JP4085588B2

JP4085588B2 - パンタグラフ測定装置

Info

Publication number: JP4085588B2
Application number: JP2001082131A
Authority: JP
Inventors: 誠庭川
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2021-03-22
Also published as: JP2002279409A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像処理によりパンタグラフを測定するパンタグラフ測定装置に関する。特にパンタグラフの高さと加速度を測定するための画像処理の手段に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気鉄道の設備としてトロリがあるが、トロリはレール面より規定高さの範囲に布設されなければならない。
従って、経年変化や車両の動的な因子に影響されず、トロリの高さが管理値内に収まっているか管理する必要がある。
このときトロリの高さはパンタグラフの高さと等価なので、パンタグラフの高さを代用して管理している。
パンタグラフとは、電気鉄道車両の屋根に設置された集電装置のひとつである。
また、運転中パンタグラフが大きな加速度で下方に振動すると、パンダとトロリが離線し、このアークでトロリが局所摩耗する。
従って、パンタグラフの加速度が小さくなるよう管理する必要がある。
【０００３】
パンタグラフの測定手段として、検測車や車両限界測定車などと呼ばれる専用の測定車があり、営業運転の合間を縫って、一定周期毎運用されている。
これら測定車には、車体の傾きやレールの変位等を測定するセンサが多数取り付けられており、そのセンサのひとつとしてパンタグラフの測定センサがある（引用文献：電気学会著「電車線路設備保全の近代化技術」）。
パンタグラフ測定方式には、レーザセンサ方式、光切断センサ方式、加速度センサ方式・画像処理方式があり、以下の特徴がある。
【０００４】
１）レーザセンサは、主にスキャン式が使用され、ミラーなどでレーザをパンタグラフに走査し、この反射波の位相差や照射したレーザ形状の変形により、パンタグラフまでの距離を測定するセンサである。
２）光切断センサは、縞を測定対象に投光し、パンタグラフ形状に応じて凹凸になった縞を受光して、パンタグラフまでの距離を測定するセンサである。
３）加速度センサは、ジャイロや圧電素子などによって加速度を出力するセンサで、パンタグラフに直接取り付け、パンタグラフの加速度を測定するセンサである。
４）両像処理方式には、モデルマッチングやパタンマッチングでパンダを検出する方式がある。
例えば、特願２０００−３３２９４１号に係るパンタグラフ支障物検出方法と装置がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
パンタグラフの測定方法に、レーザセンサ方式、光切断センサ方式、加速度センサ方式、画像処理方式があるが、次の問題がある。
▲１▼レーザセンサの走査周期は、ミラーを回転させるモータの回転数限界と、ミラーの共振防止のため、相対的に走査（スキャン）周期が遅い。
これによりレーザセンサは、パンタグラフの位置（低周波成分）を測定できるが、加速度（高周波成分）の測定には向いていない問題ある。
【０００６】
▲２▼光切断センサは昼間測定できない。
これにより熱膨張の激しい昼間に測淀できない。
▲３▼加速度センサでパンタグラフの加速度を測定する方法は、現在主に用いられる方法である。
しかし、以下の対策が必要で、簡易な測定方法でない。
(i)パンタグラフにセンサを直接固定する必要がある。
(ii)センサ出力電圧を取り出すケーブルには、耐ノイズ性を考慮する必要がある。
(iii)センサ出力電圧を取り出すケーブルには、絶縁性を考慮する必要がある。
【０００７】
▲４▼画像処理方式は、測定時間が長い場合や単位時間あたりのフレームレート数が多い場合、計算処理が膨大になる問題がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係るパンタグラフ測定装置は、車両の屋根上に設置したラインセンサからパンタグラフ付近の映像を取得し、この映像から時空画像を生成し、前記時空画像に対して平均化処理を繰り返して前記時空画像を１層とするｎ層（ｎ＞１）の階層時空画像を順次求め、１層〜ｎ層の前記階層時空画像に対してエッジ検出を行い、検出されたエッジより前記パンタグラフの位置と加速度を測定するパンタグラフ測定装置において、１層〜ｎ層の前記階層時空画像に対する前記エッジが不連続のときには補間処理を行うことを特徴とする。
【０００９】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係るパンタグラフ測定装置は、請求項１において、前記ラインセンサは、前記パンタグラフに対して斜めのラインで画像を取得することを特徴とする。
【００１０】
上記課題を解決する本発明の請求項３に係るパンタグラフ測定装置は、請求項１において、前記階層時空画像は時間的にオーバーラップさせて平均化することにより求めることを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決する本発明の請求項４に係るパンタグラフ測定装置は、請求項１において、前記階層時空画像に対するエッジ検出に代えて、前記階層時空画像に対して抽出フィルタを使用することを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する本発明の請求項５に係るパンタグラフ測定装置は、請求項１において、前記ラインセンサに代えてエリアカメラを使用し、横方向の平均値により時空画像を求めることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（１）基本的な考え方
本実施例は、パンタグラフの高さと加速度を、画像処理によって簡便に測定することを目的とする。
その構成は図１に示すように、車両の屋根１上に、ラインセンサ３を設置し、パンタグラフ２の付近の映像を取得するようにするものである。
ここで、ラインセンサ３の配置は、パンタグラフ２を上下に垂直に切断する方向としてある。
【００１４】
更に、ラインセンサ３により取得された画像は、画像処理部４で画像処理し、画像処理の結果、計測したパンタグラフの高さと加速度が結果記録部５に記録される。
画像処理部４における画像処理方式は、図２に示すフローチャートに従い、次のように処理される。
【００１５】
▲１▼時空画像生成：
先ず、ラインセンサ３により単位時間毎（フレームレート毎）にパンタグラフ２の付近の映像を取得し、図４に示す時空画像を生成する。
単位時間当たりとは、例えば、１／３０秒程度である。
図４に示す時空画像は、パンタグラフ３自体に厚みや光の反射のために部分的に２重に検出される場合があり、また、パンタグラフ３の背景がノイズとして現れている。
【００１６】
▲２▼階層時空画像生成：
次に、図４に示す時空画像から、図５に示すようなｎ層の階層時空画像を生成する。
即ち、図４に示す時空画像を１層目とし、式１の平均化を行い２層目以降の階層時空画像を求め、同様な平均化をｎ回繰返し、ｎ層の階層時空画像を生成する。
【００１７】
【数１】

【００１８】
ｎ層の階層時空画像は、平均時間ｗに応じて、順に横軸である時間が圧縮された状態として示される。
【００１９】
▲３▼１層目パンダ走査：
引き続き、ｎ層目の階層時空画像に対してエッジ検出（例えば、特願平６−１４９２４６号画像処理装置のエッジ検出回路）を行う。
ここで、エッジ検出としては、図６に示すように、ｎ階層目の階層時空画像（時空画像）に対し、走査線Ａを上方から下向きに走査させ、パンタグラフの軌跡に対し発生する一定以上の強いエッジ、つまり、交点を探索することにより行う。
一定以上の強いエッジであれば、１走査線について最も強いエッジから順位を付けて複数記録する。つまり、第１候補、第２候補のように複数記録する。
また、一定以上の強いエッジが存性しない箇所は保留する。
【００２０】
▲４▼パンダ位置補完：
エッジ検出において、図７に示すように、保留された位置Ｂや連結していない位置Ｃは、前後の点とｎ層目パンダ走査▲３▼の複数個の位置との照合によって位置を補完する。
補間の方法は、単純には、保留箇所Ｂにおける間隙を埋めるように直線的に補間する方法があるが、その他の方法により補間しても良い。
【００２１】
▲５▼（ｎ−１）層目パンダ走査：
（ｎ−１）層目の階層時空画像について、ｎ層目パンダ走査▲３▼、パンダ位置補完▲４▼で得たデータ基づき、走査範囲を絞ってエッジ検出し、ここを走査してエッジが存在していれば位置を記録し直す。
走査範囲を絞る方法としては、ｎ層目パンダ走査▲３▼で求めた最大値と最小値の間とする方法や、平均的な位置に対して±α（％）の範囲とする方法がある。
【００２２】
▲６▼パンダ位置補完：
（ｎ−１）層目の階層時空画像についても、図７に示すような保留された位置Ｂや連結していない位置Ｃは、前後の点から補完する。
【００２３】
▲７▼処理終了判定：
全ての階層時空画像について、上述したようにエッジ検出、位置補間の処理を繰返、パンタグラフ位置を記録する。
【００２４】
▲８▼高さ出力：
記録されたパンタグラフ位置を、高さとして出力する。
【００２５】
▲９▼加速度出力：
記録されたパンタグラフ位置で、下に凸の変極点の極値を求め、所定の値以上の極値を加速度として出力する。
【００２６】
本実施例は、画像処理によりパンタグラフ高さと加速度を測定するものであり、次の利点がある。
▲１▼階層時空画像に変換（平均化）することにより、パンタグラフ付近を高速で横切る電車線設備などパンタグラフ以外のものは消えるため、ノイズ除去のメリットがある。
▲２▼測定時間が長い場合や単位時間あたりのフレームレート数が多い場合、処理画像力が膨大になるが、階層時空画像にすることで時空両画像が縮小され、処理が短縮できるメリットがある。
【００２７】
（２）斜めラインによる階層時空画像生成の実施例
本方式は、「（１）基本的な考え方」との目的、構成、フローチャートが同じであるが、図３のようにパンタグラフ２のすり板に対して斜めに撮影したラインから時空画像を取得する点が異なる。
即ち、ラインセンサ３のラインは、カメラ取付位置の制約やレンズ倍率の制約により、測定するパンタグラフ２について最適な測定範囲にならない。
そこで、本実施例のラインセンサ３は、パンタグラフ２に対してθ度傾けてラインを取得することにより、パンタグラフ２の高さ分解像度を１／cosθ倍向上させるメリットがある。
【００２８】
（３）オーバーラップ型階層時空画像生成の実施例
本方式は、「（１）基本的な考え方」との目的、構成、フローチャートが同じであるが、図８のように時間的にオーバーラップさせた平均時間ｗから階層時空画像を求める点が異なる。
即ち、測定するパンタグラフ２の振幅が大きく、且つ、平均時間ｗが大きい場合、上層の階層時空画像のパンタグラフの軌跡が不連続になる問題がある。
そこで、本実施例は、オーバーラップさせて階層時空画像を生成し、階層時空画像が上層になってもパンタグラフの軌跡を連続に保つメリットがある。
【００２９】
（４）パンダ摘出フィルタによる実施例
本方式は、「（１）基本的な考え方」との目的、構成、フローチャートが同じであるが、エッジ検出の代わりにパンダ抽出フィルタを使用する点が異なる。
パンダ抽出フィルタは、図９に示すように、幅ｄ×高さ２ｈの領域において、上下が−１、中央が１の重み付けを持つフィルタであり、階層時空画像に積和して、その値を出力とするものである。
幅ｄは実験的に決定するが、ｈは画像中のパンタグラフのすり板の厚さに相当させる。
この抽出フィルタは、水平方向の太さｈのパンダグラフを抽出する効果がある。
昼間のパンタグラフの背景に山や建物など映るとパンタグラフが抽出されにくくなる問題があるが、本実施例は、このような状態でもパンタグラフを抽出できるメリットがある。
【００３０】
（５）エリアカメラの場合の実施例
本方式は、「（１）基本的な考え方」との目的、構成、フローチャートが同じであるが、図１０のようにインセンサの代わりにエリアカメラを使用して平面的な領域Ｄの画像を取得する点が異なる。
本方式の時空画像の生成方法は、次の通りである。
▲１▼単位時間毎に図１０に示す領域Ｄにおけるパンタグラフ付近の映像を取得する。
▲２▼領域Ｄの横方向の平均値を求め、上下における１本のラインにする。
▲３▼取得したラインを図４の様に時空画像にする。
【００３１】
図１０では、領域Ｄを２カ所設定しているが、複数の領域を設定し、複数の領域において、全ての横方向の平均値で時空画像を生成すると良い。
本実施例は、平面的な領域の平均から時空画像を生成するため、パンタグラフ付近を高速で横切る電車線設備などパンタグラフ以外のものが消えるため、ノイズ除去に効果がある。
【００３２】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発明によれば、車両の屋根に設置したラインセンサやエリアセンサによりパンタグラフ付近の映像を撮影し、画像処理によりパンタグラフの高さと加速度を簡便に測定するものであり、以下の利点がある。
（１）高圧のパンタグラフの高さと加速度を非接触で測定できるので、安全で、簡便に測定できる。
（２）階層時空画像を使用することで、パンダ以外のノイズ除去の効果がある。
（３）階層時空画像により処理画像が縮小され、計算時間が少なくて済む。
（４）パンタグラフに対して斜めのラインで画像を取得することで、分解能を１／cosθ倍向上させることができた。
（５）階層時空画像は時間的にオーバーラップさせて平均化することにより、パンタグラフの軌跡の連続性を保つ効果がある。
（６）階層時空画像に対する抽出フィルタを使用することにより、パンタグラフの映りが悪い条件でも測定できるメリットがある。
（７）平面的な画像の横方向の平均を使用することにより、ノイズ除去のメリットがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な実施例に係るパンタグラフ測定装置の概略図である。
【図２】本発明の基本的な実施例に係るパンタグラフ測定装置のフローチャートである。
【図３】本発明の他の実施例に係るパンタグラフ測定装置の概略図である。
【図４】時空画像例を示すグラフである。
【図５】階層時空画像を示すグラフである。
【図６】パンタグラフの走査を示すグラフである。
【図７】パンタグラフの位置の補間を示すグラフてある。
【図８】本発明の他の実施例に係るパンタグラフ測定装置による時空画像例である。
【図９】パンタ抽出フィルタの説明図である。
【図１０】エリアセンサの時空画像を示す説明図である。
【符号の説明】
１車両の屋根
２パンタグラフ
３ラインセンサ
４画像処理部
５結果記録部

Claims

車両の屋根上に設置したラインセンサからパンタグラフ付近の映像を取得し、この映像から時空画像を生成し、前記時空画像に対して平均化処理を繰り返して前記時空画像を１層とするｎ層（ｎ＞１）の階層時空画像を順次求め、１層〜ｎ層の前記階層時空画像に対してエッジ検出を行い、検出されたエッジより前記パンタグラフの位置と加速度を測定するパンタグラフ測定装置において、１層〜ｎ層の前記階層時空画像に対する前記エッジが不連続のときには補間処理を行うことを特徴とするパンタグラフ測定装置。
前記ラインセンサは、前記パンタグラフに対して斜めのラインで画像を取得することを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ測定装置。
前記階層時空画像は時間的にオーバーラップさせて平均化することにより求めることを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ測定装置。
前記階層時空画像に対するエッジ検出に代えて、前記階層時空画像に対して抽出フィルタを使用することを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ測定装置。
前記ラインセンサに代えてエリアカメラを使用し、横方向の平均値により時空画像を求めることを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ測定装置。