EP2318882A1 - Vorrichtung und verfahren zur lagestabilisierung von kameras, und zur herstellung von filmaufnahmen aus unbemannten flugkörpern - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur lagestabilisierung von kameras, und zur herstellung von filmaufnahmen aus unbemannten flugkörpern

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EP2318882A1
EP2318882A1 EP09778096A EP09778096A EP2318882A1 EP 2318882 A1 EP2318882 A1 EP 2318882A1 EP 09778096 A EP09778096 A EP 09778096A EP 09778096 A EP09778096 A EP 09778096A EP 2318882 A1 EP2318882 A1 EP 2318882A1
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EP
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camera
rotation
axes
motors
signals
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EP09778096A
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Stefan Reich
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Individual
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    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/18—Stabilised platforms, e.g. by gyroscope
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16M11/00—Stands or trestles as supports for apparatus or articles placed thereon ; Stands for scientific apparatus such as gravitational force meters
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    • F16M11/18—Heads with mechanism for moving the apparatus relatively to the stand
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    • F16M11/2035—Undercarriages with or without wheels comprising means allowing pivoting adjustment in more than one direction
    • F16M11/2071—Undercarriages with or without wheels comprising means allowing pivoting adjustment in more than one direction for panning 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
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    • F16M13/00—Other supports for positioning apparatus or articles; Means for steadying hand-held apparatus or articles
    • F16M13/02—Other supports for positioning apparatus or articles; Means for steadying hand-held apparatus or articles for supporting on, or attaching to, an object, e.g. tree, gate, window-frame, cycle
    • 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
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    • 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
    • F16M2200/041—Balancing means for balancing rotational movement of the head
    • F16M2200/042—Balancing means for balancing rotational movement of the head for panning movement

Definitions

  • the invention relates to a position stabilization system for cameras and other imaging sensors or other payloads whose exact alignment is important. Especially on moving camera carriers such as vehicles, missiles and camera cranes, it is important to stabilize the alignment in order to achieve the best results in film or video recordings.
  • Conventional precision camera-mounting devices include a pivoting platform and actuators that resets alignment to a setpoint via a loop.
  • DE 195 99 41 A describes a stabilized platform for the stationary mounting of a camera tripod or the like, which includes gyros and associated potentiometers, and in which torque plates are used to align the camera.
  • EP 1 061 338 A1 describes a device for spatial stabilization of sensors in which a sensor platform is mounted as a heavy pendulum in such a way that it is in a weakly stable, almost indifferent equilibrium.
  • a cardan or ball joint or designed as an outer frame system gimbal is provided as storage.
  • torque sensors and for measuring the relative position relative to the vehicle, in particular angle encoders are provided as drive.
  • the momentary encoders can be constructed from a combination of position sensors and elastic coupling elements.
  • WO 2004/067432 A2 describes a gimbal which can be swiveled in several axes, in which rapidly adjusting actuators for compensating vibrations and slow-acting actuators of different axial directions are provided for swiveling the camera.
  • a "gimbal lock" can be avoided, i. the situation that when the camera inclines two axes come to lie parallel, which would lose one degree of freedom of the gimbal and could not follow a movement in the corresponding direction.
  • a disadvantage of this device is the large number of required redundant axes and actuators concerned.
  • US 6,154,317 A describes a camera suspension having a plurality of intermeshing universal joints, wherein gyro rotation rate sensors are mounted at different locations of the device to measure the respective rotation.
  • gyro rotation rate sensors are mounted at different locations of the device to measure the respective rotation.
  • One of these sensors is attached so that it goes along with all the movements of the camera.
  • the disadvantage here is that not all movement axes are measured directly on the camera, but parts of the cardan are between the camera and some measuring sensors, which affects the accuracy.
  • No. 5,897,223 A describes a spring-damped and stabilized platform in which yaw rate sensors join in the movements of the camera.
  • the required mechanical control is very complex.
  • the servomotors or encoders and their regulation must achieve an extremely high reaction speed, so that they can eliminate vibrations in the environment and none Control delays occur.
  • the aim of the invention is to provide a low-cost and efficient system and a method for stabilizing the position of cameras, by which even rapid shocks and vibrations can be compensated.
  • the term camera includes imaging sensors of any kind.
  • the camera and any other moving devices are also referred to below as the payload.
  • the motors are provided for driving the rotational movements taking place about the axes of rotation.
  • the term motor, servo or drive includes any type of actuator, linkage or control. According to the invention, both the desired pivoting of the camera can take place, as well as the active compensation of environmental movements, whereby the environment moves and the camera is held still by the device.
  • the camera with a suspension about at least two axes of rotation is rotatably connected to the environment, in particular a vehicle. Furthermore, motors are provided for driving the rotation axes taking place about the rotational movements. Further features of the device are:
  • Rotation rate sensors for a plurality of the axes of rotation are provided on the camera or on a platform provided for receiving the camera such that they move together and their rotational movements are identical to those of the camera,
  • a closed loop which includes the yaw rate sensors and a connected control circuit that controls the motors, and
  • a crossfader controls, based on a measured or approximate signal indicative of the relative orientation of the axes of rotation to each other, the assignment, degree of coupling and / or direction of action of the signals on the signal path from the yaw rate sensors to the motors depending on the relative orientation of the signals Rotation axes variable.
  • a device for position stabilization of a camera is provided with a bearing, which is rotatable about at least two axes of rotation and by means of which the camera with the environment, in particular a vehicle is connectable.
  • the device further comprises motors for driving the rotational movements taking place about the axes of rotation, as well as stabilizing electronics, which includes rotation sensors which are mounted on the bearing so that they join in all movements of the camera.
  • the stabilization electronics controls the motors, and is designed such that it controls the assignment, degree of coupling and / or the effective direction of the signals in the signal path from sensors to motors, depending on the relative orientation of the axes of rotation one behind the other, variable.
  • signals of the rotary sensors can enter a control circuit of the stabilization electronics, which forms control signals from the signals and outputs them to the motors.
  • signals on the signal path from the rotary sensors to the motors can be variably mixed under signals belonging to different axes of rotation, the coefficients of the mixture being respectively controlled by a signal indicating the relative orientation between the driving and measuring axis directions.
  • a yielding coupling member may be provided at one point in the drive path or Anlenkungspfad the engine. It can be realized, for example, with an elastic connection. This can be provided between the motor shaft and output, or between the motor housing and the opposite side of the drive, ie point of attack or environment of the engine. In general, it can be provided at any point in the drive path or Anlenkungspfad the engine.
  • the motor housing hang freely, the engine, for example, depends only on its shaft and is additionally moored by a spring with its surroundings.
  • the sides of the control are arbitrary, ie the side of the motor housing can be assigned to the side of the camera or the vehicle.
  • the device mechanically couples a camera to a vehicle or other supporting environment.
  • the rotatable mounting may be a connection between a provided for receiving the camera platform with a provided for mounting to the environment or a vehicle connecting body.
  • the term platform includes any body suitable for attachment.
  • vehicle hereinafter includes any supporting environment, ie in particular a missile, a camera crane, another object or a camera operator carrying the device.
  • the invention may be provided in unmanned missiles, particularly in ground-based model helicopters, quadrocopters, or similar submersible missiles.
  • Any controllable drive device can be used as the motor, in particular electric motors or electromagnets, which can drive in one direction and one opposite direction, in particular linearly and / or rotationally.
  • a pivot bearing can serve a multi-axis simultaneously rotatable bearing, or a gimbal arrangement of multiple bearings or joints.
  • the invention is based on the finding that an improved position correction can take place when the signals are superimposed in dependence on the relative orientation of the axes of rotation in such a way that a change in the sense of direction of the action of individual motors resulting from changed axis orientations is taken into account accordingly.
  • 3 axes of rotation are advantageous. It can also be provided more than 3 axes of rotation, which makes sense to avoid singularities in which in certain tilt angle combinations two axes are parallel and thus the camera would not be movable in all directions, if 2 of 3 axes are parallel.
  • the axes of rotation are preferably close to the center of gravity. This may include in particular that the center of gravity of the camera, together with its moving parts from the respective axis of rotation has a distance of less than 10% of the longest dimension of the camera.
  • the rotational movements of the camera should be completely independent of those of the environment. In particular, the camera should either stand still or perform defined controllable rotations. rotations may be in particular pan, pitch or roll. An influence or stabilization of translational movements is not necessarily included.
  • the entire frame can be suspended soft springy, in addition to largely decouple vibrations.
  • the linkage can be deliberately made soft by a resilient, in particular an elastic coupling.
  • a coupling member can serve an elastic material, such as a spring, in particular coil spring or torsion spring, a rubber or foam part, a transmission with pulleys and a length-stretchable belt, or the like.
  • short-term or rapid disturbances can be suppressed much better with the invention. This applies both to movements of the environment and to measuring fluctuations of the stabilization device as well as to irregularities or vibrations in the course of the motors. Furthermore, with much lesser demand on the rapidity of the sensors and in particular the actuators still a much faster compensation possible.
  • the resonance frequency which results from elastic suspension on the one hand and mass (moment of inertia) of the pivotable parts on the other hand, designed lower than the majority of the occurring disturbing movements.
  • this resonant frequency can be made much lower than the speed of a proposed control.
  • the controller is designed by suitable adaptation of its parameters so that it can bridge the resulting additional mechanical 90 ° - phase delay. This is e.g. possible with known means of PID control. If the camera is to perform deliberate movements, these are limited in terms of their maximum possible acceleration. However, this is not a disadvantage, because the setpoints of the camera orientation are usually changed as steadily and slowly as possible anyway.
  • Another advantage of the invention is that to achieve this quality neither costly torque sensor, nor special fast-reacting actuators of other types must be used.
  • the term engine here includes any type of electromechanical actuator.
  • commercial servomotors can advantageously be used.
  • Such servos are designed as position dividers and can structurally combine the following components: a motor, a gear reduction between the motor and an output shaft, a position sensor on the output shaft, such as a motor. a rotary potentiometer, and an electronic control and drive unit, which compares a setpoint input signal with the measured value of the position sensor and drives the motor.
  • FIG. 1 shows a device for stabilizing the position of a camera
  • Fig. 3 is a block diagram of a position control
  • 4a and 4b another device for position stabilization of a camera.
  • FIG. 5 shows a block diagram of a digitally operating position control
  • Figure 1 shows the mechanics of a first embodiment.
  • Surrounding part 2 is intended for fixed or spring-mounted attachment to the environment, in particular a vehicle. It essentially reflects the movements of the environment and is therefore considered as part of the environment in the following.
  • a designed as a gimbal frame consists of three angled portions or legs 3, 4, and 5, which are movable over three axes of rotation 6, 7, 8. Its last section 5 is provided for carrying the camera 1.
  • a drive unit 12 For driving about the axis of rotation 7, a drive unit 12 is provided.
  • This includes a servo motor 15 with an integrated gear, the output shaft is connected to the frame portion 4.
  • the motor 15 In order to achieve a yielding coupling, the motor 15 is not fixedly connected to its other frame portion 3, but hangs freely on its output shaft. Only the coil springs 17 and 18 constitute a force connection between the frame section 3 and motor 15, and thus serve as yielding coupling in the transmission path.
  • Short-term disturbances such as torque due to shock and vibration
  • the yielding coupling in conjunction with the moment of inertia of the payload, even if they occur at any rate faster than the motors and control react.
  • Prolonged disturbances are additionally compensated by the regulation via the engine.
  • Figure 2 shows in cross-section a detail view with another embodiment of the yielding coupling. Shown are parts of a drive unit, as they can be used in Figure 1, for example, as a drive unit 13 and 11.
  • Motor 15 drives via a pulley 22 and a belt 23 to a second pulley 24, which rotates about a ball bearing 26 on the output shaft 2.
  • the output shaft 2 is in turn also rotatable about ball bearings 25.
  • the coupling from the second pulley 24 to the output shaft 20 takes place only via a spring 17, which transmits the torsional forces and serves as a yielding coupling. This coupling takes place between pulley 26 and a collar 28.
  • Figure 2 shows a way to balance the center of gravity on the axis of rotation.
  • Axis 6 is a pan axis driven by pan motor unit 11.
  • Axis 7 is a roll axis located mechanically behind the pan axis when starting from outside and driven by roll motor unit 12
  • th axis 8 is a pitch axis, mechanically assigned to the nearest of the camera and driven by pitch motor unit 13.
  • a position control in which the sensors 14 or sensor unit 14 for position detection join in the movements of the camera 1. These sensors may in particular be rotation rate sensors.
  • the manipulated value of this position control can be used as the setpoint of the motor-side control.
  • Position sensors can be arranged together for all three axes of rotation 6, 7, 8 so that they rotate together with the camera around all axes. This may mean, in particular, that they are not separated at individual or upstream sections of the cardan joint. If the camera 1, as shown in Figure 1, aligned horizontally or pivoted only at small angles, so correspond to the axes of rotation 6, 7,8 of the motor units 11, 12, 13 and the movements related to the camera 1 and in the sensor unit Then it is possible without further precautions to apply to each of the three sensor signals its own control circuit, in turn, by driving the motor associated with the respective axis 11, 12, 13 as an actuator , forms a closed loop control, whereby each control loop can stabilize the orientation of the camera 1 in the respective axis.
  • the roll axis 7 acts as a lateral pivot axis with respect to the camera 1 (camera scan axis); and pan axis 6 acts as a roll axis with respect to the camera 1.
  • intermediate states e.g.
  • the orientation of the axes relative to each other changes, and in particular the orientation of the axes of the motors changes relatively to the axes of the rotary sensors and camera, and consequently changes the direction of action of the servomotors, based on the camera and sensors.
  • existing state of the art eg US 6,154,317 A
  • the relative orientation of the axes of rotation to one another is measured or estimated directly or indirectly, and that the assignment, degree of coupling and / or effective direction of the signals on the signal path from the rotation rate sensors to the motors is variably controlled in dependence on the relative orientation of the axes of rotation.
  • the relative orientation of the roll axis associated with the sensor 42 and the pan axis relative to the motor axis 7 (roll) associated with the sensor 41 can be measured in the exemplary embodiments by measuring the tilt angle a occurring in the pitch axis 8.
  • the relative orientation of the axes associated with the sensors with respect to the motor axes 6 (pan) can be measured by measuring both the tilt angle a and the roll angle b occurring in the motor axis 7 (roll).
  • variable control may be done as a crossfade or a mixture with variable coefficients, the coefficients being controlled in dependence of the relative orientation of the axes of rotation.
  • the variation may be in any fine steps or quasi-continuous, or approximated by a discrete number of stages, but always with a plurality of stages, corresponding to a variety of possible mixing factors.
  • An inclination measured by an artificial horizon may be used, especially if one can assume an approximately horizontal orientation of the surroundings.
  • rotary position sensors for example potentiometers or angle encoders, can be used on the axes of rotation 7 and 8.
  • the manipulated variable with which the motors 13 (pitch) and 14 (roll) are activated can be used, in particular if these are position-adjusting servos.
  • the crossfading of the signals within the control circuit can be controlled by these measured values.
  • the position control can be done via measured rotation rates. Alternatively or additionally, the position control can also be carried out by using measured values of angles of inclination. As target values of the camera alignment can be provided either as rotation rate values or as angle values or as a combination of both.
  • an artificial horizon may be provided, which includes three rotation rate sensors and an acceleration sensor measuring the direction of gravity.
  • FIG. 3 shows a block diagram of an embodiment of a position control.
  • Rotation rate sensors 41, 42, 43 are attached to the camera, sensor 41 being aligned with a pivot axis (pan or yaw), 42 with a roll axis and 43 with a pitch axis, and this orientation always refers to the camera ,
  • Rotational gyroscopes can be electronic gyroscopes.
  • Setpoints are received via a radio receiver 30 which correspond to the desired rotation rate of the camera movement in the said axes and are zero in the special case of standstill.
  • the variable gain amplifiers 44, 45, and 46 may be conventional operational amplifiers or PIDs (proportional differentially integral) controllers.
  • the control circuit may be constructed as a control unit 55, optionally also structurally combined with the sensors 41, 42, 43 of the sensor unit 14.
  • a transducer 47 is provided for measuring a pitch angle a of the gimbal about its pitch axis 8.
  • a potentiometer may be mounted on this axis, and / or an acceleration sensor may be accommodated in the sensor unit 14, which determines the inclination on the basis of Estimates gravity.
  • the inclination measurement signal is represented or converted as a cosine value 48 and a sine value 49 of the inclination angle ⁇ .
  • the crossfade circuit 50 varies the assignment of the manipulated variables from the regulators 44, 45 to the drive units 11, 12.
  • the crossfading can be defined as a mixture with variable coefficients, in which case the coefficients are from the inclination angle ⁇ or generally from the axis angle ⁇ .
  • Allocation reporting signal to be defined.
  • the variation can consist of a potentiometer as shown, or of a mixing element with variable amplification factors.
  • the cosine value 48 controls the proportions which the motor unit 11 receives from the regulators 44 and 45, with a transition between these values, depending on the cosine value 48.
  • the part of the cross-fading circuit 50 shown as potentiometer 51 is provided.
  • a cross-fading of the control value provided for drive unit 12 takes place in the part of the cross-fading circuit 50 shown as potentiometer 52, controlled by sine value 49.
  • transitions correspond to the variable effects of the rotational movements that can be generated by the drive units as a function of the orientation of the axes of rotation relative to one another as a result of the multi-dimensionally changing axis orientations.
  • the tilt angle and its sine value Zero and whose cosine is 1 control unit 44 is assigned to motor unit 11 and control unit 45 to motor unit 12.
  • the yaw rate sensor 41 measuring the pan (pan) movement controls the yaw axis drive unit 11 and thus stabilizes this rotational position
  • the yaw rate sensor 42 which controls the yaw rate controls the roll axis drive unit 12.
  • the rotation movement measuring yaw rate sensor 42 controls the drive unit 11; when the camera is pointing downwards, it drives its rolling motion so that the rolling motion is stabilized correctly.
  • the assignment is continuously blended depending on the angle.
  • the blend can be realized as a mixture with variable coefficients.
  • the coefficients may be sine and cosine values of the rotation.
  • There may be included negative coefficients, whereby the direction of action of the described control is reversed.
  • the action of the motor unit 11 acts in the opposite direction on the camera-side pivoting movement. Accordingly, the effective direction of the Pan yaw rate sensor 41 can be reversely coupled to the motor unit 11 by negative coefficients.
  • the same can be provided with a transducer for the roll axis 7 for measuring a roll angle b for further blending of measured values to control values.
  • a transducer for the roll axis 7 for measuring a roll angle b for further blending of measured values to control values.
  • the influence of the high-axis motor 11 will shift to the pitch measurement and, accordingly, the pitch yaw-rate sensor will be used to drive the high-axis motor 11.
  • It can be provided a matrix which includes the signal paths of the control of all three axes.
  • the mixing or cross-fading can generally be provided on the measuring signals of the rotation rates and / or on the setting values or at any point on the signal path between the measuring transducer and the motor unit.
  • the type of regulation known as PID can be realized by inserting the relevant known components.
  • the control of the coefficients can be effected as a function of the axis alignment, for example by a measured roll and pitch angle.
  • the mixture can be done as a vectorial rotation; the mixing coefficients may correspond to a rotary matrix.
  • suitable coefficients can be represented for example from the measured pitch angle a and roll angle b according to the following matrix: from the sensor laterally scan (pan) (41) / roll (42) / pitch (43). .. to engine cos (a) -sin (a) sin (b) Pan (11) sin (a) cos (a) 0 Roll (12)
  • the results in the right-hand column can be calculated as the sum of the remaining columns and fed to the corresponding motor as a control signal.
  • a measured value of a rotary potentiometer attached to the pitch axis 8 between the two legs 4 and 5 can be used.
  • the measured value of a rotary potentiometer fixed to the rolling axis 7 between the two legs 3 and 4 can be used.
  • the following matrix additionally takes into account the influences of the rotation angle b measured around the roll axis on the assignment to the pan and roll drive. from side scan sensor (Pan) (41) / Roll (42) / Nick (43) ... to motor cos (a) • cos (b) -sin (a) • cos (b) sin (b) Pan ( 11) sin (a) • cos (b) cos (a) 0 roll (12)
  • the signal processes described can be carried out analogously or digitally and in particular as program-controlled steps on a digital controller or microprocessor.
  • the signals of the sensors 41, 42, 43 are passed into an AD converter, and numerically calculated, in particular software-controlled, from the signal values generated therefrom in subsequent steps.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a digitally operating control unit 32 as a block diagram.
  • the microcontroller 70 includes an AD converter 57 and a multiplex switch 58, which programmatically connects the signals of the rotation rate sensors 41, 42, 43, and the transducer 47 cyclically to the AD converter 57.
  • the digital measured values generated by the AD converter 57 can be routed via the data bus 61 into the CPU 59 and processed there in cyclic calculation, in accordance with the signal flow described in FIG.
  • the calculated control values can be supplied to the motors 11, 12, 13 via an output port 62.
  • the code stored in the program memory 60 which controls the processor steps, allows the described steps and method steps to be controlled.
  • control amplifiers 44, 45, 46 can be implemented on the CPU (central processing unit, 59) of the controller as subtractions between predetermined setpoint values and the signal values (actual values).
  • the control amplifiers 44, 45, 46 can be implemented on the CPU (central processing unit, 59) of the controller as subtractions between predetermined setpoint values and the signal values (actual values).
  • the cross-fader / mixer devices drawn as potentiometers 51, 52 arithmetic operations such as multiplications and additions to the signal values can take place in the CPU of the controller or microprocessor.
  • Their multiplication factors for the cross-fader 51 may be calculated, for example, as cos (a) in the upper branch and 1 cos (a) in the lower branch, and for the fader 52 as sin (a) in the upper branch and, and -sin (a) in the lower branch, or alternatively, for a more accurate calculation, the coefficients from one of the above matrices can be used and from this the control values (control values) can be generated.
  • the digital controller may include other components such as input and output interfaces, e.g. for the signals, drive values and / or the loading of the calculation software and the setting of the calculation coefficients, a display device, a bus system, memory elements for storing the calculation software and / or other control programs.
  • input and output interfaces e.g. for the signals, drive values and / or the loading of the calculation software and the setting of the calculation coefficients
  • display device e.g. for the signals, drive values and / or the loading of the calculation software and the setting of the calculation coefficients
  • memory elements for storing the calculation software and / or other control programs.
  • a measured value of a roll inclination of the camera derived from the artificial horizon can be used for additional correction of the roll inclination of the camera, in particular for its automatic neutralization.
  • a further closed control loop can be formed, wherein the measured value of the roll inclination is coupled counter-clockwise to a control value, for example by mixing the measured value in addition to the measured value of the camera roll rate obtained from sensor 42.
  • the mixing factor can be so small that this correction takes place with a slower time response than the rest of the position control.
  • An electronic device of the type described can also be provided separately from the cardan mechanism for the purpose of retrofitting.
  • Figures 4a and 4b show a further mechanical embodiment of the invention, wherein Figure 4a shows a plan view and Figure 4b shows a view of the same device.
  • the platform 5 carries on its one side the camera 1 and on its opposite side an electronic unit 33 consisting of power supply 31, radio receiver 30 and position control unit 32, which in turn contains the rotation rate sensors 41, 42, and 43 and according to Figure 3 may be constructed. Further, the pitching servo 13 is also mounted on the platform.
  • a spring member or damping element 17, which consists of foam with elastic and damping properties is disposed between a lower plate 12b and an upper plate 13b, wherein the upper plate is attached to the mechanical output 13a of the pitching servo, the lower plate 12b on the mechanical Output (lever) 12a of a roll servo 12 is mounted.
  • the foam between the plates is mounted at a position where the common spatial center of gravity of all parts of the device moving with the platform 5 is located.
  • a provided for the pan (yaw) movement servo 11 may be additionally provided; whose housing can be connected via the arm 3 with the rest of the device e.g. be connected to roll servo 12 and turn this. In another embodiment, it is optionally possible to dispense with the roll servo 12.
  • the spring member or damping element 17 is located serially in the mechanical transmission path between the environment and the camera. It can give in all 6 degrees of freedom, ie in all rotational movements of the 3 space axes and in all 3 translation axes. If the soft coupling is specifically intended for rotational movements, the spatial position of the elastic member is irrelevant, because its elasticity can be mechanically coupled, for example via axes, levers, etc. In addition, but at the same time Translational movements coupled or sprung over the same soft coupling element. The advantage is that with jerky movements and vibrations not only their rotational components, but also the mainly occurring translatory components can be cushioned and decoupled.
  • the resilient part or damping element is as accurately as possible in the center of gravity, or in the case of several resilient parts, the overall effect of the suspension is as accurate as possible in the center of gravity.
  • a suitable damping element may for example consist of a foam with a cubic or cylindrical shape.
  • this attenuator allows a matched position control can better suppress and correct short-term or rapid disturbances than in a conventional hard coupling.
  • the pitch servo 13 is provided as a single servo fixed on the moving platform 5; the damping element 17 is further "forward" on the transmission path, i. Inserted into the environment.
  • this servo 13 may also be provided on the transmission path "before" the damping element 17.
  • it may be mounted on the mechanical output (adjusting lever) of the RoII servo 12 via a dashed arm 4, and the upper plate 13b of the damping element 17 may not be attached to the output of the rolling servo 12 but to the platform 5.
  • the resonance frequency which results from elastic suspension on the one hand and mass (moment of inertia) of the pivotable parts on the other hand, designed lower than the majority of the occurring disturbing movements.

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Abstract

Eine Lagestabilisierung für eine in einer motorbetriebenen Schwenkvorrichtung um mehrere Achsen (6, 7, 8) schwenkbar aufgehängte Kamera (1), mit Drehsensoren oder Drehratensensoren (14, 41, 42, 43) und einer Regelung, wobei mittels einer Überblendschaltung (50) die Zuordnung, der Kopplungsgrad und/oder die Wirkrichtung der Signale im Regelungs-Pfad von Drehsensoren oder Drehratensensoren zu den Motoren (11, 12, 13) in Abhängigkeit der relativen Ausrichtung der gemessenen zu den angetriebenen Rotationsachsen variabel steuerbar sind. Eine Vorrichtung zur Lagestabilisierung einer Kamera (1), bei der im Antriebspfad eines der Motoren ein nachgiebiges Kopplungsglied vorgesehen ist. Eine Vorrichtung zur Lagestabilisierung einer Kamera (1), bei der der gemeinsame Schwerpunkt der bewegten Teile der Vorrichtung ausserhalb der Kamera (1) liegt und bei der im mechanischen Kopplungspfad ein für zumindest zwei Rotationsachsen gemeinsam wirkendes, nachgiebiges Kopplungsglied eingefügt ist, welches im gemeinsamen Schwerpunkt angeordnet ist oder zumindest dort wirkt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Lagestabilisierung von Kameras, und zur Herstellung von Filmaufnahmen aus unbemannten Flugkörpern
Die Erfindung bezieht sich auf ein Lagestabilisierungssystem für Kameras und sonstige abbildende Sensoren oder andere Nutzlasten, deren genaue Ausrichtung wichtig ist. Besonders auf bewegten Kameraträgern wie Fahrzeugen, Flugkörpern und Kamera-Kränen ist eine Stabilisierung der Ausrichtung wichtig, um beste Ergebnisse bei Film- oder Video- Aufnahmen zu erreichen.
Übliche Präzisions-Vorrichtungen zur Halterung von Kameras beinhalten eine schwenkbare Plattform sowie Stellmotoren, die über einen Regelkreis Abweichungen der Ausrichtung auf einen Sollwert zurückstellen.
DE 195 99 41 A beschreibt eine stabilisierte Plattform zur raumfesten Lagerung eines Kamerastativs oder dgl., welche Kreisel und daran verbundene Potentiometer beinhaltet, und bei welcher Drehmomentsteller zum Ausrichten der Kamera verwendet werden.
EP 1 061 338 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Raumlage-Stabilisieren von Sensoren, bei welcher eine Sensorplattform als Schwerependel derart gelagert ist, dass sie ich in einem schwach stabilen, nahezu indifferenten Gleichgewicht befindet. Als Lagerung ist insbesondere ein Kardan- oder Kugelgelenk oder eine als Außenrahmensystem gestaltete Kardan-Lagerung vorgesehen. Ferner sind als Antrieb insbesondere Momentgeber und zur Messung der Relativlage gegenüber dem Fahrzeug insbesondere Winkelgeber vorgesehen. Ferner ist dort in den Absätzen [0041] und [0043] beschrieben, dass die Momentgeber aus einer Kombination aus Stellungsgebern und elastischen Kopplungselementen aufgebaut sein können.
WO 2004/067432 A2 beschreibt eine in mehrere Achsen schwenkbare kardanische Aufhängung (engl. Gimbal), bei der rasch stellende Aktuatoren zum Ausgleich von Vibrationen und langsam stellende Aktuatoren verschiedener Achsrichtungen zum Schwenken der Kamera vorgesehen sind. Dabei kann ein "gimbal lock" vermieden werden, d.h. die Situation, dass bei Neigung der Kamera zwei Achsen parallel zu liegen kommen, wodurch ein Freiheitsgrad der kardanischen Aufhängung verloren ginge und sie einer Bewegung in die entsprechende Richtung nicht folgen könnte. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist die große Zahl der erforderlichen redundanten Achsen und betreffenden Aktuatoren.
US 6,154,317 A beschreibt eine Kamera-Aufhängung mit mehreren ineinander verschachtelten Kardangelenken, wobei Gyro-Drehratensensoren an verschiedenen Stellen der Vorrichtung angebracht sind, um die jeweilige Drehung zu messen. Einer dieser Sensoren ist dabei so befestigt, dass er alle Bewegungen der Kamera mitmacht. Nachteilig ist hier, dass nicht alle Bewegungsachsen direkt an der Kamera gemessen werden, sondern Teile des Kardans sich zwischen Kamera und einigen Mess-Sensoren befinden, was die Genauigkeit beeinträchtigt.
US 5,897,223 A beschreibt eine feder-gedämpfte und stabilisierte Plattform, bei dem Drehratensensoren die Bewegungen der Kamera mitmachen. Die benötigte mechanische Ansteuerung ist aber sehr aufwändig.
Alle genannten Vorrichtungen besitzen den Nachteil, dass ein hoher Aufwand erforderlich ist Ferner müssen, wenn rasche Bewegungen, Erschütterungen oder Vibrationen ausgeglichen werden sollen, die Stellmotoren bzw. Geber sowie deren Regelung eine extrem hohe Reaktionsgeschwindigkeit erreichen, damit sie Erschütterungen der Umgebung eliminieren können und keine Regelungsverzögerungen auftreten.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Ziel der Erfindung ist es, ein preiswertes und effizientes System und ein Verfahren zur Lagestabilisierung von Kameras anzugeben, durch die auch rasche Erschütterungen und Vibrationen ausgeglichen werden können.
Hierzu sind die in den unabhängigen Ansprüchen gegebenen Merkmale vorgesehen.
Der Begriff Kamera beinhaltet bildgebende Sensoren beliebiger Art. Die Kamera sowie eventuelle weitere mitbewegte Geräte werden im Folgenden auch als Nutzlast bezeichnet.
Die Motoren sind zum Antrieb der um die Drehachsen erfolgenden Rotationsbewegungen vorgesehen. Der Begriff Motor, Servo oder Antrieb beinhaltet jede Art Aktuator, Anlenkung oder Ansteuerung. Erfindungsgemäß kann damit sowohl das gewollte Schwenken der Kamera erfolgen, als auch der aktive Ausgleich von Umgebungs-Bewegungen, wobei sich die Umgebung bewegt und die Kamera durch die Vorrichtung still gehalten wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist in der Vorrichtung zur Lagestabilisierung die Kamera mit einer Aufhängung um zumindest zwei Rotationsachsen drehbar mit der Umgebung, insbesondere einem Vehikel verbunden. Weiterhin sind Motoren zum Antrieb der um die Rotationsachsen erfolgenden Rotationsbewegungen vorgesehen. Weitere Merkmale der Vorrichtung sind:
• Drehratensensoren für mehrere der Rotationsachsen sind an der Kamera oder an einer zur Aufnahme der Kamera vorgesehenen Plattform derart vorgesehen, dass sie sich gemeinsam bewegen und ihre Drehbewegungen mit denen der Kamera identisch sind,
• ein geschlossener Regelkreis ist vorgesehen, der die Drehratensensoren und eine daran angeschlossene Regelschaltung umfasst, welche die Motoren ansteuert, und
• eine Überblendschaltung steuert auf Basis eines gemessenen oder angenäherten Signals, welches die relative Ausrichtung der Rotationsachsen zueinander angibt oder annähert, die Zuordnung, den Kopplungsgrad und/oder die Wirkrichtung der Signale auf dem Signalpfad von den Drehratensensoren zu den Motoren in Abhängigkeit der relativen Ausrichtung der Rotationsachsen variabel.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Lagestabilisierung einer Kamera mit einer Lagerung vorgesehen, welche um zumindest zwei Rotationsachsen drehbar ist und mittels welcher die Kamera mit der Umgebung, insbesondere einem Vehikel verbindbar ist. Die Vorrichtung weist weiterhin Motoren zum Antrieb der um die Rotationsachsen erfolgenden Rotationsbewegungen auf, sowie eine Stabilisierungs- Elektronik, welche Drehsensoren beinhaltet, die so an der Lagerung angebracht sind, dass sie alle Bewegungen der Kamera mitmachen. Die Stabilisierungs-Elektronik steuert die Motoren an, und ist derart ausgebildet, dass sie Zuordnung, Kopplungsgrad und /oder die Wirkrichtung der Signale im Signal-Pfad von Sensoren zu Motoren, in Abhängigkeit der relativen Ausrichtung der Rotationsachsen uintereinander, variabel steuert.
In der Vorrichtung können weiterhin vorzugsweise Signale der Drehsensoren in eine Regelschaltung der Stabilisierungselektronik gelangen, die aus den Signalen Stellsignale bildet und diese zu den Motoren ausgibt. Dabei können Signale auf dem Signalpfad von den Drehsensoren zu den Motoren variabel gemischt werden unter zu verschiedenen Drehachsen gehörigen Signalen, wobei die Koeffizienten der Mischung jeweils von einem Signal gesteuert werden, welches die relative Ausrichtung zwischen antreibenden und messenden Achsrichtung angibt.
Als Drehratensensoren können elektronische Gyroskope verwendet werden. An einer Stelle im Antriebspfad oder Anlenkungspfad des Motors kann ein nachgebendes Kopplungsglied vorgesehen sein. Es kann z.B. mit einer elastischen Verbindung realisiert werden. Diese kann zwischen Motorwelle und Abtrieb vorgesehen sein, oder zwischen Motorgehäuse und Gegenseite des Antriebs, d.h. Angriffspunkt oder Umgebung des Motors. Allgemein kann sie an jeder Stelle im Antriebspfad oder Anlenkungspfad des Motors vorgesehen sein. Insbesondere kann z.B. das Motorgehäuse frei hängen, wobei der Motor z.B. nur an seiner Welle hängt und zusätzlich über eine Feder mit seiner Umgebung festgemacht ist. Auch sind die Seiten der Ansteuerung beliebig, d.h. die Seite des Motorgehäuses kann der Seite der Kamera oder des Vehikels zugeordnet sein.
Die Vorrichtung verbindet eine Kamera mechanisch mit einem Vehikel oder einer anderen tragenden Umgebung. Die drehbare Lagerung kann eine Verbindung darstellen zwischen einer zur Aufnahme der Kamera vorgesehene Plattform mit einem zur Montage an der Umgebung oder einem Vehikel vorgesehenen Verbindungskörper . Der Begriff Plattform beinhaltet jeden zur Befestigung geeigneten Körper.
Der Begriff Vehikel beinhaltet im Folgenden jede tragende Umgebung, also insbesondere einen Flugkörper, einen Kamera-Kran, ein anderes Objekt oder einen die Vorrichtung tragenden Kameramann. Die Erfindung kann in unbemannten Flugkörpern vorgesehen sein, insbesondere in vom Boden aus ferngelenkten Modellhubschraubern, Quadrokoptern oder ähnlichen schwebefähigen Flugkörpern.
Als Motor kann jede regelbare Antriebsvorrichtung verwendet werden, insbesondere Elektromotoren oder Elektromagnete, welche in eine Richtung und eine Gegenrichtung antreiben kann, insbesondere linear und/oder rotatorisch. Als Drehlager kann ein um mehrere Achsen gleichzeitig drehbares Lager, oder eine kardanische Anordnung mehrerer Lager oder Gelenke dienen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine verbesserte Lagekorrektur erfolgen kann, wenn die Signale in Abhängigkeit der relativen Ausrichtung der Drehachsen so überblendet werden, dass einem bei veränderten Achs-Ausrichtungen resultierenden geänderten Richtungssinn der Aktion einzelner Motoren entsprechend Rechnung getragen wird.
Dies ermöglicht ferner den Vorteil, dass manuelle Befehle zur Kamera-Sollbewegung so machbar sind, dass sie immer zur aktuellen Kamera-Ausrichtung passen, d.h. die Richtungen wie das Monitor-Bild orientiert sind. Dies kann als eine Option realisiert sein.
Mit der Erfindung kann weiterhin der Vorteil erreicht werden, dass zusätzliche Bewegungen und Vibrationen, die aufgrund von Lager-Spiel und/oder Schwingungen oder sonstigen Einflüsse der Mechanik entstehen, durch die Regelung ebenso eliminiert werden können, weil die Messfühler sämtlicher Achsen auch diese Einflüsse messen, indem sie so angebracht sind, dass sie sich gemeinsam mit der Kamera bewegen. Insgesamt können mit den Motoren sowohl absichtliche Bewegungen in allen benötigten Richtungen erzeugt werden als auch Vibrationen und sonstige Störungen eliminiert werden. Für feine und grobe Bewegungen kann jeweils der gleiche Motor verwendet werden. Dem rechnerischen Mehraufwand in der elektronischen Steuerung steht ein erheblich geringerer mechanischer Aufwand gegenüber.
Es können zumindest 2 Drehachsen vorgesehen sein. Um Erschütterungen vollständig entkoppeln zu können, sind 3 Drehachsen vorteilhaft. Es können auch mehr als 3 Drehachsen vorgesehen sein, was zur Vermeidung von Singularitäten sinnvoll ist, bei welchen in bestimmten Neigwinkel-Kombinationen zwei Achsen parallel werden und somit die Kamera nicht mehr in alle Richtungen beweglich wäre, wenn 2 von 3 Achsen parallel liegen.
Die Drehachsen liegen vorzugsweise schwerpunktnah. Dies kann insbesondere beinhalten, dass der Schwerpunkt der Kamera mitsamt ihrer mitbewegten Teile von der betreffenden Drehachse einen Abstand von weniger als 10% der längsten Abmessung der Kamera aufweist. Zumindest in einer Betriebsart sollen die Rotationsbewegungen der Kamera vollkommen unabhängig von denen der Umgebung erfolgen können. Insbesondere soll die Kamera wahlweise stillstehen oder definiert steuerbare Rotationen durchführen. Rotationen können insbesondere Schwenk, Nick oder Rollbewegung sein. Eine Beeinflussung oder Stabilisierung von Translationsbewegungen ist dabei nicht notwendig enthalten. Wie bei Kamera-Aufhängungen üblich, kann aber auch hier das gesamte Gestell weich federnd aufgehängt sein, um zusätzlich Vibrationen weitgehend abzukoppeln. Die Anlenkung kann durch eine nachgiebige, insbesondere eine elastische Kopplung absichtlich weich gemacht werden. Als Kopplungsglied kann ein elastisches Material dienen, z.B. eine Feder, insbesondere Spiralfeder oder Torsionsfeder, ein Gummi- oder Schaumstoff-Teil, eine Übertragung mit Riemenrädern und einem längen-dehnbarem Riemen, oder dergleichen.
Vorteilhafterweise können mit der Erfindung kurzzeitige oder rasche Störungen weitaus besser unterdrückt werden. Dies gilt sowohl für Bewegungen der Umgebung als auch für Mess-Fluktuationen der Stabilisierungsvorrichtung als auch für Unregelmäßigkeiten oder Vibrationen im Lauf der Motoren. Weiterhin ist bei wesentlich geringrer Anforderung an die Raschheit der Sensoren und insbesondere der Stellglieder dennoch ein wesentlich rascherer Ausgleich möglich.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Resonanzfrequenz, welche aus elastischer Federung einerseits und Masse (Trägheitsmoment) der schwenkbaren Teile andererseits resultiert, niedriger als die Mehrzahl der vorkommenden störenden Bewegungen ausgelegt.
Auch oder alternativ kann diese Resonanzfrequenz weit niedriger ausgelegt sein als die Geschwindigkeit einer vorgesehenen Regelung. Damit ist eine hohe Regelverstärkung möglich, wobei insbesondere der Regler durch geeignete Anpassung seiner Parameter so gestaltet ist, dass er die resultierende zusätzliche mechanische 90°- Phasenverzögerung überbrücken kann. Dies ist z.B. mit bekannten Mitteln einer PID-Regelung möglich. Wenn die Kamera absichtliche Bewegungen durchführen soll, sind diese limitiert, was ihre maximal mögliche Beschleunigung betrifft. Dies ist jedoch kein Nachteil, weil die Sollwerte der Kamera-Ausrichtung normalerweise ohnehin möglichst stetig und langsam geändert werden.
Weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass zum Erreichen dieser Qualität weder kostenaufwändige Momentgeber, noch besonderes rasch reagierende Stellglieder anderer Art eingesetzt werden müssen.
Der Begriff Motor beinhaltet hier jede Art elektromechanisches Stellglied. Insbesondere können vorteilhaft handelsübliche Servomotoren verwendet werden. Derartige Servos sind als Positionssteiler ausgeführt und können baulich vereint folgende Bestandteile beinhalten: einen Motor, eine Getriebe-Untersetzung zwischen Motor und einer Abtriebswelle, ein Lagesensor an der Abtriebswelle wie z.B. ein Dreh-Potentiometer, und eine elektronische Regel- und Ansteuer-Einheit, welche ein Sollwert-Eingangssignal mit dem Messwert des Lagesensors vergleicht und den Motor ansteuert.
In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass, bei Verwendung eines handelsübliches Servos, dessen Lage-Sensor entfernt wird oder zumindest von dessen Regelelektronik getrennt wird, und dass diese Regelelektronik an einen Sensor angeschlossen wird, der Differenzbewegungen misst, welche an der nachgebenden Kopplung auftreten. Auf diese Weise wird erreicht, dass die schon enthaltene Regelektronik den Motor so nachführt, dass er das für die nachgebende Kopplung vorgesehene Glied auf eine vom Sollwert vorgegebene Differenzbewegung einstellt. Bei Verwendung eines elastischen Körpers als Kopplungsglied wird somit eine definierte mechanische Spannung erzeugt. Diese kann im Spezialfall einem definierten Drehmoment entsprechen. Allgemein kann ein Messfühler zur Messung einer an der nachgebenden Kopplung auftretenden Differenzbewegung vorgesehen sein und dessen Messwert über einen Regelkreis zur Steuerung des Motors herangezogen werden Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 : eine Vorrichtung zur Lagestabilisierung einer Kamera,
Fig. 2: einen Querschnitt für Elemente einer elastischen Kopplung,
Fig. 3: ein Blockschaltbild einer Lageregelung und
Fig. 4a und 4b: eine weitere Vorrichtung zur Lagestabilisierung einer Kamera.
Fig. 5: ein Blockschaltbild einer digital arbeitenden Lageregelung
In verschiedenen Figuren sind für einander entsprechende Komponenten jeweils gleiche Bezugszeichen verwendet.
Figur 1 zeigt die Mechanik eines ersten Ausführungsbeispiels. Umgebungsteil 2 ist zur festen oder gefederten Befestigung mit der Umgebung, insbesondere einem Vehikel, vorgesehen. Es macht im Wesentlichen die Bewegungen der Umgebung mit und wird deshalb im Folgenden auch als Bestandteil der Umgebung betrachtet. Ein als kardanischer Rahmen ausgeführtes Gestell besteht aus drei gewinkelten Abschnitten oder Schenkeln 3, 4, und 5, die über drei Drehachsen 6, 7, 8 beweglich sind. Sein letzter Abschnitt 5 ist zum Tragen der Kamera 1 vorgesehen.
Zum Antrieb um die Drehachse 7 ist eine Antriebseinheit 12 vorgesehen. Diese beinhaltet einen Servomotor 15 mit integriertem Getriebe, dessen Abtriebswelle mit dem Rahmenabschnitt 4 verbunden ist. Um eine nachgebende Kopplung zu erreichen, ist der Motor 15 nicht fest mit seinem anderen Rahmenabschnitt 3 verbunden, sondern hängt frei an seiner Abtriebswelle. Nur die Spiralfedern 17 und 18 stellen eine Kraftverbindung zwischen Rahmenabschnitt 3 und Motor 15 dar, und dienen somit als nachgebende Kopplung im Übertragungspfad.
Die den Servomotor 15 ansteuernde Regel- und Ansteuer-Einheit, welche in einem handelsüblichen Servo schon enthalten sein kann, kann mit einem Lagesensor oder Potentiometer 16 verbunden werden, welcher so angelenkt ist, dass er die Differenzbewegung misst, welche auch die Federn 17 und 18 mitmachen.
Gleiches kann für die anderen Drehachsen 6 und 8 in deren zugeordneten Antriebseinheiten 11 und 13 vorgesehen sein.
Kurzzeitige Störungen, wie sie als Drehmoment durch Erschütterungen und Vibrationenauftreten können, werden durch die nachgebende Kopplung im Zusammenwirken mit dem Trägheitsmoment der Nutzlast vom Vehikel oder der Umgebung unmittelbar abgekoppelt, und zwar auch dann, wenn sie beliebig rascher erfolgen, als die Motoren und die Regelung reagieren. Länger andauernde Störungen werden zusätzlich durch die Regelung über den Motor ausgeglichen.
Figur 2 zeigt im Querschnitt eine Detailansicht mit einer anderen Ausgestaltung der nachgebenden Kopplung. Abgebildet sind Teile einer Antriebseinheit, wie sie bei Figur 1 beispielsweise als Antriebseinheit 13 und 11 eingesetzt werden können. Motor 15 treibt über ein Riemenrad 22 und einen Riemen 23 ein zweites Riemenrad 24 an, welches über ein Kugellager 26 drehbar auf der Abtriebswelle 2 läuft. Die Abtriebswelle 2 ist ihrerseits ebenfalls über Kugellager 25 drehbar. Die Kopplung vom zweiten Riemenrad 24 zur Abtriebswelle 20 erfolgt nur über eine Feder 17, welche die Torsionskräfte überträgt und als nachgebende Kopplung dient. Diese Kopplung erfolgt hier zwischen Riemenrad 26 und einem Stellring 28. Ferner zeigt Figur 2 eine Möglichkeit zur Ausbalancierung des Schwerpunktes auf die Drehachse. Die als Kamera-Aufnahme dienende Plattform 29b und eine an der Abtriebswelle 20 befestigte Schiene 29a sind als Schlitten gegeneinander verschiebbar und feststellbar. Die in Figur 1 dargestellte Achs-Anordnung ermöglicht, dass auch bei nach unten gerichteter Kamera kein mechanisches "gimbal lock" geschieht, sondern die Kamera weiterhin in alle Richtungen frei beweglich ist. Achse 6 ist eine Pan-Achse, angesteuert von Pan-Motor- Einheit 11. Achse 7 ist eine Roll-Achse, mechanisch hinter der Pan-Achse gelegen, wenn man von außen beginnt, und angesteuert von Roll-Motor-Einheit 12. Achse 8 ist eine Nick- Achse, mechanisch am nächsten der Kamera zugeordnet und angesteuert von Nick-Motor- Einheit 13.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Lageregelung vorgesehen, bei die Sensoren 14 oder Sensoreinheit 14 zur Lageerkennung die Bewegungen der Kamera 1 mitmacht. Diese Sensoren können insbesondere Drehratensensoren sein. Der Stellwert dieser Lageregelung kann als Sollwert der motorseitigen Regelung herangezogen werden.
Lagesensoren können für alle drei Drehachsen 6, 7, 8 gemeinsam so angeordnet werden, dass sie sich gemeinsam mit der Kamera um alle Achsen drehen. Das kann insbesondere bedeuten, dass sie sich nicht getrennt an einzelnen oder vorgeschalteten Abschnitten des Kardangelenks befinden. Wenn die Kamera 1 wie in Figur 1 dargestellt, horizontal ausgerichtet oder nur um kleine Winkel geschwenkt ist, so entsprechen die Drehachsen 6, 7,8 der Motoreinheiten 11 , 12, 13 auch den Bewegungen bezogen auf die Kamera 1 und auf die in der Sensoreinheit 14 befindlichen Drehsensoren 41 , 42, 43 aus Figur 3. Dann ist es ohne weitere Vorkehrungen möglich, mit jedem der drei Sensorsignale eine eigene Regel- Schaltung zu beaufschlagen, die ihrerseits durch Ansteuerung des zur betreffenden Achse zugeordneten Motors 11, 12, 13 als Stellglied, einen geschlossenen Regelkreis (closed loop control) bildet, wobei jeder Regelkreis die Ausrichtung der Kamera 1 in der jeweiligen Achse stabilisieren kann.
Mit der gemeinsamen Sensoranordnung kann es vorkommen, dass die Ausrichtung einzelner mechanischer Drehachsen nicht notwendig konstant ist, sondern durch Drehung um eine der anderen Achsen sich in Bezug zur Sensoreinheit 14 ändert. Beispielsweise wird eine Drehung um Schwenkachse (Pan-Achse) 6 in der Kamera 1 sowie der Sensoreinheit 14 nicht mehr als Pan-Bewegung sondern als Roll-Bewegung registriert, sofern die Kamera nicht wie gezeichnet nach vorne schaut, sondern um die Nickachse 8 nach unten gerichtet ist.
Bei geneigter Kamera 1 wirkt insbesondere die Roll-Achse 7 als seitliche Schwenk-Achse, bezogen auf die Kamera 1 (Kamera-Scan-Achse); und Pan-Achse 6 wirkt als Roll-Achse, bezogen auf die Kamera 1. Bei Zwischen-Zuständen, z.B. „Kamera schräg-vorne-unten geneigt" treten dementsprechend gemischte Bewegungsformen auf. Wird die Kamera- Ausrichtung also um stärkere Winkel aus der gezeichneten Lage geändert, so ändert sich die Ausrichtung der Achsen relativ zueinander. Insbesondere ändert sich die Ausrichtung der Achsen der Motoren relativ zu den Achsen der Drehsensoren und Kamera, und demzufolge ändert sich die Wirk-Richtung der Stellmotoren, bezogen auf Kamera und Sensoren. Beim bisherigen Stand der Technik (z.B. US 6,154,317 A) befinden sich deshalb nicht die Sensoren aller Achsen an der Kamera, sondern verteilt an solchen Stellen der kardanischen Vorrichtung, an denen sich die Bewegungen immer den betreffenden Motoren zuordnen lassen.
Um eine Lageregelung unabhängig von der Ausrichtung zu ermöglichen, wenn wie beschrieben Drehratensensoren für mehrere Rotationsachsen gemeinsam die gleichen Bewegungen wie die Kamera mitmachen, indem sie alle am kameraseitigen Teil befestigt sind, ist bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen vorgesehen, dass die relative Ausrichtung der Drehachsen zueinander auf direkte oder indirekte Weise gemessen oder geschätzt wird, und dass Zuordnung, Kopplungsgrad und/oder Wirkrichtung der Signale auf dem Signalpfad von den Drehratensensoren zu den Motoren in Abhängigkeit der relativen Ausrichtung der Drehachsen variabel gesteuert wird. Die relative Ausrichtung der dem Sensor 42 zugehörigen Roll-Achse und der dem Sensor 41 zugehörigen Pan-Achse gegenüber der Motor-Achse 7 (roll) kann in den Ausführungsbeispielen gemessen werden, indem man den in der Nickachse 8 auftretenden Neigwinkel a misst. Die relative Ausrichtung der den Sensoren zugehörigen Achsen gegenüber der Motor-Achsen 6 (pan) kann gemessen werden, indem man sowohl den Neigwinkel a als auch den in der Motor-Achse 7 (roll) auftretenden Rollwinkel b misst.
Die variable Steuerung kann als eine Überblendung oder eine Mischung mit variablen Koeffizienten erfolgen, wobei die Koeffizienten in Abhängigkeit der relativen Ausrichtung der Drehachsen gesteuert sind. Die Variation kann in beliebig feinen Stufen oder quasikontinuierlich erfolgen, oder durch eine diskrete Anzahl Stufen angenähert werden, wobei aber immer eine Vielzahl von Stufen, entsprechend eine Vielzahl möglicher Mischfaktoren vorgesehen ist.
Als Messwert für die relative Ausrichtung der Achsen zur Kamera gibt es verschiedene Möglichkeiten. Es kann eine von einem künstlichen Horizont gemessene Neigung verwendet werden, insbesondere wenn man von einer ungefähr waagerechten Ausrichtung der Umgebung ausgehen kann. Alternativ oder zusätzlich können Drehlage-Sensoren, z.B Potentiometer oder Winkelgeber an den Drehachsen 7 und 8 verwendet werden.
Weiterhin kann als Näherung der Stellwert verwendet werden, mit dem die Motoren 13 (Nick) und 14 (roll) angesteuert werden, insbesondere wenn dies positionsstellende Servos sind. Die Überblendung der Signale innerhalb der Regelschaltung kann von diesen Messwerten gesteuert erfolgen.
Die Lageregelung kann über gemessene Drehraten erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Lageregelung auch erfolgen, indem Messwerte von Neigungswinkeln verwendet werden. Als Sollwerte der Kamera-Ausrichtung können wahlweise als Drehratenwerte vorgesehen sein oder als Winkelwerte oder als eine Kombination von beiden.
Als Sensor zur Lageregelung kann ein künstlicher Horizont vorgesehen sein, welcher drei Drehratensensoren und einen die Schwerkraftrichtung messenden Beschleunigungssensor beinhaltet.
Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Lageregelung. An der Kamera sind Drehratensensoren 41, 42, 43, befestigt, wobei Sensor 41 auf eine Schwenkachse (Pan- oder Gierbewegung), 42 auf eine Roll-Achse und 43 auf eine Nick- Achse ausgerichtet ist und sich diese Ausrichtung stets auf die Kamera bezieht. Als Drehratensensoren können elektronische Gyroskope dienen. Über einen Funk-Empfänger 30 werden Sollwerte empfangen, welche der gewünschten Drehrate der Kamerabewegung in den besagten Achsen entsprechen und im Spezialfall des Stillstandes Null sind. Die Regelverstärker 44, 45, und 46 können übliche Operationsverstärker oder PID (proportional differerential integral)-Regler sein. Sie beinhalten jeweils einen Differenzbildner zum Bilden einer Istwert-Sollwert-Differenz aus den über Funkempfänger 30 empfangenen jeweiligen Sollwerten und den von den zugehörigen Drehratensensoren 41, 42, 43 gemessenen Ist- Werten. Optional beinhalten sie einen Integrator, mit dem die Ist-Sollwert-Differenz integrierbar ist. Die Ausgangswerte werden als Stellwerte zum Ansteuern der zugeordneten Antriebseinheiten 11, 12, 13 verwendet. Diese Antriebseinheiten können identisch mit den in Figur 1 gezeigten Motoren sein. Über die mechanische Wirkung (56) von den Motoren auf die Plattform und somit der Sensoren schließt sich ein Regelkreis. Die Regel-Funktion kann kann als Gegenkopplung bezeichnet werden. Die Regelschaltung kann als eine Regeleinheit 55 aufgebaut sein, optionsweise auch baulich mit den Sensoren 41 , 42, 43 der Sensoreinheit 14 vereint sein. Ein Messwertaufnehmer 47 ist vorgesehen zur Messung eines Neigungs-Winkels a der kardanischen Aufhängung um ihre Nick-Achse 8. Hierfür kann z.B. ein Potentiometer auf dieser Achse angebracht sein, und/oder ein Beschleunigungssensor in der Sensoreinheit 14 untergebracht sein, welcher die Neigung anhand der Gravitation abschätzt. Das Neigungs-Messsignal wird als ein Kosinuswert 48 und ein Sinuswert 49 des Neigungs- Winkels a dargestellt oder umgewandelt. Die Überblend-Schaltung 50 variiert die Zuordnung der Stellwerte von den Reglern 44, 45 zu den Antriebseinheiten 11 , 12. Die Überblendung kann als eine Mischung mit variablen Koeffizienten definiert werden, wobei hier die Koeffizienten von dem Neigwinkel a oder allgemein von einem die Achs-Zuordnung meldenden Signal definiert werden. Die Variierung kann z.B. wie dargestellt aus einem Potentiometer bestehen, oder aus einem Mischglied mit variablen Verstärkungsfaktoren. Der Kosinuswert 48 steuert die Anteile, welche die Motoreinheit 11 aus den Reglern 44 und 45 erhält, wobei zwischen diesen Werten überblendet wird, abhängig vom Kosinuswert 48. Hierfür ist die als Potentiometer 51 dargestellte Teil der Überblendschaltung 50 vorgesehen. Gegengleich erfolgt auf entsprechende Weise eine Überblendung des für Antriebseinheit 12 vorgesehenen Stellwertes in dem als Potentiometer 52 dargestellten Teil der Überblendschaltung 50, gesteuert vom Sinuswert 49.
Diese Überblendungen entsprechen, wie folgt beschrieben, den durch die mehrdimensional sich ändernden Achs-Ausrichtungen resultierenden variablen Wirkungen der von den Antriebseinheiten erzeugbaren Drehbewegungen, in Abhängigkeit der Ausrichtung der Drehachsen zueinander: Bei horizontaler Ausrichtung der Kamera 1 , wobei der Neigwinkel und dessen Sinus den Wert Null, und dessen Kosinus den Wert 1 hat, wird Regeleinheit 44 der Motoreinheit 11 und Regeleinheit 45 der Motoreinheit 12 zugeordnet. Somit steuert der die Schwenk(Pan)-Bewegung messende Drehratensensor 41 die Hochachsen- Antriebseinheit 11 und stabilisiert somit diese Drehlage, und der die Rollbewegung messende Drehratensensor 42 steuert die Rollachsen-Antriebseinheit 12. Bei vertikaler Ausrichtung der Kamera 1 ist die Zuordnung vertauscht, der die Rollbewegung messende Drehratensensor 42 steuert die Antriebseinheit 11 ; diese treibt bei nach unten gerichteten Kamera deren Rollbewegung, sodass als Resultat die Rollbewegung korrekt stabilisiert wird. Bei einer mittleren Kamera-Ausrichtung, z.B. nach vorne-unten, wird die Zuordnung in Abhängigkeit des Winkels stetig überblendet. Die Überblendung kann als eine Mischung mit variablen Koeffizienten realisiert werden. Die Koeffizienten können Sinus- und Kosinus-Werte der Drehung sein. Es können negative Koeffizienten beinhaltet sein, wodurch die Wirkrichtung der beschriebenen Regelung umgekehrt wird. Beispielsweise wirkt bei einer Kamera-Ausrichtung nach unten-hinten die Aktion der Motoreinheit 11 gegensinnig auf die kameraseitige Schwenkbewegung, dementsprechend kann die Wirkrichtung von Pan- Drehratensensor 41 durch negativen Koeffizienten umgekehrt auf Motoreinheit 11 gekoppelt werden.
Entsprechendes kann mit einem Messwertaufnehmer für die Rollachse 7 zur Messung eines Rollwinkels b zur weiteren Überblendung von Messwerten zu Stellwerten vorgesehen sein. Beispielsweise wird bei zunehmendem Rollwinkel der Einfluss des Hochachs-Motors 11 auf die Nick-Messung übergehen und dementsprechend der Nick-Drehratensensor zur Ansteuerung des Hochachs-Motors 11 verwendet. Es kann eine Matrix vorgesehen sein, welche die Signalpfade der Regelung aller drei Achsen beinhaltet.
Die Mischung oder Überblendung kann allgemein auf die Messsignale der Drehraten und/ oder auf die Stellwerte vorgesehen sein oder an jeder Stelle auf dem Signalpfad zwischen Messwertgeber und Motoreinheit. Die als PID bekannte Art der Regelung kann durch Einfügen der betreffenden bekannten Komponenten realisiert werden. Die Steuerung der Koeffizienten kann in Abhängigkeit der Achs-Ausrichtung erfolgen, beispielsweise durch einen gemessenen Roll- und Nick-Winkel. Die Mischung kann als eine vektorielle Drehung erfolgen; die Mischungskoeffizienten können einer Drehmatrix entsprechen. Im Spezialfall der in Figur 1 oder 4 dargestellten kardanischen Anordnung können aus gemessenen Nickwinkel a und Rollwinkel b geeignete Koeffizienten beispielsweise entsprechend der folgenden Matrix dargestellt werden: von Sensor seitlich scan (Pan) (41) / Roll (42) / Nick (43) ... zu Motor cos(a) -sin(a) sin (b) Pan (11) sin(a) cos(a) 0 Roll (12)
0 0 1 Nick (13)
Die in der rechten Spalte stehenden Ergebnisse können als Summe der übrigen Spalten berechnet werden und dem entsprechenden Motor als Stellsignal zugeführt werden. Ausgeschrieben ergibt sich aus der Matrix:
Stellsignal(Pan) =
Sensorsignal(Pan) • cos(a) - Sensorsignal(Roll) • sin(a) - Sensorsignal(Nick) • sin(b) und entsprechend für die beiden anderen Matrix-Zeilen der Stellsignale Roll und Nick.
Als Wert a kann ein Messwert eines an der Nickachse 8 zwischen den beiden Schenkeln 4 und 5 befestigten Dreh-Potentiometers verwendet werden. Als Wert b kann der Messwert eines an der Roll-Achse 7 zwischen den beiden Schenkeln 3 und 4 befestigten Dreh- Potentiometers verwendet werden.
Die folgende Matrix berücksichtigt zusätzlich auch die Einflüsse des um die Roll-Achse gemessenen Drehwinkels b auf die Zuordnung zum Pan- und Roll-Antrieb. von Sensor seitlich scan (Pan) (41) / Roll (42) / Nick (43) ...zu Motor cos(a) • cos(b) -sin(a) • cos(b) sin(b) Pan (11) sin(a) • cos(b) cos(a) 0 Roll (12)
0 0 1 Nick (13)
Die beschriebenen Signalvorgänge können analog oder digital und insbesondere als programmgesteuerte Schritte auf einem digitalen Controller oder Mikroprozessor ausgeführt werden. Insbesondere können hierzu die Signale der Sensoren 41 , 42, 43 in einen AD- Wandler geleitet werden, und aus den daraus erzeugten Signalwerten in nachfolgenden Schritten numerisch insbesondere softwaregesteuert berechnet werden.
Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer digital arbeitenden Regeleinheit 32 als Blockschaltbild. Der Microcontroller 70 beinhaltet einen AD-Wandler 57 und einen Multiplex- Schalter 58, welcher programmgesteuert die Signale der Drehratensensoren 41 , 42, 43, und des Messwertaufnehmers 47 zyklisch an dem AD-Wandler 57 verbindet. Die vom AD- Wandler 57 erzeugten digitalen Messwerte können über den Datenbus 61 in die CPU 59 geleitet und dort in zyklischer Rechnung verarbeitet werden, gemäß dem bei Figur 3 beschriebenem Signalfluss. Die errechneten Stellwerte können über ein Ausgabe-Port 62 den Motoren 11, 12, 13 zugeführt werden. Durch den im Programmspeicher 60 abgelegten Code, welcher die Prozessorschritte steuert, können die beschriebenen Schritte und Verfahrensschritte gesteuert werden. Insbesondere können die Regelverstärker 44, 45, 46 auf der CPU (Central Processing Unit, 59) des Controllers als Subtraktionen zwischen vorgegebenen Sollwerten und den Signalwerten (Istwerten) implementiert sein. Anstelle der als Potentiometer 51 , 52, gezeichneten Überblend- / Misch-Vorrichtungen können in der CPU des Controllers bzw. Mikroprozessors Rechenoperationen wie Multiplikationen und Additionen zu den Signalwerten erfolgen. Deren Multiplikationsfaktoren können für das Überblend-Glied 51 z.B. berechnet werden als cos (a) im oberen Zweig und und 1- cos (a) im unteren Zweig, und für das Überblend-Glied 52 als sin (a) im oberen Zweig und und 1-sin(a) im unteren Zweig, oder alternativ können für eine genauere Berechnung die Koeffizienten aus einer der obigen Matrizen verwendet werden und daraus die Ansteuerwerte (Stellwerte) erzeugt werden.
Der digitale Controller kann weitere Komponenten wie Ein- und Ausgabeschnittstellen z.B. für die Signale, Ansteuerwerte und/oder das Laden der Berechnungssoftware sowie das Einstellen der Berechnungs-Koeffizienten, eine Anzeigeeinrichtung, ein Bussystem, Speicherelemente zum Speichern der Berechnungssoftware und/oder anderer Steuerungsprogramme enthalten.
Ferner kann ein aus dem künstlichen Horizont abgeleiteter Messwert einer Roll-Neigung der Kamera zur zusätzlichen Korrektur der Roll-Neigung der Kamera verwendet werden, insbesondere zu deren automatischer Neutralisierung. Zu diesem Zweck kann ein weiterer geschlossener Regelkreis gebildet werden, wobei der Messwert der Roll-Neigung gegenkoppelnd einem Stellwert eingespeist wird, beispielsweise indem man den Messwert neben den aus Sensor 42 gewonnenen Messwert der Kamera-Rollrate einmischt. Der Mischfaktor kann so gering vorgesehen sein, dass diese Korrektur mit einem langsameren Zeitverhalten als die übrige Lageregelung erfolgt.
Ein elektronisches Gerät der beschriebenen Art kann auch separat von der Kardan- Mechanik zum Zweck des nachträglichen Einbaus vorgesehen sein.
Figur 4a und 4b zeigen eine weitere mechanische Ausführungsform der Erfindung, wobei Figur 4a eine Draufsicht und 4b eine Ansicht.der gleichen Vorrichtung zeigt. Die Plattform 5 trägt an ihrer einen Seite die Kamera 1 und an ihrer entgegengesetzten Seite eine Elektronik-Einheit 33, bestehend aus Stromversorgung 31 , Funkempfänger 30 und Lage-Regel-Einheit 32, die ihrerseits die Drehratensensoren 41 , 42, und 43 enthält und gemäß Figur 3 aufgebaut sein kann. Ferner ist das zur Nick-Bewegung vorgesehene Servo 13 ebenfalls auf der Plattform angebracht. Ein Federglied oder Dämpfungselement 17, welches aus Schaumstoff mit elastischen und dämpfenden Eigenschaften besteht, ist zwischen einer unteren Platte 12b und einer oberen Platte 13b angeordnet, wobei die obere Platte am mechanischen Ausgang 13a des Nick-Servos angebracht ist, die untere Platte 12b am mechanischen Ausgang (Stellhebel) 12a eines Roll-Servos 12 angebracht ist. Der Schaumstoff zwischen den Platten ist an einer Position angebracht, an der sich der gemeinsame räumliche Schwerpunkt aller mit der Plattform 5 mitbewegten Teilen der Vorrichtung befindet.
Wahlweise kann zusätzlich ein für die Pan (Gier) -Bewegung vorgesehenes Servo 11 vorgesehen sein; dessen Gehäuse kann über den Arm 3 mit der übrigen Vorrichtung z.B. an Roll-Servo 12 verbunden sein und dieses drehen. In einer anderen Ausführung kann wahlweise auf das Roll-Servo 12 verzichtet werden.
Das Federglied oder Dämpfungselement 17 liegt seriell im mechanischen Übertragungspfad zwischen Umgebung und Kamera. Es kann in allen 6 Freiheitsgraden nachgeben, d.h. in sämtlichen Drehbewegungen der 3 Raum-Achsen und in allen 3 Translations-Achsen. Wenn die weiche Kopplung gezielt für Drehbewegungen vorgesehen ist, ist die räumliche Position des elastischen Gliedes unerheblich, weil dessen Elastizität mechanisch angekoppelt werden kann, z.B. über Achsen, Hebel etc. Darüber hinaus werden aber gleichzeitig auch Translationsbewegungen über die das gleiche weiche Kopplungs-Element gekoppelt bzw. gefedert. Der Vorteil ist, dass bei ruckhaften Bewegungen und Vibrationen nicht nur deren Drehkomponenten, sondern auch die vor allem vorkommenden translatorische Komponenten abgefedert und ausgekoppelt werden können. Damit hierbei keine zusätzlichen Drehbewegungen induziert werden, wie es der Fall wäre, wenn sich eine solche Dämpfung oder Federung außerhalb des Schwerpunktes befindet, ist es vorteilhaft, wenn sich das federnde Teil oder Dämpfungselement möglichst genau im Schwerpunkt befindet, oder im Fall mehrerer federnder Teile, sich die Gesamtwirkung der Federung möglichst genau im Schwerpunkt befindet. Ein geeignetes Dämpfungselement kann z.B. aus einem Schaumstoff mit kubischer oder zylindrischer Form bestehen. Zudem ermöglicht dieses Dämpfungsglied, dass eine darauf abgestimmten Lageregelung kurzzeitige oder rasche Störungen besser unterdrücken und ausregeln kann als bei einer herkömmlichen harten Kopplung.
Im gezeichneten Beispiel ist das Nick-Servo 13 als einziges Servo fest auf der bewegten Plattform 5 vorgesehen; das Dämpfungselement 17 auf dem Übertragungspfad weiter "vorne", d.h. Richtung Umgebung eingefügt. Alternativ kann auch dieses Servo 13 auf dem Übertragungspfad noch "vor" dem Dämpfungselement 17 vorgesehen sein. Hierzu kann es über einen gestrichelt dargestellten Arm 4 am mechanischen Ausgang (Stellhebel) des RoII- Servos 12 angebracht sein, und die obere Platte 13b des Dämpfungselements 17 nicht am Ausgang des Roll-Servos 12 sondern an der Plattform 5 befestigt sein.
Es ist möglich, dass der mechanisch relevante Kopplungspfad zwischen Umgebung und Kamera ausschließlich durch das Dämpfungselement (17) verläuft, d.h. kein weiteres paralleles Kopplungsglied auf diesem Kopplungspfad existiert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es möglich, handelsübliche Servos als Motoren zu verwenden. Ferner ist es möglich, ausschließlich deren vorhandene Achslager zu verwenden und damit die Nutzlast mit Kamera zu tragen, so dass keine zusätzlichen Lager vorgesehen werden müssen.
Ohne eine für die Lage der Kamera vorgesehene Mess- und Regel-Vorrichtung könnte eine gefederte Lagerung der Kamera zu unkontrollierten Schlinger-Bewegungen führen. Zusammen mit der beschriebenen lagestabilisierenden Regelung ist jedoch eine weitaus bessere Lauf ruhe erreichbar, als bei direkter Kopplung ohne Federung. Die Masse der Kamera wird ähnlich dem als "Steadycam" bekannten handgeführten System zur Dämpfung ausgenutzt.
Anders als bei harter Anlenkung ergibt sich für die Lageregelung jedoch eine verzögerte Reaktion zwischen Aktion des Stellgliedes und Resultat im Messwert. Dies kann üblicherweise zum Problem von Regelschwingungen führen. Herkömmlicherweise würde man zu dessen Vermeidung eine schwächer eingestellte Regelverstärkung als bei einer rigiden Mechanik in Kauf nehmen. Erfindungsgemäß kann dieses Problem aber durch eine geeignete Anpassung der Regel-Parameter vermieden werden. Eine geeignete Anpassung kann stark erhöhte Anteile im Differenzial-Zweig der Regelung beinhalten. Mit einer geeigneten Ampassung hat die aus weicherer mechanischer Anlenkung und gleichzeitig härterer elektronischer Ansteuerung insgesamt reseultierende Charakteristik erhebliche Vorteile. Vorteilhafterweise werden kurzzeitige oder rasche Störungen weitaus besser unterdrückt, dies gilt sowohl für Bewegungen der Umgebung als auch für Mess- Fluktuationen der Stabilisierungsvorrichtung als auch für Unregelmäßigkeiten oder Vibrationen im Lauf der Motoren. Weiterhin ist bei wesentlich geringrer Anforderung an die Raschheit der Sensoren und insbesondere der Stellglieder dennoch ein wesentlich rascherer Ausgleich möglich. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Resonanzfrequenz, welche aus elastischer Federung einerseits und Masse (Trägheitsmoment) der schwenkbaren Teile andererseits resultiert, niedriger als die Mehrzahl der vorkommenden störenden Bewegungen ausgelegt.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Lagestabilisierung einer Kamera (1) wobei die Kamera (1) mit einer Aufhängung um zumindest zwei Rotationsachsen (6, 7, 8) drehbar mit der Umgebung, insbesondere einem Vehikel verbunden ist und wobei Motoren (11, 12, 13, 15) zum Antrieb der um die Rotationsachsen (6, 7, 8) erfolgenden Rotationsbewegungen vorhanden sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
• Drehratensensoren (14, 41 , 42, 43) für mehrere Rotationsachsen (61 , 62, 63) sind derart vorgesehen, dass sie sich gemeinsam mit der Kamera bewegen und ihre Drehbewegungen mit denen der Kamera (1) identisch sind,
• einen geschlossenen Regelkreis, der die Drehratensensoren (14, 41 , 42, 43) und eine daran angeschlossene Regelschaltung (55) umfasst, welche die Motoren (11 , 12, 13, 15) ansteuert,
• eine Überblendschaltung (50), die auf Basis eines gemessenen oder angenäherten Signals (a), welches die relative Ausrichtung der Rotationsachsen (6, 7, 8, 61 , 62, 63) zueinander angibt oder annähert, die Zuordnung, den Kopplungsgrad und/oder die Wirkrichtung der Signale auf dem Signalpfad von den Drehratensensoren (14, 41, 42, 43) zu den Motoren (11 , 12, 13, 15) in Abhängigkeit der relativen Ausrichtung der Rotationsachsen (6, 7, 8) variabel steuert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Drehratensensoren an der Kamera (1) oder an einer zur Aufnahme der Kamera (1) vorgesehenen Plattform (5) befestigt sind und.wobei die Rotationsachsen (6, 7, 8) nah zum Schwerpunkt von Kamera mitsamt mitbewegter Anteile der Vorrichtung (5,14) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine kardanische Aufhängung mit folgender Anordnung aus mindestens drei Drehachsen vorgesehen ist: Eine Pan-Achse (6) auf Seite der Umgebung, eine Nick-Achse (8) auf Seite der Kamera, und eine Roll-Achse (7), letztere mechanisch zwischen Pan-Achse (6) und Nick-Achse (8) angeordnet.
4. Elektronische Vorrichtung zur Lagestabilisierung einer Kamera, vorgesehen zum Einbau in eine Kamera-Schwenkvorrichtung mit mehreren Rotationsachsen (6, 7, 8) und mit Motoren (11 , 12, 13, 15) zum Antrieb der um die Rotationsachsen (6, 7, 8) erfolgenden Rotationsbewegungen, gekennzeichnet durch:
• Drehratensensoren (14, 41, 42, 43) für mehrere Rotationsachsen (61, 62, 63), die an der Kamera (1) oder an einer zur Kamera-Schwenkvorrichtung vorgesehenen Plattform (5) derart befestigbar sind, dass sie sich gemeinsam bewegen und ihre Drehbewegungen mit denen der Kamera (1) identisch sind,
• Eine Regelschaltung (55) welche auf Basis von Signalen der Drehartensensoren (14, 41 , 42, 43) die Motoren (11, 12, 13, 15) in der Weise ansteuert, dass ein geschlossener Regelkreis entstehen kann,
• einer Überblendschaltung (50), die auf Basis eines gemessenen oder angenäherten Signals (a), welches die relative Ausrichtung der Rotationsachsen (6, 7, 8, 61 , 62, 63) zueinander angibt oder annähert, die Zuordnung, den Kopplungsgrad und/oder die Wirkrichtung der Signale auf dem Signalpfad von den Drehratensensoren (14, 41 , 42, 43) zu den Motoren (11 , 12, 13, 15) in Abhängigkeit der relativen Ausrichtung der Rotationsachsen (6, 7, 8) variabel steuert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein für ein Motor ausgegebenes Stellsignal zur Bestimmung der relativen Ausrichtung der Rotationsachsen zueinander verwendet wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Lageregelung eine die Drehbewegungen der Kamera (1) mitmachende Sensor- Anordnung eines künstlichen Horizontes vorgesehen ist, welche mindestens drei Drehratensensoren (41 , 42, 43) beinhaltet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus dem künstlichen Horizont abgeleiteter Messwert zur Bestimmung der relativen Ausrichtung der Rotationsachsen zueinander verwendet wird.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus dem künstlichen Horizont abgeleiteter Neigungsmesswert zur zusätzlichen Korrektur der Roll-Neigung der Kamera verwendet wird, indem über eine Gegenkopplung ein geschlossener Regelkreis gebildet wird.
8. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Stelle im Antriebspfad oder Anlenkungspfad zumindest eines Motors (11, 12, 13, 15) ein nachgebendes Kopplungsglied vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das nachgebende Kopplungsglied ein Federelement (17) oder ein Schaumstoff ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messfühler zur Messung einer durch das nachgebende Kopplungsglied auftretenden Differenzbewegung vorgesehen ist, und dass der Messwert in der Weise zur Steuerung des Motors herangezogen wird, dass ein Regelkreis geschlossen wird.
11: Vorrichtung zur Lagestabilisierung einer Kamera (1) mit einer Lagerung, welche um zumindest zwei Rotationsachsen (6,7,8) drehbar ist und mittels welcher die Kamera (1) mit der Umgebung, insbesondere einem Vehikel verbindbar ist, mit Motoren (11 , 12, 13) zum Antrieb der um die Rotationsachsen erfolgenden Rotationsbewegungen, und mit einer Stabilisierungs-Elektronik (32), welche an der Lagerung angebrachte und alle Bewegungen der Kamera (1) mitmachenden und in kamera-bezogenen Rotationsachsen (61, 62, 63) messende Drehsensoren beinhaltet, und welche die Motoren ansteuert, wobei die Stabilisierungs-Elektronik derart ausgebildet ist, dass sie Zuordnung, Kopplungsgrad und /oder die Wirkrichtung der Signale im Signal-Pfad von Sensoren (41 , 42, 43) zu Motoren (11 , 12, 13), in Abhängigkeit der relativen Ausrichtung von Rotationsachsen (6, 7, 8, 61, 62, 63) untereinander, variabel steuert.
12. Vorrichtung, insbesondere nach Anspruch 4 oder 11 zur Lagestabilisierung einer mit kardanischer Aufhängung gelagerten und mit Motoren (6, 7, 8) schwenkbaren Kamera (1),, gekennzeichnet durch Drehsensoren (41 , 42, 43), welche sich in der Weise anbringen lassen, dass sie alle Bewegungen der Kamera (1) mitmachen und in kamera-bezogenen Rotationsachsen (61, 62, 63) die Bewegungen der Kamera messen, und wobei mit einer Regelschaltung, in welche die Signale der Drehsensoren gelangen und welche aus diesen Signalen Stellsignale bildet und zur Ansteuerung der Motoren ausgibt, und welche (Regelschaltung) Signale auf dem Signalpfad von den Drehsensoren zu den Motoren variabel mischt unter zu verschiedenen Drehachsen gehörigen Signalen, wobei die Koeffizienten der Mischung jeweils von einem Signal gesteuert werden, welches die relative Ausrichtung zwischen antreibenden und messenden Achsrichtung angibt.
13. Vorrichtung, insbesondere nach einem der vorausgehenden Ansprüche, zur Lagestabilisierung einer Kamera (1) mit einer Lagerung, welche um zumindest zwei Rotationsachsen (6,7,8) drehbar ausgeführt ist und mittels welcher die Kamera (1) mit der Umgebung oder einem Vehikel verbindbar ist, wobei die Rotationsachsen (6, 7, 8) nah zum Schwerpunkt von Kamera mitsamt den jeweils mitbewegten Anteilen der Vorrichtung (5, 14) angeordnet ist, und mit Motoren zum Antrieb der um diese Achsen erfolgenden Rotationsbewegungen, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Antriebspfad mindestens einer der Motoren ein nachgebendes Kopplungsglied (17,18) vorgesehen ist, welche auch ohne Bewegung des Motors (15) eine Differenz-Rotation um die den Motor betreffende Achse (7) zulässt.
14. Vorrichtung zur Lagestabilisierung einer Kamera (1), wobei die Kamera (1) mit einer Aufhängung um zumindest zwei Rotationsachsen (6, 7, 8) drehbar mit der Umgebung, insbesondere einem Vehikel verbunden ist und die Vorrichtung ein nachfolgend "Plattform" (5) genanntes Teil zur Aufnahme der Kamera (1) aufweist, insbesondere nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der Vorrichtung, welche sich mit der Kamera (1) mitbewegen, so angeordnet sind, dass ein gemeinsamer Schwerpunkt der bewegten Teile außerhalb der Kamera (1) liegt und dass im gemeinsamen Schwerpunkt oder zumindest dort wirkend ein für mehrere Rotationsachsen (6, 7, 8) gemeinsam wirkendes, nachgebendes Kopplungsglied vorgesehen ist und im mechanischen Kopplungspfad zwischen Plattform (5) und Umgebung eingefügt ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das nachgebende Kopplungsglied im Schwerpunkt liegt und so eingefügt ist, dass es in allen sechs räumlichen Freiheitsgraden nachgebend ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, gekenzeichnet durch eine Lage-Regel-Einheit (32), die ihrerseits Drehratensensoren (41 , 42, 43) enthält und mindestens zwei in verschiedenen Drehachsen wirkende Motoren (12, 13) ansteuert, die ihrerseits auf die Plattform (5) wirken.
17. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Motor (11 , 12, 13, 15) zumindest Motor und Getriebe eines üblicherweise als Wegsteller vorgesehenen Servomotors oder insbesondere eines Servos mit PPM- oder PWM- Eingang verwendet wird.
18. Unbemannter Flugkörper, insbesondere Modellhubschrauber oder Quadrokopter, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche.
19. Verfahren zur Lagestabilisierung einer Kamera (1), welche mit einer Lagerung um zumindest zwei Rotationsachsen (6, 7, 8) drehbar ist und sich mit Motoren (11 , 12, 13, 15) um die Rotationsachsen (6, 7, 8) schwenken lässt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
• Die Drehrate der Kamera (1) wird um mehr als eine Rotationsachsen (61 , 62, 63) gemessen, indem Drehratensensoren (14, 41, 42, 43) an der Kamera (1) oder an einem zur Aufnahme der Kamera (1) vorgesehenen Körper (5) in der Weise befestigt werden, dass sie sich mit identischen Drehbewegungen mitbewegen;
• ein geschlossener Regelkreis wird gebildet, wobei die Signale der Drehratensensoren (14, 41, 42, 43) über eine daran angeschlossene Regelschaltung (11 , 12, 13, 15) die Motoren (11 , 12, 13, 15) ansteuern;
• Die relative Ausrichtung der Rotationsachsen (6, 7, 8, 61 , 62, 63) zueinander wird gemessen oder mithilfe einem als Annäherung dienenden Signal repräsentiert;
• Zuordnung, Kopplungsgrad und/oder Wirkrichtung der Signale auf dem Signalpfad von den Drehratensensoren (14, 41 , 42, 43) zu den Motoren (11 , 12, 13, 15) werden in Abhängigkeit der relativen Ausrichtung der Rotationsachsen (6, 7, 8, 61 , 62, 63) variabel gesteuert.
20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei Signale auf dem Signalpfad von den Drehsensoren zu den Motoren variabel gemischt werden unter zu verschiedenen Drehachsen gehörigen Signalen, wobei die Koeffizienten der Mischung jeweils von einem Signal gesteuert werden, welches die relative Ausrichtung zwischen antreibenden und messenden Achsrichtung angibt.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Lagerung kardanisch angeordnet ist und wobei mit den von einem Messwertaufnehmer (47) an der Lagerung gemessenen Nickwinkel a und Rollwinkel b für die variable Steuerung geeignete Koeffizienten entsprechend der folgenden Matrix dargestellt und verwendet werden: von Sensor seitlich scan (Pan) (41) / Roll (42) / Nick (43) ... zu Motor cos(a) -sin(a) sin (b) Pan (11) sin(a) cos(a) 0 Roll (12)
0 0 1 Nick (13)
22. Verfahren zur Herstellung von Filmaufnahmen aus unbemannten Flugkörpern, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Vorrichtung oder eines Verfahrens gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche an Bord eines fernsteuerbaren Flugkörpers.
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