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與流程
2023-04-25 09:44:42
本發明涉及有軌電車車輪檢測領域，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：
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，會產生不同程度的磨耗，進而改變車輪的直徑參數。當電車運行時，如果車輪的同軸徑差、同架徑差、同車徑差超過一定範圍，容易造成車輪擦傷、輪緣偏磨、車體振動異常等現象，甚至導致電車車軸斷裂、側翻、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，由於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於有軌電車。列車車輪直徑檢測的方法分為靜態檢測和動態檢測。目前，有軌電車的車輪直徑測量基本採用的是靜態檢測方法，該方法具有精度高的優點。但需要投入大量的人力和使用專用的檢測設備，具有成本高、周轉時間長、勞動強度大的缺點。
常規的動態檢測主要採用圖像處理技術或雷射傳感技術。專利1(在線有軌電車車輪直徑測量方法，申請號：201510657099.7，申請日：2015-10-13)公開了一種基於圖像處理技術的有軌電車車輪直徑檢測方法，該方法採用高速相機獲取圖像，通過設置成像模組，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，國內尚未公開基於雷射傳感技術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，申請號：201310557901.6，申請日：2013-11-11)公開了一種將雷射傳感器設置在鋼軌偏移所空出的區域與護軌之間，非接觸檢測地鐵車輪直徑的方法，但該方法由於設置護軌，若在穩定運營路線上使用該方法，需要重新設置軌道布局，幾乎很難實現，該方法不適用於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，申請號：201410519742.5，申請日：2014-09-30)公開了一種基於2d雷射位移傳感器技術的地鐵輪對參數檢測方法及裝置，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，實現對地鐵輪直徑的檢測，但由於有軌電車輪緣幾乎100％接地承重，無法提取出輪緣頂點這一特徵點，該方法也無法適用於有軌電車。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種速度快、精度高、抗幹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，實現測量直徑範圍大的在線非接觸式測量。
實現本發明目的的技術解決方案為：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、處理中心和多個雷射位移傳感器，其中：雷射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；槽型鋼軌外側順次設置多個雷射位移傳感器；各雷射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、將雷射位移傳感器記為qi，沿著鋼軌方向i依次為1，2,3，…，n，其中n為雷射傳感器的個數；
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：以最外側雷射位移傳感器q1為原點，沿槽型鋼軌方向為x軸，垂直於槽型鋼軌向上為y軸，則最外側雷射位移傳感器的坐標為(0，0)，其他雷射位移傳感器的坐標為(xi,yi)，雷射位移傳感器感測頭相對於x軸安裝傾角為αi：
其中，
傳感器位置坐標為：
步驟3、採集時刻t所有雷射位移傳感器的輸出值，並選出同時有10個及以上傳感器輸出值的有效數據組(x′ij,y′ij)，(x′ij,y′ij)為第i個傳感器qi返回的第j個的有效值在各自雷射位移傳感器坐標系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：為每個雷射位移傳感器qi建立二維坐標系xioiyi，以經過各自雷射位移傳感器qi感測頭為原點，沿槽型鋼軌方向為x軸，垂直於槽型鋼軌向上為y軸；根據傳感器qi的輸出值(x′ij,y′ij)、安裝傾角αi，確定車輪上對應傳感器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、數據融合：根據雷射位移傳感器qi的測量點在各自二維坐標系xioiyi下坐標(xij,yij)、雷射位移傳感器qi位置坐標值(xi,yi)確定車輪上對應傳感器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)，在範圍中取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，使用遺傳優化算法，對初始的車輪輪徑參數進行優化，最終得到優化後的最終車輪直徑d1和圓心坐標(xb,yb)；
步驟8、選取步驟3時刻t的前一刻和後一刻的探測數據，重複步驟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：
本發明與現有技術相比，其顯著優點在於：(1)基於二維雷射位移傳感器的檢測系統，實現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、測量直徑範圍大的優點；(2)採用了基於遺傳優化算法的檢測數據處理方法，避免了單純的最小二乘法因幹擾點對擬合圓產生偏差的缺點，具有測量精度高、抗幹擾強的優點；(3)採用槽型鋼軌，便於雷射位移傳感器的安裝和數據的測量；
附圖說明
圖1為有軌電車車輪踏面示意圖。
圖2為槽型鋼軌的結構示意圖，其中(a)為60r槽型鋼軌結構圖，(b)為經過處理的槽型鋼軌結構圖。
圖3為本發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為本發明的有軌電車車輪直徑在線檢測的裝置側視圖。
圖6為本發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雷射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雷射位移傳感器測量點在遺傳優化後的擬合圓上分布情況示意圖。
圖9為實施例中遺傳優化算法過程中每代的最優個體分布圖。
圖10為實施例中遺傳優化算法過程中最後一代的種群分布圖。
圖11為實施例中遺傳優化算法過程中每代最優解變換趨勢圖。
圖12為實施例中遺傳優化算法過程中最優直徑變換趨勢圖。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施例對本發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，而車輪直逕往往控制在520-600mm之間，故雷射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側面的距離為57mm。
如圖2(a)，圖2(b)所示，檢測區間段軌道為經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。
結合圖3～5，本發明傳感器圓弧法線安裝的有軌電車輪徑在線檢測裝置，其特徵在於，包括槽型鋼軌、處理中心和多個雷射位移傳感器，其中：雷射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；槽型鋼軌外側順次設置多個雷射位移傳感器；各雷射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，雷射位移傳感器安裝於槽型鋼軌的外側，並位於同一圓弧線上，且雷射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。雷射位移傳感器感測頭沿圓弧法線方向安裝，所發出的探測光束與車輪直徑所在圓周共面，且所有雷射位移傳感器的感測頭均通過雷射位移傳感器夾具固定於車輪下方。
優選地，所述的雷射位移傳感器為二維雷射位移傳感器，雷射位移傳感器的數量為n，且2≤n≤10；檢測區間段的水平線長度為l，且n×50mm≤l≤1200mm。
優選地，雷射位移傳感器安裝在槽型鋼軌外側，且位於同一圓弧線上；雷射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；雷射位移傳感器安裝圓弧半徑為r，且
優選地，所述雷射位移傳感器感測頭沿槽型鋼軌外側圓弧法線安裝，所發出的探測光束與車輪直徑所在圓周，即距輪緣內測基準面57mm處踏面上的點所在的圓周共面，且所有雷射位移傳感器的感測頭均通過雷射位移傳感器夾具固定在車輪下方。
結合圖6，本發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、將雷射位移傳感器記為qi，沿著鋼軌方向i依次為1，2,3，…，n，其中n為雷射傳感器的個數；
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：以最外側雷射位移傳感器q1為原點，沿槽型鋼軌方向為x軸，垂直於槽型鋼軌向上為y軸，則最外側雷射位移傳感器的坐標為(0，0)，其他雷射位移傳感器的坐標為(xi,yi)，雷射位移傳感器感測頭相對於x軸安裝傾角為αi：
其中，
傳感器位置坐標為：
步驟3、採集時刻t所有雷射位移傳感器的輸出值，並選出同時有10個及以上傳感器輸出值的有效數據組(x′ij,y′ij)，(x′ij,y′ij)為第i個傳感器qi返回的第j個的有效值在各自雷射位移傳感器坐標系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：為每個雷射位移傳感器qi建立二維坐標系xioiyi，以經過各自雷射位移傳感器qi感測頭為原點，沿槽型鋼軌方向為x軸，垂直於槽型鋼軌向上為y軸；根據傳感器qi的輸出值(x′ij,y′ij)、安裝傾角αi，確定車輪上對應傳感器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、數據融合：根據雷射位移傳感器qi的測量點在各自二維坐標系xioiyi下坐標(xij,yij)、雷射位移傳感器qi位置坐標值(xi,yi)確定車輪上對應傳感器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為擬合後的圓心橫坐標，b＝-2yb，yb為擬合後的圓心縱坐標；
其中c、d、e、g、h為中間參數，分別如下：
d＝λσxijyij-σxijσyij
其中，λ為所有傳感器有效測量點的個數，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)，在範圍中取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，使用遺傳優化算法，對初始的車輪輪徑參數進行優化，最終得到優化後的最終車輪直徑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，使用遺傳優化算法，對初始的車輪輪徑參數進行優化，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，採用二進位編碼，|xkykdk|的值在車輪初始直徑d0和初始圓心坐標(x0,y0)所在範圍中取值；
遺傳算法的參數設置如下：種群大小為w；最大遺產代數為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的前一刻和後一刻的探測數據，重複步驟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個雷射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，雷射位移傳感器的安裝參數滿足以下條件：各個雷射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°]，雷射位移傳感器的個數n為3，相鄰雷射位移傳感器間隔200mm，雷射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。從而得到各雷射位移傳感器的坐標(xi,yi)(單位：mm)：x＝[0200400]，y＝[0-6.670]
設雷射位移傳感器的採樣周期為0.5khz，由計算機模擬隨機產生直徑為550的被測車輪測量數據(xij,yij)。
最終雷射位移傳感器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]。
雷射位移傳感器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]。
雷射位移傳感器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：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，隨機生成的各雷射位移傳感器測量點在擬合圓上分布情況如圖7所示。
下面使用遺傳優化算法對輪對參數進行優化，遺傳算法的參數設置如下：種群大小為m＝40；最大遺產代數為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，採用二進位編碼，其取值範圍為：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小：
優化後的擬合圓參數為：
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，隨機生成的各雷射位移傳感器測量點在遺傳算法優化擬合圓上分布情況如圖8所示。
其中優化的仿真結果見圖9～12。其中圖9為每代的最優個體分布圖，圖10為最後一代的種群分布圖，圖11為每代最優解變換趨勢圖，圖12為最優直徑變換趨勢圖。
最後另取兩組數據進行擬合併優化，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，基於雷射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，通過最小二乘擬合的算法，並利用遺傳優化算法對車輪輪徑參數進行優化，具有速度快、精度高、測量直徑範圍大、在線非接觸式測量、抗幹擾強的優點。