JP5952759B2 - 架線位置計測装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、架空電車線路（以下、「架線」ともいう）の３次元位置を計測する架線位置計測装置及び架線位置計測方法に関する。

一般に、電気鉄道の集電方式として、鉄道車両が通るレールの上方に架線を配設し、鉄道車両の屋根上に搭載されたパンタグラフ等の集電装置によって架線から集電を行う架空電車線方式が広く用いられている。パンタグラフと接触して鉄道車両に電力を供給する架線は、トロリー線と呼ばれる。

トロリー線を配設するための方式としては、架線柱等からトロリー線を直接吊り下げる直接吊架式と、カテナリー（吊架線）を用いてトロリー線を一定の高さに吊り下げるカテナリー吊架式と、形材を用いてトロリー線を一定の高さに吊り下げる剛体吊架式とが存在する。さらに、カテナリー吊架式には、シンプルカテナリー式、ツインシンプルカテナリー式、コンパウンドカテナリー式等が存在する。

シンプルカテナリー式の構造は、１本の吊架線からハンガーと呼ばれる金属線を介してトロリー線を吊り下げたものである。ツインシンプルカテナリー式の構造は、シンプルカテナリー式の架線を２組並べたものである。

コンパウンドカテナリー式の構造は、吊架線とトロリー線との間に補助吊架線を追加して、吊架線がドロッパを介して補助吊架線を吊り下げ、補助吊架線がハンガーを介してトロリー線を吊り下げたものである。これにより、パンタグラフがトロリー線を押し上げる量が平均化される。

剛体吊架式の構造は、アルミニウムや銅製の形材に、イヤーと呼ばれる金具を介して、トロリー線を吊り下げたものである。

ところで、トロリー線等の架線が所定の位置からずれると、パンタグラフがトロリー線に正常に接触できないばかりか、事故や車両故障の原因となるので、架線の位置を計測して架線が所定の位置にあるか否かを検査する必要がある。そのために、ステレオラインセンサー等を用いたトロリー線の位置測定装置が開発されている。

例えば、特許文献１には、車両の屋根上に枕木方向においてそれぞれ設置される架線を撮影する第１のラインセンサーカメラ及び第２のラインセンサーカメラと、第１及び第２のラインセンサーカメラの近傍に鉛直上方を向けて設置され架線までの距離を計測するレーザー距離計と、第１のラインセンサーカメラから出力された画像データを基にラインセンサー画像上の架線の位置情報を算出する第１の画像処理部と、第２のラインセンサーカメラから出力された画像データを基にラインセンサー画像上の架線の位置情報を算出する第２の画像処理部と、第１及び第２の画像処理部から出力されたラインセンサー画像上の架線の位置情報とレーザー距離計から出力された距離情報とを記憶する処理メモリーと、ラインセンサー画像上の架線の位置情報と距離情報とに基づきステレオ対応点の探索を行うステレオ対応点探索部と、ステレオ対応点に基づき架線の高さと偏位を算出する高さ・偏位算出部とを備える架線位置測定装置が開示されている。

特開２０１２−８０２６号公報

しかしながら、特許文献１の架線位置測定装置は、トロリー線の位置を測定することを目的としており、トロリー線以外の架線の位置を非接触で計測するのに有効な装置又は方法は未だ開発されていない。２台のラインセンサーによって得られる画像だけでは、画像から所望の架線を自動抽出してその位置を計測する際に、計測対象の架線を他の架線や背景から分離することが困難である。従って、トロリー線以外の吊架線や補助吊架線等については、検測車による位置計測ができず、線路上からＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製の棒等を用いて手作業で位置を計測しなければならないという問題があった。

そこで、本発明の目的の１つは、計測対象の架線とそれ以外の架線や背景との分離を適切に行うことにより、トロリー線以外の区分装置や支持物も含めた架線についても検測車等による非接触の３次元位置計測を可能として、架線の高度な保全を実現することである。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る架線位置計測装置は、鉄道車両の進行方向と略直交して水平方向に延びる第１の直線上に第１の距離をおいて設置され、架線の位置を測定して角度データ及び距離データを生成する第１の３次元計測装置及び第２の３次元計測装置と、鉄道車両の進行方向と略直交して水平方向に延びる第２の直線上に第２の距離をおいて設置され、架線を含む空間を撮像して１次元の画像を表す第１の画像データ及び第２の画像データをそれぞれ生成する第１のカメラ及び第２のカメラと、第１及び第２の３次元計測装置の各々によって順次生成される角度データ及び距離データ、及び、第１及び第２のカメラによって順次生成される第１及び第２の画像データを蓄積する格納手段と、複数の計測時点において生成された角度データ及び距離データに基づいて、格納手段に蓄積された第１及び第２の画像データの各々によって表される２次元の画像における架線の長手方向を算出する架線方向算出部と、格納手段に蓄積された第１及び第２の画像データの各々に対してエッジ検出処理を施し、架線方向算出部によって算出された架線の長手方向に基づいて、検出されたエッジの内から所定の条件を満たすエッジを抽出するエッジ抽出部と、第１及び第２の画像データによって表される２つの画像からエッジ抽出部によって抽出されたエッジの座標に基づいて、鉄道車両に対する架線の位置を算出する架線位置算出部とを具備する。

また、本発明の１つの観点に係る架線位置計測方法は、鉄道車両の進行方向と略直交して水平方向に延びる第１の直線上に第１の距離をおいて設置され、架線の位置を測定して角度データ及び距離データを生成する第１の３次元計測装置及び第２の３次元計測装置と、鉄道車両の進行方向と略直交して水平方向に延びる第２の直線上に第２の距離をおいて設置され、架線を含む空間を撮像して１次元の画像を表す第１の画像データ及び第２の画像データをそれぞれ生成する第１のカメラ及び第２のカメラとを含む架線位置計測装置において用いられる架線位置計測方法であって、第１及び第２の３次元計測装置の各々によって順次生成される角度データ及び距離データ、及び、第１及び第２のカメラによって順次生成される第１及び第２の画像データを格納手段に蓄積するステップ（ａ）と、複数の計測時点において生成された角度データ及び距離データに基づいて、格納手段に蓄積された第１及び第２の画像データの各々によって表される２次元の画像における架線の長手方向を算出するステップ（ｂ）と、格納手段に蓄積された第１及び第２の画像データの各々に対してエッジ検出処理を施し、ステップ（ｂ）において算出された架線の長手方向に基づいて、検出されたエッジの内から所定の条件を満たすエッジを抽出するステップ（ｃ）と、第１及び第２の画像データによって表される２つの画像からステップ（ｃ）において抽出されたエッジの座標に基づいて、鉄道車両に対する架線の位置を算出するステップ（ｄ）とを具備する。

本発明の１つの観点によれば、第１及び第２の３次元計測装置の各々によって複数の計測時点において生成された角度データ及び距離データに基づいて２次元の画像における架線の長手方向を算出し、算出された架線の長手方向に基づいて、２次元の画像において検出されたエッジの内から所定の条件を満たすエッジを抽出することにより、計測対象の架線とそれ以外の架線や背景との分離を適切に行うことができる。その結果、トロリー線以外の架線についても検測車等による非接触の３次元位置計測を精度良く行うことが可能となり、架線の高度な保全が実現される。

本発明の一実施形態に係る架線位置計測装置が設けられた鉄道車両を示す図である。 ゾーベルフィルターの係数行列の例を示す図である。 架線を表す画像に重畳されたエッジ画像の例を示す模式図である。 架線の位置を算出する原理を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る架線位置計測方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る架線位置計測装置が設けられた鉄道車両を示す図である。この架線位置計測装置は、２つのレーザー測域センサー１１及び１２と、２つのラインカメラ１３及び１４と、照明装置１５とを含んでいる。これらは、図１に示すように検測車等の鉄道車両１０の屋根上に配置されても良いし、あるいは、軌陸車若しくは保守用車の作業台に配置されても良い。また、この架線位置計測装置は、変位センサー（又は、加速度センサー）１６を含んでも良い。

さらに、この架線位置計測装置は、格納手段としての処理メモリー２１と、関心領域設定部２２と、架線方向算出部２３と、エッジ抽出部２４と、架線位置算出部２５と、格納部２６と、表示部２７とを含んでいる。これらは、図１に示すように鉄道車両１０内に配置されても良いし、あるいは、鉄道車両１０外に配置されても良い。後者の場合には、例えば、データ測定時において、レーザー測域センサー１１及び１２、ラインカメラ１３及び１４、及び、変位センサー１６から出力されるデータが、外付けハードディスク等の着脱可能な格納手段に一旦格納される。また、データ測定後において、着脱可能な格納手段に格納されたデータが、関心領域設定部２２〜架線位置算出部２５に供給される。

ここで、関心領域設定部２２〜架線位置算出部２５の内の少なくとも１つを、ＣＰＵ（中央演算装置）を含むＰＣ（パーソナルコンピューター）と、ＣＰＵに各種の処理を行わせるためのソフトウェア（プログラム）とによって構成しても良い。ソフトウェアは、格納部２６の記録媒体に記録される。記録媒体としては、ハードディスク、フレキシブルディスク、ＵＳＢメモリー、ＭＯ、ＭＴ、ＣＤ−ＲＯＭ、又は、ＤＶＤ−ＲＯＭ等を用いることができる。

鉄道車両１０の上方には、鉄道車両１０の進行方向（図１におけるＺ軸方向）と略平行に、トロリー線、吊架線、補助吊架線（図示せず）、き電線、保護線、配電線（図示せず）、区分装置（図示せず）等の架線が設置されている。き電線は、直流送電の場合に、一定間隔でトロリー線に接続され、交流送電の場合に、トロリー線に送電するための変圧器に接続されて、トロリー線を介して鉄道車両１０に電力を供給するために用いられる。保護線は、短絡事故を検知するために用いられる。配電線は、信号保安機器に給電するために用いられる。区分装置は、架線を電気的又は機械的に区分するために用いられる。本願において、「架線」とは、トロリー線、吊架線、補助吊架線、き電線、保護線、配電線、区分装置等を含むものとする。

レーザー測域センサー１１及び１２は、鉄道車両１０の進行方向と略直交して水平方向に延びる第１の直線（図１におけるＸ軸）上に、第１の距離をおいて配置されている。レーザー測域センサー１１は、鉄道車両１０の進行方向と略直交する平面（図１におけるＸＹ平面）における第１の範囲内の投射角度にレーザー光線を投射して、架線を含む空間を走査する。また、レーザー測域センサー１２は、鉄道車両１０の進行方向と略直交する平面における第２の範囲内の投射角度にレーザー光線を投射して、架線を含む空間を走査する。これにより、レーザー測域センサー１１及び１２の各々は、架線の位置を測定して、架線が存在する方向を表す角度データ、及び、架線までの距離を表す距離データを生成する。

例えば、レーザー測域センサー１１及び１２の各々は、レーザーダイオードを用いてパルス状のレーザー光線を生成し、回転ミラー（ポリゴンミラー等）を介して周囲の空間にレーザー光線を投射することにより、架線を幅方向に走査する。また、レーザー測域センサー１１及び１２の各々は、フォトダイオード等を用いて架線からの反射光を検出する。

レーザー測域センサー１１及び１２の各々から投射されるレーザー光線の投射方向は、角度エンコーダーを用いて、一定の角度ステップで変更される。架線が存在する方向は、反射光が検出された時の角度エンコーダーの出力信号に基づいて求められ、架線が存在する方向を表す角度データが生成される。また、架線までの距離は、パルス状のレーザー光線を投射してから反射光を検出するまでの時間に基づいて求められ、架線までの距離を表す距離データが生成される。

このように、２つのレーザー測域センサー１１及び１２を用いることにより、複数の架線が一方のレーザー測域センサーから見て重なって配設されている場合においても、それらの架線を分離して測定することが可能である。ただし、レーザー測域センサー１１及び１２による測定結果は、一般に、測定距離が１ｍである場合に１０ｍｍ程度の誤差を含んでいる。従って、レーザー測域センサー１１及び１２は、架線の正確な位置を計測することはできず、ラインカメラ１３及び１４を用いて架線の正確な位置を計測する必要がある。

ラインカメラ１３及び１４は、鉄道車両１０の進行方向と略直交して水平方向に延びる第２の直線上に、第２の距離をおいて配置されている。第２の直線は、第１の直線（図１におけるＸ軸）と同一でも良い。ラインカメラ１３及び１４は、架線を含む空間を撮像して、１次元のラインセンサー画像を各々が表す第１の画像データ及び第２の画像データをそれぞれ生成する。

照明装置１５は、鉄道車両１０の進行方向と略直交して水平方向に延びる第３の直線に沿って設置されている。第３の直線は、第２の直線と同一でも良い。照明装置１５は、夜間等において、ラインカメラ１３及び１４が撮像する空間を照明する。夜間、又は、地下区間やトンネル区間において、照明装置１５を用いて架線を照明する場合には、架線が背景よりも明るく照らし出されるので、架線に相当する領域において画像データの輝度値が大きくなる。一方、昼間において、晴天の場合には、架線が背景よりも暗く写し出されるので、架線に相当する領域において画像データの輝度値が小さくなる。従って、画像データの輝度値に基づいて、架線を抽出することが可能である。

ラインカメラ１３及び１４の各々は、第２の直線に沿って配置された複数の画素を有するラインセンサーと、ラインセンサーの前面に取り付けられ、周囲の空間からの光をラインセンサーの複数の画素に集光するレンズとを含んでいる。このレンズは、鉄道車両１０の進行方向と略直交する平面（図１におけるＸＹ平面）内における撮像角度を、ラインセンサーにおける画素の位置に１：１に対応させることができる。従って、ラインセンサーにおける画素の位置から、ラインカメラ１３又は１４における架線の撮像角度を求めることが可能となる。

鉄道車両１０が走行している際に、レーザー測域センサー１１及び１２の各々が、架線の概略位置を表す角度データ及び距離データを順次生成し、処理メモリー２１が、レーザー測域センサー１１及び１２によって順次生成される角度データ及び距離データを蓄積する。

また、鉄道車両１０が走行している際に、ラインカメラ１３及び１４が、架線を含む空間を撮像して第１及び第２の画像データを順次生成し、処理メモリー２１が、ラインカメラ１３及び１４によって順次生成される第１の画像データ及び第２の画像データを蓄積する。第１の画像データを所定のライン数分（例えば、１０００ライン分）結合することによって１枚の２次元画像が生成され、第２の画像データを所定のライン数分（例えば、１０００ライン分）結合することによって１枚の２次元画像が生成される。これにより、２次元の画像を各々が表す第１及び第２の画像データが得られる。

関心領域設定部２２は、レーザー測域センサー１１及び１２の各々によって生成された角度データ及び距離データに基づいて、測定された架線の位置を含む少なくとも１つの関心領域を設定し、ラインカメラ１３及び１４によって生成された第１及び第２の画像データによって表される画像における関心領域の位置情報を算出する。ここで、関心領域の設定は、ラインセンサー画像の各ラインについて行っても良いし、ラインセンサー画像の複数のラインを含む２次元の画像について、画像の連続性を考慮した補正を加えながら行っても良い。

例えば、関心領域設定部２２は、各計測時点においてレーザー測域センサー１１によって生成された角度データ及び距離データに基づいて、ラインカメラ１３から関心領域を見たときのＸＹ平面内における第１の角度範囲を関心領域の位置情報として算出する。また、関心領域設定部２２は、各計測時点においてレーザー測域センサー１２によって生成された角度データ及び距離データに基づいて、ラインカメラ１４から関心領域を見たときのＸＹ平面内における第２の角度範囲を関心領域の位置情報として算出する。

また、関心領域設定部２２は、レーザー測域センサー１１又は１２によって生成された角度データ及び距離データによって表される架線の位置及び太さと、レーザー測域センサー１１又は１２の測定誤差とを考慮して、関心領域を設定しても良い。例えば、レーザー測域センサーから１ｍ離れた位置に半径６ｍｍの架線が測定され、レーザー測域センサーから１ｍ離れた位置における測定誤差が１０ｍｍである場合には、角度データ及び距離データによって表される架線の中心位置から半径１６ｍｍ内の領域が関心領域として設定される。さらに、その値に、余裕係数（例えば、１．２〜１．５）を掛けて関心領域を設定しても良い。

架線方向算出部２３は、レーザー測域センサー１１又は１２によって複数の計測時点において生成された角度データ及び距離データに基づいて、処理メモリー２１に蓄積された第１及び第２の画像データの各々によって表される２次元の画像における架線の長手方向を算出する。

例えば、架線方向算出部２３は、レーザー測域センサー１１によって第１の計測時点において生成された角度データ及び距離データに基づいて、架線の位置Ｐ１１（Ｘ１１、Ｙ１１、Ｚ１）を算出し、レーザー測域センサー１１によって第２の計測時点において生成された角度データ及び距離データに基づいて、位置Ｐ１１から連続している架線の位置Ｐ１２（Ｘ１２、Ｙ１２、Ｚ２）を算出する。さらに、架線方向算出部２３は、位置Ｐ１１と位置Ｐ１２とを通る直線Ｌ１を求め、３次元空間における直線Ｌ１を、第１の画像データによって表される２次元の画像に投影することにより、第１の画像データによって表される２次元の画像における架線の長手方向を算出する。

また、架線方向算出部２３は、レーザー測域センサー１２によって第１の計測時点において生成された角度データ及び距離データに基づいて、架線の位置Ｐ２１（Ｘ２１、Ｙ２１、Ｚ１）を算出し、レーザー測域センサー１２によって第２の計測時点において生成された角度データ及び距離データに基づいて、位置Ｐ２１から連続している架線の位置Ｐ２２（Ｘ２２、Ｙ２２、Ｚ２）を算出する。さらに、架線方向算出部２３は、位置Ｐ２１と位置Ｐ２２とを通る直線Ｌ２を求め、３次元空間における直線Ｌ２を、第２の画像データによって表される２次元の画像に投影することにより、第２の画像データによって表される２次元の画像における架線の長手方向を算出する。

ここで、Ｚ軸は、鉄道車両１０が一定速度で走行する場合に、時間軸に対応している。画像データを処理メモリー２１に取り込む時間間隔は、鉄道車両１０の走行速度に応じて制御しても良い。あるいは、画像データを一定の時間間隔で処理メモリー２１に取り込むと共に、鉄道車両の走行速度を処理メモリー２１に記録しておき、後で時間軸をＺ軸に変換しても良い。

エッジ抽出部２４は、処理メモリー２１に蓄積されて２次元の画像を表す第１及び第２の画像データの各々に対してエッジ検出処理を施し、架線方向算出部２３によって算出された架線の長手方向に基づいて、検出されたエッジの内から所定の条件を満たすエッジを抽出する。

その際に、エッジ抽出部２４は、関心領域設定部２２によって設定された関心領域外の画像をマスキングして、関心領域内の画像を表す画像データに対してエッジ検出処理を施しても良い。例えば、エッジ抽出部２４は、関心領域外の画像を表す画像データの値を「０」に置き換えても良いし、関心領域の画像のみを切り出しても良い。

関心領域設定部２２が、第１及び第２の画像データの各々について複数の関心領域を設定した場合には、エッジ抽出部２４は、それらの関心領域から順次選択された１つの関心領域外の画像をマスキングしても良い。これにより、複数の関心領域に対応する複数の画像を表す第１の画像データ、及び、複数の関心領域に対応する複数の画像を表す第２の画像データが得られる。

例えば、関心領域設定部２２が、関心領域の位置情報として、ラインカメラ１３から関心領域を見たときの第１の角度範囲を算出した場合には、エッジ抽出部２４は、第１の画像データによって表される画像において、ラインカメラ１３から関心領域を見たときの第１の角度範囲外の画像をマスキングする。

同様に、関心領域設定部２２が、関心領域の位置情報として、ラインカメラ１４から関心領域を見たときの第２の角度範囲を算出した場合には、エッジ抽出部２４は、第２の画像データによって表される画像において、ラインカメラ１４から関心領域を見たときの第２の角度範囲外の画像をマスキングする。

エッジ抽出部２４によるエッジ検出処理は、例えば、ゾーベル（Ｓｏｂｅｌ）フィルターを用いたコンボリューション（畳み込み）操作により、エッジの強度と方向を求めることによって行われる。

図２は、ゾーベルフィルターの係数行列（オペレーター）の例を示す図である。ゾーベルフィルターは、空間１次微分を計算して輪郭を検出するために用いられるフィルターである。エッジ抽出部２４は、ある注目画素を中心とした上下左右の９つの画素の値に対して、図２の（Ａ）に示すような水平エッジ検出用の係数行列を乗算し、乗算結果を合計することにより、水平エッジ検出値Ｉｘを得る。また、エッジ抽出部２４は、ある注目画素を中心とした上下左右の９つの画素の値に対して、図２の（Ｂ）に示すような垂直エッジ検出用の係数行列を乗算し、乗算結果を合計することにより、垂直エッジ検出値Ｉｙを得る。

エッジの強度Ｉ及び角度αは、次式を用いて求められる。
Ｉ＝（Ｉｘ^２＋Ｉｙ^２）^１／２
α＝ｔａｎ^−１（Ｉｙ／Ｉｘ）

エッジ抽出部２４は、エッジ検出処理によって検出された複数のエッジの内から、強度Ｉが閾値以上で、角度αが、架線方向算出部２３によって算出された架線の長手方向に対して所定の角度範囲内にあるエッジを抽出する。ここで、所定の角度範囲としては、例えば、単線で構成されるトロリー線の場合に±５°とし、より線で構成される吊架線の場合に±２０°としても良い。

また、エッジ抽出部２４は、処理メモリー２１に蓄積された第１及び第２の画像データの各々によって表される２次元の画像から抽出されたエッジを表すエッジ画像データを生成しても良い。エッジ画像データは、例えば、抽出されたエッジ領域の画素値を「１」で表し、それ以外の領域の画素値を「０」で表す２値化されたデータである。

図３は、架線を表す画像に重畳されたエッジ画像の例を示す模式図である。図３においては、１つのラインカメラによって所定の期間に亘って撮像された２次元の画像からエッジが抽出された状態が示されている。縦軸は、ラインカメラから見た架線の角度θを表しており、横軸は、鉄道車両が一定速度で走行する場合に時間軸に対応するＺ軸である。

図３に示すように、１つのラインカメラによって所定の期間に亘って撮像された２次元の画像には複数の架線が写し出されているが、関心領域において所定の強度及び角度を有するエッジを抽出することにより、計測対象の架線（図３においては、１本の架線）のエッジが白く示されている。

さらに、エッジ抽出部２４は、架線方向算出部２３によって算出された架線の長手方向に沿って複数ライン分（例えば、１０ライン分）のエッジ画像データを平均化することにより、エッジ画像におけるノイズを低減しても良い。これにより、エッジ抽出処理における精度が向上する。

本実施形態によれば、レーザー測域センサー１１及び１２の各々によって複数の計測時点において生成された角度データ及び距離データに基づいて２次元の画像における架線の長手方向を算出し、算出された架線の長手方向に基づいて、２次元の画像において検出されたエッジの内から所定の条件を満たすエッジを抽出することにより、計測対象の架線とそれ以外の架線や背景との分離を適切に行うことができる。

その結果、トロリー線以外の架線についても検測車等による非接触の３次元位置計測を精度良く行うことが可能となり、架線の高度な保全が実現される。また、複数のトロリー線が平行して配設されているオーバーラップ区間や、複数の架線が交差して配設されているわたり区間等においても、２次元の画像から計測対象の各々の架線の位置を高精度で計測することが可能となる。

次に、エッジ抽出部２４は、抽出されたエッジの位置を表すエッジ座標を生成する。実際には、架線がある太さを有しているので、１つの架線について２つのエッジが抽出されるが、架線の座標として、それらのエッジの内の一方の座標を用いても良いし、それらのエッジの平均座標を求めても良い。また、エッジの一部が欠けている場合には、欠けている部分をその前後のエッジの延長線で補ってエッジ座標を生成しても良い。

また、例えば、図３に示すように、図中上側のエッジの明暗の向きと図中下側のエッジの明暗の向きとは逆向きであるので、そのことを利用して画像中の架線の太さを検出し、検出された架線の太さを想定される実際の架線の太さと比較することにより、所望のエッジのみを検出し、エッジ抽出精度の向上を図っても良い。

架線の座標は、例えば、各々のＺ座標について、ラインカメラ１３から見た架線の角度θ_１、及び、ラインカメラ１４から見た架線の角度θ_２を含んでいる。エッジ抽出部２４は、架線の座標を架線位置算出部２５に出力する。架線位置算出部２５は、第１及び第２の画像データによって表される２つの画像からエッジ抽出部２４によって抽出された架線の座標に基づいて、鉄道車両１０に対する架線の２次元位置を算出する。

図４は、架線の位置を算出する原理を説明するための図である。図４には、ＸＹ平面において、ラインカメラ１３及び１４と、架線の位置Ｐ（ｘ，ｙ）とが示されている。架線位置算出部２５は、ラインカメラ１３から見た架線の角度θ_１、及び、ラインカメラ１４から見た架線の角度θ_２に基づいて、鉄道車両１０に対する架線の位置Ｐ（ｘ，ｙ）を求める。

図４に示すように、ラインカメラ１３とラインカメラ１４との間の距離をｄ（既知）とし、ラインカメラ１３と架線との間の距離をｒ_１、ラインカメラ１４と架線との間の距離をｒ_２とすると、次式が成立する。
ｒ_１ｓｉｎθ_１＋ｒ_２ｓｉｎθ_２＝ｄ
ｒ_１ｃｏｓθ_１＝ｒ_２ｃｏｓθ_２
これらの式より、距離ｒ_１を求めることができる。
ｒ_１＝ｄ／｛ｓｉｎθ_１＋（ｃｏｓθ_１／ｃｏｓθ_２）ｓｉｎθ_２｝
従って、ｘ及びｙは、以下のようにして算出される。
ｘ＝ｒ_１ｓｉｎθ_１＋ｘ_０
ｙ＝ｒ_１ｃｏｓθ_１＋ｙ_０

さらに、図１に示す架線位置算出部２５は、軌道（レール）と鉄道車両１０の基準位置（例えば、ＸＹ座標の原点）との位置関係に基づいて、軌道に対する架線の２次元位置を算出する。以上のような計算を、複数のＺ座標について順次行うことにより、軌道の位置を基準として、軌道に沿って延在する架線の３次元位置が算出される。本実施形態においては、２つのレーザー測域センサー１１及び１２を用いることにより、架線の位置を算出する際の計算精度を向上させることができる。

変位センサー１６は、鉄道車両１０のローリングや上下動等による変位を観測して、鉄道車両１０の変位を表す変位データを出力する。架線位置算出部２５は、変位センサー１６から出力される変位データに基づいて、架線の位置の座標を補正しても良い。変位センサーの替りに加速度センサーを用いる場合には、架線位置算出部２５は、加速度センサーから出力される加速度データに基づいて変位を求め、架線の位置の座標を補正しても良い。また、架線位置算出部２５は、算出された架線の位置の座標を表す架線位置データを格納部２６に格納したり、算出された架線の位置を表すグラフを作成して表示部２７に表示させても良い。

次に、本実施形態に係る架線位置計測装置において用いられる架線位置計測方法について、図１及び図５を参照しながら説明する。図５は、本発明の一実施形態に係る架線位置計測方法を示すフローチャートである。なお、互いに独立な処理については、それらを並列に行っても良い。

図５に示すステップＳ１において、レーザー測域センサー１１及び１２の各々が、架線の位置を測定することによって、架線が存在する方向を表す角度データ、及び、架線までの距離を表す距離データを生成する。

ステップＳ２において、ラインカメラ１３及び１４が、架線を含む空間を撮像して、１次元のラインセンサー画像を各々が表す第１の画像データ及び第２の画像データをそれぞれ生成する。１回の撮像により、ラインカメラ１３及び１４の各々によって、１ライン分のラインセンサー画像が生成される。

ステップＳ３において、レーザー測域センサー１１及び１２の各々によって順次生成される角度データ及び距離データ、及び、ラインカメラ１３及び１４によって順次生成される第１及び第２の画像データが、処理メモリー２１に蓄積される。

ステップＳ４において、架線方向算出部２３が、複数の計測時点において生成された角度データ及び距離データに基づいて、処理メモリー２１に蓄積された第１及び第２の画像データの各々を所定のライン数分（例えば、１０００ライン分）結合することによって表される２次元の画像における架線の長手方向を算出する。

ステップＳ５において、エッジ抽出部２４が、処理メモリー２１に蓄積された第１及び第２の画像データの各々に対してエッジ検出処理を施し、ステップＳ４において算出された架線の長手方向に基づいて、検出されたエッジの内から所定の条件を満たすエッジを抽出する。

ステップＳ６において、架線位置算出部２５が、第１及び第２の画像データによって表される２つの画像からステップＳ５において抽出されたエッジの座標に基づいて、鉄道車両１０に対する架線の３次元位置を算出する。このようにして、所定数のライン分の画像データから架線の３次元位置が算出されると、次の所定数のライン分の画像データの処理が行われる。

以上の実施形態においては、２つのレーザー測域センサーと２つのラインカメラとを用いる場合について説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、３つ以上のレーザー測域センサー又は３つ以上のラインカメラを用いても良い。また、レーザー測域センサーに限らず、ＴＯＦ（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）カメラ等の３次元計測が可能な装置を用いても良いし（本願においては、レーザー測域センサーやＴＯＦカメラ等を総称して「３次元計測装置」という）、ラインカメラの替りにエリアカメラ等を用いても良い。このように、当該技術分野において通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。

本発明は、架線の３次元位置を計測する架線位置計測装置において利用することが可能である。

１０…鉄道車両、１１、１２…レーザー測域センサー、１３、１４…ラインカメラ、１５…照明装置、１６…変位センサー、２１…処理メモリー、２２…関心領域設定部、２３…架線方向算出部、２４…エッジ抽出部、２５…架線位置算出部、２６…格納部、２７…表示部

Claims (7)

1. 鉄道車両の進行方向と略直交して水平方向に延びる第１の直線上に第１の距離をおいて設置され、架線の位置を測定して角度データ及び距離データを生成する第１の３次元計測装置及び第２の３次元計測装置と、
   前記鉄道車両の進行方向と略直交して水平方向に延びる第２の直線上に第２の距離をおいて設置され、架線を含む空間を撮像して１次元の画像を表す第１の画像データ及び第２の画像データをそれぞれ生成する第１のカメラ及び第２のカメラと、
   前記第１及び第２の３次元計測装置の各々によって順次生成される角度データ及び距離データ、及び、前記第１及び第２のカメラによって順次生成される第１及び第２の画像データを蓄積する格納手段と、
   複数の計測時点において生成された角度データ及び距離データに基づいて、前記格納手段に蓄積された第１及び第２の画像データの各々によって表される２次元の画像における架線の長手方向を算出する架線方向算出部と、
   前記格納手段に蓄積された第１及び第２の画像データの各々に対してエッジ検出処理を施し、前記架線方向算出部によって算出された架線の長手方向に基づいて、検出されたエッジの内から所定の条件を満たすエッジを抽出するエッジ抽出部と、
   第１及び第２の画像データによって表される２つの画像から前記エッジ抽出部によって抽出されたエッジの座標に基づいて、前記鉄道車両に対する架線の位置を算出する架線位置算出部と、
   を具備する架線位置計測装置。
2. 前記エッジ抽出部が、強度が閾値以上で、前記架線方向算出部によって算出された架線の長手方向に対して所定の角度範囲内のエッジを抽出する、請求項１記載の架線位置計測装置。
3. 前記エッジ抽出部が、前記格納手段に蓄積された第１及び第２の画像データの各々によって表される２次元の画像から抽出されたエッジを表すエッジ画像データを生成し、前記架線方向算出部によって算出された架線の長手方向に沿って複数ライン分のエッジ画像データを平均化することにより、エッジ画像におけるノイズを低減して、ノイズが低減されたエッジ画像からエッジ座標を生成する、請求項１又は２記載の架線位置計測装置。
4. 前記第１及び第２の３次元計測装置の各々によって生成される角度データ及び距離データに基づいて、測定された架線の位置を含む関心領域を設定する関心領域設定部をさらに具備し、
   前記エッジ抽出部が、前記格納手段に蓄積された第１及び第２の画像データの各々に対して、前記関心領域設定部によって設定された関心領域内の画像におけるエッジを検出するエッジ検出処理を施す、
   請求項１〜３のいずれか１項記載の架線位置計測装置。
5. 前記第１及び第２のカメラの各々が、前記第２の直線上に配置された複数の画素を有するラインセンサーと、前記ラインセンサーの前面に取り付けられ、周囲の空間からの光を前記ラインセンサーの複数の画素に集光するレンズとを含み、前記レンズが、前記鉄道車両の進行方向と略直交する平面内における撮像角度を前記ラインセンサーにおける画素の位置に対応させる、請求項１〜４のいずれか１項記載の架線位置計測装置。
6. 前記第２の直線が前記第１の直線と同一である、請求項１〜５のいずれか１項記載の架線位置計測装置。
7. 鉄道車両の進行方向と略直交して水平方向に延びる第１の直線上に第１の距離をおいて設置され、架線の位置を測定して角度データ及び距離データを生成する第１の３次元計測装置及び第２の３次元計測装置と、前記鉄道車両の進行方向と略直交して水平方向に延びる第２の直線上に第２の距離をおいて設置され、架線を含む空間を撮像して１次元の画像を表す第１の画像データ及び第２の画像データをそれぞれ生成する第１のカメラ及び第２のカメラとを含む架線位置計測装置において用いられる架線位置計測方法であって、
   前記第１及び第２の３次元計測装置の各々によって順次生成される角度データ及び距離データ、及び、前記第１及び第２のカメラによって順次生成される第１及び第２の画像データを格納手段に蓄積するステップ（ａ）と、
   複数の計測時点において生成された角度データ及び距離データに基づいて、前記格納手段に蓄積された第１及び第２の画像データの各々によって表される２次元の画像における架線の長手方向を算出するステップ（ｂ）と、
   前記格納手段に蓄積された第１及び第２の画像データの各々に対してエッジ検出処理を施し、ステップ（ｂ）において算出された架線の長手方向に基づいて、検出されたエッジの内から所定の条件を満たすエッジを抽出するステップ（ｃ）と、
   第１及び第２の画像データによって表される２つの画像からステップ（ｃ）において抽出されたエッジの座標に基づいて、前記鉄道車両に対する架線の位置を算出するステップ（ｄ）と、
   を具備する架線位置計測方法。