坐標x；

2)根據(jù)坐標x的值建立(x-a,x+b)的一個濾窗，濾除橫坐標不在該范圍內(nèi)的點，從而得到有效的測量數(shù)據(jù)點，其中，a為(35,40)中的任一實數(shù)，b為(0,5)中的任一實數(shù)。

步驟4：輪緣最低點的提取，根據(jù)步驟3得到的輪緣部分有效的數(shù)據(jù)點，提取z軸坐標最小的點，即輪緣最低點，并根據(jù)該點的索引得到其x、y軸坐標值，從而得到激光位移傳感器s1、s2、s3探測到輪緣最低點分別為p1(xp1,yp1,zp1)、p2(xp2,yp2,zp2)、p3(xp3,yp3,zp3)。

步驟5：計算車輪直徑，根據(jù)步驟4得到的輪緣最低點，利用幾何關(guān)系求取車輪直徑；所述車輪直徑計算，具體過程如下：

根據(jù)步驟4得到輪緣最低點坐標，由p1p2p3共面，得到所在面平面方程：

a1x+b1y+c1z+d1＝0(5)

其中，

由p1、p2、p3都在所求圓面上，三點到圓心的距離相等，可得方程組：

對式(6)進行化簡得到下式：

其中：

聯(lián)立式(5)和(7)：

將上述方程組用矩陣形式表示：

對式(8)求解，得到圓心坐標(x0,y0,z0)：

其中，

根據(jù)幾何關(guān)系，求得車輪輪緣頂點圓的半徑rw：

輪緣頂點圓半徑減去輪緣高得到車輪半徑，從而得到輪徑d：

d＝2(rw-h)

其中，h為輪緣高。

需要說的是：本實施例為了更為簡單的進行以上原理的說明，選用的是三個傳感器，具體實際過程中，可根據(jù)實際精度需求，選用更多的傳感器，以達到更高要求的的精度。

為了更深入理解本發(fā)明所述的城軌列車車輪直徑的檢測方法的原理，結(jié)合以下具體實例說明：

實施例1：

三組激光位移傳感器沿平行于軌道的方向安裝在軌道內(nèi)側(cè)，傳感器s1、s2、s3與鉛垂線的夾角為45°，則β1、β2、β3為45°，傳感器s1、s3與沿軌道方向的縱向水平線成45°角安裝，則α1、α3為45°，傳感器s2沿軌道方向的縱向水平線平行安裝，則α2為0°，傳感器s1、s2、s3與軌道的垂直安裝距離均為300mm，則l1、l2、l3為300mm。對經(jīng)過的車輪進行探測，將采集到的數(shù)據(jù)點坐標值進行三維坐標變換。

對于激光位移傳感器s1，坐標系o1-x1y1z1與大地坐標系o-xyz之間原點的平移矩陣[a1b1c1]^t＝[328.42533.8519-474.1728]^t，在o1-x1y1z1坐標系下，傳感器輸出的坐標值為(x1,y1,0)，根據(jù)下式進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到大地坐標系o-xyz的坐標點(xp1,yp1,zp1)：

對于激光位移傳感器s2，坐標系o2-x2y2z2與大地坐標系o-xyz之間點的平移矩陣[a2b2c2]^t＝[328.42-0.5846-640.3469]^t，在o2-x2y2z2坐標系下，傳感器輸出的坐標值為(x2,y2,0)，根據(jù)下式進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到大地坐標系o-xyz的坐標點(xp2,yp2,zp2)：

對于激光位移傳感器s3，坐標系o3-x3y3z3與大地坐標系o-xyz之間原點的平移矩陣[a3b3c3]^t＝[328.42-530.3822-474.4225]^t，在o3-x3y3z3坐標系下，傳感器輸出的坐標值為(x3,y3,0)，根據(jù)下式進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到大地坐標系o-xyz的坐標點(xp3,yp3,zp3)：

根據(jù)步驟2得到坐標變換后的數(shù)據(jù)點，提取出滿足|xi-xi-1|≤0.3的數(shù)據(jù)點，并對這些數(shù)據(jù)點的x軸坐標值進行算數(shù)平均值的計算，得到傳感器s1、s2、s3探測到的車輪右端面的x軸坐標值x分別為254.7363mm、255.1667mm、256.3093mm。根據(jù)該x的值，建立(x-35,x+5)的一個濾窗，濾除x軸坐標值不在該范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點，從而得到輪緣部分的測量數(shù)據(jù)點。

根據(jù)步驟3得到的輪緣部分的數(shù)據(jù)點得到激光位移傳感器s1、s2、s3探測到輪緣最低點分別為p1(54.1271,324.1286,-293.2771)、p2(54.4182,-0.5846,-432.4873)、p3(54.6971,-324.8986,-292.5658)。

根據(jù)步驟4得到三組傳感器的輪緣最低點坐標，由p1、p2、p3三點共面的原理，得到所在面平面方程：

-90582x-79.5569y-3.8453z+4927600＝0

由p1、p2、p3都在所求圓面上，三點到圓心的距離相等，可得方程組：

聯(lián)立得到以下方程組：

對上述方程組求解得到圓心坐標(x0,y0,z0)＝(54.3988-0.048114.5694)，則車輪輪緣頂點圓的半徑rw＝477.0571mm，從而車輪直徑為：

d＝2(rw-h)＝2×(477.0571-28.8)＝836.5141mm

因此，該車輪系統(tǒng)測量的輪徑為836.5141mm，根據(jù)人工測量該車輪的實際輪緣厚為輪徑為836.6mm，可見該方法滿足現(xiàn)場實際測量要求。

本發(fā)明所述的城軌列車車輪直徑的檢測方法的其它結(jié)構(gòu)參見現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，故凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何修改、等同變化與修飾,均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。