CN113853515B

CN113853515B - 运动物体的应力分析装置

Info

Publication number: CN113853515B
Application number: CN202080037653.0A
Authority: CN
Inventors: 入江庸介
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-05-30
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2024-03-19
Anticipated expiration: 2040-03-27
Also published as: JP7170217B2; EP3964812A1; JP7113359B2; JPWO2020241031A1; JP2022111166A; EP3964812A4; TW202046702A; US20220082460A1; WO2020241031A1; CN113853515A

Abstract

提供一种能够测定行驶中的电车等运动物体的应力分布的应力分析装置。运动物体的应力分析装置具备：红外线摄像机，其一边相对于运动物体进行相对移动，一边拍摄运动物体的红外线图像；以及图像处理部，其对利用红外线摄像机得到的多个红外线图像进行图像处理，该图像处理部包括：位置对准部，其针对包含运动物体所包括的对象物的各红外线图像，在各红外线图像中对对象物的各部分进行位置对准；以及应力分布运算部，其计算对象物的各部分的温度变化，得到基于温度变化的在对象物的各部分的应力分布。

Description

运动物体的应力分析装置

技术领域

本发明涉及一种使用了红外线图像的运动物体的应力分析装置。

背景技术

针对产生于高速公路的桥梁等固定的构造物的应力分布，本发明的发明人已提出了一种使用红外线图像来进行测定的技术(例如参照专利文献1。)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2017/141294号

发明内容

发明要解决的问题

但是，针对电车等运动物体，虽然能够使用应力传感器等传感器来求出若干个部位的应力，但是无法针对行驶中的电车的车轮等的整体求出应力分布。

因此，本发明的目的在于提供一种能够测定行驶中的电车等运动物体的应力分布的应力分析装置。

用于解决问题的方案

本发明所涉及的运动物体的应力分析装置具备：

红外线摄像机，其一边相对于运动物体进行相对移动，一边拍摄所述运动物体的红外线图像；以及

图像处理部，其对利用所述红外线摄像机得到的多个红外线图像进行图像处理，所述图像处理部包括：

位置对准部，其针对包含所述运动物体所包括的对象物的各红外线图像，在各红外线图像中对所述对象物的各部分进行位置对准；以及

应力分布运算部，其计算所述对象物的各部分的温度变化，得到基于所述温度变化的在所述对象物的所述各部分的应力分布。

发明的效果

根据本发明所涉及的运动物体的应力分析装置，能够测定行驶中的电车等运动物体的应力分布。

附图说明

图1是示出实施方式1所涉及的运动物体的应力分析装置的结构的概要图。

图2A是时间t1时的电车的红外线图像。

图2B是时间t2时的电车的红外线图像。

图2C是时间t3时的电车的红外线图像。

图3A是从位置校正后的红外线图像截取出电车的转向架的后方车轮周边的部分的框所得到的图。

图3B是示出图3A的框中的特定部位的温度变化的图表。

图3C是基于图3B的规定时间范围内的温度差的应力分布。

图4A是从位置校正后的红外线图像截取出电车的转向架的前后车轮之间的后方侧周边的部分的框所得到的图。

图4B是示出图4A的框中的特定部位的温度变化的图表。

图4C是基于图4B的规定时间范围内的温度差的应力分布。

图5A是从位置校正后的红外线图像截取出电车的转向架的前后车轮之间的中央侧周边的部分的框所得到的图。

图5B是示出图5A的框中的特定部位的温度变化的图表。

图5C是基于图5B的规定时间范围内的温度差的应力分布。

图6A是从位置校正后的红外线图像截取出电车的转向架的前后车轮之间的前方侧周边的部分的框所得到的图。

图6B是示出图6A的框中的特定部位的温度变化的图表。

图6C是基于图6B的规定时间范围内的温度差的应力分布。

图7A是从位置校正后的红外线图像截取出电车的转向架的前方车轮周边的部分的框所得到的图。

图7B是示出图7A的框中的特定部位的温度变化的图表。

图7C是基于图7B的规定时间范围内的温度差的应力分布。

图8A是示出位置校正后的电车的转向架的后方车轮周边的部分的特定部位的温度变化的图表。

图8B是示出电车的转向架的前后车轮之间的后方侧周边的部分的特定部位的温度变化的图表。

图8C是示出电车的转向架的前后车轮之间的中央侧周边的部分的特定部位的温度变化的图表。

图8D是示出电车的转向架的前后车轮之间的前方侧周边的部分的特定部位的温度变化的图表。

图8E是示出电车的转向架的前方车轮周边的部分的特定部位的温度变化的图表。

图9是将图8A至图8E的图表重叠而得到的图表。

图10是包含作为对象物的电车的转向架的红外线图像。

图11是包含图10的作为对象物的电车的转向架的部分的应力分布图像。

图12是实施方式1所涉及的运动物体的应力分析方法的流程图。

具体实施方式

第一方式所涉及的运动物体的应力分析装置具备：

关于第二方式所涉及的运动物体的应力分析装置，也可以是，在上述第一方式中，所述位置对准部将1个红外线图像在与进行相对移动的方向垂直的方向上分割为多个矩形形状的框，关于所述框，通过与所述多个红外线图像分别进行关于所述运动物体所包括的所述对象物的所述各部分的预先设定的特征部分的图案匹配来进行所述各部分的位置对准，并确定所述多个红外线图像中与所述框共通的各框。

关于第三方式所涉及的运动物体的应力分析装置，也可以是，在上述第二方式中，所述应力分布运算部得到包含所述多个红外线图像中共通的所述各框的连续的时间间隔的整个期间的、基于以所述各框的差计算出的所述各部分的温度变化的在所述对象物的所述各部分的应力分布。

关于第四方式所涉及的运动物体的应力分析装置，也可以是，在上述第三方式中，所述应力分布运算部基于所述连续的时间间隔中所述各框中的所述各部分的最高温度与最低温度之间的温度差，来得到应力分布。

关于第五方式所涉及的运动物体的应力分析装置，也可以是，在上述第一方式～第四方式中的任一个方式中，所述红外线摄像机被固定。

下面，参照附图来说明实施方式所涉及的运动物体的应力分析装置以及应力分析方法。此外，在附图中对实质上相同的构件标注相同的附图标记。

(实施方式1)

<运动物体的应力分析装置>

图1是示出实施方式1所涉及的运动物体的应力分析装置10的结构的概要图。此外，为了便于说明，将运动物体1的行进方向表示为x方向，将铅垂方向表示为z方向。

实施方式1所涉及的运动物体的应力分析装置10具备：红外线摄像机20，其拍摄运动物体1的红外线图像；以及图像处理部30，其对利用红外线摄像机20得到的多个红外线图像进行图像处理。红外线摄像机20一边相对于运动物体1进行相对移动，一边拍摄运动物体1的红外线图像。图像处理部30包括位置对准部35a和应力分布运算部35b。由位置对准部35a针对包含运动物体1所包括的对象物的各红外线图像，在各红外线图像中对对象物的各部分进行位置对准。由应力分布运算部计算对象物的各部分的温度变化，得到基于温度变化的在对象物的各部分的应力分布。此外，作为运动物体1，在图1中示出了车辆(电车)的例子，但是不限于此，也可以是汽车、起重机等。另外，运动物体的移动方向不限于水平方向，也可以是垂直方向。

根据该应力分析装置，能够测定行驶中的电车等运动物体的应力分布。

下面说明构成该运动物体的应力分析装置的各构件。

<红外线摄像机>

红外线摄像机20具有多个像素，例如具有320×256个像素，一边相对于运动物体1进行相对移动，一边遍及整个规定的视野6地拍摄运动物体1的红外线图像。拍摄是以规定的帧率进行的，例如以100Hz～3000Hz(100张/秒～3000张/秒)来进行拍摄。此外，上述红外线摄像机的特性仅是一例，红外线摄像机的特性不限定于此。

此外，红外线摄像机20有至少1台即可。为了增加帧数也可以使用2台以上的红外线摄像机，但是在该情况下，期望针对由各红外线摄像机拍摄到的红外线图像进行位置对准。

另外，也可以使用多台红外线摄像机20，来同时拍摄电车等运动物体1上的多个不同的视野的红外线图像。

另外，红外线摄像机20只要相对于运动物体1进行相对移动即可。因此，红外线摄像机20也可以被固定。或者，也可以使红外线摄像机20向与电车的行驶方向相同的方向移动。由此，能够增加针对电车的同一部分的红外线图像。

图2A是时间t1时的电车1的红外线图像12a。图2B是时间t2时的电车1的红外线图像12b。图2C是时间t3时的电车1的红外线图像12c。

如图2A至图2C所示，可知与红外线摄像机20的视野6对应的红外线图像12a～12c随着时间t1、时间t2、时间t3的前进而与电车1的行驶相应地变化。具体来说，在时间t1的图2A中，在红外线图像12a中拍摄到包括2个动轮的转向架整体。在下一个时间t2的图2B中，前方的动轮不在红外线图像12b中，在红外线图像12b的中央拍摄到后方的动轮。在再下一个时间t3的图2C中，在红外线图像12c的前侧的端部拍摄到后方的动轮。红外线摄像机20也可以被设置为与运动物体1隔开距离。由此，使运动物体1的多的部分包含在视野6中。或者，也可以将红外线摄像机20设置在运动物体1附近。由此，能够提高分辨率。

在这些红外线图像中，例如用16级的灰度的深浅来表示温度的高低，越接近白色则表示温度越高，越接近黑色则表示温度越低。此外，在红外线图像中，与可视图像不同，仅通过形状的差异难以进行判别，温度差越大则越能够以深浅进行识别。

<图像处理部(计算机装置)>

由图像处理部30对多个红外线图像进行图像处理。图像处理部30例如是计算机装置。作为该计算机装置，能够使用通用的计算机装置，例如图1所示，包括处理部31、存储部32以及显示部33。此外，也可以还包括输入装置、存储装置、接口等。

<处理部>

处理部31是例如中央处理运算器(CPU、MPU等)、微型计算机或者能够执行计算机可执行的命令的处理装置即可。

<存储部>

存储部32例如可以是ROM、EEPROM、RAM、闪存SSD、硬盘、USB存储器、磁盘、光盘以及磁光盘等中的至少一者。

存储部32中包含程序35。此外，图像处理部30在被连接于网络的情况下，也可以根据需要来从网络下载程序35。

<程序>

程序35中包含位置对准部35a和应力分布运算部35b。位置对准部35a及应力分布运算部35b在被执行时被从存储部32读取，并由处理部31执行。

<位置对准部>

由位置对准部35a针对包含运动物体所包括的对象物的各红外线图像12a～12c，在各红外线图像中对对象物的各部分进行位置对准。具体来说，如图3A、图4A、图5A、图6A及图7A所示，将红外线图像12a在与进行相对移动的方向垂直的方向上分割为多个矩形形状的框14a～14e。也可以预先在程序中规定分割为框14a～14e。或者，也可以利用程序来截取框。各框具有能够提取特征量的最小限度的像素数。

另外，关于框14a～14e，通过与多个红外线图像12a～12c分别进行关于运动物体即电车所包括的对象物的各部分例如图1的转向架2、车轮4等预先设定的特征部分的图案匹配，来进行各部分(转向架2、车轮4等)的位置对准(位置校正)。例如，由于旋转的车轮4等的温度比较高，因此包含车轮4与转向架2的边界的形状能够作为特征部分被检测出来。此外，由于旋转的车轮本身的轮廓需要进行包括转速等在内的位置对准，因此未必需要进行严格的位置对准。此外，图案匹配本身也可以通过针对基于各像素中的16级的灰度深浅的数值的形状通常使用的方法来进行。

另外，确定多个红外线图像12a～12c中与上述框共通的各框。即，通过针对多个红外线图像12a～12c进行各部分的位置对准，例如能够确定其它红外线图像12b、12c中的与1个红外线图像12a的框14a对应的框。

<应力分布运算部>

应力分布运算部35b计算对象物的各部分的温度变化，求出基于温度变化的在对象物的各部分的应力分布。具体来说，应力分布运算部35b首先随时间标记从红外线图像中得到的温度，并基于连续的时间间隔的整个期间的各部分的温度变化量，来按各部分的像素计算应力的时间变化量作为应力变化量。

另外，应力分布运算部35b确定包含多个红外线图像12a～12c中共通的各框14a～14e的连续的时间间隔。这对应于从在连续的时间间隔的整个期间拍摄对象物的特定部分、例如在侧视时包括2个车轮4的1个转向架所得到的多个红外线图像中选择共通的1个框14a～14e。换言之，意味着1个框在连续的时间间隔的整个期间进入红外线摄像机的视野。随着电车的行驶，上述框离开视野而不再被看到。

另外，例如，针对1个框14a，得到该连续的时间间隔的整个期间的、基于以共通的各框的差计算出的各部分的温度变化ΔT的在对象物的各部分、例如车轮4的周边的应力分布16a(图3C)。同样地，针对1个框14b～14e，得到连续的时间间隔的整个期间的、基于以共通的各框的差计算出的各部分的温度变化ΔT的在对象物的各部分的应力分布16b～16e(图4C、图5C、图6C、图7C)。在应力分布中，应力变化越大则被显示为越白，应力变化越小则被显示为越黑。

由此，在运动物体是电车等的情况下，由于能够得到在转向架等的应力分布，因此有助于检测裂纹等缺陷。

此外，应力分布运算部35b例如使用表示热弹性效应的下式(1)，根据温度变化量ΔT来计算应力变化量Δδ。

ΔT＝-KTΔδ…(1)

其中，K是热弹性系数，K＝α/(CP)，T是作为运动物体的电车的表面的绝对温度。α是电车的表面的线膨胀系数，ρ是电车的表面的密度，CP是恒定应力下的电车的表面的比热。

而且，应力分布运算部35b能够基于全部像素的应力变化量，来求出各部分的应力分布。

此外，在帧率为100Hz的情况下，各帧之间的时间间隔为0.01秒，在帧率为2500Hz的情况下，各帧之间的时间间隔仅为0.0004秒，有时在数帧之间得不到充分的温度变化。因此，在电车的情况下，在瞬间施加了大的应力的时刻进行拍摄，来拍摄因较大的应力而产生的温度变化。例如，在轨道上设置小的高度差，拍摄在该高度差处的通过，或拍摄在轨道的接缝处的通过，或者拍摄施加了刹车等制动的瞬间或起步时转向架的重心发生变化的时刻即可。

并且，应力分布运算部35b得到连续的时间间隔的例如与各框14a～14e对应的图3C、图4C、图5C、图6C以及图7C所示的应力分布16a～16e。各部分的应力变化值Δδ例如是基于各部分的最高温度与最低温度之间的温度差计算出的。

图9是将图8A至图8E的图表重叠而得到的图表。图10是包含作为对象物的电车的转向架的红外线图像。图11是包含图10的作为对象物的电车的转向架的部分的应力分布图像。

能够由应力分布运算部35b得到图10的1个红外线图像中包含的包括2个动轮的转向架整体的应力分布。具体来说，如图9所示，根据各框14a～14e的温度变化，得到转向架整体被包含在1个红外线图像内的0.04秒期间的应力分布。在该情况下，如图11所示，能够得到将在与进行相对移动的方向垂直的方向上进行分割所得到的多个矩形形状的框14a～14e所对应的应力分布16a～16e组合而得到的应力分布图像18。相较于利用与每个框14a～14e对应的应力分布16a～16e的情况而言，利用整体的应力分布图像18能够观测到更整体性的应力分布的关联，能够有助于应变等的检测。

<显示部>

也可以由显示部33显示所拍摄到的红外线图像、温度变化的图表、所得到的应力分布以及应力分布图像(图11)等。

<应力分析方法>

(1)一边相对于运动物体例如电车1进行相对移动，一边拍摄作为运动物体的电车1的红外线图像(S01)。

(2)针对包含运动物体所包括的对象物的各红外线图像，在各红外线图像中对对象物的各部分进行位置对准(S02)。

(3)计算对象物的各部分的遍及多个时间的温度变化，得到基于温度变化的在对象物的各部分的应力分布(S03)。

根据以上，能够得到施加于运动物体的应力分布。由此，在运动物体为电车等的情况下，由于能够得到在转向架等的应力分布，因此有助于裂缝等缺陷的检测、通过定期地获取应力分布并进行比较而进行的异常检测、或者作为模拟等动态分析的验证数据的设计验证。

(实施例)

图3A是示出电车的转向架的后方车轮周边的部分的框的图，图3B是示出该特定部位的温度变化的图表，图3C是基于规定时间范围内的温度差的应力分布。图4A是示出电车的转向架的前后车轮之间的后方侧周边的部分的框的图，图4B是示出该特定部位的温度变化的图表，图4C是基于规定时间范围内的温度差的应力分布。图5A是示出电车的转向架的前后车轮之间的中央侧周边的部分的框的图，图5B是示出该特定部位的温度变化的图表，图5C是基于规定时间范围内的温度差的应力分布。图6A是示出电车的转向架的前后车轮之间的前方侧周边的部分的框的图，图6B是示出该特定部位的温度变化的图表，图6C是基于规定时间范围内的温度差的应力分布。图7A是示出电车的转向架的前方车轮周边的部分的框的图，图7B是示出该特定部位的温度变化的图表，图7C是基于规定时间范围内的温度差的应力分布。

(a)首先，将1个红外线图像12a在与进行相对移动的方向垂直的方向上分割为多个矩形形状的框14a～14e(图3A、图4A、图5A、图6A、图7A)。关于该框的截取，既可以手动进行，或者也可以在程序中预先规定。并且，还可以利用程序来截取能够提取出特征量的像素数的框。在该实施例中，将1个红外线图像12a分割为包含1个转向架所包括的两侧的车轮的2个框(14a、14e)以及将车轮之间的部分分为3个部分而得到的框(14b～14d)、共计5个框。

(b)接着，关于各框14a～14e，通过与多个红外线图像12a～12c分别进行关于电车的各部分例如转向架2、车轮4等特征部分的图案匹配，来进行各部分的位置对准。由此，确定其它红外线图像12b、12c中对应的时间间隔的整个期间与1个红外线图像12a的框14a共通的框。同样地确定在时间间隔的整个期间与各框14b～14e共通的框。

(c)接着，确定包含多个红外线图像12a～12c中共通的框14a的连续的时间间隔。这对应于1个框14a进入红外线摄像机的视野的时间间隔。同样地确定包含多个红外线图像12a～12c中共通的各个框14b～14e的连续的时间间隔。

(d)另外，针对1个框14a，得到该连续的时间间隔的整个期间的、基于以共通的各框的差计算出的各部分的温度变化ΔT(图3B、图8A)的在各部分的应力分布16a(图3C)。同样地，针对1个框14b～14e，得到连续的时间间隔的整个期间的、基于以共通的各框的差计算出的各部分的温度变化ΔT(图4B、图5B、图6B、图7B、图8B～图8E)的在对象物的各部分的应力分布16b～16e(图4C、图5C、图6C、图7C)。

(e)并且，得到将在与进行相对移动的方向垂直的方向上进行分割所得到的多个矩形形状的框14a～14e所对应的应力分布16a～16e组合而得到的应力分布图像18(图11)。

此外，在该应力分析装置中，针对将红外线图像进行划分而得到的框，基于各框之间的差来得到应力分布，但也可以不是求出差，而是将多个红外线图像直接进行比较。由于各红外线图像示出了温度信息，因此通过将多个红外线图像进行比较，除了能够检测出引擎、加热器、蒸汽等之外，还能够检测出发热物体的存在。

此外，在本公开中，包括将上述的各种实施方式和/或实施例中的任意实施方式和/或实施例适当地进行组合而得到的实施方式和/或实施例，能够起到各个实施方式和/或实施例具有的效果。

产业上的可利用性

根据本发明所涉及的应力分析装置，能够测定行驶中的电车等运动物体的应力分布，因此作为电车等的检查装置是有用的。

附图标记说明

1：电车；2：转向架；4：车轮；6：视野；10：应力分析装置；12a、12b、12c：红外线图像；14a、14b、14c、14d、14e：框；16a、16b、16c、16d、16e：应力分布；18：应力分布图像；20：红外线摄像机；30：图像处理部(计算机装置)；31：处理部；32：存储部；33：显示部；35：程序；35a：位置对准部；35b：应力分布运算部。

Claims

1.一种运动物体的应力分析装置，具备：

应力分布运算部，其计算所述对象物的各部分的温度变化，得到基于所述温度变化的在所述对象物的所述各部分的应力分布，

其中，所述位置对准部将1个红外线图像在与进行相对移动的方向垂直的方向上分割为多个矩形形状的框，并确定所述多个红外线图像中与所述框共通的各框。

2.根据权利要求1所述的运动物体的应力分析装置，其中，

关于所述框，通过与所述多个红外线图像分别进行关于所述运动物体所包括的所述对象物的所述各部分的预先设定的特征部分的图案匹配来进行所述各部分的位置对准，并确定所述多个红外线图像中与所述框共通的各框。

3.根据权利要求2所述的运动物体的应力分析装置，其中，

所述应力分布运算部得到包含所述多个红外线图像中共通的所述各框的连续的时间间隔的整个期间的、基于以所述各框的差计算出的所述各部分的温度变化的在所述对象物的所述各部分的应力分布。

4.根据权利要求3所述的运动物体的应力分析装置，其中，

所述应力分布运算部基于所述连续的时间间隔中所述各框中的所述各部分的最高温度与最低温度之间的温度差，来得到应力分布。

5.根据权利要求3或4所述的运动物体的应力分析装置，其中，

所述应力分布运算部得到将在与进行相对移动的方向垂直的方向上进行分割所得到的多个矩形形状的框所对应的应力分布组合而得到的应力分布图像。

6.根据权利要求1～4中的任一项所述的运动物体的应力分析装置，其中，

所述红外线摄像机被固定。