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JP5223788B2 - Gimbal equipment - Google Patents

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JP5223788B2
JP5223788B2 JP2009146067A JP2009146067A JP5223788B2 JP 5223788 B2 JP5223788 B2 JP 5223788B2 JP 2009146067 A JP2009146067 A JP 2009146067A JP 2009146067 A JP2009146067 A JP 2009146067A JP 5223788 B2 JP5223788 B2 JP 5223788B2
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Description

本発明はジンバル装置に係り、特に内部にカメラを搭載するジンバル装置に関する。   The present invention relates to a gimbal device, and more particularly to a gimbal device in which a camera is mounted.

航空機にカメラを搭載する場合、機体の振動等により生ずるカメラ画像のぶれを防止するために、カメラをジンバル装置(空間安定装置)内に設置する手法が一般的に取られている。ジンバル装置内にとって最も重要な要件は高空間安定性であるが、近年では、複数個のカメラや側距離装置等を航空機に搭載する要望があり、小型軽量化・低消費電力化が強く求められようになっている。   When a camera is mounted on an aircraft, a method of installing the camera in a gimbal device (space stabilization device) is generally used in order to prevent camera image blurring caused by vibration of the airframe. The most important requirement for gimbal equipment is high spatial stability, but in recent years there has been a demand for mounting multiple cameras, side distance devices, etc. on an aircraft, and there has been a strong demand for smaller size, lighter weight and lower power consumption. It is like that.

ジンバル装置が空間安定性を確保する上で問題となるのは、機体から伝わる振動とこれに起因するジンバル装置自身のたわみである。これらの問題を解決するために、防振マウントを利用する手法やジンバルの剛性を高める手法を取ることも考えられるが、いずれも装置の重量の増加を招き、前述した要望を満たすことができなくなる。   The problem in securing the space stability of the gimbal device is the vibration transmitted from the airframe and the deflection of the gimbal device itself due to this. In order to solve these problems, it is conceivable to use a method of using a vibration-proof mount or a method of increasing the rigidity of the gimbal, but both increase the weight of the device and cannot satisfy the above-mentioned demands. .

そこで、従来より、ジンバル装置のカメラ設置部分に角速度センサを取付け、この角速度センサが検出した信号に基づいて振動補正制御を行う技術が利用されており、このような技術は、例えば、特許文献1において開示されている。   Therefore, conventionally, a technique has been used in which an angular velocity sensor is attached to the camera installation portion of the gimbal device and vibration correction control is performed based on a signal detected by the angular velocity sensor. Is disclosed.

特開平11−252461号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-252461

しかしながら、係る角速度センサを用いた制御装置では、ジンバル装置のたわみの影響により、制御のための駆動電力が飽和して制御偏差が増大し、カメラ画像に画像ぶれが発生することがあった。   However, in the control device using such an angular velocity sensor, due to the influence of the deflection of the gimbal device, the drive power for control is saturated, the control deviation increases, and image blurring may occur in the camera image.

ジンバル装置は、構造上の理由から左右方向にたわみやすく、カメラ部に取り付けられた角速度センサは、カメラの視軸が垂直方向に近づくにつれてたわみの影響を大きく受けるようになる。たわみが大きくなり、角速度センサの検出値が一定の大きさを超えると、制御装置においてたわみの影響を減衰できなくなり、制御偏差が悪化して画像ぶれが発生してしまう。   The gimbal device is easily bent in the left-right direction for structural reasons, and the angular velocity sensor attached to the camera unit is greatly affected by the deflection as the visual axis of the camera approaches the vertical direction. When the deflection becomes large and the detected value of the angular velocity sensor exceeds a certain magnitude, the influence of the deflection cannot be attenuated in the control device, and the control deviation is deteriorated to cause image blurring.

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成でたわみ振動の影響を排除して高い空間安定性を確保することができるジンバル装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a gimbal apparatus that can ensure high spatial stability by eliminating the influence of flexural vibration with a simple configuration.

一の観点からは、
移動体に搭載され、駆動部により駆動されることにより内設されたカメラの視軸を前記移動体に対して移動させるジンバル部と、
前記カメラの視軸の鉛直方向軸回りの第1角速度と、該前記カメラの視軸の鉛直方向軸回りと異なる向きの第2軸回りの第2角速度と、視軸俯角軸方向回りの第3角速度を検出する角速度検出部と、
前記加速度検出部に基づき前記駆動部の駆動制御を行う制御手段とを有し、
前記制御手段は、
前記第1角速度を用いてたわみを補正する第1補正角速度を求める第1の視軸演算器と、
前記第2角速度を用いてたわみを補正する第2補正角速度を求める第2の視軸演算器と、
前記第1及び第2の視軸演算器と接続され、視軸の俯角軸方向の角度に基づき、前記第1補正角速度又は前記第2補正角速度のいずれを出力するかを決定する切換え処理器と、
前記切換え処理器で決定された前記第1又は前記第2補正角速度に基づき、前記駆動部の駆動を制御する補償器とを有するジンバル装置が提供される。
From one perspective,
A gimbal portion that is mounted on the moving body and moves the viewing axis of the camera installed by being driven by the driving portion with respect to the moving body;
A first angular velocity around a vertical axis of the visual axis of the camera, a second angular velocity around a second axis in a direction different from the vertical axis of the visual axis of the camera, and a third angular velocity around the visual axis depression axis direction. An angular velocity detector for detecting angular velocity;
Control means for performing drive control of the drive unit based on the acceleration detection unit,
The control means includes
A first visual axis computing unit for obtaining a first corrected angular velocity for correcting deflection using the first angular velocity;
A second visual axis computing unit for obtaining a second corrected angular velocity for correcting deflection using the second angular velocity;
A switching processor that is connected to the first and second visual axis computing units and determines whether to output the first correction angular velocity or the second correction angular velocity based on an angle of the visual axis in the depression axis direction; ,
A gimbal apparatus is provided that includes a compensator that controls driving of the driving unit based on the first or second corrected angular velocity determined by the switching processor.

開示のジンバル装置は、構成の簡単化を図れると共に、たわみ振動の影響を排除して高い空間安定性を確保することができる。   The disclosed gimbal device can simplify the configuration and can eliminate the influence of flexural vibration to ensure high spatial stability.

図1は、ジンバル装置の概形を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing an outline of a gimbal device. 図2(A)はカメラが水平方向を向いている場合のたわみの影響を説明するための説明図であり、図2(B)はカメラが水平方向を向いている場合のカメラ画像を示す図である。FIG. 2A is an explanatory diagram for explaining the influence of deflection when the camera faces the horizontal direction, and FIG. 2B shows a camera image when the camera faces the horizontal direction. It is. 図3(A)はカメラが垂直方向を向いている場合のたわみの影響を説明するための説明図であり、図3(B)はカメラが垂直方向を向いている場合のカメラ画像を示す図である。FIG. 3A is an explanatory diagram for explaining the influence of deflection when the camera is oriented in the vertical direction, and FIG. 3B is a diagram illustrating a camera image when the camera is oriented in the vertical direction. It is. 図4は、たわみの発生と検出の仕組みを説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining the mechanism of occurrence and detection of deflection. 図5は、プラットフォーム振動条件の一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating an example of platform vibration conditions. 図6は、ジンバル機構伝達特性の一例を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of gimbal mechanism transmission characteristics. 図7は本実施形態の一例であるジンバル装置を示しており、図7(A)は正面図、図7(B)は側面図である。FIG. 7 shows a gimbal device which is an example of the present embodiment. FIG. 7A is a front view and FIG. 7B is a side view. 本実施形態例に係る角速度制御装置の構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the structure of the angular velocity control apparatus which concerns on the example of this embodiment. 本実施形態に係る角速度制御装置の切換え処理を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the switching process of the angular velocity control apparatus which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る角速度制御装置の参考例である角速度制御装置の構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the structure of the angular velocity control apparatus which is a reference example of the angular velocity control apparatus which concerns on this embodiment. 図11は、視軸の俯角軸方向の角度と補償器で反映される補正角速度との関係を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating the relationship between the angle of the visual axis in the depression axis direction and the corrected angular velocity reflected by the compensator. 図12は、視軸の俯角軸方向の角度と第1及び第2補正角速度の反映割合を説明するための図である(その1)。FIG. 12 is a diagram for explaining the reflection ratio of the angle of the visual axis in the depression axis direction and the first and second corrected angular velocities (No. 1). 図13は、視軸の俯角軸方向の角度と第1及び第2補正角速度の反映割合を説明するための図である(その2)。FIG. 13 is a diagram for explaining the reflection ratio of the angle of the visual axis in the depression axis direction and the first and second corrected angular velocities (part 2).

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態であるジンバル装置1を示している。本実施形態では、航空機に搭載されるジンバル装置を例に挙げて説明する。しかしながら、本発明の適用は航空機に限定されるものではなく、船舶等の他の移送機器に対しても適用が可能なものである。   FIG. 1 shows a gimbal device 1 according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, a gimbal device mounted on an aircraft will be described as an example. However, the application of the present invention is not limited to an aircraft, and can be applied to other transfer devices such as ships.

ジンバル装置1は、航空機のプラットフォームに取り付けられる機体取付け面2と、機体取付け面2に対してAZ(アジマス)軸回りに回転可能とされたAZ旋回部3と、AZ旋回部3に対してEL(エレベーション)軸回りに回転可能とされると共に内部にカメラが搭載されたカメラ搭載部4とを有している。   The gimbal device 1 includes an airframe attachment surface 2 attached to an aircraft platform, an AZ turning portion 3 that is rotatable about an AZ (azimuth) axis with respect to the airframe attachment surface 2, and an EL relative to the AZ turning portion 3. (Elevation) It has a camera mounting portion 4 that is rotatable about an axis and in which a camera is mounted.

AZ軸とEL軸には駆動用のトルクモータが配置され、各トルクモータが駆動することによりAZ旋回部3は0〜360度水平方向を指向し、カメラ搭載部4は水平〜垂直方向を指向する。カメラは、前記のようにEL軸回りに回転するカメラ搭載部4に収められる。また、角速度検出部210となる角速度センサもこのカメラ搭載部4内に取り付けられ、カメラの視軸のぶれの大きさを角速度として検出する仕組みとなっている。   Driving torque motors are arranged on the AZ axis and the EL axis. When each torque motor is driven, the AZ turning unit 3 is oriented in the horizontal direction of 0 to 360 degrees, and the camera mounting unit 4 is oriented in the horizontal to vertical directions. To do. The camera is housed in the camera mounting unit 4 that rotates around the EL axis as described above. In addition, an angular velocity sensor serving as the angular velocity detection unit 210 is also mounted in the camera mounting unit 4 and has a mechanism for detecting the magnitude of camera axis blur as an angular velocity.

ところで、ジンバル装置1は、構造が一番弱い方向である視軸左右方向にたわみやすい。図2(A)は、カメラが水平方向を向いている場合のたわみの影響を説明するための説明図である。同図に示すように、カメラ視軸が水平方向を向いている場合、カメラ視軸は、機体取付け面2の中央位置を中心とした円弧上を左右に小さく移動することになる。   By the way, the gimbal device 1 is easily bent in the left-right direction of the visual axis, which is the weakest direction of the structure. FIG. 2A is an explanatory diagram for explaining the influence of deflection when the camera is oriented in the horizontal direction. As shown in the figure, when the camera visual axis is oriented in the horizontal direction, the camera visual axis moves to the left and right small on an arc centered on the central position of the airframe mounting surface 2.

図2(B)は、カメラが水平方向を向いている場合のカメラ画像のサンプル図である。同図に示すようにカメラが水平方向を向いている場合、カメラ画像はたわみの影響をわずかに受けてロール方向に小さく回転しているように映る。   FIG. 2B is a sample diagram of a camera image when the camera is oriented in the horizontal direction. As shown in the figure, when the camera is oriented in the horizontal direction, the camera image appears to be slightly rotated in the roll direction under the influence of deflection.

視軸上に角速度センサ210が取り付けられている場合、角速度センサ210は回転角速度を検出するので、たわみの影響を全く受けない。撮像画面で見た場合、上記のたわみは画像の回転振動となって現れるが、変位角度成分が小さいことにより画像の回転振動は認識できない程度のレベルとなり問題となるようなことはない。   When the angular velocity sensor 210 is mounted on the visual axis, the angular velocity sensor 210 detects the rotational angular velocity and is not affected at all by deflection. When viewed on the imaging screen, the above-described deflection appears as rotational vibration of the image. However, since the displacement angle component is small, the rotational vibration of the image is at a level that cannot be recognized, and there is no problem.

これに対し、視軸の俯仰角度θEL(EL角度)が大きくなるにつれてロール方向回転成分として検出されるようになる。即ち、ジンバル装置1のたわみの影響は、カメラ視軸が垂直に近づくほど大きくなる。図3(A)は、カメラが垂直方向を向いている場合のたわみの影響を説明するための説明図である。同図に示すように、カメラ視軸が垂直方向を向いている場合、カメラ視軸は、弧の外側を向いた状態で左右に大きく往復運動する。   On the other hand, as the elevation angle θEL (EL angle) of the visual axis increases, it is detected as a roll direction rotation component. That is, the influence of the deflection of the gimbal device 1 increases as the camera viewing axis approaches the vertical direction. FIG. 3A is an explanatory diagram for explaining the influence of deflection when the camera is oriented in the vertical direction. As shown in the figure, when the camera visual axis is oriented in the vertical direction, the camera visual axis reciprocates greatly to the left and right while facing the outside of the arc.

図3(B)は、カメラが垂直方向を向いている場合のカメラ画像のサンプル図である。同図に示すように、カメラが垂直方向を向いている場合、カメラ画像は、たわみの影響を受けて左右方向に大きく振動しているように映る。視軸上に角速度センサ210が取り付けられている場合、この角速度センサ210は、この大きな左右方向の振動をたわみ振動成分として検出することになる。   FIG. 3B is a sample diagram of a camera image when the camera is oriented in the vertical direction. As shown in the figure, when the camera is oriented in the vertical direction, the camera image appears to vibrate greatly in the left-right direction under the influence of deflection. When the angular velocity sensor 210 is mounted on the visual axis, the angular velocity sensor 210 detects this large horizontal vibration as a flexural vibration component.

カメラ視軸上に角速度センサ210が取り付けられている場合、角速度センサ210が検出する角速度信号には、上記のロール方向回転成分とたわみ振動成分以外に、AZ軸回転成分が含まれる。これは、機体取付け部分の強度の不足やトルクモータの出力不足等に起因するものである。   When the angular velocity sensor 210 is mounted on the camera visual axis, the angular velocity signal detected by the angular velocity sensor 210 includes an AZ axis rotation component in addition to the roll direction rotation component and the flexural vibration component. This is due to a lack of strength at the airframe mounting portion, an insufficient output of the torque motor, or the like.

ここで、たわみの発生と検出の仕組みについて説明しておく。図4は、たわみの発生と検出の仕組みを説明するための説明図である。ジンバル装置に伝わる振動の強さは加速度(G)として表わされ、この加速度(G)はプラットフォーム(航空機の機体取付け面)の振動条件10とジンバル機構の伝達関数20とにより求められる。   Here, the mechanism of occurrence and detection of deflection will be described. FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the mechanism of occurrence and detection of deflection. The intensity of vibration transmitted to the gimbal device is expressed as acceleration (G), and this acceleration (G) is obtained by the vibration condition 10 of the platform (aircraft mounting surface) and the transfer function 20 of the gimbal mechanism.

プラットフォーム振動条件10は、プラットフォーム(航空機の機体取付け面)の周波数毎の振動の強さを表わす。図5は、プラットフォーム振動条件10の一例を示すサンプル図である。同図は、F1〜F2の範囲の周波数で一定の強さの大きさのランダム波があり、更に、F3の周波数で特異的に強いサイン波があることを示している。このようなサイン波は、例えば、エンジンの特性などに起因するものである。   The platform vibration condition 10 represents the strength of vibration for each frequency of the platform (aircraft mounting surface of the aircraft). FIG. 5 is a sample diagram showing an example of the platform vibration condition 10. The figure shows that there is a random wave of a certain intensity at a frequency in the range of F1 to F2, and that there is a specifically strong sine wave at the frequency of F3. Such a sine wave is caused by, for example, engine characteristics.

ジンバル機構伝達関数20は、ジンバル装置の周波数毎の振動の伝わりやすさを表わす。図6は、ジンバル機構伝達関数20の一例を示すサンプル図である。同図は、F0の周波数近辺で共振により振動が増幅されることを示している。   The gimbal mechanism transfer function 20 represents the ease of transmission of vibration for each frequency of the gimbal device. FIG. 6 is a sample diagram showing an example of the gimbal mechanism transfer function 20. The figure shows that vibration is amplified by resonance near the frequency of F0.

ジンバル装置に伝わる振動の強さは加速度(G)は、乗算器35により構造剛性により決定される1Gあたりのたわみ角度T[rad/G]が乗算され、これによりたわみ(変位角)[rad]が発生する。次に、たわみ(変位角)とsin(θEL)40を乗算し、視軸回りのたわみ角度[rad]に変換する。この視軸回りのたわみ角度[rad]は微分器50により微分され、この微分されたたわみの角速度成分[rad/s]を角速度センサ210が検出する。   The acceleration (G) of the vibration transmitted to the gimbal device is multiplied by the deflection angle T [rad / G] determined by the structural rigidity by the multiplier 35, whereby the deflection (displacement angle) [rad]. Occurs. Next, the deflection (displacement angle) is multiplied by sin (θEL) 40 to convert it into a deflection angle [rad] around the visual axis. The deflection angle [rad] around the visual axis is differentiated by the differentiator 50, and the angular velocity sensor 210 detects the angular velocity component [rad / s] of the differentiated deflection.

次に、本実施形態の前提となるジンバル装置の角速度制御について説明する。図10は、ジンバル装置を駆動するための角速度制御を説明するためのブロック図である。同図に示すように、ジンバル装置はジンバル部201と、制御器101とを有している。また、ジンバル部201はAZ軸回りに回転するAZ旋回部3と、EL軸回りに回転するカメラ搭載部4とを有している(図1参照)。   Next, the angular velocity control of the gimbal device that is a premise of the present embodiment will be described. FIG. 10 is a block diagram for explaining the angular velocity control for driving the gimbal device. As shown in the figure, the gimbal device has a gimbal part 201 and a controller 101. The gimbal unit 201 includes an AZ turning unit 3 that rotates about the AZ axis, and a camera mounting unit 4 that rotates about the EL axis (see FIG. 1).

AZ旋回部3は、アンプ230と、トルクモータ240とを有する。アンプ230は、空間安定性を確保するために、制御器101からの制御信号に基づいてトルクモータを駆動させる電力を増幅させる増幅装置である。トルクモータ240は、ジンバル部201の駆動部を駆動させ、空間安定性を実現させる。   The AZ turning unit 3 includes an amplifier 230 and a torque motor 240. The amplifier 230 is an amplifying device that amplifies electric power for driving the torque motor based on a control signal from the controller 101 in order to ensure space stability. The torque motor 240 drives the drive part of the gimbal part 201 and realizes space stability.

カメラ搭載部4は、カメラが搭載されると共に角速度検出部210が搭載されている。角速度検出部210は角速度を検出する角速度センサであり、常にカメラの視軸方向を向くように取り付けられる。   The camera mounting unit 4 includes a camera and an angular velocity detection unit 210. The angular velocity detection unit 210 is an angular velocity sensor that detects an angular velocity, and is attached so as to always face the visual axis direction of the camera.

制御器101は、角速度検出部210の検出した信号を基にして、ジンバル部201に設置されたカメラの画像ぶれがなくなるようにフィードバック制御する制御装置である。この制御器101は、ノイズ除去フィルタ141と、AZ軸演算器151と、補償器181とを有する。   The controller 101 is a control device that performs feedback control based on the signal detected by the angular velocity detection unit 210 so that there is no image blur of the camera installed in the gimbal unit 201. The controller 101 includes a noise removal filter 141, an AZ axis calculator 151, and a compensator 181.

ノイズ除去フィルタ141は、角速度検出部210の検出した信号から、ノイズ成分を除去する演算器である。また、AZ軸演算器151は、角速度検出部210の検出した視軸回りの角速度成分をAZ軸回りの角速度成分に変換する演算器である。補償部181は、角速度指令0[rad/s]を実現するために必要な制御量を算出し、ジンバル部201のアンプ230へ伝達する演算器である。   The noise removal filter 141 is an arithmetic unit that removes a noise component from the signal detected by the angular velocity detection unit 210. The AZ axis calculator 151 is a calculator that converts the angular velocity component around the visual axis detected by the angular velocity detector 210 into an angular velocity component around the AZ axis. The compensation unit 181 is an arithmetic unit that calculates a control amount necessary for realizing the angular velocity command 0 [rad / s] and transmits the control amount to the amplifier 230 of the gimbal unit 201.

AZ軸演算器151が角速度を変換するのは、ジンバル部201での振動補正制御がAZ軸回りの方向で行われるためであり、この変換はカメラの視軸の俯仰角度をθELとすると、1/cos(θEL)を角速度信号に乗算することにより行われていた。このため、カメラの視軸が垂直方向に近づくほど信号が大きく増幅され、俯仰角度θELが85度になると11倍にも増幅されていた。   The reason why the AZ axis calculator 151 converts the angular velocity is that the vibration correction control in the gimbal unit 201 is performed in the direction around the AZ axis. This conversion is performed when the elevation angle of the visual axis of the camera is θEL. This is done by multiplying the angular velocity signal by / cos (θEL). For this reason, as the visual axis of the camera approaches the vertical direction, the signal is greatly amplified. When the elevation angle θEL is 85 degrees, the signal is amplified 11 times.

既に図2,3を用いて説明したとおり、カメラの視軸が垂直方向に近づくほど、角速度検出部210が検出する角速度信号におけるたわみ振動成分が増大する。そして、AZ軸演算器151の変換によってこれが更に大きく増幅されることとなる。このため、図10に示す本実施形態の前提となる角速度制御では、カメラの視軸が垂直方向に近づくと、指令角速度に対する偏差が大きくなり、アンプ230への駆動指令が飽和してしまい、空間安定化ができない状態が発生していた。   As already described with reference to FIGS. 2 and 3, the flexural vibration component in the angular velocity signal detected by the angular velocity detector 210 increases as the visual axis of the camera approaches the vertical direction. Then, this is further amplified by the conversion of the AZ axis calculator 151. For this reason, in the angular velocity control which is the premise of the present embodiment shown in FIG. 10, when the camera visual axis approaches the vertical direction, the deviation from the command angular velocity increases, and the drive command to the amplifier 230 is saturated, resulting in a space. There was a situation that could not be stabilized.

実際のジンバル装置の運用においては、角速度検出部210からの信号に振動等のノイズが相乗する。このため従来の制御器101では、俯仰角度θELに制限(例えば、−75°〜+75°)を設け、角速度検出部210からの信号がこの制限を越えた場合には制御器101を停止することが行われていた。   In the actual operation of the gimbal device, noise such as vibration synergizes with the signal from the angular velocity detection unit 210. Therefore, in the conventional controller 101, a limit (for example, −75 ° to + 75 °) is provided for the elevation angle θEL, and when the signal from the angular velocity detection unit 210 exceeds this limit, the controller 101 is stopped. Was done.

また、他の角速度制御として、カメラ搭載部4に第1の角速度検出部を搭載すると共に、AZ旋回部3に第2の角速度検出部を搭載し、この2台の角速度検出部の信号に基づきジンバル装置の角速度制御を行う方式がある。この方式では、第1の角速度検出部により検出される信号から第2の角速度検出部により検出される信号を減算することにより、第1の角速度検出部により検出される信号に含まれるAZ軸回転成分を予め除去し角速度制御の精度向上を図っている。更に、カメラの俯仰角度θELが所定の角度よりも大きくなった場合には、AZ軸回転成分のみからなる角速度信号が出力されるよう二つの角速度検出部を切換えている。   As another angular velocity control, a first angular velocity detection unit is mounted on the camera mounting unit 4, and a second angular velocity detection unit is mounted on the AZ turning unit 3. Based on the signals of the two angular velocity detection units. There is a method for controlling the angular velocity of the gimbal device. In this method, the AZ axis rotation included in the signal detected by the first angular velocity detector is obtained by subtracting the signal detected by the second angular velocity detector from the signal detected by the first angular velocity detector. Components are removed in advance to improve the accuracy of angular velocity control. Further, when the camera elevation angle θEL is larger than a predetermined angle, the two angular velocity detectors are switched so that an angular velocity signal consisting only of the AZ axis rotation component is output.

しかしながら、この方式では二つの角速度検出部が必要となるため、この角速度検出部の実装スペースがAZ旋回部及びカメラ搭載部にそれぞれ必要となり、またコストも高くなる等の問題点がある。   However, since this method requires two angular velocity detection units, there is a problem that the mounting space for the angular velocity detection unit is necessary for each of the AZ turning unit and the camera mounting unit, and the cost is increased.

次に、本実施形態に係るジンバル装置1に適用している角速度制御について説明する。   Next, the angular velocity control applied to the gimbal device 1 according to the present embodiment will be described.

図7は、本実施形態に係るジンバル装置1で使用する角速度検出部210(角速度センサ)の配設位置を示している。角速度検出部210はカメラ搭載部4内に搭載されており、その配置位置はカメラ6の近傍位置とされている。この角速度検出部210は、カメラの視軸回りの空間角速度を検出するものである。具体的には、本実施形態で用いる角速度検出部210は、視軸鉛直方向軸回りの角速度u[1]と、カメラの視軸背面方向軸回りの角速度u[2]と、視軸俯仰軸方向の角速度u[EL]との、全3軸回りの加速度を検出することが可能なものである。   FIG. 7 shows an arrangement position of the angular velocity detection unit 210 (angular velocity sensor) used in the gimbal device 1 according to the present embodiment. The angular velocity detection unit 210 is mounted in the camera mounting unit 4, and its arrangement position is a position near the camera 6. The angular velocity detection unit 210 detects a spatial angular velocity around the visual axis of the camera. Specifically, the angular velocity detection unit 210 used in this embodiment includes an angular velocity u [1] around the visual axis vertical direction axis, an angular velocity u [2] around the visual axis back direction axis of the camera, and the visual axis elevation axis. It is possible to detect acceleration around all three axes with the angular velocity u [EL] in the direction.

図8は本実施形態に係るジンバル装置1の角速度制御方式を説明するためのブロック図であり、図9は図8に示す切換え処理器160の演算内容を説明するためのブロック図である。尚、図9及び図8において、本実施形態の前提となる角速度制御方式の説明に用いた図10に示した構成と対応する構成については、同一符号を付して説明するものとする。   FIG. 8 is a block diagram for explaining the angular velocity control method of the gimbal device 1 according to this embodiment, and FIG. 9 is a block diagram for explaining the calculation contents of the switching processor 160 shown in FIG. 9 and 8, the components corresponding to those shown in FIG. 10 used for explaining the angular velocity control method which is the premise of the present embodiment are described with the same reference numerals.

図8に示すように、ジンバル装置は制御器100とジンバル部200とを有している。また、ジンバル部200はAZ軸回りに回転するAZ旋回部3と、EL軸回りに回転するカメラ搭載部4とを有している(図7参照)。   As shown in FIG. 8, the gimbal device has a controller 100 and a gimbal part 200. The gimbal unit 200 includes an AZ turning unit 3 that rotates about the AZ axis, and a camera mounting unit 4 that rotates about the EL axis (see FIG. 7).

AZ旋回部3は、アンプ230と、トルクモータ240とを有する。アンプ230は、空間安定性を確保するために、制御器100からの制御信号に基づいてトルクモータを駆動させる電力を増幅させる増幅装置である。トルクモータ240は、ジンバル部200の駆動部を駆動させ、空間安定性を実現させる。   The AZ turning unit 3 includes an amplifier 230 and a torque motor 240. The amplifier 230 is an amplifying device that amplifies electric power for driving the torque motor based on a control signal from the controller 100 in order to ensure space stability. The torque motor 240 drives the drive part of the gimbal part 200, and implement | achieves space stability.

カメラ搭載部4は、カメラ及び角速度検出部210が搭載されている。角速度検出部210は角速度を検出する角速度センサであり、常にカメラの視軸方向を向くように取り付けられる。また、角速度検出部210としては、前記した角加速度u[1],u[2],u[EL]の3軸回りの加速度を検出できるものが選定されている。   The camera mounting unit 4 includes a camera and angular velocity detection unit 210. The angular velocity detection unit 210 is an angular velocity sensor that detects an angular velocity, and is attached so as to always face the visual axis direction of the camera. As the angular velocity detection unit 210, one that can detect accelerations around the three axes of the angular accelerations u [1], u [2], and u [EL] is selected.

制御器100は、角速度検出部210の検出した信号を基にして、ジンバル部200に設置されたカメラの画像ぶれがなくなるようにフィードバック制御する制御装置である。この制御器100は、第1視軸演算器110A、第2視軸演算器110B、切換え処理器160、EL視軸角度130、第1入力範囲制限器120A、第2入力範囲制限器120B、及び補償器180等を備えている。   The controller 100 is a control device that performs feedback control based on the signal detected by the angular velocity detection unit 210 so that there is no image blurring of the camera installed in the gimbal unit 200. The controller 100 includes a first visual axis calculator 110A, a second visual axis calculator 110B, a switching processor 160, an EL visual axis angle 130, a first input range limiter 120A, a second input range limiter 120B, A compensator 180 is provided.

角速度検出部210が検出した視軸鉛直方向軸回りの角速度u[1]は、第1視軸演算器110Aに入力される。また、角速度検出部210が検出したカメラの視軸背面方向軸回りの角速度u[2]は、第2視軸演算器110Bに入力される。   The angular velocity u [1] around the visual axis vertical direction detected by the angular velocity detection unit 210 is input to the first visual axis calculator 110A. Further, the angular velocity u [2] around the rear axis of the visual axis of the camera detected by the angular velocity detection unit 210 is input to the second visual axis calculator 110B.

第1視軸演算器110Aは、入力された視軸鉛直方向軸回りの角速度信号u[1]をAZ軸回りの角速度u[3]に変換する処理器である。具体的には、第1視軸演算器110Aでは、u[3]=u[1]÷cos(θEL)の演算を行う。   The first visual axis calculator 110A is a processor that converts the input angular velocity signal u [1] around the visual axis vertical direction axis into angular velocity u [3] around the AZ axis. Specifically, the first visual axis calculator 110A calculates u [3] = u [1] ÷ cos (θEL).

この第1視軸演算器110Aは、第1入力範囲制限器120Aの演算許可を得た場合にのみ上記の演算処理を行う。この第1入力範囲制限器120Aは、cos(θEL)除算結果が∞(NAN)となるのを防止する条件判定フラグ生成器である。   The first visual axis calculator 110A performs the above calculation process only when the calculation permission of the first input range limiter 120A is obtained. The first input range limiter 120A is a condition determination flag generator that prevents the cos (θEL) division result from being ∞ (NAN).

そして、第1入力範囲制限器120AはEL視軸角度130(視軸の俯仰角度θELを演算する)を参照し、除算結果が∞(NAN)となる時に「u[8]=0」を、そうでない時は「u[8]=1」を出力する。そして、第1視軸演算器110Aは、第1入力範囲制限器120Aで判定された出力u[8]を参照し、u[8]が「1」の時のみ視軸変換の演算を行う。   Then, the first input range limiter 120A refers to the EL visual axis angle 130 (calculates the elevation angle θEL of the visual axis), and when the division result is ∞ (NAN), “u [8] = 0” Otherwise, “u [8] = 1” is output. Then, the first visual axis calculator 110A refers to the output u [8] determined by the first input range limiter 120A, and performs the visual axis conversion calculation only when u [8] is “1”.

一方、第2視軸演算器110Bは、入力された視軸鉛直方向軸回りの角速度信号u[2]をAZ軸回りの角速度u[4]に変換する処理器である。具体的には、第2視軸演算器110Bでは、u[4]=u[2]÷sin(θEL)の演算を行う。   On the other hand, the second visual axis calculator 110B is a processor that converts the input angular velocity signal u [2] around the vertical axis of the visual axis into angular velocity u [4] around the AZ axis. Specifically, the second visual axis calculator 110B calculates u [4] = u [2] ÷ sin (θEL).

この第2視軸演算器110Bは、第2入力範囲制限器120Bの演算許可を得た場合にのみ上記の演算処理を行う。この第2入力範囲制限器120Bは、sin(θEL)除算結果が∞(NAN)となるのを防止する条件判定フラグ生成器である。   The second visual axis calculator 110B performs the above calculation process only when the calculation permission of the second input range limiter 120B is obtained. The second input range limiter 120B is a condition determination flag generator that prevents the sin (θEL) division result from being ∞ (NAN).

そして、第2入力範囲制限器120BはEL視軸角度130を参照し、除算結果が∞(NAN)となる時に「u[9]=0」を、そうでない時は「u[9]=1」を出力する。そして、第2視軸演算器110Bは、第2入力範囲制限器120Bで判定された出力u[9]を参照し、u[9]が「1」の時のみ視軸変換の演算を行う。   Then, the second input range limiter 120B refers to the EL visual axis angle 130, and when the division result is ∞ (NAN), “u [9] = 0”, otherwise “u [9] = 1. Is output. Then, the second visual axis calculator 110B refers to the output u [9] determined by the second input range limiter 120B, and calculates the visual axis conversion only when u [9] is “1”.

上記のようにして第1及び第2視軸演算器110A,110Bで演算されたAZ軸回りの角速度u[3],u[4]は、切換え処理器160に送られる。また、EL視軸角度130で求められる視軸の俯仰角度θELも切換え処理器160に送られる。   The angular velocities u [3] and u [4] around the AZ axis calculated by the first and second visual axis calculators 110A and 110B as described above are sent to the switching processor 160. In addition, the elevation angle θEL of the visual axis obtained from the EL visual axis angle 130 is also sent to the switching processor 160.

切換え処理器160は、視軸の俯仰方向の角度u[5](u[5]=θEL)に基づき、第1視軸演算器110Aから送られてくるAZ軸回りの角速度u[3]と、第2視軸演算器110Bから送られてくるAZ軸回りの角速度u[4]との混合比を変化させ、補償器180の処理に反映させる。補償器180は角速度指令0[rad/s]を実現するために必要な制御量を算出し、ジンバル部200のアンプ230へ伝達する演算器である。   Based on the angle u [5] (u [5] = θEL) in the elevation direction of the visual axis, the switching processor 160 is connected to the angular velocity u [3] around the AZ axis sent from the first visual axis calculator 110A. The mixing ratio with the angular velocity u [4] around the AZ axis sent from the second visual axis calculator 110B is changed and reflected in the processing of the compensator 180. The compensator 180 is an arithmetic unit that calculates a control amount necessary for realizing the angular velocity command 0 [rad / s] and transmits the control amount to the amplifier 230 of the gimbal unit 200.

ここで、切換え処理器160で実施される処理について詳述する。図9は、切換え処理器160の切換え処理を示すブロック図である。第1視軸演算器110Aからの視軸俯仰軸方向の角速度u[3]は、切換え処理器160において第1視軸演算器110Aの反映割合u[6]が乗算される。また、第2視軸演算器110BからのAZ軸回りの角速度u[4]は、切換え処理器160において第2視軸演算器110Bの反映割合u[7]が乗算される。   Here, the process performed by the switching processor 160 will be described in detail. FIG. 9 is a block diagram showing the switching process of the switching processor 160. The angular velocity u [3] in the visual axis elevation axis direction from the first visual axis calculator 110A is multiplied by the reflection rate u [6] of the first visual axis calculator 110A in the switching processor 160. Further, the angular velocity u [4] around the AZ axis from the second visual axis calculator 110B is multiplied by the reflection rate u [7] of the second visual axis calculator 110B in the switching processor 160.

そして、視軸俯仰軸方向の角速度u[3]に第1視軸演算器110Aの反映割合u[6]が乗算された演算値と、AZ軸回りの角速度u[4]に第2視軸演算器110Bの反映割合u[7]が乗算された演算値は、加算器190で加算される。そして、このようにして得られた演算結果u[8](以下、反映角速度u[8]という)は、切換え処理器160から補償器180に向けフィードバック信号として出力される。   Then, the calculated value obtained by multiplying the angular velocity u [3] in the visual axis elevation axis direction by the reflection rate u [6] of the first visual axis calculator 110A and the angular velocity u [4] around the AZ axis are set to the second visual axis. The calculated value multiplied by the reflection ratio u [7] of the calculator 110B is added by the adder 190. The calculation result u [8] (hereinafter referred to as the reflected angular velocity u [8]) thus obtained is output as a feedback signal from the switching processor 160 to the compensator 180.

ここで、第1視軸演算器110Aの反映割合u[6]及び第2視軸演算器110Bの反映割合u[7]は、予め切換え処理器160に格納されている反映割合マップ140に基づき決定される。反映割合マップ140は、EL視軸角度130から入力される視軸の俯仰方向の角度u[5]に基づき、第1視軸演算器110Aの反映割合u[6]及び第2視軸演算器110Bの反映割合u[7]を決定する二元マップである。   Here, the reflection ratio u [6] of the first visual axis calculator 110A and the reflection ratio u [7] of the second visual axis calculator 110B are based on the reflection ratio map 140 stored in the switching processor 160 in advance. It is determined. The reflection ratio map 140 is based on the angle u [5] in the elevation direction of the visual axis input from the EL visual axis angle 130, and the reflection ratio u [6] of the first visual axis calculator 110A and the second visual axis calculator. It is a binary map which determines the reflection ratio u [7] of 110B.

図示されるように、反映割合マップ140は横軸に視軸の俯仰方向の角度u[5](θEL)を取ると共に縦軸に反映割合[%]を取ったマップである。同図に示すように第1視軸演算器110Aの反映割合u[6]は、視軸の俯仰方向の角度u[5]が−180°〜−140°、−40°〜+40°、+140°〜+180である場合には100%となっている。これに対し、視軸の俯仰方向の角度u[5]が−130°〜−50°、+50°〜+130°である場合には第1視軸演算器110Aの反映割合u[6]は0%となっている。   As shown in the figure, the reflection ratio map 140 is a map in which the horizontal axis represents the angle u [5] (θEL) in the elevation direction of the visual axis and the vertical axis represents the reflection ratio [%]. As shown in the figure, the reflection rate u [6] of the first visual axis calculator 110A is such that the angle u [5] in the elevation direction of the visual axis is −180 ° to −140 °, −40 ° to + 40 °, +140. In the case of ° to +180, it is 100%. On the other hand, when the angle u [5] in the elevation direction of the visual axis is −130 ° to −50 °, + 50 ° to + 130 °, the reflection rate u [6] of the first visual axis calculator 110A is 0. %.

一方、第2視軸演算器110Bの反映割合u[7]は、視軸の俯仰方向の角度u[5]が−130°〜−50°、+50°〜+130°である場合には100%となっている。これに対し、視軸の俯仰方向の角度u[5]が−180°〜−140°、−40°〜+40°、+140°〜+180°である場合には、第2視軸演算器110Bの反映割合u[7]は0%となっている。   On the other hand, the reflection rate u [7] of the second visual axis calculator 110B is 100% when the angle u [5] of the visual axis in the elevation direction is −130 ° to −50 °, + 50 ° to + 130 °. It has become. On the other hand, when the angle u [5] in the elevation direction of the visual axis is −180 ° to −140 °, −40 ° to + 40 °, + 140 ° to + 180 °, the second visual axis calculator 110B The reflection rate u [7] is 0%.

更に、視軸の俯仰方向の角度u[5]が−140°〜−130°(第1ミキシング領域M1という)、−50°〜−40°(第2ミキシング領域M2という)、+40°〜+50°(第3ミキシング領域M3という)、+130°〜+140°(第4ミキシング領域M4という)の範囲は、第1視軸演算器110Aの反映割合u[6]及び第2視軸演算器110Bの反映割合u[7]は漸次変化するよう設定されている。   Further, the angle u [5] in the elevation direction of the visual axis is −140 ° to −130 ° (referred to as the first mixing region M1), −50 ° to −40 ° (referred to as the second mixing region M2), + 40 ° to +50. The range of ° (referred to as the third mixing region M3) and + 130 ° to + 140 ° (referred to as the fourth mixing region M4) is the reflection ratio u [6] of the first visual axis calculator 110A and the second visual axis calculator 110B. The reflection rate u [7] is set to change gradually.

具体的には、第1ミキシング領域M1及び第3ミキシング領域M3では、第1視軸演算器110Aの反映割合u[6]は100%から0%に漸次減少し、逆に第2視軸演算器110Bの反映割合u[7]は0%から100%に漸次増大する。また、第2ミキシング領域M2及び第4ミキシング領域M4では、第1視軸演算器110Aの反映割合u[6]は0%から100%に漸次増大し、逆に第2視軸演算器110Bの反映割合u[7]は100%から0%に漸次減少する。従って、各ミキシング領域M1〜M4では、第1視軸演算器110Aの反映割合u[6]と第2視軸演算器110Bの反映割合u[7]はスムーズに切換えられる。   Specifically, in the first mixing region M1 and the third mixing region M3, the reflection rate u [6] of the first visual axis calculator 110A gradually decreases from 100% to 0%, and conversely the second visual axis calculation. The reflection rate u [7] of the container 110B gradually increases from 0% to 100%. In the second mixing region M2 and the fourth mixing region M4, the reflection ratio u [6] of the first visual axis calculator 110A gradually increases from 0% to 100%, and conversely, the second visual axis calculator 110B. The reflection rate u [7] gradually decreases from 100% to 0%. Accordingly, in each mixing region M1 to M4, the reflection ratio u [6] of the first visual axis calculator 110A and the reflection ratio u [7] of the second visual axis calculator 110B are smoothly switched.

図11は、視軸の俯仰方向の角度u[5]と反映角速度の倍率u[8]との関係を示す図である。同図に示すように、視軸の俯仰方向の角度u[5]が−180°〜−140°、−40°〜+40°、+140°〜+180°の範囲では、反映角速度u[8]として視軸俯仰軸方向の角速度u[3]が出力されている。また、視軸の俯仰方向の角度u[5]が−130°〜−50°、+50°〜+130°の範囲では、反映角速度u[8]としてAZ軸回りの角速度u[4]が出力されている。また、第1ミキシング領域M1〜第4ミキシング領域M4の各領域内では、反映割合マップ140に示す各反映割合u[6],u[7]に対応した割合で各角速度u[3],u[4]が混合された値が反映角速度u[8]として出力される。   FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the angle u [5] of the visual axis in the elevation direction and the magnification u [8] of the reflected angular velocity. As shown in the figure, when the angle u [5] of the visual axis is −180 ° to −140 °, −40 ° to + 40 °, + 140 ° to + 180 °, the reflected angular velocity u [8] An angular velocity u [3] in the visual axis elevation axis direction is output. In addition, when the angle u [5] in the elevation direction of the visual axis is in the range of −130 ° to −50 ° and + 50 ° to + 130 °, the angular velocity u [4] around the AZ axis is output as the reflected angular velocity u [8]. ing. Further, in each of the first mixing region M1 to the fourth mixing region M4, the angular velocities u [3], u at a rate corresponding to each reflection rate u [6], u [7] shown in the reflection rate map 140. The value obtained by mixing [4] is output as the reflected angular velocity u [8].

次に、図12及び図13を用いて、視軸の俯仰方向の角度u[5]と、角速度検出部210により検出される3軸回りの加速度(視軸鉛直方向軸回りの角速度u[1],カメラの視軸背面方向軸回りの角速度u[2],視軸俯仰軸方向の角速度u[EL])との関係について説明する。   Next, using FIG. 12 and FIG. 13, the angle u [5] in the elevation direction of the visual axis and the acceleration around the three axes detected by the angular velocity detection unit 210 (the angular velocity u [1 around the visual axis vertical direction axis). ], Angular velocity u [2] around the back axis of the visual axis of the camera, and angular velocity u [EL] in the visual axis elevation axis direction will be described.

図12(A)は、視軸の俯仰方向の角度u[5]が+90°である状態を示している。この時、視軸は真上方向を向いており、視軸鉛直方向軸回りの角速度u[1]は水平方向を向いており、またカメラの視軸背面方向軸回りの角速度u[2]は鉛直下方を向いている。   FIG. 12A shows a state where the angle u [5] in the elevation direction of the visual axis is + 90 °. At this time, the visual axis is directed directly above, the angular velocity u [1] around the vertical axis of the visual axis is directed horizontally, and the angular velocity u [2] around the rear axis of the visual axis of the camera is It faces vertically downward.

ここで、反映角速度u[8]の演算に視軸鉛直方向軸回りの角速度u[1]を用いることを想定すると、第1視軸演算器110Aにおいて視軸鉛直方向軸回りの角速度u[1]をcos(θEL)で除算する際、視軸俯仰軸方向の角速度u[3]は無限大に近づき、指令値とフィードバック値との偏差が大きくなり、トルクモータ240の制御が不可能となるおそれがある。このため本実施形態では、視軸の俯仰方向の角度u[5]が+90°である場合、カメラの視軸背面方向軸回りの角速度u[2]のみを反映角速度u[8]の演算に用いている。   Here, assuming that the angular velocity u [1] around the visual axis vertical axis is used for the calculation of the reflected angular velocity u [8], the first visual axis calculator 110A uses the angular velocity u [1 around the visual axis vertical direction. ] Is divided by cos (θEL), the angular velocity u [3] in the visual axis elevation axis direction approaches infinity, and the deviation between the command value and the feedback value increases, making it impossible to control the torque motor 240. There is a fear. For this reason, in the present embodiment, when the angle u [5] of the visual axis in the elevation direction is + 90 °, only the angular velocity u [2] around the visual axis back direction axis of the camera is used for the calculation of the reflected angular velocity u [8]. Used.

図12(B)は、視軸の俯仰方向の角度u[5]が+45°である状態を示している。この時、視軸は水平方向に対して斜め上方に45°傾いており、視軸鉛直方向軸回りの角速度u[1]及びカメラの視軸背面方向軸回りの角速度u[2]は垂直下方を中心として±45°傾いた状態となっている。   FIG. 12B shows a state where the angle u [5] in the elevation direction of the visual axis is + 45 °. At this time, the visual axis is inclined 45 ° obliquely upward with respect to the horizontal direction, and the angular velocity u [1] around the vertical axis of the visual axis and the angular velocity u [2] around the back axis of the visual axis of the camera are vertically downward It is in a state tilted ± 45 ° around the center.

ここで、図9に示す反映割合マップ140を参照すると、u[5]が+45°の時の第1視軸演算器110Aの反映割合u[6]及び第2視軸演算器110Bの反映割合u[7]は共に50%である。よって視軸の俯仰方向の角度u[5]が+45°である場合、反映角速度u[8]を求めるのに視軸鉛直方向軸回りの角速度u[1]及びカメラの視軸背面方向軸回りの角速度u[2]の双方を用い、それぞれを50%の反映割合で加算(ミキシング)することにより反映角速度u[8]を求めている。   Here, referring to the reflection ratio map 140 shown in FIG. 9, the reflection ratio u [6] of the first visual axis calculator 110A and the reflection ratio of the second visual axis calculator 110B when u [5] is + 45 °. Both u [7] are 50%. Therefore, when the angle u [5] in the elevation direction of the visual axis is + 45 °, the angular velocity u [1] around the vertical axis of the visual axis and the back axis of the camera's visual axis are used to obtain the reflected angular velocity u [8]. The reflected angular velocity u [8] is obtained by using both of the angular velocities u [2] and adding (mixing) each at a reflection ratio of 50%.

図12(C)は、視軸の俯仰方向の角度u[5]が±0°である状態を示している。この時、視軸は水平方向を向いており、視軸鉛直方向軸回りの角速度u[1]は鉛直下方を向いており、またカメラの視軸背面方向軸回りの角速度u[2]は水平方向を向いている。   FIG. 12C shows a state where the angle u [5] in the elevation direction of the visual axis is ± 0 °. At this time, the visual axis is oriented horizontally, the angular velocity u [1] around the visual axis vertical axis is oriented vertically downward, and the angular velocity u [2] around the rear axis of the camera's visual axis is horizontal. Facing the direction.

前記と同様の理由で、反映角速度u[8]の演算に視軸鉛直方向軸回りの角速度u[2]を用いた場合にはAZ軸回りの角速度u[4]は無限大に近づき、指令値とフィードバック値との偏差が大きくなり、トルクモータ240の制御が不可能となるおそれがある。このため本実施形態では、視軸の俯仰方向の角度u[5]が±0°である場合、視軸鉛直方向軸回りの角速度u[1]のみを反映角速度u[8]の演算に用いている。   For the same reason as above, when the angular velocity u [2] around the vertical axis of the visual axis is used to calculate the reflected angular velocity u [8], the angular velocity u [4] around the AZ axis approaches infinity, The deviation between the value and the feedback value becomes large, and the torque motor 240 may not be controlled. Therefore, in this embodiment, when the angle u [5] of the visual axis in the elevation direction is ± 0 °, only the angular velocity u [1] around the visual axis vertical axis is used for the calculation of the reflected angular velocity u [8]. ing.

図13(A)は、視軸の俯仰方向の角度u[5]が−45°である状態を示している。この時、視軸は水平方向に対して斜め下方に45°傾いており、視軸鉛直方向軸回りの角速度u[1]及びカメラの視軸背面方向軸回りの角速度u[2]は水平方向を中心として±45°傾いた状態となっている。   FIG. 13A shows a state where the angle u [5] of the visual axis in the elevation direction is −45 °. At this time, the visual axis is inclined 45 ° obliquely downward with respect to the horizontal direction. The angular velocity u [1] around the vertical axis of the visual axis and the angular velocity u [2] around the rear axis of the visual axis of the camera are in the horizontal direction. It is in a state tilted ± 45 ° around the center.

ここで、図9に示す反映割合マップ140を参照すると、u[5]が−45°の時の第1視軸演算器110Aの反映割合u[6]及び第2視軸演算器110Bの反映割合u[7]は共に50%である。よって視軸の俯仰方向の角度u[5]が−45°である場合、反映角速度u[8]を求めるのに視軸鉛直方向軸回りの角速度u[1]及びカメラの視軸背面方向軸回りの角速度u[2]の双方を用い、それぞれを50%の反映割合で加算(ミキシング)することにより反映角速度u[8]を求めている。   Here, referring to the reflection ratio map 140 shown in FIG. 9, when u [5] is −45 °, the reflection ratio u [6] of the first visual axis calculator 110A and the reflection of the second visual axis calculator 110B. The proportions u [7] are both 50%. Therefore, when the angle u [5] in the elevation direction of the visual axis is −45 °, the angular velocity u [1] around the vertical axis of the visual axis and the back axis of the visual axis of the camera are used to obtain the reflected angular velocity u [8]. The reflection angular velocity u [8] is obtained by using both of the angular velocities u [2] around and adding (mixing) each at a reflection ratio of 50%.

図13(B)は、視軸の俯仰方向の角度u[5]が−90°である状態を示している。この時、視軸は鉛直下方を向いており、視軸鉛直方向軸回りの角速度u[1]は水平方向を向いており、またカメラの視軸背面方向軸回りの角速度u[2]は真上方向を向いている。   FIG. 13B shows a state where the angle u [5] of the visual axis in the elevation direction is −90 °. At this time, the visual axis is directed vertically downward, the angular velocity u [1] around the visual axis vertical direction is oriented in the horizontal direction, and the angular velocity u [2] around the visual axis rear direction axis of the camera is true. It faces upward.

前記と同様の理由で、反映角速度u[8]の演算に視軸鉛直方向軸回りの角速度u[1]を用いた場合には視軸俯仰軸方向の角速度u[3]は無限大に近づき、指令値とフィードバック値との偏差が大きくなり、トルクモータ240の制御が不可能となるおそれがある。このため本実施形態では、視軸の俯仰方向の角度u[5]が−90°である場合、カメラの視軸背面方向軸回りの角速度u[2]のみを反映角速度u[8]の演算に用いている。   For the same reason as described above, when the angular velocity u [1] around the vertical axis of the visual axis is used to calculate the reflected angular velocity u [8], the angular velocity u [3] in the visual axis elevation axis direction approaches infinity. The deviation between the command value and the feedback value becomes large, and the torque motor 240 may not be controlled. For this reason, in the present embodiment, when the angle u [5] of the visual axis in the elevation direction is −90 °, only the angular velocity u [2] around the visual axis back direction axis of the camera is reflected to calculate the angular velocity u [8]. Used for.

更に図13(C)は、視軸の俯仰方向の角度u[5]が−135°である状態を示している。この時、視軸は水平方向に対して斜め下方に45°傾いており、視軸鉛直方向軸回りの角速度u[1]及びカメラの視軸背面方向軸回りの角速度u[2]は真上方向を中心として±45°傾いた状態となっている。   Further, FIG. 13C shows a state where the angle u [5] of the visual axis in the elevation direction is −135 °. At this time, the visual axis is inclined 45 ° obliquely downward with respect to the horizontal direction, and the angular velocity u [1] around the vertical axis of the visual axis and the angular velocity u [2] around the rear axis of the camera's visual axis are directly above. It is in a state tilted ± 45 ° around the direction.

ここで、図9に示す反映割合マップ140を参照すると、u[5]=−135°の時の第1視軸演算器110Aの反映割合u[6]及び第2視軸演算器110Bの反映割合u[7]は共に50%である。よって視軸の俯仰方向の角度u[5]が−135°である場合、反映角速度u[8]を求めるのに視軸鉛直方向軸回りの角速度u[1]及びカメラの視軸背面方向軸回りの角速度u[2]の双方を用い、それぞれを50%の反映割合で加算(ミキシング)することにより反映角速度u[8]を求めている。   Here, referring to the reflection ratio map 140 shown in FIG. 9, the reflection ratio u [6] of the first visual axis calculator 110A and the reflection of the second visual axis calculator 110B when u [5] = − 135 °. The proportions u [7] are both 50%. Therefore, when the angle u [5] in the elevation direction of the visual axis is −135 °, the angular velocity u [1] around the vertical axis of the visual axis and the back axis of the visual axis of the camera are used to obtain the reflected angular velocity u [8]. The reflection angular velocity u [8] is obtained by using both of the angular velocities u [2] around and adding (mixing) each at a reflection ratio of 50%.

上記したように、切換え処理器160は視軸俯仰軸方向の角速度u[3]とAZ軸回りの角速度u[4]を、反映割合マップ140に基づき視軸の俯仰方向の角度u[5]を参照して切り替えることにより、たわみの増幅を45°毎程度の増幅に抑えることができる。このため、本実施形態に係る加速度制御方式によれば、たわみ外乱の影響を従来の加速度制御方式に比べて約1/6(θEL-80度)抑圧できると共に、全視軸方向に対し空間安定を図ることが可能となる。   As described above, the switching processor 160 uses the angular velocity u [3] in the visual axis elevation axis direction and the angular velocity u [4] around the AZ axis based on the reflection ratio map 140 to the angle u [5] in the visual axis elevation direction. By switching with reference to, deflection amplification can be suppressed to amplification of about 45 °. For this reason, according to the acceleration control method according to the present embodiment, the influence of the deflection disturbance can be suppressed by about 1/6 (θEL-80 degrees) compared to the conventional acceleration control method, and the spatial stability in the direction of the entire visual axis. Can be achieved.

また、このように本実施形態で用いている角速度制御方式は、たわみ振動の影響を受けにくいため、従来の角速度制御方式よりも制御ループの安定度を確保でき、トルクモータ240の低消費電力化を図ることができる。また、使用する角速度検出部210は1個でよいため、ジンバル装置1の小形化を図ることができる。   Further, since the angular velocity control method used in this embodiment is not easily affected by the flexural vibration as described above, the stability of the control loop can be ensured compared to the conventional angular velocity control method, and the power consumption of the torque motor 240 can be reduced. Can be achieved. In addition, since only one angular velocity detection unit 210 is used, the size of the gimbal device 1 can be reduced.

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be modified and changed.

例えば、本実施形態では各ミキシング領域M1〜M4の範囲を10°に設定したが、このミキシング領域M1〜M4の範囲もこれに限定されるものではなく、適宜設定が可能なものである。   For example, in the present embodiment, the range of each of the mixing regions M1 to M4 is set to 10 °, but the range of the mixing regions M1 to M4 is not limited to this, and can be set as appropriate.

以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1)
移動体に搭載され、駆動部により駆動されることにより内設されたカメラの視軸を前記移動体に対して移動させるジンバル部と、
前記カメラの視軸の鉛直方向軸回りの第1角速度と、該前記カメラの視軸の鉛直方向軸回りと異なる向きの第2軸回りの第2角速度と、視軸俯角軸方向回りの第3角速度を検出する角速度検出部と、
前記加速度検出部に基づき前記駆動部の駆動制御を行う制御手段とを有し、
前記制御手段は、
前記第1角速度を用いてたわみを補正する第1補正角速度を求める第1の視軸演算器と、
前記第2角速度を用いてたわみを補正する第2補正角速度を求める第2の視軸演算器と、
前記第1及び第2の視軸演算器と接続され、視軸の俯角軸方向の角度に基づき、前記第1補正角速度又は前記第2補正角速度のいずれを出力するかを決定する切換え処理器と、
前記切換え処理器で決定された前記第1又は前記第2補正角速度に基づき、前記駆動部の駆動を制御する補償器とを有するジンバル装置。
(付記2)
前記第2の角速度は、視軸に対する背面方向軸回りの角速度である付記1記載のジンバル装置。
(付記3)
前記切換え処理器は、出力される補正角速度に反映される前記第1補正角速度と前記第2補正角速度との割合を、前記視軸の俯角軸方向の角度に基づき漸次変化させる付記1又は2記載のジンバル装置。
(付記4)
前記第1の視軸演算器は、前記視軸の俯角に基づき前記第1補正角速度する構成とされ、
前記視軸の俯角の値が、前記第1の視軸演算器が演算する前記第1補正角速度を無限大とする値である場合、当該視軸の俯角の値を前記第1の視軸演算器に入力されるのを禁止する第1の入力制御器を設けた付記1乃至3のいずれか一項に記載のジンバル装置。
(付記5)
前記第2の視軸演算器は、前記視軸の俯角に基づき前記第2補正角速度する構成とされ、
前記視軸の俯角の値が、前記第2の視軸演算器が演算する前記第2補正角速度を無限大とする値である場合、当該視軸の俯角の値を前記第2の視軸演算器に入力されるのを禁止する第2の入力制御器を設けた付記1乃至4のいずれか一項に記載のジンバル装置。
Regarding the above embodiment, the following additional notes are disclosed.
(Appendix 1)
A gimbal portion that is mounted on the moving body and moves the viewing axis of the camera installed by being driven by the driving portion with respect to the moving body;
A first angular velocity around a vertical axis of the visual axis of the camera, a second angular velocity around a second axis in a direction different from the vertical axis of the visual axis of the camera, and a third angular velocity around the visual axis depression axis direction. An angular velocity detector for detecting angular velocity;
Control means for performing drive control of the drive unit based on the acceleration detection unit,
The control means includes
A first visual axis computing unit for obtaining a first corrected angular velocity for correcting deflection using the first angular velocity;
A second visual axis computing unit for obtaining a second corrected angular velocity for correcting deflection using the second angular velocity;
A switching processor that is connected to the first and second visual axis computing units and determines whether to output the first correction angular velocity or the second correction angular velocity based on an angle of the visual axis in the depression axis direction; ,
A gimbal apparatus comprising: a compensator that controls driving of the drive unit based on the first or second corrected angular velocity determined by the switching processor.
(Appendix 2)
The gimbal device according to appendix 1, wherein the second angular velocity is an angular velocity around a back-direction axis with respect to the visual axis.
(Appendix 3)
The supplementary note 1 or 2, wherein the switching processor gradually changes a ratio of the first correction angular velocity and the second correction angular velocity reflected in the output correction angular velocity based on an angle of the visual axis in the depression axis direction. Gimbal device.
(Appendix 4)
The first visual axis calculator is configured to perform the first correction angular velocity based on a depression angle of the visual axis,
When the depression angle value of the visual axis is a value that makes the first correction angular velocity calculated by the first visual axis calculator infinite, the depression angle value of the visual axis is calculated as the first visual axis calculation. 4. The gimbal device according to any one of appendices 1 to 3, further comprising a first input controller that prohibits input to the instrument.
(Appendix 5)
The second visual axis calculator is configured to perform the second corrected angular velocity based on a depression angle of the visual axis,
When the depression angle value of the visual axis is a value that makes the second correction angular velocity calculated by the second visual axis calculator infinite, the depression angle value of the visual axis is calculated as the second visual axis calculation. The gimbal device according to any one of appendices 1 to 4, further comprising a second input controller that prohibits input to the instrument.

1 ジンバル装置
2 機体取付け面
3 AZ旋回部
4 カメラ搭載部
100 制御器
110A 第1視軸演算器
110B 第2視軸演算器
120A 第1入力範囲制限器
120B 第2入力範囲制限器
130 EL視軸角度
140 反映割合マップ
160 切換え処理器
180 補償器
200 ジンバル部
210 角速度検出部
240 トルクモータ
u[1] 視軸鉛直方向軸回りの角速度
u[2] カメラの視軸背面方向軸回りの角速度
u[3] 視軸俯仰軸方向の角速度
u[4] AZ軸回りの角速度
u[5] 視軸の俯仰方向の角度
u[6] 第1視軸演算器110Aの反映割合
u[7] 第2視軸演算器110Bの反映割合
u[8] 反映角速度
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gimbal apparatus 2 Airframe attachment surface 3 AZ turning part 4 Camera mounting part 100 Controller 110A 1st visual axis calculator 110B 2nd visual axis calculator 120A 1st input range limiter 120B 2nd input range limiter 130 EL visual axis Angle 140 Reflection ratio map 160 Switching processor 180 Compensator 200 Gimbal part 210 Angular velocity detection part 240 Torque motor
u [1] Angular velocity around the visual axis
u [2] Angular velocity around the back axis of the camera's visual axis
u [3] Angular velocity in visual axis / elevation axis direction
u [4] Angular velocity around the AZ axis
u [5] Angle of elevation of the visual axis
u [6] Reflection ratio of the first visual axis calculator 110A
u [7] Reflection ratio of second visual axis calculator 110B
u [8] Reflected angular velocity

Claims (3)

移動体に搭載され、駆動部により駆動されることにより内設されたカメラの視軸を前記移動体に対して移動させるジンバル部と、
前記カメラの視軸の鉛直方向軸回りの第1角速度と、該前記カメラの視軸の鉛直方向軸回りと異なる向きの第2軸回りの第2角速度と、視軸俯角軸方向回りの第3角速度を検出する角速度検出部と、
前記加速度検出部に基づき前記駆動部の駆動制御を行う制御手段とを有し、
前記制御手段は、
前記第1角速度を用いてたわみを補正する第1補正角速度を求める第1の視軸演算器と、
前記第2角速度を用いてたわみを補正する第2補正角速度を求める第2の視軸演算器と、
前記第1及び第2の視軸演算器と接続され、視軸の俯角軸方向の角度に基づき、前記第1補正角速度又は前記第2補正角速度のいずれを出力するかを決定する切換え処理器と、
前記切換え処理器で決定された前記第1又は前記第2補正角速度に基づき、前記駆動部の駆動を制御する補償器とを有するジンバル装置。
A gimbal portion that is mounted on the moving body and moves the viewing axis of the camera installed by being driven by the driving portion with respect to the moving body;
A first angular velocity around a vertical axis of the visual axis of the camera, a second angular velocity around a second axis in a direction different from the vertical axis of the visual axis of the camera, and a third angular velocity around the visual axis depression axis direction. An angular velocity detector for detecting angular velocity;
Control means for performing drive control of the drive unit based on the acceleration detection unit,
The control means includes
A first visual axis computing unit for obtaining a first corrected angular velocity for correcting deflection using the first angular velocity;
A second visual axis computing unit for obtaining a second corrected angular velocity for correcting deflection using the second angular velocity;
A switching processor that is connected to the first and second visual axis computing units and determines whether to output the first correction angular velocity or the second correction angular velocity based on an angle of the visual axis in the depression axis direction; ,
A gimbal apparatus comprising: a compensator that controls driving of the drive unit based on the first or second corrected angular velocity determined by the switching processor.
前記第2の角速度は、視軸に対する背面方向軸回りの角速度である請求項1記載のジンバル装置。   The gimbal apparatus according to claim 1, wherein the second angular velocity is an angular velocity around a back axis with respect to the visual axis. 前記切換え処理器は、出力される補正角速度に反映される前記第1補正角速度と前記第2補正角速度との割合を、前記視軸の俯角軸方向の角度に基づき漸次変化させる請求項1又は2記載のジンバル装置。   3. The switching processor gradually changes the ratio of the first correction angular velocity and the second correction angular velocity reflected in the output correction angular velocity based on the angle of the visual axis in the depression axis direction. The gimbal device described.
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