JP6611691B2 - 鉄道車両の外形形状測定方法及び装置 - Google Patents
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Description
車両限界の検査方法としては、車両限界寸法を型取った枠(限界ゲージ)を車両の周囲に設置し、その中に車両を通過させながら、車両が枠に接触しないかを複数人の作業員で確認する方法が従来から行われている。
車両限界検査を自動で行う方法として、特許文献1には、移動する車両の外周面に複数のレーザ光を線状に照射し、照射によって車両外周面に形成されたレーザ投影線(以下、光切断線)をカメラで検出することによって、検出された光切断線から車両の外形形状を算出し、車両限界超過の判定及び超過箇所を視認可能に表示する方法が開示されている。
このとき、車両の塗装色によってレーザ光の反射率は大きく異なるため、塗装色の違いによる光切断線強度のばらつきが、光切断線検出における課題である。
以下、本発明の実施例1に係る鉄道車両外形形状測定方法について図1〜図5を用いて説明する。
図1A、図1Bに、実施例1よる鉄道車両外形形状測定装置の構成の一例を示す。装置は、車両101の表面に線状のレーザ光102を照射し、車両101の表面に投影された線状レーザ光102(以下で光切断線)の撮影を行う複数台の光切断センサ103、当該複数台の光切断センサ103をレール上の車両を囲むように設置するセンサ架台104、車両の基準位置からの移動距離を測定する車両移動距離測定センサ105、及び測定処理機構110を備える。
光切断センサ103は、図2に示すように、線状レーザ光102を照射するレーザ光源ユニット201、及び車両101の表面に投影された線状レーザ光102を撮影する撮影ユニット202を搭載している。
撮像カメラ203の結像レンズ204はなるべく広角のものを用いることによって、個々の光切断センサの視野範囲を大きくし、少ない数の光切断センサで、車両外周の全範囲をカバーすることができる。
また、狭帯域フィルタ205によって各光切断センサが搭載するレーザ光の波長近傍の光のみを透過させる為、外乱光量を大幅に抑制することが可能となる。
測定開始に伴い、車両101は架台104の後方から架台に向かって移動を開始する(処理S401)。
移動を開始すると、車両101の移動距離をモニターして、車両が予め設定された測定開始位置に到達したか否かを判定し(処理S402)、車両が予め設定された測定開始位置まで移動した時点から、各光切断センサから照射される線状レーザ光の強度を、一定周波数:F(Hz)で数段階変化させ(処理S403)、撮影ユニット202によって、一定の撮影レート:F(fps)で光切断線の撮影を連続して行う(処理S404)。
上記S401〜S408までの処理を、車両101の測定位置が予め設定された測定終了位置に到達したと判断されるまで繰り返し(処理S409)、車両の全測定位置について車両限界超過箇所の表示を行う。
撮影された画像は、レーザ強度変調サイクル毎に照射するレーザ強度が数段階異なった画像がレーザ強度変調サイクル:T(s)毎に繰り返し含まれているため、同一レーザ強度変調サイクル内の画像を同一処理単位として処理を行う。
この場合、同一処理単位に含まれる画像数:Nは、レーザ強度変調サイクル周期:T(s)と撮影レート:F(fps)から、N=T×Fと算出できる。
次に処理画像数が同一処理単位数:Nに達したかの判定を行い(処理SS504)、処理画像数が同一処理単位数に達したら、SS502で算出した各撮影画像の検出画素値平均値: M[i]同士を比較し、平均値が最も高い光切断線の選択を行う。この際、光切断線の画素値が飽和していると算出される形状精度が悪くなる為、検出画素の画素値平均値が画素の飽和値に達しておらず、最も高い値であるか判定を行い(処理SS505)、SS505の判定条件を満たす場合は、画素値平均最大値:Mと、画素値平均が最大となる画像番号:ksを更新する(処理SS506)。
なお、上記で説明を行った車両外形形状の算出処理は、車両の移動終了後に行うことも可能である。
この場合、処理S601から処理S604までの処理は図4と同じであるが、図6においては、車両移動中に車両外形形状の算出を行わず、車両が測定終了位置に到達したと判定された後(処理S605)に、車両外形形状の算出(処理S607)、及び車両限界超過の判定(処理S608)の処理を全測定画像に対する処理が終了するまで行い(処理S606)、車両限界を超過したと判断された位置については、図4と同様に車両限界超過位置の表示を行う(処理S609)。
以下、本発明の実施例2に係る鉄道車両外形形状測定方法について図7及び図8を用いて説明する。なお、実施例1と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施例2では、図7に示す通り、カラーカメラのRGB(赤、緑、青色)各画素の波長帯に対応した複数波長を発生させることが可能なレーザ光源ユニット701を備え、撮像カメラにカラーカメラ702用いる点に特徴がある。
撮像カメラにカラーカメラを使用した場合、RGBの画素毎に、対応した波長帯の光を透過させるカラーフィルタが搭載されている為、RGBの各画素で、対応した波長帯以外の外乱光量を大幅に抑制でき、モノクロカメラを用いる場合と比べて、信号対雑音比(SN比)を上げられるという利点が生じる。
複数台のレーザ光源を用いる場合、複数のレーザ光源から照射された光の光路を光学素子で重ねて一本の線状ビームとして照射を行い、レーザ光の強度変調を行う際には、複数のレーザ光強度を同じタイミングで変化させる。なお、本発明を実施する際の測定の流れは図4や図6で示したものと同じである。
実施例1と同様、撮影された画像は、レーザ強度変調サイクル毎に照射するレーザ強度が数段階異なった画像が繰り返し含まれているため、同一レーザ強度変調サイクル内の画像を同一処理単位として処理を行う。
この際、赤色の波長の光による光切断線はR成分画像に強く現れ、緑色の波長の光による光切断線はG成分画像に強く現れ、青色の波長の光による光切断線はB成分画像に強く現れることは周知の通りである。
前記光切断線として検出された画素の画素値の和の平均値:M[i]の算出と前記算出値のメモリへの格納を行い(処理SS804)、処理画像数:iのカウント値を更新して(処理SS805)、処理画像数が同一処理単位数に達したかの判定を行う(処理SS806)。
実施例1と同様に、光切断線の画素値が飽和していると形状算出精度が悪くなる為、検出画素の画素値平均値が画素の飽和値に達しておらず、最も高い値であるか判定を行い(処理SS807)、SS807の判定条件を満たす場合は、画素値平均最大値:Mと画素値平均が最大となる画像番号:ksの更新を行う(処理SS808)。
次に、平均値の比較を行った画像数:kを更新し(処理SS809)、比較画像数:kが同一処理単位数:Nに達したか判定を行い(処理SS810)、比較画像数:kが同一処理単位数:Nに達した時点で最も検出画素平均値の高い画像番号:ksの光切断線を用いて車両外形形状の算出を行う(処理SS811)。
このため、例えば測定レーザ光波長に対する塗装色の反射率が非常に低く、測定レーザ光波長が一種類のみでは、レーザ強度を強くしても光切断線の検出強度が不十分であるような場合においても、塗装色の反射率がより高くなる波長のレーザ光を用いることによって、高精度な測定を行うことが可能となる。
以下、本発明の実施例3に係る鉄道車両外形形状測定方法について図9〜図13を用いて説明する。なお、実施例1及び2と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施例3では、鉄道車両側面の両端に亘って基準線となる線状の物体901を取付け、線状レーザ光102を、車両側面に加えて基準線となる線状の物体901の側面に照射することによって、図10Aに示す光切断センサの視野範囲1001において、図10Bに示す車両側面の光切断線1002と線状の物体901の光切断線1003を同時に検出する。
そして、車両の蛇行によって生じる光切断線1003の位置変動から、前記車両のレール基準位置からのずれ量を算出し、画像選択・形状算出部で算出した結果に対して前記算出したずれ量の補正を行う。
基準線となる線状の物体自体が基準位置からうねっているような場合、線状の物体901による光切断線の位置変動が、基準線となる線状の物体901自体のうねり起因であるか、もしくは車両の蛇行起因であるかの区別を付けるのは困難である。
このため、本実施例では糸(もしくは紐)のように、張力をかけることによってうねりが生じない物質を用いる例について説明する。
S1101からS1103までは図4のS401からS403と同じであるが、S1104の光切断線撮影の際、車両側面と線状の物体901の光切断線を同時に検出し、測定終了後に車両外形形状と車両蛇行量の算出・補正を行う。
この場合、全長に亘って同質且つ同色の糸を用いることによって、最も良いレーザ光強度を予め決定することができる為、同一処理単画像の中から予め決定したレーザ光強度の光切断線を選択して(処理SS1201)、画素値が予め設定された閾値以上の画素を検出することによる糸の光切断線の検出を行い(処理SS1202)、その後、SS1201とSS1202の処理を指定された全撮影画像に対して繰返す(処理SS1203)。
糸の傾き成分は、レール方向の位置に対して線形である為、処理SS1202で検出した糸の光切断線のデータ列を、レール方向位置とレール鉛直方向位置を座標軸とするレール座標系データ列に変換し(処理SS1204)、前記データ列に対して直線式をフィッティングさせてデータ列における直線成分を算出し、前記データ列から、直線成分(糸の傾き成分)の除去を行う(処理SS1205)。
上述のとおり、糸の光切断線のデータは、予めレーザ光強度を決定しておくことによって一定時間間隔(レーザ強度変調サイクル周期間隔)で取得したデータとなっている為、容易にフィルタリング処理を行うことが可能である。
最後に、処理SS1207で取得したレール鉛直方向における糸の位置変動データ列を各光切断センサによる車両外形形状データに対して加減算することによって、車両の蛇行による車両外形形状誤差の補正を行う(処理SS1208)。
図13(a)のデータ列1301は、検出した糸の光切断線のデータ列を、レール方向位置とレール鉛直方向位置を座標軸とするレール座標系に変換したものであり、図13(b)のデータ列1302は、図13(a)の1301に対して直線式をフィッティングさせて得られた直線成分(糸の傾き成分)を示している。
本発明の実施例3に係る鉄道車両外形形状測定方法によれば、車両外形形状を測定するレーザ光を用いて前記線状の物体901の位置ずれ量を車両側面と同時に測定する為、車両側面の測定断面と同断面における位置ずれ量を高精度に検出することができ、車両外形形状の測定精度を向上させることが可能となる。
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
さらに、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
102 線状のレーザ光
103 光切断センサ
104 センサ架台
105 車両移動距離測定センサ
201 レーザ光源ユニット
202 撮影ユニット
203 撮像カメラ
204 結像レンズ
205 狭帯域フィルタ
701 複数波長レーザ光源ユニット
702 カラーカメラ
901 線状の物体
1001 光切断センサの視野範囲
1002 車両側面の光切断線
1003 線状の物体の光切断線
1301 レール座標系における糸の光切断線データ列
1302 レール座標系における糸の光切断線データ列の直線成分
1303 レール座標系における糸の光切断線データ列の振動成分
Claims (12)
- 鉄道車両の外周面に複数の線状レーザ光を間断なく照射し、前記線状レーザ光の前記鉄道車両への照射位置、及び前記鉄道車両の外周面に照射された前記線状レーザ光の二次元平面投影像から、前記鉄道車両の外形形状を測定する鉄道車両の外形形状測定方法であって、
前記鉄道車両に前記線状レーザ光の強度を切り替えて照射しながら前記線状レーザ光の強度の異なる複数の画像を撮影する撮影工程と、
前記線状レーザ光の強度が異なる複数の画像の中から、測定位置に最も適したレーザ光強度の撮影画像を選択する選択工程と、
前記選択した撮影画像から前記鉄道車両の外形形状を算出する算出工程と、を含む
ことを特徴とする鉄道車両の外形形状測定方法。 - 前記線状レーザ光が、前記撮影画像のRGB各画素に対応した複数波長帯を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の鉄道車両の外形形状測定方法。 - 前記選択工程において、前記線状レーザ光の強度が異なる複数画像の画素値を比較し、前記画素値が飽和値に達しておらず、最も高い値を示す光切断線を選択する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の鉄道車両の外形形状測定方法。 - 前記線状レーザ光の前記鉄道車両への照射位置における、前記鉄道車両のレール基準位置からのずれ量を検出するずれ量検出工程と、
前記検出した鉄道車両のレール基準位置からのずれ量を補正するずれ量補正工程と、をさらに含む
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の鉄道車両の外形形状測定方法。 - 前記ずれ量検出工程において、車両側面と同時に車両の両端に取付けられた線状の物体の光切断線を検出する
ことを特徴とする請求項4記載の鉄道車両の外形形状測定方法。 - 前記ずれ量補正工程において、線状の物体の光切断線のレール鉛直方向における位置変動量を算出し、車両外形形状データに対して前記位置変動量を加減算する
ことを特徴とする請求項4記載の鉄道車両の外形形状測定方法。 - 鉄道車両の外周面に複数の線状レーザ光を間断なく照射し、前記線状レーザ光の前記鉄道車両への照射位置、及び前記鉄道車両の外周面に照射された前記線状レーザ光の二次元平面投影像から、前記鉄道車両の外形形状を測定する鉄道車両の外形形状測定装置であって、
前記複数の線状レーザ光を発生させる機構と、前記複数の線状レーザ光の前記鉄道車両への照射位置を特定する機構と、前記複数の線状レーザ光の強度を切り替えて照射する機構と、前記鉄道車両の外周面に照射された前記複数の線状レーザ光の像を撮影する機構と、前記複数の線状レーザ光の撮影画像から測定位置に最も適した線状レーザ光撮影画像を選択する機構と、選択された線状レーザ光撮影画像から前記鉄道車両の外形形状を算出する機構と、を備え、
前記複数の線状レーザ光の強度を切り替えて照射する機構は、前記鉄道車両の外周面に前記線状レーザ光の強度を切り替えて照射し、
前記鉄道車両の外周面に照射された前記複数の線状レーザ光の像を撮影する機構は、前記線状レーザ光の強度の異なる複数の画像を撮影し、
前記測定位置に最も適した線状レーザ光撮影画像を選択する機構は、前記複数の線状レーザ光の強度が異なる複数の画像の中から測定位置に最も適したレーザ光強度の撮影画像を選択し、
前記鉄道車両の外形形状を算出する機構は、前記選択した撮影画像から前記鉄道車両の外形形状を算出する
ことを特徴とする鉄道車両の外形形状測定装置。 - 前記線状レーザ光が前記撮影画像のRGB各画素に対応した複数波長帯を備える
ことを特徴とする請求項7に記載の鉄道車両の外形形状測定装置。 - 前記測定位置に最も適した線状レーザ光撮影画像を選択する機構は、前記線状レーザ光の強度が異なる複数画像の画素値を比較し、前記画素値が飽和値に達しておらず、最も高い値を示す光切断線を選択する
ことを特徴とする請求項7又は8に記載の鉄道車両の外形形状測定装置。 - 前記線状レーザ光の前記鉄道車両への照射位置における、前記鉄道車両のレール基準位置からのずれ量を検出する機構と、前記検出した鉄道車両のレール基準位置からのずれ量を補正する機構と、をさらに備える
ことを特徴とする請求項7又は8に記載の鉄道車両の外形形状測定装置。 - 前記鉄道車両のレール基準位置からのずれ量を検出する機構は、前記鉄道車両の両端に線状の物体を備え、車両側面と同時に前記線状の物体の光切断線を検出する
ことを特徴とする請求項10記載の鉄道車両の外形形状測定装置。 - 前記検出した鉄道車両のレール基準位置からのずれ量を補正する機構は、線状の物体の光切断線のレール鉛直方向における位置変動量を算出し、車両外形形状データに対して前記位置変動量を加減算する
ことを特徴とする請求項10記載の鉄道車両の外形形状測定装置。
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