JP3958566B2 - 鉄道車両用測定装置 - Google Patents
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Description
【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)を演算するための鉄道車両用測定装置に関する。
【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114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DB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,DB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101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用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用測定装置は、同一レールを前後の位置でそれぞれ撮影するように2台の撮影手段が鉄道車両に設置され、その2台の撮影手段によって得られる各画像データに基づいて演算処理を行う相対変位測定手段を有するものであって、前記相対変位測定手段は、前記各画像データの濃淡値を示す2次元配列データからレールに直交する方向の濃淡データを抽出して前記同一レールの前後位置の2つの濃淡波形を形成し、
その2つの濃淡波形について相関演算することにより、前記2台の撮影手段が撮影した 前記同一レールの各測定点についてレール直交方向のズレ量である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用測定装置は、同一レールを前後の位置でそれぞれ撮影するように2台の撮影手段が鉄道車両に設置され、その2台の撮影手段によって得られる各画像データに基づいて演算処理を行う相対変位測定手段を有するものであって、前記相対変位測定手段は、前記各画像データの濃淡値を示す2次元配列データからレールに直交する方向の濃淡データを抽出して前記同一レールの前後位置の2つの濃淡波形を形成し、その2つの濃淡波形から更にそれぞれ所定の範囲を特定して抜き取った波形を濃淡波形1と濃淡波形2とし、抜き取り範囲が広い濃淡波形1に対して抜き取り範囲の狭い濃淡波形2の位置をレールに直交する方向にずらしながら当該濃淡波形1の任意の区間と濃淡波形2との相関演算を順次行い、相関演算結果が最も高くなる前記濃淡波形2のズレ量から前記2台の撮影手段が撮影した前記同一レールの各測定点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、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レール直交方向において所定範囲を特定して抜き取っ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用測定装置は、同一レールを前後の位置でそれぞれ撮影するように2台の撮影手段が鉄道車両に設置され、その2台の撮影手段によって得られる複数画素の各画像データに基づいて演算処理を行う相対変位測定手段を有するものであって、前記相対変位測定手段は、前記各画像データの濃淡値を示す2次元配列データからレールに直交する方向に1画素分の幅で濃淡データを抽出して前記同一レールの前後位置の2つの濃淡波形を形成し、その2つの濃淡波形から更にそれぞれ所定の範囲を特定して抜き取った波形を濃淡波形1と濃淡波形2とし、抜き取り範囲が広い濃淡波形1に対して抜き取り範囲の狭い濃淡波形2の位置をレールに直交する方向に1画素分ずつずらしながら当該濃淡波形1の任意の区間と濃淡波形2との相関演算を順次行い、相関演算結果が最も高くなった前記濃淡波形2をずらした相対移動画素数に1画素当たりの距離値を掛けた値を、前記2台の撮影手段が撮影した前記同一レールの各測定点について、その間のレール直交方向の相対変位量として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用測定装置は、前記相対変位測定手段が、前記撮影手段の高さ方向の変位を計測するように、鉄道車両に設置された高さ変位センサから得られた高さデータに基づき、前記1画素当たりの距離値の補正を行って相対変位量を算出するようにしたものであることが好ましい。
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】
本発明に係る鉄道車両用測定装置は、前記撮影手段が取り付けられた台車枠、軸箱又は車体である鉄道車両運動部についてその運動部アタック角を算出する運動部アタック角演算手段を有し、前記運動部アタック角演算手段は、前記相対変位測定手段によって算出された相対変位量を前記2台の撮影手段を配置したレール前後方向の測定間距離で割ることによって前記運動部アタック角を算出するものであることが好ましい。
よって、本発明によれば、前記相対変位測定手段によって正確な測定変位量が得られるため、運動部アタック角演算手段によって正確な運動部アタック角を算出することができる。
【0015】
本発明に係る鉄道車両用測定装置は、前記鉄道車両運動部の左右両側の前後2箇所に設けられた前後方向変位を測定するための前後変位センサから得られた前後変位データ、前記鉄道車両運動部に取り付けられたジャイロセンサから得られたヨー角速度データ及び、車両に取り付けられた速度センサから得られた走行速度データを使用して演算処理を行う輪軸ステア角演算手段、曲線半径演算手段及び輪軸アタック角演算手段を有し、前記輪軸ステア角演算手段は、前記前後変位センサの前後変位データ及び前記前後変位センサの前後方向の距離によって台車枠と各輪軸の間の相対ヨー角を算出し、前記曲線半径演算手段は、前記ヨー角速度データ及び走行速度データによって走行位置の曲線半径を算出し、前記輪軸アタック角演算手段は、前後する輪軸間の距離の2分の1の値と前記曲線半径の値によって台車と輪軸の両レール接線のなす接線方向角を算出し、更にその接線方向角と前記運動部アタック角及び相対ヨー角によって輪軸アタック角を算出するものであることが好ましい。
よって、本発明によれば、前記相対変位測定手段によって正確な測定変位量が得られるため、輪軸アタック角演算手段などによって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用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6a,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鉄道車両用測定装置10に接続されている。図3は、鉄道車両用測定装置10を示したブロック図である。鉄道車両用測定装置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,5b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手段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手段13が順に接続されている。また、相対変位測定手段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】
鉄道車両用測定装置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手段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手段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手段13、輪軸ステア角演算手段14及び曲線半径演算手段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手段16に接続されている。これら演算処理を行う各演算手段12,13,14,15,16は、マイクロプロセッサ(CPU)で構成されている。こうした鉄道車両用測定装置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手段16で算出される輪軸アタック角Φnの他、相対変位測定手段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、鉄道車両用測定装置10にはメモリが設けられ、各演算手段12,13,14,15,16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50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の鉄道車両用測定装置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5a,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、鉄道車両用測定装置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手段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、CCD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、相対変位測定手段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】
相対変位測定手段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200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、相対変位測定手段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手段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、相対変位測定手段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5a,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、相対変位測定手段12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、相対変位測定手段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手段13へと送られ、(3)式に基づく台車アタック角Φtの演算が行われる。すなわち、運動部アタック角演算手段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、相対変位測定手段12及び運動部アタック角演算手段13において、輪軸アタック角Φn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、輪軸ステア角演算手段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手段15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、輪軸ステア角演算手段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6a,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)
なお、上記 ( 1 )( 2 )( 3 )( 5 )( 6 ) 式のそれぞれa/R,η・α/(2c),(Xtw1−Xtw2)/Btw,(Xtw3−Xtw4)/Btwは微小であるため、微小角度θ≒ tan -1 ( θ ) の近似式を用いている。
【0034】
また、曲線半径演算手段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。
そして鉄道車両用測定装置10では、演算手段13,14,15の値が輪軸アタック角演算手段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手段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、その演算データが鉄道車両用測定装置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50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用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】 鉄道車両用測定装置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
10 鉄道車両用測定装置
12 相対変位測定手段
13 運動部アタック角演算手段
14 輪軸ステア角演算手段
15 曲線半径演算手段
50 レール
Claims (6)
- 同一レールを前後の位置でそれぞれ撮影するように2台の撮影手段が鉄道車両に設置され、その2台の撮影手段によって得られる各画像データに基づいて演算処理を行う相対変位測定手段を有する鉄道車両用測定装置であって、
前記相対変位測定手段は、前記各画像データの濃淡値を示す2次元配列データからレールに直交する方向の濃淡データを抽出して前記同一レールの前後位置の2つの濃淡波形を形成し、
その2つの濃淡波形について相関演算することにより、前記2台の撮影手段が撮影した前記同一レールの各測定点についてレール直交方向のズレ量である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用測定装置。 - 同一レールを前後の位置でそれぞれ撮影するように2台の撮影手段が鉄道車両に設置され、その2台の撮影手段によって得られる各画像データに基づいて演算処理を行う相対変位測定手段を有する鉄道車両用測定装置であって、
前記相対変位測定手段は、前記各画像データの濃淡値を示す2次元配列データからレールに直交する方向の濃淡データを抽出して前記同一レールの前後位置の2つの濃淡波形を形成し、
その2つの濃淡波形から更にそれぞれ所定の範囲を特定して抜き取った波形を濃淡波形1と濃淡波形2とし、
抜き取り範囲が広い濃淡波形1に対して抜き取り範囲の狭い濃淡波形2の位置をレールに直交する方向にずらしながら当該濃淡波形1の任意の区間と濃淡波形2との相関演算を順次行い、
相関演算結果が最も高くなる前記濃淡波形2のズレ量から前記2台の撮影手段が撮影した前記同一レールの各測定点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用測定装置。 - 同一レールを前後の位置でそれぞれ撮影するように2台の撮影手段が鉄道車両に設置され、その2台の撮影手段によって得られる複数画素の各画像データに基づいて演算処理を行う相対変位測定手段を有する鉄道車両用測定装置であって、
前記相対変位測定手段は、前記各画像データの濃淡値を示す2次元配列データからレールに直交する方向に1画素分の幅で濃淡データを抽出して前記同一レールの前後位置の2つの濃淡波形を形成し、
その2つの濃淡波形から更にそれぞれ所定の範囲を特定して抜き取った波形を濃淡波形1と濃淡波形2とし、
抜き取り範囲が広い濃淡波形1に対して抜き取り範囲の狭い濃淡波形2の位置をレールに直交する方向に1画素分ずつずらしながら当該濃淡波形1の任意の区間と濃淡波形2との相関演算を順次行い、
相関演算結果が最も高くなった前記濃淡波形2をずらした相対移動画素数に1画素当たりの距離値を掛けた値を、前記2台の撮影手段が撮影した前記同一レールの各測定点について、その間のレール直交方向の相対変位量として算出するものであることを特徴とする鉄道車両用測定装置。 - 請求項3に記載する鉄道車両用測定装置において、
前記相対変位測定手段は、前記撮影手段の高さ方向の変位を計測するように、鉄道車両に設置された高さ変位センサから得られた高さデータに基づき、前記1画素当たりの距離値の補正を行って相対変位量を算出するようにしたものであることを特徴とする鉄道車両用測定装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれかに記載する鉄道車両用測定装置において 、
前記撮影手段が取り付けられた台車枠、軸箱又は車体である鉄道車両運動部についてその運動部アタック角を算出する運動部アタック角演算手段を有し、
前記運動部アタック角演算手段は、前記相対変位測定手段によって算出された相対変位量を前記2台の撮影手段を配置したレール前後方向の測定間距離で割ることによって前記運動部アタック角を算出することを特徴とする鉄道車両用測定装置。 - 請求項5に記載する鉄道車両用測定装置において、
前記鉄道車両運動部の左右両側の前後2箇所に設けられた前後方向変位を測定するための前後変位センサから得られた前後変位データ、前記鉄道車両運動部に取り付けられたジャイロセンサから得られたヨー角速度データ及び、車両に取り付けられた速度センサから得られた走行速度データを使用して演算処理を行う輪軸ステア角演算手段、曲線半径演算手段及び輪軸アタック角演算手段を有し、
前記輪軸ステア角演算手段は、前記前後変位センサの前後変位データ及び前記前後変位センサの前後方向の距離によって台車枠と各輪軸の間の相対ヨー角を算出し、
前記曲線半径演算手段は、前記ヨー角速度データ及び走行速度データによって走行位置の曲線半径を算出し、
前記輪軸アタック角演算手段は、前後する輪軸間の距離の2分の1の値と前記曲線半径の値によって台車と輪軸の両レール接線のなす接線方向角を算出し、更にその接線方向角と前記運動部アタック角及び相対ヨー角によって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鉄道車両用測定装置。
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