本发明涉及轨道运输技术领域，更具体地说，涉及一种轨道车轮系统。此外，本发明还涉及一种包括上述轨道车轮系统的轨道车辆。
背景技术：
在日常生活中，很多地方需要通过车辆与缆绳配合实现运输或其他工作，为了保证车辆与缆绳间的良好配合关系，通常车轮上都设计有与缆绳相适应的车轮槽，通过车轮槽与缆绳的配合可以保证车轮与缆绳之间的摩擦力，又可以保证车辆在缆绳上的横向稳定性。同时，也正是由于车轮槽与缆绳之间的这种约束配合关系，导致这种模式的车辆只能沿直线钢缆运行，无法实现转弯时的曲线运行，长距离状况下通常很难保证线路永远是直线形状，因而只能用于短距离的点对点直线运输。
综上所述，如何提供一种能够通过弯道的轨道车轮系统，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的是提供一种能够通过弯道的轨道车轮系统。本发明的另一目的是提供一种包括上述轨道车轮系统的轨道车辆。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种轨道车轮系统，包括用于与轨道配合连接的导向轮，所述导向轮与固定架转动连接，所述固定架上设置有用于获取所述轨道车轮系统当前位置与下一位置的相对偏转角的图像采集系统，所述图像采集系统与控制系统连接，所述固定架安装在转动系统的转轴上，所述控制系统根据所述图像采集系统发送的所述相对偏转角控制所述转动系统转动相应角度，以使所述导向轮旋转相应角度。
优选地，所述导向轮与设置于所述导向轮内部的轮毂电机连接，所述轮毂电机用于驱动所述导向轮沿所述轨道运动。
优选地，所述导向轮包括两块环形外板、分别与两块所述环形外板通过弹性部件连接的两块环形内板，以及与所述环形外板相连接以带动所述环形外板滚动的转轴，两块所述环形内板的间隙与所述转轴所形成的凹槽用于与所述轨道相匹配卡接。
优选地，所述弹性部件为压缩弹簧。
优选地，所述转动系统包括力矩电机，且所述力矩电机通过联轴器与所述固定架连接。
优选地，所述控制系统上设置有用于确定所述轨道车轮系统位置的定位系统。
优选地，所述定位系统为GPS。
优选地，所述图像采集系统包括采集系统和数据处理系统，所述采集系统用于获取所述轨道车轮系统当前位置与下一位置的图像，所述数据处理系统用于根据所述图像实时计算所述相对偏转角，且所述数据处理系统与所述控制系统在数据上相连接。
一种轨道车辆，包括车体，所述车体上设置有上述任一项所述的轨道车轮系统。
本发明提供的轨道车轮系统，包括导向轮，导向轮与固定架转动连接，固定架上设置有图像采集系统，图像采集系统用于获取轨道车轮系统当前位置与运行的下一位置的图像并以此进行实时计算得到前后位置的相对偏转角，图像采集系统与控制系统连接，将获取的相对偏转角传送至控制系统，控制系统可以根据相对偏转角控制转动系统转动相应角度，由于转动系统的旋转部位与固定架相连，而导向轮与固定架连接，因而导向轮能够随转动系统一同转动相应角度，从而通过弯道，当轨道车轮系统通过弯道时，能够实现导向轮的自动转向，由于设置有图像采集系统以及控制系统，本发明提供的轨道车轮系统可以通过不同曲率以及偏转角的弯道，因而可以连续长距离运行，扩展了该轨道车轮系统的应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的轨道车轮系统的结构示意图；
图2为本发明所提供的轨道车轮系统的弯道行驶图；
图3为发明所提供的轨道车辆的结构示意图。
图1-3中：
1为转动系统、2为联轴器、3为图像采集系统、4为轮毂电机、5为压缩弹簧、6为固定架、7为导向轮、8为车体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种能够通过弯道的轨道车轮系统。本发明的另一核心是提供一种包括上述轨道车轮系统的轨道车辆。
请参考图1-3，图1为本发明所提供的轨道车轮系统的结构示意图；图2为本发明所提供的轨道车轮系统的弯道行驶图；图3为本发明所提供的轨道车辆的结构示意图。
本发明所提供的轨道车轮系统，包括用于与轨道配合连接的导向轮7，导向轮7与固定架6转动连接，固定架6上设置有用于获取轨道车轮系统当前位置与下一位置的相对偏转角的图像采集系统3，图像采集系统3与控制系统连接，固定架6与转动系统1的旋转部分相连接，即与转动系统的转轴连接，控制系统根据图像采集系统3发送的相对偏转角控制转动系统1转动相应角度，以使带动导向轮7旋转相应角度。
可以理解的是，导向轮7与轨道配合连接，即导向轮7能够沿轨道移动，一般是在导向轮7上设置与轨道相匹配的凹槽，两者通过凹槽配合实现导向轮7的约束，当然，也可以采用其他方式实现两者的约束配合，例如在轨道上设置与导向轮7相匹配的卡槽。
其中，导向轮7与固定架6转动连接，具体是指导向轮7安装在固定架6上，并且可以沿轨道前后滚动，因而需要与固定架6转动连接，一般可以在固定架6上设置滚动轴承，导向轮7的转轴安装在滚动轴承中以实现滚动，当然，也可以采用其他连接方式，只要能够实现导向轮7沿轨道滚动的连接方式均可应用于本发明所提供的技术方案中。
图像采集系统3可以采集轨道车轮系统当前位置以及即将移动至的下一位置的图像，并根据图像实时计算出两位置之间的相对偏转角，即弯道的转角大小，并将相对偏转角发送给控制系统，控制系统够根据相对偏转角来控制转动系统旋转相应角度，当然，此处的转动角度是指水平方向的转动，即根据弯道的弯度进行左右转动。需要说明的是，图像采集系统3采集的图像应当是轨道，即轨道车轮系统当前位置的轨道图像以及轨道车轮系统即将移动至的、下一位置的轨道图像，或者，可选的，上述图像指的是与轨道方向相关的其他结构的图像，能够直观反映轨道当前和下一位置的结构、方向。上述下一位置指的是轨道车轮系统下一秒或下一时刻的位置。
本文所述图像采集系统进行的基于图像的偏转角计算原理具体为分别获取当前位置图像和下一位置图像，此处需要说明的是，下一位置图像和当前位置图像的拍摄角度需要保持一致，即二者均使用同一个面向轨道的角度进行拍摄，拍摄得到的轨道的差别仅为不同时刻车轮所处轨道位置。例如，可以在车辆的前方设置两个图像采集设备，如第一照相机和第二照相机，第一照相机设置在第二照相机的前方，也就是说，在t1时刻，第一照相机拍摄的图像为第二照相机在下一时刻将会拍摄到的图像。
图像采集系统包括采集系统和数据处理系统，采集系统用于获取轨道车轮系统当前位置与下一位置的图像，即上述照相机。
数据处理系统用于根据图像实时计算相对偏转角，且数据处理系统与控制系统在数据上相连接。
数据处理系统包括图像轮廓获取装置和夹角获取装置。
图像轮廓获取装置用于对图像进行灰度和二值化处理，得到图像的轮廓线。
夹角获取装置用于当前位置图像和下一位置图像各自的对轮廓线进行比较，得到二者的夹角，该夹角即为当前位置和下一位置之间轨道的偏转角。
具体地，数据处理系统可以为基于Matlab的控制器，可以进行如下假设：
image_1：图像采集系统采集到的当前位置图像；
image_2：图像采集系统采集到的下一位置图像；
image_1_gray：灰度处理后的当前位置图像；
image_2_gray：灰度处理后的下一位置图像；
A：表示图像中任意一点的像素矩阵；
Cx：表示x方向的卷积核；
Cy：表示y方向的卷积核；
C：表示二维平面内的卷积；
gradx：表示图像水平梯度；
grady：表示图像垂直梯度；
grad：表示图像的总梯度；
I：表示二值化后的图像；
M：表示图像的边界点坐标矩阵；
p：表示以物体边界矩阵拟合成的边界曲线；
则本专利的图像采集与偏转角实时计算系统的程序(基于matlab)基础架构如下：
img_1＝imread(‘image_1’)//读取当前位置图像；
img_2＝imread(‘image_2’)//读取下一位置图像；
Cx＝[-1,0,1；-2,0,2；-1,0,1]//x方向卷积核；
Cy＝[1,2,1；0,0,0；-1,-2,-1]//y方向卷积核；
image_1_gray＝rgb2gray(img_1)//灰度处理当前位置图像；
image_2_gray＝rgb2gray(img_2)//灰度处理下一位置图像；
gradx_1＝conv2(Cx,image_1,’full’)//计算当前位置图像水平方向梯度；
gradx_2＝conv2(Cx,image_2,’full’)//计算下一位置图像水平方向梯度；
grady_1＝conv2(Cy,image_1,’full’)//计算当前位置图像垂直方向梯度；
grady_2＝conv2(Cy,image_2,’full’)//计算下一位置图像垂直方向梯度；
grad1＝gradx_1+grady_1//计算当前位置图像总梯度；
grad2＝gradx_2+grady_2//计算下一位置图像总梯度；
I1＝im2bw(grad1)//将当前位置图像总梯度进行二值化处理；
I2＝im2bw(grad2)//将下一位置图像总梯度进行二值化处理；
M1＝find(I1＝＝1)//计算当前图像的边界点；
M2＝find(I2＝＝1)//计算下一图像的边界点；
p1＝ployfit(M1,1)//根据当前图像边界点信息拟合得到曲线函数；
p2＝ployfit(M2,1)//根据下一图像边界点信息拟合得到曲线函数；
θ＝atan(p2(1)-p1(1))//计算前后两条曲线的斜率差(角度差)；
θ即为下一个位置点相对于当前位置点的偏转角度。本发明提出的偏转角计算方法具有速度快、效率高、实时性好等优点，能够满足在线实时计算轨道车轮系统下一工作点的要求。
需要说明的是，上述图像采集系统中的数据处理系统可以对图片进行灰度处理、二值化处理和函数化处理等，因此，数据处理系统可以为可编程逻辑器件，或者为计算机等具有数据处理功能的部件。数据处理系统包括灰度处理单元、二值化处理单元和函数处理单元等，上述单元均可以有对应的电路结构或芯片结构。
由于转动系统1安装固定在车体上，而导向轮7与固定架6连接，导向轮7能够随转动系统1一同转动一定角度，从而通过弯道，当轨道车轮系统通过弯道时，能够实现导向轮7的自动转向，由于设置有图像采集系统3以及控制系统，本发明提供的轨道车轮系统可以通过不同曲率以及偏转角的弯道，可以连续长距离运行，扩展了该轨道车轮系统的应用范围。
在上述具体实施方式的基础上，本具体实施方式的导向轮7与设置于导向轮7内部的轮毂电机4连接，轮毂电机4用于驱动导向轮7沿轨道运动。
其中，轮毂电机4又称车轮内装电机，能够将动力、传动和制动装置整合到轮毂内，省略大量传动部件，使车辆结构更简单，因此将轨道车轮系统的机械部分大大简化。除了结构更为简单之外，采用轮毂电机4驱动的轨道车轮系统可以获得更好的空间利用率，同时提高了传动效率。
轮毂电机4为导向轮7提供驱动力，使其沿轨道向前或向后转动，从而实现整个轨道车轮系统的运动。
在关于导向轮7的一种具体实施方式中，导向轮7包括两块环形外板、分别与两块环形外板通过弹性部件连接的两块环形内板，以及与环形外板相连接以带动环形外板滚动的转轴，两块环形内板的间隙与转轴所形成的凹槽与轨道相匹配。
需要说明的是，导向轮7通过两块环形内板的间隙与转轴所形成的凹槽与轨道约束连接，因而在导向轮7运动时，会沿着轨道移动，为了进一步提高导向轮7与轨道连接的稳定性，环形外板通过弹性部件与环形内板连接，在导向轮7位于轨道上时，弹性部件处于压缩状态，弹性部件压缩与轨道相贴合的导向轮7的环形内板，使其能够夹紧轨道，提高了导向轮7在轨道上的稳定性。
同时，如图2所示，在轨道车轮系统通过弯道时，弹性部件能够根据弯道的弯度弹性调节环形内板的位置，使导向轮7可以实现通过弯道的功能，且更具平稳性。
在关于弹性部件的一种具体实施方式中，弹性部件为压缩弹簧5。其中，压缩弹簧5一般采用金属丝等节距盘绕，并且有固定的线径。压缩弹簧5利用自身被压缩时所具有的弹性势能夹紧轨道，可以采用圆柱形的压缩弹簧5，受力均匀，也可以采用圆锥形的弹簧，或者圆锥和直线型组合的弹簧，还可以采用正方形、长方形和特殊形状的金属丝制造出的压缩弹簧5，具体设置可以根据实际情况进行选择。
在上述具体实施方式的基础上，转动系统1包括力矩电机，且力矩电机通过联轴器2与固定架6连接。
需要说明的是，通常力矩电机的转动轴通过联轴器2与固定架6连接，联轴器2的具体型号尺寸根据力矩电机进行选择，控制系统可以控制力矩电机的转速以及所需的转动角度。
为了确定轨道车轮系统的大致位置，方便确定轨道车轮系统的精确位置，在本具体实施方式中，控制系统上设置有用于确定轨道车轮系统位置的定位系统。
需要说明的是，通过与轨道车轮系统的运行线路信息对比，定位系统能够确定系统目前在轨道上所处的位置，以及下一阶段即将进入的线路是直线段或者是曲线段，为控制系统精确控制系统的转向做准备。
在关于定位系统的一种具体实施方式中，其中，定位系统为GPS，即全球定位系统，可以通过卫星定位确定系统的大体位置。
在上述具体实施方式的基础上，本具体实施方式中的图像采集系统3包括采集系统和数据处理系统，采集系统用于获取轨道车轮系统当前位置与下一位置的图像，数据处理系统用于根据图像实时计算相对偏转角，且数据处理系统与控制系统连接。
其中，采集系统可以采用高清摄像头，通过采集系统来拍摄系统当前位置以及下一位置的图像，并将两图像发送给数据处理系统，数据处理系统计算两位置中轨道的相对偏转角，并将其发送给控制系统。
本发明所提供的轨道车轮系统能够自动通过弯道，其具体工作过程如下，首先，系统会根据预置的线路信息与全球定位系统的信息相比对，确定系统目前在轨道上所处的位置，以及下一阶段即将进入的线路是直线段或者是曲线段。
其次，图像采集系统3实时采集系统当前位置与下一位置的图像，并计算得到二者之间的相对偏转角。
然后，当相对偏转角小于某一设定的阈值时，可以近似认为系统仍然按直线前行；当相对偏转角大于某一设定的阈值时，则认为系统将沿曲线行驶，此时系统在转动系统1的带动下按弯道曲线的变化率以一定的速度进行偏转，导向轮7在转动系统1力矩及轨道的双重作用下压迫弹簧，以使得导向轮7与轨道在曲线段仍然能够保持两者之间的配合关系，如图2所示。图2中，C指示的位置为即将进入曲线的位置，B指示的位置为处于曲线之中的位置，A指示的位置为离开曲线的位置。
接着，当系统离开曲线段重新回到直线段时，导向轮7在转动系统1作用下往相反方向旋转一定角度，让导向轮7重新回到初始状态。
以上过程周而复始，直至系统到达终点。
除了上述轨道车轮系统，本发明还提供一种包括上述实施例公开的轨道车轮系统的轨道车辆，该轨道车辆包括车体8，车体8上设置有上述的轨道车轮系统。
在关于车体8与轨道车轮系统的一种连接方式中，轨道车轮系统通过其力矩电机固定在车体上，力矩电机转轴的运动带动固定架及与固定架相连接的导向轮等部件的运动。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的轨道车轮系统以及轨道车辆进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
技术特征：
1.一种轨道车轮系统，其特征在于，包括用于与轨道配合连接的导向轮(7)，所述导向轮(7)与固定架(6)转动连接，所述固定架(6)上设置有用于获取所述轨道车轮系统当前位置与下一位置的相对偏转角的图像采集系统(3)，所述图像采集系统(3)与控制系统连接，所述固定架(6)安装在转动系统(1)的转轴上，所述控制系统根据所述图像采集系统(3)发送的所述相对偏转角控制所述转动系统(1)转动相应角度，以使所述导向轮(7)旋转相应角度。
2.根据权利要求1所述的轨道车轮系统，其特征在于，所述导向轮(7)与设置于所述导向轮(7)内部的轮毂电机(4)连接，所述轮毂电机(4)用于驱动所述导向轮(7)沿所述轨道运动。
3.根据权利要求2所述的轨道车轮系统，其特征在于，所述导向轮(7)包括两块环形外板、分别与两块所述环形外板通过弹性部件连接的两块环形内板，以及与所述环形外板相连接以带动所述环形外板滚动的转轴，两块所述环形内板的间隙与所述转轴所形成的凹槽用于与所述轨道相匹配卡接。
4.根据权利要求3所述的轨道车轮系统，其特征在于，所述弹性部件为压缩弹簧(5)。
5.根据权利要求1所述的轨道车轮系统，其特征在于，所述转动系统(1)包括力矩电机，且所述力矩电机通过联轴器(2)与所述固定架(6)连接。
6.根据权利要求1所述的轨道车轮系统，其特征在于，所述控制系统上设置有用于确定所述轨道车轮系统位置的定位系统。
7.根据权利要求6所述的轨道车轮系统，其特征在于，所述定位系统为GPS。
8.根据权利要求1至7任一项所述的轨道车轮系统，其特征在于，所述图像采集系统(3)包括采集系统和数据处理系统，所述采集系统用于获取所述轨道车轮系统当前位置与下一位置的图像，所述数据处理系统用于根据所述图像实时计算所述相对偏转角，且所述数据处理系统与所述控制系统在数据上相连接。
9.一种轨道车辆，其特征在于，包括车体(8)，所述车体(8)上设置有权利要求1至8任一项所述的轨道车轮系统。
技术总结
本发明公开了一种轨道车轮系统，包括用于与轨道配合连接的导向轮，导向轮与固定架转动连接，固定架上设置有用于获取轨道车轮系统当前位置与下一位置的相对偏转角的图像采集系统，图像采集系统与控制系统连接，固定架安装在转动系统的转轴上，控制系统根据图像采集系统发送的相对偏转角控制转动系统转动相应角度，以使导向轮旋转相应角度。本发明提供的轨道车轮系统可以通过不同曲率以及偏转角的弯道，可以连续长距离运行，扩展了该轨道车轮系统的应用范围。本发明还公开了一种包括上述轨道车轮系统的轨道车辆。
技术研发人员：索建国;蒋济雄;叶彪;蒋忠城
受保护的技术使用者：中车株洲电力机车有限公司
技术研发日：.05.23
技术公布日：.08.09
