接触力測定装置及び接触力測定方法
【課題】シングルアーム等のバネが少ないパンタグラフとバネが多い多分割すり板付パンタグラフの両方を精度良く接触力を測定することができる接触力測定装置及び接触力測定方法を提供する。
【解決手段】パンタグラフ４のバネ６の画像を撮影範囲を部分的に指定して時間分解能を向上させて撮影するエリアカメラ２等からなる撮影手段と、前記画像中の前記バネ６を画像処理により検出する処理用ＰＣ８からなる画像処理手段と、前記画像処理手段により検出した前記バネ６のバネ反力と慣性力とを加算することにより接触力を求める処理用ＰＣ８からなる接触力計算手段とを備えた。
【解決手段】パンタグラフ４のバネ６の画像を撮影範囲を部分的に指定して時間分解能を向上させて撮影するエリアカメラ２等からなる撮影手段と、前記画像中の前記バネ６を画像処理により検出する処理用ＰＣ８からなる画像処理手段と、前記画像処理手段により検出した前記バネ６のバネ反力と慣性力とを加算することにより接触力を求める処理用ＰＣ８からなる接触力計算手段とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触力測定装置及び接触力測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気鉄道は、屋根上に設置されている集電装置であるパンタグラフと架線とが接触することによって電力を供給している。このとき、パンタグラフと架線との間には接触力という力が発生している。この接触力の変動が大きい場合、パンタグラフから架線が離線してしまい、アークと呼ばれる放電現象が発生する。そして、アークが発生すると架線は摩耗してしまう。すなわち、接触力の変動は小さいほうが良い。また、接触力が大きすぎる場合も架線は摩耗してしまう。
【０００３】
このため、接触力を測定し、離線などの抑制方法について検討したり、摩耗診断を行なったりするために、接触力を測定したいというニーズが高まってきている。そして、従来、接触力を測定する方法は以下のようなものがある。
（１） パンタグラフに加速度計や歪ゲージなどのセンサを設置し、パンタグラフのある断面に生じる力（断面力）と慣性力を計測することで接触力を得る方法（下記非特許文献１参照）。
（２） パンタグラフのバネの部分にＬＥＤなどの光源を２個ずつ上下に設置し、画像処理により相対変位を求め、バネの伸縮量を求めることで接触力を得る方法（下記特許文献１参照）。
（３） パンタグラフの屋根上にラインセンサカメラ（以下、ラインセンサ）を設置し、パンタグラフのバネ部分を撮影する。撮影した画像を処理し相対変位、バネの伸縮量を求めることで接触力を得る方法（下記特許文献２参照）。この方法の場合、上記（２）の方法よりも時間分解能、空間分解能が高いために精度が良い。
【０００４】
上記（３）において、画像処理の内容は詳述されていないが、例えば、下記特許文献３に開示される方法を用いることにより、相対変位やバネの伸縮量を求めることは可能である。下記特許文献３では、パンタグラフに光を反射しやすい白い帯状のマーカーを取り付け、車両の屋根上に設置したラインセンサでマーカーを撮影し、マーカーの位置をパタンマッチングによって検出することでパンタグラフの変位を測定している。また、白色の帯を２本以上にして、形状を複雑化することにより、パタンマッチングの際に用いる特徴量を増やし、誤検出などを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２３５３１０号公報
【特許文献２】特開２００８−１８５４５７号公報
【特許文献３】特開２００８−１０４３１２号公報
【特許文献４】特開２００８−１０９３７５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】池田充、「架線・パンタグラフ間の接触力測定手法に関する研究研究（第１報，パンタグラフの慣性力評価方法の改善による接触力測定可能周波数範囲の拡大）」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、７０巻、６９４号、平成１６年６月、ｐ．９２−９９
【非特許文献２】Ｐｈｏｔｏｎｆｏｃｕｓ ＡＧ、“Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｕｓｅｒ Ｍａｎｕａｌ ＭＶ‐Ｄ１０２４ Ｓｅｒｉｅｓ ＣＭＯＳ Ａｒｅａ Ｓｃａｎ Ｃａｍｅｒａｓ”、［online］、Ｐｈｏｔｏｎｆｏｃｕｓ ＡＧ、［平成２１年１月２０日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｈｏｔｏｎｆｏｃｕｓ．ｃｏｍ／ｕｐｌｏａｄ／ｍａｎｕａｌｓ／ＭＡＮ００１＿ｊ＿v１＿１＿ＭＶ＿Ｄ１０２４＿ＣＬ．ｐｄｆ〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記（１）の方法のようにパンタグラフにセンサ類を設置する方法では、パンタグラフのバネの部分の全てにセンサを取り付ける必要がある。センサを取り付けた箇所には、普通ならば発生することのない揚力が掛かるので、パンタグラフの動特性に影響を与える。
【０００８】
また、多分割すり板付のパンタグラフの場合、設置するセンサの数が多くなるため、さらにパンタグラフの動特性に影響を与えてしまう。パンタグラフの動特性が変化してしまうと、センサなどを設置して得られた接触力の信頼性が低くなってしまうという問題点がある。
【０００９】
その点、上記（２）の画像処理を用いた方法では、撮影した画像を処理することによって接触力を求めるため、パンタグラフにセンサなど設置する必要がなく、動特性にも影響を与えない。そして、上記（２）の方法では、画像を撮影するためのカメラにはエリアカメラを用いている。しかし、エリアカメラを用いた場合、画像の空間分解能が低いので接触力の測定精度が悪い。
【００１０】
そこで、上記（２）の方法では、超異方倍率レンズという垂直方向の倍率を８０倍にするという特殊なレンズを使用して、精度の問題を解決している。また、エリアカメラを使用しているので、多分割すり板付のパンタグラフも１台のカメラで測定することが可能であると考えられる。しかし、エリアカメラは時間分解能が低いために、接触力の測定可能周波数域が低くなってしまうという問題点がある。
【００１１】
また、上記（３）の方法では、ラインセンサを使用することにより上記（２）の方法における問題点を解決している。ラインセンサとは１次元に配列された撮像素子を持ち、高解像度の１次元画像を撮影することができ、また、サンプリング周波数も高いカメラである。したがって、空間分解能と時間分解能が高いカメラなので、接触力の精度も高く、測定可能周波数も高くなる。
【００１２】
シングルアーム等のパンタグラフの場合、バネが少ないためラインセンサの設置台数は少なくなる。しかし、多分割すり板付のパンタグラフの場合、すり板の数だけバネがあるため、バネの数だけラインセンサを設置する必要がある。そして、バネの数だけラインセンサを車両の屋根上に設置することはスペース的に困難であるという問題点がある。
【００１３】
すなわち、上述したように、従来の方法ではシングルアーム等のバネが少ないパンタグラフとバネが多い多分割すり板付パンタグラフの両方を精度良く接触力を測定することはできない。
【００１４】
以上のことから、本発明は、シングルアーム等のバネが少ないパンタグラフとバネが多い多分割すり板付パンタグラフの両方において精度良く接触力を測定することができる接触力測定装置及び接触力測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決する第１の発明に係る接触力測定装置は、
パンタグラフのバネの画像を撮影範囲を部分的に指定して時間分解能を向上させて撮影する撮影手段と、
前記画像中の前記バネを画像処理により検出する画像処理手段と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上下部分の位置から相対変位を計算し、相対変位の時間変化分を求めることにより前記バネの伸縮量を計算した上で、前記バネの伸縮量にバネ定数を乗ずることにより前記バネのバネ反力を求めるバネ反力計算手段と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上部の変位を２階微分することにより加速度を計算した上で、加速度に前記パンタグラフの等価質量を乗ずることにより慣性力を求める慣性力計算手段と、
前記バネ反力と前記慣性力とを加算することにより接触力を求める接触力計算手段と
を備える
ことを特徴とする。
【００１６】
上記の課題を解決する第２の発明に係る接触力測定装置は、
パンタグラフのバネの画像を撮影する複数の撮影手段と、
複数の前記撮影手段によりシャッタータイミングをずらして撮影された画像を時間軸上に順番に並べ替える並べ替え手段と
前記画像中の前記バネを画像処理により検出する画像処理手段と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上下部分の位置から相対変位を計算し、相対変位の時間変化分を求めることにより前記バネの伸縮量を計算した上で、前記バネの伸縮量にバネ定数を乗ずることにより前記バネのバネ反力を求めるバネ反力計算手段と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上部の変位を２階微分することにより加速度を計算した上で、加速度に前記パンタグラフの等価質量を乗ずることにより慣性力を求める慣性力計算手段と、
前記バネ反力と前記慣性力とを加算することにより接触力を求める接触力計算手段と
を備える
ことを特徴とする。
【００１７】
上記の課題を解決する第３の発明に係る接触力測定装置は、第１の発明又は第２の発明において、
前記画像処理手段により求めた前記バネの上下部分の位置を位置データとし、求めた前記バネの位置データにスプライン補間を施すスプライン補間手段を備える
ことを特徴とする。
【００１８】
上記の課題を解決する第４の発明に係る接触力測定装置は、第１の発明又は第２の発明において、
複数枚の低解像度画像を使って超解像度処理を行なうことにより、１枚の高解像度画像を生成する超解像度処理手段を備える
ことを特徴とする。
【００１９】
上記の課題を解決する第５の発明に係る接触力測定方法は、
パンタグラフのバネの画像を撮影範囲を部分的に指定して時間分解能を向上させて撮影する撮影処理と、
前記画像中の前記バネを画像処理により検出する画像処理と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上下部分の位置から相対変位を計算し、相対変位の時間変化分を求めることにより前記バネの伸縮量を計算した上で、前記バネの伸縮量にバネ定数を乗ずることにより前記バネのバネ反力を求めるバネ反力計算処理と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上部の変位を２階微分することにより加速度を計算した上で、加速度に前記パンタグラフの等価質量を乗ずることにより慣性力を求める慣性力計算処理と、
前記バネ反力と前記慣性力とを加算することにより接触力を求める接触力計算処理
を行う
ことを特徴とする。
【００２０】
上記の課題を解決する第６の発明に係る接触力測定方法は、
パンタグラフのバネの画像を撮影する複数の撮影処理と、
複数の前記撮影手段によりシャッタータイミングをずらして撮影された画像を時間軸上に順番に並べ替える並べ替え処理と
前記画像中の前記バネを画像処理により検出する画像処理と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上下部分の位置から相対変位を計算し、相対変位の時間変化分を求めることにより前記バネの伸縮量を計算した上で、前記バネの伸縮量にバネ定数を乗ずることにより前記バネのバネ反力を求めるバネ反力計算処理と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上部の変位を２階微分することにより加速度を計算した上で、加速度に前記パンタグラフの等価質量を乗ずることにより慣性力を求める慣性力計算処理と、
前記バネ反力と前記慣性力とを加算することにより接触力を求める接触力計算処理
を行う
ことを特徴とする。
【００２１】
上記の課題を解決する第７の発明に係る接触力測定装置は、第５の発明又は第６の発明において、
前記画像処理と前記バネ反力計算処理との間において、前記前記画像処理手段により求めた前記バネの上下部分の位置を位置データとし、求めた前記バネの位置データにスプライン補間を施すスプライン補間処理を行う
ことを特徴とする。
【００２２】
上記の課題を解決する第８の発明に係る接触力測定装置は、第５の発明又は第６の発明において、
前記撮影処理と前記画像処理との間において、複数枚の低解像度画像を使って超解像度処理を行なうことにより、１枚の高解像度画像を生成する超解像度処理を行う
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、シングルアーム等のバネが少ないパンタグラフとバネが多い多分割すり板付パンタグラフの両方において精度良く接触力を測定することができる接触力測定装置及び接触力測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１の実施例に係る接触力測定装置の構成図である。
【図２】エリアカメラで撮影した画像の例を示した図である。
【図３】第１の実施例に係るエリアカメラを用いた画像処理による接触力測定方法を示したフローチャートである。
【図４】第２の実施例に係る複数のエリアカメラのシャッタータイミングをずらして時間分解能を向上する方法を示した図である。
【図５】第２の実施例に係る撮影画像を並べ替える場合の接触力測定方法を示したフローチャートである。
【図６】第２の実施例に係るマーカーの位置データを並べ替える場合の接触力測定方法を示したフローチャートである。
【図７】スプライン補間の様子を示した図である。
【図８】第３の実施例に係るスプライン補間処理を追加した場合の接触力測定方法を示したフローチャートである。
【図９】第４の実施例に係る超解像度技術により空間分解能を向上する方法を用いた接触力測定方法を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る接触力測定装置及び接触力測定方法の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２６】
以下、本発明に係る接触力測定装置及び接触力測定方法の第１の実施例について説明する。
はじめに、本実施例に係る接触力測定装置の構成について説明する。
本実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、エリアカメラで撮影した画像の中から特定の領域だけ高速に取得し、その画像を処理することにより、上述した時間分解能の問題を解決した接触力測定を行うことを特徴とする。
【００２７】
図２は、エリアカメラで撮影した画像の例を示した図である。
エリアカメラとして、例えば、ＣＭＯＳカメラを用いた場合、図２に示すように、通常のカメラで撮影した場合に取得することができる撮影範囲の１枚の画像９中における、図２中斜線で示す部分のみを指定して撮影することが可能である。そして、撮影を指定できる部分は画像９中の１部分のみではなく、図２に示すように複数の部分を指定して撮影することができる（上記非特許文献２の１６〜１９頁記載の「４．２画像のサイズ変更」参照）。
【００２８】
図１は、第１の実施例に係る接触力測定装置の構成図である。
図１に示すように、本実施例に係る接触力測定装置においては、車両１の屋根の上にエリアカメラ２を設置し、その付近に照明３を設置する。パンタグラフ４のすり板５のバネ６の上下部分に、光を反射しにくい黒い部材の上に反射しやすい白い部材を配置したマーカー７を取り付ける。なお、白い部材の形状は、円形や四角形など画像処理の際に抽出しやすいような特徴的な形状であれば良い。
【００２９】
図１に示すように、多分割すり板５ａのパンタグラフ４の場合は、マーカー７は全てのバネ６の上下部分に取り付けるようにする。なお、シングルアーム等のバネが少ないパンタグラフの場合は、多分割すり板５ａのパンタグラフ４に比べバネが少ないマーカー７の数は少なくなる。
【００３０】
また、本実施例に係る接触力測定装置においては、中央演算処理装置やＲＯＭ及びＲＡＭ等のメモリや入出力手段を備えた処理用ＰＣ８が車両１内に設置されている。そして、本実施例に係る接触力測定装置においては、処理用ＰＣ８は、計算や記憶等の各種処理を実行する手段として用いられている。処理用ＰＣ８には、エリアカメラ２が接続されており、エリアカメラ２により撮影された画像のデータが処理用ＰＣ８へ出力されている。
以上が、本実施例に係る接触力測定装置の構成である。
【００３１】
次に、本実施例に係る接触力測定装置の動作について説明する。
はじめに、照明３により光を当て、エリアカメラ２によりパンタグラフ４のバネ６の撮影を行なう。そして、撮影した画像は処理用ＰＣ８に記憶する。
次に、処理用ＰＣ８により、記憶した画像を処理することによって、パンタグラフ４のバネ６の部分を検出する。
【００３２】
次に、処理用ＰＣ８により、バネ６の上下部分の位置から相対変位を計算し、相対変位の時間変化分を求めることによりバネ６の伸縮量を計算する。そして、バネ６の伸縮量にバネ定数を乗ずることによりバネ６のバネ反力を求める。
【００３３】
次に、処理用ＰＣ８により、バネ６の上部の変位を２階微分することにより加速度を計算する。そして、加速度にパンタグラフ４の等価質量を乗ずることにより慣性力を求める。
最後に、上述した方法で求めたバネ反力と慣性力とを加算することにより接触力を求める（上記特許文献２参照）。
以上が、本実施例に係る接触力測定装置の動作である。
【００３４】
次に、本実施例に係るエリアカメラ２を用いた画像処理による接触力測定方法について説明する。
図３は、第１の実施例に係るエリアカメラ２を用いた画像処理による接触力測定方法を示したフローチャートである。
【００３５】
図３に示すように、ステップＰ１０において、エリアカメラ２の撮影範囲を指定し、エリアカメラ２により画像を撮影する。このとき、パンタグラフ４のバネ６の上下部分に設置したマーカー７と同等か、それ以上の領域を撮影できるように撮影範囲を指定し、エリアカメラ２により画像の撮影を行なう。なお、撮影範囲を小さくすることによってフレームレートを上げる、すなわち、時間分解能を上げることができる。そして、撮影した画像を車両１内に設置した処理用ＰＣ８に記憶する。
【００３６】
ステップＰ１１において、処理用ＰＣ８により、予め取得しておいたマーカー７のテンプレートを用いてパタンマッチングを行うことにより、記憶した画像からパンタグラフ４のバネ６の上下部分に取り付けられたマーカー７の位置を検出する。
【００３７】
ステップＰ１２において、処理用ＰＣ８により、パンタグラフ４のバネ６の上下部分のマーカー７の相対変位を計算し、時間変化分を求めることによりバネ６の伸縮量を計算する。そして、バネ６の伸縮量にバネ定数を乗じて、バネ６のバネ反力を求める。
【００３８】
ステップＰ１３において、処理用ＰＣ８により、バネ６の上部のマーカー７の変位を２階微分し、加速度を計算する。そして、加速度にパンタグラフ４の等価質量を乗じることにより慣性力を求める。
【００３９】
ステップＰ１４において、処理用ＰＣ８により、上記ステップＰ１２，Ｐ１３において求めたバネ反力と慣性力とを加算して接触力を求める。
以上が、本発明に係るエリアカメラ２を用いた画像処理による接触力測定方法である。
【００４０】
以上のように、本実施形態に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、エリアカメラ２で撮影する範囲を指定することによって、時間分解能を上げることができる。これにより、測定可能周波数域を上記特許文献１に開示される方法よりも高くすることができる。
【００４１】
また、本実施形態に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、エリアカメラ２を用いているので、図２に示すような多分割すり板５ａ付のパンタグラフ４でも、上記特許文献２に開示されるラインセンサを用いた方法のようにラインセンサを複数台設置しなくても接触力を測定することができる。
【００４２】
また、本実施形態に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、エリアカメラ２を用いているので、図１に示すような多分割すり板５ａ付のパンタグラフ４であっても、上記特許文献２に開示されるラインセンサを用いた方法のように、カメラをパンタグラフ４のバネ６の数だけ設置する必要がない。
【００４３】
また、本実施形態に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、エリアカメラ２で撮影した画像を処理用ＰＣ８に保存しているので、異常等があった場合に、その箇所の画像を実際に見て異常等を確認することができる。なお、上記特許文献２に開示されるラインセンサを用いた方法のように、ラインセンサで撮影した画像は１次元画像であるので、パンタグラフ４の１部分しか撮影できない。したがって、パンタグラフ全体を見ることができない。
【００４４】
また、本実施形態に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、シングルアーム等のバネ６が少ないパンタグラフ４の場合や多分割すり板５ａ付のパンタグラフ４の場合であっても接触力を精度良く測定することができる。
【実施例２】
【００４５】
以下、本発明に係る接触力測定装置及び接触力測定方法の第２の実施例について説明する。
本実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、エリアカメラ２を複数台設置して、時間分解能を向上させる点が第１の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法と異なる。
【００４６】
図４は、第２の実施例に係る複数のエリアカメラ２のシャッタータイミングをずらして時間分解能を向上する方法を示した図である。
図４に示すように、本実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法においては、エリアカメラ２をＮ台設置し、図４中斜線で示す複数のエリアカメラ２のシャッタータイミングをパルスジェネレータを使用して、１／Ｎ周期ずつずらして撮影を行なう。そして、図４中に結果として示すように、撮影した画像を時間軸上に順番に並べ替えることにより、フレームレートをＮ倍にすることができる。
【００４７】
次に、本実施例に係る撮影画像を順番に並べたあとにパタンマッチングによりマーカー７の位置を求め、接触力を計算する場合の接触力測定方法について説明する。
図５は、第２の実施例に係る撮影画像を並べ替える場合の接触力測定方法を示したフローチャートである。
図５に示すように、第１の実施例と同様にステップＰ１０の実行後、ステップＰ２０において、処理用ＰＣ８により、上述したように複数のエリアカメラ２により撮影された画像を時間軸上に順番に並べ替える。ステップＰ２０の実行後は、第１の実施例と同様にステップＰ１１〜Ｐ１４を実行する。
以上が第２の実施例に係る撮影画像を並べ替える場合の接触力測定方法である。
【００４８】
次に、複数のエリアカメラ２により撮影された画像からパタンマッチングによりマーカー７の位置データを求め、求めたマーカー７の位置データを処理用ＰＣ８のメモリ上に記憶し、記憶したマーカー７の位置データを順番に並べ替えて接触力を計算する場合の接触力測定方法について説明する。なお、マーカー７の位置データは、バネ６の上下部分の位置データと考えることができる。
【００４９】
図６は、第２の実施例に係るマーカー７の位置データを並べ替える場合の接触力測定方法を示したフローチャートである。
図６に示すように、第１の実施例と同様にステップＰ１０，１１の実行後、ステップＰ２１において、処理用ＰＣ８により、上述したように複数のエリアカメラ２により撮影された画像から、ステップＰ１０においてパタンマッチングにより求めたマーカー７の位置を位置データとし、求めたマーカー７の位置データを処理用ＰＣ８のメモリ上に記憶する。そして、記憶したマーカー７の位置データを順番に並べ替えて接触力を計算する。ステップＰ２１の実行後は、第１の実施例と同様にステップＰ１２〜Ｐ１４を実行する。
以上が、第２の実施例に係るマーカー７の位置データを並べ替える場合の接触力測定方法である。
【００５０】
図５に示す撮影画像を並べ替える場合の接触力測定方法と、図６に示すマーカー７の位置データを並べ替える場合の接触力測定方法とでは、処理するデータは画像データと数値データで異なるが、最終的に得られる結果は同じである。しかしながら、図５に示す撮影画像を並べ替える場合の接触力測定方法における画像データを入れ替える処理よりも、図６に示すマーカー７の位置データを並べ替える場合の接触力測定方法における数値データを入れ替える処理の方が、処理時間を短くすることができる。
【００５１】
以上のように、本実施形態に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、エリアカメラ２をＮ台設置し、複数のエリアカメラ２のシャッタータイミングを１／Ｎ周期ずつずらして撮影を行なうことで、第１の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法よりも時間分解能をＮ倍することができる。そして、時間分解能が向上することにより、第１の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法よりも接触力の測定可能周波数域を高くすることができる。
【実施例３】
【００５２】
以下、本発明に係る接触力測定装置及び接触力測定方法の第３の実施例について説明する。
本実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、第１，２の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法において取得したマーカー７の位置データをスプライン補間し、データ間のマーカー７の位置を推定することにより、時間分解能をさらに向上させる。そして、時間分解能が向上することにより、接触力の測定可能周波数域をさらに高くすることができる。
【００５３】
ここで、スプライン補間について説明する。
図７は、スプライン補間の様子を示した図である。なお、図７においては、横軸を時間とし、縦軸をパンタグラフ変位として表している。
図７に示すように、スプライン補間は、データ点ｈ１〜ｈ７が得られた場合、全ての点を通るようなスプライン曲線を計算することで、データの補間を行なう方法である。
【００５４】
また、本実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、第２の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法のようにＮ台のエリアカメラ２を設置しなくても、エリアカメラ２をＮ台設置したときと同等か、それ以上の時間分解能を得ることができるため、車両１の屋根上に設置するエリアカメラ２の台数を少なくすることができる。
【００５５】
図８は、第３の実施例に係るスプライン補間処理を追加した場合の接触力測定方法を示したフローチャートである。
図８に示すように、第１の実施例と同様にステップＰ１０，１１の実行後、ステップＰ３０において、処理用ＰＣ８により、上述したようにステップＰ１０においてパタンマッチングにより求めたマーカー７の位置を位置データとし、求めたマーカー７の位置データをスプライン補間し、データ間のマーカー７の位置を推定する。ステップＰ３０の実行後は、第１の実施例と同様にステップＰ１２〜Ｐ１４を実行する。
【００５６】
なお、第２の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法にスプライン補間処理を追加した場合も、ステップＰ１２（図５，６参照）におけるバネ反力の計算の前にスプライン補間処理を追加することとなる。
【００５７】
以上のように、本実施形態に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、スプライン補間を行なうことにより、第１，２の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法よりもエリアカメラ２の設置台数を少なくすることができる。そして、エリアカメラ２の台数が少なくなっても、スプライン補間を行なうことで、第１，２の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法と同等か、それ以上の時間分解能を得ることができる。そして、時間分解能が向上することにより、第１の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法よりも接触力の測定可能周波数域を高くすることができる。
【実施例４】
【００５８】
以下、本発明に係る接触力測定装置及び接触力測定方法の第４の実施例について説明する。
本実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、エリアカメラ２で撮影した画像に対して、超解像度技術を用いて空間分解能を向上させる点が、第１の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法と異なる。なお、本実施例に係る接触力測定装置の構成は第１の実施例と同様である。
【００５９】
ここで、超解像度技術について説明する。
超解像度技術とは、複数枚の低解像度画像を使って、１枚の高解像度画像を生成する技術のことをいう（上記特許文献４参照）。そして、空間分解能を向上させることにより、バネ６の伸縮量や加速度を精度良く求めることができ、結果として接触力の精度を向上させることができる。
【００６０】
図９は、第４の実施例に係る超解像度技術により空間分解能を向上する方法を用いた接触力測定方法を示したフローチャートである。
図９に示すように、第１の実施例と同様にステップＰ１０の実行後、ステップＰ４０において、処理用ＰＣ８により、上述したように複数枚の低解像度画像を使って超解像度処理を行なうことにより、１枚の高解像度画像を生成する。ステップＰ４０の実行後は、第１の実施例と同様にステップＰ１１〜Ｐ１４を実行する。
【００６１】
このように、超解像度処理を追加することで、画像の空間分解能を向上させることができる。そして、空間分解能を向上させることにより、パンタグラフ４の高さを精度良く計算することができる。したがって、バネ６の伸縮量やパンタグラフ４の加速度を正確に求めることができるので、接触力の測定精度を向上させることができる。
【００６２】
なお、第２の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法に超解像度処理を追加した場合も、ステップＰ１１（図５，６参照）におけるパタンマッチングの前に超解像度処理を追加することとなる。
【００６３】
以上のように、本実施形態に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、撮影した画像に超解像度処理を施して高解像度化することにより、空間分解能を向上させ、接触力の測定精度を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、例えば、画像処理を用いて架線とパンタグラフ間の接触力を測定する接触力測定装置及び接触力測定方法、特に、パンタグラフの舟体を支持するバネが複数個ある場合に、エリアカメラで撮影した画像を処理して接触力を精度良く求める接触力測定装置及び接触力測定方法に利用することが可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１ 車両
２ エリアカメラ
３ 照明
４ パンラグラフ
５ すり板
５ａ 多分割すり板
６ バネ
７ マーカー
８ 処理用ＰＣ
９ 画像
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触力測定装置及び接触力測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気鉄道は、屋根上に設置されている集電装置であるパンタグラフと架線とが接触することによって電力を供給している。このとき、パンタグラフと架線との間には接触力という力が発生している。この接触力の変動が大きい場合、パンタグラフから架線が離線してしまい、アークと呼ばれる放電現象が発生する。そして、アークが発生すると架線は摩耗してしまう。すなわち、接触力の変動は小さいほうが良い。また、接触力が大きすぎる場合も架線は摩耗してしまう。
【０００３】
このため、接触力を測定し、離線などの抑制方法について検討したり、摩耗診断を行なったりするために、接触力を測定したいというニーズが高まってきている。そして、従来、接触力を測定する方法は以下のようなものがある。
（１） パンタグラフに加速度計や歪ゲージなどのセンサを設置し、パンタグラフのある断面に生じる力（断面力）と慣性力を計測することで接触力を得る方法（下記非特許文献１参照）。
（２） パンタグラフのバネの部分にＬＥＤなどの光源を２個ずつ上下に設置し、画像処理により相対変位を求め、バネの伸縮量を求めることで接触力を得る方法（下記特許文献１参照）。
（３） パンタグラフの屋根上にラインセンサカメラ（以下、ラインセンサ）を設置し、パンタグラフのバネ部分を撮影する。撮影した画像を処理し相対変位、バネの伸縮量を求めることで接触力を得る方法（下記特許文献２参照）。この方法の場合、上記（２）の方法よりも時間分解能、空間分解能が高いために精度が良い。
【０００４】
上記（３）において、画像処理の内容は詳述されていないが、例えば、下記特許文献３に開示される方法を用いることにより、相対変位やバネの伸縮量を求めることは可能である。下記特許文献３では、パンタグラフに光を反射しやすい白い帯状のマーカーを取り付け、車両の屋根上に設置したラインセンサでマーカーを撮影し、マーカーの位置をパタンマッチングによって検出することでパンタグラフの変位を測定している。また、白色の帯を２本以上にして、形状を複雑化することにより、パタンマッチングの際に用いる特徴量を増やし、誤検出などを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２３５３１０号公報
【特許文献２】特開２００８−１８５４５７号公報
【特許文献３】特開２００８−１０４３１２号公報
【特許文献４】特開２００８−１０９３７５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】池田充、「架線・パンタグラフ間の接触力測定手法に関する研究研究（第１報，パンタグラフの慣性力評価方法の改善による接触力測定可能周波数範囲の拡大）」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、７０巻、６９４号、平成１６年６月、ｐ．９２−９９
【非特許文献２】Ｐｈｏｔｏｎｆｏｃｕｓ ＡＧ、“Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｕｓｅｒ Ｍａｎｕａｌ ＭＶ‐Ｄ１０２４ Ｓｅｒｉｅｓ ＣＭＯＳ Ａｒｅａ Ｓｃａｎ Ｃａｍｅｒａｓ”、［online］、Ｐｈｏｔｏｎｆｏｃｕｓ ＡＧ、［平成２１年１月２０日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｈｏｔｏｎｆｏｃｕｓ．ｃｏｍ／ｕｐｌｏａｄ／ｍａｎｕａｌｓ／ＭＡＮ００１＿ｊ＿v１＿１＿ＭＶ＿Ｄ１０２４＿ＣＬ．ｐｄｆ〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記（１）の方法のようにパンタグラフにセンサ類を設置する方法では、パンタグラフのバネの部分の全てにセンサを取り付ける必要がある。センサを取り付けた箇所には、普通ならば発生することのない揚力が掛かるので、パンタグラフの動特性に影響を与える。
【０００８】
また、多分割すり板付のパンタグラフの場合、設置するセンサの数が多くなるため、さらにパンタグラフの動特性に影響を与えてしまう。パンタグラフの動特性が変化してしまうと、センサなどを設置して得られた接触力の信頼性が低くなってしまうという問題点がある。
【０００９】
その点、上記（２）の画像処理を用いた方法では、撮影した画像を処理することによって接触力を求めるため、パンタグラフにセンサなど設置する必要がなく、動特性にも影響を与えない。そして、上記（２）の方法では、画像を撮影するためのカメラにはエリアカメラを用いている。しかし、エリアカメラを用いた場合、画像の空間分解能が低いので接触力の測定精度が悪い。
【００１０】
そこで、上記（２）の方法では、超異方倍率レンズという垂直方向の倍率を８０倍にするという特殊なレンズを使用して、精度の問題を解決している。また、エリアカメラを使用しているので、多分割すり板付のパンタグラフも１台のカメラで測定することが可能であると考えられる。しかし、エリアカメラは時間分解能が低いために、接触力の測定可能周波数域が低くなってしまうという問題点がある。
【００１１】
また、上記（３）の方法では、ラインセンサを使用することにより上記（２）の方法における問題点を解決している。ラインセンサとは１次元に配列された撮像素子を持ち、高解像度の１次元画像を撮影することができ、また、サンプリング周波数も高いカメラである。したがって、空間分解能と時間分解能が高いカメラなので、接触力の精度も高く、測定可能周波数も高くなる。
【００１２】
シングルアーム等のパンタグラフの場合、バネが少ないためラインセンサの設置台数は少なくなる。しかし、多分割すり板付のパンタグラフの場合、すり板の数だけバネがあるため、バネの数だけラインセンサを設置する必要がある。そして、バネの数だけラインセンサを車両の屋根上に設置することはスペース的に困難であるという問題点がある。
【００１３】
すなわち、上述したように、従来の方法ではシングルアーム等のバネが少ないパンタグラフとバネが多い多分割すり板付パンタグラフの両方を精度良く接触力を測定することはできない。
【００１４】
以上のことから、本発明は、シングルアーム等のバネが少ないパンタグラフとバネが多い多分割すり板付パンタグラフの両方において精度良く接触力を測定することができる接触力測定装置及び接触力測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決する第１の発明に係る接触力測定装置は、
パンタグラフのバネの画像を撮影範囲を部分的に指定して時間分解能を向上させて撮影する撮影手段と、
前記画像中の前記バネを画像処理により検出する画像処理手段と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上下部分の位置から相対変位を計算し、相対変位の時間変化分を求めることにより前記バネの伸縮量を計算した上で、前記バネの伸縮量にバネ定数を乗ずることにより前記バネのバネ反力を求めるバネ反力計算手段と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上部の変位を２階微分することにより加速度を計算した上で、加速度に前記パンタグラフの等価質量を乗ずることにより慣性力を求める慣性力計算手段と、
前記バネ反力と前記慣性力とを加算することにより接触力を求める接触力計算手段と
を備える
ことを特徴とする。
【００１６】
上記の課題を解決する第２の発明に係る接触力測定装置は、
パンタグラフのバネの画像を撮影する複数の撮影手段と、
複数の前記撮影手段によりシャッタータイミングをずらして撮影された画像を時間軸上に順番に並べ替える並べ替え手段と
前記画像中の前記バネを画像処理により検出する画像処理手段と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上下部分の位置から相対変位を計算し、相対変位の時間変化分を求めることにより前記バネの伸縮量を計算した上で、前記バネの伸縮量にバネ定数を乗ずることにより前記バネのバネ反力を求めるバネ反力計算手段と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上部の変位を２階微分することにより加速度を計算した上で、加速度に前記パンタグラフの等価質量を乗ずることにより慣性力を求める慣性力計算手段と、
前記バネ反力と前記慣性力とを加算することにより接触力を求める接触力計算手段と
を備える
ことを特徴とする。
【００１７】
上記の課題を解決する第３の発明に係る接触力測定装置は、第１の発明又は第２の発明において、
前記画像処理手段により求めた前記バネの上下部分の位置を位置データとし、求めた前記バネの位置データにスプライン補間を施すスプライン補間手段を備える
ことを特徴とする。
【００１８】
上記の課題を解決する第４の発明に係る接触力測定装置は、第１の発明又は第２の発明において、
複数枚の低解像度画像を使って超解像度処理を行なうことにより、１枚の高解像度画像を生成する超解像度処理手段を備える
ことを特徴とする。
【００１９】
上記の課題を解決する第５の発明に係る接触力測定方法は、
パンタグラフのバネの画像を撮影範囲を部分的に指定して時間分解能を向上させて撮影する撮影処理と、
前記画像中の前記バネを画像処理により検出する画像処理と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上下部分の位置から相対変位を計算し、相対変位の時間変化分を求めることにより前記バネの伸縮量を計算した上で、前記バネの伸縮量にバネ定数を乗ずることにより前記バネのバネ反力を求めるバネ反力計算処理と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上部の変位を２階微分することにより加速度を計算した上で、加速度に前記パンタグラフの等価質量を乗ずることにより慣性力を求める慣性力計算処理と、
前記バネ反力と前記慣性力とを加算することにより接触力を求める接触力計算処理
を行う
ことを特徴とする。
【００２０】
上記の課題を解決する第６の発明に係る接触力測定方法は、
パンタグラフのバネの画像を撮影する複数の撮影処理と、
複数の前記撮影手段によりシャッタータイミングをずらして撮影された画像を時間軸上に順番に並べ替える並べ替え処理と
前記画像中の前記バネを画像処理により検出する画像処理と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上下部分の位置から相対変位を計算し、相対変位の時間変化分を求めることにより前記バネの伸縮量を計算した上で、前記バネの伸縮量にバネ定数を乗ずることにより前記バネのバネ反力を求めるバネ反力計算処理と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上部の変位を２階微分することにより加速度を計算した上で、加速度に前記パンタグラフの等価質量を乗ずることにより慣性力を求める慣性力計算処理と、
前記バネ反力と前記慣性力とを加算することにより接触力を求める接触力計算処理
を行う
ことを特徴とする。
【００２１】
上記の課題を解決する第７の発明に係る接触力測定装置は、第５の発明又は第６の発明において、
前記画像処理と前記バネ反力計算処理との間において、前記前記画像処理手段により求めた前記バネの上下部分の位置を位置データとし、求めた前記バネの位置データにスプライン補間を施すスプライン補間処理を行う
ことを特徴とする。
【００２２】
上記の課題を解決する第８の発明に係る接触力測定装置は、第５の発明又は第６の発明において、
前記撮影処理と前記画像処理との間において、複数枚の低解像度画像を使って超解像度処理を行なうことにより、１枚の高解像度画像を生成する超解像度処理を行う
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、シングルアーム等のバネが少ないパンタグラフとバネが多い多分割すり板付パンタグラフの両方において精度良く接触力を測定することができる接触力測定装置及び接触力測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１の実施例に係る接触力測定装置の構成図である。
【図２】エリアカメラで撮影した画像の例を示した図である。
【図３】第１の実施例に係るエリアカメラを用いた画像処理による接触力測定方法を示したフローチャートである。
【図４】第２の実施例に係る複数のエリアカメラのシャッタータイミングをずらして時間分解能を向上する方法を示した図である。
【図５】第２の実施例に係る撮影画像を並べ替える場合の接触力測定方法を示したフローチャートである。
【図６】第２の実施例に係るマーカーの位置データを並べ替える場合の接触力測定方法を示したフローチャートである。
【図７】スプライン補間の様子を示した図である。
【図８】第３の実施例に係るスプライン補間処理を追加した場合の接触力測定方法を示したフローチャートである。
【図９】第４の実施例に係る超解像度技術により空間分解能を向上する方法を用いた接触力測定方法を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る接触力測定装置及び接触力測定方法の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２６】
以下、本発明に係る接触力測定装置及び接触力測定方法の第１の実施例について説明する。
はじめに、本実施例に係る接触力測定装置の構成について説明する。
本実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、エリアカメラで撮影した画像の中から特定の領域だけ高速に取得し、その画像を処理することにより、上述した時間分解能の問題を解決した接触力測定を行うことを特徴とする。
【００２７】
図２は、エリアカメラで撮影した画像の例を示した図である。
エリアカメラとして、例えば、ＣＭＯＳカメラを用いた場合、図２に示すように、通常のカメラで撮影した場合に取得することができる撮影範囲の１枚の画像９中における、図２中斜線で示す部分のみを指定して撮影することが可能である。そして、撮影を指定できる部分は画像９中の１部分のみではなく、図２に示すように複数の部分を指定して撮影することができる（上記非特許文献２の１６〜１９頁記載の「４．２画像のサイズ変更」参照）。
【００２８】
図１は、第１の実施例に係る接触力測定装置の構成図である。
図１に示すように、本実施例に係る接触力測定装置においては、車両１の屋根の上にエリアカメラ２を設置し、その付近に照明３を設置する。パンタグラフ４のすり板５のバネ６の上下部分に、光を反射しにくい黒い部材の上に反射しやすい白い部材を配置したマーカー７を取り付ける。なお、白い部材の形状は、円形や四角形など画像処理の際に抽出しやすいような特徴的な形状であれば良い。
【００２９】
図１に示すように、多分割すり板５ａのパンタグラフ４の場合は、マーカー７は全てのバネ６の上下部分に取り付けるようにする。なお、シングルアーム等のバネが少ないパンタグラフの場合は、多分割すり板５ａのパンタグラフ４に比べバネが少ないマーカー７の数は少なくなる。
【００３０】
また、本実施例に係る接触力測定装置においては、中央演算処理装置やＲＯＭ及びＲＡＭ等のメモリや入出力手段を備えた処理用ＰＣ８が車両１内に設置されている。そして、本実施例に係る接触力測定装置においては、処理用ＰＣ８は、計算や記憶等の各種処理を実行する手段として用いられている。処理用ＰＣ８には、エリアカメラ２が接続されており、エリアカメラ２により撮影された画像のデータが処理用ＰＣ８へ出力されている。
以上が、本実施例に係る接触力測定装置の構成である。
【００３１】
次に、本実施例に係る接触力測定装置の動作について説明する。
はじめに、照明３により光を当て、エリアカメラ２によりパンタグラフ４のバネ６の撮影を行なう。そして、撮影した画像は処理用ＰＣ８に記憶する。
次に、処理用ＰＣ８により、記憶した画像を処理することによって、パンタグラフ４のバネ６の部分を検出する。
【００３２】
次に、処理用ＰＣ８により、バネ６の上下部分の位置から相対変位を計算し、相対変位の時間変化分を求めることによりバネ６の伸縮量を計算する。そして、バネ６の伸縮量にバネ定数を乗ずることによりバネ６のバネ反力を求める。
【００３３】
次に、処理用ＰＣ８により、バネ６の上部の変位を２階微分することにより加速度を計算する。そして、加速度にパンタグラフ４の等価質量を乗ずることにより慣性力を求める。
最後に、上述した方法で求めたバネ反力と慣性力とを加算することにより接触力を求める（上記特許文献２参照）。
以上が、本実施例に係る接触力測定装置の動作である。
【００３４】
次に、本実施例に係るエリアカメラ２を用いた画像処理による接触力測定方法について説明する。
図３は、第１の実施例に係るエリアカメラ２を用いた画像処理による接触力測定方法を示したフローチャートである。
【００３５】
図３に示すように、ステップＰ１０において、エリアカメラ２の撮影範囲を指定し、エリアカメラ２により画像を撮影する。このとき、パンタグラフ４のバネ６の上下部分に設置したマーカー７と同等か、それ以上の領域を撮影できるように撮影範囲を指定し、エリアカメラ２により画像の撮影を行なう。なお、撮影範囲を小さくすることによってフレームレートを上げる、すなわち、時間分解能を上げることができる。そして、撮影した画像を車両１内に設置した処理用ＰＣ８に記憶する。
【００３６】
ステップＰ１１において、処理用ＰＣ８により、予め取得しておいたマーカー７のテンプレートを用いてパタンマッチングを行うことにより、記憶した画像からパンタグラフ４のバネ６の上下部分に取り付けられたマーカー７の位置を検出する。
【００３７】
ステップＰ１２において、処理用ＰＣ８により、パンタグラフ４のバネ６の上下部分のマーカー７の相対変位を計算し、時間変化分を求めることによりバネ６の伸縮量を計算する。そして、バネ６の伸縮量にバネ定数を乗じて、バネ６のバネ反力を求める。
【００３８】
ステップＰ１３において、処理用ＰＣ８により、バネ６の上部のマーカー７の変位を２階微分し、加速度を計算する。そして、加速度にパンタグラフ４の等価質量を乗じることにより慣性力を求める。
【００３９】
ステップＰ１４において、処理用ＰＣ８により、上記ステップＰ１２，Ｐ１３において求めたバネ反力と慣性力とを加算して接触力を求める。
以上が、本発明に係るエリアカメラ２を用いた画像処理による接触力測定方法である。
【００４０】
以上のように、本実施形態に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、エリアカメラ２で撮影する範囲を指定することによって、時間分解能を上げることができる。これにより、測定可能周波数域を上記特許文献１に開示される方法よりも高くすることができる。
【００４１】
また、本実施形態に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、エリアカメラ２を用いているので、図２に示すような多分割すり板５ａ付のパンタグラフ４でも、上記特許文献２に開示されるラインセンサを用いた方法のようにラインセンサを複数台設置しなくても接触力を測定することができる。
【００４２】
また、本実施形態に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、エリアカメラ２を用いているので、図１に示すような多分割すり板５ａ付のパンタグラフ４であっても、上記特許文献２に開示されるラインセンサを用いた方法のように、カメラをパンタグラフ４のバネ６の数だけ設置する必要がない。
【００４３】
また、本実施形態に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、エリアカメラ２で撮影した画像を処理用ＰＣ８に保存しているので、異常等があった場合に、その箇所の画像を実際に見て異常等を確認することができる。なお、上記特許文献２に開示されるラインセンサを用いた方法のように、ラインセンサで撮影した画像は１次元画像であるので、パンタグラフ４の１部分しか撮影できない。したがって、パンタグラフ全体を見ることができない。
【００４４】
また、本実施形態に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、シングルアーム等のバネ６が少ないパンタグラフ４の場合や多分割すり板５ａ付のパンタグラフ４の場合であっても接触力を精度良く測定することができる。
【実施例２】
【００４５】
以下、本発明に係る接触力測定装置及び接触力測定方法の第２の実施例について説明する。
本実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、エリアカメラ２を複数台設置して、時間分解能を向上させる点が第１の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法と異なる。
【００４６】
図４は、第２の実施例に係る複数のエリアカメラ２のシャッタータイミングをずらして時間分解能を向上する方法を示した図である。
図４に示すように、本実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法においては、エリアカメラ２をＮ台設置し、図４中斜線で示す複数のエリアカメラ２のシャッタータイミングをパルスジェネレータを使用して、１／Ｎ周期ずつずらして撮影を行なう。そして、図４中に結果として示すように、撮影した画像を時間軸上に順番に並べ替えることにより、フレームレートをＮ倍にすることができる。
【００４７】
次に、本実施例に係る撮影画像を順番に並べたあとにパタンマッチングによりマーカー７の位置を求め、接触力を計算する場合の接触力測定方法について説明する。
図５は、第２の実施例に係る撮影画像を並べ替える場合の接触力測定方法を示したフローチャートである。
図５に示すように、第１の実施例と同様にステップＰ１０の実行後、ステップＰ２０において、処理用ＰＣ８により、上述したように複数のエリアカメラ２により撮影された画像を時間軸上に順番に並べ替える。ステップＰ２０の実行後は、第１の実施例と同様にステップＰ１１〜Ｐ１４を実行する。
以上が第２の実施例に係る撮影画像を並べ替える場合の接触力測定方法である。
【００４８】
次に、複数のエリアカメラ２により撮影された画像からパタンマッチングによりマーカー７の位置データを求め、求めたマーカー７の位置データを処理用ＰＣ８のメモリ上に記憶し、記憶したマーカー７の位置データを順番に並べ替えて接触力を計算する場合の接触力測定方法について説明する。なお、マーカー７の位置データは、バネ６の上下部分の位置データと考えることができる。
【００４９】
図６は、第２の実施例に係るマーカー７の位置データを並べ替える場合の接触力測定方法を示したフローチャートである。
図６に示すように、第１の実施例と同様にステップＰ１０，１１の実行後、ステップＰ２１において、処理用ＰＣ８により、上述したように複数のエリアカメラ２により撮影された画像から、ステップＰ１０においてパタンマッチングにより求めたマーカー７の位置を位置データとし、求めたマーカー７の位置データを処理用ＰＣ８のメモリ上に記憶する。そして、記憶したマーカー７の位置データを順番に並べ替えて接触力を計算する。ステップＰ２１の実行後は、第１の実施例と同様にステップＰ１２〜Ｐ１４を実行する。
以上が、第２の実施例に係るマーカー７の位置データを並べ替える場合の接触力測定方法である。
【００５０】
図５に示す撮影画像を並べ替える場合の接触力測定方法と、図６に示すマーカー７の位置データを並べ替える場合の接触力測定方法とでは、処理するデータは画像データと数値データで異なるが、最終的に得られる結果は同じである。しかしながら、図５に示す撮影画像を並べ替える場合の接触力測定方法における画像データを入れ替える処理よりも、図６に示すマーカー７の位置データを並べ替える場合の接触力測定方法における数値データを入れ替える処理の方が、処理時間を短くすることができる。
【００５１】
以上のように、本実施形態に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、エリアカメラ２をＮ台設置し、複数のエリアカメラ２のシャッタータイミングを１／Ｎ周期ずつずらして撮影を行なうことで、第１の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法よりも時間分解能をＮ倍することができる。そして、時間分解能が向上することにより、第１の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法よりも接触力の測定可能周波数域を高くすることができる。
【実施例３】
【００５２】
以下、本発明に係る接触力測定装置及び接触力測定方法の第３の実施例について説明する。
本実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、第１，２の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法において取得したマーカー７の位置データをスプライン補間し、データ間のマーカー７の位置を推定することにより、時間分解能をさらに向上させる。そして、時間分解能が向上することにより、接触力の測定可能周波数域をさらに高くすることができる。
【００５３】
ここで、スプライン補間について説明する。
図７は、スプライン補間の様子を示した図である。なお、図７においては、横軸を時間とし、縦軸をパンタグラフ変位として表している。
図７に示すように、スプライン補間は、データ点ｈ１〜ｈ７が得られた場合、全ての点を通るようなスプライン曲線を計算することで、データの補間を行なう方法である。
【００５４】
また、本実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、第２の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法のようにＮ台のエリアカメラ２を設置しなくても、エリアカメラ２をＮ台設置したときと同等か、それ以上の時間分解能を得ることができるため、車両１の屋根上に設置するエリアカメラ２の台数を少なくすることができる。
【００５５】
図８は、第３の実施例に係るスプライン補間処理を追加した場合の接触力測定方法を示したフローチャートである。
図８に示すように、第１の実施例と同様にステップＰ１０，１１の実行後、ステップＰ３０において、処理用ＰＣ８により、上述したようにステップＰ１０においてパタンマッチングにより求めたマーカー７の位置を位置データとし、求めたマーカー７の位置データをスプライン補間し、データ間のマーカー７の位置を推定する。ステップＰ３０の実行後は、第１の実施例と同様にステップＰ１２〜Ｐ１４を実行する。
【００５６】
なお、第２の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法にスプライン補間処理を追加した場合も、ステップＰ１２（図５，６参照）におけるバネ反力の計算の前にスプライン補間処理を追加することとなる。
【００５７】
以上のように、本実施形態に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、スプライン補間を行なうことにより、第１，２の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法よりもエリアカメラ２の設置台数を少なくすることができる。そして、エリアカメラ２の台数が少なくなっても、スプライン補間を行なうことで、第１，２の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法と同等か、それ以上の時間分解能を得ることができる。そして、時間分解能が向上することにより、第１の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法よりも接触力の測定可能周波数域を高くすることができる。
【実施例４】
【００５８】
以下、本発明に係る接触力測定装置及び接触力測定方法の第４の実施例について説明する。
本実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、エリアカメラ２で撮影した画像に対して、超解像度技術を用いて空間分解能を向上させる点が、第１の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法と異なる。なお、本実施例に係る接触力測定装置の構成は第１の実施例と同様である。
【００５９】
ここで、超解像度技術について説明する。
超解像度技術とは、複数枚の低解像度画像を使って、１枚の高解像度画像を生成する技術のことをいう（上記特許文献４参照）。そして、空間分解能を向上させることにより、バネ６の伸縮量や加速度を精度良く求めることができ、結果として接触力の精度を向上させることができる。
【００６０】
図９は、第４の実施例に係る超解像度技術により空間分解能を向上する方法を用いた接触力測定方法を示したフローチャートである。
図９に示すように、第１の実施例と同様にステップＰ１０の実行後、ステップＰ４０において、処理用ＰＣ８により、上述したように複数枚の低解像度画像を使って超解像度処理を行なうことにより、１枚の高解像度画像を生成する。ステップＰ４０の実行後は、第１の実施例と同様にステップＰ１１〜Ｐ１４を実行する。
【００６１】
このように、超解像度処理を追加することで、画像の空間分解能を向上させることができる。そして、空間分解能を向上させることにより、パンタグラフ４の高さを精度良く計算することができる。したがって、バネ６の伸縮量やパンタグラフ４の加速度を正確に求めることができるので、接触力の測定精度を向上させることができる。
【００６２】
なお、第２の実施例に係る接触力測定装置及び接触力測定方法に超解像度処理を追加した場合も、ステップＰ１１（図５，６参照）におけるパタンマッチングの前に超解像度処理を追加することとなる。
【００６３】
以上のように、本実施形態に係る接触力測定装置及び接触力測定方法は、撮影した画像に超解像度処理を施して高解像度化することにより、空間分解能を向上させ、接触力の測定精度を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、例えば、画像処理を用いて架線とパンタグラフ間の接触力を測定する接触力測定装置及び接触力測定方法、特に、パンタグラフの舟体を支持するバネが複数個ある場合に、エリアカメラで撮影した画像を処理して接触力を精度良く求める接触力測定装置及び接触力測定方法に利用することが可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１ 車両
２ エリアカメラ
３ 照明
４ パンラグラフ
５ すり板
５ａ 多分割すり板
６ バネ
７ マーカー
８ 処理用ＰＣ
９ 画像
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パンタグラフのバネの画像を撮影範囲を部分的に指定して時間分解能を向上させて撮影する撮影手段と、
前記画像中の前記バネを画像処理により検出する画像処理手段と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上下部分の位置から相対変位を計算し、相対変位の時間変化分を求めることにより前記バネの伸縮量を計算した上で、前記バネの伸縮量にバネ定数を乗ずることにより前記バネのバネ反力を求めるバネ反力計算手段と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上部の変位を２階微分することにより加速度を計算した上で、加速度に前記パンタグラフの等価質量を乗ずることにより慣性力を求める慣性力計算手段と、
前記バネ反力と前記慣性力とを加算することにより接触力を求める接触力計算手段と
を備える
ことを特徴とする接触力測定装置。
【請求項２】
パンタグラフのバネの画像を撮影する複数の撮影手段と、
複数の前記撮影手段によりシャッタータイミングをずらして撮影された画像を時間軸上に順番に並べ替える並べ替え手段と
前記画像中の前記バネを画像処理により検出する画像処理手段と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上下部分の位置から相対変位を計算し、相対変位の時間変化分を求めることにより前記バネの伸縮量を計算した上で、前記バネの伸縮量にバネ定数を乗ずることにより前記バネのバネ反力を求めるバネ反力計算手段と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上部の変位を２階微分することにより加速度を計算した上で、加速度に前記パンタグラフの等価質量を乗ずることにより慣性力を求める慣性力計算手段と、
前記バネ反力と前記慣性力とを加算することにより接触力を求める接触力計算手段と
を備える
ことを特徴とする接触力測定装置。
【請求項３】
前記画像処理手段により求めた前記バネの上下部分の位置を位置データとし、求めた前記バネの位置データにスプライン補間を施すスプライン補間手段を備える
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接触力測定装置。
【請求項４】
複数枚の低解像度画像を使って超解像度処理を行なうことにより、１枚の高解像度画像を生成する超解像度処理手段を備える
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接触力測定装置。
【請求項５】
パンタグラフのバネの画像を撮影範囲を部分的に指定して時間分解能を向上させて撮影する撮影処理と、
前記画像中の前記バネを画像処理により検出する画像処理と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上下部分の位置から相対変位を計算し、相対変位の時間変化分を求めることにより前記バネの伸縮量を計算した上で、前記バネの伸縮量にバネ定数を乗ずることにより前記バネのバネ反力を求めるバネ反力計算処理と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上部の変位を２階微分することにより加速度を計算した上で、加速度に前記パンタグラフの等価質量を乗ずることにより慣性力を求める慣性力計算処理と、
前記バネ反力と前記慣性力とを加算することにより接触力を求める接触力計算処理
を行う
ことを特徴とする接触力測定方法。
【請求項６】
パンタグラフのバネの画像を撮影する複数の撮影処理と、
複数の前記撮影手段によりシャッタータイミングをずらして撮影された画像を時間軸上に順番に並べ替える並べ替え処理と
前記画像中の前記バネを画像処理により検出する画像処理と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上下部分の位置から相対変位を計算し、相対変位の時間変化分を求めることにより前記バネの伸縮量を計算した上で、前記バネの伸縮量にバネ定数を乗ずることにより前記バネのバネ反力を求めるバネ反力計算処理と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上部の変位を２階微分することにより加速度を計算した上で、加速度に前記パンタグラフの等価質量を乗ずることにより慣性力を求める慣性力計算処理と、
前記バネ反力と前記慣性力とを加算することにより接触力を求める接触力計算処理
を行う
ことを特徴とする接触力測定方法。
【請求項７】
前記画像処理と前記バネ反力計算処理との間において、前記前記画像処理手段により求めた前記バネの上下部分の位置を位置データとし、求めた前記バネの位置データにスプライン補間を施すスプライン補間処理を行う
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の接触力測定方法。
【請求項８】
前記撮影処理と前記画像処理との間において、複数枚の低解像度画像を使って超解像度処理を行なうことにより、１枚の高解像度画像を生成する超解像度処理を行う
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の接触力測定方法。
【請求項１】
パンタグラフのバネの画像を撮影範囲を部分的に指定して時間分解能を向上させて撮影する撮影手段と、
前記画像中の前記バネを画像処理により検出する画像処理手段と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上下部分の位置から相対変位を計算し、相対変位の時間変化分を求めることにより前記バネの伸縮量を計算した上で、前記バネの伸縮量にバネ定数を乗ずることにより前記バネのバネ反力を求めるバネ反力計算手段と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上部の変位を２階微分することにより加速度を計算した上で、加速度に前記パンタグラフの等価質量を乗ずることにより慣性力を求める慣性力計算手段と、
前記バネ反力と前記慣性力とを加算することにより接触力を求める接触力計算手段と
を備える
ことを特徴とする接触力測定装置。
【請求項２】
パンタグラフのバネの画像を撮影する複数の撮影手段と、
複数の前記撮影手段によりシャッタータイミングをずらして撮影された画像を時間軸上に順番に並べ替える並べ替え手段と
前記画像中の前記バネを画像処理により検出する画像処理手段と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上下部分の位置から相対変位を計算し、相対変位の時間変化分を求めることにより前記バネの伸縮量を計算した上で、前記バネの伸縮量にバネ定数を乗ずることにより前記バネのバネ反力を求めるバネ反力計算手段と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上部の変位を２階微分することにより加速度を計算した上で、加速度に前記パンタグラフの等価質量を乗ずることにより慣性力を求める慣性力計算手段と、
前記バネ反力と前記慣性力とを加算することにより接触力を求める接触力計算手段と
を備える
ことを特徴とする接触力測定装置。
【請求項３】
前記画像処理手段により求めた前記バネの上下部分の位置を位置データとし、求めた前記バネの位置データにスプライン補間を施すスプライン補間手段を備える
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接触力測定装置。
【請求項４】
複数枚の低解像度画像を使って超解像度処理を行なうことにより、１枚の高解像度画像を生成する超解像度処理手段を備える
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接触力測定装置。
【請求項５】
パンタグラフのバネの画像を撮影範囲を部分的に指定して時間分解能を向上させて撮影する撮影処理と、
前記画像中の前記バネを画像処理により検出する画像処理と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上下部分の位置から相対変位を計算し、相対変位の時間変化分を求めることにより前記バネの伸縮量を計算した上で、前記バネの伸縮量にバネ定数を乗ずることにより前記バネのバネ反力を求めるバネ反力計算処理と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上部の変位を２階微分することにより加速度を計算した上で、加速度に前記パンタグラフの等価質量を乗ずることにより慣性力を求める慣性力計算処理と、
前記バネ反力と前記慣性力とを加算することにより接触力を求める接触力計算処理
を行う
ことを特徴とする接触力測定方法。
【請求項６】
パンタグラフのバネの画像を撮影する複数の撮影処理と、
複数の前記撮影手段によりシャッタータイミングをずらして撮影された画像を時間軸上に順番に並べ替える並べ替え処理と
前記画像中の前記バネを画像処理により検出する画像処理と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上下部分の位置から相対変位を計算し、相対変位の時間変化分を求めることにより前記バネの伸縮量を計算した上で、前記バネの伸縮量にバネ定数を乗ずることにより前記バネのバネ反力を求めるバネ反力計算処理と、
前記画像処理手段により検出した前記バネの上部の変位を２階微分することにより加速度を計算した上で、加速度に前記パンタグラフの等価質量を乗ずることにより慣性力を求める慣性力計算処理と、
前記バネ反力と前記慣性力とを加算することにより接触力を求める接触力計算処理
を行う
ことを特徴とする接触力測定方法。
【請求項７】
前記画像処理と前記バネ反力計算処理との間において、前記前記画像処理手段により求めた前記バネの上下部分の位置を位置データとし、求めた前記バネの位置データにスプライン補間を施すスプライン補間処理を行う
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の接触力測定方法。
【請求項８】
前記撮影処理と前記画像処理との間において、複数枚の低解像度画像を使って超解像度処理を行なうことにより、１枚の高解像度画像を生成する超解像度処理を行う
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の接触力測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−１６９５０６（Ｐ２０１０−１６９５０６Ａ）
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１６５０（Ｐ２００９−１１６５０）
【出願日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【出願人】（０００００６１０５）株式会社明電舎 (1,739)
【出願人】（０００１７３７８４）財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【出願人】（０００００６１０５）株式会社明電舎 (1,739)
【出願人】（０００１７３７８４）財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]