JP2015017882A - 線条測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】線条の高さ及び偏位を高精度で測定し、かつ、電車の屋根上に設置する装置構成を簡単なものとする。
【解決手段】ラインセンサカメラ１１と、レーザ距離計１２と、レーザ距離計１２が取得する線条２３までの距離及び仰角に基づき、ラインセンサ画像中の線条２３の位置を検出し、ラインセンサカメラ１１から線条２３までの仰角を算出し、レーザ距離計１２が取得する線条２３まで仰角、及び、算出したラインセンサカメラ１１から線条２３までの仰角から、三角測量によって線条２３の高さ及び偏位を求める処理部１３とを備えることで、線条の高さ及び偏位を高精度で測定し、かつ、電車の屋根上に設置する装置構成を簡単なものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道分野におけるトロリ線などの線条を管理する線条測定装置に関する。

線条とは、電車の上方に架設された電車線のことであり、トロリ線、ちょう架線及びき電線などがある。線条の管理については、線条の高さ及び偏位が定められた管理値かどうかを定期的に測定し確認することで、事故を未然に防止している。線条の高さ及び偏位の測定には、通常、ラインセンサカメラ又はレーザ距離計を用いる。

線条の高さとは、レールから線条までの高さのことであり、通常は４５００ｍｍ（新幹線では５０００ｍｍ）程度の位置にある。

線条の偏位とは、パンタグラフの中央から線条までの枕木方向の距離のことである。特に、トロリ線の偏位は、パンタグラフの中心より±２５０ｍｍ（新幹線では±３００ｍｍ）の位置に存在しているかどうかを管理される。

なお、トロリ線は、電車の通過頻度（パンタグラフとの接触頻度）に比例して摩耗する。この摩耗は摩耗限界値を超えないように管理される。

特開２０１２‐８０２６号公報

上記ラインセンサカメラは外乱に弱く、雲などの外乱による線条に似た物体を、線条として誤検出することがある。

また、上記レーザ距離計は、対象物までの仰角及び距離について測定を行うものであるが、上記仰角は、レーザの反射波の有無のみから判断されるため信頼性があるのに対し、上記距離は、レーザの反射波の強度や位相から判断されるものであり、反射波の強弱で測定精度が劣化してしまう。

そこで、上記特許文献１には、ラインセンサカメラ及びレーザ距離計を電車の屋根上に設置し、電車を走行させながらこれらのデータを取得して、トロリ線の高さ及び偏位の測定精度を向上させる技術が開示されている。しかしながら、当該技術では、電車の屋根上にラインセンサカメラ２台とレーザセンサ１台とを設置する必要があり、屋根上に設置する装置構成が複雑かつ大型となってしまう。

そこで、本発明では、線条の高さ及び偏位を高精度で測定することが可能であり、かつ、電車の屋根上に設置する装置構成が簡単である線条測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る線条測定装置は、
車両の屋根上に鉛直上向き、かつ、線条に対し傾斜を有するスキャン方向となるように設置され、ラインセンサ画像を取得するラインセンサカメラと、
前記屋根上に鉛直上向きであり、前記ラインセンサカメラに対し枕木方向に離隔し、前記ラインセンサカメラとスキャン方向が一致するように設置され、前記線条までの距離及び仰角を取得するレーザ距離計と、
前記レーザ距離計が取得する前記線条までの距離及び仰角に基づき、前記ラインセンサ画像中の前記線条の位置を検出し、前記ラインセンサカメラから前記線条までの仰角を算出し、前記レーザ距離計が取得する前記線条まで仰角、及び、算出した前記ラインセンサカメラから前記線条までの仰角から、三角測量によって前記線条の高さ及び偏位を求める処理部と
を備えることを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る線条測定装置は、
上記第１の発明に係る線条測定装置において、
前記処理部は、
ｄ_L及びθ_Lから、前記線条の位置を（ｘ_L，ｙ_L）＝（ｄ_L×ｃｏｓθ_L，ｄ_L×ｓｉｎθ_L）として算出する第１線条検出部と、
前記ラインセンサ画像のうち、前記（ｘ_L，ｙ_L）に対応する領域において、前記ラインセンサ画像中の前記線条の位置を検出し、θ_Cを算出する第２線条検出部と、
前記θ_L及び前記θ_Cから、下記式を用いた三角測量によって、前記線条の位置（ｘ，ｙ）を算出し、前記線条の高さ及び偏位を求める三角測量算出部と
を備えることを特徴とする。
ｙ＝ｄ・ｔａｎθ_C／（ｔａｎθ_C＋ｔａｎθ_L）
ｘ＝ｄ・ｔａｎθ_C・ｔａｎθ_L／（ｔａｎθ_C＋ｔａｎθ_L）
ただし、ｄ_L：前記レーザ距離計が取得する前記線条までの距離
θ_L：前記レーザ距離計が取得する前記線条までの仰角
θ_C：前記ラインセンサカメラから前記線条までの仰角
ｄ：予め設定された前記ラインセンサカメラと前記レーザ距離計との距離
ｙ：前記ラインセンサカメラから前記線条までの実際の高さ
ｘ：前記ラインセンサカメラから前記線条までの枕木方向の実際の距離

本発明に係る線条測定装置によれば、線条の高さ及び偏位を高精度で測定することが可能であり、かつ、電車の屋根上に設置する装置構成を簡単とすることができる。

本発明の実施例１に係る線条測定装置の設置状態を示す概略図である。 ラインセンサカメラとレーザ距離計による線条の測定を示す概略図である。 ラインセンサカメラの画像例を示す模式図である。 本発明の実施例１に係る線条測定装置のブロック図である。 本発明の実施例１に係る線条測定装置の作動を示すフローチャートである。

本発明に係る線条測定装置は、電車の屋根上にカメラとレーザ距離計を設置し、双方で取得したデータを処理することで、線条の高さ及び偏位を測定するものであり、特に、カメラをラインセンサカメラとすることで、ラインセンサカメラ及びレーザ距離計の各々が単独で得られる測定精度以上の測定精度を得るものである。

以下、本発明に係る線条測定装置を、実施例により図面を用いて説明する。

［実施例１］
本発明の実施例１に係る線条測定装置について、まず、図１〜４を用いて説明する。図１は、本発明の実施例１に係る線条測定装置の設置状態を示す概略図である。また、図２は、ラインセンサカメラとレーザ距離計による線条の測定を示す概略図である。さらに、図３は、ラインセンサの画像例を示す模式図である。さらに、図４は、本発明の実施例１に係る線条測定装置のブロック図である。

図１に示すように、本発明の実施例１に係る線条測定装置は、ラインセンサカメラ１１、レーザ距離計１２及び処理部１３を備える。

上記レーザ距離計１２は、車両２１の屋根上に鉛直上向きであり、ラインセンサカメラ１１に対し枕木方向に離隔し、ラインセンサカメラ１１とスキャン方向が一致するように設置されている。

また、レーザ距離計１２は、図２に示す線条２３の位置を（ｄ_L，θ_L）として取得する。ただし、図２中のｄ_Lは、レーザ距離計１２から線条２３までの距離を、θ_Lは、レーザ距離計１２から線条２３までの仰角を、ｄθは、レーザ距離計１２の角度分解能を、それぞれ示している。なお、上記仰角とは、取得した線条２３の位置とレーザ距離計１２とを結ぶ線における水平方向からの傾きを指すものであり、レーザ距離計１２自体を傾けているわけではない。ラインセンサカメラ１１における仰角も同様である。

上記ラインセンサカメラ１１は、レール２２上の（電車）車両２１の屋根上に、鉛直上向き、かつ、線条２３に対し傾斜を有するスキャン方向となるように設置されている。

また、ラインセンサカメラ１１は、図３に示すようなラインセンサ画像を取得する。なお、図３の画像は、横軸が時間ｔ、縦軸がラインセンサカメラ１１のスキャン方向位置Ｙである。図３中の黒色部分は夜間の場合の背景であり、昼間の場合は白色となる。さらに、グレーのラインは線条２３の軌跡であり、白色のラインは雲などの外乱による線条２３に似た軌跡を表している。ラインセンサカメラ１１には、モノクロカメラが多用されるが、カラーラインセンサカメラを用いてもよい。

なお、ラインセンサカメラ１１とレーザ距離計１２との双方のスキャン方向は、機械的な調整機構で一致させている。

上記処理部１３は、ラインセンサカメラ１１とレーザ距離計１２の測定値、すなわち、ラインセンサカメラ１１の画像データとレーザ距離計１２のレーザデータを融合して、線条２３の位置を算出するものである。処理部１３は、図４に示すように、第１線条検出部１４、第２線条検出部１５及び三角測量算出部１６を備える。

上記第１線条検出部１４は、レーザ距離計１２にて取得したレーザデータ、すなわち（ｄ_L，θ_L）から、線条２３の位置を（ｘ_L，ｙ_L）＝（ｄ_L×ｃｏｓθ_L，ｄ_L×ｓｉｎθ_L）として算出する。なお、ｘ_Lは、レーザ距離計１２から線条２３までの高さを、ｙ_Lは、レーザ距離計１２から線条２３までの枕木方向の距離を、それぞれ示している。

上記第２線条検出部１５は、ラインセンサカメラ１１にて取得した画像データ、すなわち、図３に示すラインセンサ画像のうち、第１線条検出部１４にて算出した線条２３の位置（ｘ_L，ｙ_L）に対応する領域において、二値化処理とエッジ検出によって、ラインセンサ画像中の線条２３の位置を検出し、ラインセンサカメラ１１から線条２３までの仰角θ_Cを算出する。

上記三角測量算出部１６は、レーザ距離計１２にて取得した仰角θ_L、及び、第２線条検出部１５で算出した仰角θ_Cから、下記式（１）（２）を用いた三角測量によって、線条２３の位置（ｘ，ｙ）を算出し、算出した（ｘ，ｙ）から、線条２３の高さ及び偏位を求める（線条の高さ及び偏位の定義については既に説明したが、ラインセンサカメラ１１の、パンタグラフ（図示略）と位置関係、及び、レール２２（図１）からの高さを、予め把握しておけば、（ｘ，ｙ）から線条２３の高さ及び偏位を求めることができる）。

ｙ＝ｄ・ｔａｎθ_C／（ｔａｎθ_C＋ｔａｎθ_L） …（１）
ｘ＝ｄ・ｔａｎθ_C・ｔａｎθ_L／（ｔａｎθ_C＋ｔａｎθ_L） …（２）
ただし、ｙ：ラインセンサカメラ１１から線条２３までの実際の高さ
ｘ：ラインセンサカメラ１１から線条２３までの枕木方向の実際の距離
ｄ：予め設定されたラインセンサカメラ１１とレーザ距離計１２との距離

換言すれば、処理部１３は、レーザ距離計１２が取得する線条２３までの距離及び仰角に基づき、ラインセンサ画像中の線条２３の位置を検出し、ラインセンサカメラ１１から線条２３までの仰角を算出し、レーザ距離計１２が取得する線条２３まで仰角、及び、算出したラインセンサカメラ１１から線条２３までの仰角から、三角測量によって線条２３の高さ及び偏位を求めるものである。

以上が、本発明の実施例１に係る線条測定装置の装置構成である。なお、本装置では、図２に示すように、照明２４をラインセンサカメラ１１の周囲に配置すると、第２線条検出部１５による二値化処理とエッジ検出の精度がより向上する。また、図２には、ラインセンサカメラ１１とレーザ距離計１２が同じ高さであるように表されているが、本実施例はこれに限定されるものではなく、ラインセンサカメラ１１とレーザ距離計１２の高さが異なるものであってもよい。

以下、本発明の実施例１に係る線条測定装置の作動について図５のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ１では、レーザ距離計１２により線条２３の位置を（ｄ_L，θ_L）として取得する。

ステップＳ２では、レーザ距離計１２の測定位置（ｘ_L，ｙ_L）を基に、ラインセンサ画像中の線条２３の位置を検出する。すなわち、まず、第１線条検出部１４において、レーザ距離計１２にて取得した（ｄ_L，θ_L）から、線条２３の位置を（ｘ_L，ｙ_L）＝（ｄ_L×ｃｏｓθ_L，ｄ_L×ｓｉｎθ_L）として算出し、次に、第２線条検出部１５にて、ラインセンサカメラ１１にて取得したラインセンサ画像のうち、第１線条検出部１４にて算出した線条２３の位置（ｘ_L，ｙ_L）に対応する領域において、二値化処理とエッジ検出によって、ラインセンサ画像中の線条２３の位置を検出する。

ステップＳ３では、第２線条検出部１５において、ラインセンサカメラ１１から線条２３までの仰角θ_Cを算出する。

ステップＳ４では、三角測量で線条の位置（ｘ，ｙ）を算出する。すなわち、三角測量算出部１６において、レーザ距離計１２にて取得した仰角θ_L、及び、第２線条検出部１５で算出した仰角θ_Cから、上記式（１）（２）を用いた三角測量によって、線条２３の位置（ｘ，ｙ）を算出する。そして最後に、算出した（ｘ，ｙ）から線条２３の高さ及び偏位を求める。

以上が本発明の実施例１に係る線条測定装置の作動についての説明である。

既に説明したように、ラインセンサカメラ１１は、図３のラインセンサ画像における「線条に似た軌跡」に示すような、線条２３に似た物体を誤検出することがある。しかし、本発明の実施例１に係る線条測定装置では、ラインセンサカメラ１１に比べロバストなレーザ距離計１２により取得する位置情報（レーザデータ）を基に、ラインセンサ画像中の線条２３を検出するため、装置全体としてロバストになる。

また、レーザ距離計１２の取得するレーザデータ（ｄ_L，θ_L）において、仰角θ_Lはレーザの反射波の有無のみから判断される情報であるため信頼性があるのに対し、距離ｄ_Lはレーザの反射波の強度や位相から判断されるものであり、反射波の強弱で測定精度が劣化してしまう。しかし、本発明の実施例１に係る線条測定装置では、線条２３の位置（ｘ，ｙ）は、レーザ距離計１２の取得する仰角θ_Lと、第２線条検出部１５によりラインセンサ画像から算出する仰角θ_Cによって算出し、距離ｄ_Lを用いることがないため、単独のレーザ距離計１２で求める距離よりロバストな利点がある。

すなわち、本発明の実施例１に係る線条測定装置では、ラインセンサカメラ１１やレーザ距離計１２単独の測定精度より高い測定精度を有する。

また、上記特許文献１では、電車の屋根上に設置する装置構成が複雑かつ大型となってしまっていたが、本発明の実施例１に係る線条測定装置では、電車の屋根上に設置するものがラインセンサカメラ１台とレーザセンサ１台のみであり、装置構成が簡単になる。

さらに、本発明の実施例１に係る線条測定装置に、例えば、特開２０１０‐１２７７４６号公報に開示される「トロリ線摩耗部分幅計算部４ｇ」を組み合わせることで、トロリ線の摩耗も検出することができる。

以上、本発明の実施例１に係る線条測定装置について説明したが、換言すれば、本装置は、車両２１の屋根上に鉛直上向き、かつ、線条２３に対し傾斜を有するスキャン方向となるように設置され、ラインセンサ画像を取得するラインセンサカメラ１１と、車両２１の屋根上に鉛直上向きであり、ラインセンサカメラ１１に対し枕木方向に離隔し、ラインセンサカメラ１１とスキャン方向が一致するように設置され、線条２３までの距離及び仰角を取得するレーザ距離計１２と、レーザ距離計１２が取得する線条２３までの距離及び仰角に基づき、ラインセンサ画像中の線条２３の位置を検出し、ラインセンサカメラ１１から線条２３までの仰角を算出し、レーザ距離計１２が取得する線条２３まで仰角、及び、算出したラインセンサカメラ１１から線条２３までの仰角から、三角測量によって線条２３の高さ及び偏位を求める処理部１３とを備えるものである。

また、処理部１３は、ｄ_L及びθ_Lから、線条２３の位置を（ｘ_L，ｙ_L）＝（ｄ_L×ｃｏｓθ_L，ｄ_L×ｓｉｎθ_L）として算出する第１線条検出部１４と、ラインセンサ画像のうち、（ｘ_L，ｙ_L）に対応する領域において、ラインセンサ画像中の線条２３の位置を検出し、θ_Cを算出する第２線条検出部１５と、θ_L及びθ_Cから、下記式を用いた三角測量によって、線条２３の位置（ｘ，ｙ）を算出し、線条２３の高さ及び偏位を求める三角測量算出部１６とを備えるようにしてもよい。
ｙ＝ｄ・ｔａｎθ_C／（ｔａｎθ_C＋ｔａｎθ_L）
ｘ＝ｄ・ｔａｎθ_C・ｔａｎθ_L／（ｔａｎθ_C＋ｔａｎθ_L）
ただし、ｄ_L：前記レーザ距離計が取得する前記線条までの距離
θ_L：前記レーザ距離計が取得する前記線条までの仰角
θ_C：前記ラインセンサカメラから前記線条までの仰角
ｄ：予め設定された前記ラインセンサカメラと前記レーザ距離計との距離
ｙ：前記ラインセンサカメラから前記線条までの実際の高さ
ｘ：前記ラインセンサカメラから前記線条までの枕木方向の実際の距離

このようにして、本装置では、線条の高さ及び偏位を高精度で測定することが可能であり、かつ、電車の屋根上に設置する装置構成を簡単とすることができる。

本発明は、線条測定装置として好適である。

１１ ラインセンサカメラ
１２ レーザ距離計
１３ 処理部
１４ 第１線条検出部
１５ 第２線条検出部
１６ 三角測量算出部
２１ 車両
２２ レール
２３ 線条
２４ 照明

Claims (2)

1. 車両の屋根上に鉛直上向き、かつ、線条に対し傾斜を有するスキャン方向となるように設置され、ラインセンサ画像を取得するラインセンサカメラと、
   前記屋根上に鉛直上向きであり、前記ラインセンサカメラに対し枕木方向に離隔し、前記ラインセンサカメラとスキャン方向が一致するように設置され、前記線条までの距離及び仰角を取得するレーザ距離計と、
   前記レーザ距離計が取得する前記線条までの距離及び仰角に基づき、前記ラインセンサ画像中の前記線条の位置を検出し、前記ラインセンサカメラから前記線条までの仰角を算出し、前記レーザ距離計が取得する前記線条まで仰角、及び、算出した前記ラインセンサカメラから前記線条までの仰角から、三角測量によって前記線条の高さ及び偏位を求める処理部と
   を備えることを特徴とする線条測定装置。
2. 前記処理部は、
   ｄ_L及びθ_Lから、前記線条の位置を（ｘ_L，ｙ_L）＝（ｄ_L×ｃｏｓθ_L，ｄ_L×ｓｉｎθ_L）として算出する第１線条検出部と、
   前記ラインセンサ画像のうち、前記（ｘ_L，ｙ_L）に対応する領域において、前記ラインセンサ画像中の前記線条の位置を検出し、θ_Cを算出する第２線条検出部と、
   前記θ_L及び前記θ_Cから、下記式を用いた三角測量によって、前記線条の位置（ｘ，ｙ）を算出し、前記線条の高さ及び偏位を求める三角測量算出部と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の線条測定装置。
   ｙ＝ｄ・ｔａｎθ_C／（ｔａｎθ_C＋ｔａｎθ_L）
   ｘ＝ｄ・ｔａｎθ_C・ｔａｎθ_L／（ｔａｎθ_C＋ｔａｎθ_L）
   ただし、ｄ_L：前記レーザ距離計が取得する前記線条までの距離
   θ_L：前記レーザ距離計が取得する前記線条までの仰角
   θ_C：前記ラインセンサカメラから前記線条までの仰角
   ｄ：予め設定された前記ラインセンサカメラと前記レーザ距離計との距離
   ｙ：前記ラインセンサカメラから前記線条までの実際の高さ
   ｘ：前記ラインセンサカメラから前記線条までの枕木方向の実際の距離

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