JP2001012917A

JP2001012917A - コイル位置検出装置

Info

Publication number: JP2001012917A
Application number: JP11187303A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Sugiura; 寛幸杉浦; Masakazu Inomata; 雅一猪股; Mitsuaki Uesugi; 満昭上杉
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1999-07-01
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2001-01-19

Abstract

(57)【要約】【課題】強い正反射光を受光した場合においても、コ
イル幅及び中心位置を高精度に求めることを可能にした
コイル位置検出装置を提供する。【解決手段】レーザ光走査装置１２はレーザスポット
光を直線状に走査して複数本のスリット光を形成してコ
イルに照射し、テレビカメラ１０はレーザ光が照射され
ているコイルを撮像する。画像合成手段１４は撮像され
た画像とレーザ光の２次元投光角度とから、レーザ光の
輝度画像とそれに対応したレーザ光の２次元の投光角度
とをそれぞれ合成する。形状演算手段１６はレーザ光の
輝度画像とレーザ光の投光角度とからコイルのレーザ光
照射部の３次元形状データを求める。そして、正反射光
ノイズ除去手段１６は３次元形状データから正反射光ノ
イズを除去する。コイル演算手段１７は正反射光ノイズ
が除去された３次元形状データに基づいてコイルの径方
向中心位置及びコイル径を求めると共に、コイルの幅方
向中心位置及びコイル幅を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、製鉄所のコイルヤ
ードの天井クレーンの無人化運転に適用されるコイル位
置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来この種のコイル位置検出装置とし
て、例えば特願平８−３４９２０７号〜特願平８−３４
９２０９号、特願平８−３４９１０５号〜特願平８−３
４９１０７、特願平９−００３２９９号に係る出願に提
案されているものがある。これらの出願の計測方式は、
何れも、天井クレーンに取り付けられたレーザ光源のレ
ーザスポット光を直線状に走査して複数本のスリット光
を形成してコイルに照射し、そして、レーザ光が照射さ
れているコイルをテレビカメラにより撮像し、テレビカ
メラの映像信号を演算処理してコイルの幅や中心位置を
求める、というものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のコイル位置検出
装置は、コイル表面に照射されたレーザスポット光の反
射光をテレビカメラで撮像している為、対象コイル表面
の性状が拡散面であれば、コイル表面に照射されたレー
ザ光は広い角度に渡って広がるために、コイル表面の形
状によらず常に安定した反射光を受光することができ
る。しかし、対象コイルの表面性状が鏡面状に近い場合
には、レーザスポット光が照射される位置によって、テ
レビカメラが受光できる光量は大きく変化する。

【０００４】例えば、図２０に示されるように、コイル
表面７０が鏡面状の場合には、レーザ光源７１から出た
レーザ光７２がコイル表面７０に当たって反射した場合
には、Ａ点でのレーザ反射光は、そのＡ点でのコイル表
面７０の傾きによって決まる正反射光方向に反射されて
しまうために（図の反射光７３ａ参照）、テレビカメラ
１０に入射される光はほとんどない。これに対して、Ｂ
点ではレーザ光源７１とＢ点でのコイル表面の傾きとテ
レビカメラ１０が正反射の位置関係になっており、Ｂ点
にレーザスポット光が照射された場合には、テレビカメ
ラ１０には非常に強いレーザ光が入射される（図の反射
光７３ｂ参照）。なお、図２０はレーザ光源７１、コイ
ル表面７０及びテレビカメラ１０の位置関係を示した図
であり、７３ａ，７３ｂは鏡面時の反射光であり、７４
ａ，７４ｂは拡散面時の反射光である。

【０００５】上記のように、非常に強い反射光７３ｂが
テレビカメラ１０に入ると、テレビカメラ１０のレンズ
及び撮像面から構成される光学系内部での反射、散乱等
により、撮像面に結像された画像は、レーザスポット光
が大きく広がり、また場合によってはレンズとＣＣＤ間
で生じるゴースト画像が映り込む等の現象を生じる。こ
のために、非常に反射率の高い表面性状をしたコイルの
位置検出を、上述の計測方式で測定した場合には、図２
１に示されるように、コイル表面を照射した複数本のレ
ーザスリット光の内いずれかが、レーザ光源７１とコイ
ル表面７０とテレビカメラ１０とが成す位置関係が正反
射光受光状態となったときに、正反射光受光状態になっ
た場所ではレーザスポット光が大きく広がる。またはゴ
ースト画像を生じるため、レーザスポット光またはレー
ザスリット光を正確に検出することが出来ないという問
題がある。但し、コイル形状が円筒形であるために、正
反射状態となる場所は、レーザ光源７１とテレビカメラ
１０の配置と、コイル表面７０の傾きによって決まり、
コイル表面７０の特定部分に限定される。なお、図２１
は２値化画像（輝度画像）７５の説明図であり、７６は
レーザスリット光に相当する画像（以下の説明では単に
レーザスリット光というものとする）、７７は測定対象
コイル、７８はレーザ光が正反射して強い光が返ってき
たときの画像である。

【０００６】コイル表面の性状が鏡面性に近い対象材の
場合には、上記の現象を生じるために、従来のコイル位
置検出装置（特願平９−００３２９９号等）では、正反
射を生じた場所がコイル幅方向のエッジ部に近い場合に
は、図２１に示されるように正反射によって生じたスリ
ット光の広がりが、コイルエッジより外側にまで達して
しまい、コイルが実在しない部分についてもあたかもコ
イルが存在したかのようにスリット光が検出されてしま
う。従って、従来のコイル位置検出装置でコイル幅及び
中心位置を演算した場合には、レーザスリット光が広が
って検出された分だけ、コイル幅が広がって検出される
ために、正確なコイル幅、位置が求められなくなってし
まう、という問題点がある。

【０００７】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたものであり、上記の強い正反射光を受光
した場合においても、コイル幅及び中心位置を高精度に
求めることを可能にしたコイル位置検出装置を提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】（１）本発明に係るコイ
ル位置検出装置は、レーザスポット光を直線状に走査し
て複数本のスリット光を形成してコイルに照射すると共
に、そのときのレーザ光の２次元の投光角度を出力する
レーザ光投光手段と、レーザ光が照射されているコイル
を撮像する撮像手段と、撮像手段によって撮像された画
像と前記の２次元の投光角度とから、レーザ光の輝度画
像とそれに対応したレーザ光の２次元の投光角度とをそ
れぞれ合成する画像合成手段と、レーザ光の輝度画像と
レーザ光の投光角度とからコイルのレーザ光照射部の３
次元形状データを求める形状演算手段と、形状演算手段
による３次元形状データの内、レーザ光の各２次元の投
光角度によるレーザスリット光の面積を求めて、それが
所定値以上の面積であるとき、そのときの２次元の投光
角度によるデータを除去する正反射光ノイズ除去手段
と、正反射光ノイズ除去手段からの３次元形状データを
コイルの幅方向に投影し、コイルの径方向中心位置及び
コイル径を求めると共に、コイルのレーザ光照射部の３
次元形状データを基準面と平行なコイルの径方向に投影
し、コイルの幅方向中心位置及びコイル幅を求めるコイ
ル演算手段とを備えたものである。

【０００９】（２）また、本発明に係るコイル位置検出
装置は、３次元形状データを求める前に正反射光ノイズ
を除去するものであり、上記の正反射光ノイズ除去手段
に代えて、画像合成手段による合成画像の内、レーザ光
の各２次元の投光角度によるレーザスリット光の面積を
求めて、それが所定値以上の面積であるとき、そのとき
の２次元の投光角度によるデータを除去する正反射光ノ
イズ除去手段を有するものである。

【００１０】（３）また、本発明に係るコイル位置検出
装置は、画像合成をする前に正反射光ノイズを除去する
ものであり、レーザスリット光の強さが所定の閾値を超
えたとき、そのときの２次元の投光角度による画像を除
去する正反射光ノイズ除去手段を有するものである。

【００１１】本発明においては、上述のように、正反射
光ノイズ除去手段によって強い正反射光を検出して除去
することにより、測定対象であるコイルの表面性状の制
限をなくし、正確なコイルの径方向中心位置とコイル径
及びコイルの幅方向中心位置とコイル幅を求めることが
可能になっている。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明のコイル位置検出装
置の計測原理を説明するための構成図である。図におい
ては、基準面（床面）１上に被測定物２が置かれてお
り、この基準面１に撮影の際の中心軸が直交するように
テレビカメラ１０が配置され、そして、このテレビカメ
ラ１０とは異なった位置にスリット光走査装置１２が配
置される。スリット光走査装置１２はスリット光１２ａ
を発生するともにそれを走査する。テレビカメラ１０は
その状態を撮像し、その映像信号はスリット光走査装置
１２からの投射角θｘ，θｙとともに画像合成装置１４
に入力して、映像信号が処理されて合成画像が生成され
る。形状演算装置１５はその合成画像に基づいて被測定
物２の３次元形状を求める。正反射光ノイズ除去装置１
６は、コイルの位置、幅等を求めるにあたってノイズと
なるスリット光の強い正反射光によるノイズ成分を除去
する。コイル演算装置１７はそのノイズ成分を除去され
た３次元形状に基づいて被測定物２であるコイルの位
置、幅等を求める。

【００１３】次に、図１の形状計測装置を測定方式、画
像合成方法、レーザスリット光の位置と投光角度の情報
及び形状演算原理の生成の観点からそれぞれ説明する。

【００１４】（Ａ）測定方式光学系は一般的に光切断法と呼ばれる光学系を用いてい
る。図２はスリット光走査装置１２の構成を示した図で
ある。スリット光走査装置１２は、まず、半導体レーザ
２０からのレーザスポット光を、駆動モータ２２ａによ
り回転制御される第１の走査ミラー２２によって走査す
ることによりスリット光を生成する。このとき、レーザ
スリット光の向きは図１のｙ軸方向となるようにして、
その走査ミラー２２の投光角度θｙを角度信号として画
像合成装置１４に入力し、そして、駆動モータ２４ａに
より回転制御される第２の走査ミラー２４によって図１
のｘ軸方向にレーザスリット光の投光位置を制御する。
また、同時にこのときの走査ミラー２４の投光角度θｘ
は角度信号として画像合成装置１４に入力する。そし
て、レーザスリット光１２ａの照射パターンをテレビカ
メラ１０で撮像し、その映像信号を画像合成装置１４に
入力する。

【００１５】画像合成装置１４は、テレビカメラ１０の
映像信号を画像処理し、その映像信号とそのときのレー
ザ投光角度θｘ，θｙとから合成画像を生成する。そし
て、形状演算装置１６はその合成画像を用いて後述の三
角測量の原理に基づいて、被測定物２のレーザ光照射部
の３次元形状を演算する。次に、第２の走査ミラー２４
を投光角をθｘから微小角Δθｘだけ回転させて、再
度、第１の走査ミラー２２によりｙ軸方向に投光角度θ
ｙを変えてレーザスリット光を投影する。このようにし
て、レーザスリット光の投光角度θｘ，θｙを変えなが
ら次々と複数断面の形状を計測し、各々の光断面形状を
合成することにより被測定物２の全体形状を再構築す
る。なお、第２の走査ミラー２４の回転ピッチΔθｘを
細かくするほど被測定物２の形状分解能が向上する。但
し、その一方で測定時間は長くなる。また、図２のスリ
ット光走査装置１２には、遮蔽板２６を設けて、これを
駆動モータ２４ａと同期させて制御することにより、レ
ーザスリット光の投光角度θｘが変化している間はレー
ザスリット光が被測定物２に照射しないようにしてあ
る。また、半導体レーザ２０を制御することでその間レ
ーザ光を発生させないようにしても良い。いずれにして
も、測定しようとする光切断線と光切断線との間に不要
な光が取り込まれないようにする。

【００１６】（Ｂ）画像合成方法図３は画像合成装置１４の構成を示すブロック図であ
る。テレビカメラ１０からのビデオ信号は、Ａ／Ｄ変換
器３０によりデジタル信号に変換されて最大輝度画像演
算部３１に入力する。この最大輝度画像演算部３１は、
コンパレータ３１ａ、セレクタ３１ｂ及び最大輝度画像
メモリ３２から構成されており、各画素の最大輝度信号
を求めて最大輝度画像メモリ３２の該当する画素領域に
格納する。即ち、コンパレータ３１ａは、Ａ／Ｄ変換器
３０を介してビデオ信号ａ_c が入力すると、最大輝度画
像メモリ３２のそのビデオ信号に対応する画素の信号ａ
_mを読み出し、そのビデオ信号ａ_cの輝度レベルと最大輝
度画像メモリ３２の信号ａ_mの輝度レベルとを比較し、
ａ_c＞ａ_mの場合にはセレクタ３１ｂ，３７ａ，４０ａに
セレクタ信号を送る。セレクタ３１ｂはそのセレクタ信
号を入力すると、そのビデオ信号ａ_cで最大輝度画像メ
モリ３２の信号ａ_mを書き換える。このような処理を入
力されてくるビデオ信号について順序行うことで、最大
輝度画像メモリ３２の各画素領域の値はそれぞれ最大輝
度レベルとなる。

【００１７】また、テレビカメラ１０からのビデオ信号
は、Ａ／Ｄ変換器３３によりデジタル信号に変換されて
最小輝度画像演算部３４に入力する。この最小輝度画像
演算部３４は、コンパレータ３４ａ、セレクタ３４ｂ及
び最小輝度画像メモリ３５から構成されており、各画素
の最小輝度信号を求めて最小輝度画像メモリ３５の該当
する画素領域に格納する。即ち、コンパレータ３４ａ
は、Ａ／Ｄ変換器３３を介してビデオ信号ａ_c が入力す
ると、最小輝度画像メモリ３５のそのビデオ信号に対応
する画素の信号ａ_mを読み出し、ビデオ信号ａ_cの輝度レ
ベルと最小輝度画像メモリ３５の信号ａ_mの輝度レベル
とを比較し、ａ_c＜ａ_mの場合にはセレクタ３４ｂにセレ
クタ信号を送る。セレクタ３４ｂはそのセレクタ信号を
入力すると、そのビデオ信号ａ_cで最小輝度画像メモリ
３５の信号ａ_mを書き換える。このような処理を入力さ
れてくるビデオ信号について順序行うことで、最小輝度
画像メモリ３５の各画素領域の値はそれぞれ最小輝度レ
ベルとなる。

【００１８】また、レーザスリット光の投光角度信号θ
ｘは、Ａ／Ｄ変換器３６によりデジタル信号に変換され
てコード化画像演算部３７に入力する。このコード化画
像演算部３７はセレクタ３７ａ及び投光角度画像メモリ
θｘ３８から構成されており、各画素について最大輝度
信号が得られたときのレーザスリット光の投光角度信号
θｘを求めて、最大輝度画像メモリ３２に対応する投光
角度画像メモリθｘ３５の画素領域に格納する。即ち、
コンパレータ３１ａがセレクタ信号を出力してセレクタ
３７ａがそのセレクタ信号を受け取ると、そのときの投
光角度信号ｂ_cで投光角度画像メモリθｘ３８の信号ｂ_m
を書き換える。このような処理を入力されてくるビデオ
信号について順序行うことで、投光角度信号画像メモリ
θｘ３８には各画素において最大輝度レベルをとった時
の投光角度信号θｘが格納されることになる。

【００１９】さらに、レーザスリット光の投光角度信号
θｙは、Ａ／Ｄ変換器３９によりデジタル信号に変換さ
れてコード化画像演算部４０に入力する。このコード化
画像演算部ｙ４０はセレクタ４０ａ及び投光角度画像メ
モリθｙ４１から構成されており、投光角度信号θｙも
上記の場合と同様にして処理されて投光角度画像メモリ
θｙ４１に格納される。

【００２０】図４は画像合成装置１４の演算処理を概念
的に示した説明図である。画像合成装置１４は、上述の
ようにして、テレビカメラ１０で撮像したビデオ信号を
リアルタイム処理して、各画素の輝度レベルを検出し、
各画素毎に最大輝度画像演算を行い、各画素の輝度レベ
ルが最高となったタイミング（すなわちレーザ光が視野
内の対応する点に当たった時）での輝度信号を最大輝度
画像メモリ３２に保持すると同時に、そのタイミングで
の投光角度情報θｘ，θｙを輝度画像の他に別途設けた
投光角度画像メモリ３８，４１の対応する画素に記録す
ることにより、複数のレーザスリット光が合成された輝
度画像と、各スリット光の投光角度情報θｘ，θｙとを
同時に持っている。

【００２１】また、レーザスリット光が当たった部分の
抽出は最大輝度画像から２値化処理を行いレーザ光が当
たって高輝度となった点（つまりスリット光部分）を抽
出しても良いが、本実施形態においては、上述のよう
に、最小輝度画像演算を同時に行って最小輝度画像メモ
リ３５に保持することにより、（最大輝度画像−最小輝
度画像）の演算を行ってそれを輝度画像メモリ４２に格
納することにより、背景光の輝度レベルを除去して、レ
ーザ光が当たったことにより輝度レベルが高くなった成
分のみを取り出し、これを２値化する。この処理により
レーザスリット光が当たった領域（光切断線）を輝度メ
モリ４２から抽出することにより、投光角度画像メモリ
３８，４１の投光角度画像から各光切断線の投光角度情
報を識別する。

【００２２】（Ｃ）レーザスリット光の位置と投光角度
情報の抽出画像合成装置１４は、上述のようにして合成された最大
輝度画像、最小輝度画像及び投光角度画像から、スリッ
ト光の位置を抽出するために、次に示す画像演算を行
い、背景光の輝度レベルを除去する。輝度画像＝最大輝度画像−最小輝度画像 …（１）上記の（１）式の画像演算によりレーザ光が当たったこ
とにより明るくなった輝度分を求め、更に、これを予め
設定した閾値レベルで２値化処理してレーザ光が当たっ
た領域を抽出する。

【００２３】（Ｄ）形状演算原理形状演算装置１５は、スリット光走査装置１２により生
成されるマルチスリット光についてそのレーザカット光
の３次元座標を演算することにより被測定物２の全体形
状を求める。この形状演算は三角測量の方式に基づいて
いる。スリット光走査装置１２から被測定物２上にレー
ザスリット光１２ａを投光角度θｘで投光し、その状態
をテレビカメラ１０で撮像する。そのテレビカメラ１０
で撮像した画像から抽出したレーザ光が当たった点
（ｘ′，ｙ′）の高さｚ（ｘ′，ｙ′）は、テレビカメ
ラ１０のパースペクティブ効果を考慮すると、次式の関
係が成り立つ。ｚ（ｘ′，ｙ′）＝Ｚ₀ −｛Ｘ₀ −（１−ｚ（ｘ′，ｙ′）／ａ）ｘ｝ｔａｎθｘ（ｘ′・ｙ′） …（２）ｘ′ ：テレビカメラで撮像された画像の基準面上での
位置ｙ′ ：テレビカメラで撮像された画像の基準面上での
位置Ｘ₀ ：レーザ光走査回転軸のｘ座標Ｚ₀ ：レーザ光走査回転軸のｚ座標ａ：テレビカメラ−基準面間の距離 θｘ：レーザスリット光投光角角度ｘ、上記の（２）式を変形すればレーザスリット光が当たっ
た点の高さｚ（ｘ′，ｙ′）は次式で求まる。

【００２４】

【数１】

【００２５】また、画像上でレーザ光が抽出された点
（ｘ，ｙ）の３次元座標上での座標（ｘ，ｙ）は次式で
与えられる。ｘ＝｛１−ｚ（ｘ′，ｙ′）／ａ｝ｘ′ …（４）ｙ＝｛１−ｚ（ｘ′，ｙ′）／ａ｝ｙ′ …（５）以上の説明から明らかなように、レーザスリット光が投
光角度θｘでテレビカメラ１０の画像上の座標ｘ′，
ｙ′に検出された点の３次元座標ｘ，ｙ，ｚは上記の
（３），（４），（５）式で求まることが分かる。ま
た、上記の（４），（５）式は、被測定物２とテレビカ
メラ１０との間の距離が有限であるためにテレビカメラ
１０に近いものほど大きく見えるというパースペクティ
プ効果に対する補正を施したものであり、２次元画像だ
けでは正確な形状検出ができないことが分かる。

【００２６】本発明における形状計測原理が上記の説明
により明らかになったところで、次に、図１のコイル位
置検出器をヤードのコイル検出に適用した例について説
明する。図５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は図１の光学糸
（テレビカメラ１０、スリット光走査装置１２）を天井
クレーンに配置した場合における平配置図、正面図及び
テレビカメラ１０の視野内の映像を示した図である。同
図（Ａ）に示されるように、テレビカメラ１０は、トロ
リ４３にその横行方何に対して４５°回転させた方向
に、且つその光軸が鉛直方向下向き位置するように配置
される。スリット光走査装置１２はテレビカメラ１０の
ｘ軸上に設置され、スリット光の向きがテレビカメラ１
０のｙ軸方向に平行となるように調整する。測定対象と
なるコイル３はクレーンの横行方向又は走行方向に平行
に置かれており、従って、テレビカメラ１０によって撮
像されるコイル３の姿勢はカメラ視野４４の中で４５°
傾いた（回転した）状態となる。なお、コイル３は、ヤ
ード内においてはクレーンの横行方向又は走行方向の何
れかに配置されるものであり、そして、その配置方向は
ヤードを管理しているシステムコンピュータにおいて把
握されている。

【００２７】この状態でスリット光走査装置１２がレー
ザスリット光を走査しながらコイル３上面に照射して、
コイル３に対して斜め４５度方向のスリット光画像をテ
レビカメラ１０により得て、画像合成装置１４は上述の
方法により合成画像を生成し、形状演算装置１５はその
合成画像に基づいてレーザ光が当たった点の高さを上述
の演算式に基づいて演算する。この操作を逐次複数ライ
ンについて行うことにより、コイル・台車及び床面等測
定視野内の物体の複数断面形状を得ることができる。

【００２８】次に、コイル演算装置１７はその形状デー
タを用いて、コイルの方が床面や台車より高いことか
ら、コイルと周辺部（床面及び台車）とを高さの違いか
ら識別してコイルの形状のみを抽出するが、その前に正
反射光ノイズ除去装置１６により次のような処理を行っ
て正反射光によるノイズを除去する。

【００２９】正反射光ノイズ除去装置１６は、投光角度
画像θｘ，θｙと、形状演算手段１５により得られた形
状演算画像とを用いて、コイル形状・位置を演算するに
あたってノイズとなる測定対象コイルからの強い正反射
光を検出し、強い正反射光データを除去する。具体的な
処理内容を以下に説明する。

【００３０】強い正反射光が返ってこないコイルを計測
した場合には図６〜図８に示されるような２値化画像と
投光角度画像が得られる。また、強い正反射光が返って
くるコイルを計測した場合には図９〜図１１に示される
ような２値化画像と投光角度画像が得られる。上述のよ
うに、レーザ光の投光角度（θｘ，θｙ）でコード化さ
れて、レーザスリット光があたった各画素にコード値が
入っている。この図９〜図１１の例においては、投光角
度（θｘ，θｙ）＝（θ４，θ２００）において強く正
反射光が発生している。

【００３１】図７及び図８と図１０及び図１１の投光角
度画像は、上述したようにレーザスリット光の投光角度
θｘ，θｙ毎にコード化されているため、この投光角度
θｘ，θｙ毎の画素数をカウントしたヒストグラムを作
ると、図１２及び図１３に示されるようになる。強い正
反射光の返ってこないコイルを計測した場合には各投光
角度毎の画素数は大きく変化しないが（図１２）、強い
正反射光の返ってくるコイルを計測した場合には正反射
の発生した投光角度毎の画素数は光が広がるために大き
くなる（図１３）。図１３の例においては、投光角度
（θ４，θ２００）において、強い正反射光のためにレ
ーザスポット光が広がって撮像されるために複数の画像
が同じ投光角度（θ４，θ２００）でコード化されるた
め値が高くでることになる。このことから、投光角度
（θｘ，θｙ）毎のヒストグラムを作成して、その画素
数を調べることによって強い正反射光が返った画像が得
られているかどうかが分かる。図１４に示されるよう
に、ヒストグラムに閾値を設定し、その画素数を超えた
場合には強い正反射光があると判断することが出来る。
コイルの形状のみを抽出した形状演算画像に強い正反射
光が含まれたままのデータでコイル演算装置１７で処理
を行うと、スポット光の広がりがノイズとなり正しい形
状が求まらないので、演算データから除外する必要があ
る（図１６，図１７参照）。

【００３２】そこで、強い正反射光がある判断された投
光角度（θｘ，θｙ）のコードを持った画素の座標を投
光角度画像から求め、形状演算画像の同一座標の画素デ
ータを除去する必要がある。具体的には、図１４に示さ
れるように、ヒストグラムに閾値を設定し、その画素数
を超えた場合には強い正反射光があると判断すること
で、画素の座標を求める。そして、その投光角度（θ
４，θ２００）のデータを形状演算画像から除去するこ
とにより正反射ノイズを除去する（図１５参照）。コイ
ル演算手段１７は、そのノイズ除去された形状演算画像
から、コイルの位置を検出するために、コイルの径方向
及び幅方向の断面形状を求める。

【００３３】図１８はコイル演算手段１７においてコイ
ルの径方向及び幅方向の断面形状を求める際の説明図で
ある。ここでは、コイル３の形状データを検出ヘッドで
あるテレビカメラ１０の設置角度（４５°）分回転させ
た方向、すなわちトロリ４３の横行方向及び走行方何に
それぞれ形状データを投影する。投影の方法としては、
コイル幅方向には、コイル幅方向形状データの平均値を
求める。図示の例では、スリット光５１，５２，５３の
例えば図示の点における平均値を求め、その平均値をコ
イル幅方向の投影形状における点の値とし、同様にし
て、スリット光５１，５２，５３，５４の他の点につい
てもその平均値を求めることで、コイル幅方向の投影形
状（形状データ）５５を求める。また、コイル径方向に
はコイル径方向の形状データの最大値をとることにより
正確な形状データが得られる。図示の例では、スリット
光５１，５２，５３，５４をコイル径方向に投影させた
データ５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａの最大値をとる
ことにより、コイル後方向の投影形状（形状データ）５
６を求める。

【００３４】なお、上記の説明はコイル３の配置方向が
予め分かっている場合についての例であるが、その方向
が予め分かっていない場合においても同様にして処理す
ることかできる。その場合には、取りあえずその方向を
仮に決めてからコイル幅方向及び径方向の投影形状（形
状データ）を求め、その形状データからその配置方向を
判断することができるから、仮に決めたコイルの配置方
向が誤っていた場合には、その判断された配置方向につ
いて上記のコイル径方向の投影形状（形状データ）を求
める。

【００３５】次に、コイル幅方向及び径方向に投影され
た形状データから、コイルの幅方向位置、コイル幅、コ
イル径方向中心位置及びコイル径を求める方法を説明す
る。コイルの幅方向については、図１９に示されるよう
に、投影された幅方向の形状データから別途設定した高
さデータを越す左右両端の点を検出することにより、そ
の点をコイルの右及び左エッジとして認識する。従っ
て、コイル幅方向の中心位置及び幅はそれぞれ次式によ
り求められる。コイルの中心位置＝（右エッジ＋左エッジ）／２ …（６）コイル幅＝｜右エッジ−左エッジ｜ …（７）

【００３６】上記処理を行った時に、図１６及び図１７
に示されるように、強い正反射光によって広がったスポ
ット光のデータがあると、コイル幅が広く判断されコイ
ルの位置も正しく計測されないが、本実施形態において
は上述のように強い正反射光のデータを除去しているの
でそのような弊害はない。ただし、正反射光ノイズ除去
を行うには、図１７に示すように（図１７の例ではＡ，
Ｂ，Ｃの３本）、幅方向のコイルエッジにノイズ除去
後、少なくとも１本以上のスリット光データがかかって
いる必要がある。このため測定対象の１番小さいコイル
径でも２本以上のスリットが幅方向コイルエッジにかか
るように、スリット光の本数（投光角度間隔）を決める
必要がある。

【００３７】コイル径方向については、投影されたコイ
ル形状が半円状になることから、円の方程式に形状デー
タを代入することで、コイルの中心位置及び径を求める
ことができる。（ｘ−ｃ_x ）² ＋（ｚ−ｃ₂ ）² ＝ｒ² …（８）ｘ，ｙ：投影によって得られコイルの半円状の形状デー
タｃ_x ，ｃ₂ ：コイル後方向中心位置ｒ：コイル半径

【００３８】具体的にはコイルの径方向の３点以上のデ
ータがあれば上記の（８）式を解くことができるが、コ
イルの径方向の測定データを有効に使い、測定の信頼性
を向上させるために、コイル径方向の測定データに対し
て３点の組み合わせを複数通り設定し、各々の演算で得
られた複数の中心位置からノイズを除去し、その後統計
処理を行うことにより精度及び信頼性の高いコイル中心
位置を求めることができる。

【００３９】ノイズ除去の方式としては、ノイズが真値
に対して異常値（真値よりも異常に大きいかまたは小さ
い値）をとることから、測定値の分布を求め、多数決の
理論により予め設定した範囲より離れた点を除去する方
法、及び、３点演算によって求められた全ての中心位置
の平均値から距離の離れている順に予め設定した点数の
データを削除する方法がある。なお、このような処理は
当然コイル径方向の断面形状を求める段階及び求めた断
面形状から異常な形状データを除去するためにも用いら
れる。

【００４０】また、多数のコイル中心位置から真の中心
位置を求める方式としては、多数点の平均値を求める方
法や、多数点の分布をメッシュ状に分割しその分布の最
大値をとる位置を求める方法等がある。

【００４１】本実施形態では、以上の説明からも明らか
なように、コイル形状・位置を計測するにあたってノイ
ズとなる測定対象コイルからの強い正反射光があったと
しても強い正反射光があることを検出し、ノイズとなる
強い正反射光データを除去する手段を持つことによっ
て、測定対象であるコイルの表面性状の制限をなくし、
正確なコイルの径方向中心位置とコイル径及びコイルの
幅方向中心位置とコイル幅を求めることが可能になって
いる。

【００４２】なお、本実施形態では、レーザスリット光
の合成画像に基づいて形状演算を行った後で、正反射に
よりノイズを生じたスリット光のデータを除去したが、
形状演算を行う前に上述の処理を行ってノイズを除去す
るようにしても良い。また、ノイズの除去においても、
レーザ光の各２次元の投光角度によるレーザスリット光
の面積を求める代わりに、レーザスリット光（画像）の
信号レベルが所定の閾値レベルを越えている場合には、
そのときの２次元の投光角度による画像信号をを除去す
るようにしてもよい。

【００４３】また、本実施形態において、ｙ方向角度信
号はコイル形状を演算するためではなく、あくまでもス
リット光の長手方向の位置識別のために用いられてお
り、必ずしも投光角度信号である必要はない。例えば、
レーザスポット光の走査速度がテレビカメラの撮像周期
（フレーム周期）比べて十分速い場合には、レーザスリ
ット光の長手方向の位置分解能は、１フレーム内でのレ
ーザスポット光の移動分が最小位置分解能となる。従っ
て、ｙ方向の投光角度信号の代わりに、ｙ方向のレーザ
走査開始時点を基準とした、テレビカメラのフレーム数
を信号として入力しても、同様の効果が得られる。この
場合には、レーザ走査装置１２は投光角度θｘだけを出
力すればよいこととなる。

【００４４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、コイル形
状・位置を計測するにあたって、ノイズとなる測定対象
コイルからの強い正反射光があったとしても、強い正反
射光があることを検出し、ノイズとなる強い正反射光デ
ータを除去するようにしたので、測定対象であるコイル
の表面性状の制限をなくし、正確なコイルの径方向中心
位置とコイル径及びコイルの幅方向中心位置とコイル幅
を求めることが可能になっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のコイル位置検出装置の計測原理を説明
するための構成図である。

【図２】図１のスリット光走査装置の構成を示した図で
ある。

【図３】図１の画像合成装置の構成を示すブロック図で
ある。

【図４】図１の画像合成装置の演算処理を概念的に示し
た説明図である。

【図５】図１のコイル位置検出装置をヤードのコイル位
置検出に適用した場合の説明図であり、（Ａ）は平配置
図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）はテレビカメラの視野内の
映像を示した図である。

【図６】強い正反射光がない場合の２値化画像の説明図
である。

【図７】強い正反射光がない場合の投光角度画像θｘの
説明図である。

【図８】強い正反射光がない場合の投光角度画像θｙの
説明図である。

【図９】強い正反射光がある場合の２値化画像の説明図
である。

【図１０】強い正反射光がある場合の投光角度画像θｘ
の説明図である。

【図１１】強い正反射光がある場合の投光角度画像θｙ
の説明図である。

【図１２】強い正反射光がない場合の２次元投光角度の
ヒストグラムである。

【図１３】強い正反射光がある場合の２次元投光角度の
ヒストグラムである。

【図１４】図１３のヒストグラムに閾値を設けて強い正
反射光の２次元投光角度を検出するための説明図であ
る。

【図１５】強い正反射光がある場合の投光角度画像と、
形状演算画像（正反射ノイズ除去前）及び形状演算画像
（正反射ノイズ除去後）との関係を示した説明図であ
る。

【図１６】正反射ノイズが含まれた状態で、コイルの径
方向及び幅方向の断面形状を求めた場合の説明図であ
る。

【図１７】正反射ノイズ除去後にコイルの径方向及び幅
方向の断面形状を求める際の説明図である。

【図１８】コイルの径方向及び幅方向の断面形状を求め
る際の説明図である。

【図１９】コイル幅方向に投影された幅方向の形状デー
タからコイル幅等を求める際の説明図である。

【図２０】レーザ光源、コイル表面及びテレビカメラの
位置関係を示した図である。

【図２１】強い正反射光があるときの２値化画像（輝度
画像）の説明図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上杉満昭東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA17 AA22 AA26 AA53 AA58 BB06 BB08 CC00 DD12 FF01 FF02 FF04 FF09 GG04 HH04 HH05 JJ03 JJ26 LL13 LL62 MM07 MM16 PP22 QQ03 QQ24 QQ25 QQ29 QQ31 QQ34 QQ42 QQ43

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザスポット光を直線状に走査して複
数本のスリット光を形成してコイルに照射すると共に、
そのときのレーザ光の２次元の投光角度を出力するレー
ザ光投光手段と、前記レーザ光が照射されているコイルを撮像する撮像手
段と、前記撮像手段によって撮像された画像と前記２次元の投
光角度とから、レーザ光の輝度画像とそれに対応したレ
ーザ光の前記２次元の投光角度とをそれぞれ合成する画
像合成手段と、前記レーザ光の輝度画像と前記レーザ光の投光角度とか
らコイルのレーザ光照射部の３次元形状データを求める
形状演算手段と、前記形状演算手段による３次元形状データの内、レーザ
光の各２次元の投光角度によるレーザスリット光の面積
を求めて、それが所定値以上の面積であるとき、そのと
きの２次元の投光角度によるデータを除去する正反射光
ノイズ除去手段と、前記正反射光ノイズ除去手段からの３次元形状データを
コイルの幅方向に投影し、コイルの径方向中心位置及び
コイル径を求めると共に、前記コイルのレーザ光照射部
の３次元形状データを基準面と平行なコイルの径方向に
投影し、コイルの幅方向中心位置及びコイル幅を求める
コイル演算手段とを備えたことを特徴とするコイル位置
検出装置。
【請求項２】レーザスポット光を直線状に走査して複
数本のスリット光を形成してコイルに照射すると共に、
そのときのレーザ光の２次元の投光角度を出力するレー
ザ光投光手段と、前記レーザ光が照射されているコイルを撮像する撮像手
段と、前記撮像手段によって撮像された画像と前記２次元の投
光角度とから、レーザ光の輝度画像とそれに対応したレ
ーザ光の前記２次元の投光角度とをそれぞれ合成する画
像合成手段と、前記画像合成手段による合成画像の内、レーザ光の各２
次元の投光角度によるレーザスリット光の面積を求め
て、それが所定値以上の面積であるとき、そのときの２
次元の投光角度によるデータを除去する正反射光ノイズ
除去手段と、前記正反射光ノイズ除去手段からの前記レーザ光の輝度
画像と前記レーザ光の投光角度とからコイルのレーザ光
照射部の３次元形状データを求める形状演算手段と、前記３次元形状データをコイルの幅方向に投影し、コイ
ルの径方向中心位置及びコイル径を求めると共に、前記
コイルのレーザ光照射部の３次元形状データを基準面と
平行なコイルの径方向に投影し、コイルの幅方向中心位
置及びコイル幅を求めるコイル演算手段とを備えたこと
を特徴とするコイル位置検出装置。
【請求項３】レーザスポット光を直線状に走査して複
数本のスリット光を形成してコイルに照射すると共に、
そのときのレーザ光の２次元の投光角度を出力するレー
ザ光投光手段と、前記レーザ光が照射されているコイルを撮像する撮像手
段と、前記撮像手段にて撮像されたレーザスリット光の強さが
所定の閾値を超えたとき、そのときの２次元の投光角度
による画像を除去する正反射光ノイズ除去手段と、前記正反射光ノイズ除去手段を経由した前記撮像手段の
画像と前記２次元の投光角度とから、レーザ光の輝度画
像とそれに対応したレーザ光の前記２次元の投光角度と
をそれぞれ合成する画像合成手段と、前記レーザ光の輝度画像と前記レーザ光の投光角度とか
らコイルのレーザ光照射部の３次元形状データを求める
形状演算手段と、前記形状演算手段による３次元形状データをコイルの幅
方向に投影し、コイルの径方向中心位置及びコイル径を
求めると共に、前記コイルのレーザ光照射部の３次元形
状データを基準面と平行なコイルの径方向に投影し、コ
イルの幅方向中心位置及びコイル幅を求めるコイル演算
手段とを備えたことを特徴とするコイル位置検出装置。
【請求項４】前記画像合成手段は、前記撮像手段によ
って撮像された画像の画面内の各画素の信号を順次取り
込んで記憶し、同一画素について後から入力される信号
の輝度レベルと既に記憶されている信号の輝度レベルと
を比較し、後から入力される信号の輝度レベルの方が高
いときにその輝度レベルによってその画素の記憶内容を
更新して、各画素についての最大輝度レベルを求める最
大輝度画像演算部と、前記画像の画面内の各画素につい
て、前記最大輝度画像演算手段が画素の記憶内容を更新
したとき、そのときの投光角度情報をその画素の値とす
る合成画像を生成するコード化画像演算部と、前記撮像
手段によって撮像された画像の画面内の各画素の信号を
順次取り込んで記憶し、同一画素について後から入力さ
れる信号の輝度レベルと既に記憶されている信号の輝度
レベルとを比較し、後から入力される信号の輝度レベル
の方が低いときにその輝度レベルによってその画素の記
憶内容を更新して、各画素についての最小輝度レベルを
求める最小輝度画像演算部と、各画素について、最大輝
度レベルと最小輝度レベルとの差をとることにより、レ
ーザ光の照射による輝度レベルの上昇分を抽出し、レー
ザスリット光の照射領域を検出することを特徴とする請
求項１〜３の何れかに記載のコイル位置検出装置。
【請求項５】レーザ光の２次元の投光角度としてｘ、
ｙ２方向の角度の内、スリット光長手方向の角度情報の
代わりに、撮像手段の撮像フレーム数を用い、そして、
前記投光手段は、前記レーザ光の２次元の投光角度を出
力する代わりに、前記スリット光の走査方向の角度を出
力することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の
コイル位置検出装置。