DE102012203834B3

DE102012203834B3 - System zur Kamerastabilisierung sowie Verfahren zur Kamerastabilisierung

Info

Publication number: DE102012203834B3
Application number: DE201210203834
Authority: DE
Inventors: Markus Grebenstein
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2032-03-13

Abstract

Bei einem System (1) zur Kamerastabilisierung mit einer Halterung (3) für eine Kamera (5), die über einen Stabilisierungsantrieb (7) antreibbar ist, wobei der Stabilisierungsantrieb (7) mindestens einen ersten und einen zweiten Rotationsantrieb (9, 11) aufweist und die Rotationsantriebe (9, 11) die Halterung (3) um jeweils eine Rotationsachse (15, 25) antreiben und wobei die Rotationsachsen (15, 25) der Rotationsantriebe (9, 11) orthogonal zueinander verlaufen, ist vorgesehen, dass der Stabilisierungsantrieb (7) jeweils einer der Rotationsachsen (15, 25) zugeordnete Kreiselvorrichtung (21, 29) mit jeweils mindestens einem Kreisel (23) aufweist, wobei Drehmomente der Rotationsantriebe (9, 11) an den Kreiselvorrichtungen (21, 29) abstützbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Kamerastabilisierung sowie ein Verfahren zur Stabilisierung einer Kamera.
Bei der Verwendung von Kameras auf einer bewegten Basis, wie beispielsweise an einem Fluggerät, ist es häufig notwendig, die Kamera aktiv zu stabilisieren, um bei Video- oder Fotoaufnahmen Bilder hoher Qualität zu erhalten.
Herkömmliche aktive Kamerastabilisierungen weisen einen Antrieb auf, der den von einer bewegten Basis auf die Kamera ausgeübten Störeinflüssen entgegenwirkt. Dabei ist es möglich, innerhalb eines begrenzten Störfrequenzspektrums die Kamera rotatorisch zu stabilisieren. Die Antriebe zur Kamerastabilisierung stützen sich dabei an der Basis der Kamerahalterung ab.
Durch das Abstützen des Antriebs an der bewegten Basis werden große Erschütterungen der Basis direkt auf den Antrieb der Kamerastabilisierung übertragen, so dass der Antrieb aufgrund der hohen Beschleunigungswerte der großen Erschütterungen beschädigt werden kann.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Kamerastabilisierung zu schaffen, das robust gegenüber großen Störeinflüssen der Basis einer Kamerahalterung ist. Ferner soll ein verbessertes Verfahren zur Stabilisierung einer Kamera geschaffen werden.
Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1 und die Merkmale des Anspruchs 13.
Das erfindungsgemäße System zur Kamerastabilisierung weist eine Halterung für eine Kamera auf, die über einen Stabilisierungsantrieb antreibbar ist, wobei der Stabilisierungsantrieb mindestens einen ersten und einen zweiten Rotationsantrieb aufweist und die Rotationsantriebe die Halterung um jeweils eine Rotationsachse antreiben und wobei die Rotationsachsen der Rotationsantriebe orthogonal zueinander verlaufen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Stabilisierungsantrieb jeweils eine der Rotationsachsen zugeordnete Kreiselvorrichtung mit jeweils mindestens einem Kreisel aufweist, wobei Drehmomente der Rotationsantriebe an den Kreiselvorrichtungen abstützbar sind.
Indem die Kreisel in eine Drehbewegung versetzt werden, entsteht ein Drehimpuls, wobei durch die beim Kreisel auftretende Drehimpulserhaltung ein Abstützen der Rotationsantriebe an den Kreiselvorrichtungen möglich ist. Die Rotationsantriebe stützen sich somit an den Kreiselvorrichtungen und nicht an einer Basis der Halterung ab, so dass die Halterung von der Basis entkoppelt wird, Dadurch werden auf die Basis einwirkende Störeinflüsse nicht oder nur geringfügig auf die Halterung übertragen. Das erfindungsgemäße System zur Kamerastabilisierung sieht somit vor, dass die Rotationsantriebe, die die Halterung für die Kamera aktiv stabilisieren, sich in vorteilhafter Weise an den Kreiselvorrichtungen abstützen können. Dabei wirkt eine niedrige rotatorische Beschleunigung auf die Kamera auf, so dass nur ein geringes Gegenmoment seitens des Drallrades erfolgt. Daraus entsteht eine Drift, die mit dem Stabilisierungsantrieb ausgeglichen werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Kreiselachse des Kreisels einer Kreiselvorrichtung orthogonal zu der der Kreiselvorrichtung zugeordneten Rotationsachse verläuft. Dadurch ist auch gegeben, dass die Kreiselachsen der Kreisel der Kreiselvorrichtung orthogonal zueinander verlaufen. Dadurch können für zwei rotatorische Freiheitsgrade Abstützungen von Drehmomenten über die Kreiselvorrichtungen erfolgen.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Stabilisierungsantrieb eine kardanische Aufhängung der Halterung bildet. Auf diese Weise ist eine sehr kompakte und konstruktiv vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems zur Kamerastabilisierung verwirklichbar.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stabilisierungsantrieb einen dritten Rotationsantrieb aufweist, der die Halterung um eine dritte Rotationsachse antreibt, wobei die dritte Rotationsachse orthogonal zu den anderen Rotationsachsen verläuft. Mit anderen Worten: Über den dritten Rotationsantrieb ist die Halterung auch in Richtung des dritten rotatorischen Freiheitsgrades antreibbar. Dabei kann auch eine dritte Kreiselvorrichtung, die der Rotationsachse des dritten Rotationsantriebs zugeordnet ist, vorgesehen sein. Dadurch kann sich auch der dritte Rotationsantrieb an einer Kreiselvorrichtung abstützen.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass jede Kreiselvorrichtung zwei Kreisel aufweist, wobei die Kreiselachsen der Kreisel einer Kreiselvorrichtung parallel zueinander verlaufen, Die Kreisel einer Kreiselvorrichtung sind dabei in die gleiche Rotationsrichtung antreibbar.
Jeder der Rotationsantriebe weist mindestens einen Motor, vorzugsweise einen Elektromotor, auf.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein erster Rahmen vorgesehen, an dem der erste Rotationsantrieb und die dem ersten Rotationsantrieb zugeordnete Kreiselvorrichtung gelagert sind. Die Halterung für die Kamera ist vorzugsweise innerhalb des ersten Rahmens angeordnet. Ferner kann ein zweiter Rahmen vorgesehen sein, an dem der zweite Rotationsantrieb und die dem zweiten Rotationsantrieb zugeordnete Kreiselvorrichtung gelagert sind. Der erste Rahmen ist dabei innerhalb des zweiten Rahmens angeordnet. Dadurch kann eine sehr kompakte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems gewährleistet werden.
Die Kreisel können auf eine hohe Geschwindigkeit antreibbar sein, vorzugsweise zwischen 100.000 und 120.000 Umdrehungen pro Minute. Die Kreiselvorrichtungen können einem Vergleich zu einer Abstützung an einer Basis nur geringes Gegenmoment aufbringen, so dass eine Drift resultiert. Es hat sich herausgestellt, dass die erfindungsgemäß vorgesehenen hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Kreisel ein ausreichendes Gegenmoment gegen die Antriebsmomente der Rotationsantriebe aufbringen können, um zu verhindern, dass eine zu starke Drift entsteht.
Die Erfindung kann gabelförmige Halterungen vorsehen, über die die Rotationsantriebe gelagert sind. Die gabelförmigen Halterungen können dabei jeweils einen Kreisel der dem jeweiligen Rotationsantrieb zugeordneten Kreiselvorrichtung umgreifen Der erste Rotationsantrieb kann beispielsweise an dem ersten Rahmen gehalten sein, wohingegen der zweite Rotationsantrieb an dem zweiten Rahmen befestigt ist.
Jeder der Kreisel kann über einen separaten Motor, vorzugsweise über einen Elektromotor, angetrieben sein.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stabilisierungsantrieb eine Inertialeinheit, beispielsweise einem oder mehrere Inertialsensoren, zur Erfassung der Drift der Halterung aufweist. Dadurch lässt sich auf einfache Art und Weise die Drift bestimmen und die entsprechenden Gegenmaßnahmen einleiten.
Der Stabilisierungsantrieb kann ferner Bremsen und/oder Anschläge aufweisen, über die die Halterung, der erste Rahmen und/oder der zweite Rahmen relativ zu benachbarten Elementen fixierbar sind. Über die Anschläge und die Bremsen lassen sich die genannten Elemente in Zeitphasen, in denen eine Kamera nicht eingesetzt wird, fixieren, so dass in diesen Zeitphasen keine Drift entsteht. Erst wenn die Kamera wieder eingesetzt wird, werden dann die Bremse gelöst oder entsprechend die Elemente von den Anschlägen wegbewegt. Somit entsteht nur während des tatsächlichen Einsatzes einer Kamera eine Drift, die ausgeregelt werden muss.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Stabilisierung einer Kamera mit einem erfindungsgemäßen System zur Kamerastabilisierung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Drift der Kamera über die Inertialeinheit und/oder eine Bildauswertung von Kamerabildern bestimmt und über den Stabilisierungsantrieb ausgeregelt. Es kann vorgesehen sein, dass die Drift in Zeiträumen, in denen keine Kamerabenutzung stattfindet, ausgeregelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner vorsehen, dass die aufgrund der Drift auftretenden Querrotationsgeschwindigkeiten über ein von den Rotationsantrieben ausgeübtes Drehmoment reduziert werden, das geringer ist, als ein für die Überwindung einer Lagerreibung in der Lagerung der Kamera bzw. der Rahmen notwendiges Drehmoment. Dies hat den Vorteil, dass die Querrotationsgeschwindigkeiten ausgeglichen werden, wobei die von den Rotationsantrieben ausgeübten Drehmomente so gering sind, dass keine Kamerabewegung stattfindet. Die Drift kann somit ausgeglichen werden, ohne dass während des Ausgleichs der Drift Einfluss auf die Position der Kamera genommen wird.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass in Zeitphasen, in denen keine Kamerabenutzung stattfindet, die Halterung, der erste Rahmen und/oder der zweite Rahmen relativ zu benachbarten Elementen fixiert werden. Dadurch entsteht während dieser Zeiträume keine Drift und nur in den Zeiträumen, in denen die Kamera tatsächlich benutzt wird, kann eine Drift, die ausgeregelt werden muss, entstehen.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgende Figur die Erfindung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems 1 zur Kamerastabilisierung. Das System 1 weist eine Halterung 3 für eine Kamera 5 auf. Die Halterung 3 ist über einen Stabilisierungsantrieb 7 antreibbar, so dass die Kamera 5, die an der Halterung 3 befestigt ist, in einer vorbestimmten Position gehalten werden kann. Der Stabilisierungsantrieb 7 weist einen ersten Rotationsantrieb 9 und einen zweiten Rotationsantrieb 11 auf, Der erste Rotationantrieb 9 besteht aus zwei Motoren 13, die mit der Halterung 3 verbunden sind und die Halterung 3 um eine erste Rotationsachse 15 antreiben. Die Rotationsachse 15 ist in der Figur schematisch durch eine gestrichelte Linie angedeutet.
Die Motoren 13 sind über gabelförmige Halterungen 17 an einen ersten Rahmen 19 gehaltert.
Der Stabilisierungsantrieb 7 weist ferner eine erste Kreiselvorrichtung 21 auf, die dem ersten Rotationantrieb 9 zugeordnet ist. Die Kreiselvorrichtung 21 besteht aus zwei separat angetriebenen Kreiseln 23, deren Kreiselachsen orthogonal zu der ersten Rotationsachse 15 angeordnet sind, Von dem Rotationsantrieb 9 ausgeübte Gegenmomente können über die Kreiselvorrichtung 21 aufgenommen werden, indem die Kreisel 23 in eine hohe Rotationsgeschwindigkeit gebracht werden. Die Kreisel 23 besitzen durch ihre Rotation einen Drehimpuls, wodurch aufgrund der Drehimpulserhaltung das Gegenmoment des Rotationsantriebs 9 abgestützt werden kann.
Der zweite Rotationsantrieb 11 treibt die Halterung 3 für die Kamera 5 um eine zweite Rotationsachse 25 an. Dazu weist der zweite Rotationsantrieb 11 ebenfalls zwei Motoren 13 auf, die den ersten Rahmen 19 um die zweite Rotationsachse 25 antreiben. Die Motoren 13 des zweiten Rotationsantriebs 11 sind über gabelförmige Halterungen 17 an einem zweiten Rahmen 27 gelagert. Der Stabilisierungsantrieb 7 weist ferner eine zweite Kreiselvorrichtung 29 auf, die dem zweiten Rotationsantrieb 11 zugeordnet ist, und zwei Kreisel 23 aufweist. Die Kreiselachsen der Kreisel 23 der zweiten Kreiselvorrichtung 29 sind orthogonal zu der zweiten Rotationsachse 25 angeordnet.
Da die zweite Rotationsachse 25 orthogonal zu der ersten Rotationsachse 15 angeordnet ist, sind die Kreiselachsen der Kreisel 23 der zweiten Kreiselvorrichtung 29 auch orthogonal zu den Kreiselachsen der Kreisel 23 der ersten Kreiselvorrichtung 21 angeordnet.
Die von den Motoren 13 des zweiten Rotationsantriebs 11 ausgeübten Gegenmomente können über die zweite Kreiselvorrichtung 29 abgestützt werden.
Der zweite Rahmen 27 ist ferner über eine nicht dargestellte Lagerung mit einer nicht dargestellten Basis verbunden Dabei kann die Lagerung direkt an die Basis erfolgen. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass ein dritter Rotationsantrieb und eine dritte Kreiselvorrichtung zwischen dem Rahmen 27 und der Basis angeordnet sind.
Über die Kreiselvorrichtungen 21 und 29 wird die Halterung 3 und die Kamera 5 von der Basis entkoppelt. Dadurch können Störeinflüsse, die von der Basis erzeugt werden, von der Kamera 5 ferngehalten werden.
Das erfindungsgemäße System 1 kann ferner eine nicht dargestellte Inertialeinheit aufweisen, über die eine aufgrund des Gegenmomentes durch die Kreiselvorrichtungen hervorgerufene Drift erfasst wird. Diese kann dann über den Stabilisierungsantrieb 7 ausgeglichen werden.
Zusätzlich oder alternativ kann die Drift auch über eine Bildauswertung von Kamerabildern erfolgen. Dabei können beispielsweise wiederkehrende Merkmale in den Bildern identifiziert werden.
Die Drift kann in Zeiträumen, in denen keine Kamerabenutzung stattfindet, ausgeregelt werden.
Selbstverständlich ist es auch möglich, dass während der Kamerabenutzung die Drift ausgeregelt wird. Dabei ist es jedoch von Vorteil, wenn aufgrund der Drift auftretende Querrotationsgeschwindigkeiten reduziert werden, indem das resultierende Drehmoment so gering ist, dass auftretende Lagerreibung oder sonstige Hysterese nicht überwunden wird. Dadurch wird durch das resultierende Drehmoment die Kamera 5 nicht in Bewegung gesetzt.
Das erfindungsgemäße System 1 kann ferner eine Bremse oder einen Anschlag aufweisen, über den die Halterung 3, der erste Rahmen 19 und/oder der zweite Rahmen 27 fixiert werden können. Die Fixierung kann in den Zeitphasen, in denen die Kamera 5 nicht verwendet wird, erfolgen, Dadurch wird die Drift, die bei einer vorangegangenen Benutzungsphase der Kamera 5 erzeugt worden ist, kompensiert, so dass in einer späteren Aufnahmephase es nicht zu einer Überlastung der Motoren 13 des ersten Rotationsantriebs 9 und des zweiten Rotationsantriebs 11 kommen kann. Das erfindungsgemäße System 1 kann zur Stabilisierung der Kamera 5 an einer bewegten Basis verwendet werden. Die bewegte Basis kann beispielsweise ein Flugroboter oder ein Fahrzeug sein.

Claims

System (1) zur Kamerastabilisierung mit einer Halterung (3) für eine Kamera (5), die über einen Stabilisierungsantrieb (7) antreibbar ist, wobei der Stabilisierungsantrieb (7) mindestens einen ersten und einen zweiten Rotationsantrieb (9, 11) aufweist und die Rotationsantriebe (9, 11) die Halterung (3) um jeweils eine Rotationsachse (15, 25) antreiben und wobei die Rotationsachsen (15, 25) der Rotationsantriebe (9, 11) orthogonal zueinander verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass der Stabilisierungsantrieb (7) jeweils einer der Rotationsachsen (15, 25) zugeordnete Kreiselvorrichtung (21, 29) mit jeweils mindestens einem Kreisel (23) aufweist, wobei Drehmomente der Rotationsantriebe (9, 11) an den Kreiselvorrichtungen (21, 29) abstützbar sind.
System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreiselsachse des Kreisels (23) einer der Kreiselvorrichtungen (21, 23) orthogonal zu der Rotationsachse (15, 25), zu der die Kreiselvorrichtung (21, 29) zugeordnet ist, verläuft.
System (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stabilisierungsantrieb (7) eine kardanische Aufhängung der Halterung (3) bildet.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stabilisierungsantrieb (7) einen dritten Rotationsantrieb aufweist, der die Halterung (3) um eine dritte Rotationsachse antreibt, wobei die dritte Rotationsachse orthogonal zu den anderen Rotationsachsen (15, 25) verläuft.
System (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stabilisierungsantrieb (7) eine der Rotationsachse des dritten Rotationsantriebs zugeordnete Kreiselvorrichtung aufweist.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kreiselvorrichtung (21, 29) zwei Kreisel (23) aufweist, wobei die Kreiselachsen der Kreisel (23) einer Kreiselvorrichtung (21, 29) parallel zueinander verlaufen.
System (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Rahmen (19) vorgesehen ist, an dem der erste Rotationsantrieb (9) und die dem ersten Rotationsantrieb (9) zugeordnete Kreiselvorrichtung (21) gelagert ist.
System (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Rahmen (27) vorgesehen ist, an dem der zweite Rotationsantrieb (11) und die in dem zweiten Rotationsantrieb (11) zugeordnete Kreiselvorrichtung (29) gelagert ist.
System (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kreisel (23) auf eine hohe Geschwindigkeit, vorzugsweise zwischen 100.000 und 120.000 Umdrehungen pro Minute, antreibbar ist.
System (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kreisel über einen separaten Motor, vorzugsweise einen Elektromotor, antreibbar ist.
System (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stabilisierungsantrieb (7) eine Inertialeinheit zur Erfassung einer Drift aufweist.
System (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stabilisierungsantrieb (7) Bremsen und/oder Anschläge aufweisen, über die die Halterung (3), der erste Rahmen (19) und/oder der zweite Rahmen (27) relativ zu benachbarten Elementen fixierbar sind.
Verfahren zur Stabilisierung einer Kamera (5) mit einem System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Drift der Kamera (5) über eine Inertialeinheit und/oder eine Bildauswertung von Kamerabildern bestimmt wird und die Drift über den Stabilisierungsantrieb (7) ausgeregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Drift in Zeiträumen, in denen keine Kamerabenutzung stattfindet, ausgeregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgrund der Drift auftretende Querrotationsgeschwindigkeit über einen von den Rotationsantrieben (9, 11) ausgeübtes Drehmoment reduziert wird, das geringer ist als ein für die Überwindung einer Lagerreibung notwendiges Drehmoment.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (3), der erste Rahmen (19) und/oder zweite Rahmen (27) relativ zu benachbarten Elementen fixiert werden.