EP2135032A1 - Lagestabilisiertes trägersystem mit bildwanderungsausgleich - Google Patents

Lagestabilisiertes trägersystem mit bildwanderungsausgleich

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Publication number
EP2135032A1
EP2135032A1 EP08706817A EP08706817A EP2135032A1 EP 2135032 A1 EP2135032 A1 EP 2135032A1 EP 08706817 A EP08706817 A EP 08706817A EP 08706817 A EP08706817 A EP 08706817A EP 2135032 A1 EP2135032 A1 EP 2135032A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
carrier system
motion compensation
camera
forward motion
stabilization
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08706817A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mathias Hackel
Wilfried Rempke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Somag Ag Jena
Original Assignee
Somag Ag Jena
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Somag Ag Jena filed Critical Somag Ag Jena
Publication of EP2135032A1 publication Critical patent/EP2135032A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G12—INSTRUMENT DETAILS
    • G12B—CONSTRUCTIONAL DETAILS OF INSTRUMENTS, OR COMPARABLE DETAILS OF OTHER APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G12B5/00—Adjusting position or attitude, e.g. level, of instruments or other apparatus, or of parts thereof; Compensating for the effects of tilting or acceleration, e.g. for optical apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16M—FRAMES, CASINGS OR BEDS OF ENGINES, MACHINES OR APPARATUS, NOT SPECIFIC TO ENGINES, MACHINES OR APPARATUS PROVIDED FOR ELSEWHERE; STANDS; SUPPORTS
    • F16M11/00—Stands or trestles as supports for apparatus or articles placed thereon ; Stands for scientific apparatus such as gravitational force meters
    • F16M11/02—Heads
    • F16M11/04—Means for attachment of apparatus; Means allowing adjustment of the apparatus relatively to the stand
    • F16M11/06—Means for attachment of apparatus; Means allowing adjustment of the apparatus relatively to the stand allowing pivoting
    • F16M11/12—Means for attachment of apparatus; Means allowing adjustment of the apparatus relatively to the stand allowing pivoting in more than one direction
    • F16M11/125—Means for attachment of apparatus; Means allowing adjustment of the apparatus relatively to the stand allowing pivoting in more than one direction for tilting and rolling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16M—FRAMES, CASINGS OR BEDS OF ENGINES, MACHINES OR APPARATUS, NOT SPECIFIC TO ENGINES, MACHINES OR APPARATUS PROVIDED FOR ELSEWHERE; STANDS; SUPPORTS
    • F16M11/00—Stands or trestles as supports for apparatus or articles placed thereon ; Stands for scientific apparatus such as gravitational force meters
    • F16M11/02—Heads
    • F16M11/18—Heads with mechanism for moving the apparatus relatively to the stand
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00—Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying
    • G01C11/02—Picture taking arrangements specially adapted for photogrammetry or photographic surveying, e.g. controlling overlapping of pictures
    • G01C11/025—Picture taking arrangements specially adapted for photogrammetry or photographic surveying, e.g. controlling overlapping of pictures by scanning the object
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B15/00—Special procedures for taking photographs; Apparatus therefor
    • G03B15/006—Apparatus mounted on flying objects
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
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    • G03B17/00—Details of cameras or camera bodies; Accessories therefor
    • G03B17/56—Accessories
    • G03B17/561—Support related camera accessories
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16M—FRAMES, CASINGS OR BEDS OF ENGINES, MACHINES OR APPARATUS, NOT SPECIFIC TO ENGINES, MACHINES OR APPARATUS PROVIDED FOR ELSEWHERE; STANDS; SUPPORTS
    • F16M2200/00—Details of stands or supports
    • F16M2200/04—Balancing means

Definitions

  • the invention relates to a position-stabilized carrier system (mount) for aerial cameras in conjunction with a device for compensating the image migration caused by the forward movement of the aircraft.
  • the image movement can be minimized to the extent that the image resolution significantly improved and sharp shots even at longer exposure times are still possible.
  • Significantly reduced overlap differences between the individual images of an image sequence as well as improved coverage of the target area of the aerial photograph can thus be achieved.
  • a device for the horizontal stabilization of optical or radio equipment describes the document DE 20 2007 005 801 Ul, in which an actively adjustable, horizontally stabilized carrier includes a gimbal ring system having a Kardaninnenring in a concentrically arranged for this Kardanau touchring is rotatably suspended, wherein the Kardanau touchring is suspended in turn in the housing of the device about an axis perpendicular to the axis of the Kardaninnenringes.
  • the azimuth adjustments of the cardan and the gimbal outer ring via motor-gear units that are directly coupled to the tilt axes of the gimbal suspension.
  • the object of the invention is to provide an apparatus for aerial camera in which the attitude stabilization of the carrier system against unwanted positional fluctuations due to random roll, pitch and yaw movements of the aircraft in conjunction with a compensation of image migration effects in the Recording can take place relative to the camera moving objects.
  • the equipment required for this, the space required as well as the weight of the device should be as low as possible compared to the already known developments. To realize this task is by the technical
  • FIG. 2 shows the orientation of the flying apparatus about its longitudinal, transverse and vertical axes
  • FIG. 2 shows the pixel migration during the period of the shutter opening of the camera in the moving flying apparatus
  • FIG. 3 shows a possible advance positioning of the camera during aerial photography
  • Fig. 5 is a simplified sectional view of the ring system of FIG. 4 with respect to possible angular movements about the device axes ⁇ 1 , ⁇ 1 and ⁇ 1 and
  • FIG. 6 shows an example of the algorithm for a defined platform movement with forward motion compensation.
  • FIGS. 1a and b serve to illustrate the possible pitching, rolling and yawing movements occurring in the flying apparatus about the longitudinal axis ⁇ , transverse axis ⁇ and vertical axis ⁇ .
  • the respective arrangement of these spatial axes must by no means coincide with the arrangement of the device components for the compensation of the angular movements of the positional stability associated with the aforementioned movements.
  • the explanation of the pixel migration in the moving flying apparatus and the additional compensatory movements of the camera required for its compensation serve the illustration according to FIG. 2.
  • the pixel P 1 travels to P '' during the exposure time t b and at an airspeed v g , thereby generating a Image blur w.
  • the amount of image migration w is calculated according to the ray set to:
  • f is the objective focal length h g the flying height and m B the image scale.
  • a Kardaninnenring 1 is rotatably disposed about the axis ⁇ .
  • the Kardaninnenring carries the adapter plate not shown here with the Conskmera and is suspended in a concentric surrounding this Kardanau finishring 2.
  • the gimbal outer ring which in turn is rotatable about an axis ⁇ 'perpendicularly oriented axis ⁇ 1 , gimbaled to the housing 3 of the device.
  • the device axes cp 1 and ⁇ 1 of the device platform 9 are arranged so that they coincide with the axes ⁇ and ⁇ of the aircraft (pitch, roll); but they can also be offset.
  • the adjusting elements for the position stabilization at the same time take over the movement sequence of the image migration compensation.
  • the adjustment elements for position stabilization against the random position fluctuations of the flight apparatus and for image migration compensation are therefore identical elements. This makes it possible to achieve a considerable saving in technical equipment complexity and thus in total weight as well as a minimization of the space requirement for the overall device.
  • In the solution according to the invention can be switched manually between a normal stabilization and a stabilization with image migration compensation.
  • the tilt angle ⁇ and the tilt angle velocity ⁇ are detected by incremental and / or absolute encoders which are mounted in the device axes or are already integrated in the drives
  • the parameters for calculating the angles for the motion compensation can be set manually can be entered or automatically detected by comparison with the image trigger control of the camera and by image analysis of an additional CCD chip.
  • FIG. 6 shows a corresponding algorithm for the temporal sequence of the platform movement required for this purpose.
  • a fixed setting angle ⁇ / 2 should automatically be selected for the exposure start in order to obtain an approximately vertical position of the exposure camera for the near-axis projection beam PS in the exposure centroid (FIG. 3).
  • Angle values for camera tilt occurring in the forward motion compensation (FMC), including the correction angle ⁇ and the correction speed ⁇ ', include Table 1 for the case of a maximum compensation angle and Table 2 for a minimum compensation angle.
  • Adjustment time t b 0.020 1/50 s
  • Exposure time tb 0.001 s 1/1000 s

Landscapes

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Abstract

Lagestabilisiertes Trägersystem mit Vorwärtsbewegungskompensation für Luftbildkameras mit einer Geräteplattform auf einem kardanischen Ringsystem, bestehend aus einem Kardaninnenring, welcher in einem dazu konzentrisch angeordneten Kardanaußenring drehbeweglich aufgehängt ist, wobei der Kardanaußenring wiederum im Gehäuse des Trägersystems drehbeweglich um eine Achse f' senkrecht zur Drehachse ?' des Kardaninnenringes aufgehängt ist und bei dem Winkelverstellungen des Kardaninnenringes und des Kardanaußenringes jeweils über eine Motor-Getriebeeinheit als Vestellelement erfolgen, welche direkt mit den Kippachsen der kardanischen Aufhängung mechanisch gekoppelt ist, wobei die Verstellelemente sowohl die Verstellbewegungen für die Lagestabilisierung der Geräteplattform als auch die Ausgleichbewegung zur Bildwanderungskompensation ausführen.

Description

[Patentanmeldung]
[Bezeichnung der Erfindung:] Lagestabilisiertes Trägersystem mit Bildwanderungsausgleich
[Beschreibung]
Die Erfindung betrifft ein lagestabilisiertes Trägersystem (Mount) für Luftbildkameras in Verbindung mit einer Einrichtung zur Kompensation der durch die Vorwärtsbewegung des Flugapparates bedingten Bildwanderung.
[Stand der Technik] Für in Flugapparaten montierte Kameras zur Luftbildaufnahme ist es unbedingt erforderlich, eine von den Eigenbewegungen dieser Fahrzeuge entkoppelte, stabile Lage zu gewährleisten. Hierzu verwendet man heute Einrichtungen zur aktiven horizontalen Stabilisierung des Kamera-Trägersystems mit einer beispielsweise über direkt angetriebene Kippachsen bewegten Kameraplattform. Trotz häufig auftretender Lageänderungen des Flugapparates, verursacht zumeist durch von Luftturbulenzen hervorgerufene zufällige Roll-, Neige- und Gierbewegungen, lässt sich so die Position der Aufnahmekamera weitgehend stabil halten.
Mit derartigen Systemen, die oft als automatisch arbeitende, kreiselgestützte Baueinheiten ausgebildet sind, kann die Bildbewegung soweit minimiert werden, dass die Bildauflösung wesentlich verbessert und scharfe Aufnahmen selbst bei länge- ren Belichtungszeiten noch möglich sind. Auch deutlich verringerte Überlappungsdifferenzen zwischen den Einzelbildern einer Bildfolge sowie eine verbesserte Abdeckung des Zielgebiets der Luftaufnahme lassen sich so erzielen. Eine Vorrichtung zur Horizontalstabilisierung von optischen oder funktechnischen Einrichtungen beschreibt die Druckschrift DE 20 2007 005 801 Ul, bei der ein aktiv einstellbarer, horizontal stabilisierter Träger ein kardanisches Ringsystem enthält, welches einen Kardaninnenring aufweist, der in einem dazu konzentrisch angeordneten Kardanaußenring drehbeweglich aufgehängt ist, wobei der Kardanaußenring wiederum im Gehäuse der Vorrichtung um eine Achse senkrecht zur Achse des Kardaninnenringes aufgehängt ist. Die Azimutverstellungen des Kardaninnen- und des Kardanaußenringes erfolgen über Motor-Getriebeeinheiten, die direkt mit den Kippachsen der kardanischen Aufhängung gekoppelt sind. Bei anderen bereits bekannten lagestabilisierten Plattformen werden zur Winkelbewegung um die Raumachsen aber auch andere mechanische Mittel, so z.B. nach EP 0504 930 motorgesteuerte Spindeln, nach DD 254 079 hydraulische Systeme oder noch andere Verstellmittel in Verbindung mit geeigneten elektrischen/elektronischen Komponenten eingesetzt.
Um eine scharfe Abbildung des Zielgebietes zu ermöglichen, sollte ferner die bei der Vorwärtsbewegung des Flugapparates in der Abbildungsebene der Kamera zu beobachtende Bildwanderung während der Öffnungszeit des Kameraverschlusses weitgehend eliminiert sein. Auch hierzu wurden bereits mehrere technische Lösungen bekannt. So gibt es konstruktive Ausfüh- rungsformen, bei denen zur Kompensation der Bildwanderung die Kamera selbst bzw. deren Bildebene während der Verschlussöffnung mit mechanischen Mitteln um einen definierten Betrag in Flugrichtung verschoben wird. Eine andere Möglichkeit offenbart dagegen die Druckschrift DD 239 034 mit einer Vorrich- tung zur Ausschaltung der Bildwanderung, bei welcher der
Aufnahmefilm in gleicher Richtung und Geschwindigkeit wie das sich während der Aufnahme bewegende Bild transportiert wird. Die Filmbewegung wird z. B. dadurch realisiert, dass man eine Ansaugplatte zusammen mit dem darauf anliegenden Film ver- schiebt. Bekannt sind auch noch andere technische Lösungen, wie sie beispielsweise in der Multispektralkamera MKF 6 (VEB Carl Zeiss Jena) zur Anwendung gelangten und bei denen die Kamera während der Belichtungszeit um eine Achse, welche senkrecht zur Flugrichtung ausgerichtet ist, gekippt wird. Damit die üblicherweise nach der Beendigung der Filmbelich- tung notwendige Rückführung der Kompensationsmittel in die Ausgangslage vermieden werden kann, werden in einer in DD 149 176 vorgeschlagenen Vorrichtung zur Kompensation der Bildwan- derung durch einen elektronisch gesteuerten Regelkreis zusätzliche, den eigentlichen motorgesteuerten Filmtransport überlagernde Bewegungen ausgelöst.
[Aufgabe der Erfindung] Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für Luftbildkameras zu schaffen, bei der die Lagestabilisierung des Trägersystems gegen unerwünschte Positionsschwankungen infolge von zufälligen Roll-, Nick- und Gierbewegungen des Flugapparates in Verbindung mit einer Kompensation der Bildwanderungseffekte bei der Aufnahme von relativ zur Kamera bewegten Objekten erfolgen kann. Der dafür benötigte gerätetechnische Aufwand, der Platzbedarf wie auch das Gerätegewicht sollen im Vergleich zu den bereits bekannten Entwicklungen möglichst gering ausfallen. Zur Realisierung dieser Aufgabe wird von der technischen
Lösung nach DE 20 2007 005 801 Ul für die elektrisch/ mechanisch stabilisierte Plattform ausgegangen, bei der ein karda- nisches Ringsystem mit drehmomentstarken und spielfreien Motor-Getriebeeinheiten verbunden ist. Als horizontal stabi- lisiertes Trägersystem soll dessen lagestabilisierte Plattform auch für handelsübliche Großformatkameras oder die Simultanstabilisierung von mehreren Klein- oder Mittelformatkameras geeignet sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den aus dem ersten Patentanspruch ersichtlichen Merkmalen gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind der Gegen- stand von mehreren Unteransprüchen.
[Beispiel]
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und von mehreren Abbildungen näher erläutert. Die Abbildungen zeigen:
Fig. Ia und b die Ausrichtung des Flugapparates um seine Längs-, Quer- und Hochachse, Fig.2 die Bildpunktwanderung während der Zeitdauer der Verschlussöffnung der Kamera im bewegten Flugapparat, Fig. 3 eine mögliche Vorhaltepositionierung der Kamera bei der Luftbildaufnahme, Fig. 4 eine im wesentlichen schematische Ansicht des für das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel verwendeten stabilisierten Trägersystems bei Weglassen der Geräteplattform im verkleinerten Maßstab,
Fig. 5 ein vereinfachtes Schnittbild des Ringsystems nach Fig. 4 im Hinblick auf mögliche Winkelbewegungen um die Geräteachsen φ1, ω1 und χ1 und
Fig. 6 beispielhaft den Algorithmus für eine definierte Plattformbewegung mit Vorwärtsbewegungs-Kompensation.
Lagestabilisierte Plattformen als Bestandteil von im Flug- apparat eingebauten Trägereinheiten für Luftbildkameras sollen beim Bildflug auftretende zufällige Positionsschwankungen ausgleichend korrigieren. Die Fig. Ia und b dienen der Veranschaulichung der hierbei im Flugapparat auftretenden möglichen Nick-, Roll- und Gierbewegungen um die Längsachse ω, Querachse φ und Hochachse χ. Hierbei muss die jeweilige Anordnung dieser Raumachsen keineswegs mit der Anordnung der Gerätekomponenten für die Kompensation der mit den vorgenannten Bewegungen verknüpften Winkelbewegungen der lagestabili- sierenden Plattform mit Geräteachsen φ1, ω' und χ' überein¬ stimmen.
Die Erklärung der Bildpunktwanderung im bewegten Flugapparat und der für deren Kompensation erforderlichen zusätzlichen Ausgleichsbewegungen der Kamera dient die Darstellung nach Fig. 2. Danach wandert der Bildpunkt P1 während der Belichtungszeit tb und bei einer Fluggeschwindigkeit vg nach P' ' und erzeugt dadurch eine Bildunschärfe w. Die Hauptebenen des Kameraobjektivs legen dabei einen Weg s mit s = vg»tb zurück. Der Betrag der Bildwanderung w berechnet sich nach dem Strahlensatz zu:
W = Vg'tb'f'/hg = Vg'tb-mB
Hierbei bedeuten: f die Objektivbrennweite hg die Flughöhe und mB den Bildmaßstab.
Erfolgt die Kompensation der Bildwanderung durch Kippen der Luftbildkamera während des Belichtungsvorgangs, so gilt für den Kipp- oder Korrekturwinkel α:
α = 2 arctan s/[2(hg+f')] mit s = vg »tb.
Die Lagestabilisierung wie auch die Vorwärtsbewegungskompensation erfolgt durch Stellbewegungen der Vorrichtung nach Fig. 4. Hierbei ist ein Kardaninnenring 1 drehbeweglich um die Achse φ angeordnet. Der Kardaninnenring trägt die hier nicht dargestellte Adapterplatte mit der Aufnahmekämera und ist in einem diesen konzentrisch umgebenden Kardanaußenring 2 aufgehängt. In gleicher Weise ist der Kardanaußenring, der wiederum um eine zur Achse φ' senkrecht orientierte Achse ω1 drehbeweglich ist, am Gehäuse 3 der Vorrichtung kardanisch aufgehängt. Als Antrieb für die Verstellbewegungen beider Kardanringe und damit der Geräteplattform für die Aufnahmekamera um die Kippachsen dienen Antriebsbaugruppen 4 und 5. Diese enthalten in ihrer kompakten Bauform Antriebsmotoren 6 und 6', geregelt durch Regeleinrichtungen 8 und 8', sowie Präzisionsgetriebe 7 und 7 ' . Durch die direkte Kopplung ihrer zentralen Antriebswellen mit den Kippachsen der Kardanringe erfolgen die Drehbewegungen des Kardanaußen- und des Karda- ninnenringes. Dadurch lässt sich die Geräteplattform auf dem Kardaninnenring stabil positionieren und der Winkel nach dem jeweiligen Sollwert ausrichten. Zum Antrieb werden im Ausführungsbeispiel drehmomentstarke Servoantriebe sowie Präzisionsgetriebe eingesetzt, die sich durch ihre geringe Baugröße und hervorragende Steifigkeit und Wiederholgenauigkeit auszeichnen. Das Trägersystem ist für die Stabilisierung von Aufnahmegeräten mit einer Gesamtmasse bis etwa 50 kg ausgelegt.
Die Geräteachsen cp1 und ω1 der Geräteplattform 9 (Figur 5) sind dabei so angeordnet, dass sie sich mit den Achsen φ und ω des Flugapparates (pitch, roll) decken; sie können aber auch versetzt dazu liegen. In jedem Fall übernehmen bei der erfindungsgemäßen Lösung die Verstellelemente für die Lagestabilisierung zugleich den Bewegungsablauf der Bildwanderungskompensation. Die Verstellelemente zur Lagestabilisierung gegen die zufälligen Positionsschwankungen des Flugappa- rates und zur Bildwanderungskompensation sind somit identische Elemente. Dadurch lässt sich eine beträchtliche Einsparung an gerätetechnischem Aufwand und damit an Gesamtgewicht sowie eine Minimierung des Platzbedarfs für das Gesamtgerät erreichen. Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann manuell zwischen einer normalen Stabilisierung und einer Stabilisierung mit Bildwanderungsausgleich umgeschaltet werden. Da der Bildwanderungsausgleich nur die φ'-Achse (pitch) betrifft, funktioniert die Lagestabilisierung durch die ω-Achse (roll) weiterhin. Bei ausreichend langem Bildfolgezyklus (z.B. tf-ls) und maximalen Belichtungszeiten (z.B. tB-0,l s) kann durch Synchronisation zwischen den Befehlen "Bildwanderungskompensati- on ein" und "Bildwanderungskompensation aus" und dem Auslöseimpuls für den Befehl "Aufnahme" ein automatisches Umschalten erfolgen.
Der Kippwinkel α und die Kippwinkelgeschwindigkeit α" werden mit inkrementellen und/oder absoluten Gebern erfasst, welche in den Geräteachsen angebracht bzw. bereits in den Antrieben integriert sind. Die Parameter zur Berechnung der Winkel für die Bewegungskompensation (Flughöhe, Fluggeschwindigkeit und Belichtungszeit) können manuell eingegeben oder auch automatisch durch Abgleich mit der Bildauslösesteuerung der Kamera und durch Bildauswertung eines zusätzlichen CCD-Chips erfasst werden.
Bei der Kompensation der Bildwanderung zur Verbesserung der Bildschärfe der photographischen Aufnahme wird man zweckmäßigerweise die Kamera zunächst durch eine Vorhaltebewegung in eine Ausgangsstellung bringen und in dem sich anschließenden Belichtungsvorgang mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit α1 in eine Endstellung bewegen. Einen entsprechenden Algorithmus für den hierfür erforderlichen zeitlichen Ablauf der Plattformbewegung zeigt beispielhaft die Fig. 6. Danach erfolgt nach der Erfassung der Fluglage (pitch, roll) die rechnerische Ermittlung des Vorhaltewinkels, wobei sich die Winkelgröße für die Kamerakippung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit aus der Belichtungszeit, der Objektivbrennweite der Kamera sowie der Flughöhe und -geschwindigkeit, für die Beschleunigungs- und Bremsphase unter Einbeziehung des Antriebmomentes und der Trägheitsmomente für die Kamera und den Antrieb berechnen lässt. Nach Einstellung des Vorhalte- und Endwinkels für die Kippbewegung erfolgt nach Auslösen des mit der Belichtungssteuerung synchronisierten Startsignals in der Phase gleichförmiger Ausgleichbewegung der Geräteplattform mit dem Kameraschwenk auch die Bildbelichtung. Vorteilhafterweise sollte bei der Vorwärtsbewegungskompensation, also der Schalterstellung "Bildwanderungskompensation ein", für den Belichtungsbeginn automatisch ein fest eingestellter Vorhaltewinkel α/2 gewählt werden, um im Belichtungsschwerpunkt eine annähernd senkrechte Stellung der Aufnahmekamera für den achsnahen Projektionsstrahl PS zu erhalten (Fig. 3) .
Bei der Vorwärtsbewegungskompensation (Forward Motion Compen- sation FMC) auftretende Winkelwerte für die Kamerakippung, darunter den Korrektionswinkel α und die Korrekturgeschwindigkeit α', enthält die Tabelle 1 für den Fall eines maximalen Kompensationswinkels und die Tabelle 2 für einen minima- len Kompensationswinkel.
Tabelle 1: maximaler Kompensationswinkel
Eingangsgrößen:
Flughöhe hg 300,00 m
Brennweite f 75,00 mm
Fluggeschwindigkeit Vg 320,00 km/h
Beilichtungszeit tb 0,020 = 1/ 50 s
Bildgröße s1 50 mm
Bildfolgezeit T 1,50 s
Trägheitsmoment Kamera JK 5,00 kgm2
Trägheitsmoment Antrieb JAΠ 6,60 kgm2
Antriebsmoment M 40,0 Nm
Sicherheit Beschleunigung S 2,0
Zwischenergebnisse:
Geländestrecke S 200,00 m s-s'*hg/f
Bildmaßstab M 1/ 4000 m=f/hg
Blldwanderung W 0,44 mm w=f1hg*vgtb
Längsüberdeckung q 33% q=1-(Tvgc/s'hg)
Ergebnisse:
Korrekturwinkel α 0,34° a=2arctan(v gW(2(hg+f)))
Korrekturgeschwindigkeit Dα/dt 16,97 ,. Dα/dt=αΛb=4vg(hg+f)/((vgt)2+4(hg+ Beschleunigungs-,
Bremswinkel O an 1,46° αan=(dα/dt)2*J/2M
Gesamtwinkel für FMC Cl ges 3,26° αges=S(α+2αan)
Winkelreserve (pitch gesamt) Cl Rest 16,74° α Rest=20<>-α ges
Tabelle 2:
minimaler Kompensationswinkel
Eingangsgrößen:
Flughöhe hg 3000,00 m
Brennweite f 250,00 mm
Fluggeschwindigkeit V9 320,00 km/h
Belichtungszeit tb 0,001 s = 1/ 1000 s
Bildgröße s1 50 mm
Bildfolgezeit T 1,00 s
Trägheitsmoment Kamera JK 5,00 kg2
Trägheitsmoment Antrieb JAΠ 6,60 kgm2
Antriebsmoment M 40,0 Nm
Sicherheit Beschleunigung S 2,0
Zwischenergebnisse:
Geländestrecke S 600,00 m
Bildmaßstab M 1/ 12000
Blldwanderung W 0,01 mm
Längsüberdeckung q 85%
Ergebnisse:
Korrekturwinkel α 0,002°
Korrekturgeθchwlndlgkeit dα/dt 1,70°/s
Beschleunigungs-,
Bremswinkel Cl an 0,01°
Gesamtwinkel für FMC d ges 0,03°
Winkelreserve (pitch gesamt) Q Rest 19,97° OO
[Bezugszeichenliste]
φ, ω und χ Raumachsen des Flugapparates
«P ' r ω ' und x ' Geräteachsen (Drehachsen) α Kippwinkel (Korrekturwinkel) α ' Kippwinkelgeschwindigkeit
Vg Fluggeschwindigkeit hg Flughöhe
PS Projektionsstrahl
W Bildwanderung
H , H ' Objektivhauptebenen
FUq Wirkmomente 1 Kardaninnenring
2 Kardanaußenring
3 Gehäuse
4 , 5 Antriebsbaugruppen
6, 6 ' Antriebsmotoren 7 , 7 1 Präzisionsgetriebe
8 , Regeleinrichtungen
9 Geräteplattform

Claims

Patentansprüche
1. Lagestabilisiertes Trägersystem mit Vorwärtsbewegungskompensation für Luftbildkameras mit einer Geräteplattform auf einem kardanischen Ringsystem, bestehend aus einem Kardan- innenring, welcher in einem dazu konzentrisch angeordneten Kardanaußenring drehbeweglich aufgehängt ist, wobei der Kardanaußenring wiederum im Gehäuse des Trägersystems drehbeweglich um eine Geräteachse φ' senkrecht zur Drehachse ω1 des Kardaninnenringes aufgehängt ist und bei dem Winkelverstellungen des Kardaninnenringes und des Kardanaußenringes jeweils über eine Motor-Getriebeeinheit als Ver- Stellelement erfolgen, welche direkt mit den Kippachsen der kardanischen Aufhängung mechanisch gekoppelt ist und wobei die Verstellelemente sowohl die Verstellbewegungen für die Lagestabilisierung der Geräteplattform als auch die Ausgleichbewegung zur Bildwanderungskompensation ausführen.
2.Lagestabilisiertes Trägersystem mit Vorwärtsbewegungskompensation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Motor-Getriebeeinheit einen Hochleistungsmotor, ein Präzisionsgetriebe, sowie einen Winkelgeber umfasst, wobei dessen Einstellung zwecks horizontaler Ausrichtung unter Verwendung einer Regelungssoftware erfolgt.
3.Lagestabilisiertes Trägersystem mit Vorwärtsbewegungskompensation nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der aktuellen Winkel der beiden Kardanringe Messsysteme vorgesehen sind, deren elektrische Signale zusammen mit den Werten von Kreiselsensoren und Neigungssensoren als maßgebliche Eingangsgrößen für Regelkreise zur Steuerung der Verstellelemente dienen.
4. Lagestabilisiertes Trägersystem mit Vorwärtsbewegungskompensation nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung horizontaler Lageabweichungen des Trägers externe Messsysteme vorgesehen sind, deren elektrische Signale über Regelkreise die Verstelleinheiten steuern.
5. Lagestabilisiertes Trägersystem mit Vorwärtsbewegungskom- pensation nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch/ elektronische Schalteinrichtung zum wechselseitigen Umschalten zwischen den Modi "Stabilisierung" und "Stabili- sierung mit Bewegungskompensation" vorgesehen ist.
6. Lagestabilisiertes Trägersystem mit Vorwärtsbewegungskom- pensation nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Bildauslösung der Kamera automatisch die Lagestabi- lisierung durch ein elektronisches Startsignal von der Belichtungssteuerung der Kamera unterbrochen und der Bewegungsablauf der Bildwanderungskompensation ausgelöst und nach Belichtungsende die Lagestabilisierung auto matisch erneut eingeschaltet wird.
7.Lagestabilisiertes Trägersystem mit Vorwärtsbewegungskompensation nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorwärtsbewegungskompensation Microcontroller zur Berechnung des Vor- haltewinkels wie auch zur Regelung der Stabilisierung und zur Bewegungssteuerung vorgesehen sind, wobei diese Werte über Regelkreise entsprechende Stellbewegungen der Verstellmittel sowie den Kameraverschluss auslösen.
8.Lagestabilisiertes Trägersystem mit Vorwärtsbewegungskompensation nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines zusätzlichen CCD-Sensors, eines Drucksensors sowie durch einen Abgleich mit der Kamera-Belichtungssteuerung die für die Kompensationsbewegung erforderlichen Parameter der Bildwanderung, der Flughöhe und der Belichtungszeit automa- tisch erfasst werden.
EP08706817A 2007-04-18 2008-01-24 Lagestabilisiertes trägersystem mit bildwanderungsausgleich Withdrawn EP2135032A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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