城轨列车车轮直径的检测方法 |
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申请号 | CN201710390243.4 | 申请日 | 2017-05-27 | 公开(公告)号 | CN107202543A | 公开(公告)日 | 2017-09-26 |
申请人 | 广州地铁集团有限公司; | 发明人 | 苏钊颐; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种城轨列车 车轮 直径的检测方法,包括如下步骤:在轨道内侧依次布设至少三个 传感器 Sn,其中n为传感器的标识,n≥3;通过所述传感器获取被探测车轮在探测点的坐标;将所述坐标变换至以标准车轮的圆心为原点的大地 坐标系 下;在变换后的大地坐标系下,提取有效数据点,得到轮缘部分数据点,建立轮缘轮廓线;对所述轮缘轮廓线上提取轮缘最低点;根据所述轮缘最低点,求取车轮的直径。采用本发明,具有测量原理简单、计算速度快、测量结果准确的特点。 | ||||||
权利要求 | 1.一种城轨列车车轮直径的检测方法,其特征在于,包括如下步骤: |
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说明书全文 | 城轨列车车轮直径的检测方法技术领域[0001] 本发明属于轨道车辆在线监测技术领域,具体涉及一种城轨列车车轮直径的检测方法。 背景技术[0002] 城轨交通系统中,轮对是列车走行结构中极其重要的部件,它承载着列车的全部动、静载荷,是影响列车安全运行的重要因素。列车在长时间的运行过程中,车轮的磨耗会越来越严重,车轮直径不断减小,当同轴的两个车轮车轮直径相差较大时,列车会倾向车轮直径较小的一侧,进而加剧该车轮的磨耗,导致列车运行的安全性下降。因此,车轮直径对列车的安全运行影响重大,对列车车轮直径进行检测是十分必要的。 [0003] 目前,我国车轮直径的检测仍然依赖于传统的人工检测技术,利用特制的测量工具对车轮直径进行测量,该方法不仅劳动强度大,测量精度也受人为因素的影响。近年来,对于车轮直径的自动检测技术的研究,国内一般采用图像法对车轮直径进行测量,如成都主导科技公司研制的LY系列轮对动态检测系统、广州复旦奥特公司研制的AUT-3500轮对尺寸在线监测系统。以上方法存在精度不高,并且容易受外界光线和轮对表面状态(污物等)的干扰。 发明内容[0004] 为了解决上述问题,本发明的目的在于:提供一种城轨列车车轮直径的检测方法,具有测量原理简单、计算速度快、测量结果准确的特点。 [0005] 为实现上述目的,本发明按以下技术方案予以实现的: [0006] 本发明所述城轨列车车轮直径的检测方法,包括如下步骤: [0008] 通过所述传感器获取被探测车轮在探测点的坐标; [0009] 将所述坐标变换至以标准车轮的圆心为原点的大地坐标系下; [0010] 在变换后的大地坐标系下,提取有效数据点,得到轮缘部分数据点,建立轮缘轮廓线; [0011] 对所述轮缘轮廓线上提取轮缘最低点; [0012] 根据所述轮缘最低点,求取车轮的直径。 [0013] 进一步地,所述将所述坐标变换至以标准车轮的圆心为原点的大地坐标系下的步骤,具体为: [0014] 所述传感器Sn分别获取的探测点的坐标所在的坐标系为On-XnYnZn; [0015] 以标准车轮的圆心为原点的大地坐标系为O-XYZ; [0016] 所述传感器Sn在On-XnYnZn坐标系下,其输出的坐标值为(xn,yn,0),根据如下公式(1)进行转换至大地坐标系O-XYZ的坐标点(xpn,ypn,zpn): [0017] [0018] 进一步地,所述 [0019] 其为坐标系On-XnYnZn沿Z轴逆时针旋转βn角度,后沿X轴顺时针旋转(π/2+αn)角度,再绕Y轴旋转π得到的旋转矩阵;[an bn cn]T为传感器自身坐标系On-XnYnZn与大地坐标系O-XYZ之间原点的平移矩阵,βn为传感器Sn与铅垂线的夹角,αn为传感器Sn与沿轨道方向的纵向水平线夹角。 [0020] 进一步地,所述提取有效数据点的步骤,具体如下: [0021] 获取车轮右端面的横坐标,并根据右端面横坐标值建立滤窗对有效的数据点进行提取。 [0022] 进一步地,根据变换后的大地坐标系下对应的横坐标,对满足条件的x轴方向的坐标值求平均作为车轮右端面的x轴坐标X;提取满足公式(2)的点 [0023] |xi-xi-1|≤ξ (2) [0024] 式中:xi为变换后数据点的x轴坐标,ξ为传感器在x轴方向上的分辨率; [0025] 根据坐标X的值建立(X-a,X+b)的滤窗,滤除X轴坐标值不在该范围内的点,得到有效的数据点,进而得到轮缘轮廓线; [0026] 其中,a为(35,40)中的任一实数,b为(0,5)中的任一实数。 [0027] 进一步地,对所述轮缘轮廓线上提取轮缘最低点的步骤,具体如下: [0028] 根据所述有效的数据点,提取z轴坐标最小的点,即轮缘最低点,并根据该点的索引得到其x、y轴坐标值,从而得到传感器Sn探测到轮缘最低点为pn(xpn,ypn,zpn)。 [0029] 进一步地,所述求取车轮的直径的步骤,具体如下: [0030] 根据所述轮缘最低点坐标pn(xpn,ypn,zpn),根据由P1P2P3共面,得到所在面平面方程: [0031] A1x+B1y+C1z+D1=0 (3) [0032] 其中, [0033] [0034] 由P1、P2、P3都在所求圆面上,三点到圆心的距离相等,可得方程组: [0035] [0036] 对式(4)进行化简得到下式: [0037] [0038] 其中: [0039] [0040] 联立式(3)和(5): [0041] [0042] 将上述方程组用矩阵形式表示: [0043] [0044] 对式(6)求解,得到圆心坐标(x0,y0,z0): [0045] [0046] 其中, [0047] [0048] [0049] 根据几何关系,求得车轮轮缘顶点圆的半径Rw: [0050] [0051] 轮缘顶点圆半径减去轮缘高得到车轮半径,从而得到轮径D: [0052] D=2(Rw-H) [0053] 其中,H为轮缘高。 [0054] 进一步地,所述传感器Sn在同一条直线上,并且平行于轨道延伸方向。 [0055] 进一步地,所述传感器Sn与轨道的相对安装距离ln,ln≥300mm。 [0056] 进一步地,所述传感器为激光位移传感器。 [0057] 与现有技术相比,本发明的有益效果是: [0058] (1)采用三维空间变换技术,消除了因车轮与轨道不完全平行而引起的误差,提高了车轮直径的测量精度; [0061] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明,其中: [0062] 图1是本发明所述的城轨列车车轮直径的检测方法的流程图; [0063] 图2是本发明所述的城轨列车车轮直径的检测方法的传感器安装示意图; [0064] 图3是本发明所述的城轨列车车轮直径的检测方法的传感器布设图; [0065] 图4是本发明所述的城轨列车车轮直径的检测方法的传感器安装侧视图; [0066] 图5是本发明所述的城轨列车车轮直径的检测方法的传感器安装A向视图。 具体实施方式[0067] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。 [0068] 如图1~图5所示,本发明所述的城轨列车车轮直径的检测方法,是通过三维坐标变换将传感器探测到数据点转换到以标准轮对轮心为原点的大地坐标系中,提取轮缘部分有效数据点,得到车轮轮缘的轮廓线,根据得到的轮缘轮廓线,利用几何关系得到轮缘最低点并求取车轮直径。 [0069] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明,以三个传感器为例。 [0070] 结合图1~5,一种城轨列车车轮直径的检测方法,包括以下步骤: [0071] 步骤1:传感器布设,沿着列车前进方向,在轨道内侧依次安装三个激光位移传感器,记为传感器S1、S2、S3,三个传感器在同一条直线上且平行于轨道延伸方向,激光位移传感器S1、S2、S3与铅垂线的夹角分别为β1、β2、β3,与沿轨道方向的纵向水平线夹角分别为α1、α2、α3,与轨道的相对安装距离分别为l1、l2、l3;其中采用的传感器为激光位移传感器,并且根据我们国家的相关标准,与轨道的相对安装距离不小于300mm,避免被行驶中的轮子碰到。 [0072] 步骤2:传感器数据获取及三维坐标变换,三个激光位移传感器同时探测车轮得到探测点坐标后,通过三维坐标变换将传感器的输出点都转换到以标准车轮的圆心为原点的大地坐标系下,传感器数据获取及三维坐标变换,具体如下: [0073] 激光位移传感器S1、S2、S3分别对应坐标系O1-X1Y1Z1、O2-X2Y2Z2、O3-X3Y3Z3,以标准轮对圆心为原点的大地坐标系为O-XYZ; [0074] 对激光位移传感器S1,在O1-X1Y1Z1坐标系下,传感器输出的坐标值为(x1,y1,0),根据式(1)进行转换,转换到大地坐标系O-XYZ的坐标点(xp1,yp1,zp1): [0075] [0076] 其中: [0077] [0078] 为坐标系O1-X1Y1Z1沿Z轴逆时针旋转β1角度,后沿X轴顺时针旋转(π/2+α1)角度,再绕Y轴旋转π得到的旋转矩阵;[a1 b1 c1]T为传感器自身坐标系O1-X1Y1Z1与大地坐标系O-XYZ之间原点的平移矩阵; [0079] 对于激光位移传感器S2,在O2-X2Y2Z2坐标系下,传感器输出的坐标值为(x2,y2,0),根据式(2)进行转换,转换到大地坐标系O-XYZ的坐标点(xp2,yp2,zp2): [0080] [0081] 其中: [0082] [0083] 为坐标系O2-X2Y2Z2沿Z轴逆时针旋转β2得到的旋转矩阵,后沿X轴顺时针旋转π/2,再沿Y轴旋转π得到的旋转矩阵;[a2 b2 c2]T为坐标系O2-X2Y2Z2与大地坐标系O-XYZ之间点的平移矩阵; [0084] 对于激光位移传感器S3,在O3-X3Y3Z3坐标系下,传感器输出的坐标值为(x3,y3,0),根据式(3)进行转换,转换到大地坐标系O-XYZ的坐标点(xp3,yp3,zp3): [0085] [0086] 其中: [0087] [0088] 为坐标系O3-X3Y3Z3沿Z轴顺时针旋转了β3,后沿X轴顺时针旋转了α3,最终得到的旋转矩阵;[a3 b3 c3]T为坐标系O3-X3Y3Z3与大地坐标系O-XYZ之间原点的平移矩阵。 [0089] 步骤3:有效点数据提取,获取车轮右端面的横坐标值,并根据右端面横坐标值建立滤窗对测量数据进行有效数据的提取,得到轮缘部分数据点,进而得到轮缘轮廓线;所述有效点数据提取,具体过程如下: [0090] 1)获取车轮右端面的x坐标值 [0091] 根据步骤2中得到的三维坐标变换后的数据点,提取满足式(4)的点 [0092] |xi-xi-1|≤ξ (4) [0093] 式中xi为变换后坐标点的x轴坐标,ξ为传感器在x轴方向上的分辨率; [0094] 对满足条件的x轴坐标值求算术平均作为车轮右端面的x轴坐标X; [0095] 2)根据坐标X的值建立(X-a,X+b)的一个滤窗,滤除横坐标不在该范围内的点,从而得到有效的测量数据点,其中,a为(35,40)中的任一实数,b为(0,5)中的任一实数。 [0096] 步骤4:轮缘最低点的提取,根据步骤3得到的轮缘部分有效的数据点,提取z轴坐标最小的点,即轮缘最低点,并根据该点的索引得到其x、y轴坐标值,从而得到激光位移传感器S1、S2、S3探测到轮缘最低点分别为p1(xp1,yp1,zp1)、p2(xp2,yp2,zp2)、p3(xp3,yp3,zp3)。 [0097] 步骤5:计算车轮直径,根据步骤4得到的轮缘最低点,利用几何关系求取车轮直径;所述车轮直径计算,具体过程如下: [0098] 根据步骤4得到轮缘最低点坐标,由P1P2P3共面,得到所在面平面方程: [0099] A1x+B1y+C1z+D1=0 (5) [0100] 其中, [0101] [0102] 由P1、P2、P3都在所求圆面上,三点到圆心的距离相等,可得方程组: [0103] [0104] 对式(6)进行化简得到下式: [0105] [0106] 其中: [0107] [0108] 联立式(5)和(7): [0109] [0110] 将上述方程组用矩阵形式表示: [0111] [0112] 对式(8)求解,得到圆心坐标(x0,y0,z0): [0113] [0114] 其中, [0115] [0116] [0117] 根据几何关系,求得车轮轮缘顶点圆的半径Rw: [0118] [0119] 轮缘顶点圆半径减去轮缘高得到车轮半径,从而得到轮径D: [0120] D=2(Rw-H) [0121] 其中,H为轮缘高。 [0122] 需要说的是:本实施例为了更为简单的进行以上原理的说明,选用的是三个传感器,具体实际过程中,可根据实际精度需求,选用更多的传感器,以达到更高要求的的精度。 [0123] 为了更深入理解本发明所述的城轨列车车轮直径的检测方法的原理,结合以下具体实例说明: [0124] 实施例1: [0125] 三组激光位移传感器沿平行于轨道的方向安装在轨道内侧,传感器S1、S2、S3与铅垂线的夹角为45°,则β1、β2、β3为45°,传感器S1、S3与沿轨道方向的纵向水平线成45°角安装,则α1、α3为45°,传感器S2沿轨道方向的纵向水平线平行安装,则α2为0°,传感器S1、S2、S3与轨道的垂直安装距离均为300mm,则l1、l2、l3为300mm。对经过的车轮进行探测,将采集到的数据点坐标值进行三维坐标变换。 [0126] 对于激光位移传感器S1,坐标系O1-X1Y1Z1与大地坐标系O-XYZ之间原点的平移矩阵[a1 b1 c1]T=[328.42 533.8519 -474.1728]T,在O1-X1Y1Z1坐标系下,传感器输出的坐标值为(x1,y1,0),根据下式进行转换,转换到大地坐标系O-XYZ的坐标点(xp1,yp1,zp1): [0127] [0128] 对于激光位移传感器S2,坐标系O2-X2Y2Z2与大地坐标系O-XYZ之间点的平移矩阵[a2 b2 c2]T=[328.42 -0.5846 -640.3469]T,在O2-X2Y2Z2坐标系下,传感器输出的坐标值为(x2,y2,0),根据下式进行转换,转换到大地坐标系O-XYZ的坐标点(xp2,yp2,zp2): [0129] [0130] 对于激光位移传感器S3,坐标系O3-X3Y3Z3与大地坐标系O-XYZ之间原点的平移矩T T阵[a3 b3 c3]=[328.42 -530.3822 -474.4225] ,在O3-X3Y3Z3坐标系下,传感器输出的坐标值为(x3,y3,0),根据下式进行转换,转换到大地坐标系O-XYZ的坐标点(xp3,yp3,zp3): [0131] [0132] 根据步骤2得到坐标变换后的数据点,提取出满足|xi-xi-1|≤0.3的数据点,并对这些数据点的x轴坐标值进行算数平均值的计算,得到传感器S1、S2、S3探测到的车轮右端面的x轴坐标值X分别为254.7363mm、255.1667mm、256.3093mm。根据该X的值,建立(X-35,X+5)的一个滤窗,滤除x轴坐标值不在该范围内的数据点,从而得到轮缘部分的测量数据点。 [0133] 根据步骤3得到的轮缘部分的数据点得到激光位移传感器S1、S2、S3探测到轮缘最低点分别为p1(54.1271,324.1286,-293.2771)、p2(54.4182,-0.5846,-432.4873)、p3(54.6971,-324.8986,-292.5658)。 [0134] 根据步骤4得到三组传感器的轮缘最低点坐标,由P1、P2、P3三点共面的原理,得到所在面平面方程: [0135] -90582x-79.5569y-3.8453z+4927600=0 [0136] 由P1、P2、P3都在所求圆面上,三点到圆心的距离相等,可得方程组: [0137] [0138] 联立得到以下方程组: [0139] [0140] 对上述方程组求解得到圆心坐标(x0,y0,z0)=(54.3988 -0.0481 14.5694),则车轮轮缘顶点圆的半径Rw=477.0571mm,从而车轮直径为: [0141] D=2(Rw-H)=2×(477.0571-28.8)=836.5141mm [0142] 因此,该车轮系统测量的轮径为836.5141mm,根据人工测量该车轮的实际轮缘厚为轮径为836.6mm,可见该方法满足现场实际测量要求。 [0143] 本发明所述的城轨列车车轮直径的检测方法的其它结构参见现有技术,在此不再赘述。 [0144] 以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,故凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。 |