JP2007269046A - 地上子位置ずれ計測方法、装置、およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】地上子の設置位置からの位置ずれ計測を自動的に行う。
【解決手段】軌陸車が進行して地上子位置に来て、地上子上のレーザ輝線照射エリアに輝線が現れたことをデジタルカメラ１２、１３からの画像によって検出する。輝線が検出されてから、地上子の、軌陸車の進行方向の長さと軌陸車の移動速度とデジタルカメラ１２、１３のフレームレートで決まる時間軌陸車が移動した時のデジタルカメラ１２、１３からの画像を処理して、その輝線と軌道面エッジとの交点および該輝線上の地上子中心である３つの特定点を抽出する。該特定点を用いて地上子中心の軌道間中心に対する相対位置と、地上子の上面の軌道上面からの高さを演算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、軌陸車に装備されて、軌道上を走行する車両用の地上子の位置を計測する地上子位置計測装置に関し、特に地上子の位置ずれを計測する地上子位置ずれ計測装置に関する。

特許文献１に記載された従来の地上子位置計測装置は、近赤外パルススポットレーザを使用しての地上子検出、その地上子検出のタイミングでのパルスファンレーザ光照射、および外部トリガ方式のＣＣＤカメラによる画像取得、画像処理診断という処理をしており、ファンレーザ光照射および画像取得のタイミング制御の部分が重要な構成となっている。

また、特許文献１に記載の装置は、構成として、レーザ投光部、レーザ受光部、タイミング制御部、カメラ、画像キャプチャボード、処理演算部、専用電源等が必要であった。
特開平１１−３２１６５０号公報

上記の従来の装置では、新しい形状の地上子が導入されると、装置の大幅な改造が必要であった。ハードウェアの大幅な改造は費用が大きくかさむ原因であり、装置導入当初の作業効率化（費用低減）に見合わないものとなってしまうという問題があった。

また、従来の装置では、スポットレーザ光照射位置とファンレーザ光照射位置は地上子形状に合わせて固定する必要があり、地上子が新しく変更になった場合はその形状の違いに応じてハードウェア、具体的にはファンレーザを追加しなければならず、柔軟な対応が困難であった。また、従来の装置では計測した地上子の位置情報が無いために計測したデータと実際の地上子のつき合せが人手によるものとなり、作業が煩雑になることがあった。

本発明の目的は、地上子の設置位置からの位置ずれ計測を自動的に行うことのできる地上子位置ずれ計測方法および装置を提供することにある。

本発明の地上子位置ずれ計測装置は、
軌陸車の進行方向前方から後方に向かって斜めに軌道と地上子を連続照射する、光切断法による画像処理照明光源としての連続波ラインレーザと、
高速データ転送が可能なインターフェースを備えた、一方は地上子と軌道の一方を撮影し、他方は軌道の他方を撮影する２台のデジタルカメラと、
軌陸車が進行して地上子位置に来て、地上子上のレーザ輝線照射エリアに輝線が現れたことがデジタルカメラからの画像によって検出されてから、地上子の、軌陸車の進行方向の長さと軌陸車の移動速度とデジタルカメラのフレームレートで決まる時間軌陸車が移動した時のデジタルカメラからの画像を処理して、その輝線と軌道面エッジとの交点および該輝線上の地上子中心である３つの特定点を抽出し、該特定点を用いて前記地上子中心の軌道間中心に対する相対位置と、地上子の上面の軌道上面からの高さを演算する画像演算処理部と、
を有する。

本地上子位置ずれ計測装置は、基本的には、軌陸車の走行に応じて高フレームレートの画像処理により軌道エッジと地上子中心を検出し、そのときの車速に応じたタイミングで地上子中心付近に照射されたレーザ輝線画像を取得し、その画像処理結果から地上子中心の位置ずれを演算するものである。

連続波ラインレーザと高フレームレートで画像取り込み可能なデジタルカメラを用い、毎フレーム連続的に画像処理することでタイミング制御が不要となる。したがって、レーザ受光部、タイミング制御部、画像キャプチャボード、専用電源は不要となり、簡便なハードウェア構成となり、装置を安価に製造できる。

従来方式では計測する対象物の形状に応じてレーザ部等の構成、配置を決め、アライメント調整をしっかり実施する必要があったが、画像処理によるソフトウェアトリガ方式により、対象となる地上子の形状が変わってもソフトウェア上で柔軟に対応することが可能で、ハードウェアの調整は不要である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態による地上子位置ずれ計測装置はラインレーザ１１とデジタルカメラ１２、１３とインターフェースカード１４とＡＣ／ＤＣコンバータ１５と表示部１６とＧＰＳモジュール１７とアンテナ１８と画像処理演算部１９で構成され、これらは全て軌陸車（不図示）に搭載されている。また、画像処理部１９には、軌陸車の車速センサ２０から、軌陸車の車速データが入力するようになっている。

ラインレーザ１１は光切断法の照明光源としての、ＤＣ電源駆動の半導体レーザであり、図２に示すように、軌陸車の進行方向前方から後方に向かって斜めに軌道１０１、１０２と地上子１０３を連続照射する。レーザ波長は可視赤色を使用し、レーザクラスとしてはクラス２Ｍ以下の安全性の高い低出力タイプを使用する。

デジタルカメラ１２、１３はレーザ輝線（線像）撮像のためのカメラで、高速データ転送が可能な１３９４ｂインターフェースを持っている。そのため２００（フレーム／秒）という高速の画像取得が可能となっている。通常のカメラは映像更新レートが遅いため、走行しながらの自動計測には使用できない。また、通常のＣＣＤカメラの場合は画像取込みに際して複数台のカメラの同期を取るため外部同期信号が必要であるが、ここで使用するカメラ１２、１３は１３９４インターフェースを持っているので、外部同期信号なしで同期が可能である。なお、デジタルカメラ１２は左側レール１０１と地上子１０３、デジタルカメラ１３は右側レール１０２を撮影する。デジタルカメラ１２、１３の出力は１３９４インターフェースカード１４を経て画像処理演算部１９に入力される。

画像処理演算部１９としてここでは通常のＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）を使用している。ＰＣ上には画像取得用のドライバ類、位置ずれ計測用の画像処理演算ソフトウェアが搭載されている。

ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）モジュール１７とアンテナ１８は軌陸車の位置データ取得用で、画像処理演算部１９からの制御で軌陸車の走行場所に応じたＧＰＳデータをリアルタイムに取得可能である。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１５はラインレーザ１１と画像処理演算部１９に直流電源を供給する。

次に、本実施形態による地上子位置ずれ計測装置の画像処理演算部１９の動作を図２-６により説明する。処理はデジタルカメラ１２、１３の画像フレームレートが基本周期となる。

最初に、初期設定として画像取込みエリアＣを指定する（ステップ２００、図３）。デジタルカメラの場合は画像全体でなく一部のエリアに限って取り込み指定し、結果として画像更新レートを速くすることもできる。

次に、実際の画像処理エリアＡ、Ｂを指定する（ステップ２０１、図３）。図３のエリアＡはレール１０１、１０２上の輝線照射エリアであり、エリアＢは地上子１０３上の輝線照射エリアである。ラインレーザ１１は前方斜め上からレール１０１、１０２と地上子１０３に向かって連続照射される。光切断法により画面上の輝線照射部の縦方向位置が地上子１０３の相対高さ情報となる。

初期校正後に計測を開始する（ステップ２０２）。通常、地上子１０３はレール１０１、１０２よりも低い位置にあり、地上子１０３が無いときにはエリアＢには輝線はなく、下方に当たっている（図３）。

軌陸車が進行してラインレーザ１１が地上子１０３の位置に来たときは、エリアＢに輝線が現れる（図４）。画像演算処理部１９はこの時点を地上子１０３の検出開始時点とし（ステップ２０３）、車速センサ２０から車速データ、ＧＰＳモジュール１７からＧＰＳ位置情報を取り込み、画像取得タイミングを計算する（ステップ２０４）。地上子１０３の列車進行方向の水平長さはあらかじめわかっているからこれをＬ（ｍ）とし、軌陸車の移動速度をｖ（ｍ／秒）、デジタルカメラ１２、１３のフレームレートをｆ（フレーム／秒）とすると、地上子１０３の中心部付近の通過は、輝線の検出開始時点からｆＬ／２ｖフレーム後となる。このときの取得画像（図５）を画像処理して図５（ａ）と図５（ｂ）に示す３つの特定点を抽出する（ステップ２０５、２０６）。左側のデジタルカメラ１２で撮った画像が図５（ａ）、右側のデジタルカメラ１３で撮ったのが図５（ｂ）であり、特定点である、左側レール１０１の頂点（エッジ交点）Ｒｌ、右側レール１０２の頂点（エッジ交点）Ｒｒ、地上子１０３の横方向中心点Ｔを特定する。地上子１０３のレール１０１、１０２に対する相対高さＨと地上子１０３のレール間中心からの横方向相対位置Ｒは以下のように計算する（ステップ２０７）。ここでは、カメラ１１、１２はレール１０１、１０２上方から真下方向に見ているものと仮定する。座標Ｒｌ（Ｘ１、Ｙ１）、Ｒｒ（Ｘｒ、Ｙｒ）、Ｔ（Ｘｔ、Ｙｔ）はそれぞれ画像上のピクセル座標であり、左カメラ１２は画像の右下を原点とし、右カメラ１３は画像の左下を原点と仮置きする。なお、１画素の見込む長さは水平方向でΔＸ、垂直方向でΔＹとし、いずれも既知である。同様に、左カメラ画像の右端位置と右カメラ画像の左端位置とのギャップ距離をＧとし、これも初期校正によって既知である。
カメラの撮像方向水平面とレーザ光のなす角をθとすると、相対高さＨは、
Ｈ＝（Ｙ１−Ｙｔ）×ΔＹ×ｔａｎθ
と表せる。また、レール間距離Ｒｇは
Ｒｇ＝（Ｘ１＋Ｘｒ）×ΔＸ＋Ｇ
と表せる。したがって、レール間中心位置から点Ｒｌまでの距離Ｒｍは
Ｒｍ＝Ｒｇ／２
よって、地上子１０３のレール間中心からの横方向ずれＲは以下のように表される。

Ｒ＝Ｒｍ−（Ｘｔ−Ｘｌ)×ΔＸ
＝（３Ｘｌ＋Ｘｒ−２Ｘｔ）×ΔＸ／２＋Ｇ／２
検出位置は毎回ずれるので、実際にはｆＬ／２ｖ番目のフレームの前後数フレームの画像を取得して算出した数回のＨとＲそれぞれの平均値を採用し、画像取得位置のばらつきを補正する。

同様に、右側のカメラ１３で同期した画像を取得して他方のレール１０２上の輝線を抽出する。これで地上子１０３のレール間中心からの横方向相対位置を計算する。検出開始位置は毎回ずれるので実際にはｆＬ／２ｖ番目のフレームの前後数フレームの画像を取得し、画像取得位置のバラツキを補正する。

計測した結果は取得した画像とともに表示部１６に表示され（ステップ２０８）、作業者の確認後ＧＰＳ位置情報と共にプリンタで紙に記録される（ステップ２０９、２１０）。作業者の確認の結果が「Ｎｏ」であれば、キャンセル処理が行われる（ステップ２１１）。

上記の実施形態では軌陸車の車速センサ１９を使って車速データを外部入力値としたが、車速データは直接画像処理によっても計測可能である。

図７は複数のラインレーザを使って軌陸車の速度を計測する実施形態の地上子位置ずれ計測装置のブロック図を示している。ラインレーザ１１が新たに縦方向に１本追加されている。図８、図９のように、画像処理エリアＤを設定し、地上子１０３の上面に当たるレーザ線像のエッジポイント（点Ｐ、点Ｑ）の移動速度を計算で求めることができる。このときは画像処理に少し負荷がかかるため軌陸車の走行速度は低く抑える必要があるが、車速センサを必要としないため、地上子位置ずれ計測装置を安価な装置とすることができる。

車速計測用のレーザ照明の方法としては他に２本の平行線を使う等も考えられる。また、先の実施形態ではラインレーザ１１（ファンレーザ）を使用しているが、ライン上の照明が可能であれば通常のランプ照明やＬＥＤ照明でもよい。

なお、本発明の地上子位置ずれ計測装置は、その機能を実現するためのプログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータに読み込ませ、実行するものであってもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク装置等の記憶装置を指す。さらに、コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、インターネットを介してプログラムを送信する場合のように、短時間、動的にプログラムを保持するもの（伝送媒体もしくは伝送波）、その場合のサーバとなるコンピュータ内の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものを含む。

本発明は、鉄道線路の保守分野において線路周辺の構造物の位置づれ計測および障害物計測等にも応用できる。

本発明の一実施形態による地上子位置ずれ計測装置のブロック図である。 レール横方向から見たラインレーザとデジタルカメラの地上子に対する位置関係を示す図である。 画像取り込みエリアと実際の画像処理アリアを示す図である。 レールと地上子上のレーザ輝線を示す図である。 地上子位置計測の説明図である。 図１の列車地上子位置ずれ計測装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態による列車地上子位置ずれ計測装置のブロック図である。 レール横方向から見たラインレーザとデジタルカメラの地上子に対する位置関係を示す図である。 レールと地上子上のレーザ輝線を示す図である。 レールと地上子上のレーザ輝線を示す図である。

符号の説明

１１ ラインレーザ
１２ デジタルカメラ
１３ デジタルカメラ
１４ インターフェースカード
１５ ＡＣ／ＤＣコンバータ
１６ 表示部
１７ ＧＰＳモジュール
１８ ＧＰＳアンテナ
１９ 画像処理演算部
２０ 車速センサ
１０１、１０２ レール
１０３ 地上子
２００〜２１１ ステップ
Ａ レール上の輝線照射エリア
Ｂ 地上子上の輝線照射エリア
Ｃ 画像取り込みエリア
Ｄ 画像処理エリア

Claims (11)

1. 地上の、軌道間に設置された地上子の位置ずれを計測する地上子位置ずれ計測方法であって、
   レーザ光を、前記軌道上を走行中の軌陸車から、前記軌陸車の進行方向前方から後方に向かって斜めに前記軌道と前記地上子に連続照射するステップと、
   前記軌陸車が進行して地上子位置に来て、地上子上のレーザ輝線照射エリアに輝線が現れたことをデジタルカメラからの画像によって検出するステップと、
   前記輝線が検出されてから、前記地上子の、前記軌陸車の進行方向の長さと前記軌陸車の移動速度と前記デジタルカメラのフレームレートで決まる時間前記軌陸車が移動した時の前記デジタルカメラからの画像を処理して、その輝線と軌道面エッジとの交点および該輝線上の地上子中心である３つの特定点を抽出するステップと、
   該特定点を用いて前記地上子中心の軌道間中心に対する相対位置と、前記地上子の上面の前記軌道上面からの高さを演算するステップと、
   を有する地上子位置ずれ計測方法。
2. 前記地上子上のレーザ輝線照射エリアに輝線が現れたことがデジタルカメラの画像によって検出されると、前記軌陸車の移動速度のデータを車速センサから取り込むステップをさらに有する、請求項１に記載の地上子位置ずれ計測方法。
3. 前記軌陸車の移動速度として、前記地上子に向かってレーザ光を照射するタイミング用ラインレーザによって前記地上子面に照射されたレーザ輝線画像と前記地上子のエッジの交点の移動速度を算出するステップをさらに有する、請求項１に記載の地上子位置ずれ計測方法。
4. 前記演算結果を記録および/または表示するステップをさらに有する、請求項１から３のいずれかに記載の地上子位置ずれ計測方法。
5. 地上子上のレーザ輝線照射エリアに輝線が現れたことがデジタルカメラの画像によって検出されると、ＧＰＳモジュールから前記軌陸車の位置情報を取得するステップと、
   前記位置情報を前記演算結果と共に表示および/または記録するステップと
   をさらに有する、請求項４に記載の地上子位置ずれ計測方法。
6. 軌道上を走行する軌陸車に搭載されて、地上の、軌道間に設置された地上子の位置ずれを計測する地上子位置ずれ計測装置であって、
   前記軌陸車の進行方向前方から後方に向かって斜めに前記軌道と前記地上子を連続照射する、光切断法による画像処理照明光源としての連続波ラインレーザと、
   高速データ転送が可能なインターフェースを備えた、一方は前記地上子と前記軌道の一方を撮影し、他方は前記軌道の他方を撮影する２台のデジタルカメラと、
   前記軌陸車が進行して地上子位置に来て、地上子上のレーザ輝線照射エリアに輝線が現れたことが前記デジタルカメラからの画像によって検出されてから、前記地上子の、前記軌陸車の進行方向の長さと前記軌陸車の移動速度と前記デジタルカメラのフレームレートで決まる時間前記軌陸車が移動した時の前記デジタルカメラからの画像を処理して、その輝線と軌道面エッジとの交点および該輝線上の地上子中心である３つの特定点を抽出し、該特定点を用いて前記地上子中心の軌道間中心に対する相対位置と、前記地上子の上面の前記軌道上面からの高さを演算する画像演算処理部と、
   を有する地上子位置ずれ計測装置。
7. 画像演算処理部は、輝線が現れたことが前記デジタルカメラからの画像によって検出されたとき、前記軌陸車の車速センサからデータを前記軌陸車の移動速度として取り込む、請求項６に記載の列車地上子位置ずれ計測装置。
8. 前記軌道の方向とほぼ並行に、前記地上子に向かって光を照射するタイミング用ラインレーザをさらに有し、
   前記画像演算処理部は、前記タイミング用ラインレーザによって前記地上子面に照射されたレーザ輝線画像と前記地上子のエッジの交点の移動速度を前記軌陸車の移動速度として算出する、請求項６に記載の地上子位置ずれ計測装置。
9. 前記演算の結果を表示および/または記録する表示/記録部をさらに有する、請求項６から８のいずれかに記載の地上子位置ずれ計測装置。
10. 前記画像演算処理部は、前記演算が行われた場所の位置情報をＧＰＳモジュールから取得し、前記表示/記録部に表示および/または記録する、請求項９に記載の地上子位置ずれ計測装置。
11. 請求項１から５のいずれかに記載の地上子位置ずれ計測方法をコンピュータで実行するためのプログラム。

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