本發(fā)明涉及一種基于數(shù)據(jù)融合的列車輪對(duì)直徑在線自動(dòng)化測(cè)量方法和系統(tǒng)，尤其涉及一種通過(guò)選取激光信噪比最佳點(diǎn)來(lái)測(cè)量列車輪對(duì)直徑的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：列車輪對(duì)圓周面由輪緣與踏面兩功能曲面組成，踏面與鋼軌接觸實(shí)現(xiàn)承載運(yùn)行，與輪緣共同用于導(dǎo)向。因此，輪對(duì)圓周面上與鋼軌產(chǎn)生接觸的表面部分都會(huì)產(chǎn)生磨耗，只有輪緣頂端的圓弧是不與鋼軌接觸的部分，不存在磨耗，而在運(yùn)行中一直保持穩(wěn)定的幾何尺寸。輪緣的直徑是列車輪很重要的尺寸，現(xiàn)有技術(shù)是通過(guò)人工使用列車輪徑尺對(duì)列車輪對(duì)直徑進(jìn)行測(cè)量或通過(guò)列車輪對(duì)幾何尺寸在線測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，輪徑的測(cè)量精度都在0.5mm。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：基于以上不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于數(shù)據(jù)融合的列車輪對(duì)直徑在線自動(dòng)化測(cè)量方法和系統(tǒng)，其測(cè)量精度高。為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：一種基于數(shù)據(jù)融合的列車輪對(duì)直徑在線自動(dòng)化測(cè)量方法，包括以下步驟：(1)獲取列車輪不同截面的踏面輪緣的離散點(diǎn)集；(2)將所述離散點(diǎn)集分別擬合成完整輪廓曲線；(3)選擇輪緣高度值最小的完整輪廓曲線；(4)求解得到踏面半徑。所述獲取列車輪不同截面的踏面輪緣的離散點(diǎn)集包括：(11)獲取列車輪不同截面的踏面輪緣的坐標(biāo)；(12)將所述坐標(biāo)融合成離散點(diǎn)集。所述獲取列車輪不同截面的踏面輪緣的坐標(biāo)包括：在軌道上靠近列車輪的踏面和輪緣的位置分別設(shè)置激光位移傳感器，從列車輪進(jìn)入激光位移傳感器有效測(cè)量范圍到離開(kāi)激光位移傳感器有效測(cè)量范圍止，兩個(gè)激光位移傳感器分別同步獲取列車輪不同截面的踏面輪緣的自有坐標(biāo)系坐標(biāo)；將所述自有坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成中間坐標(biāo)系坐標(biāo)。所述將所述自有坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成中間坐標(biāo)系坐標(biāo)包括：建立自有坐標(biāo)系到中間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系；根據(jù)所述轉(zhuǎn)換關(guān)系將自有坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為中間坐標(biāo)系坐標(biāo)。所述將所述離散點(diǎn)集分別擬合成完整輪廓曲線包括：將離散點(diǎn)分區(qū)段擬合成分段曲線；將所述分段曲線擬合成完整輪廓曲線。一種基于數(shù)據(jù)融合的列車輪對(duì)直徑在線自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)，包括：離散點(diǎn)集獲取模塊、輪廓曲線擬合模塊、輪廓曲線選取模塊以及半徑求解模塊，其中，離散點(diǎn)集獲取模塊，用于獲取列車輪不同截面的踏面輪緣的離散點(diǎn)集；輪廓曲線擬合模塊，用于將所述離散點(diǎn)集分別擬合成完整輪廓曲線；輪廓曲線選取模塊，用于選擇輪緣高度值最小的完整輪廓曲線；半徑求解模塊，用于求解得到踏面半徑。所述輪廓曲線選取模塊包括坐標(biāo)獲取單元、坐標(biāo)融合單元、其中，坐標(biāo)獲取單元，用于獲取列車輪不同截面的踏面輪緣的坐標(biāo)；坐標(biāo)融合單元，將所述坐標(biāo)融合成離散點(diǎn)集。所述坐標(biāo)獲取單元包括兩個(gè)激光位移傳感器和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元，激光位移傳感器，分別設(shè)置在所述列車輪的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，所述激光位移傳感器分別同步獲取列車輪不同截面的踏面輪緣的自有坐標(biāo)系坐標(biāo)；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元，將所述自有坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成中間坐標(biāo)系坐標(biāo)。所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元包括，測(cè)量模型子單元，用于建立自有坐標(biāo)系到中間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系；轉(zhuǎn)換子單元，用于根據(jù)所述轉(zhuǎn)換關(guān)系將自有坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為中間坐標(biāo)系坐標(biāo)。所述輪廓曲線擬合模塊包括：分段曲線擬合單元，用于將離散點(diǎn)分區(qū)段擬合成分段曲線；輪廓曲線擬合單元，用于將所述分段曲線擬合成完整輪廓曲線。采用以上技術(shù)方案，本發(fā)明取得了以下技術(shù)效果：本發(fā)明提供的基于數(shù)據(jù)融合的列車輪對(duì)直徑在線自動(dòng)化測(cè)量方法和系統(tǒng)，其所能達(dá)到的測(cè)量精度高于現(xiàn)有的列車在線輪對(duì)幾何尺寸測(cè)量技術(shù)及一般維護(hù)用輪徑測(cè)量技術(shù)的精度，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單安裝方便。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)融合的列車輪對(duì)直徑在線自動(dòng)化測(cè)量方法的流程圖；圖2為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)融合的列車輪對(duì)直徑在線自動(dòng)化測(cè)量方法中激光位移傳感器與列車輪的相對(duì)位置俯視圖；圖3為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)融合的列車輪對(duì)直徑在線自動(dòng)化測(cè)量方法中激光位移傳感器測(cè)量范圍示意圖；圖4為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)融合的列車輪對(duì)直徑在線自動(dòng)化測(cè)量方法中激光位移傳感器的投影示意圖；圖5a和5b分別為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)融合的列車輪對(duì)直徑在線自動(dòng)化測(cè)量方法的激光位移傳感器A和B是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖；圖6為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)融合的列車輪對(duì)直徑在線自動(dòng)化測(cè)量方法中融合后的踏面和輪緣的輪廓的離散點(diǎn)集示意圖；圖7為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)融合的列車輪對(duì)直徑在線自動(dòng)化測(cè)量方法中由離散點(diǎn)集擬合形成的完整輪廓曲線；圖8為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)融合的列車輪對(duì)直徑在線自動(dòng)化測(cè)量方法中車輪動(dòng)態(tài)經(jīng)過(guò)激光位移傳感器獲取的激光線測(cè)量模型圖；圖9為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)融合的列車輪對(duì)直徑在線自動(dòng)化測(cè)量方法中其它截面的輪廓相對(duì)于通過(guò)車輪中軸線的截面的輪廓的對(duì)比示意圖；圖10為本發(fā)明基于數(shù)據(jù)融合的列車輪對(duì)直徑在線自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式如圖1-圖5所示，本發(fā)明基于數(shù)據(jù)融合的列車輪對(duì)直徑在線自動(dòng)化測(cè)量方法包括以下步驟：S101：獲取列車輪不同截面的踏面輪緣的離散點(diǎn)集；具體的，如圖2所示，在軌道上靠近列車輪的踏面和輪緣的位置分別設(shè)置激光位移傳感器，其中，標(biāo)號(hào)為A的激光位移傳感器設(shè)置在軌道上靠近輪緣的位置，標(biāo)號(hào)為B的激光位移傳感器設(shè)置在軌道上靠近踏面的位置，激光位移傳感器A和激光位移傳感器B共同決定的探測(cè)面與軌道水平面的傾角為45°，也可以為其它角度。圖3為激光位移傳感器A和B的投影示意圖，激光位移傳感器A和B分別同步獲取部分踏面和輪緣的自有坐標(biāo)系坐標(biāo)，從列車輪進(jìn)入激光位移傳感器A和B的有效測(cè)量范圍到離開(kāi)激光位移傳感器A和B的有效測(cè)量范圍止，兩個(gè)激光位移傳感器分別同步獲取列車輪不同截面的踏面輪緣的自有坐標(biāo)系坐標(biāo)，所述截面為通過(guò)車輪中軸線的截面或平行于所述車輪中軸線的截面。激光位移傳感器基于激光三角測(cè)量原理，內(nèi)部由激光二極管的光學(xué)系統(tǒng)和CCD線性感應(yīng)元件組成，激光源發(fā)射的激光在踏面和輪緣形成一條激光帶，其反射光呈一定角度反射到CCD線性感應(yīng)元件，經(jīng)傳感器的集成電路處理光學(xué)位移數(shù)據(jù)后得到踏面輪廓坐標(biāo)點(diǎn)。傳感器測(cè)量值通過(guò)X-Y數(shù)據(jù)圖展示出來(lái)，即每個(gè)測(cè)量點(diǎn)都會(huì)輸出兩個(gè)值，一個(gè)值是離測(cè)量中心線的距離X，一個(gè)值是離傳感器激光源的距離Y，圖3中區(qū)域C為激光位移傳感器A或B的有效測(cè)量范圍，其中La為橫向X的最小有效量程，Le為橫向X的最大有效量程，Lm為縱向Y的最小有效量程，Ln為縱向Y的最大有效量程。由于傳感器安裝于軌道兩側(cè)，加之輪軌間的游間造成的橫向位移，實(shí)時(shí)完整輪廓曲線無(wú)法與靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)輪廓自然重合。再有，由于兩個(gè)激光位移傳感器的安裝位置與水平面以及軌道均成一定的角度，測(cè)得的自有坐標(biāo)系坐標(biāo)形成的曲線必然會(huì)產(chǎn)生畸變，故需對(duì)原始的自有坐標(biāo)系坐標(biāo)予以矯正。如圖5a和5b所示，對(duì)自有坐標(biāo)系坐標(biāo)的矯正通過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)將所述自有坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成中間坐標(biāo)系坐標(biāo)。具體主要通過(guò)兩個(gè)步驟完成，首先，建立自有坐標(biāo)系到中間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系模型；再根據(jù)所述轉(zhuǎn)換關(guān)系將自有坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為中間坐標(biāo)系坐標(biāo)。轉(zhuǎn)換關(guān)系模型如下：un(3)=xn(3)2+yn(3)2sin(θ+β3)=xn(3)cosβ3+yn(3)sinβ3vn(3)=xn(3)2+yn(3)2cos(θ+β3)=yn(3)cosβ3-xn(3)sinβ3]]>un(4)=xn(4)2+yn(4)2sin(θ′-β4)=xn(4)cosβ2-yn(4)sinβ2vn(4)=xn(4)2+yn(4)2cos(θ′-β4)=yn(4)cosβ2+xn(4)sinβ2]]>式中，(xn(3),yn(3))為探測(cè)點(diǎn)在傳感器A的自有坐標(biāo)系x(3)o(3)y(3)上的坐標(biāo)，(xn(4),yn(4))為探測(cè)點(diǎn)在傳感器B的自有坐標(biāo)系x(4)o(4)y(4)上的坐標(biāo)，θ為傳感器A的探測(cè)點(diǎn)與y(3)軸的夾角，θ＇為傳感器4的探測(cè)點(diǎn)與y(4)軸的夾角，(un(3),vn(3))為傳感器3的探測(cè)點(diǎn)在中間坐標(biāo)系u(3)o(3)v(3)內(nèi)的坐標(biāo)值，(un(4),vn(4))為傳感器4的探測(cè)點(diǎn)在中間坐標(biāo)系u(4)o(4)v(4)內(nèi)的坐標(biāo)值。將激光位移傳感器A和B探測(cè)的探測(cè)點(diǎn)在自有坐標(biāo)系的坐標(biāo)按照上述模型轉(zhuǎn)換后得到探測(cè)點(diǎn)在中間坐標(biāo)系的坐標(biāo)。由于傳感器A和B均只能探測(cè)到部分踏面和輪緣的輪廓的坐標(biāo)，故需要進(jìn)一步將激光位移傳感器A和B的探測(cè)點(diǎn)在中間坐標(biāo)系的坐標(biāo)進(jìn)行融合，以得到整個(gè)踏面和輪緣的輪廓的離散點(diǎn)集。也就是將激光位移傳感器A和B的探測(cè)點(diǎn)在中間坐標(biāo)系的坐標(biāo)均轉(zhuǎn)換到基準(zhǔn)坐標(biāo)系中。坐標(biāo)的融合通過(guò)坐標(biāo)融合模型實(shí)現(xiàn)。坐標(biāo)融合模型如下：un＝un(3)un＝un(4)+Δuvn＝vn(4)vn＝vn(4)+Δv式中(un,vn)為激光位移傳感器A和B的探測(cè)點(diǎn)在中間坐標(biāo)系的坐標(biāo)融合到在基準(zhǔn)坐標(biāo)系后的坐標(biāo)，uΔ為激光位移傳感器B的中間坐標(biāo)系的原點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在U軸方向的偏移，vΔ為激光位移傳感器B的中間坐標(biāo)系的原點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在V軸方向的偏移?；鶞?zhǔn)坐標(biāo)系原點(diǎn)與傳感器A的中間坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，故傳感器A的中間坐標(biāo)系的原點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)坐標(biāo)系的原點(diǎn)的偏移量為0。融合后的踏面和輪緣的輪廓的離散點(diǎn)集如圖6所示。S102：將所述離散點(diǎn)集分別擬合成完整輪廓曲線；具體為，先將離散點(diǎn)分區(qū)段擬合成分段曲線；再將所述分段曲線擬合成完整輪廓曲線。圖7所示曲線為由離散點(diǎn)集擬合形成的完整輪廓曲線，由于輪軌接觸時(shí)，列車輪靠近軌道一側(cè)端面與軌面沒(méi)有發(fā)生磨損和變形，故測(cè)得的完整輪廓曲線上對(duì)應(yīng)列車輪靠近軌道一側(cè)端面位置的直線特征最為明顯，將該端面直線設(shè)為車輪的第一基準(zhǔn)線l，離輪緣端面70mm的點(diǎn)定為踏面點(diǎn)a，輪徑定義為點(diǎn)a所在圓的半徑r，輪緣的頂點(diǎn)定為n點(diǎn)，n點(diǎn)所在圓的半徑為R，a點(diǎn)與n點(diǎn)的高度差h即為輪緣高度。由于踏面外形輪廓的復(fù)雜性，難以用一條確定的曲線擬合整個(gè)踏面輪廓，故先對(duì)一定范圍內(nèi)的離散點(diǎn)進(jìn)行分段擬合成分段曲線；再將所述分段曲線擬合成完整輪廓曲線，從而提高基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)值提取的精確度。S103：選擇輪緣高度值最小的完整輪廓曲線；如前所述，從列車輪進(jìn)入激光位移傳感器A和B的有效測(cè)量范圍到離開(kāi)激光位移傳感器A和B的有效測(cè)量范圍止，將會(huì)獲得一系列列車輪不同半徑對(duì)應(yīng)的踏面和輪緣的離散點(diǎn)集，當(dāng)車輪動(dòng)態(tài)通過(guò)激光位移傳感器，激光位移傳感器探測(cè)面不一定通過(guò)車輪中軸線，測(cè)得的踏面輪廓會(huì)發(fā)生一定拉伸變形，如圖9所示，圖9中，L1為不通過(guò)車輪中軸線的輪廓曲線，L2為通過(guò)車輪中軸線的輪廓曲線。故需對(duì)輪廓曲線進(jìn)行篩選，選出通過(guò)車輪中軸線的輪廓曲線。通過(guò)車輪中軸線的輪廓曲線的輪緣高度最小，因此只需要篩選出輪緣高度值最小的輪廓曲線就可以得到通過(guò)車輪中軸線的輪廓曲線。S104：求解得到踏面半徑；定義輪緣頂端n點(diǎn)圓周的精確半徑為R，精度0.01mm，由于該圓周直徑在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)發(fā)生磨耗變化，因此可作為穩(wěn)定的高精度基準(zhǔn)，即R為已知，利用數(shù)據(jù)主機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存對(duì)應(yīng)輪對(duì)鏇修加工的尺寸數(shù)據(jù)。將R減去輪緣高度值h即可得到公稱滾動(dòng)圓輪徑值即a點(diǎn)的輪徑r。根據(jù)此方法所得到的滾動(dòng)圓直徑的測(cè)量精度為輪緣高度測(cè)量精度疊加輪緣頂端的圓周直徑值精度，即0.2+0.01＝0.21≈0.2mm。該技術(shù)所達(dá)到的測(cè)量精度高于現(xiàn)有的列車在線輪對(duì)幾何尺寸測(cè)量技術(shù)及一般維護(hù)用輪徑測(cè)量技術(shù)的精度，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單安裝方便。圖9提供了一種基于數(shù)據(jù)融合的列車輪對(duì)直徑在線自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)，包括：離散點(diǎn)集獲取模塊201、輪廓曲線擬合模塊202、輪廓曲線選取模塊203以及半徑求解模塊204，其中，離散點(diǎn)集獲取模塊201，用于獲取列車輪不同截面的踏面輪緣的離散點(diǎn)集；輪廓曲線擬合模塊202，用于將所述離散點(diǎn)集分別擬合成完整輪廓曲線；輪廓曲線選取模塊203，用于選擇輪緣高度值最小的完整輪廓曲線；半徑求解模塊204，用于求解得到踏面半徑。進(jìn)一步的，輪廓曲線選取模塊202包括坐標(biāo)獲取單元、坐標(biāo)融合單元、其中，坐標(biāo)獲取單元，用于獲取列車輪不同截面的踏面輪緣的坐標(biāo)；坐標(biāo)融合單元，將所述坐標(biāo)融合成離散點(diǎn)集。進(jìn)一步的，坐標(biāo)獲取單元包括兩個(gè)激光位移傳感器和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元，激光位移傳感器，分別設(shè)置在所述列車輪的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，所述激光位移傳感器分別同步獲取列車輪不同截面的踏面輪緣的自有坐標(biāo)系坐標(biāo)；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元，將所述自有坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成中間坐標(biāo)系坐標(biāo)。進(jìn)一步的，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元包括，測(cè)量模型子單元，用于建立自有坐標(biāo)系到中間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系；轉(zhuǎn)換子單元，用于根據(jù)所述轉(zhuǎn)換關(guān)系將自有坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為中間坐標(biāo)系坐標(biāo)。進(jìn)一步的，輪廓曲線擬合模塊202包括：分段曲線擬合單元，用于將離散點(diǎn)分區(qū)段擬合成分段曲線；輪廓曲線擬合單元，用于將所述分段曲線擬合成完整輪廓曲線。本發(fā)明提供的基于數(shù)據(jù)融合的列車輪對(duì)直徑在線自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)所能達(dá)到的測(cè)量精度高于現(xiàn)有的列車在線輪對(duì)幾何尺寸測(cè)量技術(shù)及一般維護(hù)用輪徑測(cè)量技術(shù)的精度，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單安裝方便。最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換，但是凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3