受電弓測定方法以及受電弓測定裝置制造方法
【專利摘要】一種基于圖像處理的受電弓測定方法，其特征在于，該圖像處理包括：取得設置于受電弓(40)的標記(50)的影像，根據(jù)所取得的影像生成時空圖像的步驟(S1)；通過將時空圖像與和高度對應的搜索圖案進行對照來搜索標記(50)的步驟，(50)是交替配置難以反射光的第1區(qū)域(51)和易于反射光的第2區(qū)域(52)而成的條紋花紋，并且，第2區(qū)域(52)為至少二個以上且條紋寬度各自不同，搜索圖案對應于標記的條紋花紋。
【專利說明】受電弓測定方法以及受電弓測定裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及通過圖像處理來測定受電弓的受電弓測定方法以及基于該方法的受 電弓測定裝置。

【背景技術】
[0002] 作為電氣化鐵路的設備有架空線，但架空線必須架設在離軌道面規(guī)定高度的范圍 內。
[0003] 因此，為了不受長期變化、車輛的動態(tài)因子的影響，需要管理架空線的高度是否收 斂于管理值內。此時，架空線的高度與受電弓的高度相等，所以代用受電弓的高度來進行管 理。受電弓是設置在電氣化鐵路車輛的車頂上的集電裝置之一。
[0004] 另外，如果在運轉中受電弓以較大的加速度向下方振動，則受電弓和架空線分離， 架空線由于其電弧而發(fā)生局部磨損。因此，需要進行管理以使受電弓的加速度變小。
[0005] 作為受電弓的測定單元，有被稱為檢測車、車輛極限測定車等專用的測定車，利用 運營運轉的空閑時間，每隔固定周期運用一次。在這些測定車上安裝有許多測定車體的傾 斜、軌道的偏移等的傳感器，作為該傳感器之一有受電弓的測定傳感器（電氣學會著"電車 線路設備維護的現(xiàn)代化技術"）。
[0006] 受電弓測定方法有激光傳感器方式、光切傳感器方式、加速度傳感器方式、圖像處 理方式，有以下特征。
[0007] 1)激光傳感器是如下傳感器：主要使用掃描式，用反射鏡等對受電弓掃描激光， 通過其反射波的位置差、所照射的激光形狀的變形，而測定到受電弓的距離。
[0008] 2)光切傳感器是如下傳感器：將條紋投光到測定對象，且接收根據(jù)受電弓形狀而 變?yōu)榘纪沟臈l紋，測定到受電弓的距離。
[0009] 3)加速度傳感器是通過陀螺儀、壓電元件等輸出加速度的傳感器，并且是直接安 裝于受電弓來測定受電弓的加速度的傳感器。
[0010] 4)圖像處理方式有通過模型匹配、圖案匹配來檢測受電弓的方式。
[0011] 但是，在這些方式中也存在如下那樣的問題。
[0012] 1.關于激光傳感器的掃描周期，因為使反射鏡旋轉的馬達的轉速極限、和防止反 射鏡的共振，所以掃描周期相對較慢。由此，激光傳感器存在雖然能夠測定受電弓的位置 (低頻率分量），但不適合加速度（高頻率分量）的測定的問題。
[0013] 2.光切傳感器無法在白天進行測定。由此，在熱膨脹劇烈的白天無法進行測定。
[0014] 3.用加速度傳感器來測定受電弓的加速度的方法是當前主要使用的方法。但是需 要以下的對策，并非簡易的測定方法。
[0015] (A)需要將傳感器直接固定在受電弓上。
[0016] (B)對于取出傳感器輸出電壓的纜線需要考慮抗噪性。
[0017] (C)對于取出傳感器輸出電壓的纜線需要考慮絕緣性。
[0018] 4.圖像處理方式存在在測定時間長的情況、每單位時間的幀頻數(shù)多的情況下，計 算處理變得龐大的問題。另外，有由于隧道坑口、高架橋下等背景的急劇的變化，所以暫時 地看漏受電弓，從而發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的危險。
[0019] 相對這些，在"基于圖像處理的受電弓測定裝置（日本特開2008-04312號）"（專 利文獻1)中，為了解決上述課題，通過在受電弓上安裝既知的標記，因為黑標記將背景（天 空等）與白標記切分開，所以即使在白天也能夠搜索該圖案，從而能夠進行測定，并且，即 使隧道坑口等背景突然變化了，由于白標記反射投光器的光，所以數(shù)據(jù)不會缺失，能夠連續(xù) 地進行測定。
[0020] 但是，在該方式中，如圖8所示，在具有鏡面光澤的構造物通過標記之上時，在從 照相機拍攝到的圖像中映出實物的標記和鏡面反射出的標記這2個標記，存在引起誤識別 的可能性。
[0021] 專利文獻1 :日本特開2008-104312號


【發(fā)明內容】

[0022] 受電弓測定方法有激光傳感器方式、光切傳感器方式、加速度傳感器方式、圖像處 理方式、使用了專利文獻1的線傳感器的基于圖像處理的測定方法，存在接下來的問題。
[0023] (1)關于激光傳感器的掃描周期，因為使反射鏡旋轉的馬達的轉速極限、和防止反 射鏡的共振，所以掃描周期相對較慢。由此，激光傳感器存在雖然能夠測定受電弓的位置 (低頻率分量），但不適合加速度（高頻率分量）的測定的問題。
[0024] (2)光切傳感器在白天無法進行測定。由此，在熱膨脹劇烈的白天無法進行測定。
[0025] (3)用加速度傳感器來測定受電弓的加速度的方法是當前主要使用的方法。但 是，需要以下等的對策，并非簡易的測定方法，該對策是指：需要將傳感器直接固定在受電 弓上；對于取出傳感器輸出電壓的纜線需要考慮抗噪性；對于取出傳感器輸出電壓的纜線 需要考慮絕緣性。
[0026] (4)圖像處理方式存在在測定時間長的情況、每單位時間的幀頻數(shù)多的情況下，計 算處理變得龐大的問題。
[0027] 另外，有由于隧道坑口、高架橋下等背景的急劇的變化，所以暫時地看漏受電弓， 從而發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的危險。
[0028] 另外，在專利文獻1中，如圖8所示，在受電弓4上安裝有白黑等寬的標記5,所以 在具有鏡面光澤的構造物6通過標記5之上時，在從照相機拍攝到的圖像中映出實物的標 記5和由構造物6鏡面反射出的標記61這2個標記，存在引起誤識別的可能性。
[0029] 解決上述課題的本發(fā)明的第1方面的基于圖像處理的受電弓測定方法，該圖像處 理包括：從設置在車輛的車頂上的線傳感器取得設置于受電弓的標記的影像，根據(jù)所取得 的影像生成時空圖像的步驟；通過將所述時空圖像與和高度對應的搜索圖案進行對照來搜 索標記的步驟；將與所述搜索圖案一致或者一定程度以上近似的部位記錄為受電弓位置的 步驟；以及根據(jù)所記錄的受電弓位置測定高度和加速度的步驟，所述受電弓測定方法的特 征在于，所述標記是交替配置難以反射光的第1區(qū)域和易于反射光的第2區(qū)域而成的條紋 花紋，并且，所述第2區(qū)域為至少二個以上且條紋寬度各自不同，所述搜索圖案對應于所述 標記的條紋花紋。
[0030] 解決上述課題的本發(fā)明的第2方面的基于圖像處理的受電弓測定裝置，具備：線 傳感器，設置于車輛的車頂上，取得設置于受電弓的標記的影像；以及圖像處理部，根據(jù)由 所述線傳感器取得的影像生成時空圖像，將所述時空圖像與和高度對應的搜索圖案進行對 照，從而搜索標記，將與所述搜索圖案一致或者一定程度以上近似的部位記錄為受電弓位 置，根據(jù)所記錄的受電弓的位置測定高度和加速度，所述受電弓測定裝置的特征在于，所述 標記是交替配置難以反射光的第1區(qū)域和易于反射光的第2區(qū)域而成的條紋花紋，并且，所 述第2區(qū)域為至少二個以上且條紋寬度各自不同，所述搜索圖案對應于所述標記的條紋花 紋。
[0031] ⑴由于是非接觸的方式，所以在高速行駛中也能夠運用。
[0032] (ii)在裝置的構造上，在離開接點（point)、空氣段、錨這樣的既存構造物的位置 設置傳感器，所以無需考慮與既存構造物的沖突。
[0033] (iii)無需使用特別的照明。
[0034] (iv)相比于使用激光的方法，無需考慮對人體的影響，處置簡單。
[0035] (V)相比于使用激光的方法，沒有在光源與受光裝置之間進行精密的對位的麻煩。
[0036] (vi)通過拍攝安裝于受電弓的標記并進行圖案匹配，從而在白天也能夠拍攝。
[0037] (vii)即使在隧道坑口等背景的亮度急劇變化的情況下，也能夠連續(xù)地取得數(shù)據(jù)。
[0038] (viii)即使具有鏡面光澤的構造物通過標記之上而引起鏡面反射，也不會誤識別 而能夠連續(xù)地取得數(shù)據(jù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039] 圖1 (a)是基于基本的考慮方法的受電弓測定裝置的概略圖，圖1 (b)是在該圖（a) 中虛線所包圍的部分Η的放大圖。
[0040] 圖2是示出基于基本的考慮方法的標記花紋的例子的說明圖。
[0041] 圖3是示出基于基本的考慮方法的受電弓測定方法的流程圖。
[0042] 圖4是示出時空圖像例的圖形。
[0043] 圖5是示出搜索圖案的生成例的說明圖。
[0044] 圖6是示出受電弓的掃描的圖形。
[0045] 圖7是示出受電弓的位置的插值的圖形。
[0046] 圖8(a)是示出以往技術的有鏡面光澤的構造物以及設置于受電弓的標記的說明 圖，圖8(b)是在該圖（a)中虛線所包圍的部分Β的放大圖。
[0047] 圖9(a)是示出本發(fā)明的有鏡面光澤的構造物以及設置于受電弓的標記的說明 圖，圖9(b)是在該圖（a)中虛線所包圍的部分C的放大圖。
[0048] (符號說明）
[0049] 10 :車輛；20 :線傳感器；30 :照明器具；40 :受電弓；50 :標記；51 :黑標記；52 :白 標記；60 :圖像處理部；70 :記錄裝置。

【具體實施方式】
[0050] 以下，參照附圖所示的實施例，詳細說明本發(fā)明。
[0051] 實施例1
[0052] (1)基本的考慮方法
[0053] 本實施例以通過圖像處理簡便地測定受電弓的高度和加速度為目的。
[0054] 在其結構中，例如，如圖1所示，在車輛10的車頂上設置線傳感器20和照明器具 30,一邊用照明器具30進行照明，一邊用線傳感器20取得安裝于受電弓40的弓頭的標記 50的影像。
[0055] 此處，關于線傳感器20設為圖中箭頭所示的線傳感器拍攝面設置于在上下方向 垂直地切斷受電弓40和標記50的方向上，且不論受電弓40變動到哪個高度，都必須能夠 拍到標記50。
[0056] 如在圖2中放大所示，標記50是如下條紋花紋：以難以反射光的顏色、材質的第1 區(qū)域51 (以后稱為黑標記）為基礎，重疊易于反射光的顏色、材質的第2區(qū)域52 (以后稱為 白標記）。此處，白標記52為2條以上,且設為各自寬度不同的形狀。另外，黑標記51為3 條以上，設為寬度相等。
[0057] 作為照明器具30而使用通常的照明器具。
[0058] 進而，針對由線傳感器20取得的圖像，在圖像處理部60中進行圖像處理，將圖像 處理的結果、所測量出的受電弓40的高度和加速度記錄到記錄裝置70中。
[0059] 圖像處理部60中的圖像處理方式依照圖3所示的流程圖，如下所述，按照時空圖 像生成（步驟S1)、圖案匹配（步驟S2)、受電弓位置插值（步驟S3)、處理結束判定（步驟 S4)、高度/加速度輸出（步驟S5)的順序進行處理。
[0060] 〈時空圖像生成〉
[0061] 首先，通過線傳感器20,針對每單位時間（針對每幀頻）取得安裝于受電弓40的 標記50的影像，如圖4所示，生成將線傳感器20的輸出、即線傳感器拍攝面的高度方向作 為縱軸且將時間作為橫軸的時空圖像。
[0062] 關于圖4所示的時空圖像，按照標記50的形狀，連續(xù)地拍攝有由光的反射少的黑 色的帶和光的反射多的白色的帶構成的條紋花紋。即，拍攝有由二個白區(qū)域和三個黑區(qū)域 構成的條紋花紋。
[0063] 另外，高速橫穿受電弓附近的電車線設備等受電弓的背景表現(xiàn)為噪聲N。
[0064] 〈圖案匹配〉
[0065] 受電弓40的位置越高，通過線傳感器20拍攝的標記50與線傳感器20的距離越 遠，從而被拍攝為越小的圖像。因此，如果將標記50的大小和線傳感器20的朝向考慮進來， 則根據(jù)時空圖像上的位置方向，大致確定映現(xiàn)的標記50的大小。
[0066] 因此，如圖5所示，生成與標記的花紋和高度對應的搜索圖案。即，搜索圖案是呈 現(xiàn)大小二個山形的圖案，且圖像上的位置越高則變得越低的圖案，該大小二個山形的圖案 與寬度不同的2個白標記52對應且具有高亮度。
[0067] 另外，如圖6所示，針對每單位時間，在時空圖像中使掃描線a從上方朝下掃描， 搜索與搜索圖案一致的部位。即，將時空圖像與和高度對應的搜索圖案進行對照（圖案匹 配），一致就將部位記錄為受電弓位置，并且，即便在不一致時，只要是一定程度以上近似的 圖案，則也關于掃描線a，從最近似的部位開始附加位次而記錄為多個受電弓位置。
[0068] 即，如圖6所示，如第1候補bl、第2候補b2那樣記錄多個。另外，在不存在近似 的部位的情況下保留。
[0069] 〈受電弓位置插值〉
[0070] 在圖案匹配中，關于如圖7所示地保留了的受電弓位置（保留部分）cl、未連結的 受電弓位置（不連結部分）c2,根據(jù)前后的點而補全位置。
[0071] 在插值的方法中，有簡單地以填上保留部分或者不連結部分的間隙的方式直線地 進行補全的方法，但也可以通過其他方法補全。
[0072] 〈處理結束判定〉
[0073] 關于全部時空圖像，如上所述，反復進行圖案匹配（S2)、受電弓位置插值（S3)的 處理，將與搜索圖案一致或者一定程度以上近似的部位作為受電弓位置而記錄到記錄裝置 70中。
[0074]〈高度輸出〉
[0075] 將記錄在記錄裝置70中的受電弓位置作為高度而輸出。
[0076]〈加速度輸出〉
[0077] 在記錄裝置70中記錄的受電弓位置，求出向下凸的拐點的極值，將規(guī)定的值以上 的極值作為加速度而輸出。
[0078] 在本實施例中，通過圖像處理來測定受電弓高度和加速度，由于是非接觸的方式， 所以能夠實現(xiàn)高速的運用。
[0079] 另外，在裝置的構造上，在離開接點、空氣段、錨這樣的既存構造物的位置設置傳 感器，所以無需考慮與既存構造物的沖突，基本上能夠在全部的區(qū)間中拍攝傳感器圖像。
[0080] 另外，無需使用特別的照明，沒有如使用激光那樣的要考慮對人體的影響來進行 處置的難度。沒有進行光源與受光裝置之間的精密的對位的麻煩。
[0081] 因為安裝于受電弓40上的標記50的花紋既知，且黑標記51將背景（天空等）和 白標記52切分開，所以即使在白天也能夠通過搜索其圖案來進行測定。
[0082] 另外，在專利文獻1中，如圖8所示，在受電弓4上安裝有白黑等寬的標記5,所以 在具有鏡面光澤的構造物6通過標記5之上時，在從照相機拍攝到的圖像中映現(xiàn)實物的標 記5和由構造物6鏡面反射了的標記61這2個標記，存在引起誤識別的可能性。
[0083] 在本實施例中，如圖9那樣，在受電弓40上設置了包括不同的條紋寬度的2條以 上的白標記52的標記50,所以在由具有鏡面光澤的構造物6鏡面反射出的標記（映入了的 標記）62中上下相反地以相異方式映現(xiàn)花紋，所以只要使用例如圖5所示的搜索圖案，就不 會引起誤識別，能夠連續(xù)地取得數(shù)據(jù)。
[0084] 產(chǎn)業(yè)上的可利用性
[0085] 本發(fā)明在產(chǎn)業(yè)上被廣泛用作能夠連續(xù)地取得受電弓的位置、加速度的受電弓測定 方法以及利用該方式的受電弓測定裝置。
【權利要求】
1. 一種基于圖像處理的受電弓測定方法， 該圖像處理包括： 從設置在車輛的車頂上的線傳感器取得設置于受電弓的標記的影像，根據(jù)所取得的影 像生成時空圖像的步驟； 通過將所述時空圖像與和高度對應的搜索圖案進行對照來搜索標記的步驟； 將與所述搜索圖案一致或者一定程度以上近似的部位記錄為受電弓位置的步驟；以及 根據(jù)所記錄的受電弓位置測定高度和加速度的步驟， 所述受電弓測定方法的特征在于， 所述標記是交替配置難以反射光的第1區(qū)域和易于反射光的第2區(qū)域而成的條紋花 紋，并且，所述第2區(qū)域為至少二個以上且條紋寬度各自不同， 所述搜索圖案對應于所述標記的條紋花紋。
2. -種基于圖像處理的受電弓測定裝置，具備： 線傳感器，設置于車輛的車頂上，取得設置于受電弓的標記的影像；以及 圖像處理部，根據(jù)由所述線傳感器取得的影像生成時空圖像，將所述時空圖像與和高 度對應的搜索圖案進行對照，從而搜索標記，將與所述搜索圖案一致或者一定程度以上近 似的部位記錄為受電弓位置，根據(jù)所記錄的受電弓的位置測定高度和加速度， 所述受電弓測定裝置的特征在于， 所述標記是交替配置難以反射光的第1區(qū)域和易于反射光的第2區(qū)域而成的條紋花 紋，并且，所述第2區(qū)域為至少二個以上且條紋寬度各自不同， 所述搜索圖案對應于所述標記的條紋花紋。
【文檔編號】B60M1/28GK104145171SQ201380011644
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年2月18日 優(yōu)先權日:2012年2月29日
【發(fā)明者】渡部勇介, 庭川誠 申請人:株式會社明電舍