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技術 交通路設備の検測装置及び検測方法

出願人 株式会社日立ハイテクファインシステムズ
発明者 荒木正樹大曽根淳神田宏幸亀田真希夫
出願日 2017年9月29日 (4年4ヶ月経過) 出願番号 2017-190804
公開日 2019年4月25日 (2年9ヶ月経過) 公開番号 2019-066275
状態 特許登録済
技術分野 機関車 光学的手段による測長装置
主要キーワード 仮想半径 仮想中心点 Y座標 サードレール 集電靴 頭部側面 X座標 交通路
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (17)

課題

円弧で形成された表面の一部が構造物遮蔽されている交通路設備の位置を、高精度に検出する交通路設備の検測装置を提供する。

解決手段

演算回路は、プロファイルデータから、円の最小二乗法を用いて、交通路設備の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点座標及び半径演算する(ステップ102)。続いて、演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点を通り、交通路設備の規格で規定された円弧の円の半径と同じ半径を有する円の中心点の座標を算出する(ステップ103)。さらに、算出した中心点の座標を座標軸の各軸方向に段階的に変位させて、プロファイルデータから算出した半径と、規格で規定された円弧の円の半径との誤差二乗の総和が最小となる座標をそれぞれ選出する(ステップ104)。そして、選出した座標から交通路設備の位置を検出する(ステップ105)。

概要

背景

例えば、鉄道線路には、車両が走行するレール軌道)、給電用架線又はサードレール第三軌条)等の交通路設備が設けられている。鉄道の安全な運行を行うためには、これらの交通路設備の保守点検が必要である。

従来から、レールや架線の点検の際、レール又は架線の形状、位置等を検測する検測装置には、レーザー変位計等の2次元センサーが用いられている。例えば、軌道の形状を検測する方法として、特許文献1には、2次元センサーを用いて、軌道のプロファイルデータを取得する技術が開示されている。

概要

円弧で形成された表面の一部が構造物遮蔽されている交通路設備の位置を、高精度に検出する交通路設備の検測装置を提供する。演算回路は、プロファイルデータから、円の最小二乗法を用いて、交通路設備の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点座標及び半径演算する(ステップ102)。続いて、演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点を通り、交通路設備の規格で規定された円弧の円の半径と同じ半径を有する円の中心点の座標を算出する(ステップ103)。さらに、算出した中心点の座標を座標軸の各軸方向に段階的に変位させて、プロファイルデータから算出した半径と、規格で規定された円弧の円の半径との誤差二乗の総和が最小となる座標をそれぞれ選出する(ステップ104)。そして、選出した座標から交通路設備の位置を検出する(ステップ105)。

目的

本発明の課題は、円弧で形成された表面の一部が構造物で遮蔽されている交通路設備の位置を、高精度に検出することである

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

円弧で形成された表面の一部が構造物遮蔽されている交通路設備へ、レーザー光照射するレーザー光源と、前記レーザー光が前記交通路設備で散乱された散乱光受光して、画像信号を出力するセンサーと、前記センサーから出力された前記画像信号をプロファイルデータとして処理して、前記交通路設備の位置を検出する処理装置とを備え、前記処理装置は、前記プロファイルデータから、円の最小二乗法を用いて、前記交通路設備の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点座標及び半径演算し、演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点を通り、前記交通路設備の規格で規定された円弧の円の半径と同じ半径を有する円の中心点の座標を算出し、算出した中心点の座標を座標軸の各軸方向に段階的に変位させて、前記プロファイルデータから算出した半径と、規格で規定された円弧の円の半径との誤差二乗の総和が最小となる座標をそれぞれ選出し、選出した座標から前記交通路設備の位置を検出する演算回路を有することを特徴とする交通路設備の検測装置。

請求項2

前記演算回路は、円の最小二乗法を用いて、前記交通路設備の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点の座標及び半径を演算する前に、前記プロファイルデータから、前記レーザー光が前記構造物で散乱された散乱光によるノイズ成分を除去し、ノイズ成分を除去したプロファイルデータを用いて、以後の処理を行うことを特徴とする請求項1に記載の交通路設備の検測装置。

請求項3

前記演算回路は、演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点として、前記プロファイルデータの近傍で、Y座標が中心点と同じ点と、当該点を中心点に対して−30°から−90°の間の任意の角度だけ回転させた位置の点とを用いることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の交通路設備の検測装置。

請求項4

前記演算回路は、算出した中心点の座標を座標軸の各軸方向に段階的に変位させる際、前記センサーの分解能が低い軸方向の座標を、前記センサーの分解能が高い軸方向の座標よりも広範囲に変位させることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の交通路設備の検測装置。

請求項5

円弧で形成された表面の一部が構造物で遮蔽されている交通路設備へ、レーザー光源からレーザー光を照射し、前記レーザー光が前記交通路設備で散乱された散乱光をセンサーにより受光し、前記センサーから出力された画像信号をプロファイルデータとして処理し、前記プロファイルデータから、円の最小二乗法を用いて、前記交通路設備の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点の座標及び半径を演算し、演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点を通り、前記交通路設備の規格で規定された円弧の円の半径と同じ半径を有する円の中心点の座標を算出し、算出した中心点の座標を座標軸の各軸方向に段階的に変位させて、前記プロファイルデータから算出した半径と、規格で規定された円弧の円の半径との誤差の二乗の総和が最小となる座標をそれぞれ選出し、選出した座標から前記交通路設備の位置を検出することを特徴とする交通路設備の検測方法。

請求項6

円の最小二乗法を用いて、前記交通路設備の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点の座標及び半径を演算する前に、前記プロファイルデータから、前記レーザー光が前記構造物で散乱された散乱光によるノイズ成分を除去し、ノイズ成分を除去したプロファイルデータを用いて、以後の処理を行うことを特徴とする請求項5に記載の交通路設備の検測方法。

請求項7

演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点として、前記プロファイルデータの近傍で、Y座標が中心点と同じ点と、当該点を中心点に対して−30°から−90°の間の任意の角度だけ回転させた位置の点とを用いることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の交通路設備の検測方法。

請求項8

算出した中心点の座標を座標軸の各軸方向に段階的に変位させる際、前記センサーの分解能が低い軸方向の座標を、前記センサーの分解能が高い軸方向の座標よりも広範囲に変位させることを特徴とする請求項5乃至請求項7のいずれか一項に記載の交通路設備の検測方法。

請求項9

円弧で形成された表面の一部が構造物で遮蔽されている交通路設備へ、レーザー光を照射するレーザー光源と、前記レーザー光が前記交通路設備で散乱された散乱光を受光して、画像信号を出力するセンサーと、前記センサーから出力された前記画像信号をプロファイルデータとして処理して、前記交通路設備の位置を検出する処理装置とを備え、前記処理装置は、前記プロファイルデータから、円の最小二乗法を用いて、前記交通路設備の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点の座標及び半径を演算し、演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点を通り、前記交通路設備の規格で規定された円弧の円の半径と同じ半径を有する円の中心点の座標を算出し、算出した中心点の座標から前記交通路設備の位置を検出する演算回路を有することを特徴とする交通路設備の検測装置。

請求項10

前記演算回路は、円の最小二乗法を用いて、前記交通路設備の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点の座標及び半径を演算する前に、前記プロファイルデータから、前記レーザー光が前記構造物で散乱された散乱光によるノイズ成分を除去し、ノイズ成分を除去したプロファイルデータを用いて、以後の処理を行うことを特徴とする請求項9に記載の交通路設備の検測装置。

請求項11

前記演算回路は、演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点として、前記プロファイルデータの近傍で、Y座標が中心点と同じ点と、当該点を中心点に対して−30°から−90°の間の任意の角度だけ回転させた位置の点とを用いることを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の交通路設備の検測装置。

請求項12

円弧で形成された表面の一部が構造物で遮蔽されている交通路設備へ、レーザー光源からレーザー光を照射し、前記レーザー光が前記交通路設備で散乱された散乱光をセンサーにより受光し、前記センサーから出力された画像信号をプロファイルデータとして処理し、前記プロファイルデータから、円の最小二乗法を用いて、前記交通路設備の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点の座標及び半径を演算し、演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点を通り、前記交通路設備の規格で規定された円弧の円の半径と同じ半径を有する円の中心点の座標を算出し、算出した中心点の座標から前記交通路設備の位置を検出することを特徴とする交通路設備の検測方法。

請求項13

円の最小二乗法を用いて、前記交通路設備の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点の座標及び半径を演算する前に、前記プロファイルデータから、前記レーザー光が前記構造物で散乱された散乱光によるノイズ成分を除去し、ノイズ成分を除去したプロファイルデータを用いて、以後の処理を行うことを特徴とする請求項12に記載の交通路設備の検測方法。

請求項14

演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点として、前記プロファイルデータの近傍で、Y座標が中心点と同じ点と、当該点を中心点に対して−30°から−90°の間の任意の角度だけ回転させた位置の点とを用いることを特徴とする請求項12又は請求項13に記載の交通路設備の検測方法。

技術分野

0001

本発明は、レーザー光を用いて交通路設備の形状、位置等を検測する交通路設備の検測装置及び検測方法に係り、特に、円弧で形成された表面の一部が構造物遮蔽されている交通路設備の検測を行うのに好適な交通路設備の検測装置及び検測方法に関する。なお、本発明において、交通路設備とは、交通機関の交通路を構成する設備をいう。

背景技術

0002

例えば、鉄道線路には、車両が走行するレール軌道)、給電用架線又はサードレール第三軌条)等の交通路設備が設けられている。鉄道の安全な運行を行うためには、これらの交通路設備の保守点検が必要である。

0003

従来から、レールや架線の点検の際、レール又は架線の形状、位置等を検測する検測装置には、レーザー変位計等の2次元センサーが用いられている。例えば、軌道の形状を検測する方法として、特許文献1には、2次元センサーを用いて、軌道のプロファイルデータを取得する技術が開示されている。

先行技術

0004

特開2014−199208号公報

発明が解決しようとする課題

0005

レールや架線の表面は、カバー等の構造物で覆われていないのに対し、給電用のサードレールの周囲には、サードレールを風雨等から保護し、また保守作業時や人が線路に転落した際の感電事故等を防止するため、カバーが設けられており、サードレールの表面の大部分は、カバーで遮蔽されている。そのため、レーザー光を用いてサードレールの形状、位置等を検測しようとすると、カバーで遮蔽された部分のプロファイルデータに欠落が生じ、またレーザー光がカバーで散乱された散乱光ノイズの原因となって、サードレールの形状、位置等を精度良く検測できないという問題があった。

0006

本発明の課題は、円弧で形成された表面の一部が構造物で遮蔽されている交通路設備の位置を、高精度に検出することである。

課題を解決するための手段

0007

本発明の交通路設備の検測装置は、円弧で形成された表面の一部が構造物で遮蔽されている交通路設備へ、レーザー光を照射するレーザー光源と、レーザー光が交通路設備で散乱された散乱光を受光して、画像信号を出力するセンサーと、センサーから出力された画像信号をプロファイルデータとして処理して、交通路設備の位置を検出する処理装置とを備え、処理装置が、プロファイルデータから、円の最小二乗法を用いて、交通路設備の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点座標及び半径演算し、演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点を通り、交通路設備の規格で規定された円弧の円の半径と同じ半径を有する円の中心点の座標を算出し、算出した中心点の座標を座標軸の各軸方向に段階的に変位させて、プロファイルデータから算出した半径と、規格で規定された円弧の円の半径との誤差二乗の総和が最小となる座標をそれぞれ選出し、選出した座標から交通路設備の位置を検出する演算回路を有することを特徴とする。

0008

また、本発明の交通路設備の検測方法は、円弧で形成された表面の一部が構造物で遮蔽されている交通路設備へ、レーザー光源からレーザー光を照射し、レーザー光が交通路設備で散乱された散乱光をセンサーにより受光し、センサーから出力された画像信号をプロファイルデータとして処理し、プロファイルデータから、円の最小二乗法を用いて、交通路設備の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点の座標及び半径を演算し、演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点を通り、交通路設備の規格で規定された円弧の円の半径と同じ半径を有する円の中心点の座標を算出し、算出した中心点の座標を座標軸の各軸方向に段階的に変位させて、プロファイルデータから算出した半径と、規格で規定された円弧の円の半径との誤差の二乗の総和が最小となる座標をそれぞれ選出し、選出した座標から交通路設備の位置を検出することを特徴とする。

0009

従来は、プロファイルデータから、3点を通る円の方程式を用いて、交通路設備の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点の座標及び半径を演算し、演算した中心点の座標及び半径から、交通路設備の位置を検出していた。しかしながら、交通路設備の円弧で形成された表面の一部が構造物で遮蔽されている場合、構造物で遮蔽された部分のプロファイルデータの欠落が原因で、交通路設備の位置が精度良く検出されなかった。本発明では、円の最小二乗法を用いて演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点を通り、交通路設備の規格で規定された円弧の円の半径と同じ半径を有する円の中心点の座標を算出する。そして、算出した中心点の座標を座標軸の各軸方向に段階的に変位させて、プロファイルデータから算出した半径と、規格で規定された円弧の円の半径との誤差の二乗の総和が最小となる座標をそれぞれ選出する。プロファイルデータに欠落があっても、交通路設備の規格で規定された円弧の円の半径を用い、交通路設備の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点の座標が、精度良く求まる。そして、選出した座標から交通路設備の位置を検出するので、円弧で形成された表面の一部が構造物で遮蔽されている交通路設備の位置が、高精度に検出される。

0010

さらに、本発明の交通路設備の検測装置及び検測方法は、円の最小二乗法を用いて、交通路設備の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点の座標及び半径を演算する前に、プロファイルデータから、レーザー光が構造物で散乱された散乱光によるノイズ成分を除去し、ノイズ成分を除去したプロファイルデータを用いて、以後の処理を行うことを特徴とする。交通路設備の周囲の構造物からの散乱光によるノイズ成分の影響が排除され、円弧で形成された表面の一部が構造物で遮蔽されている交通路設備の位置が、さらに高精度に検出される。

0011

さらに、本発明の交通路設備の検測装置及び検測方法は、演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点として、プロファイルデータの近傍で、Y座標が中心点と同じ点と、当該点を中心点に対して−30°から−90°の間の任意の角度だけ回転させた位置の点とを用いることを特徴とする。

0012

さらに、本発明の交通路設備の検測装置及び検測方法は、算出した中心点の座標を座標軸の各軸方向に段階的に変位させる際、センサーの分解能が低い軸方向の座標を、センサーの分解能が高い軸方向の座標よりも広範囲に変位させることを特徴とする。センサーの分解能が低い軸方向の半径の誤差が、センサーの分解能が高い軸方向の半径の誤差よりも多く算出され、それらに基づき、センサーの分解能の軸方向の相違に応じて、中心点の座標の選出が適切に行われる。

0013

あるいは、本発明の交通路設備の検測装置は、円弧で形成された表面の一部が構造物で遮蔽されている交通路設備へ、レーザー光を照射するレーザー光源と、レーザー光が交通路設備で散乱された散乱光を受光して、画像信号を出力するセンサーと、センサーから出力された画像信号をプロファイルデータとして処理して、交通路設備の位置を検出する処理装置とを備え、処理装置が、プロファイルデータから、円の最小二乗法を用いて、交通路設備の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点の座標及び半径を演算し、演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点を通り、交通路設備の規格で規定された円弧の円の半径と同じ半径を有する円の中心点の座標を算出し、算出した中心点の座標から交通路設備の位置を検出する演算回路を有することを特徴とする。

0014

また、本発明の交通路設備の検測方法は、円弧で形成された表面の一部が構造物で遮蔽されている交通路設備へ、レーザー光源からレーザー光を照射し、レーザー光が交通路設備で散乱された散乱光をセンサーにより受光し、センサーから出力された画像信号をプロファイルデータとして処理し、プロファイルデータから、円の最小二乗法を用いて、交通路設備の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点の座標及び半径を演算し、演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点を通り、交通路設備の規格で規定された円弧の円の半径と同じ半径を有する円の中心点の座標を算出し、算出した中心点の座標から交通路設備の位置を検出することを特徴とする。

発明の効果

0015

本発明によれば、円弧で形成された表面の一部が構造物で遮蔽されている交通路設備の位置を、高精度に検出することができる。

0016

さらに、円の最小二乗法を用いて、交通路設備の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点の座標及び半径を演算する前に、プロファイルデータから、レーザー光が構造物で散乱された散乱光によるノイズ成分を除去し、ノイズ成分を除去したプロファイルデータを用いて、以後の処理を行うことにより、交通路設備の周囲の構造物からの散乱光によるノイズ成分の影響を排除して、円弧で形成された表面の一部が構造物で遮蔽されている交通路設備の位置を、さらに高精度に検出することができる。

0017

さらに、演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点として、プロファイルデータの近傍で、Y座標が中心点と同じ点と、当該点を中心点に対して−30°から−90°の間の任意の角度だけ回転させた位置の点とを用いることにより、2点を通り、交通路設備の規格で規定された円弧の円の半径と同じ半径を有する円の中心点の座標を算出する際、算出される中心点の座標の精度をさらに向上させることができる。

0018

さらに、算出した中心点の座標を座標軸の各軸方向に段階的に変位させる際、センサーの分解能が低い軸方向の座標を、センサーの分解能が高い軸方向の座標よりも広範囲に変位させることにより、センサーの分解能の軸方向の相違に応じて、中心点の座標の選出を適切に行うことができる。

0019

あるいは、算出した中心点の座標を座標軸の各軸方向に段階的に変位させて、プロファイルデータから算出した半径と、規格で規定された円弧の円の半径との誤差の二乗の総和が最小となる座標をそれぞれ選出する処理を省略することにより、精度を向上させることができる。

図面の簡単な説明

0020

本発明の一実施の形態による交通路設備の検測装置の概略構成を示す図である。
センサーユニットの動作を説明する図である。
サードレールの一例を示す図である。
本発明の一実施の形態による演算回路の動作を示すフローチャートである。
ノイズ成分の除去を説明する図である。
円の最小二乗法による処理を説明する図である。
円の最小二乗法による処理を説明する図である。
円の最小二乗法による処理を説明する図である。
中心点位置の補正を説明する図である。
中心点位置の補正を説明する図である。
中心点位置の補正を説明する図である。
フィッティング処理を説明する図である。
本発明の一実施の形態によるサードレールの位置検出を説明する図である。
本発明の一実施の形態によるサードレールの位置検出を説明する図である。
本発明の他の実施の形態による演算回路の動作を示すフローチャートである。
本発明の他の実施の形態によるサードレールの位置検出を説明する図である。

実施例

0021

[検測装置の構成]
図1は、本発明の一実施の形態による交通路設備の検測装置の概略構成を示す図である。本実施の形態は、鉄道の線路に敷設された給電用のサードレールの形状、位置等を検測する検測装置の例を示している。検測装置100は、センサーユニット10、制御装置20、距離パルス発生器23、及び処理装置30を含んで構成されている。センサーユニット10は、検測車両や営業車両の床下に設置されている。制御装置20、距離パルス発生器23、及び処理装置30は、検測車両や営業車両に搭載されている。なお、以下の説明では、検測車両を例として説明する。

0022

センサーユニット10は、レーザー光源11、シリンドリカルレンズ12、集光レンズ13、及びセンサー14を含んで構成されている。レーザー光源11は、例えばレーザーダイオード等からなり、レーザービームを発生する。レーザー光源11から発生したレーザービームは、シリンドリカルレンズ12により拡散されて、センサーユニット10から照射される。

0023

図2は、センサーユニットの動作を説明する図である。地下鉄の線路等では、枕木1上に敷設されたレール2の一方の脇に、給電用のサードレール3が、所定の高さに敷設されている。検測車両5及び営業車両の床下の台車の側面には、図示しない集電用のコレクターシュー集電靴)が取り付けられており、コレクターシューが通電されたサードレール3に接触することによって、検測車両5及び営業車両への電気の供給が行われる。サードレール3の近傍には、カバー4が、サードレール3に近接して設置されている。センサーユニット10は、検測車両5の床下の台車に設置されている。センサーユニット10から照射されたレーザー光は、サードレール3へ照射される。そして、照射されたレーザー光がサードレール3により散乱されて、散乱光が発生する。

0024

図1において、サードレールにより散乱されたレーザー光は、集光レンズ13で集光されて、センサー14の受光面で受光される。センサー14は、例えばCCDラインセンサー等からなり、受光した散乱光の強度に応じた画像信号を出力する。

0025

図3は、サードレールの一例を示す図である。サードレール3の本体は、例えば、アルミニウム等の電気伝導性の良い金属からなる。サードレール3の上部又は下部の、コレクターシューが接触する接触面には、ステンレス鋼からなる保護板3a,3bが取り付けられており、接触面の摩耗が防止されている。本実施の形態では、サードレール3の保護板3bの表面の曲線部分を形成する円弧の円の半径の値が、「R」ミリメートルであると、サードレール3の規格で規定されているものとする。

0026

図1において、制御装置20は、制御回路21及びメモリ22を含んで構成されている。距離パルス発生器23は、検測車両が所定の距離を走行する度に、検測車両の走行方向の位置情報を示す距離パルスを発生する。制御回路21は、センサー14から出力された画像信号を、距離パルス発生器23から発生された距離パルスと共に収集して、メモリ22に記憶する。

0027

処理装置30は、例えばパーソナルコンピュータ(PC)等からなり、CPU31、メモリ32、及び演算回路33を含んで構成されている。メモリ32には、制御装置20のメモリ22に記憶された距離パルス及び画像信号が転送される。CPU31は、メモリ32に記憶された距離パルスから、メモリ32に記憶された画像信号が、検測車両の走行方向のどの位置のものであるかを判別し、各画像信号をその位置のプロファイルデータとしてメモリ32に記憶する。演算回路33は、CPU31の制御により、メモリ32に記憶されたプロファイルデータに対し、以下に説明する処理を行って、サードレール3の位置を検出する。

0028

なお、本実施の形態では、プロファイルデータのX座標は、図2の図面横方向の位置を示し、プロファイルデータのY座標は、図2の図面縦方向(被検測物であるサードレール3のZ軸方向)の位置を示している。図2に示す様に、サードレール3は、ほとんどの部分がカバー4で覆われており、本実施の形態では、サードレール3の下部の接触面のカバー4で覆われていない部分についてのみ、プロファイルデータが取得される。

0029

[演算回路の動作]
(第1の実施の形態)
図4は、本発明の一実施の形態による演算回路の動作を示すフローチャートである。まず、演算回路33は、サードレール3のプロファイルデータから、レーザー光がカバー4で散乱された散乱光によるノイズ成分を除去する(ステップ101)。次に、演算回路33は、ステップ101でノイズ成分を除去したプロファイルデータに対し、円の最小二乗法による処理を行って、サードレール3の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点の座標及び半径を演算する(ステップ102)。続いて、演算回路33は、ステップ102で演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点を通り、サードレール3の規格で規定された円弧の円の半径Rと同じ半径を有する円の中心点の座標を算出して、中心点の位置を補正する(ステップ103)。さらに、演算回路33は、ステップ103で算出した中心点の座標を座標軸の各軸方向に段階的に変位させて、ステップ101でノイズ成分を除去したプロファイルデータから算出した半径と、規格で規定された円弧の円の半径との誤差の二乗の総和が最小となる座標をそれぞれ選出するフィッティング処理を行う(ステップ104)。そして、演算回路33は、ステップ104で選出した中心点の座標から、サードレール3の位置を検出する(ステップ105)。以下、各ステップの処理について、詳述する。

0030

(ノイズ成分の除去)
図5は、図4のステップ101における、ノイズ成分の除去を説明する図である。まず、演算回路33は、サードレール3のプロファイルデータから、次に説明する円の最小二乗法による処理と同様に処理をして、サードレール3の断面の曲線部分を構成する円弧の円の仮想中心点の座標と仮想半径r’とを演算する。次に、演算回路33は、演算した仮想半径r’に対し、プロファイルデータの誤差の許容範囲±dを決めて、仮想中心点に中心を有する、半径「r’−d」の円と、半径「r’+d」の円とを定める。図5において、一点鎖線は、仮想半径r’の円の円弧を示し、破線は、半径「r’−d」の円の円弧、及び半径「r’+d」の円の円弧を示している。また、仮想中心点以外の黒丸は、プロファイルデータを示している。

0031

演算回路33は、各プロファイルデータが、半径「r’−d」の円の円弧と、半径「r’+d」の円の円弧との間に位置するか否かを確認する。そして、演算回路33は、それらの2つの円弧の外側に位置する、誤差の許容範囲±dから外れたプロファイルデータP1,P2を、カバー4で散乱された散乱光によるノイズ成分として除去する。サードレール3の周囲のカバー4からの散乱光によるノイズ成分の影響が排除されるので、以後の処理によるサードレール3の位置の検出が、さらに高精度に行われる。

0032

(円の最小二乗法による処理)
図6図8は、図4のステップ102における、円の最小二乗法による処理を説明する図である。図6において、円の中心点の座標(a,b)、円の半径rとすると、円周上の任意の点の座標(x,y)について、(1)の式が成り立つ。(1)の式を=0になるように変形して、各辺の二乗の総和を求めると、(2)の式となる。(2)の式の左辺展開して、(4),(5),(6)の各式で示す通りにA,B,Cを置くと、(3)の式が得られる。(3)の式に関して、A,B,Cについてそれぞれ偏微分すると、図7の(7),(8),(9)の式が得られる。そして、(7),(8),(9)の式を行列を用いて解くと、図8の(10),(11)の式が得られる。

0033

演算回路33は、ステップ101でノイズ成分を除去したプロファイルデータの各値を(11)の式に適用して、A,B,Cの値を算出し、算出したA,B,Cの値と図6の(4),(5),(6)の式とから、円の中心点の座標(a,b)、及び円の半径rを演算する。

0034

(中心点位置の補正)
図9図11は、図4のステップ103における、中心点位置の補正を説明する図である。まず、演算回路33は、図4のステップ102で演算した円の中心点の座標(a,b)、及び円の半径rを用い、図9の(12)〜(15)の各式から、中心点の座標(a,b)及び半径rを有する円の円周上の任意の2点の座標(x1,y1)、(x2,y2)を算出する。そして、算出した2点の座標(x1,y1)、(x2,y2)を用い、図10の(16)〜(19)の式から、これら2点を円周上に含む、サードレール3の規格で規定された円弧の円の半径Rを有する円の中心点の座標(a’,b’)を算出して、中心点の位置を補正する。

0035

このとき、図9に示す(12)〜(15)の各式において、θ1=0°、θ2=−45°とすると、cosθ1=1、sinθ1=0、cosθ2=1/√2、sinθ2=−1/√2となって、計算が容易となる。即ち、円周上の2点として、プロファイルデータの近傍で、Y座標が中心点と同じ点と、当該点を中心点に対して−45°回転させた位置の点とを用いると、図10の(16)〜(19)の式から、サードレール3の規格で規定された円弧の円の半径Rと同じ半径を有する円の中心点の座標(a’,b’)を算出する際、計算が容易になって、処理速度が向上する。

0036

なお、図10の(16)〜(19)の式は、次の様にして求められる。まず、図10において、円周上の座標(x1,y1)の点と座標(x2,y2)の点との距離をLとすると、(16)の式が成り立つ。

0037

次に、図11において、半径Rの円の中心点O、円周上の2点E,Fに対し、直線EFの中間点Gの座標を(m,n)とする。三角形OGEは直角三角形であり、各辺の長さをs、L/2、Rとすると、(20)の式が成り立つ。また、直線OGの式を、点Eの座標(x1,y1)及び点Fの座標(x2,y2)から求めると、(21)の式となり、これに中心点Oの座標(a’,b’)を代入すると、(22)の式となる。一方、直線OGを斜辺とする、破線で示す直角三角形OHGの各辺の長さは、「n−b’」、「m−a’」、sであり、これらと(20)の式とから、(23)の式が成り立つ。(23)の式に(22)の式を代入して、a’を求めると、(24)の式が得られる。これに、m=(x1+x2)/2を代入すると、(25)の式となり、図10の(17)の式の通りにkを置くと、(18)の式が得られる。また、(22)の式に、(18)の式と、m=(x1+x2)/2、及びn=(y1+y2)/2を代入すると、(19)の式が得られる。

0038

(フィッティング処理)
図12は、図4のステップ104における、フィッティング処理を説明する図である。図4のステップ103で算出した中心点のX座標a’について、X軸方向の変位dxを、例えば、−1から+1まで0.05刻みに段階的に変化させて、ステップ101でノイズ成分を除去したプロファイルデータから算出した半径と、規格で規定された円弧の円の半径Rとの誤差drxを算出し、誤差drxの二乗の総和を算出する。そして、誤差drxの二乗の総和が最小となる変位の時の座標「a’+dx」を、X座標として選出する。

0039

また、図4のステップ103で算出した中心点のY座標b’について、Z軸方向の変位dyを、例えば、+3から−3からまで−0.05刻みに段階的に変化させて、ステップ101でノイズ成分を除去したプロファイルデータから算出した半径と、規格で規定された円弧の円の半径Rとの誤差dryを算出し、誤差dryの二乗の総和を算出する。そして、誤差dryの二乗の総和が最小となる変位の時の座標「b’+dy」を、Y座標として選出する。

0040

本実施の形態で使用するセンサー14は、Z軸(Y座標)方向の分解能が、X軸方向よりも低い。そこで、本実施の形態では、上述したフィッティング処理を行う際、センサーの分解能が低いZ軸方向の座標を、センサーの分解能が高いX軸方向の座標よりも広範囲に変位させる。これにより、図12に示す誤差dryが、誤差drxよりも多く算出され、それらに基づき、センサー14の分解能の軸方向の相違に応じて、中心点の座標の選出が適切に行われる。

0041

(サードレールの位置検出)
図13及び図14は、図4のステップ105における、サードレールの位置検出を説明する図である。まず、演算回路33は、ステップ104で選出した中心点の座標(a’+dx,b’+dy)と、規格で規定された円弧の円の半径Rとを用い、サードレール3の断面の曲線部分の頂点の座標を算出する。図13において、座標(a’+dx,b’+dy)の中心点から、X軸方向に半径Rだけ離れた点が、サードレール3の断面の曲線部分の頂点である。そして、演算回路33は、算出したサードレール3の断面の曲線部分の頂点の座標と、レール2用の検測装置を用いて別途検出したレール2の頭部側面の位置とから、図14に示す、レール2とサードレール3との距離Dを算出して、レール2の位置を基準としたサードレール3の位置を検出する。

0042

図4のステップ103,104において、ステップ102で演算した円の中心点の座標を補正する処理を行うので、プロファイルデータに欠落があっても、サードレール3の規格で規定された円弧の円の半径を用い、サードレール3の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点の座標が、精度良く求まる。そして、ステップ105において、補正後の中心点の座標からサードレール3の位置を検出するので、ステップ102で演算した円の中心点の座標及び半径からサードレール3の位置を検出する場合に比べて、円弧で形成された表面の一部がカバー4で遮蔽されているサードレール3の位置が、高精度に検出される。

0043

(第1の実施の形態の効果)
以上説明した実施の形態によれば、円弧で形成された表面の一部がカバー4で遮蔽されているサードレール3の位置を、高精度に検出することができる。

0044

さらに、図4のステップ101において、プロファイルデータから、レーザー光がカバー4で散乱された散乱光によるノイズ成分を除去し、ノイズ成分を除去したプロファイルデータを用いて、以後の処理を行うことにより、サードレール3の周囲のカバー4からの散乱光によるノイズ成分の影響を排除し、円弧で形成された表面の一部がカバー4で遮蔽されているサードレール3の位置を、さらに高精度に検出することができる。

0045

さらに、図4のステップ103で中心点の位置を補正する際、ステップ102で演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点として、プロファイルデータの近傍で、Y座標が中心点と同じ点と、当該点を中心点に対して任意の角度だけ回転させた位置の点とを用いることにより、さらに精度を向上させることができる。なお、本実施の形態では、Y座標が中心点と同じ点と、当該点を中心点に対して−45°回転させた位置の点とを用いる場合について説明したが、回転角度は−45°に限らず、−30°から−90°の間の任意の角度であればよい。

0046

さらに、図4のステップ104でフィッティング処理を行う際、センサーの分解能が低いZ軸方向の座標を、センサーの分解能が高いX軸方向の座標よりも広範囲に変位させることにより、センサーの分解能の軸方向の相違に応じて、中心点の座標の選出を適切に行うことができる。

0047

(第2の実施の形態)
図15は、本発明の他の実施の形態による演算回路の動作を示すフローチャートである。本実施の形態による演算回路の動作は、図4に示した第1の実施の形態における、ステップ104のフィッティング処理を省略したものである。

0048

演算回路33は、サードレール3のプロファイルデータから、レーザー光がカバー4で散乱された散乱光によるノイズ成分を除去する(ステップ201)。次に、演算回路33は、ステップ201でノイズ成分を除去したプロファイルデータに対し、円の最小二乗法による処理を行って、サードレール3の断面の曲線部分を構成する円弧の円の中心点の座標及び半径を演算する(ステップ202)。続いて、演算回路33は、ステップ202で演算した中心点の座標及び半径を有する円の円周上の2点を通り、サードレール3の規格で規定された円弧の円の半径Rと同じ半径を有する円の中心点の座標を算出して、中心点の位置を補正する(ステップ203)。そして、演算回路33は、ステップ203で算出した中心点の座標から、サードレール3の位置を検出する(ステップ204)。ステップ201〜203の処理は、図4のステップ101〜103の処理と同様である。

0049

(サードレールの位置検出)
図16は、図15のステップ204における、サードレールの位置検出を説明する図である。演算回路33は、ステップ203で算出した中心点の座標(a’,b’)と、規格で規定された円弧の円の半径Rとを用い、サードレール3の断面の曲線部分の頂点の座標を算出する。図16において、座標(a’,b’)の中心点から、X軸方向に半径Rだけ離れた点が、サードレール3の断面の曲線部分の頂点である。そして、演算回路33は、算出したサードレール3の断面の曲線部分の頂点の座標と、レール2用の検測装置を用いて別途検出したレール2の頭部側面の位置とから、レール2とサードレール3との距離を算出して、レール2の位置を基準としたサードレール3の位置を検出する。

0050

(第2の実施の形態の効果)
以上説明した第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態における、図4のステップ104のフィッティング処理を省略することにより、処理速度を向上させることができる。

0051

本発明は、鉄道の線路のサードレールに限らず、カバー等の構造物が近接して設置されている各種の交通路設備の検測に適用することができる。また、本発明は、鉄道や道路トンネルの形状を検測する際に、標識や照明設備等の構造物により、円弧で形成されたトンネル表面の一部が遮蔽されている箇所の検測にも適用することができる。また、以上説明した実施の形態では、センサーユニットを検測車両の床下に設置した例について説明したが、検測対象によっては、センサーユニットを床下以外の場所、例えば屋根等に設置してもよい。

0052

1枕木
2レール
3サードレール
3a,3b保護板
4カバー
5 検測車両
10センサーユニット
11レーザー光源
12シリンドリカルレンズ
13集光レンズ
14センサー
20制御装置
21制御回路
22メモリ
23距離パルス発生器
30処理装置
31 CPU
32 メモリ
33演算回路
100 検測装置

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