本發(fā)明涉及有軌電車車輪檢測領(lǐng)域，特別是一種傳感器圓弧法線安裝的有軌電車輪徑在線檢測裝置及方法。

背景技術(shù)：

有軌電車車輪是保障車輛行走的重要的部件，承載著有軌電車的全部靜、動載荷。車輪在長期的運行中與軌道不斷摩擦，會產(chǎn)生不同程度的磨耗，進而改變車輪的直徑參數(shù)。當電車運行時，如果車輪的同軸徑差、同架徑差、同車徑差超過一定范圍，容易造成車輪擦傷、輪緣偏磨、車體振動異常等現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致電車車軸斷裂、側(cè)翻、脫軌等事故。因此，及時有效檢測出車輪徑差異常情況，對保障有軌電車的安全運行具有重要意義。

首先，由于有軌電車車輪附近存在排障器、噴砂管磁軌制動器等遮擋物，其次有軌電車車輪在運行中輪緣幾乎100％接地承重，使得通常的直徑測量方法無法完全適用于有軌電車。列車車輪直徑檢測的方法分為靜態(tài)檢測和動態(tài)檢測。目前，有軌電車的車輪直徑測量基本采用的是靜態(tài)檢測方法，該方法具有精度高的優(yōu)點。但需要投入大量的人力和使用專用的檢測設(shè)備，具有成本高、周轉(zhuǎn)時間長、勞動強度大的缺點。

常規(guī)的動態(tài)檢測主要采用圖像處理技術(shù)或激光傳感技術(shù)。專利1(在線有軌電車車輪直徑測量方法，申請?zhí)枺?01510657099.7，申請日：2015-10-13)公開了一種基于圖像處理技術(shù)的有軌電車車輪直徑檢測方法，該方法采用高速相機獲取圖像，通過設(shè)置成像模組，直接測量有軌電車車輪直徑，但該方法存在精度低、操作繁瑣的缺點。目前，國內(nèi)尚未公開基于激光傳感技術(shù)有軌電車車輪直徑檢測裝置或方法的專利。專利2(傳感器圓弧法線安裝的城軌車輛車輪直徑檢測裝置及方法，申請?zhí)枺?01310557901.6，申請日：2013-11-11)公開了一種將激光傳感器設(shè)置在鋼軌偏移所空出的區(qū)域與護軌之間，非接觸檢測地鐵車輪直徑的方法，但該方法由于設(shè)置護軌，若在穩(wěn)定運營路線上使用該方法，需要重新設(shè)置軌道布局，幾乎很難實現(xiàn)，該方法不適用于有軌電車的車輪直徑測量。專利3(一種城軌列車輪對尺寸在線檢測方法及裝置，申請?zhí)枺?01410519742.5，申請日：2014-09-30)公開了一種基于2d激光位移傳感器技術(shù)的地鐵輪對參數(shù)檢測方法及裝置，該方法通過三點擬合輪緣頂點圓，再減去2倍輪緣高的方法，實現(xiàn)對地鐵輪直徑的檢測，但由于有軌電車輪緣幾乎100％接地承重，無法提取出輪緣頂點這一特征點，該方法也無法適用于有軌電車。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種速度快、精度高、抗干擾強的傳感器圓弧法線安裝的有軌電車輪徑在線檢測裝置及方法，實現(xiàn)測量直徑范圍大的在線非接觸式測量。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種傳感器圓弧法線安裝的有軌電車輪徑在線檢測裝置，包括槽型鋼軌、處理中心和多個激光位移傳感器，其中：激光位移傳感器與處理中心連接；槽型鋼軌為只保留凹槽部分的鋼軌；槽型鋼軌外側(cè)順次設(shè)置多個激光位移傳感器；各激光位移傳感器的感測頭沿槽型鋼軌方向均勻排列在車輪下方的圓弧線上，且均沿著圓弧法線向上測量，探測光束同時入射至車輪邊緣，且探測光束所形成的平面與車輪直徑所在的圓周共面。

一種傳感器圓弧法線安裝的有軌電車輪徑在線檢測方法，包括以下步驟：

步驟1、將激光位移傳感器記為qi，沿著鋼軌方向i依次為1，2,3，…，n，其中n為激光傳感器的個數(shù)；

步驟2、在進行直徑測量的有軌電車車輪圓周所在平面上建立二維坐標系xoy：以最外側(cè)激光位移傳感器q1為原點，沿槽型鋼軌方向為x軸，垂直于槽型鋼軌向上為y軸，則最外側(cè)激光位移傳感器的坐標為(0，0)，其他激光位移傳感器的坐標為(xi,yi)，激光位移傳感器感測頭相對于x軸安裝傾角為αi：

其中，

傳感器位置坐標為：

步驟3、采集時刻t所有激光位移傳感器的輸出值，并選出同時有10個及以上傳感器輸出值的有效數(shù)據(jù)組(x′ij,y′ij)，(x′ij,y′ij)為第i個傳感器qi返回的第j個的有效值在各自激光位移傳感器坐標系x′io′iy′i下坐標；其中，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10；

步驟4、坐標變換：為每個激光位移傳感器qi建立二維坐標系xioiyi，以經(jīng)過各自激光位移傳感器qi感測頭為原點，沿槽型鋼軌方向為x軸，垂直于槽型鋼軌向上為y軸；根據(jù)傳感器qi的輸出值(x′ij,y′ij)、安裝傾角αi，確定車輪上對應(yīng)傳感器qi的測量點在各自二維坐標系xioiyi下坐標(xij,yij)：

(xij,yij)＝(x′ij×cosαi,y′ij×sinαi)

其中，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10；

步驟5、數(shù)據(jù)融合：根據(jù)激光位移傳感器qi的測量點在各自二維坐標系xioiyi下坐標(xij,yij)、激光位移傳感器qi位置坐標值(xi,yi)確定車輪上對應(yīng)傳感器pi的測量點在融合坐標系xoy下坐標(xij,yij)：

(xij,yij)＝(xi,yi)+(xij,yij)

其中，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10；

步驟6、根據(jù)車輪上所有有效測量點坐標(xij,yij)，利用最小二乘法進行擬合圓，得到該測量位置的車輪初始直徑d0和初始圓心坐標(xa,ya)；

步驟7、將步驟6得到的車輪初始直徑d0和初始圓心坐標(xa,ya)，在范圍中取w組組合值作為初始種群，以所有的有效測量點到擬合圓的距離和最小為進化目標，使用遺傳優(yōu)化算法，對初始的車輪輪徑參數(shù)進行優(yōu)化，最終得到優(yōu)化后的最終車輪直徑d1和圓心坐標(xb,yb)；

步驟8、選取步驟3時刻t的前一刻和后一刻的探測數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟3～7，計算出兩組輪徑值d2、d3，將三組輪徑求平均值，得到最終車輪的輪徑df：

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于：(1)基于二維激光位移傳感器的檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了有軌電車輪對非接觸式測量，具有速度快、有效測量點多、傳感器標記容易、測量直徑范圍大的優(yōu)點；(2)采用了基于遺傳優(yōu)化算法的檢測數(shù)據(jù)處理方法，避免了單純的最小二乘法因干擾點對擬合圓產(chǎn)生偏差的缺點，具有測量精度高、抗干擾強的優(yōu)點；(3)采用槽型鋼軌，便于激光位移傳感器的安裝和數(shù)據(jù)的測量；

附圖說明

圖1為有軌電車車輪踏面示意圖。

圖2為槽型鋼軌的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為60r槽型鋼軌結(jié)構(gòu)圖，(b)為經(jīng)過處理的槽型鋼軌結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明的有軌電車車輪直徑在線檢測的裝置俯視圖。

圖4為本發(fā)明的有軌電車車輪直徑在線檢測的裝置主視圖。

圖5為本發(fā)明的有軌電車車輪直徑在線檢測的裝置側(cè)視圖。

圖6為本發(fā)明傳感器圓弧法線安裝的有軌電車輪徑在線檢測方法的流程圖。

圖7為實施例中隨機生成的各激光位移傳感器測量點在擬合圓上分布情況示意圖。

圖8為實施例中隨機生成的各激光位移傳感器測量點在遺傳優(yōu)化后的擬合圓上分布情況示意圖。

圖9為實施例中遺傳優(yōu)化算法過程中每代的最優(yōu)個體分布圖。

圖10為實施例中遺傳優(yōu)化算法過程中最后一代的種群分布圖。

圖11為實施例中遺傳優(yōu)化算法過程中每代最優(yōu)解變換趨勢圖。

圖12為實施例中遺傳優(yōu)化算法過程中最優(yōu)直徑變換趨勢圖。

具體實施方式

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。

圖1中表示出了有軌電車車輪踏面示意圖，可以看出距離輪緣內(nèi)測基準線57mm處踏面上的點為磨耗集中處，該處為工程中常用的衡量直徑所在位置，而車輪直徑往往控制在520-600mm之間，故激光位移傳感器進行探測時選取該處的圓周來計算車輪直徑，即進行直徑測量的車輪圓周距離車輪輪緣內(nèi)側(cè)面的距離為57mm。

如圖2(a)，圖2(b)所示，檢測區(qū)間段軌道為經(jīng)過特殊處理的槽型鋼軌，槽型鋼軌型號為60r，且只保留凹槽部分。

結(jié)合圖3～5，本發(fā)明傳感器圓弧法線安裝的有軌電車輪徑在線檢測裝置，其特征在于，包括槽型鋼軌、處理中心和多個激光位移傳感器，其中：激光位移傳感器與處理中心連接；槽型鋼軌為只保留凹槽部分的鋼軌；槽型鋼軌外側(cè)順次設(shè)置多個激光位移傳感器；各激光位移傳感器的感測頭沿槽型鋼軌方向均勻排列在車輪下方的圓弧線上，且均沿著圓弧法線向上測量，探測光束同時入射至車輪邊緣，且探測光束所形成的平面與車輪直徑所在的圓周共面。

如圖4所示，激光位移傳感器安裝于槽型鋼軌的外側(cè)，并位于同一圓弧線上，且激光位移傳感器安裝點距離槽型鋼軌上沿平面的距離h為160mm～290mm。激光位移傳感器感測頭沿圓弧法線方向安裝，所發(fā)出的探測光束與車輪直徑所在圓周共面，且所有激光位移傳感器的感測頭均通過激光位移傳感器夾具固定于車輪下方。

優(yōu)選地，所述的激光位移傳感器為二維激光位移傳感器，激光位移傳感器的數(shù)量為n，且2≤n≤10；檢測區(qū)間段的水平線長度為l，且n×50mm≤l≤1200mm。

優(yōu)選地，激光位移傳感器安裝在槽型鋼軌外側(cè)，且位于同一圓弧線上；激光位移傳感器安裝點距離槽型鋼軌上沿平面的垂直距離為h，且160mm≤h≤290mm；激光位移傳感器安裝圓弧半徑為r，且

優(yōu)選地，所述激光位移傳感器感測頭沿槽型鋼軌外側(cè)圓弧法線安裝，所發(fā)出的探測光束與車輪直徑所在圓周，即距輪緣內(nèi)測基準面57mm處踏面上的點所在的圓周共面，且所有激光位移傳感器的感測頭均通過激光位移傳感器夾具固定在車輪下方。

結(jié)合圖6，本發(fā)明傳感器圓弧法線安裝的有軌電車輪徑在線檢測方法，具體步驟如下：

步驟1、將激光位移傳感器記為qi，沿著鋼軌方向i依次為1，2,3，…，n，其中n為激光傳感器的個數(shù)；

步驟2、在進行直徑測量的有軌電車車輪圓周所在平面上建立二維坐標系xoy：以最外側(cè)激光位移傳感器q1為原點，沿槽型鋼軌方向為x軸，垂直于槽型鋼軌向上為y軸，則最外側(cè)激光位移傳感器的坐標為(0，0)，其他激光位移傳感器的坐標為(xi,yi)，激光位移傳感器感測頭相對于x軸安裝傾角為αi：

其中，

傳感器位置坐標為：

步驟3、采集時刻t所有激光位移傳感器的輸出值，并選出同時有10個及以上傳感器輸出值的有效數(shù)據(jù)組(x′ij,y′ij)，(x′ij,y′ij)為第i個傳感器qi返回的第j個的有效值在各自激光位移傳感器坐標系x′io′iy′i下坐標；其中，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10；

步驟4、坐標變換：為每個激光位移傳感器qi建立二維坐標系xioiyi，以經(jīng)過各自激光位移傳感器qi感測頭為原點，沿槽型鋼軌方向為x軸，垂直于槽型鋼軌向上為y軸；根據(jù)傳感器qi的輸出值(x′ij,y′ij)、安裝傾角αi，確定車輪上對應(yīng)傳感器qi的測量點在各自二維坐標系xioiyi下坐標(xij,yij)：

(xij,yij)＝(x′ij×cosαi,y′ij×sinαi)

其中，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10；

步驟5、數(shù)據(jù)融合：根據(jù)激光位移傳感器qi的測量點在各自二維坐標系xioiyi下坐標(xij,yij)、激光位移傳感器qi位置坐標值(xi,yi)確定車輪上對應(yīng)傳感器pi的測量點在融合坐標系xoy下坐標(xij,yij)：

(xij,yij)＝(xi,yi)+(xij,yij)

其中，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10；

步驟6、根據(jù)車輪上所有有效測量點坐標(xij,yij)，利用最小二乘法進行擬合圓，得到該測量位置的車輪初始直徑d0和初始圓心坐標(xa,ya)；

所述根據(jù)車輪上所有有效測量點坐標(xij,yij)，利用最小二乘法進行擬合圓，具體如下：

i＝1,2…n,j＝1,2…m且m≥10其中，a＝-2xa，xa為擬合后的圓心橫坐標，b＝-2yb，yb為擬合后的圓心縱坐標；

其中c、d、e、g、h為中間參數(shù)，分別如下：

d＝λσxijyij-σxijσyij

其中，λ為所有傳感器有效測量點的個數(shù)，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10。

步驟7、將步驟6得到的車輪初始直徑d0和初始圓心坐標(xa,ya)，在范圍中取w組組合值作為初始種群，以所有的有效測量點到擬合圓的距離和最小為進化目標，使用遺傳優(yōu)化算法，對初始的車輪輪徑參數(shù)進行優(yōu)化，最終得到優(yōu)化后的最終車輪直徑d1和圓心坐標(xb,yb)；

所述以所有的有效測量點到擬合圓的距離和最小為進化目標，使用遺傳優(yōu)化算法，對初始的車輪輪徑參數(shù)進行優(yōu)化，具體如下：

其中i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10，k＝1,2,…w，w為種群大小，|xkykdk|為種群個體，采用二進制編碼，|xkykdk|的值在車輪初始直徑d0和初始圓心坐標(x0,y0)所在范圍中取值；

遺傳算法的參數(shù)設(shè)置如下：種群大小為w；最大遺產(chǎn)代數(shù)為maxgen；個體長度為ilength；代溝為pg；交叉概率為px；變異概率為pm。

步驟8、選取步驟3時刻t的前一刻和后一刻的探測數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟3～7，計算出兩組輪徑值d2、d3，將三組輪徑求平均值，得到最終車輪的輪徑df：

實施例1

本實施例為一種傳感器圓弧法線安裝的有軌電車輪徑在線檢測裝置及方法。

如圖3所示，n個激光位移傳感器的探頭沿鋼軌方向排列且均布在同一圓弧線上，激光位移傳感器的安裝參數(shù)滿足以下條件：各個激光位移傳感器探頭沿圓弧法線向上安裝，安裝傾角為α＝[86.18°90°93.82°]，激光位移傳感器的個數(shù)n為3，相鄰激光位移傳感器間隔200mm，激光位移傳感器的安裝點至鋼軌的垂直距離為h為200mm，圓弧半徑r為3000mm。從而得到各激光位移傳感器的坐標(xi,yi)(單位：mm)：x＝[0200400]，y＝[0-6.670]

設(shè)激光位移傳感器的采樣周期為0.5khz，由計算機模擬隨機產(chǎn)生直徑為550的被測車輪測量數(shù)據(jù)(xij,yij)。

最終激光位移傳感器q1的測量點在融合坐標系xoy下坐標如下：橫坐標矩陣：x1＝[227.9141213.7413200.5129186.5487173.6269162.8927148.5905138.4588125.4195114.9672104.116292.6147583.9296373.0458463.46814]；縱坐標矩陣：y1＝[204.126205.9157209.4613213.6559218.8147224.2372230.2846236.3801243.632251.7162259.8363268.3452277.3781287.4493298.1006]。

激光位移傳感器q2的測量點在融合坐標系下坐標如下：橫坐標矩陣：x2＝[369.775359.1482349.813340.3847329.4152320.5879310.1296301.1365290.8202279.3528269.6362260.3086249.6899239.706229.0339219.902210.1901200.0992190.1954180.2107]；縱坐標矩陣：y2＝[215.7481212.8786209.492207.7558204.9722203.3659201.8438200.2998200.1535199.992199.4873200.3479200.9938201.9105203.319204.8833207.2535210.129212.9864215.9437]。

激光位移傳感器q3的測量點在融合坐標系下坐標如下：橫坐標矩陣：x3＝[485.3259477.7071468.9867458.7523449.707438.2998428.4559418.0891407.887395.0284383.3356371.6013359.7418347.3702335.38321.9016]；縱坐標矩陣：y3＝[297.705288.1777278.5491269.7395262.2946254.2692246.8675239.9219233.1826227.3634222.0055217.3894212.6281209.121206.2035204.1449]。

使用最小二乘法對上述所有測量點進行擬合，得到擬合圓參數(shù)：初始直徑d0＝550.271和初始圓心坐標(x0,y0)＝(275.047，477.722)，其中所有測量點到擬合圓的距離和f0＝15.8829，隨機生成的各激光位移傳感器測量點在擬合圓上分布情況如圖7所示。

下面使用遺傳優(yōu)化算法對輪對參數(shù)進行優(yōu)化，遺傳算法的參數(shù)設(shè)置如下：種群大小為m＝40；最大遺產(chǎn)代數(shù)為maxgen＝200；個體長度為ilength＝60(3個自變量，每個長20)；代溝為pg＝0.95；交叉概率為px＝0.7；變異概率為pm＝0.01。

|xkykdk|為種群個體，采用二進制編碼，其取值范圍為：d0±1.0、(x0±0.5,y0±0.5)，進化的目標為所有測量點到擬合圓上距離和最?。?/p>

優(yōu)化后的擬合圓參數(shù)為：

直徑d1＝550.498、圓心坐標(x1,y1)＝(274.796，474.822)，其中所有測量點到擬合圓的距離和f0＝15.409，隨機生成的各激光位移傳感器測量點在遺傳算法優(yōu)化擬合圓上分布情況如圖8所示。

其中優(yōu)化的仿真結(jié)果見圖9～12。其中圖9為每代的最優(yōu)個體分布圖，圖10為最后一代的種群分布圖，圖11為每代最優(yōu)解變換趨勢圖，圖12為最優(yōu)直徑變換趨勢圖。

最后另取兩組數(shù)據(jù)進行擬合并優(yōu)化，可得d2＝550.378、d3＝550.579，對三組直徑求平均值得df＝550.485。

綜上所述，基于激光位移傳感器圓弧法線安裝的有軌電車車輪直徑在線檢測系統(tǒng)，通過最小二乘擬合的算法，并利用遺傳優(yōu)化算法對車輪輪徑參數(shù)進行優(yōu)化，具有速度快、精度高、測量直徑范圍大、在線非接觸式測量、抗干擾強的優(yōu)點。