JP2010071706A - 画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度測定装置および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型の装置で高精度にパンタグラフの鉛直加速度を計測することが可能な画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度測定装置および測定方法を提供する。
【解決手段】車両に取り付けたラインセンサカメラ１でパンタグラフを撮像し、画像処理部２により撮像された画像に基づいてパンタグラフの鉛直加速度を測定する装置において、画像処理部２に、ラインセンサカメラ１によって撮像したパンタグラフの測定点における画像を入力する画像入力部２１と、入力された画像からなるラインセンサ画像に対して画像処理を施すことによってラインセンサ画像上のパンタグラフの位置を求めるパンタグラフ位置検出部２３と、ラインセンサ画像上のパンタグラフの位置および予め設定する伝達関数およびパンタグラフの偏位位置に基づきパンタグラフのトロリ線との接触点における鉛直加速度を算出するパンタグラフ鉛直加速度算出部２４とを設けるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度測定装置および測定方法に関し、とくに一台のラインセンサで走行中の車両に設置されたパンタグラフの挙動を撮像し、画像処理によって検出した測定点のパンタグラフの鉛直加速度に基づいて、加振点におけるパンタグラフの鉛直加速度を測定する画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度測定装置および測定方法に関する。

電気鉄道の車両の屋根上に設置されるパンタグラフに対して、地上に固定されるトロリ線が熱膨張や風圧によって下降すると、まれに走行中のパンタグラフを鉛直下方へ所定の高さよりも押し下げてトロリ線とパンタグラフが離線することがある。このようなトロリ線とパンタグラフとの離線はトロリ線の異常摩耗に繋がるため、パンタグラフの鉛直加速度が一定値になるようにトロリ線を架設するようにしてトロリ線の長寿命化が図られている。

そして従来、このようなパンタグラフの鉛直加速度を測定する方法として、複数の加速度センサをパンタグラフに取り付けてパンタグラフの鉛直加速度を測定する方法（例えば、下記非特許文献１、下記特許文献１参照）や、電車の屋根上に設置したラインセンサカメラでパンタグラフの上下挙動を撮像し、この画像を処理してパンタグラフの鉛直加速度を計測する方法（例えば、下記特許文献２、３参照）が公知となっている。

特開２００３−１５６３９７号公報 特開２００６−２５０７７４号公報 特開２００３−３４１３８９号公報 岩井中、佐藤、出野、「パンタグラフ接触力測定システムの開発とデータの活用」、JR EAST Technical Review-No.10、p.68-72

しかしながら、上述した加速度センサを用いる方法では、特高圧２．５ｋＶのパンタグラフに加速度センサを取り付けるため、加速度センサの出力をそのまま車内に取り込めず、加速度センサの出力をテレメータで伝送するか、光ケーブルで伝送する。テレメータで伝送する場合は電源電池の交換が必要になるという問題があった。また、光ケーブルで伝送する場合は安定度の問題や温度による出力値ドリフトの低減などの問題があった。

また、ラインセンサカメラを用いる方法では、非接触でパンタグラフの上下挙動値を計測できる利点があるが、パンタグラフとトロリ線との接触点（加振点）から離れた一箇所で計測するため、測定精度が悪いという問題があった。また精度を向上させるためにラインセンサカメラを複数個取り付けると、装置が大型になるという問題があった。

このようなことから本発明は、小型の装置で高精度にパンタグラフの鉛直加速度を計測することが可能な画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度測定装置および測定方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度計測装置は、車両に取り付けたラインセンサカメラでパンタグラフを撮像し、画像処理部により撮像された画像に基づいてパンタグラフの鉛直加速度を測定する装置であって、画像処理部が、ラインセンサカメラによって撮像したパンタグラフの測定点における画像を入力する画像入力手段と、入力された画像からなるラインセンサ画像に対して画像処理を施すことによってラインセンサ画像上のパンタグラフの位置を求めるパンタグラフ位置検出手段と、ラインセンサ画像上のパンタグラフの位置および予め設定する伝達関数およびパンタグラフの偏位位置に基づきパンタグラフのトロリ線との接触点における鉛直加速度を算出するパンタグラフ鉛直加速度算出手段とを備えることを特徴とする。

第２の発明に係る画像処理によるパンタグラフ鉛直加速度測定装置は、第１の発明に係る画像処理によるパンタグラフ鉛直加速度測定装置において、画像処理部が、加振点においてパンタグラフに鉛直方向の振動を与えたときのラインセンサ画像上のパンタグラフの位置から導出した鉛直加速度と加振点におけるパンタグラフの鉛直加速度とに基づいて伝達関数を算出する伝達関数算出手段を備えることを特徴とする。

第３の発明に係る画像処理によるパンタグラフ鉛直加速度測定装置は、第１又は第２の発明に係る画像処理によるパンタグラフ鉛直加速度測定装置において、ラインセンサカメラが雲台上に設置されて向きを調整可能に構成されていることを特徴とする。

第４の発明に係る画像処理によるパンタグラフ鉛直加速度測定方法は、車両に取り付けたラインセンサカメラでパンタグラフを撮像し、画像処理部により撮像された画像に基づいてパンタグラフの鉛直加速度を測定する方法であって、ラインセンサカメラから画像データを入力し、入力された画像データからなるラインセンサ画像と予め登録しておいたパタンマッチ用モデルとを比較してラインセンサ画像上の測定点におけるパンタグラフの位置を検出し、検出されたパンタグラフのラインセンサ画像上の位置に基づいて求めた鉛直加速度と、予め求めた伝達関数と、パンタグラフの偏位位置とからパンタグラフのトロリ線との接触点における鉛直加速度を算出することを特徴とする。

第５の発明に係る画像処理によるパンタグラフ鉛直加速度測定方法は、第４の発明に係る画像処理によるパンタグラフ鉛直加速度測定方法において、パンタグラフに対して加振点に鉛直方向の振動を与えると同時に、ラインセンサカメラによってパンタグラフの測定点を撮像し、加振点におけるパンタグラフの鉛直加速度と撮像された画像からなるラインセンサ画像上の測定点におけるパンタグラフの鉛直加速度とから伝達関数を算出することを特徴とする。

第１の発明に係る画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度計測装置によれば、車両に取り付けたラインセンサカメラでパンタグラフを撮像し、画像処理部により撮像された画像に基づいてパンタグラフの鉛直加速度を測定する装置であって、画像処理部が、ラインセンサカメラによって撮像したパンタグラフの測定点における画像を入力する画像入力手段と、入力された画像からなるラインセンサ画像に対して画像処理を施すことによってラインセンサ画像上のパンタグラフの位置を求めるパンタグラフ位置検出手段と、ラインセンサ画像上のパンタグラフの位置および予め設定する伝達関数およびパンタグラフの偏位位置に基づきパンタグラフのトロリ線との接触点における鉛直加速度を算出するパンタグラフ鉛直加速度算出手段とを備えるので、小型の装置で非接触かつ計測結果を蓄積しつつ、高精度にパンタグラフのトロリ線との接触点における鉛直加速度を測定することができる。

第２の発明に係る画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度計測装置によれば、画像処理部が、加振点においてパンタグラフに鉛直方向の振動を与えたときのラインセンサ画像上のパンタグラフの位置から導出した鉛直加速度と加振点におけるパンタグラフの鉛直加速度とに基づいて伝達関数を算出する伝達関数算出手段を備えるので、ひとつの装置で伝達関数の算出とパンタグラフのトロリ線との接触点における鉛直加速度の測定とを行うことができ、利便性が向上する。

第３の発明に係る画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度計測装置によれば、ラインセンサカメラが雲台上に設置されて向きを調整可能に構成されているので、測定点をパンタグラフの鮮明な画像を撮影することができる位置となるように調整することが可能となり、パンタグラフを誤検出する可能性を低減することができる。

第４の発明に係る画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度計測方法によれば、車両に取り付けたラインセンサカメラでパンタグラフを撮像し、画像処理部により撮像された画像に基づいてパンタグラフの鉛直加速度を測定する方法であって、ラインセンサカメラから画像データを入力し、入力された画像データからなるラインセンサ画像と予め登録しておいたパタンマッチ用モデルとを比較してラインセンサ画像上の測定点におけるパンタグラフの位置を検出し、検出されたパンタグラフのラインセンサ画像上の位置に基づいて求めた鉛直加速度と、予め求めた伝達関数と、パンタグラフの偏位位置とからパンタグラフのトロリ線との接触点における鉛直加速度を算出するので、小型の装置で非接触かつ計測結果を蓄積しつつ、高精度にパンタグラフのトロリ線との接触点における鉛直加速度を測定することができる。

第５の発明に係る画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度計測方法によれば、パンタグラフに対して加振点に鉛直方向の振動を与えると同時に、ラインセンサカメラによってパンタグラフの測定点を撮像し、加振点におけるパンタグラフの鉛直加速度と撮像された画像からなるラインセンサ画像上の測定点におけるパンタグラフの鉛直加速度とから伝達関数を算出するので、ひとつの装置で伝達関数の算出とパンタグラフのトロリ線との接触点における鉛直加速度の測定とを行うことができ、利便性が向上する。

本発明の実施形態を以下に示す実施例において詳細に説明する。

図１ないし図５に基づいて本発明の第１の実施例を詳細に説明する。図１は本実施例に係る画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度測定装置を示す概略構造図、図２は本実施例に係る画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度測定装置の構成を示すブロック図、図３は本実施例の画像処理部における処理の流れを示すフローチャート、図４はラインセンサ画像の一例を示す説明図、図５はパタンマッチ用モデルの一例を示す説明図である。

図１に示すように、本実施例において画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度測定装置は、ラインセンサカメラ１と画像処理部２とから構成されている。

ラインセンサカメラ１は、パンタグラフ３１を搭載した車両３の屋根上に設置されている。このラインセンサカメラ１は光軸が斜め上方を向くようにその仰角を設定され、測定点Psとしてパンタグラフ３１の所定の位置を撮像するように構成されている。このラインセンサカメラ１の走査線方向はパンタグラフ３１に直交するように設定される。

また、本実施例において画像処理部２は、主に、伝達関数算出処理と鉛直加速度算出処理とを行うものであり、図２に示すように、画像入力部２１、画像記録部２２、パンタグラフ位置検出部２３、伝達関数算出部２４、データ記録部２５、及びパンタグラフ鉛直加速度算出部２６とを備えている。

画像入力手段としての画像入力部２１は、ラインセンサカメラ１によって撮像された画像を所定の一定時間間隔で入力する手段、画像記録部２２は画像入力部２１によって入力された画像データが保存される手段である。また、この画像記録部２２には予め登録されるパタンマッチ用のモデルであるパタンマッチ用モデルが保存されているものとする。

パンタグラフ位置検出手段としてのパンタグラフ位置検出部２３は、画像記録部２２に保存された画像データを時系列的に並べてなるラインセンサ画像（図４参照）と上述したパタンマッチ用モデルとを比較してラインセンサ画像上のパンタグラフの軌跡１１を背景１２から抽出し、ラインセンサ画像上のパンタグラフ３１の位置を求める手段である。

伝達関数算出手段としての伝達関数算出部２４は、ラインセンサ画像上のパンタグラフの軌跡１１の挙動と、ラインセンサカメラ１によって撮像されている測定点Psの位置をｘ＝０としたときの加振点Pwの位置（ｘ＝ｘ_W）と、加振点Pwにおけるパンタグラフ３１の鉛直加速度とを用いて、測定点Psにおけるパンタグラフ３１の鉛直加速度から、加振点Pwにおけるパンタグラフ３１の実際の鉛直加速度を導出するための伝達関数Ｈ(ω,ｘ)を算出する手段である。

データ記録部２５は、パンタグラフ位置検出部２３において検出したラインセンサ画像上のパンタグラフの軌跡１１の位置を二階微分して得た鉛直加速度ｙ(ｔ)、伝達関数算出部２４において算出された伝達関数Ｈ(ω,ｘ)、後述するパンタグラフ鉛直加速度算出部２６によって求めたパンタグラフ３１の鉛直加速度ｕ(ｔ)等が保存される手段である。

パンタグラフ鉛直加速度算出手段としてのパンタグラフ鉛直加速度算出部２６は、伝達関数算出部２３において算出した伝達関数Ｈ(ω,ｘ)と、トロリ線４（加振点Pw）の偏位位置ｘ（＝ｘ_W）とに基づいてパンタグラフ３１のトロリ線４との接触点における鉛直加速度Ｕ(ω,ｘ)を算出する手段である。

以下、図３に基づいて本実施例に係る画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度測定装置の画像処理部２によりパンタグラフ３１の加振点Pwにおける鉛直加速度ｕ(ｔ)を求める処理の流れについて説明する。

図３に示すように、画像処理部２においては、まず図５に示すようなパタンマッチ用のモデルを登録し（ステップＳ１）、続いて伝達関数Ｈ(ω,ｘ)を算出する処理を行う（ステップＳ２）。

伝達関数Ｈ(ω,ｘ)の算出は、ラインセンサカメラ１によって測定点としてパンタグラフ３１の所定の位置Psを撮像する一方、この測定点Psから既知の距離ｘ_Wだけ離間した位置を加振点Pwとしてここに鉛直方向の振動を加え、このときのパンタグラフ３１の加振点Pwにおける鉛直加速度ｕ(ｔ)を図示しない加速度センサで計測する。

このとき、ラインセンサカメラ１によって撮像した画像を画像処理部２の画像入力部２１において所定の一定時間間隔で入力し、これを画像記録部２２に保存する。続いて、パンタグラフ位置検出部２３において画像記録部２２から取り出したラインセンサ画像と予め登録しておいたパタンマッチ用モデルとを比較してラインセンサ画像上のパンタグラフの軌跡１１を抽出し、ラインセンサ画像上のパンタグラフ３１の位置を検出する。

そして、伝達関数算出部２４において、パンタグラフ３１の加振点Pwにおける鉛直加速度ｕ(ｔ)とパンタグラフ位置検出部２３で求めたラインセンサ画像上のパンタグラフ３１の位置を二階微分して得た鉛直加速度ｙ(ｔ)とを用いて、次式（１）により伝達関数Ｈ(ω,ｘ)を算出する。
Ｈ(ω,ｘ)＝Ｙ(ω)／Ｕ(ω,ｘ) ・・・（１）
ただし、Ｙ(ω)、Ｈ(ω,ｘ)、Ｕ(ω,ｘ)はラインセンサ画像上のパンタグラフ３１の鉛直加速度ｙ(ｔ)、伝達関数ｈ(ｔ)、実際のパンタグラフ３１の鉛直加速度ｕ(ｔ)のフーリエ変換を表す。

ここで、加振点Pwに振動を加えたときのラインセンサ画像上のパンタグラフ３１の測定点Psにおける鉛直加速度ｙ(ｔ)、伝達関数ｈ(ｔ)、加振点Pwにおけるパンタグラフ３１の鉛直加速度ｕ(ｔ)の関係は次式（２）で表される。

そしてこの上式（２）から次式（３）が得られる。
Ｙ(ω)＝Ｈ(ω,ｘ)・Ｕ(ω,ｘ) ・・・（３）
この（３）式から上記（１）式が得られる。

なお、この伝達関数Ｈ(ω,ｘ)はパンタグラフ３１の所望の振動モードによって個数が異なり、一次モードを求めたい場合は例えばパンタグラフ３１の中央（ｘ＝ｘ₀）を加振点として一個の伝達関数Ｈ₀(ω,ｘ)を求め、二次モードを求めたい場合は例えばパンタグラフ３１の左右の二点を加振点（ｘ＝ｘ₁，ｘ₂）として二個の伝達関数Ｈ₁(ω,ｘ)，Ｈ₂(ω,ｘ)を求める等とすればよい。算出した伝達関数Ｈ(ω,ｘ)はデータ記憶部２５に保存する。なお、ここでいう一次モード、二次モードは、例えば上記特許文献１の図３及びその説明に記載されている振動モード３（曲げ１次モード）、振動モード４（曲げ２次モード）に相当する。

つぎに、車両の走行中にラインセンサカメラ１でパンタグラフ３１の測定点Psを撮像し、これを画像入力部２１によって所定の一定時間間隔で入力し、画像記録部２２に保存する（ステップＳ３）。

続いて、パンタグラフ位置検出部２３において画像記録部２２からラインセンサ画像と予め登録しておいたパタンマッチ用モデルとを取り出し、これらを比較してラインセンサ画像上のパンタグラフの軌跡１１を抽出し（ステップＳ４）、ラインセンサ画像上のパンタグラフ３１の位置を検出する（ステップＳ５）。

その後、パンタグラフ鉛直加速度算出部２６において、既知の手法によりトロリ線４（加振点Pw）の偏位位置を別途求め、これに最も近い位置に対応する伝達関数Ｈ_n(ω,ｘ)と、ラインセンサ画像上のパンタグラフ３１の位置の変化から求めた位置Psにおける鉛直加速度ｙ(ｔ)とを用いて、次式（４）に基づく演算を行う。
Ｕ(ω,ｘ)＝Ｙ(ω)／Ｈ(ω,ｘ) ・・・（４）
これにより、トロリ線４（加振点Pw）の偏位位置における鉛直加速度ｕ(ｔ)が得られる（ステップＳ６）。

上述した本実施例に係る画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度測定装置および測定方法によれば、伝達関数を用いて加振点の加速度を算出するようにしたので、ラインセンサカメラ１によって撮像したパンタグラフ３１の測定点Psの挙動から、トロリ線４（加振点Pw）の偏位位置におけるパンタグラフ３１の鉛直加速度を高精度に求めることができる。

なお、本実施例では伝達関数を求める際に画像上のパンタグラフ３１の位置をパタンマッチ用モデルを用いて検出する例を示したが、画像上のパンタグラフの位置を検出する方法は上述した方法に限定されるものではなく、例えば、特開２００６−２５０７７４号公報に記載されている方法を用いてもよい。また、本実施例では画像処理部２に画像記録部２２を設ける例を示したが、ラインセンサカメラ１によって撮像した画像を即時に処理してパンタグラフの軌跡１１を検出し、リアルタイムでパンタグラフ鉛直加速度を出力するようにするなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

図６に基づいて本発明の第２の実施例を説明する。図６は本実施例に係る画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度測定装置を示す概略構造図である。

図６に示すように、本実施例は上述した実施例１のラインセンサカメラ１を図６に示す雲台５上に設置したものである。通常、パンタグラフ３１の中心部はトロリ線が摺動することにより鉄粉などが付着して黒ずんだ状態となっている。そのため、とくに夜間に計測を行うような場合には背景とパンタグラフ３１との区別がつきにくくなり、パンタグラフ３１の軌跡を抽出する際に誤検出が生じるおそれがある。

そこで、本実施例では、ラインセンサカメラ１の実画像を閲覧しながら、ラインセンサカメラ１が例えばパンタグラフ３１のホーン３１ａなどパンタグラフ３１の鮮明な映像を撮像するように、ラインセンサカメラ１を雲台５上に設置してこのラインセンサカメラ１の向きを調整可能としている。その他の構成は図１ないし図３に示し上述した構成と概ね同様であり、同一の作用を奏する部材には同一の符合を付し、重複する説明は省略する。

本実施例に係る画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度測定装置および測定方法によれば、確実にパンタグラフ３１の軌跡を抽出することができるので、実施例１の効果に加えて、トロリ線４（加振点Pw）の偏位位置におけるパンタグラフ３１の鉛直加速度をより高精度に計測することができる。

本発明は、画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度測定装置および測定方法に適用可能である。

本発明の実施例１に係る画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度測定装置を示す概略構成図である。 本発明の実施例１に係る画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度測定装置の画像処理部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１の画像処理部における処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施例１のラインセンサカメラによって得られるラインセンサ画像の一例を示す説明図である。 本発明の実施例１のパタンマッチ用モデルの一例を示す説明図である。 本発明の実施例２に係る画像処理によるパンタグラフの鉛直加速度測定装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１ ラインセンサカメラ
２ 画像処理部
３ 車両
４ トロリ線
２１ 画像入力部
２２ 画像記録部
２３ パンタグラフ位置検出手段
２４ 伝達関数算出部
２５ パンタグラフ鉛直加速度算出部
２６ データ記録部
３１ パンタグラフ

Claims (5)

1. 車両に取り付けたラインセンサカメラでパンタグラフを撮像し、画像処理部により撮像された画像に基づいてパンタグラフの鉛直加速度を測定する装置であって、
   前記画像処理部が、前記ラインセンサカメラによって撮像した前記パンタグラフの測定点における画像を入力する画像入力手段と、入力された前記画像からなるラインセンサ画像に対して画像処理を施すことによって前記ラインセンサ画像上の前記パンタグラフの位置を求めるパンタグラフ位置検出手段と、前記ラインセンサ画像上のパンタグラフの位置および予め設定する伝達関数および前記パンタグラフの偏位位置に基づき前記パンタグラフのトロリ線との接触点における鉛直加速度を算出するパンタグラフ鉛直加速度算出手段とを備える
   ことを特徴とする画像処理によるパンタグラフ鉛直加速度測定装置。
2. 前記画像処理部が、加振点において前記パンタグラフに鉛直方向の振動を与えたときの前記ラインセンサ画像上の前記パンタグラフの位置から導出した鉛直加速度と前記加振点における前記パンタグラフの鉛直加速度とに基づいて前記伝達関数を算出する伝達関数算出手段を備える
   ことを特徴とする請求項１記載の画像処理によるパンタグラフ鉛直加速度測定装置。
3. 前記ラインセンサカメラが雲台上に設置されて向きを調整可能に構成されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の画像処理によるパンタグラフ鉛直加速度測定装置。
4. 車両に取り付けたラインセンサカメラでパンタグラフを撮像し、画像処理部により撮像された画像に基づいてパンタグラフの鉛直加速度を測定する方法であって、
   前記ラインセンサカメラから画像データを入力し、
   入力された前記画像データからなるラインセンサ画像と予め登録しておいたパタンマッチ用モデルとを比較してラインセンサ画像上の測定点におけるパンタグラフの位置を検出し、
   検出されたパンタグラフのラインセンサ画像上の位置に基づいて求めた鉛直加速度と、予め求めた伝達関数と、前記パンタグラフの偏位位置とから前記パンタグラフのトロリ線との接触点における鉛直加速度を算出する
   ことを特徴とする画像処理によるパンタグラフ鉛直加速度測定方法。
5. 前記パンタグラフに対して加振点に鉛直方向の振動を与えると同時に、前記ラインセンサカメラによって前記パンタグラフの測定点を撮像し、
   前記加振点におけるパンタグラフの鉛直加速度と撮像された画像からなるラインセンサ画像上の前記測定点におけるパンタグラフの鉛直加速度とから前記伝達関数を算出する
   ことを特徴とする請求項４記載の画像処理によるパンタグラフ鉛直加速度測定方法。

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