JP5809091B2

JP5809091B2 - 台車姿勢検出方法

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Publication number: JP5809091B2
Application number: JP2012067415A
Authority: JP
Inventors: 康宏梅原; 聡一郎渡邉
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2015-11-10
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: JP2013199156A

Description

本発明は、鉄道車両の台車の軌道に対する姿勢を検出する台車姿勢検出方法に関し、特に簡素なセンサ構成によって精度よく台車姿勢を検出可能なものに関する。

一般的な鉄道車両は、左右のレール上を走行する一対の車輪を有する輪軸を、軸箱支持装置を介して台車枠に取付け、台車枠の上部にまくらばねを介して車体を載せて構成されている。
このような鉄道車両において、台車枠の軌道に対する枕木方向（横方向）変位、上下方向変位、ヨー角、ロール角等の姿勢を検出することが求められる場合がある。

レールに対する台車枠の姿勢を検出しようとした場合、従来はレールと車輪との間、軸箱と台車枠との間に多数のセンサを設置し、各センサの検出値を積み上げることによって台車枠の姿勢を検出していたが、特にレールと車輪との変位を検出することは、センサの配置スペースが限られ、振動等の条件も過酷であることから困難を伴うものであった。

台車からレールの測定を行う従来技術として、例えば特許文献１には、台車枠にＣＣＤカメラを装着し、レールを照明装置で照射しつつ撮像し、画像処理によって帯状に光るレールのコーナ部を認識することによって、レールに対する輪軸のアタック角（対レールヨー角）を測定することが記載されている。

特開２００３−２４６２６６号公報

従来のように、レールと車輪との相対変位、軸箱と台車枠との相対変位などを個別に検出し、計測結果を積み上げて台車枠の姿勢を検出する場合、センサ等の構成、配置や、データの解析が複雑となってしまう。
また、特許文献１のようにカメラ画像を画像解析してレールの基準箇所（コーナ部等）を検出しようとした場合、コーナ部がある程度の幅をもった帯状に観測されることから測定誤差が比較的大きいうえ、照明装置の設置等によって装置の構成が複雑となってしまう。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、簡素なセンサ構成によって精度よく台車姿勢を検出可能な台車姿勢検出方法を提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明の台車姿勢検出方法は、軸箱支持装置を介して輪軸を支持する台車枠の軌道に対する姿勢を検出する台車姿勢検出方法であって、前記台車枠に設けられた第１の２次元センサによって第１のレールの断面形状を２次元計測し、前記台車枠に設けられた第２の２次元センサによって前記第１のレールの断面形状を前記第１の２次元センサとは車両前後方向にずらした位置において計測し、前記台車枠に設けられた第３の２次元センサによって第２のレールの断面形状を計測し、前記第１の２次元センサの計測結果に基づいて前記第１のレールのフィールドコーナに設定された第１の基準箇所の前記第１の２次元センサに対する相対位置を算出し、前記第２の２次元センサの計測結果に基づいて前記第１のレールのフィールドコーナに設定された第２の基準箇所の前記第２の２次元センサに対する相対位置を算出し、前記第３の２次元センサの計測結果に基づいて前記第２のレールのフィールドコーナに設定された基準箇所の前記第３の２次元センサに対する相対位置を算出し、前記第１のレールの前記第１の基準箇所、前記第１のレールの前記第２の基準箇所、及び、前記第２のレールの基準箇所を含む平面の式を算出し、前記平面と前記台車枠との相対変位に基づいて前記軌道に対する前記台車枠の相対位置を算出することを特徴とする。
これによれば、最低３箇所の２次元センサを台車枠に取付けることによって、台車枠と軌道面との相対変位を把握することが可能となり、簡単なセンサ構成によって台車枠の姿勢を検出することができる。
また、このような２次元センサを用いて、レールの断面形状を計測することによって、画像処理などに対して精度よくレールの基準箇所の位置を特定することができる。
このような基準箇所として、レールの例えばフィールドコーナ（軌道外側のエッジ部）を用いることができる。

本発明において、前記軌道に対する前記台車枠の相対位置は、前記軌道に対する前記台車枠の枕木方向変位、上下方向変位、ヨー角、ロール角の一部又は全部を含む構成とすることができる。

また、本発明の台車姿勢検出方法は、軸箱支持装置を介して輪軸を支持する台車枠における前記輪軸の車輪が走行する軌道に対する姿勢を検出する台車姿勢検出方法であって、前記台車枠に設けられた第１の２次元センサによって第１のレールの断面形状を２次元計測し、前記台車枠に設けられた第２の２次元センサによって第２のレールの断面形状を前記第１の２次元センサとは車両前後方向にずらした位置において計測し、前記第１の２次元センサの計測結果に基づいて前記第１のレールのフィールドコーナに設定された基準箇所の前記第１の２次元センサに対する相対位置を算出し、前記第２の２次元センサの計測結果に基づいて前記第２のレールのフィールドコーナに設定された基準箇所の前記第２の２次元センサに対する相対位置を算出し、前記第１のレールの前記基準箇所の前記第１の２次元センサに対する枕木方向の相対変位、及び、前記第２のレールの前記基準箇所の前記第２の２次元センサに対する枕木方向の相対変位の平均及び差分に基づいて前記台車枠の前記軌道に対する枕木方向位置及びヨー角をそれぞれ算出することを特徴とする。
これによれば、最低２箇所の２次元センサを台車枠に取付けることによって、台車枠の軌道に対する枕木方向位置及びヨー角を検出することができる。

本発明において、前記第１のレールの前記基準箇所の前記第１の２次元センサに対する上下方向の相対変位、及び、前記第２のレールの前記基準箇所の前記第２の２次元センサに対する上下方向の相対変位の平均及び差分に基づいて前記台車枠の前記軌道に対する上下方向位置及びロール角をそれぞれ算出する構成とすることができる。
これによれば、最低２箇所の２次元センサを台車枠に取付けることによって、台車枠の軌道に対する上下方向位置及びロール角を検出することができる。

本発明において、前記２次元センサによる計測データを、予め準備された軌道不整情報を用いて補正する構成とすることができる。
これによれば、軌道不整の影響を排除して精度よく台車姿勢を検出することができる。

以上のように、本発明によれば、簡素なセンサ構成によって精度よく台車姿勢を検出可能な台車姿勢検出方法を提供することができる。

本発明を適用した台車姿勢検出方法の第１実施形態の適用対象となる鉄道車両の構成を示す模式的平面図である。第１実施形態の台車姿勢検出方法におけるレールの基準点設定及び変位検出を示す模式図である。第１実施形態の台車姿勢検出方法における枕木方向の変位、軌道不整量、軌道不整補正後変位、ロール角補正変位量、軌道不整ロール角補正後変位の推移の一例を示すグラフである。本発明を適用した台車姿勢検出方法の第２実施形態の適用対象となる鉄道車両の構成を示す模式的平面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の第１乃至第２実施形態に係る台車姿勢検出方法について説明する。
＜第１実施形態＞
先ず、第１実施形態の台車姿勢検出方法について説明する。
図１は、第１実施形態の台車姿勢検出方法の適用対象となる鉄道車両の構成を示す模式的平面図である。
なお、以下の各説明において、枕木方向をｙ方向、鉛直方向をｚ方向として説明する。

車両１は、車体１０、１位台車２０、２位台車３０等を有して構成されている。
車体１０は、床面を構成する台枠の上部に妻構、側構、屋根構等を設けて実質的に六面体状に形成されている。
１位台車２０、２位台車３０は、車体１０の下部に、前後方向に離間して、列車の進行方向前方側から順次配置されている。
１位台車２０及び２位台車３０は、車体１０に対して、枕ばね等の２次ばね系を介して、ボギー角付与可能に取り付けられている。

１位台車２０は、１位輪軸２１、２位輪軸２２、台車枠２３等を有して構成されている。
１位輪軸２１、２位輪軸２２は、第１レールＲ１、第２レールＲ２上をそれぞれ走行する一対の車輪を、車軸によって連結して構成されている。
１位輪軸２１、２位輪軸２２は、列車の進行方向前側から順次配置されている。
１位輪軸２１、２位輪軸２２の両端部を回転可能に支持する図示しない軸箱は、台車枠２３に対して、軸ばね、軸ダンパ等の１次ばね系、及び、軸箱支持装置を介して取り付けられている。

以下、第１実施形態の台車姿勢検出方法について説明する。
先ず、台車枠２３に、２次元レーザ測定器１０１，１０２，１０３を固定する。
２次元レーザ測定器１０１，１０２，１０３は、所定の平面上において、計測対象物の表面形状を２次元的に測定可能なものである。
２次元レーザ測定器１０１，１０２，１０３の計測面（走査面）は、第１レールＲ１、第２レールＲ２の長手方向と直交する平面に沿って配置されている。
これによって、２次元レーザ測定器１０１，１０２，１０３は、第１レールＲ１、第２レールＲ２上部の横断面形状を計測可能となっている。

２次元レーザ測定器１０１，１０２は、第１レールＲ１の直上に設けられ、第１レールＲ１の断面形状を測定する。
２次元レーザ測定器１０１，１０２は、車両１の前後方向に離間して配置され、台車枠１０の前後方向中央に設けられる横梁に対して、２次元レーザ測定器１０１は１位輪軸２０側、２次元レーザ測定器１０２は２位輪軸３０側に配置されている。
２次元レーザ測定器１０３は、第２レールＲ２の直上でありかつ２次元レーザ測定器１０２と車両前後方向における位置を実質的に一致させて配置されている。
２次元レーザ測定器１０３は、第２レールＲ２の断面形状を測定する。

次に、列車が直線走行中であって、軌道の実質的に中心を走行していると見なされる状態のときに、基本レール形状データを取得する。
図２は、第１実施形態の台車姿勢検出方法におけるレールの基準点設定及び変位検出を示す模式図である。
図２（ａ）は、レールの基準点設定を示す図である。
レールの基準点としては、２次元レーザ測定器１０１，１０２，１０３によって計測された断面形状から特定可能な点であればいかなる点でもよいが、例えば、レールの軌道外側上部のコーナ部（フィールドコーナ）を基準点とすることができる。
このようなフィールドコーナは、軌道内側のゲージコーナのように摩耗等の影響を受けにくいからである。

図２（ｂ）は、レールの変位検出を示す図である。
図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）に示す基準状態に対して、計測面上におけるレールの位置が変位した場合であっても、基準点として設定したフィールドコーナの位置は特定可能である。
２次元レーザ測定器１０１，１０２，１０３に対するレールＲ１，Ｒ２のｙ方向及びｚ方向の相対変位は、このような基準点位置の直進状態からの変位に基づいて検出することができる。

図３は、第１実施形態の台車姿勢検出方法における枕木方向の変位、軌道不整量、軌道不整補正後変位、ロール角補正変位量、軌道不整ロール角補正後変位の一例を示すグラフである。
先ず、車両１を走行させながら、基準点位置の変位を逐次記録する。
図３（ａ）は、車両１の走行距離と、検出された基準点位置のｙ方向変位の変位に関する測定データの一例を示すグラフである。
なお、以下の説明は、一例としてｙ方向（枕木方向）についてのものであるが、ｚ方向（鉛直方向）においても、同様の処理が行われる。

図３（ａ）に示す変位においては、軌道に対する台車枠１０の変位による影響と、軌道不整による影響とをともに含んでいる。
そこで、第１実施形態においては、予め準備された軌道不整データを用いて、測定データの補正を行っている。
図３（ｂ）は、軌道不整量の推移の一例を示すグラフである。
図３（ｃ）は、図３（ａ）に示す変位から、図３（ｂ）に示す軌道不整量を減算した軌道不整量補正後変位の推移の一例を示すグラフである。

また、台車枠１０がロール方向に回動すると、ロール角に応じてｙ方向変位の計測にも誤差が生じる。
そこで、第１実施形態においては、台車枠１０のロール角に応じて、ｙ方向の変位を補正するようにしている。
図３（ｄ）は、ロール角と補正変位量との相関を示すグラフである。
このような補正量は、各２次元レーザ測定器と、レール及びロール中心との位置関係に基づいて、幾何学的に求めることが可能である。
図３（ｅ）は、図３（ｃ）に示す軌道不整補正後変位の推移を、図３（ｄ）に示すロール角補正変位量で補正した軌道不整ロール角補正後変位の推移の一例を示すグラフである。
なお、ヨー角に応じた変位の補正も実質的に同様に行うことができる。

第１実施形態においては、２次元レーザ測定器１０１が計測した基準点（ｙ１、ｚ１）、２次元レーザ測定器１０２が計測した基準点（ｙ２、ｚ２）、２次元レーザ測定器１０３が計測した基準点（ｙ３、ｚ３）（いずれも補正後の座標値）を含む平面の数式を求め、この平面の数式に基づいて、軌道に対する台車枠のｙ方向変位、ｚ方向変位、ヨー角、ロール角等の各種姿勢情報を演算によって求めている。
以上説明した第１実施形態によれば、台車枠１０に３箇所の２次元レーザ測定器１０１，１０２，１０３を設けることによって、簡素なセンサ構成によって精度よく台車姿勢を検出することができる。

また、このような２次元レーザ測定器１０１，１０２，１０３としては、一般的な市販品を用いることが可能であり、台車姿勢検出に要するコストも低減することができる。
特に、第１実施形態においては、センサ設置スペースや振動等の環境的に測定が難しいレールと車輪との間の変位を求める必要がないことから、台車姿勢の検出を従来技術に対して大幅に簡易化することができる。
なお、このようにして台車姿勢を簡易に検出することができれば、台車枠と車体との相対変位は比較的容易に測定可能であり、これらの検出値を演算することによって、軌道に対する車体の姿勢を求めることができる。このような車体の姿勢は、例えば地上施設との干渉を確認する場合等に活用することができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態の台車姿勢検出方法について説明する。
なお、上述した第１実施形態と実質的に共通する箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図４は、第２実施形態の台車姿勢検出方法の適用対象となる鉄道車両の構成を示す模式的平面図である。
第２実施形態においては、第１実施形態の２次元レーザ測定器１０１，１０２，１０３に代えて、２次元レーザ測定器１０４，１０５を用いている。
２次元レーザ測定器１０４は、２次元レーザ測定器１０１と実質的に同様に設置されている。
２次元レーザ測定器１０５は、２次元レーザ測定器１０３と実質的に同様に設置されている。
ここで、２次元レーザ測定器１０４，１０５がそれぞれ計測する基準点の車両前後方向（レール長手方向）における間隔をａ、枕木方向（車幅方向）における間隔をｂとする。

第２実施形態においては、台車枠１０の回転中心が台車中心と実質的に一致するものと仮定し、２次元レーザ測定器１０４が計測した基準点（ｙ４、ｚ４）、２次元レーザ測定器１０５が計測した基準点（ｙ５、ｚ５）を用いて、以下説明する演算によって台車姿勢を検出している。

＜ｙ方向変位＞
ｙ＝（ｙ４＋ｙ５）／２

＜ｚ方向変位＞
ｚ＝（ｚ４＋ｚ５）／２

＜台車ヨー角＞
φ＝ｔａｎ^―１（（ｙ４−ｙ５）／ａ）

＜台車ロール角＞
θ＝ｔａｎ^―１（（ｚ４−ｚ５）／ｂ）

以上説明した第２実施形態においては、台車枠１０に２箇所の２次元レーザ測定器１０４，１０５を設けることによって台車姿勢検出が可能であり、台車姿勢の検出をより簡易に行うことが可能である。

（他の実施形態）
なお、本発明は上述した各実施形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。
例えば、センサの設置位置は、上述した各実施形態に限らず、適宜変更することができる。
また、計測データの処理順序や、補正の内容、数式等も各実施形態のものに限らず、適宜変更することができる。

１車両１０車体
２０１位台車２１１位輪軸
２２２位輪軸２３台車枠
３０２位台車１０１〜１０５２次元レーザ測定器
Ｒ１第１レールＲ２第２レール

Claims

軸箱支持装置を介して輪軸を支持する台車枠の軌道に対する姿勢を検出する台車姿勢検出方法であって、
前記台車枠に設けられた第１の２次元センサによって第１のレールの断面形状を２次元計測し、
前記台車枠に設けられた第２の２次元センサによって前記第１のレールの断面形状を前記第１の２次元センサとは車両前後方向にずらした位置において計測し、
前記台車枠に設けられた第３の２次元センサによって第２のレールの断面形状を計測し、
前記第１の２次元センサの計測結果に基づいて前記第１のレールのフィールドコーナに設定された第１の基準箇所の前記第１の２次元センサに対する相対位置を算出し、
前記第２の２次元センサの計測結果に基づいて前記第１のレールのフィールドコーナに設定された第２の基準箇所の前記第２の２次元センサに対する相対位置を算出し、
前記第３の２次元センサの計測結果に基づいて前記第２のレールのフィールドコーナに設定された基準箇所の前記第３の２次元センサに対する相対位置を算出し、
前記第１のレールの前記第１の基準箇所、前記第１のレールの前記第２の基準箇所、及び、前記第２のレールの基準箇所を含む平面の式を算出し、前記平面と前記台車枠との相対変位に基づいて前記軌道に対する前記台車枠の相対位置を算出すること
を特徴とする台車姿勢検出方法。
前記軌道に対する前記台車枠の相対位置は、前記軌道に対する前記台車枠の枕木方向変位、上下方向変位、ヨー角、ロール角の一部又は全部を含むこと
を特徴とする請求項１に記載の台車姿勢検出方法。
軸箱支持装置を介して輪軸を支持する台車枠における前記輪軸の車輪が走行する軌道に対する姿勢を検出する台車姿勢検出方法であって、
前記台車枠に設けられた第１の２次元センサによって第１のレールの断面形状を２次元計測し、
前記台車枠に設けられた第２の２次元センサによって第２のレールの断面形状を前記第１の２次元センサとは車両前後方向にずらした位置において計測し、
前記第１の２次元センサの計測結果に基づいて前記第１のレールのフィールドコーナに設定された基準箇所の前記第１の２次元センサに対する相対位置を算出し、
前記第２の２次元センサの計測結果に基づいて前記第２のレールのフィールドコーナに設定された基準箇所の前記第２の２次元センサに対する相対位置を算出し、
前記第１のレールの前記基準箇所の前記第１の２次元センサに対する枕木方向の相対変位、及び、前記第２のレールの前記基準箇所の前記第２の２次元センサに対する枕木方向の相対変位の平均及び差分に基づいて前記台車枠の前記軌道に対する枕木方向位置及びヨー角をそれぞれ算出すること
を特徴とする台車姿勢検出方法。
前記第１のレールの前記基準箇所の前記第１の２次元センサに対する上下方向の相対変位、及び、前記第２のレールの前記基準箇所の前記第２の２次元センサに対する上下方向の相対変位の平均及び差分に基づいて前記台車枠の前記軌道に対する上下方向位置及びロール角をそれぞれ算出すること
を特徴とする請求項３に記載の台車姿勢検出方法。
前記２次元センサによる計測データを、予め準備された軌道不整情報を用いて補正すること
を特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の台車姿勢検出方法。