(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一レールを前後の位置でそれぞれ撮影するように２台の撮影手段が鉄道車両に設置され、その２台の撮影手段によって得られる各画像データに基づいて演算処理を行う相対変位測定手段を有する鉄道車両用測定装置であって、
前記相対変位測定手段は、前記各画像データの濃淡値を示す２次元配列データからレールに直交する方向の濃淡データを抽出して前記同一レールの前後位置の２つの濃淡波形を形成し、
その２つの濃淡波形について相関演算することにより、前記２台の撮影手段が撮影した前記同一レールの各測定点についてレール直交方向のズレ量である相対変位量を算出するものであることを特徴とする鉄道車両用測定装置。
【請求項２】
同一レールを前後の位置でそれぞれ撮影するように２台の撮影手段が鉄道車両に設置され、その２台の撮影手段によって得られる各画像データに基づいて演算処理を行う相対変位測定手段を有する鉄道車両用測定装置であって、
前記相対変位測定手段は、前記各画像データの濃淡値を示す２次元配列データからレールに直交する方向の濃淡データを抽出して前記同一レールの前後位置の２つの濃淡波形を形成し、
その２つの濃淡波形から更にそれぞれ所定の範囲を特定して抜き取った波形を濃淡波形１と濃淡波形２とし、
抜き取り範囲が広い濃淡波形１に対して抜き取り範囲の狭い濃淡波形２の位置をレールに直交する方向にずらしながら当該濃淡波形１の任意の区間と濃淡波形２との相関演算を順次行い、
相関演算結果が最も高くなる前記濃淡波形２のズレ量から前記２台の撮影手段が撮影した前記同一レールの各測定点についてレール直交方向の相対変位量を算出するものであることを特徴とする鉄道車両用測定装置。
【請求項３】
同一レールを前後の位置でそれぞれ撮影するように２台の撮影手段が鉄道車両に設置され、その２台の撮影手段によって得られる複数画素の各画像データに基づいて演算処理を行う相対変位測定手段を有する鉄道車両用測定装置であって、
前記相対変位測定手段は、前記各画像データの濃淡値を示す２次元配列データからレールに直交する方向に１画素分の幅で濃淡データを抽出して前記同一レールの前後位置の２つの濃淡波形を形成し、
その２つの濃淡波形から更にそれぞれ所定の範囲を特定して抜き取った波形を濃淡波形１と濃淡波形２とし、
抜き取り範囲が広い濃淡波形１に対して抜き取り範囲の狭い濃淡波形２の位置をレールに直交する方向に１画素分ずつずらしながら当該濃淡波形１の任意の区間と濃淡波形２との相関演算を順次行い、
相関演算結果が最も高くなった前記濃淡波形２をずらした相対移動画素数に１画素当たりの距離値を掛けた値を、前記２台の撮影手段が撮影した前記同一レールの各測定点について、その間のレール直交方向の相対変位量として算出するものであることを特徴とする鉄道車両用測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載する鉄道車両用測定装置において、
前記相対変位測定手段は、前記撮影手段の高さ方向の変位を計測するように、鉄道車両に設置された高さ変位センサから得られた高さデータに基づき、前記１画素当たりの距離値の補正を行って相対変位量を算出するようにしたものであることを特徴とする鉄道車両用測定装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載する鉄道車両用測定装置において、
前記撮影手段が取り付けられた台車枠、軸箱又は車体である鉄道車両運動部についてその運動部アタック角を算出する運動部アタック角演算手段を有し、
前記運動部アタック角演算手段は、前記相対変位測定手段によって算出された相対変位量を前記２台の撮影手段を配置したレール前後方向の測定間距離で割ることによって前記運動部アタック角を算出することを特徴とする鉄道車両用測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載する鉄道車両用測定装置において、
前記鉄道車両運動部の左右両側の前後２箇所に設けられた前後方向変位を測定するための前後変位センサから得られた前後変位データ、前記鉄道車両運動部に取り付けられたジャイロセンサから得られたヨー角速度データ及び、車両に取り付けられた速度センサから得られた走行速度データを使用して演算処理を行う輪軸ステア角演算手段、曲線半径演算手段及び輪軸アタック角演算手段を有し、
前記輪軸ステア角演算手段は、前記前後変位センサの前後変位データ及び前記前後変位センサの前後方向の距離によって台車枠と各輪軸の間の相対ヨー角を算出し、
前記曲線半径演算手段は、前記ヨー角速度データ及び走行速度データによって走行位置の曲線半径を算出し、
前記輪軸アタック角演算手段は、前後する輪軸間の距離の２分の１の値と前記曲線半径の値によって台車と輪軸の両レール接線のなす接線方向角を算出し、更にその接線方向角と前記運動部アタック角及び相対ヨー角によって輪軸アタック角を算出するものであることを特徴とする鉄道車両用測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両の走行試験において、２点間の相対変位を非接触で測定し、その測定結果を用いて輪軸のアタック角（車輪進行方向とレールとのなす角度）を演算するための鉄道車両用測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両の曲線通過特性は、車輪・レールの断面形状、輪軸のアタック角、曲率半径、走行速度、軸箱の前後左右の支持剛性など、多くの要因によって影響される。特に、こうした要因のうち曲線通過時の横圧は輪軸のアタック角に大きく依存するので、曲線通過時の横圧の低減策を検討するためには、実際の曲線走行時における輪軸のアタック角の実体を把握することが不可欠である。
【０００３】
輪軸アタック角を測定するには、測定点間の相対変位量を求める必要があるが、従来その方法としては、台車枠の先端にＴＶカメラを取り付け、走行中の車輪とレールの様子を映像信号としてＶＴＲに送って記録しておき、後でその記録映像からレールと車輪の輪郭の距離を画面上にものさしをあてて読み取り実寸に換算することで両者間の距離を測定していた。しかし、これでは走行中リアルタイムに輪軸アタック角を測定することが不可能であることから、特開平６−２３５６０９号公報に、走行中リアルタイムに測定できる装置が提案されている。
【０００４】
図９は、当該公報に記載されたアタック角測定装置を示す構成図であり、図１０は、そのアタック角測定装置を構成するレール位置測定手段を示す構成図、そして図１１は、そのレール位置測定手段の取り付け位置を示す平面図である。先ず、図１１に示すように、検出ヘッド１００が車軸３０１と直角方向でレール２００の直上になるように、車輪３００を挟んで取り付けられる。そして検出ヘッド１００では、図１０に示すように、レーザ光源１０１からの光ビームが投光レンズ１０２を通して線状光投影ビームとなり、レール２００の面上に投影した線状光投影ビームの散乱光が受光レンズ１０３で集光してＣＣＤラインセンサ１０４上に結像される。ＣＣＤラインセンサ１０４からは、端の画素から順次走査による各画素の受光量に比例した電圧がシリアルに取り出される。
【０００５】
ＣＣＤラインセンサ１０４で取り出された信号は、信号ケーブル１０５を介して信号処理部１１０へ送られ、信号処理部のＡ／Ｄ変換器１１１でディジタル信号に変換されてメモリ１１２に格納される。そして、メモリ１１２に格納された受光量データの光量分布に対して、適当に設けられた光量のしきい値を横切る画素位置からそれぞれ両側のレール端位置がＣＰＵ１１３により求められ、その結果は出力インターフェイス１１４を介して図９に示すようにアタック角を算出する演算手段１２０へと出力される。
【０００６】
ところで、走行中の車輪３００と車軸軸箱３１０の関係は、車輪３００が車軸３０１に平行移動する動きだけのため、２つの検出ヘッド１００を結ぶ線と車輪３００とのなす角度は常に一定に保たれている。図１１において、測定すべきアタック角は車輪３００とレール２００のなす角φであり、一方の検出ヘッド１００でレール２００の内側エッジ位置ＤＡが測定され、他方の検出ヘッド１００でレール２００の内側エッジ位置ＤＢが測定される。そこで、２つの検出ヘッド１００の測定位置の間隔はＬであり、Ｄ０を検出ヘッド１００を車軸に取付けた状態で決まるオフセット定数であるとすると、本従来例では演算装置２３によって次の（１１）式からアタック角を算出する。
φ＝ｔａｎ-1｛（ＤＢ−ＤＡ＋Ｄ０）／Ｌ｝            （１１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、レール２００の内側エッジ位置ＤＡ，ＤＢを測定してアタック角を算出していた従来の装置では、適切な照明を得られないとき、又は散乱光があるとき、更には枕木や砂利が目立つ低速運転時など、外乱要因を受けてレール頭頂部のみが明るく浮き上がらず濃淡変化量が小さくなってしまい、レール側面の位置が検出しづらくなって正確に測定できないといった問題があった。
すなわち前記従来例では、前後の検出ヘッド１００から得られた濃淡の測定データによって算出されるが、それは、受光量データの光量分布から適当な光量のしきい値を設け、そのしきい値で横切る画素位置をレール２００の内側エッジ位置ＤＡ，ＤＢとして行っている。
【０００８】
例えばレール２００が直射日光にさらされた状態などで測定を行う場合、レール２００から光源１０１による投影パターン８と直射日光による散乱光が同時に受光系に入ってしまい、レール踏面上だけでなく受光軸上にある背景からの散乱光も含まれてしまって、内側エッジ位置ＤＡ，ＤＢを認識する適切な濃淡波形が得られなくなる。そのため、従来のアタック角測定装置では、狭帯域波長フィルターで背景光をカットしたり、方形波を発生する発振器を使用して方形波信号をもとに光源１０１の点灯・消灯時の受光データの差を計算したデータをもとにレール端の位置を検出するなど、外乱光の影響を受けない測定方法がとられていた。しかし、従来こうした手段を講じても誤検出に対する信頼性は必ずしも高いものでなかった。
【０００９】
そこで本発明は、こうした課題を解決すべく、外乱要因の影響を受けずに測定点間の正確な相対変位量を測定する鉄道車両用測定装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る鉄道車両用測定装置は、同一レールを前後の位置でそれぞれ撮影するように２台の撮影手段が鉄道車両に設置され、その２台の撮影手段によって得られる各画像データに基づいて演算処理を行う相対変位測定手段を有するものであって、前記相対変位測定手段は、前記各画像データの濃淡値を示す２次元配列データからレールに直交する方向の濃淡データを抽出して前記同一レールの前後位置の２つの濃淡波形を形成し、
その２つの濃淡波形について相関演算することにより、前記２台の撮影手段が撮影した前記同一レールの各測定点についてレール直交方向のズレ量である相対変位量を算出するものであることを特徴とする。
よって、本発明によれば、レールの横から日光が強く当たるなどの状況では、レール頭頂部と枕木や砂利との濃淡上の区別が付きにくくなるが、そんな場合にでもレール頭頂部、特にレールエッジを検出するわけではなく、抽出した濃淡波形そのものの相関度合いによって相対変位量を算出するため、レールエッジを認識し難いような濃淡の波形であっても正確に相対変位量を測定することが可能となる。
【００１１】
本発明に係る鉄道車両用測定装置は、同一レールを前後の位置でそれぞれ撮影するように２台の撮影手段が鉄道車両に設置され、その２台の撮影手段によって得られる各画像データに基づいて演算処理を行う相対変位測定手段を有するものであって、前記相対変位測定手段は、前記各画像データの濃淡値を示す２次元配列データからレールに直交する方向の濃淡データを抽出して前記同一レールの前後位置の２つの濃淡波形を形成し、その２つの濃淡波形から更にそれぞれ所定の範囲を特定して抜き取った波形を濃淡波形１と濃淡波形２とし、抜き取り範囲が広い濃淡波形１に対して抜き取り範囲の狭い濃淡波形２の位置をレールに直交する方向にずらしながら当該濃淡波形１の任意の区間と濃淡波形２との相関演算を順次行い、相関演算結果が最も高くなる前記濃淡波形２のズレ量から前記２台の撮影手段が撮影した前記同一レールの各測定点についてレール直交方向の相対変位量を算出するものであることを特徴とする。
よって、本発明によれば、抽出した濃淡波形そのものの相関度合いによって相対変位量を算出するため、レールエッジを認識し難いような濃淡の波形であっても正確に相対変位量を測定することが可能となる。そして、相関演算には画像データからレール直交方向において所定範囲を特定して抜き取った濃淡波形を用いるため、高速演算の負荷は小さく有利となる。
【００１２】
また、本発明に係る鉄道車両用測定装置は、同一レールを前後の位置でそれぞれ撮影するように２台の撮影手段が鉄道車両に設置され、その２台の撮影手段によって得られる複数画素の各画像データに基づいて演算処理を行う相対変位測定手段を有するものであって、前記相対変位測定手段は、前記各画像データの濃淡値を示す２次元配列データからレールに直交する方向に１画素分の幅で濃淡データを抽出して前記同一レールの前後位置の２つの濃淡波形を形成し、その２つの濃淡波形から更にそれぞれ所定の範囲を特定して抜き取った波形を濃淡波形１と濃淡波形２とし、抜き取り範囲が広い濃淡波形１に対して抜き取り範囲の狭い濃淡波形２の位置をレールに直交する方向に１画素分ずつずらしながら当該濃淡波形１の任意の区間と濃淡波形２との相関演算を順次行い、相関演算結果が最も高くなった前記濃淡波形２をずらした相対移動画素数に１画素当たりの距離値を掛けた値を、前記２台の撮影手段が撮影した前記同一レールの各測定点について、その間のレール直交方向の相対変位量として算出するものであることを特徴とする。
よって、本発明によれば、抽出した濃淡波形そのものの相関度合いによって相対変位量を算出するため、レールエッジを認識し難いような濃淡の波形であっても正確に相対変位量を測定することが可能となる。そして、相関演算には画像データから１画素分のスライスラインを切り出した濃淡波形を用いるため、高速演算の負荷は小さく有利となる。
【００１３】
また、本発明に係る鉄道車両用測定装置は、前記相対変位測定手段が、前記撮影手段の高さ方向の変位を計測するように、鉄道車両に設置された高さ変位センサから得られた高さデータに基づき、前記１画素当たりの距離値の補正を行って相対変位量を算出するようにしたものであることが好ましい。
よって、本発明によれば、上下動による撮影手段の水平視野が変化した場合にでも、変動した１画素当たりの距離値を補正することにより相対変位量を正確に測定することが可能となる。
【００１４】
本発明に係る鉄道車両用測定装置は、前記撮影手段が取り付けられた台車枠、軸箱又は車体である鉄道車両運動部についてその運動部アタック角を算出する運動部アタック角演算手段を有し、前記運動部アタック角演算手段は、前記相対変位測定手段によって算出された相対変位量を前記２台の撮影手段を配置したレール前後方向の測定間距離で割ることによって前記運動部アタック角を算出するものであることが好ましい。
よって、本発明によれば、前記相対変位測定手段によって正確な測定変位量が得られるため、運動部アタック角演算手段によって正確な運動部アタック角を算出することができる。
【００１５】
本発明に係る鉄道車両用測定装置は、前記鉄道車両運動部の左右両側の前後２箇所に設けられた前後方向変位を測定するための前後変位センサから得られた前後変位データ、前記鉄道車両運動部に取り付けられたジャイロセンサから得られたヨー角速度データ及び、車両に取り付けられた速度センサから得られた走行速度データを使用して演算処理を行う輪軸ステア角演算手段、曲線半径演算手段及び輪軸アタック角演算手段を有し、前記輪軸ステア角演算手段は、前記前後変位センサの前後変位データ及び前記前後変位センサの前後方向の距離によって台車枠と各輪軸の間の相対ヨー角を算出し、前記曲線半径演算手段は、前記ヨー角速度データ及び走行速度データによって走行位置の曲線半径を算出し、前記輪軸アタック角演算手段は、前後する輪軸間の距離の２分の１の値と前記曲線半径の値によって台車と輪軸の両レール接線のなす接線方向角を算出し、更にその接線方向角と前記運動部アタック角及び相対ヨー角によって輪軸アタック角を算出するものであることが好ましい。
よって、本発明によれば、前記相対変位測定手段によって正確な測定変位量が得られるため、輪軸アタック角演算手段などによって正確な輪軸アタック角を算出することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る鉄道車両用測定装置の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。
先ず、横圧に影響を及ぼす輪軸のアタック角は、レールと車輪の進行方向とのなす角であるが、測定点を台車の第１軸及び第２軸に設けて測定する場合、図１に示す輪軸アタック角の定義関係図から次式が得られる。
Φ１＝Φｔ＋Φｗ１＋ａ／Ｒ                  （１）
Φ２＝Φｔ＋Φｗ２−ａ／Ｒ                  （２）
Φｎ  ：輪軸アタック角（ｒａｄ）
Φｔ  ：台車アタック角（ｒａｄ）
Φｗｎ：台車枠と輪軸との相対ヨー角（ｒａｄ）
ｎ    ：第ｎ軸
ａ／Ｒ：台車と輪軸の両レール接線のなす角（ｒａｄ）
２ａ  ：軸間距離（ｍ）
Ｒ    ：曲線半径（ｍ）
【００１７】
こうした輪軸アタック角Φｎを算出する変数、すなわち台車枠と台車枠中心下のレールとの相対ヨーイング角である台車アタック角Φｔ、台車枠と輪軸との相対ヨー角Φｗｎ及び曲線半径Ｒは、台車枠に取り付けたＣＣカメラや変位センサなどの計測手段から得られる計測値などから算出される。図２は、その計測手段の取り付け状況を示した図であり、図２（ａ）には台車の平面図が、図２（ｂ）には台車の側面図が示されている。
【００１８】
台車１には、台車枠２の片側両端にアーム３，３が内側に張り出すように溶接してに取り付けられ、各アーム３，３には、同一のレール５０を前後で撮影するＣＣＤカメラ５ａ，５ｂが２個設置されている。ところで、前記（１）式の台車アタック角Φｔは、こうしてＣＣＤカメラ５ａ，５ｂを台車枠２に取り付けた場合のレールとの相対ヨーイング角であるが、ＣＣＤカメラ５ａ，５ｂの取り付け位置としては軸箱や車体であってもよい。そこで、特許請求の範囲では、台車枠、軸箱及び車体を含めて鉄道車両運動部と記している。
【００１９】
また、台車枠２の左右両側には、第１軸及び第２軸の前後方向変位を測定するための変位センサ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが取り付けられ、更に台車枠２の上下動によるＣＣＤカメラ５ａ，５ｂの高さ変位を測定するための変位センサ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが取り付けられている。各変位センサは、レーザセンサが使用されている。そして、この台車１には、台車枠２の回転角速度を測定するためのジャイロセンサ８が取り付けられている。
【００２０】
こうして台車枠２に取り付けられたＣＣＤカメラ５ａ，５ｂや変位センサ６ａ…，７ａ…、それにジャイロセンサ８の計測手段が、前記（１）式の輪軸アタック角Φｎ及び台車アタック角Φｔなどの各変数を算出するための鉄道車両用測定装置１０に接続されている。図３は、鉄道車両用測定装置１０を示したブロック図である。鉄道車両用測定装置１０には、ＣＣＤカメラ５ａ，５ｂの信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器１１ａ，１１ｂを有し、ＣＣＤカメラ５ａ，５ｂの画像データから相関演算によって輪軸の相対変位を算出する相対変位測定手段１２及び、その相対変位から台車アタック角Φｔを算出する運動部アタック角演算手段１３が順に接続されている。また、相対変位測定手段１２には、ＣＣＤカメラ５ａ，５ｂの高さ変位を測定する変位センサ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが接続されている。
【００２１】
鉄道車両用測定装置１０は更に、台車枠２と輪軸との相対ヨー角Φｗｎを算出する輪軸ステア角演算手段１４を有し、第１軸及び第２軸の前後方向変位を測定する変位センサ６ａ…が接続され、台車と輪軸の両レール５０接線のなす角ａ／Ｒを算出する曲線半径演算手段１５を有し、台車枠２の回転角速度を測定するジャイロセンサ８が接続されている。そして、運動部アタック角演算手段１３、輪軸ステア角演算手段１４及び曲線半径演算手段１５は、各算出値から輪軸アタック角Φｎを算出する輪軸アタック角演算手段１６に接続されている。これら演算処理を行う各演算手段１２，１３，１４，１５，１６は、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）で構成されている。こうした鉄道車両用測定装置１０には、モニタ２１やプリンタなどの出力装置２２が接続され、そのモニタ２１からは輪軸アタック角演算手段１６で算出される輪軸アタック角Φｎの他、相対変位測定手段１２で算出される相関度などが表示されるようになっている。なお、図示しないが、鉄道車両用測定装置１０にはメモリが設けられ、各演算手段１２，１３，１４，１５，１６の算出値が記憶されるようになっている。
【００２２】
ところで、本実施形態の相関演算による測定装置では、微分演算による測定方法のようにレール５０のエッジを検出して測定するわけではないため、撮影可能な状況であればレールを照らすライトを必要としない。しかし、夜間などの絶対的な光量が少ない場合に備え、ＣＣＤカメラ５ａ，５ｂを設置した測定点には図４に示すような２個のハロゲンライト２１，２１が設置されている。このハロゲンライト２１，２１は、車体３０の底面に固定されているが、特にエッジの照度を安定化させるようにレール５０の左右に配置され、それぞれ光量が個別に調整ができるようにしたものである。
【００２３】
次に、前記（１），（２）式で示した輪軸アタック角Φｎの鉄道車両用測定装置１０による演算処理について説明する。輪軸アタック角Φｎを測定する場合には、変数である台車アタック角Φｔ、台車枠と輪軸との相対ヨー角Φｗｎ及び曲線半径Ｒをそれぞれ求める必要がある。先ず、そのうちの１変数である台車アタック角Φｔは、次の（３）式で与えられる。
Φｔ＝η・α／（２ｃ）                      （３）
η  ：台車枠の前後端に取り付けたカメラより撮影した２枚の画像上のレールの枕木方向ズレ量（ｍｍ）
α  ：カメラの上下動補正係数（ＮＤ）
２ｃ：測定点となるカメラの前後距離（ｍｍ）
【００２４】
そのため、台車アタック角Φｔを算出するには、先ず測定点間の相対変位であるズレ量ηを測定する必要がある。その測定方法としては、ＣＣＤカメラ５ａ，５ｂの画像データからレールの断面波形を微分演算してエッジ位置を測定し、そのエッジ位置のズレから算出する方法がある。しかし今回、本実施形態ではＣＣＤカメラ５ａ，５ｂの画像データから、２波形の相関度合いを数値化してズレ量ηを求める相関演算による測定方法をとることとした。相関演算を用いることとしたのは以下の理由による。
【００２５】
相対変位量であるズレ量ηを算出する場合、先ずＣＣＤカメラ５ａ，５ｂから、画像イメージを表現した図５に示すように枕木や砂利を含むレール５０の画像が取り込まれる。この画像はｍ×ｎ画素のＣＣＤカメラ５ａ，５ｂによって撮像された濃淡値の２次元配列データである。そして、２次元配列データから図５に示す所定の１ライン、すなわち１×ｎ画素の１次元配列データを抽出することによって、レール５０（枕木や砂利を含む）の断面を示す濃淡データが得られる。
【００２６】
こうした濃淡データは、レール５０を照らす光線状態や車両速度などの条件が良い場合には、図６（ａ）に示すようにレール５０頭頂部と枕木などとの区別がはっきりしたエッジの明確な濃淡波形となるが、条件が悪い場合には、図６（ｂ）に示すようなレール５０頭頂部と枕木などとの区別がつきにくい濃淡波形となってしまう。そのため、図６（ｂ）に示すような濃淡波形の場合、レールのエッジを検出して測定を行う微分演算では、エッジを誤検出してズレ量ηの値が不正確になりやすい。そこで、このような場合にでも正確なズレ量ηを算出できるよう、本実施形態では相関演算による測定方法をとっている。以下、測定方法について具体的に説明する。
【００２７】
先ず、第１軸及び第２軸に対するＣＣＤカメラ５ａ，５ｂの画像データは、鉄道車両用測定装置１０のＡ／Ｄ変換器１１ａ，１１ｂでデジタル信号に変換されて相対変位測定手段１２へと送られる。画像処理には、図５に示すようにＣＣＤカメラ５ａ，５ｂの画像から抽出したスライスライン（１×ｎ画素）において、そのライン上の濃淡を示す濃淡データが用いられる。ここで図７は、ＣＣＤカメラ５ａ，５ｂの画像データから所定の１ラインを抽出した濃淡データを模式的に表し、相対変位測定手段１２によって行うズレ量ηの測定方法を概念的に示したものである。そこで、ＣＣＤカメラ５ａ，５ｂから同時に得られた曲線通過地点での濃淡データがそれぞれ図の濃淡波形１，２であるとする。
【００２８】
相対変位測定手段１２の演算処理では、先ず各１ライン分の濃淡データが抽出された後、それぞれ主にレール５０部分について抜き取った濃淡波形１（実線）と濃淡波形２（二点鎖線）の濃淡データが得られる。そして、濃淡波形１について演算区間ｄ１，ｄ２…ｄＮ…が決定され、その区間毎に濃淡波形１と濃淡波形２との相関度合の測定が行われる。具体的には、例えば濃淡波形１が、１ラインから２００〜４９９画素部分を切り取って固定した濃淡データであり、また濃淡波形２が、１ラインから３００〜３９９画素部分を切り取って固定した濃淡データである。そして、その濃淡波形２の濃淡データを濃淡波形１の濃淡データに対して、２００〜２９９画素部分の区間ｄ１から始まって、次に２０１〜３００画素部分の区間ｄ２というように、１画素ずつ２００画素分の区間をずらしながら４００〜４９９画素部分の区間ｄ２００まで順に相関演算を行う。
【００２９】
こうして本実施形態では、相関法による演算処理によってズレ量ηを測定することとしたが、演算処理に用いられる無次元化された相関係数Ｒの定義式は、次の（４）式である。
Ｒ２  ＝（│Ａ│・Ａ）／（Ｂ・Ｃ）            （４）
Ａ：２画像スライス濃淡波形の相互相関演算
Ｂ：画像１の自己相関演算
Ｃ：画像２の自己相関演算
【００３０】
一般的に２変数の相関係数ｒの定義式は、
ｒ＝Σｘ（ｉ）・ｙ（ｊ）／｛Σｘ（ｉ）２・Σｙ（ｊ）２｝１／２
である。
これに対して（４）式では、演算処理を簡単にするため両辺を２乗して分母の平方根を外し、その際、分子の「２画像スライス濃淡波形の相互相関演算」の一方に絶対値を付けることによって、演算結果に符号が付くようにして相関の正負が明らかになるようにしている。
【００３１】
そこで、相対変位測定手段１２では、前述した各区間での相関係数が（４）式に基づいて順次求められ、濃淡波形１と濃淡波形２との相関度合いが測定される。すると、図７に示すように、あるずらし量ｘにおける区間ｄＮで濃淡波形１，２の相関係数が正のピーク値をとる。これは、区間ｄＮが、画像をずらせて合わせた場合にレール５０が最も重なる位置であり、各ＣＣＤカメラ５ａ，５ｂの画像には区間ｄ１〜ｄＮまでの距離だけズレが生じていたことになる。そのため相対変位測定手段１２では、このピーク値をとる場合のずらし量ｘの相対移動画素数に１画素当たりの距離値を掛けた値を、台車アタック角Φｔを求める（３）式のズレ量ηとして算出する。
【００３２】
ところで、相対変位測定手段１２で算出されたズレ量ηは、台車枠２が上下するとＣＣＤカメラ５ａ，５ｂの水平視野（撮影範囲に対する水平画素数）が変化し、１画素当たりの距離値が変動してしまって正確な測定ができなくなる。そのため、相対変位測定手段１２では、変位センサ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄから上下変位データを取り込んで１画素当たりの距離値の補正を行いズレ量ηを算出するようにしている。
そして、相対変位測定手段１２によって算出されたズレ量ηは、運動部アタック角演算手段１３へと送られ、（３）式に基づく台車アタック角Φｔの演算が行われる。すなわち、運動部アタック角演算手段１３では、ズレ量ηと、変位センサ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄの上下変位データから得られた上下動補正係数α及び定数２ｃ（前後のカメラの距離）との演算にて台車アタック角Φｔが算出される。
【００３３】
こうして、相対変位測定手段１２及び運動部アタック角演算手段１３において、輪軸アタック角Φｎを算出する１変数である台車アタック角Φｔが得られる一方、輪軸ステア角演算手段１４では、台車枠２と輪軸との相対ヨー角Φｗｎが、そして曲線半径演算手段１５では、台車と輪軸の両レール５０接線のなす角ａ／Ｒが算出される。即ち、輪軸ステア角演算手段１４では、第１軸に対して取り付けられた変位センサ６ａ，６ｂからの前後変位データ（変位量Ｘｔｗ１，Ｘｔｗ２）と、第２軸に対して取り付けられた変位センサ６ｃ，６ｄからの前後変位データ（変位量Ｘｔｗ３，Ｘｔｗ４）、及び各センサ６ａ，６ｂ／６ｃ，６ｄ間の軸方向距離Ｂｔｗによって、次の（５），（６）式から相対ヨー角Φｗｎが求められる。
Φｗ１＝（Ｘｔｗ１−Ｘｔｗ２）／Ｂｔｗ                        （５）
Φｗ２＝（Ｘｔｗ３−Ｘｔｗ４）／Ｂｔｗ                        （６）
なお、上記(１)(２)(３)(５)(６)式のそれぞれａ／Ｒ，η・α／（２ｃ），（Ｘｔｗ１−Ｘｔｗ２）／Ｂｔｗ，（Ｘｔｗ３−Ｘｔｗ４）／Ｂｔｗは微小であるため、微小角度θ≒tan-1(θ)の近似式を用いている。
【００３４】
また、曲線半径演算手段１５では、ジャイロセンサ８から得られたヨー角速度ωと不図示の速度センサからの走行速度によって曲線半径Ｒ（＝Ｖ／ω）が算出され、更に軸間距離を２ａとした場合のａの値とから、台車と輪軸の両レール５０接線のなす角ａ／Ｒが求められる。
そして鉄道車両用測定装置１０では、演算手段１３，１４，１５の値が輪軸アタック角演算手段１６に送られ、そこでは前記（１），（２）式の演算により輪軸アタック角Φｎが求められる。こうして輪軸アタック角演算手段１６で求められた輪軸アタック角Φｎやその他の演算結果は不図示のメモリに記録されるとともに、その演算データが鉄道車両用測定装置１０からモニタ２１に送られ、測定波形として試験運転中にリアルタイムで表示される。
【００３５】
ところで今回、本実施形態の相対変位測定方法による信頼性を検証するため、構内にレールを敷設し、単体の台車を伝動トロッコに牽引させて測定した台車アタック角の比較試験を行った。すなわち、一方にはＣＣＤカメラを設置して相関演算を利用した画像処理による本実施形態の測定方法であり、他方は、レール側面に当てたレーザセンサ測定変位から求めた相対変位量を求めるようにした測定方法である。このレーザセンサによる測定方法は、レーザセンサをレールの近い位置に別途設けた梁などに固定して行うため、レールの位置を極めて正確に計測でき、正確な測定変位量から信頼性の高い台車アタック角が測定できる。なお、本線走行試験では障害物が多く、レーザセンサはこうした構内走行試験以外での使用は難しい。
【００３６】
図８は、構内試験の比較結果を示したグラフである。この図からも分かるように、画像処理によって測定点間の相対変位量を求める本実施家形態の方法と、レーザセンサを使って相対変量を計測する方法とでは、両者の測定変位量から算出したそれぞれの台車アタック角が良く一致していることが確認できた。なお、レーザセンサを使用して得た台車アタック角は、所々に著大な値が示されているが、これはレーザセンサがレール５０継ぎ目部分の隙間を検知したためである。
【００３７】
よって、本実施形態によれば、相関演算によって相対変位量を測定するようにしたので、レール５０の横から日光が強く当たるなど外乱要因の影響を受ける状況でも、レールエッジを認識し難いような濃淡の波形であっても正確に相対変位量を測定することが可能となった。測定を日中と夜間の両方で実施した場合、夜間は外乱光が少ないため、相関ピーク値が常時０．９以上となり、日光が差し込む日中でも相関ピーク値は概ね０．８前後と安定していた。そのため、台車アタック角Φｔのズレ量ηを極めて正確に求めることができ、輪軸アタック角が安定して測定され、測定信頼性も向上した。
また、相対変位量を測定する際に画面から１ライン分を切り出した濃淡波形を用いるため、演算の負荷が小さく処理の高速化が可能となった。測定点の撮影手段として市販のカメラを使用することができるので、低コスト化を実現することができた。
【００３８】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、測定点を台車枠２の前後としてＣＣＤカメラ５ａ，５ｂを取り付けたが、測定点はこのほか軸箱の前後や車体の任意の箇所に設けるようにしてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は、鉄道車両に対して設置された２台の撮影手段によって同一レールの前後位置をそれぞれ撮影し、当該２台の撮影手段の画像データからそれぞれレール直交方向の濃淡波形を抽出し、その２つの濃淡波形を相関演算することによって撮影手段を設置した測定点間についてレール直交方向の相対変位量を算出するようにしたので、外乱要因の影響を受けずに測定点間の正確な相対変位量を測定する鉄道車両用測定装置を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  輪軸アタック角の定義関係図である。
【図２】  台車に対する計測手段の取り付け状況を示した図である。
【図３】  鉄道車両用測定装置を示したブロック図である。
【図４】  車体下におけるハロゲンライトの取り付け状況を示した図である。
【図５】  ＣＣＤカメラによって撮像した画像イメージを示した図である。
【図６】  ＣＣＤカメラで撮像した画像から１ライン分を切り取った濃淡波形を示す図である。
【図７】  濃淡波形を模式的に表して相対変位量の測定方法を概念的に示した図である。
【図８】  構内試験における台車アタック角の比較結果を示したグラフである。
【図９】  従来のアタック角測定装置を示す構成図である。
【図１０】  従来のアタック角測定装置を構成するレール位置測定手段を示す構成図である。
【図１１】  レール位置測定手段の取り付け位置を示す平面図である。
【符号の説明】
１    台車
２    台車枠
５ａ，５ｂ    ＣＣＤカメラ
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ  変位センサ
８    ジャイロセンサ
１０  鉄道車両用測定装置
１２  相対変位測定手段
１３  運動部アタック角演算手段
１４  輪軸ステア角演算手段
１５  曲線半径演算手段
５０  レール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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