JP2019015631A - Three-dimensional measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、鉄道の線路上を走行可能な車両から線路及びその周辺の地物の形状を計測する3次元計測装置に関する。 The present invention relates to a three-dimensional measuring apparatus that measures the shape of a track and surrounding features from a vehicle that can travel on a railroad track.
鉄道運行の安全を確保するために、線路周辺にて列車走行の障害となりうる建築物等を設置してならない範囲が鉄道建築限界として定められている。また、鉄道運行の安全確保には、線路の状態の点検、保守も当然に重要である。概して長距離である鉄道において鉄道建築限界や線路状態の把握を効率的に行うために、計測装置を搭載した検測車両や軌陸車などを用い、線路上を走行しつつ線路及びその周辺の状態把握が行われている。 In order to ensure the safety of railway operation, a range where no building or the like that can hinder train operation is set around the railway track is defined as a railway building limit. In addition, the inspection and maintenance of the track conditions are of course important for ensuring the safety of railway operations. In order to efficiently grasp railway building limits and track conditions in railways that are generally long distances, the status of the track and its surroundings while running on the track using a test vehicle equipped with a measuring device or a railroad vehicle, etc. A grasp is being made.
近年においては、レーザースキャナを含む計測システムを車両に搭載し、地物の3次元形状を把握することも行われている。 In recent years, a measurement system including a laser scanner is mounted on a vehicle to grasp the three-dimensional shape of a feature.
レーザースキャナを用いた計測システムにおいて、線路脇に設けられる標識板などの厚みが薄い地物は形状を正確に捕捉しにくく、鉄道建築限界についての判断の精度、信頼度が確保されない。また、レールに対してその横断面における斜め上方からレーザーを照射するとレールの底部にレールの頭部や腹部の陰となる部分が生じ易く、レールの断面形状や姿勢を正確に把握しにくくなり得る。 In a measurement system using a laser scanner, a thin feature such as a sign board provided on the side of a track is difficult to accurately capture the shape, and the accuracy and reliability of judgment on the railway building limit are not ensured. In addition, when laser is irradiated to the rail from diagonally above in the cross section, the bottom of the rail is likely to be a shadow of the head or abdomen of the rail, and it may be difficult to accurately grasp the rail cross-sectional shape and posture. .
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、厚みの薄い地物やレールの状態を好適に把握しつつ、鉄道建築限界の点検作業を効率的に行うことを可能とする3次元計測装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and enables the inspection work of railway building limits to be efficiently performed while suitably grasping the state of thin features and rails. An object is to provide a dimension measuring apparatus.
(1)本発明に係る3次元計測装置は、鉄道の線路上を走行可能な車両に搭載され、当該車両を走行させて、当該車両の運動状態と共に、前記線路及びその周辺の地物表面からレーザー点群を取得する装置であって、前記レーザー点群を取得する第1及び第2のレーザースキャナを有し、前記線路の幅方向の位置に関し、前記第1のレーザースキャナは前記線路を構成する一対のレールの一方の位置にあり、前記第2のレーザースキャナは前記一対のレールの他方の位置にあり、前記線路の延伸方向の位置に関し、前記第1及び第2のレーザースキャナは互いに異なる位置にあり、前記延伸方向から見て同じ方向に照射されるレーザービームの方向ベクトルの前記延伸方向の成分は、前記第1のレーザースキャナと前記第2のレーザースキャナとで逆向きである。 (1) A three-dimensional measuring device according to the present invention is mounted on a vehicle capable of traveling on a railroad track, and the vehicle is caused to travel along with the motion state of the vehicle, from the surface of the track and its surrounding features. An apparatus for acquiring a laser point group, comprising first and second laser scanners for acquiring the laser point group, wherein the first laser scanner constitutes the line with respect to a position in the width direction of the line. The second laser scanner is at the other position of the pair of rails, and the first and second laser scanners are different from each other with respect to the position of the line in the extending direction. The components in the stretching direction of the direction vector of the laser beam irradiated in the same direction as viewed from the stretching direction are the first laser scanner and the second laser scanner. It is opposite in the.
(2)上記(1)に記載した3次元計測装置において、前記第1及び第2のレーザースキャナはそれぞれ、1つの平面内にて複数方向の前記レーザービームを形成する構成とすることができる。 (2) In the three-dimensional measurement apparatus described in (1) above, each of the first and second laser scanners may be configured to form the laser beams in a plurality of directions within one plane.
(3)上記(1)又は(2)に記載した3次元計測装置において、前記第1及び第2のレーザースキャナは、同じ高さから前記レーザービームを射出する構成とすることができる。 (3) In the three-dimensional measuring apparatus described in (1) or (2) above, the first and second laser scanners may be configured to emit the laser beam from the same height.
本発明によれば、厚みの薄い地物やレールの状態を好適に把握しつつ、鉄道建築限界の点検作業を効率的に行うことが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to perform the inspection work of a railway building limit efficiently, grasping | ascertaining the state of a thin feature and a rail suitably.
以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)に係る3次元計測装置1について、図面に基づいて説明する。3次元計測装置1は、鉄道の線路上を走行可能な車両に搭載され、当該車両を走行させながら線路及びその周辺の地物表面の形状等を計測する。 Hereinafter, a three-dimensional measurement apparatus 1 according to an embodiment of the present invention (hereinafter referred to as an embodiment) will be described with reference to the drawings. The three-dimensional measuring apparatus 1 is mounted on a vehicle that can travel on a railroad track, and measures the shape of the surface of the track and its surrounding features while the vehicle is traveling.
図1は実施形態に係る3次元計測装置1の概略の構成を示すブロック図である。3次元計測装置1は、基本的にモービルマッピングシステム(Mobile Mapping System:MMS)の構成を有し、具体的には、レーザースキャナ2、全球測位衛星システム(Global Navigation Satellite System:GNSS)受信機4、慣性計測装置(Inertial Measurement Unit:IMU)6、レーザードップラー距離計8、カメラ10、コンピュータ12を含んでいる。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a three-dimensional measurement apparatus 1 according to the embodiment. The three-dimensional measuring apparatus 1 basically has a configuration of a mobile mapping system (Mobile Mapping System: MMS), specifically, a laser scanner 2 and a global navigation satellite system (GNSS) receiver 4. , An inertial measurement unit (IMU) 6, a laser
レーザースキャナ2は周囲にレーザービームを発射し、その発射角度と、レーザーの発射から反射光の受信までの時間とに基づいて、物体表面におけるレーザー反射点のレーザースキャナ2から見た角度及び距離を計測する。レーザースキャナ2はレーザービームの方向を順次変えて、線路周辺の広範囲の物体表面からレーザー点群を取得する。本実施形態ではレーザースキャナ2は、中心軸の周り360°の範囲にて微小角度ずつずらした複数の方向にレーザービームを照射するスキャン動作を行う。各レーザービームは例えば、当該中心軸に直交する方向に発射され、よってレーザースキャナ2に固定した座標系においてはレーザービーム群は1つの平面を形成する。ここでは当該平面を走査平面と称する。なお、後述するように3次元計測装置1はレーザースキャナ2を2台有する。 The laser scanner 2 emits a laser beam to the surroundings, and the angle and distance of the laser reflection point on the object surface as viewed from the laser scanner 2 is determined based on the emission angle and the time from the laser emission to the reception of the reflected light. measure. The laser scanner 2 sequentially changes the direction of the laser beam to acquire a laser point cloud from a wide range of object surfaces around the track. In the present embodiment, the laser scanner 2 performs a scanning operation of irradiating a laser beam in a plurality of directions shifted by minute angles within a range of 360 ° around the central axis. Each laser beam is emitted, for example, in a direction orthogonal to the central axis, and thus in the coordinate system fixed to the laser scanner 2, the laser beam group forms one plane. Here, the plane is referred to as a scanning plane. As will be described later, the three-dimensional measuring apparatus 1 has two laser scanners 2.
GNSS受信機4はGNSSを構成する衛星からの電波を受信し、3次元計測装置1の位置を取得する。例えば、GNSSとして、全地球測位システム(Global Positioning System:GPS)を用いることができる。 The GNSS receiver 4 receives radio waves from the satellites constituting the GNSS and acquires the position of the three-dimensional measurement apparatus 1. For example, a global positioning system (GPS) can be used as GNSS.
IMU6は3次元計測装置1の3次元の角速度と加速度を測定する。IMU6の測定データは、GNSSの受信状況が不安定な状況の場合の補完手段として3次元計測装置1の位置・姿勢の把握に用いられる。 The IMU 6 measures the three-dimensional angular velocity and acceleration of the three-dimensional measuring apparatus 1. The measurement data of the IMU 6 is used for grasping the position / posture of the three-dimensional measurement apparatus 1 as a supplementary means when the GNSS reception situation is unstable.
レーザードップラー距離計8は、レール面にレーザー光を照射し、3次元計測装置1の移動距離を計測する。道路上で用いられるMMSでは車輪の回転を計測して移動距離を求めるオドメータが用いられるが、鉄道車両では車輪がレール上でスリップし空転するため、3次元計測装置1ではオドメータに代えてレーザードップラー距離計8を用い、距離計測精度を確保する。
The laser
カメラ10はデジタルカメラであり、3次元計測装置1の周囲の例えばカラー画像や赤外線サーモグラフィ、白黒画像等を撮影する。
The
コンピュータ12は、CPU(Central Processing Unit)20及び記憶装置22を含んで構成され、レーザースキャナ2、GNSS受信機4、IMU6、レーザードップラー距離計8、カメラ10が出力するデータを入力され記録する。計測作業にて記録されたデータは例えば、計測作業の終了後に処理される。当該処理では、レーザースキャナ2の計測データを、GNSS受信機4、IMU6及びレーザードップラー距離計8の計測データから得られる3次元計測装置1又は当該装置を搭載した車両の運動状態と統合して、地上に設定された座標系でのレーザー点群の座標値が求められる。さらに、当該レーザー点群を用いて、レールや線路周辺の地物の形状や配置を解析する処理を行うことができる。
The
図2は3次元計測装置1の模式的な側面図であり、図3は3次元計測装置1の模式的な平面図であり、特に、鉄道の線路上を走行可能な車両30に搭載された3次元計測装置1のレーザースキャナ2の配置を表している。
FIG. 2 is a schematic side view of the three-dimensional measuring device 1, and FIG. 3 is a schematic plan view of the three-dimensional measuring device 1, particularly mounted on a
車両30は線路の2本のレール32(32a,32b)の上に乗る車輪34を有する。車両30は動力を備え自走可能なものであってもよいが、図では動力車36に連結されて移動する構成を示している。
The
上述したように3次元計測装置1は2つのレーザースキャナ2a,2bを有する。これら2つのレーザースキャナ2a,2bは、図3に示すように平面視にて車両30上の斜めに並ぶ。つまり、線路の幅方向の位置に関しては、レーザースキャナ2aは線路を構成する一方のレール32aの位置にあり、レーザースキャナ2bは他方のレール32bの位置にあり、また、線路の延伸方向の位置に関しては、レーザースキャナ2a,2bは互いに異なる位置にある。例えば、車両30において動力車36に連結された側を「前」と定義すると、線路の延伸方向の位置に関して、本実施形態ではレーザースキャナ2aが車両30の前側に位置し、レーザースキャナ2bが車両30の後側に位置する。
As described above, the three-dimensional measuring apparatus 1 includes the two
さらに、レーザースキャナ2a,2bは、線路周辺の空間を前方からと後方からとの2通りでスキャン可能に配置される。つまり、レーザースキャナ2a,2bそれぞれのレーザービームのうち線路の延伸方向から見て互いに同じ方向に照射されるものの方向ベクトルの線路の延伸方向に沿った成分は、レーザースキャナ2aとレーザースキャナ2bとで逆向きとされる。例えば、上述した本実施形態のレーザースキャナ2の走査平面は、レーザースキャナ2aについては当該レーザースキャナより前の位置でレール32と交差する走査平面38aとし、レーザースキャナ2bについては当該レーザースキャナより後ろの位置でレール32と交差する走査平面38bとすることができる。この配置により、レーザースキャナ2aはそれより低い位置へは斜め前方にレーザービームを出射し、高い位置へは斜め後方へ出射する。逆に、レーザースキャナ2bはそれより低い位置へは斜め後方にレーザービームを出射し、高い位置へは斜め前方へ出射する。例えば、走査平面の傾斜角度は、線路の延伸方向に関し水平位置から45°とすることができる。
Further, the
線路周辺の空間を前方からと後方からとの2通りでスキャン可能にレーザースキャナ2a,2bを配置する上述の3次元計測装置1の構成により、車両30を走行させて行う計測にて、物体を前方からスキャンしたレーザー点群と、後方からスキャンしたレーザー点群とが得られ、物体の形状を好適に把握することが可能となる。特に、物体が標識板のように進行方向に薄い厚みを有したものであっても、その両側の表面からレーザー点群を取得することができ、物体の厚さや形状の把握が容易となる。
With the configuration of the above-described three-dimensional measurement apparatus 1 in which the
ここで、例えば、前方又は後方のいずれか一方からのみスキャンするレーザースキャナを搭載した車両を、往路と復路とで向きを変えて往復走行させてレーザー点群を取得することも考えられるが、場合により取得日が異なったり、衛星の配置が同一でない場合があるため、GNSS受信機4、IMU6及びレーザードップラー距離計8などの複数の計測データを組み合わせて位置を求めても往路と復路とでの位置のずれを排除することが難しく、それに起因してレーザー点群から把握される物体形状の誤差も大きくなり得る。この点、3次元計測装置1は1回の走行で前方から照射したレーザー点群と後方から照射したレーザー点群との両方を取得するので物体形状の計測誤差を小さくすることができる。
Here, for example, it is also possible to acquire a laser point cloud by moving a vehicle equipped with a laser scanner that scans only from either the front or the rear, reciprocating in the forward and return directions, Depending on the date of acquisition, the arrangement of the satellites may not be the same, so even if the position is obtained by combining multiple measurement data such as the GNSS receiver 4, IMU 6, and
レーザースキャナ2a,2bはレール32にレーザービームが照射されるように配置され、レール32から取得したレーザー点群をレール32の形状や姿勢の把握に供することができる。この点について以下説明する。
The
図4は、線路の延伸方向から見たレーザースキャナ2a,2bとレール32a,32bとの位置関係を示す模式図である。レールは断面形状に関し、多くの場合、図4に示すように平底レールであり、車輪が接触する頭部42hと、頭部42hを中心として幅方向の両側に広がる底部42bと、底部42bに垂直に立設され頭部42hの高さを確保する腹部42mとを有する。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the positional relationship between the
上述したように、線路の幅方向の位置に関しては、レーザースキャナ2aはレール32aの位置に対応して配置され、レーザースキャナ2bはレール32bの位置に対応して配置される。具体的には、レーザースキャナ2a,2bは基本的に、車両30が線路の直線部分にあるときに、図4に示すようにそれぞれレール32a,32bの真上となるように配置される。
As described above, regarding the position in the width direction of the line, the
このようにレーザースキャナ2をレール32の真上に配置することで、レーザースキャナ2のレーザービームは、当該レール32の頭部42hに対して両側に位置する底部42bそれぞれの上面に照射され易く、底部の形状・姿勢を高精度に把握可能とするに足る数のレーザー点群を取得し易い。具体的には、レーザースキャナ2aのレーザービーム40aは、レール32aの両側の底部42bそれぞれに照射され易く、レーザースキャナ2bのレーザービーム40bは、レール32bの両側の底部42bそれぞれに照射され易い。
By arranging the laser scanner 2 directly above the
一方、レーザースキャナ2bは斜め下方に位置するレール32aの底部42bのうちレーザースキャナ2bから見て裏側となる線路外側の部分からはレーザー点群を取得しにくい。
On the other hand, the
同様に、レーザースキャナ2bのレーザービーム40bによって、レール32bの両側の底部42bの上面のレーザー点群を取得し易いが、レール32aの底部42bのうち線路外側の部分からはレーザー点群を取得しにくい。
Similarly, the
図5はレーザースキャナ2a,2bによって取得されるレール32a,32b表面のレーザー点群を示す模式図である。図において“×”印がレーザースキャナ2aによって取得されるレーザー点群を示しており、“○”印がレーザースキャナ2bによって取得されるレーザー点群を示している。
FIG. 5 is a schematic diagram showing laser point groups on the surfaces of the
ここで、レール32の幅方向の傾き(倒れ込み)を把握するには、摩耗等により形状が変化する頭部42hの上面よりも、摩耗などの変形が生じにくい底部42bの形状を用いることが好適であり、当該形状は底部42bから取得されるレーザー点群の数が多いほど高精度に決定可能である。この点、上述のように、レール32a,32bそれぞれの真上にレーザースキャナ2を配置して、各レール32における両側の底部にレーザービームが照射され易くすることで、レーザー点群の数を確保して底部42bの形状を高精度に把握し、ひいてはレール32の傾きを精度よく評価することが可能となる。
Here, in order to grasp the inclination (falling down) of the
なお、各レール32の形状把握に際して、レーザースキャナ2a,2b両方のレーザー点群を用いることもできる。例えば、レール32aの傾きの評価に、レーザースキャナ2aによって取得によって取得されるレール32aの底部42bの点群と、レーザースキャナ2bによって取得されるレール32aの腹部42mの点群とを併用することで、当該評価の精度向上を図ることができる。
When grasping the shape of each
レール32の形状や姿勢の把握をレール32aとレール32bとで同等精度で行うためには、レーザー点群の密度をレール32aとレール32bとで同じにすることが好適である。この点、レーザースキャナ2a,2b自体の仕様が同等であることを前提として、レーザースキャナ2a,2bの高さを揃え、両レーザースキャナが同じ高さからレーザービームを射出するように構成することができる。また、併せて、両レーザースキャナの走査平面の傾斜角度も同じとして、レーザースキャナ2aからレール32a上の照射位置までの距離と、レーザースキャナ2bからレール32b上の照射位置までの距離とを同じにすることが好適である。
In order to grasp the shape and posture of the
1 3次元計測装置、2 レーザースキャナ、4 GNSS受信機、6 IMU、8 レーザードップラー距離計、10 カメラ、12 コンピュータ、20 CPU、22 記憶装置。 1 3D measuring device, 2 laser scanner, 4 GNSS receiver, 6 IMU, 8 laser Doppler rangefinder, 10 camera, 12 computer, 20 CPU, 22 storage device.
Claims (3)
前記レーザー点群を取得する第1及び第2のレーザースキャナを有し、
前記線路の幅方向の位置に関し、前記第1のレーザースキャナは前記線路を構成する一対のレールの一方の位置にあり、前記第2のレーザースキャナは前記一対のレールの他方の位置にあり、
前記線路の延伸方向の位置に関し、前記第1及び第2のレーザースキャナは互いに異なる位置にあり、
前記延伸方向から見て同じ方向に照射されるレーザービームの方向ベクトルの前記延伸方向の成分は、前記第1のレーザースキャナと前記第2のレーザースキャナとで逆向きであること、
を特徴とする3次元計測装置。 A three-dimensional measurement device mounted on a vehicle capable of traveling on a railroad track, which travels the vehicle and acquires a laser point cloud from the surface of the track and its surrounding features along with the motion state of the vehicle. ,
Having first and second laser scanners for acquiring the laser point cloud;
Regarding the position in the width direction of the line, the first laser scanner is at one position of a pair of rails constituting the line, and the second laser scanner is at the other position of the pair of rails,
Regarding the position in the extending direction of the line, the first and second laser scanners are at different positions,
The component in the stretching direction of the direction vector of the laser beam irradiated in the same direction as viewed from the stretching direction is opposite in the first laser scanner and the second laser scanner;
A three-dimensional measuring device characterized by
前記第1及び第2のレーザースキャナはそれぞれ、1つの平面内にて複数方向の前記レーザービームを形成すること、を特徴とする3次元計測装置。 The three-dimensional measurement apparatus according to claim 1,
Each of the first and second laser scanners forms the laser beam in a plurality of directions within one plane, and is a three-dimensional measurement apparatus.
前記第1及び第2のレーザースキャナは、同じ高さから前記レーザービームを射出すること、を特徴とする3次元計測装置。 In the three-dimensional measurement apparatus according to claim 1 or 2,
The three-dimensional measuring apparatus, wherein the first and second laser scanners emit the laser beam from the same height.
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