JP5244677B2 - トロリ線摩耗量検出光学系およびトロリ線摩耗量測定装置 - Google Patents
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また、新幹線から地下鉄まで幅広く営業車の屋根上にも搭載可能なトロリ線摩耗量検出光学系について出願人はすでに出願している(特許文献2)。
特許文献2のものは、営業車の屋根上にも搭載可能にするためにレーザ光源の幅や配置、反射ミラーの幅やその配置を工夫にしている。しかし、トロリ線摩耗量測定装置が車両の屋根の大部分を占めるために、車両の高さ自体が高くなった構造となり、車両の重心が高く、車体の揺れ等、走行の安定性に欠ける問題がある。
この発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決するものであって、装置高さが低くかつ小型化が可能なトロリ線摩耗量検出光学系を提供することにある。
この発明の他の目的は、測定光学系を小型化できかつ車両の屋根上にも搭載することが可能なトロリ線摩耗量測定装置を提供することにある。
レール横断方向に配列された単色光光源複数個によりスリット状の投光光を生成してトロリ線の摺動面に照射する投光ユニットと、投光光を所定の周期でパルス状の光として投光ユニットに発生させる駆動回路と、トロリ線の偏位範囲をカバーする視野を有する受光ユニットと、所定の周期に応じて投光時の受光ユニットの受光信号と投光していない時の受光ユニットの受光信号とを得て、これら受光信号の差により摺動面についての検出信号を発生する検出回路とを備えていて、前記の投光光が昼間の太陽光の光強度より強い反射光を前記摺動面に発生させるものである。
そこで、投光光が照射されたときとそうでないときのトロリ線からの反射光の受光信号の差を採ることにより投光光が照射されたときの摺動面についての検出信号を得る。
投光光は、トロリ線の摺動面からの反射光を単色光にしかつ昼間の太陽光の光強度より強い反射光を摺動面に発生させるものであるので、昼間でも太陽光の光強度に負けない反射光が得られる。
特に、赤外領域の単色光を使用すれば、太陽光の強度との差が大きくなり、強いレーザ光を発生する光源を設ける必要がなくなる。しかも、トロリ線の偏位範囲に亙ってトロリ線に単色光を照射する場合にはレール横断方向にその光源を複数個を配列するだけで済むので、これによりポリゴンミラー等による回転走査が不要となり、投光系と受光系とを小型化できる。
その結果、投光系と受光系の小型化が可能になり、これによりトロリ線摩耗量検出光学系を車両の屋根上にも搭載することが可能になる。
投光ユニット2は、赤外光の範囲にある特定の波長の単色光をトロリ線20に照射する。受光ユニット4は、トロリ線20からの反射光を結像レンズ3を通して受光する。
図中、L1は、投光ユニット2の投光光であり、投光ユニット2による単色光の波長は、例えば、λ=850nmである。L2は、トロリ線20の摺動面20aからの反射光である。なお、3aは投光ユニット2の集束レンズである。
受光ユニット4は、CCDラインセンサの受光器であり、CCDの光感度特性の全光波長領域で反射光L2を受光する。その全光波長領域は、通常、300nm〜1000nmの範囲でゆるやかな山型のピーク特性を持ち、可視光領域をカバーし、赤外光領域に達する。
パルス駆動回路5は、投光ユニット2をパルス駆動して投光ユニット2の投光光L1を所定の周期でON/OFFしてパルス状の光として発生させる。そして、所定の周期に対応するパルス駆動の同期信号SYNを受光信号処理部6に送出する。なお、投光光L1を所定の周期でON/OFFするのは投光光L1にシャッタを設けて、これを開閉しても可能である。
受光信号処理部6は、A/D変換回路(A/D)16と、波形データメモリ17、そして演算装置18とにより構成され、演算装置18により算出されたトロリ線摺動面の検出信号S(図2(d)参照)をデジタル値として測定装置19に送出する。
パルス駆動回路5からの同期信号SYNは、A/D16と波形データメモリ17とに入力され、同期信号SYNに同期して後述する図2(a)の受光信号Aを送出し、投光光が停止したタイミングで図2(b)の受光信号BをA/D16に送出する。その結果、同期信号SYNに同期して受光信号Aと受光信号Bが交互にシリアルにA/D16に送出されることになる。
なお、投光光L1の発光期間は、同期信号SYNの周期をTとすると、T/2か、それ以下の期間である。
この受光ユニット4は、図3に示すように、結像レンズ3とともに内蔵されたCCDラインセンサを有するラインセンサカメラ9として設けることができる。
図1に戻り、投光ユニット2の投光光L1は、昼間の太陽光の赤外領域の光強度より強い反射光をトロリ線20の摺動面20aに発生させるものである。通常、昼間の太陽光の赤外領域の光強度は大きくないので、トロリ線20と投光ユニット2の距離を1m〜1.5m程度とすれば、1W程度の比較的小さい出力の単色光LEDを用いることでそれが可能になる。
したがって、このような光源をレール横断方向に配列してもトロリ線摩耗量測定装置10での占有面積は少ない。
図2は、その2種類の信号,受光信号A,Bについての説明図である。
投光光L1が照射されたときの受光ユニット4で得られる受光信号Aは、図2(a)に示すように、天空からの外来光(以下天空ノイズ)の受光信号A1とトロリ線20の摺動面20aからの単色光の反射光A2との和となる。それがCCDのライン方向に沿って発生する。なお、受光ユニット4の受光信号は、CCDのライン方向に沿って同時に同期してかつシリアルに順次出力され、その読出が連続的に繰り返される。その読出回路は図示していない。
縦軸は明るさ(受光レベル)であり、横軸はCCDラインセンサが配列されるライン方向(レール横断方向)である。以下図2(b)〜(d)も同様である。
これに対して投光ユニット2の投光光L1が照射されていないときの受光ユニット4の受光信号Bは、図2(b)に示すように、天空ノイズの受光信号B1が主体となり、単色光の反射光B2は低く抑えられる。
受光信号処理部6は、パルス駆動回路5から同期信号SYNを受けてこれに同期して受光信号A,BをA/D16を介して波形データとして受け、それを同期信号SYNを基準として投光光が停止したタイミングで切り分けて波形データメモリ17の異なる領域にそれぞれに記憶する。さらに、演算装置18において異なる領域に記憶された波形データを読出して受光信号A,Bの差分を採った差分信号Cを生成する。その差分信号Cは、図2(c)に示すように、トロリ線摩耗量に対応する幅を持つパルス状のトロリ線摺動面反射信号(差分信号)C(=A1+A2−B1−B2)となる。さらに、演算装置18において差分信号Cから図2(d)に示すトロリ線摺動面の検出信号Sを生成して測定装置8に出力する。
なお、トロリ線摺動面の検出信号Sは、差分信号Cのピーク値Pが検出され、このピーク値Pの実質的に1/2のレベルで差分信号Cをクリップしたものである。
また、波形データメモリ17は、後述するようにバッファメモリであり、一時的に受光信号A,Bの波形データを記憶し、古いデータは捨てられる。
測定装置19は、トロリ線摺動面の検出信号Sに基づいてのトロリ線摩耗量(残存径)の算出をする。なお、このトロリ線摩耗量(残存径)の算出は、先行技術文献として挙げた各種の特許公報に記載されるところであるのでその説明は割愛する。
図3において、10は、トロリ線摩耗量測定装置であって、架線検測車22の車両屋根上面23に設置されている。
トロリ線摩耗量測定装置10は、測定光学系1と、トロリ線高さ検出機構7と測定光学系制御部8とからなる。
測定光学系1は、投光ユニット2と、結像レンズ3が内蔵された2本のCCDラインセンサを有するラインセンサカメラ9、そしてこのラインセンサカメラ9の手前に設けられた受光光学系11とからなる。
受光光学系11は、回転ミラー12、入射方向に反射光を戻す折り返し反射ミラー13、そして折り返し反射ミラー13を前後に移動させるミラー移動機構14とで構成され、トロリ線20の高さに応じて変化する摺動面20aからの反射光L2の変化をラインセンサカメラ9に導くように反射光L2角度が制御される。
なお、投光ユニット2も回転テーブル15上に搭載されてその投光光L1がトロリ線20の高さに応じて変化する摺動面20aの高さに追従するように角度制御される。
なお、図4に示す受光光学系11は、図3と異なり、ラインセンサカメラ9の分割受光の関係を説明する都合上から折り返し反射ミラー13とそのミラー移動機構14とを省略し、トロリ線20からの反射光L2を折り返すことなく、反射光L2の先にラインセンサカメラ9(9a,9b,9c)を設けて直接受光する形で図示してある。
この図4に示されるように、図3に示す投光ユニット2は、単色発光の多数のLED発光器2a,2b,…2nをレール21の横断方向に配列してスリット状の光束Lを発生する。レール21の横断方向におけるその幅は、トロリ線20への照射光L1がトロリ線20の偏位範囲(≒700mm)をカバーするものである。
LED発光器2a,2b,…2nの発光光は、スリット整形用集光レンズ2Pを介してスリット状の光束Lとしてトロリ線20に照射される。
なお、投光ユニット2は、LED発光器2a〜2nに換えて点線で示すような半導体レーザ光源2Qを横方向拡大レンズによりレール21の横断方向に拡大してスリット状の光束Lを生成してもよい。
図では回転ミラー12の回転駆動機構は図示されていないが、回転ミラー12の背面に回転軸12aが固定され、その回転軸がステッピングモータにより駆動される構成を採る。
ラインセンサカメラ9は、3台のラインセンサカメラ9a,9b,9cからなり、これらにより反射光L2を3分割していずれかのカメラに摺動面20aからの反射光が入射されるように分割受光する。なお、相互の受光境界領域はオーバーラップしている。これにより、トロリ線20の偏位範囲をカバーする視野を形成する。
この分割受光のカメラの台数は、複数台設けられればよく、3台に限定されない。
なお、この種のポテンションメータによる回動アームの角度でトロリ線の高さ検出をする高さ検出器は、例えば、特開平7−120228号等に記載されるように、周知の技術であるので、詳細な説明は割愛する。
トロリ線20からの反射光L2は、ガラス窓10bを介して回転ミラー12、折り返し反射ミラー13を経て、ラインセンサカメラ9(3台のラインセンサカメラ9a,9b,9c)のいずれかの視野内に入り、トロリ線20の摺動面20aを含む画像(一次元波形データ)がこれにより受像される。
なお、ガラス窓10bは、トロリ線摩耗量測定装置10の屋根フレーム10aの水平面に対して10°程度の角度を持たせて屋根フレーム10aに取付けられている。
屋根フレーム10aの高さは、実際は、トロリ線20が上下に偏位する下限高さよりも十分に低い位置にある。これによりガラス窓10bの位置が低くなる。そこで、トロリ線摩耗量測定装置10は、車両の屋根等の高さにほとんど影響を受けることなく設置できる。
測定光学系制御部8には、トロリ線20の高さに対する追従制御のために制御データのテーブル8aが設けられている。この制御データのテーブル8aは、角度検出器7cの検出値に対応して回転テーブル15の角度値、回転ミラー12の角度値、そしてミラー移動機構14の移動量とが制御値として格納されている。各制御値は、あらかじめ、トロリ線20の高さに応じて回転テーブル15と回転ミラー12の各角度値とミラー移動機構14の移動量とが分析されて得られたものである。
そこで、測定光学系制御部8は、制御データのテーブル8aを参照して回転テーブル15と、回転ミラー12、そしてミラー移動機構14とを制御して、トロリ線20の高さの変化に関係なく、ラインセンサカメラ9(3台のラインセンサカメラ9a,9b,9c)の視野内にトロリ線20の摺動面20aの画像(一次元波形データ)が受像されるように制御する。
3台のラインセンサカメラ9a,9b,9cの各一次元のイメージは、図2(a),図2(b)に示す波形信号のいずれかがあるいはこれらが重複してデジタル値としてそれぞれの領域に記憶される。
3台のラインセンサカメラ9a,9b,9cで3分割受光した反射光L2における摺動面20aの画像(一次元波形データ)が重複のないものとして受光信号Aと受光信号Bのそれぞれに相当する波形データが合成される。次に1つのトロリ線20の摺動面20aの波形データとして処理され、図2(a),図2(b)に示す波形信号が生成され、これらの差分の演算処理がなされて、トロリ線摺動面反射信号(差分信号)C(=A1+A2−B1−B2)に相当するデータが算出される。
さらに、ピーク値Pが検出されてピークレベルの実質的に1/2のレベルが算出され、この1/2のレベルを基準として、これ以上を“1”とし、それ未満を“0”とする二値化処理がなされて図2(d)に示すようなトロリ線摺動面の検出信号Sに相当するパルス幅を持つデジタル値のデータが算出される。それが内部メモリに記憶される。そして、これの“1”が連続する部分の画素数から距離(トロリ線摺動面の検出信号Sのパルス幅に対応)に換算してトロリ線摺動面の幅が算出されて、トロリ線摺動面の幅がデジタル値として測定装置19へと送出される。
測定装置19は、内部にMPU、メモリ等を有していて、MPUによりメモリに記憶された所定の処理プログラムが実行されて演算装置18で算出されたトロリ線摺動面の幅に基づいて摩耗量を算出する。
また、実施例では、トロリ線の摺動面からの反射光を一次元のCCDラインセンサあるいは一次元のCCDカメラで受けているが、この発明の受光ユニットは、一次元のCCDラインセンサあるいはCCDカメラに限定されるものではなく、二次元CCDの映像を1次元に圧縮してもよく、レール横断方向に配列され摺動面の映像を採取できる受光器であれば、どのような受光ユニットであってもよい。
なお、この発明の受光ユニットは、トロリ線の偏位範囲の視野を確保できれば、1個の単一の受光器で構成されるものであってもよい。
さらに、実施例では、演算装置18を測定装置19の外部に設けているが、演算装置18の処理機能は、測定装置19に設けられたMPUによりプログラム処理にて実現可能であるので、演算装置18が削除され、測定装置19により演算装置18が実現されてもよい。
この場合の処理プログラムとしては、複数台のラインセンサカメラの受光信号から反射光L2が重複のないものとして受光信号Aと受光信号Bのそれぞれに相当する波形データを合成する合成処理プログラム、受光信号Aと受光信号Bのそれぞれに相当する波形データに基づいてこれらの差分の演算処理によりトロリ線摺動面反射信号(差分信号)Cを算出する処理プログラム、ピーク値検出プログラム、二値化処理プログラム、トロリ線摺動面の摺動面の幅算出プログラム等である。
なお、さらに、波形データメモリ17も測定装置19の内部に設けられていてもよい。
3…結像レンズ、4…受光ユニット、
4a,4b…受光器、5…パルス駆動回路、
6…受光信号処理部、7…トロリ線高さ検出機構、
8…測定光学系制御部、8a…制御データのテーブル、
9…ラインセンサカメラ、
10…トロリ線摩耗量測定装置、11…受光光学系、
12…回転ミラー、13…折り返し反射ミラー、
14…ミラー移動機構、15…回転テーブル、
16…A/D変換回路(A/D)、
17…波形データメモリ、18…演算装置、
19…測定装置、20…トロリ線、20a…摺動面、
21…レール、22…架線検測車、23…車両屋根上面。
Claims (10)
- トロリ線の偏位範囲に亙る投光光を前記トロリ線に照射して前記トロリ線の摺動面からの反射光を受光して前記摺動面についての検出信号を得るトロリ線摩耗量検出光学系において、
レール横断方向に配列された単色光光源複数個によりスリット状であり、昼間の太陽光の光強度より強い前記反射光を発生させる前記投光光を生成して前記摺動面に照射する投光ユニットと、
前記投光光を所定の周期でパルス状の光として前記投光ユニットに発生させる駆動回路と、
前記トロリ線の偏位範囲をカバーする視野を有する受光ユニットと、
前記所定の周期に応じて投光時の前記受光ユニットの受光信号と投光していない時の前記受光ユニットの受光信号とを得て、これら受光信号の差により前記摺動面についての検出信号を発生する検出回路と、
トロリ線の高さ検出器と、
前記摺動面への前記投光光の投光角度を変える投光光回転手段と、
前記摺動面からの前記反射光の受光角度を変える回転ミラーと、を備え、
前記トロリ線の高さ検出器から得られる高さに応じて前記摺動面の高さに追従するように前記投光角度を制御し、前記トロリ線の高さ検出器から得られる高さに応じて変化する前記摺動面から前記反射光の変化を前記受光ユニットに導くよう前記受光角度を制御するトロリ線摩耗量検出光学系。 - 前記投光光回転手段は前記投光ユニットを搭載した回転テーブルである請求項1記載のトロリ線摩耗量検出光学系。
- 前記単色光光源は赤外領域の単色光を前記投光光とするLEDであり、該LEDは前記トロリ線から1m〜1.5m離れた位置に設けられた請求項1又は2記載のトロリ線摩耗量検出光学系。
- 前記受光ユニットは、前記レンズを有するCCDカメラであり、前記視野は、前記CCDカメラが前記レール横断方向に複数個設けられて形成され、前記投光ユニットと複数の前記CCDカメラとが車両の屋根の上に設けられている請求項1乃至3のいずれかに記載のトロリ線摩耗量検出光学系。
- さらに、前記回転ミラーと入射方向に反射光を戻す折り返し反射ミラーとを有し、前記摺動面からの反射光を前記回転ミラーで受けて前記折り返し反射ミラーに入射させて前記摺動面からの反射光を複数の前記CCDカメラに入射させる請求項4記載のトロリ線摩耗量検出光学系。
- トロリ線の偏位範囲に亙る投光光を前記トロリ線に照射して前記トロリ線の摺動面からの反射光を受光して前記摺動面についての検出信号を得るトロリ線摩耗量検出光学系と、前記検出信号を受けて前記トロリ線の摩耗量を算出する測定装置とを備えるトロリ線摩耗量測定装置において、
前記トロリ線摩耗量検出光学系は、レール横断方向に配列された単色光光源複数個によりスリット状であり、昼間の太陽光の光強度より強い前記反射光を発生させる前記投光光を生成して前記摺動面に照射する投光ユニットと、
前記投光光を所定の周期でパルス状の光として前記投光ユニットに発生させる駆動回路と、
前記トロリ線の偏位範囲をカバーする視野を有する受光ユニットと、
前記所定の周期に応じて投光時の前記受光ユニットの受光信号と投光していない時の前記受光ユニットの受光信号とを得て、これら受光信号の差により前記摺動面についての検出信号を発生する検出回路と
トロリ線の高さ検出器と、
前記摺動面への前記投光光の投光角度を変える投光光回転手段と、
前記摺動面からの前記反射光の受光角度を変える回転ミラーと、を備え、
前記トロリ線の高さ検出器から得られる高さに応じて前記摺動面の高さに追従するように前記投光角度を制御し、前記トロリ線の高さ検出器から得られる高さに応じて変化する前記摺動面から前記反射光の変化を前記受光ユニットに導くよう前記受光角度を制御するトロリ線摩耗量測定装置。 - 前記投光光回転手段は前記投光ユニットを搭載した回転テーブルである請求項6記載のトロリ線摩耗量測定装置。
- 前記単色光光源は赤外領域の単色光を前記投光光とするLEDであり、該LEDは前記トロリ線から1m〜1.5m離れた位置に設けられた請求項6又は7記載のトロリ線摩耗量測定装置。
- 前記受光ユニットは、前記レンズを有するCCDカメラであり、前記視野は、前記CCDカメラが前記レール横断方向に複数個設けられて形成され、前記投光ユニットと複数の前記CCDカメラとが車両の屋根の上に設けられている請求項6乃至8のいずれかのトロリ線摩耗量測定装置。
- さらに、前記回転ミラーと入射方向に反射光を戻す折り返し反射ミラーとを有し、前記摺動面からの反射光を前記回転ミラーで受けて前記折り返し反射ミラーに入射させて前記摺動面からの反射光を複数の前記CCDカメラのいずれかに入射させる請求項9記載のトロリ線摩耗量測定装置。
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