JP2003166808A - 鉄道車両の相対変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外乱要因の影響を受けずに測定点間の正確な
相対変位量を測定する鉄道車両の相対変位測定装置を提
供すること。 【解決手段】 鉄道車両に対して設置された２台の撮影
手段５ａ，５ｂによって同一レール５０の前後位置をそ
れぞれ撮影し、当該２台の撮影手段５ａ，５ｂの画像デ
ータからそれぞれレール直交方向の濃淡波形を抽出し、
その２つの濃淡波形を相関演算することによって撮影手
段５ａ，５ｂを設置した測定点間についてレール直交方
向の相対変位量を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道車両の走行試
験において、２点間の相対変位を非接触で測定し、その
測定結果を用いて輪軸のアタック角（車輪進行方向とレ
ールとのなす角度）を演算するための相対変位測定装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両の曲線通過特性は、車輪・レー
ルの断面形状、輪軸のアタック角、曲率半径、走行速
度、軸箱の前後左右の支持剛性など、多くの要因によっ
て影響される。特に、こうした要因のうち曲線通過時の
横圧は輪軸のアタック角に大きく依存するので、曲線通
過時の横圧の低減策を検討するためには、実際の曲線走
行時における輪軸のアタック角の実体を把握することが
不可欠である。

【０００３】輪軸アタック角を測定するには、測定点間
の相対変位量を求める必要があるが、従来その方法とし
ては、台車枠の先端にＴＶカメラを取り付け、走行中の
車輪とレールの様子を映像信号としてＶＴＲに送って記
録しておき、後でその記録映像からレールと車輪の輪郭
の距離を画面上にものさしをあてて読み取り実寸に換算
することで両者間の距離を測定していた。しかし、これ
では走行中リアルタイムに輪軸アタック角を測定するこ
とが不可能であることから、特開平６−２３５６０９号
公報に、走行中リアルタイムに測定できる装置が提案さ
れている。

【０００４】図９は、当該公報に記載されたアタック角
測定装置を示す構成図であり、図１０は、そのアタック
角測定装置を構成するレール位置測定手段を示す構成
図、そして図１１は、そのレール位置測定手段の取り付
け位置を示す平面図である。先ず、図１１に示すよう
に、検出ヘッド１００が車軸３０１と直角方向でレール
２００の直上になるように、車輪３００を挟んで取り付
けられる。そして検出ヘッド１００では、図１０に示す
ように、レーザ光源１０１からの光ビームが投光レンズ
１０２を通して線状光投影ビームとなり、レール２００
の面上に投影した線状光投影ビームの散乱光が受光レン
ズ１０３で集光してＣＣＤラインセンサ１０４上に結像
される。ＣＣＤラインセンサ１０４からは、端の画素か
ら順次走査による各画素の受光量に比例した電圧がシリ
アルに取り出される。

【０００５】ＣＣＤラインセンサ１０４で取り出された
信号は、信号ケーブル１０５を介して信号処理部１１０
へ送られ、信号処理部のＡ／Ｄ変換器１１１でディジタ
ル信号に変換されてメモリ１１２に格納される。そし
て、メモリ１１２に格納された受光量データの光量分布
に対して、適当に設けられた光量のしきい値を横切る画
素位置からそれぞれ両側のレール端位置がＣＰＵ１１３
により求められ、その結果は出力インターフェイス１１
４を介して図９に示すようにアタック角を算出する演算
手段１２０へと出力される。

【０００６】ところで、走行中の車輪３００と車軸軸箱
３１０の関係は、車輪３００が車軸３０１に平行移動す
る動きだけのため、２つの検出ヘッド１００を結ぶ線と
車輪３００とのなす角度は常に一定に保たれている。図
１１において、測定すべきアタック角は車輪３００とレ
ール２００のなす角φであり、一方の検出ヘッド１００
でレール２００の内側エッジ位置ＤＡが測定され、他方
の検出ヘッド１００でレール２００の内側エッジ位置Ｄ
Ｂが測定される。そこで、２つの検出ヘッド１００の測
定位置の間隔はＬであり、Ｄ０を検出ヘッド１００を車
軸に取付けた状態で決まるオフセット定数であるとする
と、本従来例では演算装置２３によって次の（１１）式
からアタック角を算出する。 φ＝ｔａｎ^-1｛（ＤＢ−ＤＡ＋Ｄ０）／Ｌ｝ （１１）

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、レール２００
の内側エッジ位置ＤＡ，ＤＢを測定してアタック角を算
出していた従来の装置では、適切な照明を得られないと
き、又は散乱光があるとき、更には枕木や砂利が目立つ
低速運転時など、外乱要因を受けてレール頭頂部のみが
明るく浮き上がらず濃淡変化量が小さくなってしまい、
レール側面の位置が検出しづらくなって正確に測定でき
ないといった問題があった。すなわち前記従来例では、
前後の検出ヘッド１００から得られた濃淡の測定データ
によって算出されるが、それは、受光量データの光量分
布から適当な光量のしきい値を設け、そのしきい値で横
切る画素位置をレール２００の内側エッジ位置ＤＡ，Ｄ
Ｂとして行っている。

【０００８】例えばレール２００が直射日光にさらされ
た状態などで測定を行う場合、レール２００から光源１
０１による投影パターン８と直射日光による散乱光が同
時に受光系に入ってしまい、レール踏面上だけでなく受
光軸上にある背景からの散乱光も含まれてしまって、内
側エッジ位置ＤＡ，ＤＢを認識する適切な濃淡波形が得
られなくなる。そのため、従来のアタック角測定装置で
は、狭帯域波長フィルターで背景光をカットしたり、方
形波を発生する発振器を使用して方形波信号をもとに光
源１０１の点灯・消灯時の受光データの差を計算したデ
ータをもとにレール端の位置を検出するなど、外乱光の
影響を受けない測定方法がとられていた。しかし、従来
こうした手段を講じても誤検出に対する信頼性は必ずし
も高いものでなかった。

【０００９】そこで本発明は、こうした課題を解決すべ
く、外乱要因の影響を受けずに測定点間の正確な相対変
位量を測定する鉄道車両の相対変位測定装置を提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る鉄道車両の
相対変位測定装置は、鉄道車両に対して設置された２台
の撮影手段によって同一レールの前後位置をそれぞれ撮
影した、当該２つの画像データを取り込んでそれぞれレ
ール直交方向の濃淡波形を抽出し、その２つの濃淡波形
を相関演算することによって撮影手段を設置した測定点
間についてレール直交方向の相対変位量を算出するもの
であることを特徴とする。よって、本発明によれば、レ
ールの横から日光が強く当たるなどの状況では、レール
頭頂部と枕木や砂利との濃淡上の区別が付きにくくなる
が、そんな場合にでもレール頭頂部、特にレールエッジ
を検出するわけではなく、抽出した濃淡波形そのものの
相関度合いによって相対変位量を算出するため、レール
エッジを認識し難いような濃淡の波形であっても正確に
相対変位量を測定することが可能となる。

【００１１】本発明に係る鉄道車両の相対変位測定装置
は、鉄道車両に対して設置された２台の撮影手段によっ
て同一レールの前後位置をそれぞれ撮影した２つの画像
データを取り込んで、それぞれ画像データから撮影画面
のレール直交方向に１ライン分抽出した濃淡波形につい
て、その１ラインから更にそれぞれの所定範囲で抜き取
った濃淡波形１及び濃淡波形２を決定し、濃淡波形１に
おいて連続的にずらした複数の区間毎に当該濃淡波形１
と濃淡波形２との相関演算を行って、相関演算結果が最
も高くなる区間のずらし量から前記撮影手段を設置した
測定点間のレール直交方向の相対変位量を算出するもの
であることを特徴とする。よって、本発明によれば、抽
出した濃淡波形そのものの相関度合いによって相対変位
量を算出するため、レールエッジを認識し難いような濃
淡の波形であっても正確に相対変位量を測定することが
可能となる。そして、相関演算には画像データから１ラ
イン分を切り出した濃淡波形を用いるため、高速演算の
負荷は小さく有利となる。

【００１２】また、本発明に係る鉄道車両の相対変位測
定装置は、鉄道車両に対して設置された２台の撮影手段
によって同一レールの前後位置をそれぞれ撮影した２つ
の画像データを取り込んで、それぞれ画像データから撮
影画面のレール直交方向に１画素分抽出したスライスラ
インの濃淡波形について、そのスライスラインから更に
それぞれの所定画素範囲で抜き取った濃淡波形１及び濃
淡波形２を決定し、濃淡波形１において１画素ずつ連続
的にずらした複数の区間毎に当該濃淡波形１と濃淡波形
２との相関演算を行って、相関演算結果が最も高くなる
区間の相対移動画素数に１画素当たりの距離値を掛けた
値を前記撮影手段を設置した測定点間のレール直交方向
の相対変位量とするものであることを特徴とする。よっ
て、本発明によれば、抽出した濃淡波形そのものの相関
度合いによって相対変位量を算出するため、レールエッ
ジを認識し難いような濃淡の波形であっても正確に相対
変位量を測定することが可能となる。そして、相関演算
には画像データから１画素分のスライスラインを切り出
した濃淡波形を用いるため、高速演算の負荷は小さく有
利となる。

【００１３】また、本発明に係る鉄道車両の相対変位測
定装置は、前記撮影手段の上下方向変位を計測したその
変位量から、前記１画素当たりの距離値を補正して前記
撮影手段を設置した測定点間のレール直交方向の相対変
位量とするものであることを特徴とする。よって、本発
明によれば、上下動による撮影手段の水平視野が変化し
た場合にでも、変動した１画素当たりの距離値を補正す
ることにより相対変位量を正確に測定することが可能と
なる。

【００１４】本発明に係る運動部アタック角測定装置
は、前記鉄道車両の相対変位測定装置のいずれかによっ
て得られた相対変位量を用いて、その相対変位量を測定
点間の距離で割って鉄道車両運動部のアタック角を算出
するものであることを特徴とする。よって、本発明によ
れば、相対変位測定装置によって正確な測定変位量が得
られるため、正確な鉄道車両運動部のアタック角を算出
することができる。

【００１５】本発明に係る輪軸アタック角測定装置は、
前記相対変位測定装置のいずれかによって得られた相対
変位量から鉄道車両運動部のアタック角を算出し、別途
算出した台車枠と輪軸との間の相対ヨー各及び、走行し
ている地点のレール曲線半径の各値から輪軸アタック角
を算出するものであることを特徴とする。よって、本発
明によれば、相対変位測定装置によって正確な測定変位
量が得られるため、正確な輪軸アタック角を算出するこ
とができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る鉄道車両の相
対変位測定装置、及び運動部アタック角測定装置、輪軸
アタック角測定装置の一実施形態について、図面を参照
しながら以下に説明する。先ず、横圧に影響を及ぼす輪
軸のアタック角は、レールと車輪の進行方向とのなす角
であるが、測定点を台車の第１軸及び第２軸に設けて測
定する場合、図１に示す輪軸アタック角の定義関係図か
ら次式が得られる。 Φ１＝Φｔ＋Φｗ１＋ａ／Ｒ （１） Φ２＝Φｔ＋Φｗ２−ａ／Ｒ （２） Φｎ ：輪軸アタック角（ｒａｄ） Φｔ ：台車アタック角（ｒａｄ） Φｗｎ：台車枠と輪軸との相対ヨー角（ｒａｄ） ｎ ：第ｎ軸 ａ／Ｒ：台車と輪軸の両レール接線のなす角（ｒａｄ） ２ａ ：軸間距離（ｍ） Ｒ ：曲線半径（ｍ）

【００１７】こうした輪軸アタック角Φｎを算出する変
数、すなわち台車枠と台車枠中心下のレールとの相対ヨ
ーイング角である台車アタック角Φｔ、台車枠と輪軸と
の相対ヨー角Φｗｎ及び曲線半径Ｒは、台車枠に取り付
けたＣＣカメラや変位センサなどの計測手段から得られ
る計測値などから算出される。図２は、その計測手段の
取り付け状況を示した図であり、図２（ａ）には台車の
平面図が、図２（ｂ）には台車の側面図が示されてい
る。

【００１８】台車１には、台車枠２の片側両端にアーム
３，３が内側に張り出すように溶接してに取り付けら
れ、各アーム３，３には、同一のレール５０を前後で撮
影するＣＣＤカメラ５ａ，５ｂが２個設置されている。
ところで、前記（１）式の台車アタック角Φｔは、こう
してＣＣＤカメラ５ａ，５ｂを台車枠２に取り付けた場
合のレールとの相対ヨーイング角であるが、ＣＣＤカメ
ラ５ａ，５ｂの取り付け位置としては軸箱や車体であっ
てもよい。そこで、特許請求の範囲では、台車枠、軸箱
及び車体を含めて鉄道車両運動部と記している。

【００１９】また、台車枠２の左右両側には、第１軸及
び第２軸の前後方向変位を測定するための変位センサ６
ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが取り付けられ、更に台車枠２の
上下動によるＣＣＤカメラ５ａ，５ｂの高さ変位を測定
するための変位センサ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが取り付
けられている。各変位センサは、レーザセンサが使用さ
れている。そして、この台車１には、台車枠２の回転角
速度を測定するためのジャイロセンサ８が取り付けられ
ている。

【００２０】こうして台車枠２に取り付けられたＣＣＤ
カメラ５ａ，５ｂや変位センサ６ａ…，７ａ…、それに
ジャイロセンサ８の計測手段が、前記（１）式の輪軸ア
タック角Φｎ及び台車アタック角Φｔなどの各変数を算
出するための演算部１０に接続されている。図３は、演
算部１０を示したブロック図である。演算部１０には、
ＣＣＤカメラ５ａ，５ｂの信号をデジタル変換するＡ／
Ｄ変換器１１ａ，１１ｂを有し、ＣＣＤカメラ５ａ，５
ｂの画像データから相関演算によって輪軸の相対変位を
算出する相対変位測定装置１２及び、その相対変位から
台車アタック角Φｔを算出する運動部アタック角演算装
置１３が順に接続されている。また、相対変位測定装置
１２には、ＣＣＤカメラ５ａ，５ｂの高さ変位を測定す
る変位センサ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが接続されてい
る。

【００２１】演算部１０は更に、台車枠２と輪軸との相
対ヨー角Φｗｎを算出する輪軸ステア角演算装置１４を
有し、第１軸及び第２軸の前後方向変位を測定する変位
センサ６ａ…が接続され、台車と輪軸の両レール５０接
線のなす角ａ／Ｒを算出する曲線半径演算装置１５を有
し、台車枠２の回転角速度を測定するジャイロセンサ８
が接続されている。そして、運動部アタック角演算装置
１３、輪軸ステア角演算装置１４及び曲線半径演算装置
１５は、各算出値から輪軸アタック角Φｎを算出する輪
軸アタック角演算装置１６に接続されている。これら演
算処理を行う各装置１２，１３，１４，１５，１６は、
マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）で構成されている。こう
した演算部１０には、モニタ２１やプリンタなどの出力
装置２２が接続され、そのモニタ２１からは輪軸アタッ
ク角演算装置１６で算出される輪軸アタック角Φｎの
他、画像処理装置１２で算出される相関度などが表示さ
れるようになっている。なお、図示しないが、演算部１
０にはメモリが設けられ、各装置１２，１３，１４，１
５，１６の算出値が記憶されるようになっている。

【００２２】ところで、本実施形態の相関演算による測
定装置では、微分演算による測定方法のようにレール５
０のエッジを検出して測定するわけではないため、撮影
可能な状況であればレールを照らすライトを必要としな
い。しかし、夜間などの絶対的な光量が少ない場合に備
え、ＣＣＤカメラ５ａ，５ｂを設置した測定点には図４
に示すような２個のハロゲンライト２１，２１が設置さ
れている。このハロゲンライト２１，２１は、車体３０
の底面に固定されているが、特にエッジの照度を安定化
させるようにレール５０の左右に配置され、それぞれ光
量が個別に調整ができるようにしたものである。

【００２３】次に、前記（１），（２）式で示した輪軸
アタック角Φｎの演算部１０による演算処理について説
明する。輪軸アタック角Φｎを測定する場合には、変数
である台車アタック角Φｔ、台車枠と輪軸との相対ヨー
角Φｗｎ及び曲線半径Ｒをそれぞれ求める必要がある。
先ず、そのうちの１変数である台車アタック角Φｔは、
次の（３）式で与えられる。 Φｔ＝η・α／（２ｃ） （３） η ：台車枠の前後端に取り付けたカメラより撮影した
２枚の画像上のレールの枕木方向ズレ量（ｍｍ） α ：カメラの上下動補正係数（ＮＤ） ２ｃ：測定点となるカメラの前後距離（ｍｍ）

【００２４】そのため、台車アタック角Φｔを算出する
には、先ず測定点間の相対変位であるズレ量ηを測定す
る必要がある。その測定方法としては、ＣＣＤカメラ５
ａ，５ｂの画像データからレールの断面波形を微分演算
してエッジ位置を測定し、そのエッジ位置のズレから算
出する方法がある。しかし今回、本実施形態ではＣＣＤ
カメラ５ａ，５ｂの画像データから、２波形の相関度合
いを数値化してズレ量ηを求める相関演算による測定方
法をとることとした。相関演算を用いることとしたのは
以下の理由による。

【００２５】相対変位量であるズレ量ηを算出する場
合、先ずＣＣＤカメラ５ａ，５ｂから、画像イメージを
表現した図５に示すように枕木や砂利を含むレール５０
の画像が取り込まれる。この画像はｍ×ｎ画素のＣＣＤ
カメラ５ａ，５ｂによって撮像された濃淡値の２次元配
列データである。そして、２次元配列データから図５に
示す所定の１ライン、すなわち１×ｎ画素の１次元配列
データを抽出することによって、レール５０（枕木や砂
利を含む）の断面を示す濃淡データが得られる。

【００２６】こうした濃淡データは、レール５０を照ら
す光線状態や車両速度などの条件が良い場合には、図６
（ａ）に示すようにレール５０頭頂部と枕木などとの区
別がはっきりしたエッジの明確な濃淡波形となるが、条
件が悪い場合には、図６（ｂ）に示すようなレール５０
頭頂部と枕木などとの区別がつきにくい濃淡波形となっ
てしまう。そのため、図６（ｂ）に示すような濃淡波形
の場合、レールのエッジを検出して測定を行う微分演算
では、エッジを誤検出してズレ量ηの値が不正確になり
やすい。そこで、このような場合にでも正確なズレ量η
を算出できるよう、本実施形態では相関演算による測定
方法をとっている。以下、測定方法について具体的に説
明する。

【００２７】先ず、第１軸及び第２軸に対するＣＣＤカ
メラ５ａ，５ｂの画像データは、演算部１０のＡ／Ｄ変
換器１１ａ，１１ｂでデジタル信号に変換されて相対変
位測定装置１２へと送られる。画像処理には、図５に示
すようにＣＣＤカメラ５ａ，５ｂの画像から抽出したス
ライスライン（１×ｎ画素）において、そのライン上の
濃淡を示す濃淡データが用いられる。ここで図７は、Ｃ
ＣＤカメラ５ａ，５ｂの画像データから所定の１ライン
を抽出した濃淡データを模式的に表し、相対変位測定装
置１２によって行うズレ量ηの測定方法を概念的に示し
たものである。そこで、ＣＣＤカメラ５ａ，５ｂから同
時に得られた曲線通過地点での濃淡データがそれぞれ図
の濃淡波形１，２であるとする。

【００２８】相対変位測定装置１２の演算処理では、先
ず各１ライン分の濃淡データが抽出された後、それぞれ
主にレール５０部分について抜き取った濃淡波形１（実
線）と濃淡波形２（二点鎖線）の濃淡データが得られ
る。そして、濃淡波形１について演算区間ｄ１，ｄ２…
ｄＮ…が決定され、その区間毎に濃淡波形１と濃淡波形
２との相関度合の測定が行われる。具体的には、例えば
濃淡波形１が、１ラインから２００〜４９９画素部分を
切り取って固定した濃淡データであり、また濃淡波形２
が、１ラインから３００〜３９９画素部分を切り取って
固定した濃淡データである。そして、その濃淡波形２の
濃淡データを濃淡波形１の濃淡データに対して、２００
〜２９９画素部分の区間ｄ１から始まって、次に２０１
〜３００画素部分の区間ｄ２というように、１画素ずつ
１００画素分の区間をずらしながら４００〜４９９画素
部分の区間ｄ２００まで順に相関演算を行う。

【００２９】こうして本実施形態では、相関法による演
算処理によってズレ量ηを測定することとしたが、演算
処理に用いられる無次元化された相関係数Ｒの定義式
は、次の（４）式である。 Ｒ² ＝（│Ａ│・Ａ）／（Ｂ・Ｃ） （４） Ａ：２画像スライス濃淡波形の相互相関演算 Ｂ：画像１の自己相関演算 Ｃ：画像２の自己相関演算

【００３０】一般的に２変数の相関係数ｒの定義式は、 ｒ＝Σｘ(i)・ｙ(ｊ)／｛Σｘ(i)²・Σｙ(ｊ)²｝^1/2 である。これに対して（４）式では、演算処理を簡単に
するため両辺を２乗して分母の平方根を外し、その際、
分子の「２画像スライス濃淡波形の相互相関演算」の一
方に絶対値を付けることによって、演算結果に符号が付
くようにして相関の正負が明らかになるようにしてい
る。

【００３１】そこで、相対変位測定装置１２では、前述
した各区間での相関係数が（４）式に基づいて順次求め
られ、濃淡波形１と濃淡波形２との相関度合いが測定さ
れる。すると、図７に示すように、あるずらし量ｘにお
ける区間ｄＮで濃淡波形１，２の相関係数が正のピーク
値をとる。これは、区間ｄＮが、画像をずらせて合わせ
た場合にレール５０が最も重なる位置であり、各ＣＣＤ
カメラ５ａ，５ｂの画像には区間ｄ１〜ｄＮまでの距離
だけズレが生じていたことになる。そのため相対変位測
定装置１２では、このピーク値をとる場合のずらし量ｘ
の相対移動画素数に１画素当たりの距離値を掛けた値
を、台車アタック角Φｔを求める（３）式のズレ量ηと
して算出する。

【００３２】ところで、相対変位測定装置１２で算出さ
れたズレ量ηは、台車枠２が上下するとＣＣＤカメラ５
ａ，５ｂの水平視野（撮影範囲に対する水平画素数）が
変化し、１画素当たりの距離値が変動してしまって正確
な測定ができなくなる。そのため、運動部アタック角演
算装置１３では、変位センサ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄか
ら上下変位データを取り込んで１画素当たりの距離値の
補正を行いズレ量ηを算出するようにしている。そし
て、相対変位測定装置１２によって算出されたズレ量η
は、運動部アタック角演算装置１３へと送られ、（３）
式に基ずく台車アタック角Φｔの演算が行われる。すな
わち、運動部アタック角演算装置１３では、ズレ量η
と、変位センサ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄの上下変位デー
タから得られた上下動補正係数α及び定数２ｃ（前後の
カメラの距離）との演算にて台車アタック角Φｔが算出
される。

【００３３】こうして、相対変位測定装置１２及び運動
部アタック角演算装置１３において、輪軸アタック角Φ
ｎを算出する１変数である台車アタック角Φｔが得られ
る一方、輪軸ステア角演算装置１４では、台車枠２と輪
軸との相対ヨー角Φｗｎが、そして曲線半径演算装置１
５では、台車と輪軸の両レール５０接線のなす角ａ／Ｒ
が算出される。即ち、輪軸ステア角演算装置１４では、
第１軸に対して取り付けられた変位センサ６ａ，６ｂか
らの前後変位データ（変位量Ｘtw1，Ｘtw2）と、第２軸
に対して取り付けられた変位センサ６ｃ，６ｄからの前
後変位データ（変位量Ｘtw3，Ｘtw4）、及び各センサ６
ａ，６ｂ／６ｃ，６ｄ間の軸方向距離Ｂtwによって、次
の（５），（６）式から相対ヨー角Φｗｎが求められ
る。 Φｗ１＝（Ｘtw1−Ｘtw2）／Ｂtw （５） Φｗ２＝（Ｘtw3−Ｘtw4）／Ｂtw （６）

【００３４】また、曲線半径演算装置１５では、ジャイ
ロセンサ８から得られたヨー角速度ωと不図示の速度セ
ンサからの走行速度によって曲線半径Ｒ（＝Ｖ／ω）が
算出され、更に軸間距離を２ａとした場合のａの値とか
ら、台車と輪軸の両レール５０接線のなす角ａ／Ｒが求
められる。そして演算部１０では、演算装置１３，１
４，１５の値が輪軸アタック角演算装置１６に送られ、
そこでは前記（１），（２）式の演算により輪軸アタッ
ク角Φｎが求められる。こうして輪軸アタック角演算装
置１６で求められた輪軸アタック角Φｎやその他の演算
結果は不図示のメモリに記録されるとともに、その演算
データが演算部１０からモニタ２１に送られ、測定波形
として試験運転中にリアルタイムで表示される。

【００３５】ところで今回、本実施形態の相対変位測定
方法による信頼性を検証するため、構内にレールを敷設
し、単体の台車を伝動トロッコに牽引させて測定した台
車アタック角の比較試験を行った。すなわち、一方には
ＣＣＤカメラを設置して相関演算を利用した画像処理に
よる本実施形態の測定方法であり、他方は、レール側面
に当てたレーザセンサ測定変位から求めた相対変位量を
求めるようにした測定方法である。このレーザセンサに
よる測定方法は、レーザセンサをレールの近い位置に別
途設けた梁などに固定して行うため、レールの位置を極
めて正確に計測でき、正確な測定変位量から信頼性の高
い台車アタック角が測定できる。なお、本線走行試験で
は障害物が多く、レーザセンサはこうした構内走行試験
以外での使用は難しい。

【００３６】図８は、構内試験の比較結果を示したグラ
フである。この図からも分かるように、画像処理によっ
て測定点間の相対変位量を求める本実施家形態の方法
と、レーザセンサを使って相対変量を計測する方法とで
は、両者の測定変位量から算出したそれぞれの台車アタ
ック角が良く一致していることが確認できた。なお、レ
ーザセンサを使用して得た台車アタック角は、所々に著
大な値が示されているが、これはレーザセンサがレール
５０継ぎ目部分の隙間を検知したためである。

【００３７】よって、本実施形態によれば、相関演算に
よって相対変位量を測定するようにしたので、レール５
０の横から日光が強く当たるなど外乱要因の影響を受け
る状況でも、レールエッジを認識し難いような濃淡の波
形であっても正確に相対変位量を測定することが可能と
なった。測定を日中と夜間の両方で実施した場合、夜間
は外乱光が少ないため、相関ピーク値が常時０．９以上
となり、日光が差し込む日中でも相関ピーク値は概ね
０．８前後と安定していた。そのため、台車アタック角
Φｔのズレ量ηを極めて正確に求めることができ、輪軸
アタック角が安定して測定され、測定信頼性も向上し
た。また、相対変位量を測定する際に画面から１ライン
分を切り出した濃淡波形を用いるため、演算の負荷が小
さく処理の高速化が可能となった。測定点の撮影手段と
して市販のカメラを使用することができるので、低コス
ト化を実現することができた。

【００３８】以上、本発明の一実施形態について説明し
たが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を
逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、測
定点を台車枠２の前後としてＣＣＤカメラ５ａ，５ｂを
取り付けたが、測定点はこのほか軸箱の前後や車体の任
意の箇所に設けるようにしてもよい。

【００３９】

【発明の効果】本発明は、鉄道車両に対して設置された
２台の撮影手段によって同一レールの前後位置をそれぞ
れ撮影し、当該２台の撮影手段の画像データからそれぞ
れレール直交方向の濃淡波形を抽出し、その２つの濃淡
波形を相関演算することによって撮影手段を設置した測
定点間についてレール直交方向の相対変位量を算出する
ようにしたので、外乱要因の影響を受けずに測定点間の
正確な相対変位量を測定する鉄道車両の相対変位測定装
置を提供することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】輪軸アタック角の定義関係図である。

【図２】台車に対する計測手段の取り付け状況を示した
図である。

【図３】演算部を示したブロック図である。

【図４】車体下におけるハロゲンライトの取り付け状況
を示した図である。

【図５】ＣＣＤカメラによって撮像した画像イメージを
示した図である。

【図６】ＣＣＤカメラで撮像した画像から１ライン分を
切り取った濃淡波形を示す図である。

【図７】濃淡波形を模式的に表して相対変位量の測定方
法を概念的に示した図である。

【図８】構内試験における台車アタック角の比較結果を
示したグラフである。

【図９】従来のアタック角測定装置を示す構成図であ
る。

【図１０】従来のアタック角測定装置を構成するレール
位置測定手段を示す構成図である。

【図１１】レール位置測定手段の取り付け位置を示す平
面図である。

【符号の説明】

１ 台車 ２ 台車枠 ５ａ，５ｂ ＣＣＤカメラ ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ 変
位センサ ８ ジャイロセンサ １２ 相対変位測定装置 １３ 運動部アタック角演算装置 １４ 輪軸ステア角演算装置 １５ 曲線半径演算装置 ５０ レール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 臼井 俊一 名古屋市中村区名駅１丁目１番４号 東海 旅客鉄道株式会社内 (72)発明者 坂上 啓 名古屋市中村区名駅１丁目１番４号 東海 旅客鉄道株式会社内 (72)発明者 新村 浩 名古屋市熱田区三本松町１−１ 日本車輌 製造株式会社内 (72)発明者 岡田 信之 名古屋市熱田区三本松町１−１ 日本車輌 製造株式会社内 (72)発明者 鈴木 裕之 名古屋市熱田区三本松町１−１ 日本車輌 製造株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA07 AA31 AA67 BB12 CC35 FF04 GG03 GG04 JJ03 JJ05 JJ26 QQ04 QQ31 5B057 AA16 BA02 CA12 CA16 DA07 DB02 DC30 DC34 5L096 BA08 CA02 FA34 FA64 FA67

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄道車両に対して設置された２台の撮影
   手段によって同一レールの前後位置をそれぞれ撮影し
   た、当該２つの画像データを取り込んでそれぞれレール
   直交方向の濃淡波形を抽出し、その２つの濃淡波形を相
   関演算することによって撮影手段を設置した測定点間に
   ついてレール直交方向の相対変位量を算出するものであ
   ることを特徴とする鉄道車両の相対変位測定装置。
2. 【請求項２】 鉄道車両に対して設置された２台の撮影
   手段によって同一レールの前後位置をそれぞれ撮影した
   ２つの画像データを取り込んで、それぞれ画像データか
   ら撮影画面のレール直交方向に１ライン分抽出した濃淡
   波形について、その１ラインから更にそれぞれの所定範
   囲で抜き取った濃淡波形１及び濃淡波形２を決定し、濃
   淡波形１において連続的にずらした複数の区間毎に当該
   濃淡波形１と濃淡波形２との相関演算を行って、相関演
   算結果が最も高くなる区間のずらし量から前記撮影手段
   を設置した測定点間のレール直交方向の相対変位量を算
   出するものであることを特徴とする鉄道車両の相対変位
   測定装置。
3. 【請求項３】 鉄道車両に対して設置された２台の撮影
   手段によって同一レールの前後位置をそれぞれ撮影した
   ２つの画像データを取り込んで、それぞれ画像データか
   ら撮影画面のレール直交方向に１画素分抽出したスライ
   スラインの濃淡波形について、そのスライスラインから
   更にそれぞれの所定画素範囲で抜き取った濃淡波形１及
   び濃淡波形２を決定し、濃淡波形１において１画素ずつ
   連続的にずらした複数の区間毎に当該濃淡波形１と濃淡
   波形２との相関演算を行って、相関演算結果が最も高く
   なる区間の相対移動画素数に１画素当たりの距離値を掛
   けた値を前記撮影手段を設置した測定点間のレール直交
   方向の相対変位量とするものであることを特徴とする鉄
   道車両の相対変位測定装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載する鉄道車両の相対変位
   測定装置において、 前記撮影手段の上下方向変位を計測したその変位量か
   ら、前記１画素当たりの距離値を補正して前記撮影手段
   を設置した測定点間のレール直交方向の相対変位量とす
   るものであることを特徴とする鉄道車両の相対変位測定
   装置。
5. 【請求項５】 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載
   する鉄道車両の相対変位測定装置によって得られた相対
   変位量を用いて、その相対変位量を測定点間の距離で割
   って鉄道車両運動部のアタック角を算出するものである
   ことを特徴とする運動部アタック角測定装置。
6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載
   する鉄道車両の相対変位測定装置によって得られた相対
   変位量から鉄道車両運動部のアタック角を算出し、別途
   算出した台車枠と輪軸との間の相対ヨー各及び、走行し
   ている地点のレール曲線半径の各値から輪軸アタック角
   を算出するものであることを特徴とする輪軸アタック角
   測定装置。