CN102159954B - 基于图像处理的比例绘图器的铅垂加速度测定装置以及测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于图像处理的比例绘图器的铅垂加速度测定装置以及测定方法。在利用安装在车辆上的线性传感器照相机(1)对比例绘图器进行摄像，通过图像处理部(2)根据所摄像的图像对比例绘图器的铅垂加速度进行测定的装置中，图像处理部(2)具备：输入由线性传感器照相机(1)所摄像的比例绘图器的测定点处的图像的图像输入部(21)；通过对由所输入的图像构成的线性传感器图像实施图像处理而求出线性传感器图像上的比例绘图器的位置的比例绘图器位置检测部(23)；以及根据线性传感器图像上的比例绘图器的位置、预先求出的1个或者2个以上的传递函数以及比例绘图器的偏位位置计算出比例绘图器的与触轮线的接触点处的铅垂加速度的比例绘图器铅垂加速度计算部(24)，所以能够通过小型的装置高精度地测量比例绘图器的铅垂加速度。

Description

基于图像处理的比例绘图器的铅垂加速度测定装置以及测定方法
技术领域
本发明涉及基于图像处理的比例绘图器的铅垂加速度测定装置以及测定方法，特别涉及利用一台线性传感器对设置在行驶中的车辆中上的比例绘图器的举动进行摄像，根据基于图像处理而检测出的测定点的比例绘图器的铅垂方向的加速度(以下，称为铅垂加速度)，对加振点处的比例绘图器的铅垂加速度进行测定的基于图像处理的比例绘图器的铅垂加速度测定装置以及测定方法。 
背景技术
如果固定在地上的触轮(trolley)线由于热膨胀、风压而相对设置在电气铁道的车辆的天棚上的比例绘图器下降，则有时将行驶中的比例绘图器向铅垂下方按压到规定的高度以下，而触轮线与比例绘图器离线。这样的触轮线与比例绘图器的离线造成触轮线的异常磨损，所以以使比例绘图器的铅垂加速度成为一定值的方式架设触轮线，以实现触轮线的长寿命化。 
而且，以往，作为对这样的比例绘图器的铅垂加速度进行测定的方法，已知将多个加速度传感器安装到比例绘图器上而对比例绘图器的铅垂加速度进行测定的方法(例如，参照下述非专利文献1、下述专利文献1)、以及通过设置在电车的天棚上的线性传感器照相机对比例绘图器的上下举动进行摄像、并对该图像进行处理而测量比例绘图器的铅垂加速度的方法(例如，参照下述专利文献2、3)。 
专利文献1：日本特开2003-156397号公报 
专利文献2：日本特开2006-250774号公报 
专利文献3：日本特开2003-341389号公报 
非专利文献1：岩井中、佐藤、出野、「パンタグラフ接触力測定システムの開発とデ一タの活用」、JR EAST Technical Review-No.10、p.68-72 
发明内容
但是，在所述的使用加速度传感器的方法中，由于在特高压2.5kV的比例绘图器上安装加速度传感器，所以不将加速度传感器的输出原样地取入到车内，而通过遥测仪或者光缆传送加速度传感器的输出。在通过遥测仪传送的情况下存在需要更换电源电池这样的问题。另外，在通过光缆传送的情况下存在稳定度的问题、由于温度引起的输出值漂移的降低等问题。 
另外，在使用线性传感器照相机的方法中，具有能够非接触地测量比例绘图器的上下举动值的优点，但由于在远离比例绘图器与触轮线的接触点(加振点)的一个位置进行测量，所以存在测定精度恶化这样的问题。另外，如果为了提高精度而安装多个线性传感器照相机，则存在装置变得大型化这样的问题。 
由此，本发明的目的在于提供一种基于图像处理的比例绘图器的铅垂加速度测定装置以及测定方法，能通过小型的装置高精度地测量比例绘图器的铅垂加速度。 
为了解决所述课题，第1发明提供一种基于图像处理的比例绘图器铅垂加速度测定装置，利用安装在车辆上的线性传感器照相机对比例绘图器进行摄像，根据所摄像的图像，通过图像处理部对比例绘图器的铅垂加速度进行测定，其特征在于，图像处理部具备：图像输入单元，输入由线性传感器照相机摄像的比例绘图器的测定点处的图像；比例绘图器位置检测单元，通过对由所输入的图像构成的线性传感器图像实施图像处理，求出线性传感器图像上的比例绘图器的位置；以及比例绘图器铅垂加速度计算单元，根据线性传感器图像上的比例绘图器的位置、预先求出的1个或者2个以上的传递函数以及比例绘图器的偏位位置，计算出比例绘图器的与触轮线的接触点处的铅垂加速 度。 
第2发明的基于图像处理的比例绘图器铅垂加速度测定装置在第1发明的基于图像处理的比例绘图器铅垂加速度测定装置中，其特征在于，图像处理部具备传递函数计算单元，该传递函数计算单元根据从在1个或者2个以上的加振点处对比例绘图器施加了铅垂方向的振动时的线性传感器图像上的比例绘图器的位置导出的铅垂加速度以及1个或者2个以上的加振点处的比例绘图器的铅垂加速度，计算出传递函数。 
第3发明的基于图像处理的比例绘图器铅垂加速度测定装置在第1发明的基于图像处理的比例绘图器铅垂加速度测定装置中，其特征在于，将线性传感器照相机设置在方向转台上从而能够调整朝向。 
第4发明提供一种基于图像处理的比例绘图器铅垂加速度测定方法，通过安装在车辆上的线性传感器照相机对比例绘图器进行摄像，根据所摄像的图像，通过图像处理部对比例绘图器的铅垂加速度进行测定，其特征在于，从线性传感器照相机输入图像数据，对由所输入的图像数据构成的线性传感器图像与预先登记的模式匹配用模型进行比较，而对线性传感器图像上的测定点处的比例绘图器的位置进行检测，根据基于所检测出的比例绘图器的线性传感器图像上的位置而求出的铅垂加速度、预先求出的1个或者2个以上的传递函数、以及比例绘图器的偏位位置，计算出比例绘图器的与触轮线的接触点处的铅垂加速度。 
第5发明的基于图像处理的比例绘图器铅垂加速度测定方法在第4发明的基于图像处理的比例绘图器铅垂加速度测定方法中，其特征在于，对比例绘图器向1个或者2个以上的加振点施加铅垂方向的振动，同时通过线性传感器照相机对比例绘图器的测定点进行摄像，根据1个或者2个以上的加振点处的比例绘图器的铅垂加速度以及由所摄像的图像构成的线性传感器图像上的测定点处的比例绘图器的铅垂加速度，计算出传递函数。 
根据第1发明的基于图像处理的比例绘图器铅垂加速度测定装 置，通过安装在车辆上的线性传感器照相机对比例绘图器进行摄像，根据所摄像的图像，通过图像处理部对比例绘图器的铅垂加速度进行测定，其中图像处理部具备：图像输入单元，输入由线性传感器照相机摄像的比例绘图器的测定点处的图像；比例绘图器位置检测单元，通过对由所输入的图像构成的线性传感器图像实施图像处理，求出线性传感器图像上的比例绘图器的位置；以及比例绘图器铅垂加速度计算单元，根据线性传感器图像上的比例绘图器的位置、预先求出的1个或者2个以上的传递函数以及比例绘图器的偏位位置，计算出比例绘图器的与触轮线的接触点处的铅垂加速度，所以能够通过小型的装置非接触并且一边积蓄测量结果一边高精度地测量比例绘图器的与触轮线的接触点处的铅垂加速度。 
根据第2发明的基于图像处理的比例绘图器铅垂加速度测定装置，由于其中图像处理部具备传递函数计算单元，该传递函数计算单元根据从在1个或者2个以上的加振点处对比例绘图器施加了铅垂方向的振动时的线性传感器图像上的比例绘图器的位置导出的铅垂加速度以及1个或者2个以上的加振点处的比例绘图器的铅垂加速度，计算出传递函数，所以能够利用一个装置进行传递函数的计算和比例绘图器的与触轮线的接触点处的铅垂加速度的测定，便利性提高。 
根据第3发明的基于图像处理的比例绘图器铅垂加速度测定装置，由于将线性传感器照相机设置在方向转台上而构成为能够调整朝向，所以能够以使测定点成为能够对比例绘图器的清晰的图像进行摄影的位置的方式进行调整，能够降低误检测比例绘图器的可能性。 
根据第4发明的基于图像处理的比例绘图器铅垂加速度测定方法，由于通过安装在车辆上的线性传感器照相机对比例绘图器进行摄像，根据所摄像的图像，通过图像处理部对比例绘图器的铅垂加速度进行测定，从线性传感器照相机输入图像数据，对由所输入的图像数据构成的线性传感器图像与预先登记的模式匹配用模型进行比较，而对线性传感器图像上的测定点处的比例绘图器的位置进行检测，根据基于所检测出的比例绘图器的线性传感器图像上的位置求出的铅垂加 速度、预先求出的1个或者2个以上的传递函数、比例绘图器的偏位位置，计算出比例绘图器的与触轮线的接触点处的铅垂加速度，所以能够通过小型的装置非接触并且一边积蓄测量结果，一边高精度地测定比例绘图器的与触轮线的接触点处的铅垂加速度。 
根据第5发明的基于图像处理的比例绘图器铅垂加速度测定方法，由于对比例绘图器向1个或者2个以上的加振点施加铅垂方向的振动，同时通过线性传感器照相机对比例绘图器的测定点进行摄像，根据1个或者2个以上的加振点处的比例绘图器的铅垂加速度以及由所摄像的图像构成的线性传感器图像上的测定点处的比例绘图器的铅垂加速度，计算出传递函数，所以能够利用一个装置进行传递函数的计算和比例绘图器的与触轮线的接触点处的铅垂加速度的测定，便利性提高。 
附图说明
图1是示出本发明的实施例1的基于图像处理的比例绘图器的铅垂加速度测定装置的概略结构图。 
图2是示出本发明的实施例1的基于图像处理的比例绘图器的铅垂加速度测定装置的图像处理部的结构的框图。 
图3是示出本发明的实施例1的图像处理部中的处理流程的流程图。 
图4是示出通过本发明的实施例1的线性传感器照相机得到的线性传感器图像的一个例子的说明图。 
图5是示出本发明的实施例1的模式匹配用模型的一个例子的说明图。 
图6是示出本发明的实施例2的基于图像处理的比例绘图器的铅垂加速度测定装置的概略结构图。 
具体实施方式
在以下所示的实施例中详细说明本发明的实施方式。 
实施例1 
根据图1至图5对本发明的第1的实施例进行详细说明。图1是示出本实施例的基于图像处理的比例绘图器的铅垂加速度测定装置的概略构造图，图2是示出本实施例的基于图像处理的比例绘图器的铅垂加速度测定装置的图像处理部的结构的框图，图3是示出本实施例的图像处理部中的处理流程的流程图，图4是示出线性传感器图像的一个例子的说明图，图5是示出模式匹配用模型的一个例子的说明图。 
如图1所示，在本实施例中，基于图像处理的比例绘图器的铅垂加速度测定装置由线性传感器照相机1和图像处理部2构成。 
线性传感器照相机1设置在搭载了比例绘图器31的车辆3的天棚上。该线性传感器照相机1以使光轴朝向斜向上方的方式设定其仰角，作为测定点Ps对比例绘图器31的规定的位置进行摄像。该线性传感器照相机1的扫描线方向被设定为与比例绘图器31正交。即，扫描线方向被设定为铅垂方向。 
另外，在本实施例中，图像处理部2主要进行传递函数计算处理和铅垂加速度计算处理，如图2所示，具备图像输入部21、图像记录部22、比例绘图器位置检测部23、传递函数计算部24、数据记录部25以及比例绘图器铅垂加速度计算部26。 
作为图像输入单元的图像输入部21是以规定的一定时间间隔输入由线性传感器照相机1所摄像的图像的单元。图像记录部22是保存由图像输入部21所输入的图像数据的单元。另外，在该图像记录部22中保存有预先登记的模式匹配用的模型即模式匹配用模型。 
作为比例绘图器位置检测单元的比例绘图器位置检测部23是如下单元：对将图像记录部22中保存的图像数据时序地排列而成的线性传感器图像(参照图4)与所述模式匹配用模型进行比较，从背景12提取线性传感器图像上的比例绘图器的轨迹11，并求出线性传感器图像上的比例绘图器31的位置。 
作为传递函数计算单元的传递函数计算部24使用在加振点处对比例绘图器31施加了铅垂方向的振动时的、线性传感器图像上的比例绘图器的轨迹11的举动、以由线性传感器照相机1正在摄像的测定点Ps的位置为x＝0时的加振点Pw的位置(x＝xw)、以及加振点Pw处的比例绘图器31的铅垂加速度，计算用于根据测定点Ps处的比例绘图器31的铅垂加速度导出加振点Pw处的比例绘图器31的实际的铅垂加速度的传递函数H(ω、x)。 
数据记录部25是如下单元：保存对在比例绘图器位置检测部23中检测出的线性传感器图像上的比例绘图器的轨迹11的位置进行二阶微分而得到的铅垂加速度y(t)、在传递函数计算部24中计算出的传递函数H(ω、x)、以及由后述比例绘图器铅垂加速度计算部26求出的比例绘图器31的铅垂加速度u(t)等。 
作为比例绘图器铅垂加速度计算单元的比例绘图器铅垂加速度计算部26是基于在传递函数计算部23中计算出的传递函数H(ω、x)、和触轮线4(加振点Pw)的偏位位置x(＝xw)，计算出比例绘图器31的与触轮线4的接触点处的铅垂加速度U(ω、x)的单元。 
以下，根据图3，对由本实施例的基于图像处理的比例绘图器的铅垂加速度测定装置的图像处理部2求出比例绘图器31的加振点Pw处的铅垂加速度u(t)的处理流程进行说明。 
如图3所示，在图像处理部2中，首先登记如图5所示那样的模式匹配用的模型(步骤S1)，接下来进行计算传递函数H(ω、x)的处理(步骤S2)。 
传递函数H(ω、x)的计算如以下那样进行。 
首先，由线性传感器照相机1对比例绘图器31的规定的位置Ps进行摄像而作为测定点，另一方面，将距该测定点Ps已知的距离xw的位置作为加振点Pw而在此施加铅垂方向的振动，利用未图示的加速度传感器对此时的比例绘图器31的加振点Pw处的铅垂加速度u(t)进行测量。 
此时，在图像处理部2的图像输入部21中以规定的一定时间间隔输入由线性传感器照相机1所摄像的图像，并将其保存在图像记录部22中。接下来，在比例绘图器位置检测部23中对从图像记录部22 取出的线性传感器图像与预先登记的模式匹配用模型进行比较而提取线性传感器图像上的比例绘图器的轨迹11，对线性传感器图像上的比例绘图器31的位置进行检测。 
然后，在传递函数计算部24中，使用对比例绘图器31的加振点Pw处的铅垂加速度u(t)和由比例绘图器位置检测部23求出的线性传感器图像上的比例绘图器31的位置进行二阶微分而得到的铅垂加速度y(t)，通过下式(1)计算出传递函数H(ω、x)。 
H(ω)＝Y(ω)/U(ω)…(1) 
其中，Y(ω)、H(ω)、U(ω)分别表示线性传感器图像上的比例绘图器31的铅垂加速度y(t)、传递函数h(t)、实际的比例绘图器31的铅垂加速度u(t)的傅立叶变换。 
此处，对加振点Pw施加了振动时的线性传感器图像上的比例绘图器31的测定点Ps处的铅垂加速度y(t)、传递函数h(t)、加振点Pw处的比例绘图器31的铅垂加速度u(t)的关系利用下式(2)表示。 
[数学式1] 
y(t)＝∫h(t)u(t)dt…(2) 
然后，根据该上式(2)得到下式(3)。 
Y(ω)＝H(ω)·U(ω)…(3) 
根据该式(3)得到所述式(1)。 
另外，该传递函数H(ω、x)根据比例绘图器31的期望的振动模式而个数不同，在希望求出一次模式的情况下例如以比例绘图器31的中央(x＝x0)为加振点而求出一个传递函数H0(ω、x)，在希望求出二次模式的情况下例如以比例绘图器31的左右的二点为加振点(x＝x1、x2)而求出二个传递函数H1(ω、x)、H2(ω、x)等即可。所计算出的传递函数H(ω、x)保存在数据存储部25中。另外，此处所称的一次模式、二次模式相当于例如所述专利文献1的图3及其说明中记载的振动模式3(弯曲1次模式)、振动模式4(弯曲2次模式)。 
接下来，在车辆的行驶中利用线性传感器照相机1对比例绘图器31的测定点Ps进行摄像，通过图像输入部21而以规定的一定时间间隔输入所摄像的图像，并保存在图像记录部22中(步骤S3)。 
接下来，在比例绘图器位置检测部23中从图像记录部22取出线性传感器图像和预先登记的模式匹配用模型，对它们进行比较而提取线性传感器图像上的比例绘图器的轨迹11(步骤S4)，对线性传感器图像上的比例绘图器31的位置进行检测(步骤S5)。 
之后，在比例绘图器铅垂加速度计算部26中，通过已知的手法另外求出触轮线4(加振点Pw)的偏位位置，使用和与其最接近的位置对应的传递函数Hn(ω、x)、根据线性传感器图像上的比例绘图器31的位置的变化求出的位置Ps处的铅垂加速度y(t)，进行基于下式(4)的运算。 
U(ω、x)＝Y(ω)/H(ω、x)…(4) 
由此，得到触轮线4(加振点Pw)的偏位位置处的铅垂加速度u(t)(步骤S6)。 
根据所述本实施例的基于图像处理的比例绘图器的铅垂加速度测定装置以及测定方法，使用传递函数来计算出加振点的加速度，所以能够根据由线性传感器照相机1所摄像的比例绘图器31的测定点Ps的举动，高精度地求出触轮线4(加振点Pw)的偏位位置处的比例绘图器31的铅垂加速度。 
另外，在本实施例中示出了在求传递函数时使用模式匹配用模型对图像上的比例绘图器31的位置进行检测的例子，但对图像上的比例绘图器的位置进行检测的方法不限于所述方法，例如，也可以使用日本特开2006-250774号公报记载的方法。另外，在本实施例中示出了在图像处理部2中设置图像记录部22的例子，但当然可以在不脱离本发明的要旨的范围内进行各种变更，例如即时处理由线性传感器照相机1所摄像的图像而对比例绘图器的轨迹11进行检测，实时地输出比例绘图器铅垂加速度等。 
实施例2 
根据图6说明本发明的第2实施例。图6是示出本实施例的基于图像处理的比例绘图器的铅垂加速度测定装置的概略构造图。 
如图6所示，在本实施例中，将所述实施例1的线性传感器照相机1设置在图6所示的方向转台5上。通常，比例绘图器31的中心部由于触轮线滑动而附着铁粉等，从而成为发黑的状态。因此，特别是在夜间进行测量那样的情况下，难以区分背景和比例绘图器31，在提取比例绘图器31的轨迹时有可能产生误检测。 
因此，在本实施例中，能够以一边阅览线性传感器照相机1的实际图像，一边使线性传感器照相机1对例如比例绘图器31的角31a等比例绘图器31的清晰的影像进行摄像的方式，将线性传感器照相机1设置在方向转台5上而调整该线性传感器照相机1的朝向。其他结构与图1至图3所示的所述结构大致相同，对起到同一作用的部件附加同一符号，省略重复的说明。 
根据本实施例的基于图像处理的比例绘图器的铅垂加速度测定装置以及测定方法，能够可靠地提取比例绘图器31的轨迹，所以除了实施例1的效果以外，还能够更高精度地测量触轮线4(加振点Pw)的偏位位置处的比例绘图器31的铅垂加速度。 
产业上的可利用性 
本发明能够应用于基于图像处理的比例绘图器的铅垂加速度测定装置以及测定方法。 

Claims (5)

1.一种基于图像处理的比例绘图器铅垂加速度测定装置，由线性传感器照相机和图像处理部构成，利用安装在车辆上的线性传感器照相机对比例绘图器进行摄像，根据所摄像的图像，通过图像处理部对比例绘图器的铅垂方向的加速度进行测定，其特征在于，
所述图像处理部具备：
图像输入单元，输入由所述线性传感器照相机所摄像的所述比例绘图器的测定点处的图像；
比例绘图器位置检测单元，通过对由所输入的所述图像构成的线性传感器图像实施图像处理，求出所述线性传感器图像上的所述比例绘图器的位置；以及
比例绘图器铅垂加速度计算单元，根据所述线性传感器图像上的比例绘图器的位置、预先求出的1个或者2个以上的传递函数以及所述比例绘图器的偏位位置，计算出所述比例绘图器的与触轮线的接触点处的铅垂方向的加速度。
2.根据权利要求1所述的基于图像处理的比例绘图器铅垂加速度测定装置，其特征在于，
所述图像处理部还具备传递函数计算单元，该传递函数计算单元从根据在1个或者2个以上的加振点处对所述比例绘图器施加了铅垂方向的振动时的所述线性传感器图像上的所述比例绘图器的位置所导出的铅垂方向的加速度以及所述加振点处的所述比例绘图器的铅垂方向的加速度，计算出所述传递函数。
3.根据权利要求1所述的基于图像处理的比例绘图器铅垂加速度测定装置，其特征在于，
将所述线性传感器照相机设置在方向转台上从而能够调整朝向。
4.一种基于图像处理的比例绘图器铅垂加速度测定方法，利用安装在车辆上的线性传感器照相机对比例绘图器进行摄像，根据所摄像的图像，通过图像处理部对比例绘图器的铅垂方向的加速度进行测定，其特征在于，
从所述线性传感器照相机输入图像数据，
对由所输入的所述图像数据构成的线性传感器图像与预先登记的模式匹配用模型进行比较，而对线性传感器图像上的测定点处的比例绘图器的位置进行检测，
根据基于所检测出的比例绘图器在线性传感器图像上的位置而求出的铅垂方向的加速度、预先求出的1个或者2个以上的传递函数、以及所述比例绘图器的偏位位置，计算出所述比例绘图器的与触轮线的接触点处的铅垂方向的加速度。
5.根据权利要求4所述的基于图像处理的比例绘图器铅垂加速度测定方法，其特征在于，
对于所述比例绘图器向1个或者2个以上的加振点处施加铅垂方向的振动，并且通过所述线性传感器照相机对所述比例绘图器的测定点进行摄像，根据所述加振点处的比例绘图器的铅垂方向的加速度以及由所摄像的图像构成的线性传感器图像上的所述测定点处的比例绘图器的铅垂方向的加速度，计算出所述传递函数。
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