CN1841010A - 用于集电弓的运动测量装置 - Google Patents

Abstract

一种用于集电弓的运动测量装置包括线传感器；线传感器图像产生部件，使用从线传感器获得的图像信号产生线传感器图像；二进制转换部件，将线传感器图像转换为二进制线传感器图像，以通过线传感器图像的二进制转换使对应集电弓部分成白色；及过滤部件，定义白点作为上边缘点，在此处，沿二进制线传感器图像的每条线，象素从黑色变为白色，及定义白点作为下边缘点，在此处，沿二进制线传感器图像的每条线，象素从白色变为黑色，用于在上边缘点和下边缘点之间的空间在预定的容限之内的情况下，保持上边缘点和下边缘点之一为白色，并使在二进制线传感器图像的每条线上的其它点为黑色，及用于将在二进制线传感器图像上的剩余的白点当作集电弓的形迹。

Description

用于集电弓的运动测量装置

技术领域

本发明涉及用于集电弓(pantograph)的运动测量，而且更具体地涉及借助于用于测量所述集电弓的高度和/或加速度的图像处理的集电弓运动测量装置。

背景技术

集电弓安装在电铁路车辆的顶部，作为一个集电器。有一种被称为的测试车辆或者车辆缘(vehicle-marginal)测试车辆的专用车辆(或火车)，作为测量集电弓运动的手段。专用车辆以预定的间隔以及在服务操作时间之间被驾驶。此测试车辆安装有多个用于测量车辆的体倾斜角度的传感器，用来测量铁轨的移位(或者偏差)等(文档D1：12-24页，“Modernization Technique for Equipment Maintenance ofRailroad Tracks”，由Working Commission on ModernizationTechnique for Equipment Maintenance of Railroad Tracks在1995编辑)。用于测量集电弓的传感器为上述传感器其中之一。

作为测量集电弓的方法，可列举出激光传感器方法、光切割传感器方法、加速度传感器方法以及图像处理方法。所述方法分别具有以下特征。

1)激光传感器方法

在激光传感器方法中，扫描式是通常使用的。激光通过使用镜面扫描集电弓。然后通过检测此激光的反射光的相位差以及检测反射光的形状的形变，而测量到集电弓的距离。

2)光切割传感器方法

在光切割传感器方法中，带状(条状)光被投射至集电弓。然后通过接收具有根据集电弓形状的凸起和凹陷的反射光，而测量到集电弓的距离。

3)加速度传感器方法

在加速度传感器方法中，将用于通过回转仪(gyro)、压电元件等来检测加速度的传感器直接附着在集电弓上。然后，通过接收检测到的加速度的输出信号来测量集电弓的加速度。

4)图像处理方法

图像处理方法包括：通过模型匹配或者模式匹配来检测集电弓的方法、处理线传感器(line sensor)图像的方法等。日本专利申请2002-139305(文档D2)例示了通过模型匹配或者模式匹配来检测集电弓的方法。另外，日本专利申请2002-279409(文档D3)例示了处理线传感器图像的方法。

发明内容

然而，在上述方法中存在着下列问题。

1)激光传感器方法

由于旋转镜面的马达旋转速度的限制，以及为了防止镜面的谐振，激光传感器的扫描周期被设置得相对长(即，扫描速度相对低)。因此，所述激光传感器方法适合用于集电弓位置的测量(低频分量)，然而不适合用于集电弓的加速度的测量(高频分量)。

2)光切割传感器方法

由于通过接收投射的条状光来测量距离，因此，有必要准备照明的环境。另外，光切割传感器方法不适合用于在白天时段进行测量，在白天照明条件极大地变化。

3)加速度传感器方法

当前，主要使用通过使用加速度传感器来测量集电弓的加速度的方法。然而，此加速度传感器方法不是一种简单的测量方法，因为下述安排(考虑)是必需的。

(a)加速度传感器需要被直接地安装在集电弓本身上。

(b)用于传输传感器的输出电压的电缆需要被安排具有高的抗扰性。

(c)用于传输传感器的输出电压的电缆需要被安排具有强电绝缘性。

4)图像处理方法

在使用通过CCD照相机拍摄的图像的方法中，在测量时间很长的情况下或者在帧速率很高(即，每单位时间的帧的数量很大)的情况下，计算处理的数量会变得很大。在其中根据早期技术使用由线传感器拍摄的图像的方法中，由存在于集电弓周围的拍摄结构引入线传感器图像中的噪声需要被考虑。

因而，本发明的目的在于提供一种用于集电弓的运动测量装置，其被设计以解决或者减轻上述问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于集电弓的运动测量装置，包括：线传感器；线传感器图像产生部件，被配置用于通过使用从线传感器获得的图像信号来产生线传感器图像；二进制转换部件，被配置用于将所述线传感器图像转换为二进制线传感器图像，以允许通过线传感器图像的二进制转换将对应于集电弓的部分变成白色；以及过滤部件，被配置用于定义白点作为上边缘点，在该作为上边缘点的白点处，沿着二进制线传感器图像的每条线，象素从黑色变为白色，以及定义白点作为下边缘点，在该作为下边缘点的白点处，沿着二进制线传感器图像的每条线，所述象素从白色变为黑色，被配置用于在沿着二进制线传感器图像的每条线的上边缘点和下边缘点之间的空间在预定的容限之内的情况下，保持上边缘点和下边缘点中的一个为白色，并使得在二进制线传感器图像的每条线上的其它点变为黑色，以及被配置用于将在二进制线传感器图像上的剩余的白点当作集电弓的形迹(trail)。

参考附图，根据以下描述，本发明的其他目的和特征将被理解。

附图说明

图1为显示了在根据本发明的实施例中的安装用于测量集电弓的线传感器的实例的示意说明图；

图2为显示了在第一实施例中的用于集电弓的运动测量装置的配置实例的示意框图；

图3为显示了在第一实施例中的集电弓的运动测量的计算的流程图；

图4为显示了在第一实施例中的集电弓部分的时间系列(time-series)图像的示意图；

图5为显示了在根据本发明的第二实施例中的用于集电弓的运动测量装置的配置实例的示意框图；

图6为显示了在第二实施例中的集电弓的运动测量的计算的流程图；

图7为显示了在根据本发明的第三实施例中的用于集电弓的运动测量装置的配置实例的示意框图；

图8为显示了在第三实施例中的集电弓的运动测量的计算的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图，以帮助对本发明的更好的理解。

首先，在根据本发明的第一实施例中的用于集电弓的运动测量装置的配置现在将被说明。

[基本概念]

图1为显示了用于测量集电弓的线传感器的安装的实例的示意说明图。如图1所示，线传感器2被安装以使得扫描线垂直于集电弓1。从线传感器2获得的图像被用作输入图像。图2为显示了在所述第一实施例中的用于集电弓的运动测量装置的配置实例的示意框图。如图2所示，根据第一实施例的运动测量装置包括线传感器(照相机)2，线传感器图像产生部件21，存储器22，通过LAN连接至(进行通信)存储器22的存储器31，二进制转换部件32，集电弓宽度过滤部件33，集电弓轨迹(形迹)过滤部件34，集电弓单点过滤部件35，集电弓实际高度计算部件36，以及集电弓加速度计算部件39。

图3为显示了在所述第一实施例中的集电弓的运动测量的计算的流程图。根据第一实施例的在运动测量装置中计算集电弓1的高度以及加速度的过程现在将参考图3被说明。

(1)线传感器图像的产生～步骤S1～

线传感器图像产生部件21被配置用于以时间系列(时间序列)来排列从线传感器2获得的扫描线的亮度(照度)信号。相应地，线传感器图像，即，如图4所示的平面图像通过从线传感器2获得的信号被产生。也就是，线传感器图像产生部件21通过将扫描线的亮度信号放置到时间系列顺序中来产生线传感器图像。然后，线传感器图像产生部件21(或者包括线传感器图像产生部件21的控制器)存储线传感器图像在存储器22中，作为输入图像。另外，所述控制器也经由LAN将此线传感器图像存储在存储器31中。

(2)二进制转换处理～步骤S2～

在线传感器图像上，集电弓1被选挑(拍摄)为拥有与背景部分不同的亮度值的条(片(swatch))形部分。也就是说，在线传感器图像上，与相应于集电弓1的背景的部分相比，相应于集电弓1的部分被看作拥有不同亮度的条形部分。二进制转换部件32设置门限值，用于在从存储器31中读取的线传感器图像上，从其他背景部分中隔离拍摄为条形的集电弓部分。通过使用此门限，二进制转换部件32使得相应于集电弓1的部分在线传感器图像上成为白色，以及使得相应于背景的部分在线传感器图像上成为黑色。如果通过使用此门限，相应于集电弓1的部分成为黑色，并且相应于背景的部分在线传感器图像上成为白色，则二进制转换部件32实行二进制反转转换以反转上述部件的颜色(黑/白)。因此，二进制转换部件32产生二进制线传感器图像，因而迫使相应于集电弓1的部分总是成为白色。在下文中，通过在线传感器图像的基础上执行步骤S2的二进制信号转换而产生的图像将被称为“二进制线传感器图像”。因而，二进制转换部件32通过线传感器图像的二进制的转换来转换线传感器图像为二进制线传感器图像。然后，二进制转换部件32存储二进制线传感器图像在存储器31中。

(3)集电弓宽度过滤处理～步骤S3～

当线传感器2拍摄集电弓1时，在集电弓1附近的架空线(trolleywire)(接触线)、绝缘体、用于悬挂架空线的线等也与集电弓1一同被拍摄到线传感器图像中。所以，提取相应于集电弓1的部分的过程被执行，通过在二进制线传感器图像上区分集电弓1与其他物体，例如架空线、绝缘体、以及悬挂架空线的线。

也就是，在二进制线传感器图像上，相应于集电弓1的部分被看作拥有相应于集电弓1的实际厚度的固定宽度的条形部分。在二进制线传感器图像上，相应于集电弓1的部分以及其他物体是白色的，而相应于背景的部分是黑色的。因此，集电弓宽度过滤部件33通过检查在从存储器31读取的二进制线传感器图像上排列的每一条线来检测这样的点(或者部分)，在其上，象素从黑色变成白色，以及这样的点，在其上，象素从白色变成黑色。此检测是通过从二进制线传感器图像的底部朝向其顶部连续地进行检查，而关于二进制线传感器图像的各条线来执行的。所述沿着二进制线传感器图像的每条线象素从黑色变为白色的(白)点被定义为上边缘，以及象素从白色变为黑色的点被定义为下边缘点。由于线传感器2被设置为使线传感器2的扫描方向为垂直于集电弓1的长度，因此，在相邻于彼此的一对上边缘和下边缘点之间的空间可以被用于从其他物体中分离集电弓1。在此实施例中，在一对上边缘和下边缘点之间的空间在预定的宽度容限之内(或者在两个预定的宽度值之间)的情况下，集电弓宽度过滤部件33确定此间距对应于集电弓1。通过这样做，用于提取对应于集电弓1的部分的处理被执行。

此外，集电弓宽度过滤部件33执行处理以保持检测到的下边缘的点为白色，作为集电弓1的顶部(上面)位置，以及使其他点变为黑色。也就是，在由上述提取处理所产生的二进制线传感器图像上，除了下边缘点外的点(象素)都被变为黑色。因此，控制器产生集电弓形迹图像，其剩余的白点显示集电弓1的顶部位置的形迹。然后，控制器存储集电弓形迹图像在存储器31中。

(4)集电弓轨迹过滤处理～步骤S4～

当显示集电弓1的顶部位置的集电弓形迹图像是通过步骤S3的集电弓宽度过滤处理获得的时，有这样的情况，其中在集电弓形迹图像的某些部分中检测到不对应于集电弓1的顶部位置的点。此情况发生于以下情况下，即，在二进制线传感器图像上，例如架空线、绝缘体、或者用于悬挂架空线的线的与非集电弓1的物体对应的部分具有和对应于集电弓1的部分的宽度接近的宽度。具有接近宽度的部分在集电弓形迹图像上保持为噪声。因此，集电弓轨迹过滤部件34删除此噪声。

也就是，对应于集电弓1的部分应该存在以便在二进制线传感器图像上延续固定宽度。因此，显示集电弓1的顶部位置的点应该存在，作为从存储器31读取的在集电弓形迹图像上的连续曲线。通过对此进行考虑，集电弓轨迹过滤部件34设置预定的长度，以便判断在集电弓轨迹图像上的白点的序列是否对应于集电弓1。然后，集电弓轨迹过滤部件34认为在集电弓轨迹图像上短于预定的长度的点序列为噪声。提请注意，点序列的长度与关于集电弓轨迹图像的时间系列方向的预定长度相比较。相应地，集电弓轨迹过滤部件34通过使所述点序列变为黑色来从集电弓轨迹图像上删除被当作噪声的点序列。然后，集电弓轨迹过滤部件34存储这样处理的集电弓轨迹图像在存储器31中。

(5)集电弓单点过滤处理～步骤S5～

短的点序列可以通过步骤S4的集电弓轨迹过滤处理的噪声删除而作为噪声从集电弓轨迹图像中消除。然而，被判别为集电弓1的顶部位置的形迹的长噪声部分不能被消除。换句话说，长于或者等于上面提到的预定的长度而不对应于集电弓1的实际形迹的点序列不能从集电弓形迹图像中删除。因此在步骤S5，独立于步骤S4的集电弓轨迹过滤处理，集电弓单点过滤部件35删除长的点序列的噪声。

也就是说，因为集电弓1应该仅存在于线传感器图像上，因此显示集电弓1的顶部位置的点应该在线传感器2的扫描线上是仅一个点。此外，通过步骤S3的集电弓宽度过滤处理检测到的集电弓形迹图像的形迹点中的多数是显示(对应于)集电弓1的实际顶部位置的点。考虑上述事实，首先，集电弓单点过滤部件35计算在从存储器31读取的集电弓形迹图像上所有形迹点关于线传感器2的扫描线方向的平均位置。其次，如果所述集电弓形迹图像在扫描线方向的一条线有两个或者多个形迹点，也就是说如果两个或者多个白点存在于集电弓形迹图像的一条线上；集电弓单点过滤部件35在两个或者多个形迹点中将最接近所计算的形迹点的平均位置的一个点认为或者选择作为对应于集电弓1的实际顶部位置的点。并且，集电弓单点过滤部件35认为在两个或者多个形迹点中的其他点为噪声。相应地，集电弓单点过滤部件35保持最接近的点为白色，以及改变在两个或者多个形迹点中的其他点为黑色。然后，集电弓单点过滤部件35存储这样处理的集电弓形迹图像在存储器31中。

(6)集电弓实际高度计算～S6～

集电弓实际高度计算部件36通过转换(分析)从存储器31读取的集电弓形迹图像来计算集电弓1的顶部的实际的三维高度。然后，集电弓实际高度计算部件36存储所计算的高度在存储器31中，作为集电弓1的高度数据。这里，用于计算所述高度的转换是通过使用从线传感器2的安装的位置数据中获得的投射转换(projectivetransformation)来执行的。提请注意的是，在本实施例中使用的所述投射转换是公共熟知的转换(方法)。

(7)集电弓加速度计算～步骤S9～

集电弓加速度计算部件39通过对从存储器31读取的集电弓高度数据进行二次微分来计算集电弓1的加速度。也就是说，所述加速度是通过集电弓高度数据的二次微分(二次有限微分)计算的。然后，集电弓加速度计算部件39存储所计算的加速度在存储器31中，作为集电弓1的加速度数据。

在根据本实施例通过图像处理的集电弓运动测量装置中，线传感器2拍摄的图像被处理。相应地，如在激光器(传感器)方法中使用的机械扫描部件并不需要，因此，物体的快速运动可以被测量。此外，由于数据的采样频率可以被设置得高(即，采样周期可以被设置得短)，用于计算加速度的高频分量的测量可以被保证。另外在本实施例中，不需要准备如在光切割传感器方法中所准备的用于接收从光发射器发射的带状光的特定照明环境。相应地，所述集电弓运动测量装置的结果可以被简化，以及可以获得集电弓运动测量装置的成本的降低。另外，在本实施例中，由于线传感器2每个采样仅拍摄(检测)一条线，因此，即使用于检测的采样频率很高，与其中使用CCD照相机的方法相比，计算处理的增加可以被抑制的。类似地，与CCD照相机的方法相比，用于存储图像数据的存储容量可以被减少。

此外，在根据本实施例的集电弓运动测量装置中，不需要直接将传感器安装到集电弓1上。由于非接触的测量是可能的，因此，不需要对固定组件、布线等的特殊处理。相应地，与其中使用加速度传感器的方法相比，根据本实施例的集电弓运动测量装置可以用较简单的结构而被使用。

此外，在根据本实施例的集电弓运动测量装置中，通过步骤S3的集电弓宽度过滤处理，仅集电弓1的顶端部分的运动被检测&测量。相应地，由安装在地面上并在车辆运行期间相对于集电弓1高速运动的结构(障碍)引起的图像的噪声当然可以被检测和删除。与早期技术的线检测处理方法相比，可以轻易地检测以及删除这种噪声和由于以下结构引起的图像噪声，该结构在集电弓1上以相对低的速度运行(例如，架空线或者安装在车辆上以及集电弓1附近的结构)。

在本实施例中，通过将下边缘点保持为白色作为集电弓1的顶部位置，以及通过改变其他点为黑色，而创建集电弓形迹图像。然而，根据本发明的集电弓运动测量装置并不限于此。例如，可以通过保持上边缘点为白色作为集电弓1的底部位置，以及通过改变其他点为黑色，而创建集电弓形迹图像。另外地，通过增加集电弓宽度至上边缘点以及因而确定集电弓1的顶部位置，而创建集电弓形迹图像。再有，在此修改的结构中，可以获得上面提到的优点。

接着，在根据本发明的第二实施例中用于集电弓的运动测量装置现在将被说明。

[增加用于集电弓高度数据的内插处理]

在第二实施例中，通过内插处理部件37(步骤S7)的集电弓高度数据内插处理被增加在上面提及的第一实施例的集电弓运动测量装置中(被描述为基本概念)。如图5以及6所示，在通过集电弓实际高度计算部件36执行集电弓实际高度计算处理后，增加集电弓高度数据内插(步骤S6)。在下面的描述中，关于与第一实施例相同的流程部分的解释省略。

在步骤S7的集电弓高度数据内插处理中，内插处理部件37在步骤S6的集电弓实际高度计算后执行下列处理。也就是说，如果缺失数据(在实际检测到的信号点之间的中间点)存在于从存储器31读取的集电弓高度数据中，换句话说，如果其宽度在预定宽度范围内的缺失数据存在于集电弓高度数据中；则内插处理部件37通过使用该缺失数据部分的两端的数据(点)而对此缺失数据部分进行内插。因此，内插处理部件37产生几乎没有缺失数据部分的集电弓高度数据。然后，内插处理部件37存储这样处理的集电弓高度数据在存储器31中。在本实施例中，多种内插方法都是可行的，例如通过其两端数据来线性地内插缺失数据部分的方法(线性内插)。

在根据本实施例的通过图像处理的集电弓运动测量装置中，内插处理部件37可以防止或者纠正由于在线传感器图像产生时发生的线遗失(缺失线)而引起的缺失数据。而且，内插处理部件37可以防止或者纠正在下面的情况下引起的集电弓形迹的缺失数据，所述情况即，架空线或者其他物体与集电弓1的线检测测量部分交迭。因此，集电弓高度数据的数据遗失可以被解决。

接着，在根据本发明的第三实施例中的用于集电弓的运动测量装置的配置现在将被说明。

[增加用于集电弓高度数据的平滑处理]

在第三实施例中，通过平滑处理部件38的集电弓高度数据平滑处理(步骤S8)被增加到上面提及的第二实施例的集电弓运动测量装置中。如图7以及8所示，所述集电弓高度数据平滑在通过内插处理部件37执行的集电弓高度数据内插的处理(步骤S7)之后被执行。关于和第二实施例相同的流程部分的说明将在以下描述中被省略。

在步骤S8的集电弓数据平滑处理中，在步骤S7的集电弓高度数据内插处理之后，平滑处理部件38执行下列处理。也就是说，平滑处理部件38消除从存储器31读取的集电弓高度数据中的(相对短周期或者高频率的)噪声。换句话说，平滑处理部件38例如通过使用在集电弓高度数据的每个固定间隔内的高度平均值来消除经历了内插处理的集电弓高度数据的小的(即，短周期的)变化噪声。因此，平滑处理部件38产生拥有平滑变化的集电弓高度数据，即，平滑集电弓高度数据。然后，平滑处理部件38存储这样处理的集电弓高度数据在存储器31中。

在本实施例中，平滑处理在内插处理之后执行。然而，根据本发明的集电弓运动测量装置并不限于此。例如，平滑处理可以在内插处理之前执行。

在根据本实施例的通过图像处理的集电弓运动测量装置中，由于在生成线传感器图像时引起的每条线的小偏移所产生的时间短周期噪声分量可以通过平滑处理部件38的处理而被消除(吸收)。类似地，由于例如在车辆运行期间的振动的快速摆动所产生的短期噪声分量可以通过平滑处理部件38的处理而被消除。因此，可以获得具有平滑上下移动的集电弓高度数据。此外，对加速度的计算的噪声影响可以被抑制。

应当注意，在上面描述的根据本发明的第一、第二以及第三实施例中，所述控制器包括线传感器图像产生部件21、二进制转换部件32、集电弓宽度过滤部件33、集电弓轨迹过滤部件34、集电弓单点过滤部件35、集电弓实际高度计算部件36、内插处理部件37、平滑处理部件38、以及集电弓加速度计算部件39。

【工业应用】

本发明涉及集电弓的运动测量。具体地，本发明可应用于通过图像处理的集电弓运动测量装置用于测量集电弓的高度和/或加速度。

本申请基于在先的日本专利申请2005-68793，申请日为2005年3月11日。所述日本专利申请的全部内容在此引入作为参考。

虽然本发明已经在上文中参考本发明的特定实施例而被描述，但是，本发明并不局限于上述实施例。通过上面的教导，对于本领域普通技术人员来说，将可以对上述实施例进行修改和改变。本发明的范围通过参考下面的权利要求书而被定义。

Claims (9)

1.一种用于集电弓的运动测量装置，包括：

线传感器；

线传感器图像产生部件，被配置用于通过使用从线传感器获得的图像信号产生线传感器图像；

二进制转换部件，被配置用于将线传感器图像转换为二进制线传感器图像，以允许通过线传感器图像的二进制转换使对应于集电弓的部分变成白色；以及

过滤部件，

被配置用于定义白点作为上边缘点，在该作为上边缘点的白点处，沿着二进制线传感器图像的每条线，象素从黑色变为白色，以及定义白点作为下边缘点，在该作为下边缘点的白点处，沿着二进制线传感器图像的每条线，所述象素从白色变为黑色，

被配置用于在沿着二进制线传感器图像的每条线的上边缘点和下边缘点之间的空间在预定的容限之内的情况下，保持上边缘点和下边缘点中的一个为白色，并使得在二进制线传感器图像的每条线上的其它点变为黑色，以及

被配置用于将在二进制线传感器图像上的剩余的白点当作集电弓的形迹。

2.根据权利要求1的运动测量装置，还包括：

轨迹过滤部件，被配置用于作为噪声从由过滤部件产生的形迹图像中删除短于预定长度的白点序列。

3.根据权利要求2的运动测量装置，其中所述轨迹过滤部件被配置用于通过使短于预定长度的白点序列变成黑色，而沿着所述形迹图像的时间系列方向删除所述白点序列。

4.根据权利要求1-3之一的运动测量装置，还包括：

单点过滤部件，被配置用于在两个或者多个白点存在于形迹图像的一条线上的情况下，通过在线传感器的扫描线方向中在存在于形迹图像的一条线上的两个或者多个白点中选择单个点，而作为噪声从由过滤部件产生的形迹图像中删除点序列，该点序列长于或者等于预定长度以及不对应于集电弓的实际形迹。

5.根据权利要求4的运动测量装置，其中所述单点过滤部件被配置用于在存在于形迹图像的一条线上的两个或者多个白点中选择最接近于形迹图像的所有白点的平均扫描线方向位置的单点。

6.根据权利要求1的运动测量装置，还包括：

高度计算部件，被配置用于根据由过滤部件产生的形迹图像来计算集电弓的实际高度作为集电弓高度数据。

7.根据权利要求6的运动测量装置，还包括：

内插部件，被配置用于插入集电弓高度数据的缺失数据。

8.根据权利要求6和7之一的运动测量装置，还包括：

平滑部件，被配置用于平滑集电弓高度数据。

9.根据权利要求6和7之一的运动测量装置，还包括：

加速度计算部件，被配置用于由集电弓高度数据来计算集电弓的加速度。

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