WO2013099612A1 - 鉄道レールの変位検出装置 - Google Patents

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WO2013099612A1
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displacement
detection device
displacement detection
line
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忠雄 島田
雅幸 三津江
榎本　雅幸
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川崎重工業株式会社
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    • B61—RAILWAYS
    • B61K—AUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61K9/00—Railway vehicle profile gauges; Detecting or indicating overheating of components; Apparatus on locomotives or cars to indicate bad track sections; General design of track recording vehicles
    • B61K9/08—Measuring installations for surveying permanent way
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • G—PHYSICS
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
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    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/30—Subject of image; Context of image processing
    • G06T2207/30236—Traffic on road, railway or crossing

Definitions

  • the present invention relates to a device for detecting the displacement of a rail in order to calculate the deviation of the rail of the railway.
  • Railway tracks may be deformed vertically or horizontally depending on the train load. It is necessary to maintain the safety of the train and the comfortable riding comfort by reliably detecting this deformation (deformation) and maintaining the track so as to keep it within a predetermined standard.
  • the rails of the rail are distorted in the left-right direction (street alignment; alignment irregularity), up-and-down madness (high and low madness; longitudinal level irregularity), left-right rail spacing error (gauge irregularity), There is a level difference (level deviation: cross level irregularity), and a twist of the line (planarity deviation: twist irregularity).
  • a device is used that detects the displacement of the rail by irradiating the rail with spot-type light in a state where the rail is mounted on a vehicle traveling on the rail ( For example, Patent Document 1).
  • spot-type light is emitted from two displacement detectors 202 and 203 to one rail 201 and reflected on mirrors 204 and 205.
  • the upper surface and the inner side surface of the rail 201 are respectively irradiated.
  • the displacement of the rail 201 is detected using the triangulation method based on the light irradiated on the upper surface and the inner side surface of the rail 201.
  • the displacement detectors 202 and 203 are fixed one by one on the left and right.
  • the inclination angle can be adjusted in order to measure the same position on the surface of the rail 201.
  • a device for controlling the mirrors 204 and 205 is called a servo mechanism (not shown).
  • the angle of the mirror 205 on the left and right displacement detector 203 side is adjusted by the position data of the rail 201 obtained from the vertical displacement detector 202, and the mirror on the vertical displacement detector 202 side is adjusted.
  • the angle 204 is adjusted by the position data of the rail 201 obtained from the left / right displacement detector 203.
  • the displacement detectors 202 and 203, the mirrors 204 and 205, and the servo mechanism are collectively called a measurement unit 211.
  • a self-position detection unit 207 is mounted at the center of the housing 206.
  • the self-position detecting unit 207 includes two accelerometers 208 and 209 for measuring vertical and horizontal accelerations, and is set in advance by performing second-order integration of accelerations obtained from the accelerometers 208 and 209. The displacement of the housing 206 and the self-position detection unit 207 with respect to the reference position is calculated.
  • the self-position detection unit 207 further includes a housing 206 and a gyroscope 212 that measures the horizontal tilt of the self-position detection unit 207 with respect to a preset reference posture.
  • the displacement data of the rail 201 obtained by the displacement detectors 202 and 203 is corrected using the displacement and inclination data of the housing 206 and the self-position detection unit 207 calculated by the self-position detection unit 207, and an accurate value is calculated. Like to do.
  • the displacement detection device 210 described in Patent Document 1 has mirrors 204 and 205 that are movable parts, periodic maintenance is required. Further, since the displacement detection device 210 is a vehicle body mount, the displacement amount of the measurement unit 211 with respect to the rail 201 is large, and the servo mechanism cannot follow and a measurement error is likely to occur. For these reasons, stable reliability cannot be obtained.
  • an object of the present invention is to provide a rail displacement detection device that is excellent in maintainability and is less prone to measurement errors.
  • the present invention is configured as follows.
  • the apparatus detects a displacement of a rail with respect to a preset reference position, and is relative to the preset reference position and reference posture.
  • a self-position detecting unit that detects a position and orientation; an irradiating unit that irradiates slit-shaped light on the upper and side surfaces of the rail; an imaging camera that images the surface of the rail irradiated with slit light from the irradiating unit; and an imaging camera
  • the displacement of the rail relative to the preset reference position at the rail upper surface reference point and the side surface reference point is calculated from the image data of the surface of the rail imaged by using the optical cutting method, and the calculated rail displacement is obtained by the self-position detection unit.
  • the rail displacement is detected by applying a light cutting method using slit light to the rail. Therefore, the reliability and maintainability of the apparatus can be improved.
  • Sectional drawing of the displacement detection apparatus concerning Embodiment 1 of this invention Sectional drawing which shows the irradiation of the light by an irradiation part, and the head of a rail concerning Embodiment 1 of this invention
  • the flowchart of the displacement detection method concerning Embodiment 1 of this invention Sectional drawing of the rail head concerning Embodiment 1 of this invention
  • Sectional drawing of the displacement detection apparatus concerning Embodiment 2 of this invention Sectional drawing of the rail concerning Embodiment 3 of this invention
  • the flowchart of the wear calculation method concerning Embodiment 3 of the present invention Sectional drawing of the rail head concerning Embodiment 3 of this invention.
  • Sectional drawing of the rail head concerning Embodiment 3 of this invention Sectional view of a displacement detector according to a conventional example
  • a first aspect of the present invention is an apparatus for detecting a displacement of a rail with respect to a preset reference position in order to calculate a deviation of the left and right rails in a railway, and the relative of the apparatus with respect to a preset reference position and reference attitude
  • a self-position detecting unit that detects a general position and posture, an irradiation unit that irradiates slit-shaped light on the upper surface and side surface of the rail, an imaging camera that images the surface of the rail irradiated with slit light from the irradiation unit,
  • the displacement of the rail relative to the preset reference position at the upper surface reference point and the side surface reference point of the rail is calculated from the image data of the surface of the rail imaged by the imaging camera by the light cutting method, and the calculated displacement of the rail is a self-position detecting unit.
  • the control device determines a rail contour line based on the detected cross-sectional shape of the rail, and calculates a top surface line and a side surface line of the rail from a plurality of points on the determined rail contour line.
  • the intersection of the calculated upper surface line and the side surface line is obtained, and the points on the upper surface line and the side surface line that are at a predetermined distance from the obtained intersection point are set as the upper surface reference point and the side surface reference point, respectively, so that the predetermined reference position of the rail is set.
  • the irradiation unit and the imaging camera are arranged on the inner side of the rail in the left-right direction, and the side surface of the rail imaged by the imaging camera is irradiated while the slit-shaped light is irradiated by the irradiation unit.
  • the displacement detection device according to the first aspect or the second aspect which is a side surface.
  • rail wear is detected by using data relating to the actual cross-sectional shape of the rail detected by the control unit and data relating to the cross-sectional shape of the original rail input in advance to the control unit.
  • the displacement detection device according to any one of the first to third aspects.
  • the irradiation unit and the imaging camera are arranged outside the rail in the left-right direction, and the side surface of the rail imaged by the imaging camera is irradiated with the slit-shaped light irradiated by the irradiation unit.
  • the displacement detection device according to the first aspect or the second aspect, which is a side surface.
  • FIG. 1 shows a configuration diagram of a rail displacement detection apparatus 1 according to a first embodiment of the present invention viewed in cross section.
  • the displacement detection device 1 is a device that detects the displacement of the rail 2 while being mounted on a vehicle (not shown) traveling on the rail 2.
  • the outer frame of the displacement detection device 1 is constituted by a housing 3 that is a rigid body, and the housing 3 is fixed to the vehicle. By fixing the constituent members of the displacement detection device 1 to be described later at various locations on the housing 3, the displacement detection device 1 as a whole moves integrally as the vehicle travels.
  • the housing 3 is used as the outer frame of the displacement detection device 1, but a structure such as a frame can be employed in addition to the housing 3. In other words, any rigid body that does not change the positional relationship of the measuring instrument included in the displacement detection device 1 may be used.
  • the displacement detection device 1 includes a measurement unit 4 for detecting the position of the rail 2.
  • the measurement unit 4 includes an irradiation unit 5 that irradiates slit-shaped light on the upper surface and inner side surface of the head of the rail 2, and an imaging camera 6 that images the surface of the rail 2.
  • the displacement detection apparatus 1 includes two measurement units 4, and the irradiation unit 5 and the imaging camera 6 are fixed to the left side and the right side of the housing 3, respectively. Further, in order to irradiate the slit light and take an image on the upper surface and the inner side surface of the rail 2, the irradiating unit 5 and the imaging camera 6 are inclined so as to face the outside in the left-right direction.
  • a pair of measurement units 4 is provided on the left and right, but one measurement unit 4 may be provided on either the left or right side to detect a displacement related to one rail.
  • the left-right direction is a left-right direction with respect to the traveling direction of the vehicle (a direction perpendicular to the traveling direction of the vehicle and parallel to the ground).
  • the displacement detection device 1 further includes a self-position detection unit 10 for detecting displacement of the displacement detection device 1 and the housing 3 as the vehicle travels, and a control unit 11 that transmits a signal or the like in the displacement detection device 1.
  • the self-position detection unit 10 includes a vertical accelerometer 7 that measures the vertical acceleration of the displacement detection device 1 and the housing 3, and a left-right accelerometer 8 that measures the horizontal acceleration of the displacement detection device 1 and the housing 3.
  • the displacement detection device 1 and the gyroscope 9 that measures the horizontal tilt of the housing 3 are provided.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing irradiation of slit light by the irradiation unit 5 to the right rail 2 and the head of the rail 2 at that time.
  • the horizontal direction and the vertical direction in FIG. 2 are set as an X axis and a Y axis, respectively.
  • step S1 in the flowchart of FIG. 3 slit light is irradiated to the upper surface and the inner side surface of the heads of the left and right rails 2 from the irradiation unit 5 provided in each measurement unit 4 of the displacement detection device 1.
  • step S2 images of slit light irradiated portions on the upper surface and the inner side surface of the rail 2 are captured by the respective imaging cameras 6 (step S2).
  • the captured image data is input to the control unit 11.
  • the control unit 11 performs a process of specifying the contour lines of the left and right rails 2 on the input image data using a light cutting method (step S3). Specifically, the reflected light of the slit light irradiated on the surface of the rail 2 is observed with the imaging camera 6 to obtain the shape of the surface of the rail 2 by triangulation. Based on the information, the contour lines of the upper surface and the inner side surface of the heads of the left and right rails 2 are specified as two-dimensional coordinate data. The identified data is stored in a storage device such as a memory in the control unit 11, and is read from the storage device and used in the subsequent processing.
  • a storage device such as a memory in the control unit 11
  • Coordinate data is extracted (set) (step S4).
  • the extraction of the measurement points P1 to Pn is preferably performed so that the measurement points are arranged almost evenly on the contour line.
  • the upper surface line and the side surface line obtained from the contour line of the rail 2 are calculated using these measurement points P1 to Pn. Specifically, one measurement point (for example, P1) that is clearly located on the upper surface of the contour line of the rail 2 is selected, and a predetermined coordinate with respect to the Y coordinate of the selected measurement point (P1) is selected. A group of measurement points within a range (for example, ⁇ d1) is extracted (step S5).
  • the least square method is applied to the coordinate data of the measurement points in the extracted group to calculate a straight line (step S6).
  • the straight line thus calculated becomes the rail upper surface line 12.
  • the rail upper surface line 12 is represented as the following formula 1.
  • steps S5 and S6 are performed on the side surface, and the side surface line of the rail 2 is calculated.
  • one measurement point for example, Pn
  • a predetermined measurement point is selected with respect to the X coordinate of the selected measurement point (Pn).
  • a group of measurement points within a range for example, ⁇ d2
  • the least square method is applied to the coordinate data of the measurement points in the extracted group to calculate a straight line (step S6).
  • the straight line thus calculated becomes the rail side surface line 13.
  • the rail side surface line 13 is represented as the following formula 2.
  • step S7 the coordinate data of the calculated intersection R (Xr, Yr) of the rail upper surface line 12 and the rail side surface line 13 is extracted.
  • a reference point that is a position for measuring the displacement of the rail 2 on the rail upper surface line 12 and the rail side surface line 13 is calculated. Specifically, a point on the rail upper surface line 12 that is a distance Lx away from the intersection R in the X direction is set as the upper surface reference point Sx (step S8).
  • the reference position is an arbitrary point set in advance as a reference for measuring the displacement of the rail 2. For example, a point on the contour line of the original rail 2 that is not displaced or worn is set as the reference position. You may do it.
  • steps S8 and S9 are performed for the side surface. Specifically, a point on the rail side surface line 13 that is separated from the intersection point R in the Y direction by the distance Ly is set as the side surface reference point Sy (step S8). Thereafter, based on the two-dimensional coordinate data of the contour line stored in the control unit 11, the X-direction displacement of the rail 2 at the side surface reference point Sy with respect to a preset reference position is calculated (step S9).
  • the displacement data of the rail 2 calculated in the above step S9 includes an error associated with changes in the positions and postures of the displacement detection device 1 and the housing 3 due to traveling of the vehicle.
  • correction by the self-position detection unit 10 is performed. Specifically, first, the vertical acceleration of the displacement detection device 1 and the housing 3 is measured by the vertical accelerometer 7 provided in the self-position detection unit 10, and the displacement detection device is measured by the left-right accelerometer 8 provided in the self-position detection unit 10. 1 and the lateral acceleration of the housing 3 are measured. Data on displacement of the displacement detection device 1 and the housing 3 with respect to a preset reference position is calculated by second-order integration of these two-direction accelerations in the control unit 11. Further, the gyroscope 9 is used to calculate data relating to the horizontal inclination of the displacement detection device 1 and the housing 3 with respect to a preset reference posture.
  • the control unit 11 Based on the displacement data and the lateral inclination data calculated in this way, the control unit 11 obtains the data obtained in step S9 (the Y-direction displacement of the rail 2 at the upper surface reference point Sx with respect to the preset reference position, and (X-direction displacement of the rail 2 at the side reference point Sy with respect to the set reference position) is corrected. As a result, an error due to a positional deviation of the displacement detection device 1 itself with respect to a preset reference position and reference posture is eliminated (step S10).
  • step S11 the data obtained in step S10 is output from the control unit 11 to another device (step S11).
  • Another device is a device that calculates the deviation of the rail 2, and evaluates the deviation of the rail 2 using, for example, the 10 m string Masaya method based on the data obtained in step S10.
  • Rail 2 misalignment includes left / right misalignment (street misalignment), vertical misalignment (high / low misalignment), left / right rail spacing misalignment (railway misalignment), left / right rail height difference (level misalignment), and track twisting. (Flatness madness).
  • the execution of step S11 ends the flow shown in FIG.
  • the number of measurement points is n (n is a natural number), but the number of measurement points can be set to an arbitrary number. If n is increased, highly accurate data can be acquired. On the other hand, if n is reduced, the processing load on the control unit 11 is reduced. Therefore, n may be set in consideration of desired measurement accuracy and processing speed.
  • the displacement detection device 1 of the present invention it is possible to accurately detect the data relating to the displacement of the rail 2 for calculating the deviation of the rail 2.
  • the error due to the displacement of the displacement detection device 1 is corrected using the self-position detection unit 10
  • data relating to the displacement of the rail 2 can be detected with higher accuracy.
  • the burden on maintenance is reduced.
  • there is no servo mechanism measurement errors are unlikely to occur. Therefore, it is possible to acquire a measurement value having stable reliability.
  • the contour line of the rail 2 can be detected as a continuous point, not a simple point.
  • the displacement at the same position of the rail 2 can be continuously measured.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of the displacement detection apparatus 101 according to the second embodiment of the present invention as seen in cross section.
  • the slit light is applied to the upper surface and the inner side surface of the rail 2
  • the upper surface and the outer side surface of the rail 2 are irradiated with the slit light. Therefore, as shown in FIG. 5, the measurement unit 104 is fixed to the outside of the rail 2 in the housing 3, and the irradiation unit 105 and the imaging camera 106 are arranged so as to face inward from above.
  • the second embodiment is different from the first embodiment only in that the measurement unit 104 fixed outside the rail 2 irradiates slit light on the upper surface and the outer side surface of the rail 2.
  • the configuration and measurement method are the same as those in the first embodiment.
  • the outer side surface of the rail 2 has little contact with the wheel, so it hardly wears. Therefore, according to the second embodiment, the displacement of the rail 2 can be detected with little influence of wear, and a more accurate measurement value can be calculated.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the right rail 2.
  • Rail 2 is a solid line.
  • the wear amount of the rail 2 is calculated separately from the vertical displacement and the horizontal displacement of the rail 2 using the displacement detection device 1 of the first embodiment. From here, the procedure for calculating the amount of wear of the rail 2 will be described with reference to the flowchart of FIG.
  • Step S4 the procedure from step S1 to S4 is the same as that in the first embodiment, and n measurement points P1 to Pn are extracted from the rail outline.
  • Step S4 the error due to the displacement of the displacement detection device 1 itself, which was performed as step S10 in the first embodiment, is corrected. Specifically, based on the displacement data of the displacement detection device 1 and the housing 3 obtained by the self-position detection unit 10 and the horizontal inclination data, the control unit 11 obtains the measurement point data obtained in step S4. Is corrected, the error due to the displacement of the displacement detection device 1 with respect to the preset reference position and reference posture is eliminated (step S12).
  • step S13 the rail upper surface line 12 and the rail side surface line 13 are calculated (step S14).
  • step S14 a straight line X1 obtained by offsetting the rail upper surface line 12 by a distance Dy in the Y direction and a straight line Y1 obtained by offsetting the rail side line 13 by a distance Dx in the X direction are obtained, and an intersection of the straight lines X1 and Y1 is calculated as a reference point O.
  • Dx and Dy are determined so that the straight line X1 passes near the lower end of the side surface of the rail 2 and the straight line Y1 passes near the center of the upper surface of the rail 2.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view focusing on the head of the right rail 2.
  • the measurement point Pm (angle ⁇ m) and the measurement satisfying the following equation 3 with respect to the angle ⁇ : A point Pm + 1 (angle ⁇ m + 1) is extracted (step S16).
  • an intersection point t between the straight line connecting the measurement points Pm and Pm + 1 extracted in step S16 and the straight line having an angle ⁇ extending from the reference point O is calculated (step S17). Further, an intersection t0 between the contour line (design data) of the rail that has not been worn and stored in the control unit 11 in advance and the straight line with the angle ⁇ extending from the reference point O is calculated (step S18). The intersection point t0 can also be obtained in advance before measuring the amount of wear of the rail 2.
  • the wear amount Z to be obtained is calculated by the following equation 4 (step S19).
  • step S19 is output from the control unit 11 to another device (step S20).
  • the wear amount of the rail 2 can be calculated as well as the vertical displacement and the lateral displacement of the rail 2.
  • step S13 of the above embodiment when the rail 2 is worn, as to which point is adopted as the measurement point when measuring the displacement of the rail 2, d2 in step S13 of the above embodiment is used. Since the side surface line 23 that does not include the wear portion is obtained by taking it sufficiently small, the measurement point Sy1 that is not affected by wear can be obtained by taking the measurement point Sy1 on the side surface line 23. That is, it is not necessary to obtain the measurement point Sy2 that is affected by wear, but by directly obtaining the measurement point Sy1, the displacement measurement of the rail 2 that reduces the influence of wear can be performed.
  • this invention is not limited to the said embodiment, It can implement in another various aspect.
  • the correction of the error due to the displacement of the displacement detection device 1 itself can be performed in any step that can be corrected mathematically.
  • the displacement detection device can be applied to a device that prepares rail displacement data for calculating a rail rail deviation.
  • the present invention can be applied to a device that detects the displacement of the rail by applying a light cutting method using slit light to the rail.

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Abstract

　変位検出装置は、予め設定した基準位置および基準姿勢に対する装置の相対的な位置および姿勢を検出する自己位置検出部を備え、撮像したレールの表面の画像データから光切断法により、レールの上面基準点および側面基準点におけるレールの予め設定した基準位置に対する変位を算出し、算出したレールの変位を自己位置検出部で得られたデータを用いて補正することにより、車両の走行に伴って生じる装置の位置および姿勢のずれによる誤差を修正し、メンテナンス性に優れ、測定エラーが起きにくくすることができる。

Description

鉄道レールの変位検出装置
　本発明は、鉄道のレールの狂いを算出するために、レールの変位を検出する装置に関する。
　鉄道軌道は、列車の荷重によって鉛直方向あるいは水平方向に変形することがある。この変形（狂い）を確実に検出して、所定の規格内に抑制すべく軌道を保守することにより、列車の安全性や、快適な乗り心地を維持することが必要とされている。
　鉄道のレールの狂いには、左右方向の狂い（通り狂い；alignment irregularity）、上下方向の狂い（高低狂い；longitudinal level irregularity）、左右レールの間隔の狂い（軌間狂い；gauge irregularity）、左右レールの高低差（水準狂い；cross level irregularity）、および線路のねじれ（平面性狂い；twist irregularity）がある。このようなレールの狂いを算出するために、レールを走行する車両に搭載された状態にてレールに対してスポット型の光を照射することによりレールの変位を検出する装置が用いられている（例えば、特許文献１）。
　図１０に示される特許文献１の変位検出装置２１０によれば、片方のレール２０１に対して２台の変位検出器２０２、２０３からスポット型の光を照射し、ミラー２０４、２０５に反射させた状態にてレール２０１の上面および内側側面にそれぞれ照射する。レール２０１の上面および内側側面に照射された光をもとに、三角測量法を用いてレール２０１の変位を検出している。
　ここで、変位検出装置２１０の筐体２０６において、変位検出器２０２、２０３は左右に１つずつ固定されている。一方で、光を反射させるミラー２０４、２０５については、レール２０１の表面の同じ位置を測定するために、傾斜角度が調節可能とされている。計測時においてミラー２０４、２０５の傾斜角度を適宜制御することにより、レール２０１の表面の同じ点を光が照射し続けるようにしている。このようなミラー２０４、２０５の制御を行う装置をサーボ機構（図示せず）と呼ぶ。サーボ機構によるミラー２０４、２０５の動作制御において、左右変位検出器２０３側のミラー２０５の角度は、上下変位検出器２０２から得られるレール２０１の位置データにより調節され、上下変位検出器２０２側のミラー２０４の角度は、左右変位検出器２０３から得られるレール２０１の位置データにより調節される。変位検出器２０２、２０３、ミラー２０４、２０５、およびサーボ機構をあわせて、計測ユニット２１１と呼ぶ。
　また、変位検出装置２１０は筐体２０６を介して車両に固定されているが、車両と車輪の間にばねが介在しているため、車両の走行に伴って、レール２０１に対して筐体２０６および変位検出装置２１０に位置ずれが発生し、計測値に誤差が生じる場合がある。このような誤差を回避するため、筐体２０６の中央部に自己位置検出部２０７が搭載される。自己位置検出部２０７は、上下および左右方向の加速度を計測するための２台の加速度計２０８、２０９を備え、加速度計２０８、２０９から得られた加速度を２階積分することにより、予め設定された基準位置に対する筐体２０６および自己位置検出部２０７の変位を算出している。自己位置検出部２０７はさらに、予め設定された基準姿勢に対する筐体２０６および自己位置検出部２０７の左右傾きを計測するジャイロスコープ２１２を備える。自己位置検出部２０７が算出した筐体２０６および自己位置検出部２０７の変位および傾きデータを用いて、変位検出器２０２、２０３により得られたレール２０１の変位データを補正し、正確な値を算出するようにしている。
特開２００１－６３５７０号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の変位検出装置２１０は、可動部であるミラー２０４、２０５を有するため、定期的なメンテナンスが必要となる。また、変位検出装置２１０は車体装架であるため、レール２０１に対する計測ユニット２１１の変位量が大きく、サーボ機構が追従できずに測定エラーが起きやすい。このようなことが原因で、安定した信頼性を得ることができない。
　従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、メンテナンス性に優れた測定エラーの起きにくいレールの変位検出装置を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
　本発明によれば、鉄道における左右のレールの狂いを算出するために、レールの予め設定した基準位置に対する変位を検出する装置であって、予め設定した基準位置および基準姿勢に対する装置の相対的な位置および姿勢を検出する自己位置検出部と、レールの上面および側面にスリット状の光を照射する照射部と、照射部よりスリット光の照射されたレールの表面を撮像する撮像カメラと、撮像カメラにより撮像したレールの表面の画像データから光切断法により、レールの上面基準点および側面基準点におけるレールの予め設定した基準位置に対する変位を算出し、算出したレールの変位を自己位置検出部で得られたデータを用いて補正することにより、車両の走行に伴って生じる装置の位置および姿勢のずれによる誤差を修正する制御部とを備える、変位検出装置を提供する。
　本発明によれば、レールに対してスリット光を用いた光切断法を適用することにより、レールの変位を検出する。したがって、装置の信頼性およびメンテナンス性を向上させることができる。
　本発明のこれらの態様と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。
本発明の実施の形態１にかかる、変位検出装置の断面図 本発明の実施の形態１にかかる、照射部による光の照射およびレールの頭部を示す断面図 本発明の実施の形態１にかかる、変位検出方法のフローチャート 本発明の実施の形態１にかかる、レール頭部の断面図 本発明の実施の形態２にかかる、変位検出装置の断面図 本発明の実施の形態３にかかる、レールの断面図 本発明の実施の形態３にかかる、磨耗算出方法のフローチャート 本発明の実施の形態３にかかる、レール頭部の断面図 本発明の実施の形態３にかかる、レール頭部の断面図 従来例にかかる、変位検出装置の断面図
　本発明の第１態様は、鉄道における左右のレールの狂いを算出するために、レールの予め設定した基準位置に対する変位を検出する装置であって、予め設定した基準位置および基準姿勢に対する装置の相対的な位置および姿勢を検出する自己位置検出部と、レールの上面および側面にスリット状の光を照射する照射部と、照射部よりスリット光の照射されたレールの表面を撮像する撮像カメラと、撮像カメラにより撮像したレールの表面の画像データから光切断法により、レールの上面基準点および側面基準点におけるレールの予め設定した基準位置に対する変位を算出し、算出したレールの変位を自己位置検出部で得られたデータを用いて補正することにより、車両の走行に伴って生じる装置の位置および姿勢のずれによる誤差を修正する制御部とを備える、変位検出装置である。
　本発明の第２態様は、制御装置は、検出したレールの断面形状をもとにレールの輪郭線を定め、定めたレールの輪郭線上の複数の点からレールの上面線および側面線を算出し、算出した上面線および側面線の交点を求め、求めた交点から所定距離にある上面線上および側面線上の点をそれぞれ上面基準点および側面基準点として設定することにより、レールの予め設定した基準位置に対する変位を算出する、第１態様に記載の変位検出装置である。
　本発明の第３態様は、照射部および撮像カメラは左右方向においてレールよりも内側に配置されており、照射部によってスリット状の光が照射されるとともに撮像カメラによって撮像されるレールの側面は内側側面である、第１態様又は第２態様に記載の変位検出装置である。
　本発明の第４態様は、制御部が検出する実際のレールの断面形状に関するデータと、制御部にあらかじめ入力されている本来のレールの断面形状に関するデータを用いてレールの摩耗を検出する、第１態様から第３態様のいずれか１つに記載の変位検出装置である。
　本発明の第５態様は、照射部および撮像カメラは左右方向においてレールよりも外側に配置されており、照射部によってスリット状の光が照射されるとともに撮像カメラによって撮像されるレールの側面は外側側面である、第１態様又は第２態様に記載の変位検出装置である。
　以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
　（実施の形態１）
　本発明の実施の形態１にかかるレールの変位検出装置１を断面で見た構成図を図１に示す。
　変位検出装置１は、レール２上を走行する車両（図示せず）に搭載された状態にてレール２の変位を検出する装置である。変位検出装置１の外枠は、剛体である筐体３によって構成されており、筐体３は車両に固定されている。筐体３の各所に、以降で説明する変位検出装置１の構成部材が固定されることにより、車両の走行に伴って、変位検出装置１はその全体が一体的に移動する。本実施の形態１では、変位検出装置１の外枠として筐体３を用いているが、筐体３以外にフレームなどの構造も採用することができる。すなわち、変位検出装置１の有する計測器の位置関係が変化しないような剛体であれば良い。
　変位検出装置１は、レール２の位置を検出するための計測ユニット４を備える。計測ユニット４は、レール２頭部の上面および内側側面に対してスリット状の光を照射する照射部５と、レール２の表面を撮像する撮像カメラ６とを備える。変位検出装置１には２台の計測ユニット４が備えられており、照射部５および撮像カメラ６は筐体３の左側および右側にそれぞれ１つずつ固定されている。また、スリット光の照射および画像の撮像をレール２の上面および内側側面に対して行うようにするため、照射部５および撮像カメラ６は左右方向において外側を向くように傾けられている。本実施の形態１では、左右に一組の計測ユニット４を設けているが、左右どちらかに計測ユニット４を１つ設けて、片方のレールに関する変位を検出するようにしても良い。なお、本明細書における左右方向とは、車両の進行方向に対する左右方向（車両の進行方向に対して垂直かつ地面に平行な方向）のことである。
　変位検出装置１はさらに、車両の走行に伴う変位検出装置１および筐体３の位置ずれを検出するための自己位置検出部１０と、変位検出装置１における信号などの伝達を行う制御部１１とを備える。自己位置検出部１０は、変位検出装置１および筐体３の上下方向の加速度を計測する上下加速度計７と、変位検出装置１および筐体３の左右方向の加速度を計測する左右加速度計８と、変位検出装置１および筐体３の左右傾きを計測するジャイロスコープ９とを備える。
　図２は、右レール２に対する照射部５によるスリット光の照射およびそのときのレール２頭部を示す断面図である。図２における横方向および縦方向をそれぞれ、Ｘ軸およびＹ軸と設定する。
　ここから、図３のフローチャートに沿って、左右それぞれのレール２の位置測定を行う手順について説明する。なお、図３のフローチャートに示すそれぞれのステップにおける動作は、変位検出装置１のそれぞれの構成部材等が制御部１１により動作制御されることによって、実施される。また、この位置測定は、左右レール２上の車両が走行している状態において行われる。
　まず、図３のフローチャートにおけるステップＳ１において、変位検出装置１のそれぞれの計測ユニット４が備える照射部５より、左右レール２頭部の上面および内側側面に対して、スリット光を照射する。
　次に、それぞれの撮像カメラ６により、レール２の上面および内側側面におけるスリット光の照射部分の画像を撮像する（ステップＳ２）。撮像された画像データは、制御部１１に入力される。
　制御部１１では、入力された画像データに対して、光切断法を用いて、左右レール２の輪郭線を特定する処理を行う（ステップＳ３）。具体的には、レール２表面に照射されたスリット光の反射光を撮像カメラ６で観測することで、レール２表面の形状を三角測量で求める。その情報をもとに、左右レール２の頭部における上面および内側側面の輪郭線を２次元の座標データとして特定する。なお、特定されたデータは、制御部１１内のメモリなどの記憶装置に保存されて、以降の処理の際に記憶装置から読み出されて利用される。
　次に、図４に示されるように、特定されたデータを用いて、輪郭線上における複数の計測点Ｐ１（ｘ１，ｙ１）、Ｐ２（ｘ２，ｙ２）、・・・Ｐｎ（ｘｎ，ｙｎ）の座標データを抽出（設定）する（ステップＳ４）。計測点Ｐ１～Ｐｎの抽出は、輪郭線上において、それぞれの計測点が概ね均等に配置されるように行うことが好ましい。
　次に、これらの計測点Ｐ１～Ｐｎを用いて、レール２の輪郭線より得られる上面線と側面線とを算出する。具体的には、レール２の輪郭線の上面に位置されることが明らかな１つの計測点（例えば、Ｐ１）を選択し、選択された計測点（Ｐ１）のＹ座標に対して、所定の範囲（例えば±ｄ１）内にある計測点のグループを抽出する（ステップＳ５）。
　その後、抽出されたグループ内の計測点の座標データに対して最小二乗法を適用して、直線を算出する（ステップＳ６）。このように算出された直線がレール上面線１２となる。なお、レール上面線１２は、下記の数１のように表される。
（数１）
　ａ１ｘ＋ｂ１ｙ＋ｃ１＝０
　同様に、側面についてもステップＳ５およびＳ６を行い、レール２の側面線を算出する。具体的には、レール２の輪郭線の側面に位置されることが明らかな１つの計測点（例えば、Ｐｎ）を選択し、選択された計測点（Ｐｎ）のＸ座標に対して、所定の範囲（例えば±ｄ２）内にある計測点のグループを抽出する（ステップＳ５）。その後、抽出されたグループ内の計測点の座標データに対して最小二乗法を適用して、直線を算出する（ステップＳ６）。このように算出された直線がレール側面線１３となる。なお、レール側面線１３は、下記の数２のように表される。
（数２）
　ａ２ｘ＋ｂ２ｙ＋ｃ２＝０
　次に、算出されたレール上面線１２およびレール側面線１３の交点Ｒ（Ｘｒ、Ｙｒ）の座標データを抽出する（ステップＳ７）。
　次に、レール上面線１２およびレール側面線１３においてレール２の変位を測定する位置となる基準点を算出する。具体的には、交点ＲからＸ方向に距離Ｌｘ離れたレール上面線１２上の点を上面基準点Ｓｘとして設定する（ステップＳ８）。
　その後、制御部１１内に保存された輪郭線の２次元座標データをもとに、予め設定した基準位置に対する上面基準点Ｓｘにおけるレール２のＹ方向変位を算出する（ステップＳ９）。基準位置とは、レール２の変位を測定するための基準として予め設定された任意の点のことであり、例えば、変位や摩耗していない本来のレール２の輪郭線上の点を基準位置として設定しても良い。
　同様に、側面についてもステップＳ８およびＳ９を行う。具体的には、交点ＲからＹ方向に距離Ｌｙ離れたレール側面線１３上の点を側面基準点Ｓｙとして設定する（ステップＳ８）。その後、制御部１１内に保存された輪郭線の２次元座標データをもとに、予め設定した基準位置に対する側面基準点Ｓｙにおけるレール２のＸ方向変位を算出する（ステップＳ９）。
　上記ステップＳ９により算出されたレール２の変位データには、車両の走行により変位検出装置１および筐体３の位置および姿勢が変化することに伴う誤差が含まれる。そのような誤差を取り除くため、次に、自己位置検出部１０による補正を行う。具体的には、まず、自己位置検出部１０が備える上下加速度計７により変位検出装置１および筐体３の上下方向加速度を測定し、自己位置検出部１０が備える左右加速度計８により変位検出装置１および筐体３の左右方向加速度を計測する。これら２方向の加速度を制御部１１内においてそれぞれ２階積分することにより、予め設定した基準位置に対する変位検出装置１および筐体３の変位に関するデータを算出する。さらに、ジャイロスコープ９を用いて、予め設定した基準姿勢に対する変位検出装置１および筐体３の左右方向の傾きに関するデータを算出する。
　このように算出した変位データおよび左右方向傾きデータをもとに、制御部１１において、ステップＳ９で得られたデータ（予め設定した基準位置に対する上面基準点Ｓｘにおけるレール２のＹ方向変位、および予め設定した基準位置に対する側面基準点Ｓｙにおけるレール２のＸ方向変位）を補正する。これにより、予め設定した基準位置および基準姿勢に対する変位検出装置１自体の位置ずれによる誤差をなくすようにしている（ステップＳ１０）。
　最後に、ステップＳ１０で得られたデータを制御部１１から別の装置へ出力する（ステップＳ１１）。別の装置とは、レール２の狂いを算出する装置であり、ステップＳ１０で得られたデータをもとに、例えば１０ｍ弦正矢法などを用いてレール２の狂いを評価する。レール２の狂いとは、左右方向の狂い（通り狂い）、上下方向の狂い（高低狂い）、左右レールの間隔の狂い（軌間狂い）、左右レールの高低差（水準狂い）、および線路のねじれ（平面性狂い）などをいう。ステップＳ１１の実施により、図３で示されるフローは終了する。
　図３で示されるフローを実施するにあたり、変位検出装置１の各構成部材間の信号などの伝送は、変位検出装置１の各構成部材に接続された制御部１１によって管理される。
　本実施の形態１では計測点の数をｎ個（ｎは自然数）としているが、計測点の数は任意の数に設定することができる。ｎを大きくすれば高精度なデータを取得することができる。一方で、ｎを小さくされば制御部１１の処理負担は小さくなる。したがって、所望の計測精度および処理スピードを考慮してｎを設定すれば良い。
　このように、本発明による変位検出装置１によれば、レール２の狂いを算出するためのレール２の変位に関するデータを精度良く検出することができる。また、自己位置検出部１０を用いて変位検出装置１の位置ずれによる誤差を補正しているため、レール２の変位に関するデータをさらに精度良く検出することができる。また、ミラーのような可動部を有さないためメンテナンスにかかる負担は少なくなる。さらに、サーボ機構を有さないため測定エラーも起きにくい。したがって、安定した信頼性を有する計測値を取得することができる。また、スリット状の光を用いた光切断法を利用しているため、単なる点でなく連続的な点としてレール２の輪郭線を検出することができる。また、上述したフローのうちステップＳ１～Ｓ１０を所定の時間間隔で継続的に実施することにより、レール２の同じ位置における変位を測定し続けることができる。
　（実施の形態２）
　本発明の実施の形態２では、実施の形態１と同様の変位検出装置１０１を用いて、レール２の変位を検出する。以下に、実施の形態１との相違点についてのみ説明する。
　図５は、本発明の実施の形態２にかかる変位検出装置１０１を断面で見た構成図である。実施の形態１では、レール２の上面および内側側面にスリット光を照射していたのに対し、本実施の形態２では、レール２の上面および外側側面にスリット光を照射する。よって、図５に示されるように、計測ユニット１０４は筐体３においてレール２よりも外側に固定されており、照射部１０５および撮像カメラ１０６は上方から内向きに向かうように配置されている。
　本実施の形態２では、レール２よりも外側に固定された計測ユニット１０４が、レール２の上面および外側側面にスリット光を照射するという点のみ、実施の形態１と異なっており、それ以外の構成や測定方法などは実施の形態１と同様である。
　レール２の外側側面は車輪との接触が少ないため、ほとんど摩耗しない。したがって、本実施の形態２によれば、摩耗の影響をほとんど受けずにレール２の変位を検出することができ、より正確な計測値を算出することができる。
　（実施の形態３）
　図６は、右レール２の断面図である。図６に示されるように、実際のレール２において、車輪と接する箇所である上面側と内側側面が使用頻度に応じて摩耗していく場合があり、点線を本来のレール２とすると、摩耗したレール２は実線となる。本発明の実施の形態３では、実施の形態１の変位検出装置１を用いて、レール２の上下変位や左右変位とは別にレール２の摩耗量を算出する。ここから、図７のフローチャートに沿って、レール２の摩耗量を算出する手順について説明する。
　まず、本実施の形態３においても、図７に示されるように、ステップＳ１からＳ４までの手順は実施の形態１と同じであり、レール輪郭線からｎ個の計測点Ｐ１～Ｐｎを抽出する（ステップＳ４）。次に、本実施の形態３では、実施の形態１でステップＳ１０として行っていた、変位検出装置１自体の変位による誤差の補正を行う。具体的には、自己位置検出部１０により得られた変位検出装置１および筐体３の変位データおよび左右方向傾きデータをもとに、制御部１１において、ステップＳ４で得られた計測点のデータを補正することにより、予め設定した基準位置および基準姿勢に対する変位検出装置１の位置ずれによる誤差を取り除いている（ステップＳ１２）。
　次に、実施の形態１のステップＳ５およびＳ６と同様の手順を行う。すなわち、計測点の抽出を行ってから（ステップＳ１３）、図６に示されるように、レール上面線１２およびレール側面線１３を算出する（ステップＳ１４）。次に、レール上面線１２をＹ方向に距離Ｄｙオフセットした直線Ｘ１と、レール側面線１３をＸ方向に距離Ｄｘオフセットした直線Ｙ１を求め、直線Ｘ１とＹ１との交点を基準点Ｏとして算出する（ステップＳ１５）。なお、本実施の形態３では、直線Ｘ１がレール２側面の下端付近を通るように、直線Ｙ１がレール２上面の中央付近を通るようにして、ＤｘおよびＤｙを定めている。
　図８は、右レール２の頭部に着目した断面図である。ここで、摩耗量の定義にあたり、摩耗量を求めるべき場所の角度を図８に示すようにθとすると、角度θに対して以下の数３が成り立つような計測点Ｐｍ（角度θｍ）および計測点Ｐｍ＋１（角度θｍ＋１）を抽出する（ステップＳ１６）。
（数３）
　θｍ≧θ＞ θｍ＋１
　次に、ステップＳ１６で抽出した計測点ＰｍおよびＰｍ＋１を結ぶ直線と、基準点Ｏから延びる角度θの直線との交点ｔを算出する（ステップＳ１７）。さらに、予め制御部１１に記憶されている摩耗していない状態のレールの輪郭線（設計データ）と、基準点Ｏから延びる角度θの直線との交点ｔ０を算出する（ステップＳ１８）。なお、交点ｔ０は、レール２の摩耗量を測定する前に予め求めておくこともできる。
　ステップＳ１８で算出した交点ｔと基準点Ｏとの距離をｒ、交点ｔ０と基準点Ｏとの距離をｒ０とすると、求めるべき摩耗量Ｚは以下の数４により算出される（ステップＳ１９）。
（数４）
　Ｚ＝ｒ０－ｒ
　最後に、ステップＳ１９で得られたデータを制御部１１から別の装置へ出力する（ステップＳ２０）。
　本実施の形態３によれば、レール２の上下変位や左右変位だけでなく、レール２の摩耗量を算出することもできる。
　なお、図９に示されるように、レール２が摩耗した場合、レール２の変位を測定する際にどの点を計測点として採用するかという点については、上記実施の形態のステップＳ１３におけるｄ２を十分小さくとることにより、摩耗部分を含まない側面線２３が得られるため、側面線２３上に計測点Ｓｙ１をとることで、摩耗の影響を受けない計測点Ｓｙ１を得ることができる。すなわち、摩耗の影響を受ける計測点Ｓｙ２を求めるまでもなく、計測点Ｓｙ１を直接的に求めることで、摩耗の影響を緩和したレール２の変位測定を実施することができる。
　なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、変位検出装置１自体の位置ずれによる誤差の補正については、数学的に補正が可能である任意のステップで行うことができる。
　上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
　本発明にかかる変位検出装置は、鉄道のレールの狂いを算出するためのレールの変位データを準備する装置に適用できる。特に、レールに対してスリット光を用いた光切断法を適用することにより、レールの変位を検出する装置に適用できる。
　本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
　２０１１年１２月２８日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２０１１－２８９１７１号の明細書、図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。

Claims (5)

  1. 　鉄道における左右のレールの狂いを算出するために、レールの予め設定した基準位置に対する変位を検出する装置であって、
    　予め設定した基準位置および基準姿勢に対する装置の相対的な位置および姿勢を検出する自己位置検出部と、
    　レールの上面および側面にスリット状の光を照射する照射部と、
    　照射部よりスリット光の照射されたレールの表面を撮像する撮像カメラと、
    　撮像カメラにより撮像したレールの表面の画像データから光切断法により、レールの上面基準点および側面基準点におけるレールの予め設定した基準位置に対する変位を算出し、算出したレールの変位を自己位置検出部で得られたデータを用いて補正することにより、車両の走行に伴って生じる装置の位置および姿勢のずれによる誤差を修正する制御部とを備える、変位検出装置。
  2. 　制御部は、検出したレールの断面形状をもとにレールの輪郭線を定め、定めたレールの輪郭線上の複数の点からレールの上面線および側面線を算出し、算出した上面線および側面線の交点を求め、求めた交点から所定距離にある上面線上および側面線上の点をそれぞれ上面基準点および側面基準点として設定することにより、レールの予め設定した基準位置に対する変位を算出する、請求項１に記載の変位検出装置。
  3. 　照射部および撮像カメラは左右方向においてレールよりも内側に配置されており、照射部によってスリット状の光が照射されるとともに撮像カメラによって撮像されるレールの側面は内側側面である、請求項１又は２に記載の変位検出装置。
  4. 　制御部が検出する実際のレールの断面形状に関するデータと、制御部にあらかじめ入力されている本来のレールの断面形状に関するデータを用いてレールの摩耗を検出する、請求項１から３のいずれか１つに記載の変位検出装置。
  5. 　照射部および撮像カメラは左右方向においてレールよりも外側に配置されており、照射部によってスリット状の光が照射されるとともに撮像カメラによって撮像されるレールの側面は外側側面である、請求項１又は２に記載の変位検出装置。
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