专利摘要

本发明公开了一种基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量装置及方法。该测量装置由一个激光位移传感器，一个测速传感器和一个涡流传感器组成，三个传感器沿钢轨方向排列。其中测速传感器用于检测车轮通过车轮直径测量装置的速度，涡流传感器用于定位轮心到达该传感器正上方的时刻，激光位移传感器用于测量车轮踏面与激光传感器之间的距离，通过建立二维直角坐标系，将不同时刻激光传感器输出点进行时空还原到一个轮圆中，分别采用不同时刻还原点与涡流传感器定位点计算车轮直径，最后将各时刻直径进行滤除误差和均值化处理得到最终车轮直径。本发明为在线非接触式测量，具有速度快、精度高、装置简单等特点。

权利要求

1.一种基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量装置，其特征在于，沿着车辆前进方向，在轨道外侧依次设置一个测速传感器、一个涡流传感器和一个激光位移传感器，三个传感器均固定于轨道上且平行于轨道延伸方向，其中测速传感器与涡流传感器之间的距离为L₂，涡流传感器与激光位移传感器之间的距离为L₁，激光位移传感器的激光发射方向与列车前进方向的夹角为180°-α，即激光位移传感器的激光发射方向与轨道之间的夹角为α。

2.根据权利要求1所述的基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量装置，其特征在于，所述激光位移传感器的激光发射方向与轨道之间夹角α的范围为15～65°，激光位移传感器的采样间隔为25～40ms。

3.根据权利要求1所述的基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量装置，其特征在于，所述测速传感器与涡流传感器之间的距离L₂为10～100mm，激光位移传感器与涡流传感器之间的距离L₁为440～460mm，此时车轮通过检测系统的速度为测速传感器测得的速度。

4.根据权利要求3所述的基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量装置，其特征在于，所述激光位移传感器与涡流传感器之间的距离L₁为450mm，涡流传感器与速度传感器之间的距离L₂为80mm。

5.一种基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，设置传感器：沿着车辆前进方向，在轨道外侧依次设置一个测速传感器、一个涡流传感器和一个激光位移传感器，三个传感器在同一条直线上且平行于轨道延伸方向，其中测速传感器与涡流传感器之间的距离为L₂，涡流传感器与激光位移传感器之间的距离为L₁，激光位移传感器的激光发射方向与列车前进方向的夹角为180°-α，即激光位移传感器的激光发射方向与轨道之间的夹角为α，当L₂小于100mm时，车轮通过检测系统的速度为速度传感器测得的速度；

步骤2，建立二维坐标系：在进行直径测量的车轮圆周所在平面上建立二维坐标系，以激光位移传感器所在位置为原点坐标，车轮前进方向为x轴负方向，竖直向上的方向为y轴正方向；

步骤3，测量车辆速度v及激光位移传感器的输出值：记录t₁时刻激光位移传感器的输出l₁，并记录下测速传感器的探测值v；车轮继续往前运动时，激光位移传感器会有连续不断的距离值l_i输出，i＝1,2,3,4…；

步骤4，坐标点时空还原：对激光位移传感器有效输出的各时刻轮缘顶点的坐标进行时空还原，将不同时刻坐标点还原至t₁时刻在车轮上所处的位置，并求出该点在步骤2中所建坐标系中的坐标；

步骤5，求取各时刻车轮直径：根据涡流传感器定位点和步骤4得出点的坐标计算各个时刻车轮直径；

步骤6，求取最终车轮直径：对步骤5求得的各时刻的直径值采用1.5σ准则去除粗大误差，对剩余直径值在时间轴上采用一次方程进行最小二乘拟合得出拟合方程，计算不同时刻拟合方程的纵坐标值，并进行均值化处理，从而得到最终车轮直径。

6.根据权利要求5所述的基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量方法，其特征在于，步骤1所述激光位移传感器采用基于三角测量原理的激光位移传感器，激光位移传感器用于测量车轮踏面基点与激光位移传感器之间的距离。

7.根据权利要求5所述的基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量方法，其特征在于，步骤4所述坐标点时空还原，具体方法如下：

(4.1)设t₁、t₂、…、t_i、…、t_n为车轮经过激光位移传感器有效探测范围内的n个时刻，a₁、a₂、…、a_i、…、a_n为相应时刻步骤4中提取的轮缘顶点位置，并设a₁、a₂、…、a_i、…、a_n变换后的坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、…、(x_i,y_i)、…(x_n,y_n)；

(4.2)变换坐标的公式如下：

x_i＝l_i·cosα+vΔt_i

y_i＝l_i·sinα

式中：v为测速传感器测得的车辆前进速度；x_i为变换坐标后的横坐标值；y_i为变换坐标后的纵坐标值；Δt_i为相应t_i时刻与t₁时刻的时间差：

Δt_i＝t_i-t₁。

8.根据权利要求5所述的基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量方法，其特征在于，步骤5所述的涡流传感器用于定位车轮轮缘顶点圆在铅垂方向上的最低点位置。

9.根据权利要求1所示的一种基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量装置及方法，其特征在于，步骤5所述求取各时刻车轮直径，具体过程如下：

依次取t₁、t₂、…、t_i、…、t_n时刻经过时空还原后的点(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、…、(x_i,y_i)、…(x_n,y_n)，以及涡流传感器定位点即涡流传感器与激光传感器的距离L₁，求取车轮直径得出一系列直径值；

设圆心坐标为(L₁，R)，则有圆的方程如下：

(L₁-x_i)²+(R-y_i)²＝R²

整理得：

$R=\frac{{L_1}^2-2L_1{l}_i\cos \alpha +{l_i}^2-2L_1\mathrm{v\Delta }{t}_i+2l_i\mathrm{v\Delta }{t}_i\cos \alpha +v^2\Delta {t_i}^2}{2l_i\sin \alpha }$

D＝2R

式中，R为所测车轮的半径值，D为所测车轮的直径值，L₁为涡流传感器与激光传感器之间的安装距离，α为激光线与轨道之间的夹角，v为列车运行速度，l_i为i时刻激光位移传感器的输出值，Δt_i为相应t_i时刻与t₁时刻的时间差。

10.根据权利要求5所述的基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量方法，其特征在于，其特征在于，步骤6所述求取最终车轮直径，具体方法如下：

(6.1)采用1.5σ准则去除这一系列直径值的粗大误差，公式如下：

$\left|V_b\right|=|D_i-\bar{D}|>1.5\sigma$

式中，V_b为坏值的残余误差；D_i为采用不同时刻点求出的直径值； 为包括坏值在内的全部测量值的算术平均值；σ为测量列的标准偏差，用估计值s代替；

将计算结果大于1.5σ的直径值全部去除，得出去除粗大误差后的一系列直径数据；

(6.2)对去除粗大误差后剩余的直径值按时间顺序排列，以一次直线y＝kt+b通过最小二乘法拟合，并求出拟合直线方程；

(6.3)计算去除粗大误差后剩余时间点所对应拟合方程的纵坐标值，并求取平均值，以此代表车轮直径，直径公式为：

$D=\bar{y}$

式中： 为去除粗大误差后剩余时间点所对应直线方程纵坐标的算术平均值。

说明书

技术领域

本发明涉及铁路车辆检测技术领域，特别是一种基于多种传感器的城轨车辆车轮直径检测装置及方法。

背景技术

城轨交通系统中，车轮是影响安全运行的一个重要环节，特别是在火车提速以后，对车轮的外形几何尺寸要求更高。轮对装置是保证机车车辆在钢轨上的运行和转向，承受来自机车车辆的全部静、动载荷，是机车行走结构中极其重要的部件。轮对踏面表面和近表面的磨损、擦伤、剥离、裂纹等缺陷是危及行车安全的重大因素。由于在高速、重装、高密度条件下运行，机车轮对的磨损越来越严重，极大地影响着机车与轨道设施的安全与使用寿命。因此，机车轮对运用状态对运输安全影响重大，时常对机车轮对重要参数进行检测显得非常必要。

按列车是否运行，目前国内外对于轮对几何参数的测量主要有静态检测和动态检测。静态检测是在车辆非运行状态进行的，该方法虽然精度较高，但是检测效率很低。动态检测是在车辆的运行状态下进行的，其特点是检测精度高、检测速度快、检测自动化程度高，并且不占用车辆周转时间，只是实现起来比较困难，技术难度较高。

早期国内一般采用基于CCD测量图像测量技术进行测量，但该方法存在系统结构布置复杂，且抗干扰能力差。随着传感器技术的发展，激光位移传感器在轮对直径测量上的应用越来越广泛。在车轮直径测量过程中，技术难点是如何使测量装置尽量简单、测量精度和测量响应速度提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量精度高、速度快的基于多种传感器的城轨车辆车轮直径检测装置及方法，采用非接触式测量，成本低、易于操作。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量装置，沿着车辆前进方向，在轨道外侧依次设置一个测速传感器、一个涡流传感器和一个激光位移传感器，三个传感器均固定于轨道上且平行于轨道延伸方向，其中测速传感器与涡流传感器之间的距离为L₂，涡流传感器与激光位移传感器之间的距离为L₁，激光位移传感器的激光发射方向与列车前进方向的夹角为180°-α，即激光位移传感器的激光发射方向与轨道之间的夹角为α。

一种基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量方法，步骤如下：

步骤1，设置传感器：沿着车辆前进方向，在轨道外侧依次设置一个测速传感器、一个涡流传感器和一个激光位移传感器，三个传感器在同一条直线上且平行于轨道延伸方向，其中测速传感器与涡流传感器之间的距离为L₂，涡流传感器与激光位移传感器之间的距离为L₁，激光位移传感器的激光发射方向与列车前进方向的夹角为180°-α，即激光位移传感器的激光发射方向与轨道之间的夹角为α，当L₂小于100mm时，车轮通过检测系统的速度为速度传感器测得的速度；

步骤2，建立二维坐标系：在进行直径测量的车轮圆周所在平面上建立二维坐标系，以激光位移传感器所在位置为原点坐标，车轮前进方向为x轴负方向，竖直向上的方向为y轴正方向；

步骤3，测量车辆速度v及激光位移传感器的输出值：记录t₁时刻激光位移传感器的输出l₁，并记录下测速传感器的探测值v；车轮继续往前运动时，激光位移传感器会有连续不断的距离值l_i输出，i＝1,2,3,4…；

步骤4，坐标点时空还原：对激光位移传感器有效输出的各时刻轮缘顶点的坐标进行时空还原，将不同时刻坐标点还原至t₁时刻在车轮上所处的位置，并求出该点在步骤2中所建坐标系中的坐标；

步骤5，求取各时刻车轮直径：根据涡流传感器定位点和步骤4得出点的坐标计算各个时刻车轮直径；

步骤6，求取最终车轮直径：对步骤5求得的各时刻的直径值采用1.5σ准则去除粗大误差，对剩余直径值在时间轴上采用一次方程进行最小二乘拟合得出拟合方程，计算不同时刻拟合方程的纵坐标值，并进行均值化处理，从而得到最终车轮直径。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)基于多种传感器并采用非接触式测量，实现了对列车的在线高精度测量；(2)由激光传感器自动获得车轮点坐标，测速传感器自动测得车辆行进速度，并通过相应算法处理数据，获得当下所测车轮直径，方法简单、易于操作；(3)具有检测速度快、成本低的优点。

附图说明

图1是本发明基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量方法的流程图。

图2是本发明基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量装置的传感器安装示意图。

图3是本发明中不同时刻探测的轮缘顶点示意图。

图4是本发明中不同有效时刻的直径值分布点及其拟合直线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1～3，本发明基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量装置，沿着车辆前进方向，在轨道外侧依次设置一个测速传感器、一个涡流传感器和一个激光位移传感器，三个传感器均固定于轨道上且平行于轨道延伸方向，其中测速传感器与涡流传感器之间的距离为L₂，涡流传感器与激光位移传感器之间的距离为L₁，激光位移传感器的激光发射方向与列车前进方向的夹角为180°-α，即激光位移传感器的激光发射方向与轨道之间的夹角为α。

所述激光位移传感器的激光发射方向与轨道之间夹角α的范围为15～65°，激光位移传感器的采样间隔为25～40ms。

所述测速传感器与涡流传感器之间的距离L₂为10～100mm，特别是450mm；激光位移传感器与涡流传感器之间的距离L₁为440～460mm，特别是80mm；此时车轮通过检测系统的速度为测速传感器测得的速度。

如图1所示，本发明基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量方法，步骤如下：

步骤1，设置传感器：结合图2，沿着车辆前进方向，在轨道外侧依次设置一个测速传感器、一个涡流传感器和一个激光位移传感器，三个传感器在同一条直线上且平行于轨道延伸方向，其中测速传感器与涡流传感器之间的距离为L₂，涡流传感器与激光位移传感器之间的距离为L₁，激光位移传感器的激光发射方向与列车前进方向的夹角为180°-α，即激光位移传感器的激光发射方向与轨道之间的夹角为α，当L₂小于100mm时，车轮通过检测系统的速度为速度传感器测得的速度；所述激光位移传感器采用基于三角测量原理的激光位移传感器，激光位移传感器用于测量车轮踏面基点与激光位移传感器之间的距离。

步骤2，建立二维坐标系：在进行直径测量的车轮圆周所在平面上建立二维坐标系，以激光位移传感器所在位置为原点坐标，车轮前进方向为x轴负方向，竖直向上的方向为y轴正方向；

步骤3，测量车辆速度v及激光位移传感器的输出值：记录t₁时刻激光位移传感器的输出l₁，并记录下测速传感器的探测值v；车轮继续往前运动时，激光位移传感器会有连续不断的距离值l_i输出，i＝1,2,3,4…；提取其中t₂时刻的输出值l₂；

步骤4，坐标点时空还原：对激光位移传感器有效输出的各时刻轮缘顶点的坐标进行时空还原，将不同时刻坐标点还原至t₁时刻在车轮上所处的位置，并求出该点在步骤2中所建坐标系中的坐标；具体方法如下：

(4.1)设t₁、t₂、…、t_i、…、t_n为车轮经过激光位移传感器有效探测范围内的n个时刻，a₁、a₂、…、a_i、…、a_n为相应时刻步骤4中提取的轮缘顶点位置，并设a₁、a₂、…、a_i、…、a_n变换后的坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、…、(x_i,y_i)、…(x_n,y_n)；

(4.2)变换坐标的公式如下：

x_i＝l_i·cosα+vΔt_i

y_i＝l_i·sinα

式中：v为测速传感器测得的车辆前进速度；x_i为变换坐标后的横坐标值；y_i为变换坐标后的纵坐标值；Δt_i为相应t_i时刻与t₁时刻的时间差：

Δt_i＝t_i-t₁。

步骤5，求取各时刻车轮直径：根据涡流传感器定位点和步骤4得出点的坐标计算各个时刻车轮直径；涡流传感器用于定位车轮轮缘顶点圆在铅垂方向上的最低点位置。所述求取各时刻车轮直径，具体过程如下：

依次取t₁、t₂、…、t_i、…、t_n时刻经过时空还原后的点(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、…、(x_i,y_i)、…(x_n,y_n)，以及涡流传感器定位点即涡流传感器与激光传感器的距离L₁，求取车轮直径得出一系列直径值；

设圆心坐标为(L₁，R)，则有圆的方程如下：

(L₁-x_i)²+(R-y_i)²＝R²

整理得：

R=L12-2L1licosα+li2-2L1vΔticosα+v2Δti22lisinα]]>

D＝2R

式中，R为所测车轮的半径值，D为所测车轮的直径值，L₁为涡流传感器与激光传感器之间的安装距离，α为激光线与轨道之间的夹角，v为列车运行速度，l_i为i时刻激光位移传感器的输出值，Δt_i为相应t_i时刻与t₁时刻的时间差。

步骤6，求取最终车轮直径：对步骤5求得的各时刻的直径值采用1.5σ准则去除粗大误差，对剩余直径值在时间轴上采用一次方程进行最小二乘拟合得出拟合方程，计算不同时刻拟合方程的纵坐标值，并进行均值化处理，从而得到最终车轮直径。具体方法如下：

(6.1)采用1.5σ准则去除这一系列直径值的粗大误差，公式如下：

|Vb|=|Di-D‾|>1.5σ]]>

式中，V_b为坏值的残余误差；D_i为采用不同时刻点求出的直径值； 为包括坏值在内的全部测量值的算术平均值；σ为测量列的标准偏差，用估计值s代替；

将计算结果大于1.5σ的直径值全部去除，得出去除粗大误差后的一系列直径数据；

(6.2)对去除粗大误差后剩余的直径值按时间顺序排列，以一次直线y＝kt+b通过最小二乘法拟合，并求出拟合直线方程；

(6.3)计算去除粗大误差后剩余时间点所对应拟合方程的纵坐标值，并求取平均值，以此代表车轮直径，直径公式为：

D=y‾]]>

式中： 为去除粗大误差后剩余时间点所对应直线方程纵坐标的算术平均值。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

结合图2，激光位移传感器与轨道成45°角安装于轨道旁，则α为45°，激光位移传感器的采样间隔为20ms，激光位移传感器与涡流传感器的安装距离L₁为500mm，涡流传感器与速度传感器的安装距离L₂为80mm。

首先记录下速度传感器的测量值为1.51m/s，并将探测到的距离值按时间分组，车轮通过检测系统，传感器共输出6组(t₁，t₂，...，t₆)有效数据，如下表所示。

将每个时刻的探测值按下式进行时空变换：

x_i＝l_i·cosα+vΔt_i

y_i＝l_i·sinα

变换后的坐标如下表所示：

根据变换后的坐标求取各时刻车轮直径如下表所示：

将求得的各时刻直径值采用1.5σ准则去除粗大误差，可得到t₃时刻的直径值为粗大误差，将其他时刻的直径值进行最小二乘拟合，如附图4所示。

根据拟合出的直线方程求取各有效时刻的函数值，并做均值化处理，得到最终直径为：

D＝838.4360mm

现场通过人工测量，该车轮的轮缘顶点圆直径为838.6mm，由此可见该系统能满足现场实际测量精度要求。

一种基于多种传感器的城轨车辆车轮直径测量装置及方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。