JP6722529B2 - 鉄道用障害物検知システム - Google Patents
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Description
本発明は、鉄道用障害物検知システムに関するものである。
鉄道車両など陸上交通の車両では、走行する路面に障害物があることで、重大な事故に繋がるおそれがある。このため、路面の上に障害物があるか否かを早期に検知できれば、このような事故を未然に防ぐことができる。
したがって、従来から、路面の上に障害物があるかを検知する装置が提案されている。例えば、偏光イメージング装置による撮影でマップを作成し、このマップにおいて偏光角度（偏光方向）が一様かつ連続的な箇所を路面として特定し、この路面として特定された箇所に位置する障害物を検出する路面障害物検出装置が、偏光イメージング装置の応用例として提案されている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、上記特許文献１に記載の路面障害物検出装置は、偏光角度（偏光方向）のみによって路面を特定するので、障害物を検出する信頼性に欠けることになる。このため、路面の上を走行する車両が自動車など、比較的低速で且つ左右への舵切りによる障害物の回避が可能なものであれば、信頼性に欠ける上記特許文献１に記載の路面障害物検出装置であっても、実際に適用することができる。
しかしながら、鉄道車両のように、高速でレールの上を走行するとともに、舵切りによる障害物の回避が不可能な車両であれば、信頼性に欠ける上記特許文献１に記載の路面障害物検出装置だと、重大な事故に繋がるおそれがあるので、適用することができない。一方で、上記特許文献１に記載の路面障害物検出装置に、信頼性を向上させるための煩雑な演算をさせるようにした場合、このような演算が鉄道車両の速度に追いつかないこともあるので、鉄道車両に適用することができないおそれもある。
そこで、本発明は、簡素な構成で信頼性を向上させ得る鉄道用障害物検知システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、第１の発明に係る鉄道用障害物検知システムは、鉄道車両に搭載されて、当該鉄道車両が走行しようとするレールの上の障害物を検知する鉄道用障害物検知システムであって、
上記鉄道車両の前方における上記レールの画像を撮影する偏光イメージングカメラと、
上記偏光イメージングカメラで撮影された画像の情報に基づき上記レールの上の障害物を検知する情報処理装置とを備え、
上記情報処理装置が、
上記画像の各画素における輝度情報を抽出する輝度情報抽出部と、
上記輝度情報抽出部で抽出された輝度情報に基づき上記各画素の偏光方向および偏光度を算出する偏光情報算出部と、
上記偏光情報算出部で算出された所定の軸に対する偏光方向および偏光度がそれぞれ所定範囲内および所定値以上の画素をレールに相当する画素とするレール検出部と、
上記レール検出部でレールに相当するとされた画素に基づきレールの上の障害物を検知する障害物検知部とを具備し、
上記障害物検知部が、連続性判定部、並びに／または、過去情報提供部および過去情報照合部を有し、
上記連続性判定部が、上記レール検出部でレールに相当するとされた画素が非連続であれば、当該レールの上に障害物があると判定するものであり、
上記過去情報提供部が、予め取得された上記レールに相当する画素を提供するものであり、
上記過去情報照合部が、上記レール検出部でレールに相当するとされた画素、および上記過去情報提供部から提供されるレールに相当する画素が許容範囲を超えて不一致であれば、上記レールの上に障害物があると判定するものである。
上記鉄道車両の前方における上記レールの画像を撮影する偏光イメージングカメラと、
上記偏光イメージングカメラで撮影された画像の情報に基づき上記レールの上の障害物を検知する情報処理装置とを備え、
上記情報処理装置が、
上記画像の各画素における輝度情報を抽出する輝度情報抽出部と、
上記輝度情報抽出部で抽出された輝度情報に基づき上記各画素の偏光方向および偏光度を算出する偏光情報算出部と、
上記偏光情報算出部で算出された所定の軸に対する偏光方向および偏光度がそれぞれ所定範囲内および所定値以上の画素をレールに相当する画素とするレール検出部と、
上記レール検出部でレールに相当するとされた画素に基づきレールの上の障害物を検知する障害物検知部とを具備し、
上記障害物検知部が、連続性判定部、並びに／または、過去情報提供部および過去情報照合部を有し、
上記連続性判定部が、上記レール検出部でレールに相当するとされた画素が非連続であれば、当該レールの上に障害物があると判定するものであり、
上記過去情報提供部が、予め取得された上記レールに相当する画素を提供するものであり、
上記過去情報照合部が、上記レール検出部でレールに相当するとされた画素、および上記過去情報提供部から提供されるレールに相当する画素が許容範囲を超えて不一致であれば、上記レールの上に障害物があると判定するものである。
さらに、第２の発明に係る鉄道用障害物検知システムは、第１の発明に係る鉄道用障害物検知システムにおける障害物検知部が、レールの上に障害物を検知した場合に、鉄道車両の走行する速度を制御するものである。
上記鉄道用障害物検知システムによると、偏光方向および偏光度に基づきレールに相当する画素を検出するので、煩雑な演算をすることなくレールに相当する画素が高精度に検出され、その結果、簡素な構成で信頼性を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態に係る鉄道用障害物検知システムについて図面に基づき説明する。
この鉄道用障害物検知システムは、図１に示すように、鉄道車両Ｔに搭載されて、この鉄道車両Ｔが走行しようとするレール１１（つまり鉄道車両Ｔの前方のレール１１）の上の障害物を検知するものである。
この鉄道用障害物検知システムは、図１に示すように、鉄道車両Ｔに搭載されて、この鉄道車両Ｔが走行しようとするレール１１（つまり鉄道車両Ｔの前方のレール１１）の上の障害物を検知するものである。
上記鉄道用障害物検知システム１は、上記鉄道車両Ｔの運転室Ｃに配置されて当該運転室Ｃの窓ガラスＷ越しで前方を撮影する偏光イメージングカメラ２と、この偏光イメージングカメラ２の撮影で得られた画像の情報を処理する情報処理装置３（例えば、ラップトップコンピュータ）と、この情報処理装置３により障害物が検知されると警報を発する警報器４とを備える。
［偏光イメージングカメラ２］
図２に示すように、上記偏光イメージングカメラ２は、多数の静止画像を連続して（つまり動画を）撮影し得るカメラ本体２１と、このカメラ本体２１に設けられるＣＣＤ撮像素子などの固体撮像素子２２と、このＣＣＤイメージセンサを覆う偏光イメージングフィルタ２３とを有する。
図２に示すように、上記偏光イメージングカメラ２は、多数の静止画像を連続して（つまり動画を）撮影し得るカメラ本体２１と、このカメラ本体２１に設けられるＣＣＤ撮像素子などの固体撮像素子２２と、このＣＣＤイメージセンサを覆う偏光イメージングフィルタ２３とを有する。
上記カメラ本体２１は、鉄道車両Ｔの前方における建築限界の領域（当然にレール１１も含む）を撮影するように配置される。上記固体撮像素子２２は、上記情報処理装置３で輝度情報を抽出し得る画像の撮影が可能であればよいので、モノクロームの画像を撮影し得るもの（例えば白黒ＣＣＤ撮像素子）で足りる。上記偏光イメージングフィルタ２３は、通過する光Ｌの偏光情報（偏光方向および偏光度）を得るために、透過軸方向７の異なる偏光子６を２行２列で配置してなる偏光子アレイ５を、多数行多数列（図２では一例として３行３列）で配置することにより構成される。これら偏光子アレイ５は、例えば図２に示すように、縦または横で隣接する偏光子６の透過軸方向７が４５°異なるようにしてもよく、図示しないが３０°または６０°など任意の角度で異なるようにしてもよい。偏光子アレイ５をこのように構成するのは、当該偏光子アレイ５の各偏光子６を通過した光Ｌの各強度に基づいて、上記情報処理装置３でデータフィッティング法などにより、当該光Ｌの各偏光子アレイ５における偏光方向を得るためである。なお、データフィッティング法に限定されず、フーリエ解析など、偏光方向を得るための方法であれば、何でもよい。
［情報処理装置３］
上記情報処理装置３は、概略的に、図１および図３に示すように、上記偏光イメージングカメラ２からの画像の各画素における輝度情報を抽出する輝度情報抽出部３０と、上記輝度情報抽出部３０で抽出された輝度情報に基づき上記各画素の偏光方向および偏光度を算出する偏光情報算出部３１とを具備する。また、上記情報処理装置３は、さらに、上記偏光情報算出部３１で算出された偏光方向および偏光度がそれぞれ所定範囲内および所定値以上の画素をレール１１に相当する画素とするレール検出部３２と、上記レール検出部３２でレール１１に相当するとされた画素に基づいてレール１１の上の障害物を検知する障害物検知部３６とを具備する。
上記情報処理装置３は、概略的に、図１および図３に示すように、上記偏光イメージングカメラ２からの画像の各画素における輝度情報を抽出する輝度情報抽出部３０と、上記輝度情報抽出部３０で抽出された輝度情報に基づき上記各画素の偏光方向および偏光度を算出する偏光情報算出部３１とを具備する。また、上記情報処理装置３は、さらに、上記偏光情報算出部３１で算出された偏光方向および偏光度がそれぞれ所定範囲内および所定値以上の画素をレール１１に相当する画素とするレール検出部３２と、上記レール検出部３２でレール１１に相当するとされた画素に基づいてレール１１の上の障害物を検知する障害物検知部３６とを具備する。
上記輝度情報抽出部３０は、鉄道車両Ｔの前方における図４に示すような画像８の情報を上記偏光イメージングカメラ２から取得し、取得した画像８の各画素における輝度情報を抽出するものである。なお、以下では、上記画像について説明する場合、図４に示す画像８に基づくと画素の数が極めて多いことから理解を困難にするので、図４の一部８０を取り出して拡大した図５に示す画像８０に基づくものとする。
上記偏光情報算出部３１は、図５に示すような画像８０の各画素における輝度情報に基づき、図６に示すような各画素の偏光方向と、図７に示すような各画素の偏光度を算出するものである。図５とこれに対応する図６との比較から明らかなように、レール１１に相当する画素８１およびその他若干の画素８２において、偏光方向が所定範囲（例えば図６だと横軸に対して１３０°〜１４０°）内となる特徴が見られる。一方で、図５とこれに対応する図７との比較から明らかなように、レール１１に相当する画素８１では偏光度が所定値（例えば図７だと０．８）以上となる特徴が見られる。
上記レール検出部３２は、図３に示すように、偏光方向比較部３３と、偏光度比較部３４と、二値化処理部３５とを有する。上記偏光方向比較部３３は、各画素の偏光方向と上記所定範囲とを比較することで、偏光方向が上記所定範囲内の画素８１，８２をレール１１に相当し得る画素として仮検出する。上記偏光度比較部３４は、各画素の偏光度と上記所定値とを比較することで、偏光度が上記所定値以上の画素８１をレール１１に相当し得る画素として仮検出する。上記二値化処理部３５は、上記偏光方向比較部３３および偏光度比較部３４のいずれにもレール１１に相当し得るとして仮検出された画素８１を、レール１１に相当する画素８１として検出する。また、上記二値化処理部３５は、図８に示すように、レール１１に相当するとして検出された画素８１を１（または０）とし、それ以外の画素を０（または１）とする処理、つまり二値化処理を行う。
上記障害物検知部３６は、図３に示すように、連続性判定部３７と、記録部３８（過去情報提供部の一例である）と、過去情報照合部３９とを有する。
上記連続性判定部３７は、二値化処理が行われた画像において、１本のレール１１（図５参照）に相当する画素群８１ｕ，８１ｄ（図８参照）が複数あれば、つまり画素群８１ｕ，８１ｄが非連続であれば、上記レール１１の上に障害物１０（図５参照）があると判定し、それ以外を上記レール１１の上に障害物１０がないと判定する。図８に示す例では、レール１１に相当する画素群８１ｕ，８１ｄが、上側８１ｕと下側８１ｄとに分かれているので、つまり複数なので、上記レール１１の上に障害物１０があると判定される。なお、画素群８１ｕ，８１ｄが複数であるかについては、許容範囲を持たせてもよい。例えば、レール１１に相当する複数の画素群８１ｕ，８１ｄを隔てる距離が数画素以下の場合、レール１１に相当するこれら複数の画素群８１ｕ，８１ｄを一つの画素群８１とみなしてもよい。
上記連続性判定部３７は、二値化処理が行われた画像において、１本のレール１１（図５参照）に相当する画素群８１ｕ，８１ｄ（図８参照）が複数あれば、つまり画素群８１ｕ，８１ｄが非連続であれば、上記レール１１の上に障害物１０（図５参照）があると判定し、それ以外を上記レール１１の上に障害物１０がないと判定する。図８に示す例では、レール１１に相当する画素群８１ｕ，８１ｄが、上側８１ｕと下側８１ｄとに分かれているので、つまり複数なので、上記レール１１の上に障害物１０があると判定される。なお、画素群８１ｕ，８１ｄが複数であるかについては、許容範囲を持たせてもよい。例えば、レール１１に相当する複数の画素群８１ｕ，８１ｄを隔てる距離が数画素以下の場合、レール１１に相当するこれら複数の画素群８１ｕ，８１ｄを一つの画素群８１とみなしてもよい。
上記記録部３８は、上記レール１１の上に障害物１０がない場合の過去の画像に二値化処理を行った情報（以下では過去情報と言う）を格納するとともに、当該過去情報を上記過去情報照合部３９に提供する。上記過去情報は、鉄道車両Ｔが走行する前に、予め記録部３８に格納されている。
上記過去情報照合部３９は、二値化処理部３５からの図８に示すような情報と、記録部３８からの図９に示すような過去情報とを照合し、この照合により図８に示す情報と図９に示すような過去情報とでレール１１に相当する画素８１，８４が不一致であれば、上記レール１１の上に障害物１０があると判定し、それ以外を上記レール１１の上に障害物１０がないと判定する。図８および図９に示す例では、図８に示すレール１１の上の障害物１０に相当する画素群８３で図９と異なるので、不一致であり、レール１１の上に障害物１０があると判定される。なお、不一致であるかについては、許容範囲を持たせてもよい。例えば、不一致となる画素数が照合する全画素数の数％以下である場合、不一致でない（一致する）とみなしてもよい。
［警報器４］
上記警報器４は、連続性判定部３７または過去情報照合部３９のいずれかでレール１１の上に障害物１０があると判定されると、音声または映像などによる警報を発する。図１および図３では、警報器４が情報処理装置３とは別の構成として図示したが、情報処理装置３が警報器４を含んでいてもよい。情報処理装置３に警報器４が内蔵される例としては、情報処理装置３がラップトップコンピュータである場合、警報が音声であれば、警報器４が上記ラップトップコンピュータに内蔵されたスピーカに相当し、警報が映像であれば、警報器４が上記ラップトップコンピュータに設けられたディスプレイに相当する。
上記警報器４は、連続性判定部３７または過去情報照合部３９のいずれかでレール１１の上に障害物１０があると判定されると、音声または映像などによる警報を発する。図１および図３では、警報器４が情報処理装置３とは別の構成として図示したが、情報処理装置３が警報器４を含んでいてもよい。情報処理装置３に警報器４が内蔵される例としては、情報処理装置３がラップトップコンピュータである場合、警報が音声であれば、警報器４が上記ラップトップコンピュータに内蔵されたスピーカに相当し、警報が映像であれば、警報器４が上記ラップトップコンピュータに設けられたディスプレイに相当する。
以下、上記鉄道用障害物検知システム１の動作について説明する。
図１に示すように、鉄道車両Ｔが走行しようとする時、または走行している時、鉄道車両Ｔの前方における動画が偏光イメージングカメラ２によりに撮影される（図１０のＳ１）。この際、鉄道車両Ｔの前照灯および日照条件によって、偏光イメージングカメラ２のレンズ（図示省略）の絞りを調整しておく。偏光イメージングカメラ２で撮影された図４および図５に示すような画像８，８０は、図３に示すように、情報処理装置３の輝度情報抽出部３０に送られて、当該輝度情報抽出部３０で各画素の輝度情報が抽出される（図１０のＳ２）。抽出された輝度情報に基づき、偏光情報算出部３１で各画素の偏光情報（偏光方向および偏光度）が算出される（図１０のＳ３）。算出された偏光方向および偏光度に基づき、レール検出部３２でレール１１に相当する画素８１の検出がされるとともに、二値化処理が行われる（図１０のＳ４）。連続性判定部３７で、レール１１に相当する画素８１が非連続であるか判断し（図１０のＳ５）、非連続であれば警報器４により警報を発する（図１０のＳ７）。レール１１に相当する画素８１が非連続でなければ（つまり連続していれば）、過去情報照合部３９で、二値化処理部３５からの情報と、記録部３８からの過去情報とが不一致かを判断し（図１０のＳ６）、不一致でなければ（つまり一致していれば）偏光イメージングカメラ２から送られる次の画像の情報を処理するループに入り、不一致であれば警報器４により警報を発する（図１０のＳ７）。警報を発した後は、鉄道車両Ｔを減速させる（図１０のＳ８）。この減速の結果により、鉄道車両Ｔを停止させることもある。
図１に示すように、鉄道車両Ｔが走行しようとする時、または走行している時、鉄道車両Ｔの前方における動画が偏光イメージングカメラ２によりに撮影される（図１０のＳ１）。この際、鉄道車両Ｔの前照灯および日照条件によって、偏光イメージングカメラ２のレンズ（図示省略）の絞りを調整しておく。偏光イメージングカメラ２で撮影された図４および図５に示すような画像８，８０は、図３に示すように、情報処理装置３の輝度情報抽出部３０に送られて、当該輝度情報抽出部３０で各画素の輝度情報が抽出される（図１０のＳ２）。抽出された輝度情報に基づき、偏光情報算出部３１で各画素の偏光情報（偏光方向および偏光度）が算出される（図１０のＳ３）。算出された偏光方向および偏光度に基づき、レール検出部３２でレール１１に相当する画素８１の検出がされるとともに、二値化処理が行われる（図１０のＳ４）。連続性判定部３７で、レール１１に相当する画素８１が非連続であるか判断し（図１０のＳ５）、非連続であれば警報器４により警報を発する（図１０のＳ７）。レール１１に相当する画素８１が非連続でなければ（つまり連続していれば）、過去情報照合部３９で、二値化処理部３５からの情報と、記録部３８からの過去情報とが不一致かを判断し（図１０のＳ６）、不一致でなければ（つまり一致していれば）偏光イメージングカメラ２から送られる次の画像の情報を処理するループに入り、不一致であれば警報器４により警報を発する（図１０のＳ７）。警報を発した後は、鉄道車両Ｔを減速させる（図１０のＳ８）。この減速の結果により、鉄道車両Ｔを停止させることもある。
このように、上記鉄道用障害物検知システム１によると、偏光方向および偏光度に基づきレール１１に相当する画素８１を検出するので、煩雑な演算をすることなくレール１１に相当する画素８１が高精度に検出され、その結果、簡素な構成で信頼性を向上させることができる。
また、過去情報提供部（記録部３８）および過去情報照合部３９により、障害物の検知に過去情報との照合を行うので、簡素な構成で一層信頼性を向上させることができる。
ところで、上記実施の形態では、障害物検知部３６が連続性判定部３７、記録部３８（過去情報提供部の一例）および過去情報照合部３９を有するとして説明したが、レール検出部３２からの情報によりレール１１の上に障害物１０があるかを検知するものであればよい。例えば、障害物検知部３６は、連続性判定部３７のみから構成されてもよく、過去情報提供部（記録部３８）および過去情報照合部３９のみから構成されてもよい。
ところで、上記実施の形態では、障害物検知部３６が連続性判定部３７、記録部３８（過去情報提供部の一例）および過去情報照合部３９を有するとして説明したが、レール検出部３２からの情報によりレール１１の上に障害物１０があるかを検知するものであればよい。例えば、障害物検知部３６は、連続性判定部３７のみから構成されてもよく、過去情報提供部（記録部３８）および過去情報照合部３９のみから構成されてもよい。
また、上記実施の形態では、過去情報提供部の一例として記録部３８について説明したが、過去情報を過去情報照合部３９に提供するものであればよい。例えば、過去情報提供部は、情報処理装置３の外部から過去情報を有線または無線により受信して過去情報照合部３９に提供する受信部であってもよい。
さらに、上記実施の形態では、記録部３８は、鉄道車両Ｔが走行する前に予め過去情報を格納するとして説明したが、レール１１の上の障害物１０が検知されなかった場合に二値化処理部３５からの情報を随時上書きするように構成されてもよい。この構成により、季節や経年により変化するレール１１の最新の過去情報を記録部３８は提供するようになるので、簡素な構成で一層信頼性を向上させることができる。
加えて、上記実施の形態では、障害物検知部３６がレール１１の上の障害物１０を検知すると警報器４により警報するとして説明したが、この警報とともに、または警報に代えて、鉄道車両Ｔを自動的に減速または停止させる（つまり、走行する速度を制御する）ように構成されてもよい。この場合、障害物検知部３６が鉄道車両Ｔの速度制御装置（図示省略）に接続されて、当該障害物検知部３６による障害物１０の検知により、速度制御装置のブレーキが作動するように構成される。この構成により、レール１１の上の障害物１０が検知された場合に、自動的に鉄道車両Ｔが減速または停止されるので、簡素な構成で一層信頼性を向上させることができる。
Ｔ 鉄道車両
１ 鉄道用障害物検知システム
２ 偏光イメージングカメラ
３ 情報処理装置
４ 警報器
５ 偏光子アレイ
６ 偏光子
７ 透過軸方向
２１ カメラ本体
２２ 固体撮像素子
２３ 偏光イメージングフィルタ
３０ 輝度情報抽出部
３１ 偏光情報算出部
３２ レール検出部
３３ 偏光方向比較部
３４ 偏光度比較部
３５ 二値化処理部
３６ 障害物検知部
３７ 連続性判定部
３８ 記録部
３９ 過去情報照合部
８１ レールに相当する画素
１ 鉄道用障害物検知システム
２ 偏光イメージングカメラ
３ 情報処理装置
４ 警報器
５ 偏光子アレイ
６ 偏光子
７ 透過軸方向
２１ カメラ本体
２２ 固体撮像素子
２３ 偏光イメージングフィルタ
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３１ 偏光情報算出部
３２ レール検出部
３３ 偏光方向比較部
３４ 偏光度比較部
３５ 二値化処理部
３６ 障害物検知部
３７ 連続性判定部
３８ 記録部
３９ 過去情報照合部
８１ レールに相当する画素
Claims (2)
- 鉄道車両に搭載されて、当該鉄道車両が走行しようとするレールの上の障害物を検知する鉄道用障害物検知システムであって、
上記鉄道車両の前方における上記レールの画像を撮影する偏光イメージングカメラと、
上記偏光イメージングカメラで撮影された画像の情報に基づき上記レールの上の障害物を検知する情報処理装置とを備え、
上記情報処理装置が、
上記画像の各画素における輝度情報を抽出する輝度情報抽出部と、
上記輝度情報抽出部で抽出された輝度情報に基づき上記各画素の偏光方向および偏光度を算出する偏光情報算出部と、
上記偏光情報算出部で算出された所定の軸に対する偏光方向および偏光度がそれぞれ所定範囲内および所定値以上の画素をレールに相当する画素とするレール検出部と、
上記レール検出部でレールに相当するとされた画素に基づきレールの上の障害物を検知する障害物検知部とを具備し、
上記障害物検知部が、連続性判定部、並びに／または、過去情報提供部および過去情報照合部を有し、
上記連続性判定部が、上記レール検出部でレールに相当するとされた画素が非連続であれば、当該レールの上に障害物があると判定するものであり、
上記過去情報提供部が、予め取得された上記レールに相当する画素を提供するものであり、
上記過去情報照合部が、上記レール検出部でレールに相当するとされた画素、および上記過去情報提供部から提供されるレールに相当する画素が許容範囲を超えて不一致であれば、上記レールの上に障害物があると判定するものであることを特徴とする鉄道用障害物検知システム。 - 上記障害物検知部が、レールの上に障害物を検知した場合に、鉄道車両の走行する速度を制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の鉄道用障害物検知システム。
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