一种城轨车辆轮对踏面轮廓拟合方法技术

本发明专利技术公开了一种城轨车辆轮对踏面轮廓曲线拟合方法。该方法为：步骤1，获取轮对踏面数据：利用激光位移传感器获取轮对踏面轮廓离散数据；步骤2，踏面轮廓数据预处理：将轮对踏面轮廓离散数据进行预处理，融合成轮对踏面轮廓；步骤3，确定待拟合区域：根据轮对踏面轮廓特征点的位置选取拟合区域；步骤4，插值处理：对拟合区域进行插值处理；步骤5，曲线拟合：对插值处理结果使用最小平方法进行曲线拟合；步骤6，获取轮对参数：根据轮对尺寸参数定义准则获取轮对参数。本发明专利技术方法增加了轮对踏面轮廓上的有效点数，提高了测量精度。

Fitting method of wheelset tread profile of urban rail vehicle

The invention discloses a method for fitting a contour curve of a wheel set of a rail vehicle. The method is as follows: Step 1, get the wheel tread: wheel tread contour data acquisition of discrete data using the laser displacement sensor; step 2, tread profile data preprocessing: wheel tread contour discrete data pretreatment and fusion into the wheel tread profile; step 3, to determine the fitting area according to the wheel contour feature points selected fitting region; step 4: the fitting area interpolation interpolation processing; step 5: the interpolation curve fitting results using the least square method for curve fitting; step 6, get the wheel parameters: get the wheelset parameters according to wheel size parameter definition criterion. The method of the invention increases the effective points on the tread contour of the wheelset, and improves the measuring accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种城轨车辆轮对踏面轮廓拟合方法
本专利技术属于交通安全工程
，特别是一种城轨车辆轮对踏面轮廓曲线拟合方法。
技术介绍
轮对在城轨车辆运行过程中的起着重要的作用,承载着整个列车的负荷。轮对是与钢轨耦合的关键部位，在列车行驶过程中受到撞击、循环应力、高低温等作用的影响,因此轮对故障时而发生，需要定期检查城轨车辆轮对的运行状况，保障列车的安全运营。为了实时掌握轮对尺寸变化情况，获得准确的轮对尺寸参数，国内外已开发出不同的基于激光位移传感器的轮对尺寸检测系统。由于激光位移传感器采集的轮对踏面数据是以离散点坐标呈现的，需要借助离散点处理方法构造出平滑的轮对踏面曲线，精确地复现轮对踏面关键信息。采用不同的曲线拟合方法对最终的轮对尺寸检测结果有着重要的影响，曲线过拟合或欠拟合都会带来较大的检测误差。针对轮对尺寸检测系统探测轮对踏面曲线拟合方法对检测系统检测结果影响的研究，已经取得了一些研究成果。哈尔滨工业大学的何平等人提出了一种基于最小二乘拟合的轮对轮缘在线检测系统，但该方法存在曲线过拟合、计算结果精度低的问题；南京理工大学的王晓浩等人提出一种基于拉格朗日乘数法的轮对外形轮廓线拟合方法，并利用实测数据进行了轮对踏面轮廓线拟合，但是该方法计算复杂，效率低，不适用于现场在线检测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种精确、高效的城轨车辆轮对踏面轮廓曲线拟合方法，从而提高轮对尺寸检测系统的检测精度。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种城轨车辆轮对踏面轮廓曲线拟合方法，包括以下步骤：步骤1，获取轮对踏面数据：利用激光位移传感器获取轮对踏面轮廓离散数据；步骤2，踏面轮廓数据预处理：将轮对踏面轮廓离散数据进行预处理，融合成轮对踏面轮廓；步骤3，确定待拟合区域：根据轮对踏面轮廓特征点的位置选取拟合区域；步骤4，插值处理：对拟合区域进行插值处理；步骤5，曲线拟合：对插值处理结果使用最小平方法进行曲线拟合；步骤6，获取轮对参数：根据轮对尺寸参数定义准则获取轮对参数。本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：(1)通过三次样条插值处理，增加轮对踏面轮廓上的有效点数，改善了处理数据的方法；(2)最小平方法寻找最优曲线作为踏面轮廓线，提高了测量精度。附图说明图1为本专利技术城轨车辆轮对踏面轮廓曲线拟合方法流程图。图2为轮对轮缘区域划分图。图3为插值处理轮对踏面曲线图。图4为最小平方法拟合后轮对踏面曲线图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。结合图1，本专利技术城轨车辆轮对踏面轮廓曲线拟合方法，包括以下步骤：步骤1，获取轮对踏面数据：利用激光位移传感器获取轮对踏面轮廓离散数据，具体为：在城轨车辆行进的轨道内外两侧低于钢轨位置分别安装第一激光位移传感器U1、第二激光位移传感器U2，该两个激光位移传感器与铅垂线均呈α角，第一激光位移传感器U1和第二激光位移传感器U2的激光发射面相交于同一平面，且该平面与水平面呈θ角，α、θ∈[42°,48°]；当城轨车辆通过激光位移传感器时，第一激光位移传感器U1和第二激光位移传感器U2分别探测到轮对踏面的不同位置，获取的离散点坐标分别为其中i、j分别为U1、第二激光位移传感器U2测得的离散点数编号，且i＝1,2,...,m，j＝1,2,...,n，m、n分别是第一激光位移传感器U1、第二激光位移传感器U2测得的离散点个数。步骤2，踏面轮廓数据预处理：将轮对踏面轮廓离散数据进行预处理，融合成轮对踏面轮廓，具体过程如下：(2.1)由于激光位移传感器是有仰角安装，在传感器自身坐标系下采集的轮对踏面曲线也呈现倾斜状态，先将踏面离散数据进行坐标旋转，使传感器自身坐标系的纵轴平行于轮对内端面，根据式(1)、(2)进行离散数据坐标旋转：此时两激光位移传感器探测数据的坐标分别为(2.2)由于城轨车辆轮对有轴箱、刹车片和其他机械结构的干扰，需要对原始的踏面数据进行消噪处理，消除干扰物的影响；由于两个激光位移传感器采集的踏面数据互相独立，隔离在两个坐标系下，需要将两个激光传感器的探测数据融合在同一坐标系中，调节两坐标系中端面及踏面距离将第一激光位移传感器U1的数据融合到第二激光位移传感器U2的坐标系中，由公式(3)平移处理：构成完整的踏面轮廓，各离散点坐标为(x(k),y(k))，其中k＝m+n，d、l分别为U1所在坐标系距离U2所在坐标系沿x，y轴的距离大小分量。步骤3，确定待拟合区域：由于在轮对尺寸计算过程中有效特征点仅在轮廓线某些区段上，不需要完全拟合整个轮对踏面，根据轮对踏面轮廓特征点的位置选取拟合区域，具体过程如下：如图2所示，提取轮对内端面，以内端面曲线为基准线lb，第一轮缘待拟合区域为[l-d2,l-d1]，其中d1∈(2,7)，d2∈(17,25)；第二轮缘拟合区域为[l-d3,l-d4]，其中d3、d4根据实际轮缘情况取值，确定拟合区域；第一踏面拟合区域为[l-70-d5,l-70+d6]，其中d5、d6∈(8,25)。步骤4，插值处理：对拟合区域进行插值处理，具体如下：(4.1)踏面轮廓曲线上区间[a,b]内各离散点均在函数上，在该区间内给定有关划分a＝x0＜x1＜…＜xp＝b，且ξ(x)为该区间内每个子区间都满足三次多项式的条件函数；和ξ(x)满足以下条件：1)2)3)4)p为该区间的划分数目；(4.2)ξ(x)有p分段，在计算过程中有4p个未知参数，插值条件和样条条件有4p-2个条件，借助两边界条件：1)2)δ0,δp,ρ0,ρp分别是离散点所在函数在x0,xp的一阶、二阶导数值；(4.3)如图3所示，提提取满足插值函数ξ(x)的踏面轮廓插入点(x(i),y(i))，获取平滑的离散踏面曲线。步骤5，曲线拟合：对插值处理结果使用最小平方法进行曲线拟合，具体如下：由步骤4知轮对踏面轮廓的插值函数为ξ(x)，待拟合区域的各离散点为(x(i),y(i))，设拟合函数为Pm(x)＝a0+a1x+…+amxm。a0,a1,...,am为多项式拟合系数；根据最小平方法即寻找拟合曲线的多项式方程Pm(x)，如图4所示，p为区间划分数目。步骤6，获取轮对参数：根据轮对尺寸参数定义准则获取轮对参数；在步骤5获得轮对踏面拟合曲线的基础上，根据轮对踏面不同区段的特点分别提取第一、二轮缘基准点和第一踏面基准点的坐标，根据轮对尺寸参数的定义获取轮对尺寸参数。下面结合具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。实施例1以某地铁公司现场安装的一套轮对尺寸在线检测系统采集的轮对踏面数据为研究对象，获取多组踏面检测数据，以其中一组数据进行方法说明。轨道内、外侧的激光位移传感器采集的数据分别为如式(1)所示：式中i＝61,j＝92，表明U1、U2这一帧分别采集到61、92个踏面数据点。将原始的踏面数据点进行坐标旋转，旋转角度为传感器安装倾角45°，获得的踏面点分别为如式(2)、(3)进行计算：对旋转后的踏面点做滤除干扰处理后，进行两传感器坐标融合处理，如式(4)所示：两传感器坐标融合处理后，重构出轮对踏面处切面曲线，获得在同一坐标系下的踏面轮廓坐标。然后根据基准点的位置，确定待插值处理的踏面区域。提取轮对内端面，以内端面曲线为基准线l＝-268.3，第一轮缘待拟合区域为[l-22,l-5]；第二轮缘拟合区域为[l-38,l本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种城轨车辆轮对踏面轮廓曲线拟合方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，获取轮对踏面数据：利用激光位移传感器获取轮对踏面轮廓离散数据；步骤2，踏面轮廓数据预处理：将轮对踏面轮廓离散数据进行预处理，融合成轮对踏面轮廓；步骤3，确定待拟合区域：根据轮对踏面轮廓特征点的位置选取拟合区域；步骤4，插值处理：对拟合区域进行插值处理；步骤5，曲线拟合：对插值处理结果使用最小平方法进行曲线拟合；步骤6，获取轮对参数：根据轮对尺寸参数定义准则获取轮对参数。

【技术特征摘要】
1.一种城轨车辆轮对踏面轮廓曲线拟合方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，获取轮对踏面数据：利用激光位移传感器获取轮对踏面轮廓离散数据；步骤2，踏面轮廓数据预处理：将轮对踏面轮廓离散数据进行预处理，融合成轮对踏面轮廓；步骤3，确定待拟合区域：根据轮对踏面轮廓特征点的位置选取拟合区域；步骤4，插值处理：对拟合区域进行插值处理；步骤5，曲线拟合：对插值处理结果使用最小平方法进行曲线拟合；步骤6，获取轮对参数：根据轮对尺寸参数定义准则获取轮对参数。2.根据权利要求1所述的城轨车辆轮对踏面轮廓曲线拟合方法，其特征在于，步骤1所述的利用激光位移传感器获取轮对踏面轮廓离散数据，具体为：在城轨车辆行进的轨道内外两侧低于钢轨位置分别安装第一激光位移传感器U1、第二激光位移传感器U2，该两个激光位移传感器与铅垂线均呈α角，第一激光位移传感器U1和第二激光位移传感器U2的激光发射面相交于同一平面，且该平面与水平面呈θ角，α、θ∈[42°,48°]；当城轨车辆通过激光位移传感器时，第一激光位移传感器U1和第二激光位移传感器U2分别探测到轮对踏面的不同位置，获取的离散点坐标分别为其中i、j分别为U1、第二激光位移传感器U2测得的离散点数编号，且i＝1,2,...,m，j＝1,2,...,n，m、n分别是第一激光位移传感器U1、第二激光位移传感器U2测得的离散点个数。3.根据权利要求1所述的城轨车辆轮对踏面轮廓曲线拟合方法，其特征在于，步骤2所述的将轮对踏面轮廓离散数据进行预处理，融合成轮对踏面轮廓，具体如下：(2.1)先将踏面离散数据进行坐标旋转，使传感器自身坐标系的纵轴平行于轮对内端面，根据式(1)、(2)进行离散数据坐标旋转：此时两激光位移传感器探测数据的坐标分别为(2.2)对原始的踏面数据进行消噪处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹康，邢宗义，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32