本发明公开一种非接触式轮对尺寸在线检测方法及系统，即沿轨道外侧、内侧分别设置2D激光位移传感器、1D激光位移传感器，沿轨道设置测速传感器，在同一轨道两侧按几何关系布置两个激光对射传感器，传感器分别探测获取轮缘顶点的部分踏面轮廓线、到轨道内侧车轮端面的距离、车轮通过的速度，两个激光对射传感器检测轮缘顶点所在圆的弦长；通过提取车轮通过检测系统的部分踏面轮廓线和1D激光位移传感器到轨道内侧车轮端面的距离按几何关系算出轮缘高和轮缘厚；通过提取两个激光对射传感器处轮缘顶点圆的弦长，得到车轮轮缘顶点所在圆的直径，用轮缘顶点直径减去两倍的轮缘高得到车轮直径。本发明具有成本低、操作简单、非接触式的高精度测量优点。
1.一种非接触式轮对尺寸在线检测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，布设传感器，并由传感器获取数据：第一激光对射传感器(1)与第二激光对射传感器(2)沿列车前进方向并排平行安装于一条轨道两侧，两者之间的安装距离为L1，两者与铅垂线的夹角分别为α1、α2；测速传感器沿列车前进方向与第一、二激光对射传感器并排安装在轨道内侧；1D激光位移传感器(3)安装在轨道内侧，与轨道的相对垂直距离为L2，与铅垂线的夹角为α3；2D激光位移传感器(4)安装在轨道外侧，与轨道的相对垂直距离为L3，与铅垂线的夹角为α4，与沿轨道方向的纵向水平线夹角为β1，1D激光位移传感器(3)与2D激光位移传感器(4)沿轨道方向的纵向距离为L4；
步骤2，数据分组：2D激光位移传感器(4)和1D激光位移传感器(3)同时探测车轮输出探测点坐标后，将数据点按输出时刻的不同将数据点分组到同一时刻的数组中；
步骤3，坐标变换、数据融合：通过坐标变换和坐标平移将2D激光位移传感器(4)和1D激光位移传感器(3)的同一时刻输出点融合到同一坐标系上，融合后的点即为踏面轮廓线上的离散点；
步骤4，获取轮缘高、轮缘厚：将步骤3处理得到踏面轮廓数据求取每个时刻轮缘高、轮缘厚，并对其去除最大值和最小值后求平均值作为该车轮轮缘高、轮缘厚；
步骤5，获取两个激光对射传感器被车轮挡住的时间Δt1和Δt2，并获取车轮通过测速传感器时的速度v，从而得到轮缘顶点所在圆的两条弦长，两个激光对射传感器安装角度已知，根据弦高法求解出轮缘顶点圆直径，该直径减去两倍的轮缘高即为该车轮的直径。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2中，探测车轮输出探测点坐标是以激光发射方向为y轴，垂直于激光发射方向为x轴，激光源为坐标原点。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3中，2D激光位移传感器(4)和1D激光位移传感器(3)数据获取和数据融合的过程如下：对2D激光位移传感器(4)输出的二维坐标值(xn(1),yn(1))根据以下公式进行坐标变换(un(1),vn(1))：对1D激光位移传感器(3)输出的距离sn根据以下公式进行坐标变换(un(2),vn(2))：un(2)＝sn×sinα3
其中，θ为(xn(1),yn(1))与原始坐标系纵坐标的夹角，α4为2D激光位移传感器(4)与铅垂线的夹角、α3为1D激光位移传感器(3)与铅垂线的夹角，(un(1),vn(1))、(un(2),vn(2))为原始坐标进行变换后坐标系内的坐标值；
un(0)＝un(1) un(0)＝un(2)+a
vn(0)＝vn(1) vn(0)＝vn(2)+b
其中(a,b)为1D激光位移传感器(3)的原始坐标原点在2D激光位移传感器(4)变换后的坐标系中的坐标值，(un(0),vn(0))为这两点在融合坐标系中的坐标值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤4中求解车轮直径的方法，具体过程如下：两个激光对射传感器照射到的轮缘顶点圆的弦长l1和l2：
其中，Δt1和Δt2为两个激光对射传感器被车轮挡住的时间，v为车轮经过测速传感器时的速度；
h1＝sn×sinα3×(tanα1-tanα2)
其中，sn为1D激光位移传感器(3)输出的距离，轮缘顶点圆圆心到第一个弦的高度为h2：轮缘顶点圆直径D：
5.一种非接触式轮对尺寸在线检测系统，其特征在于包括均安装于支架上的第一激光对射传感器(1)、第二激光对射传感器(2)、2D激光位移传感器(4)、1D激光位移传感器(3)和测速传感器，由轨道底部的夹具固定；第一激光对射传感器(1)、第二激光对射传感器(2)并排平行安装于同一条轨道两侧，两者之间的相对安装距离为L1，两者与铅垂线的夹角分别为α1、α2；2D激光位移传感器(4)与1D激光位移传感器(3)安装于同一条轨道两侧，并位于第一激光对射传感器(1)和第二激光对射传感器(2)沿列车前进方向之后，第二激光对射传感器(2)与1D激光位移传感器(3)安装距离为L5；2D激光位移传感器(4)、1D激光位移传感器(3)与轨道的相对垂直距离分别为L2、L3，1D激光位移传感器(3)与2D激光位移传感器(4)沿轨道方向的纵向距离为L4，2D激光位移传感器(4)和1D激光位移传感器(3)与铅垂线的夹角分别为α3、α4，2D激光位移传感器(4)和1D激光位移传感器(3)与沿轨道方向的纵向水平线夹角分别为β1、β2；
第一激光对射传感器(1)、第二激光对射传感器(2)、2D激光位移传感器(4)、1D激光位移传感器(3)和测速传感器均与中央处理单元连接，该中央处理单元包括数据分组模块、坐标变换与数据融合模块、获取轮缘高与轮缘厚模块、车轮的直径求取模块；
所述数据分组模块中，2D激光位移传感器(4)和1D激光位移传感器(3)同时探测车轮输出探测点坐标后，将数据点按输出时刻的不同将数据点分组到同一时刻的数组中；
在坐标变换与数据融合模块中，通过坐标变换和坐标平移将2D激光位移传感器(4)和
1D激光位移传感器(3)的同一时刻输出点融合到同一坐标系上，融合后的点即为踏面轮廓线上的离散点；
在获取轮缘高与轮缘厚模块中，将踏面轮廓数据求取每个时刻轮缘高、轮缘厚，并对其去除最大值和最小值后求平均值作为该车轮轮缘高、轮缘厚；
在车轮的直径求取模块中，获取两个激光对射传感器被车轮挡住的时间Δt1和Δt2，并获取车轮通过测速传感器时的速度v，从而得到轮缘顶点所在圆的两条弦长，两个激光对射传感器安装角度已知，根据弦高法求解出轮缘顶点圆直径，该直径减去两倍的轮缘高即为该车轮的直径。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于两个激光对射传感器之间相对安装距离L1在
100mm～400mm，两者与铅垂线的夹角分别为α1、α2的范围均为15°～65°，且与轨道的相对垂直距离的范围100mm～300mm，第二激光对射传感器(2)与1D激光位移传感器安装距离L5在
100mm范围内，2D激光位移传感器(4)和1D激光位移传感器(3)与轨道的相对垂直距离L2、L3的范围均为100mm～300mm，1D激光位移传感器(3)与2D激光位移传感器(4)沿轨道方向的纵向距离L4在100mm～400mm范围内，2D激光位移传感器(4)和1D激光位移传感器(3)与铅垂线的夹角β1、β2的范围均为25°～65°，2D激光位移传感器(4)和1D激光位移传感器(3)与沿轨道方向的纵向水平线夹角α3、α4的范围均为15°～65°。
一种非接触式轮对尺寸在线检测方法及系统
技术领域
[0001] 本发明属于交通安全工程技术领域，特别是一种非接触式轮对尺寸在线检测方法及系统。
背景技术
[0002] 随着社会经济的高速发展，我国城市化的进程快速深化，城市交通成为制约我国城市快速发展的突出问题。列车作为城市轨道交通的主要载体，其安全可靠运行直接影响城市轨道交通系统的可靠性、安全性和运营效率。轮对作为列车走行系的重要部件，在列车运行过程中不断与钢轨表面和钢轨内侧面摩擦，造成轮对踏面磨耗和轮缘磨耗，使轮对外形尺寸发生变化，将降低运营安全性和乘客舒适性，并增加脱轨的危险。因此，轮对的状况直接关系到列车的运行质量和安全，对其尺寸参数的实时监测是保障地铁车辆安全的一项重要措施。
[0003] 轮对尺寸检测系统主要分为接触式检测系统和非接触式检测系统两种，中国专利CN103693073A(一种非接触式车轮直径动态测量系统及其测量方法，申请号：201410005647.3，申请日：2014-01-06)公开了一种非接触式测量的方法，其中接触式检测主要包括卡尺检测和磁爬检测两种，非接触式检测主要包括超声遥测、图像法和激光位移法三种。接触式检测效率低劳动强度大不是轮对尺寸检测发展的方向，而非接触式检测中超声遥测和图像法系统结构复杂，且受振动、环境影响大。随着传感器技术的发展，激光测距在轮对尺寸检测上得到了越来越广泛的应用，中国专利CN205014949U(一种激光轮对测量机，申请号：201520728078.5，申请日：2015-09-18)公开了一种激光静态检测轮对尺寸的方法及系统。但是，在轮对尺寸检测过程中，仍存在测量系统安装复杂和测量精度不高等问题。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种简便高效、精确可靠的非接触式轮对尺寸在线检测方法及系统，检测速度快、操作简便。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种非接触式轮对尺寸在线检测方法及方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤1，布设传感器，并由传感器获取数据：第一激光对射传感器与第二激光对射传感器沿列车前进方向并排平行安装于一条轨道两侧，两者之间的安装距离为L1，两者与铅垂线的夹角分别为α1、α2；测速传感器沿列车前进方向与第一、二激光对射传感器并排安装在轨道内侧；1D激光位移传感器安装在轨道内侧，与轨道的相对垂直距离为L2，与铅垂线的夹角为α3；2D激光位移传感器安装在轨道外侧，与轨道的相对垂直距离为L3，与铅垂线的夹角为α4，与沿轨道方向的纵向水平线夹角为β1，1D激光位移传感器与2D激光位移传感器沿轨道方向的纵向距离为L4；
[0007] 步骤2，数据分组：2D激光位移传感器和1D激光位移传感器同时探测车轮输出探测点坐标后，将数据点按输出时刻的不同将数据点分组到同一时刻的数组中；
[0008] 步骤3，坐标变换、数据融合：通过坐标变换和坐标平移将2D激光位移传感器和1D激光位移传感器的同一时刻输出点融合到同一坐标系上，融合后的点即为踏面轮廓线上的离散点；
[0009] 步骤4，获取轮缘高、轮缘厚：将步骤3处理得到踏面轮廓数据求取每个时刻轮缘高、轮缘厚，并对其去除最大值和最小值后求平均值作为该车轮轮缘高、轮缘厚；
[0010] 步骤5，获取两个激光对射传感器被车轮挡住的时间Δt1和Δt2，并获取车轮通过测速传感器时的速度v，从而得到轮缘顶点所在圆的两条弦长，两个激光对射传感器安装角度已知，根据弦高法求解出轮缘顶点圆直径，该直径减去两倍的轮缘高即为该车轮的直径。
[0011] 本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)成本低，仅需1个2D激光位移传感器和1个1D激光位移传感器和两个激光对射传感器和测速传感器即可实现对轮缘高、轮缘厚及轮径等轮对尺寸的检测；(2)由2D激光位移传感器自动获取车轮通过检测系统时的连续输出坐标结合其他传感器的输出值，通过相应算法处理，获得所测车轮的相关轮对尺寸，操作简单；(3)利用1D激光位移传感器和2D激光位移传感器进行多帧检测，可有效提高测量精度和稳定性；(4)具有在线非接触式测量等优点，为实现轮对尺寸在线测量提供了一种有效的解决方案。
[0012] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
[0013] 图1是本发明中轮对尺寸在线获取方法的流程图。
[0014] 图2是本发明中轮对尺寸在线检测系统的设备布设图。
[0015] 图3是本发明中轮对踏面探测的传感器安装示意图。
[0016] 图4是计算轮缘顶点圆直径示意图。
[0017] 图5是经坐标变换、数据融合后的踏面数据点。
具体实施方式
[0018] 结合图1，本发明非接触式轮对尺寸在线检测方法，包括以下步骤：
[0019] 步骤1，布设传感器，并由传感器获取数据：第一激光对射传感器1与第二激光对射传感器2沿列车前进方向并排平行安装于一条轨道两侧，两者之间的安装距离为L1，两者与铅垂线的夹角分别为α1、α2；测速传感器沿列车前进方向与第一、二激光对射传感器并排安装在轨道内侧；1D激光位移传感器3安装在轨道内侧，与轨道的相对垂直距离为L2，与铅垂线的夹角为α3；2D激光位移传感器4安装在轨道外侧，与轨道的相对垂直距离为L3，与铅垂线的夹角为α4，与沿轨道方向的纵向水平线夹角为β1，1D激光位移传感器3与2D激光位移传感器4沿轨道方向的纵向距离为L4。
[0020] 步骤2，数据分组：2D激光位移传感器4和1D激光位移传感器3同时探测车轮输出探测点坐标后，将数据点按输出时刻的不同将数据点分组到同一时刻的数组中。探测车轮输出探测点坐标是以激光发射方向为y轴，垂直于激光发射方向为x轴，激光源为坐标原点。
[0021] 步骤3，坐标变换、数据融合：通过坐标变换和坐标平移将2D激光位移传感器4和1D激光位移传感器3的同一时刻输出点融合到同一坐标系上，融合后的点即为踏面轮廓线上的离散点。
[0022] 2D激光位移传感器4和1D激光位移传感器3数据获取和数据融合的过程如下：
[0023] 对2D激光位移传感器4输出的二维坐标值(xn(1),yn(1))根据以下公式进行坐标变换(un(1),vn(1))：
[0024]
[0025]
[0026] 对1D激光位移传感器3输出的距离sn根据以下公式进行坐标变换(un(2),vn(2))：
[0027] un(2)＝sn×sinα3
[0028] vn(2)＝0
[0029] 其中，θ为(xn(1),yn(1))与原始坐标系纵坐标的夹角，α4为2D激光位移传感器4与铅垂线的夹角、α3为1D激光位移传感器3与铅垂线的夹角，(un(1),vn(1))、(un(2),vn(2))为原始坐标进行变换后坐标系内的坐标值；
[0030] 根据以下公式，将坐标变换后的两组数据进行融合：
[0031] un(0)＝un(1) un(0)＝un(2)+a
[0032] vn(0)＝vn(1) vn(0)＝vn(2)+b
[0033] 其中(a,b)为1D激光位移传感器3的原始坐标原点在2D激光位移传感器4变换后的坐标系中的坐标值，(un(0),vn(0))为这两点在融合坐标系中的坐标值。
[0034] 步骤4，获取轮缘高、轮缘厚：将步骤3处理得到踏面轮廓数据求取每个时刻轮缘高、轮缘厚(得到踏面轮廓线可以依据铁路行业国标TB/T 449-2003上方法求取)，并对其去除最大值和最小值后求平均值作为该车轮轮缘高、轮缘厚。
[0035] 求解车轮直径的方法，具体过程如下：
[0036] 两个激光对射传感器照射到的轮缘顶点圆的弦长l1和l2：
[0037] l1＝Δt1×v
[0038] l2＝Δt2×v
[0039] 其中，Δt1和Δt2为两个激光对射传感器被车轮挡住的时间，v为车轮经过测速传感器时的速度；
[0040] 两个弦长之间的高度h1：
[0041] h1＝s×sinα3×(tanα1-tanα2)
[0042] 其中，s为1D激光位移传感器3输出的距离，轮缘顶点圆圆心到第一个弦的高度为h2：
[0043]
[0044] 轮缘顶点圆直径D：
[0045]
[0046] 将求解出的直径减去两倍的轮缘高即为车轮的直径。
[0047] 步骤5，获取两个激光对射传感器被车轮挡住的时间Δt1和Δt2，并获取车轮通过测速传感器时的速度v，从而得到轮缘顶点所在圆的两条弦长，两个激光对射传感器安装角度已知，根据弦高法求解出轮缘顶点圆直径，该直径减去两倍的轮缘高即为该车轮的直径。
[0048] 结合图2，本发明非接触式轮对尺寸在线检测装置，包括均安装于支架上的第一激光对射传感器1、第二激光对射传感器2、2D激光位移传感器4、1D激光位移传感器3和测速传感器，由轨道底部的夹具固定；第一激光对射传感器1、第二激光对射传感器2并排平行安装于同一条轨道两侧，两者之间的相对安装距离为L1，两者与铅垂线的夹角分别为α1、α2；2D激光位移传感器4与1D激光位移传感器3安装于同一条轨道两侧，并位于第一激光对射传感器1和第二激光对射传感器2沿列车前进方向之后，第二激光对射传感器2与1D激光位移传感器3安装距离为L5；2D激光位移传感器4、1D激光位移传感器3与轨道的相对垂直距离分别为L2、L3，1D激光位移传感器3与2D激光位移传感器4沿轨道方向的纵向距离为L4，2D激光位移传感器4和1D激光位移传感器3与铅垂线的夹角分别为α3、α4，2D激光位移传感器4和1D激光位移传感器3与沿轨道方向的纵向水平线夹角分别为β1、β2；
[0049] 第一激光对射传感器1、第二激光对射传感器2、2D激光位移传感器4、1D激光位移传感器3和测速传感器均与中央处理单元连接，该中央处理单元包括数据分组模块、坐标变换与数据融合模块、获取轮缘高与轮缘厚模块、车轮的直径求取模块；
[0050] 所述数据分组模块中，2D激光位移传感器4和1D激光位移传感器3同时探测车轮输出探测点坐标后，将数据点按输出时刻的不同将数据点分组到同一时刻的数组中；
[0051] 在坐标变换与数据融合模块中，通过坐标变换和坐标平移将2D激光位移传感器4和1D激光位移传感器3的同一时刻输出点融合到同一坐标系上，融合后的点即为踏面轮廓线上的离散点；
[0052] 在获取轮缘高与轮缘厚模块中，将踏面轮廓数据求取每个时刻轮缘高、轮缘厚，并对其去除最大值和最小值后求平均值作为该车轮轮缘高、轮缘厚；
[0053] 在车轮的直径求取模块中，获取两个激光对射传感器被车轮挡住的时间Δt1和Δt2，并获取车轮通过测速传感器时的速度v，从而得到轮缘顶点所在圆的两条弦长，两个激光对射传感器安装角度已知，根据弦高法求解出轮缘顶点圆直径，该直径减去两倍的轮缘高即为该车轮的直径。
[0054] 本发明的两个激光对射传感器之间相对安装距离L1在100mm～400mm，两者与铅垂线的夹角分别为α1、α2的范围均为15°～65°，且与轨道的相对垂直距离的范围100mm～300mm，第二激光对射传感器2与1D激光位移传感器安装距离L5在100mm范围内，2D激光位移传感器4和1D激光位移传感器3与轨道的相对垂直距离L2、L3的范围均为100mm～300mm，1D激光位移传感器3与2D激光位移传感器4沿轨道方向的纵向距离L4在100mm～400mm范围内，2D激光位移传感器4和1D激光位移传感器3与铅垂线的夹角β1、β2的范围均为25°～65°，2D激光位移传感器4和1D激光位移传感器3与沿轨道方向的纵向水平线夹角α3、α4的范围均为15°～
65°。
[0055] 下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0056] 实施例
[0057] 结合图2、图3、图4、图5，两个激光对射传感器沿轨道两侧并排安装，两者之间的安装距离为L1为100mm，两个激光对射传感器与铅垂线分别成30°角和15°角，则α1、α2分别为30°和15°角。2D激光位移传感器4和1D激光位移传感器3与铅垂线分别成45°角和30°角安装于轨道两侧，则α3、α4分别为45°和30°角，2D激光位移传感器4与沿轨道方向的纵向水平线成
45°角安装，则β1为45°，2D激光位移传感器4和1D激光位移传感器3的采样间隔为33ms。
[0058] 首先记录下激光对射传感器1和激光对射传感器2被车轮挡住的时间为别为418ms和321ms，测速传感器测得车速为1.515m/s，并将探测到的数据点首先按时间分组，车轮通过检测系统，传感器共输出6组(t1，t2，...，t6)有效数据，将每个时刻内的探测点坐标值按下式进行坐标变换：
[0059] un(1)＝＝xn(1)cos45°+yn(1)sin45° un(2)＝s×sinα3
[0060] vn(1)＝＝yn(1)cos45°-xn(1)sin45° vn(2)＝0
[0061] 图5为其中t4的融合后的踏面数据点，根据融合后的踏面数据点及踏面轮廓几何关系算出每个时刻数据融合后的轮缘高及轮缘厚，结果如下表所示：
[0062]
[0063] 根据激光对射开光的输出时间和测速传感器的输出速度，计算轮缘顶点圆的两条弦长：
[0064] l1＝1515×0.418＝633.27mm
[0065] l2＝1515×0.321＝486.32mm
[0066] 两弦长之间的高度：
[0067] h1＝245.02×cos30°×(tan30°-tan15°)＝65.777mm
[0068] 轮缘顶点圆圆心到第一个弦的高度：
[0069]
[0070] 轮缘顶点圆直径：
[0071]
[0072] 则车轮的直径为：
[0073] Dfinal＝D-2×27.80＝789.44mm
[0074] 因此该车轮的轮缘厚为28.27mm，轮缘高为27.80mm，轮径为789.44mm，根据人工测量该车轮的实际轮缘厚为28.3mm，轮缘高为27.9mm，轮径为789.6mm，可见该方法满足现场实际测量要求。
