JP2008003327A - カメラ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カメラ部のパン及びチルト動作において、振動を抑えて高速且つ安定的に位置を制御する。
【解決手段】チルト駆動部２及びパン駆動部４それぞれの回転位置を検出するチルト位置検出回路部２１及びパン位置検出回路部３１と、検出された回転位置と所望の目標位置とに基づき、設定位置を算出すると共にサーボ制御によってチルト駆動部２及びパン駆動部４それぞれの印加電圧を決定する位置誤差検出部５４、ＰＩフィルタ、及び位相補償フィルタと、当該カメラ装置の共振周波数帯域のゲインを減衰させる帯域阻止フィルタ５８とを備え、決定された印加電圧を、帯域阻止フィルタ５８を通してチルト駆動部２及びパン駆動部４に供給するように構成した。
【選択図】図１０

Description

本発明は、パン及びチルト位置制御が可能なカメラ装置に係り、特にＨＤ映像のような高精細画像を撮像可能なカメラ部を備えた比較的質量の大きなカメラ装置のパン及びチルト位置制御の、高速且つ安定的な動作を実現するための改善技術に関する。

パン方向やチルト方向に回転させて撮像方向を目標の位置に設定するカメラ装置において、カメラ部の慣性力により目標位置で速やかに停止せずに振動したり、カメラ部を支持する筐体の弾性変形による固有振動数で共振したりすることにより、画揺れが生じる場合がある。このような問題を防ぐため、従来では、加速／減速時に台形速度制御を行う方法や、筐体の剛性を上げる方法、更にはダンパーを採用するといった方法がとられていた（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０００−３５８１７２号公報

上記従来技術において、台形速度制御の傾きを緩やかにしすぎると、カメラがパン及びチルト方向に回転して目標位置へ到達するまでの時間が長くなってしまい応答性を損なうことになる。また、筐体の剛性を上げるためには、アルミダイキャストの部材を使用したり、板金を複雑な形状に折り曲げたりすることが必要であり製造コストが大きくなってしまう。さらに、ダンパーの採用も同様にコストがかかる問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、カメラ部のパン及びチルト動作において、カメラ部の振動を抑えつつ、高速且つ安定的にカメラ部の位置を制御することが可能なカメラ装置を提供することである。

本発明は、上記の課題を解決するために、
カメラ部（１）と、このカメラ部（１）をチルト方向に回動するチルト駆動部（２）と、前記カメラ部（１）及び前記チルト駆動部（２）を支持する第１の支持筐体（３）と、この第１の支持筐体（３）をパン方向に回動するパン駆動部（４）と、前記第１の支持筐体（３）及び前記パン駆動部（４）を支持する第２の支持筐体（５）とからなるカメラ装置（１００）において、
前記チルト駆動部（２）及び前記パン駆動部（４）それぞれの回転位置を検出する回転位置検出部（２１，３１）と、
前記検出された回転位置と所望の目標回転位置とに基づき設定回転位置を算出すると共に、サーボ制御によって前記チルト駆動部（２）及び前記パン駆動部（４）それぞれの印加電圧を決定する回転位置設定部（５２〜５５）と、
当該カメラ装置（１００）の共振周波数帯域のゲインを減衰させる帯域阻止フィルタ部（５６）とを備え、
前記決定された各印加電圧を、前記帯域阻止フィルタ部（５６）を通して前記チルト駆動部（２１）及び前記パン駆動部（３１）に供給するようにしたことを特徴とするカメラ装置（１００）
を提供するものである。

本発明によれば、カメラ部のパン及びチルト動作において、カメラ部の振動を抑えつつ、高速且つ安定的にカメラ部の位置を制御することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。まず、図１に本発明の実施形態であるカメラ装置の概略構成を示す。同図において、カメラ装置１００は、ＨＤ映像を撮像するためのカメラ部１と、カメラ部１をチルト方向に回動するチルト駆動部２と、カメラ部１及びチルト駆動部２を支持するカメラ部支持筐体３と、カメラ部支持筐体３をパン方向に回動するパン駆動部４と、カメラ部支持筐体３及びパン駆動部４を支持するパン駆動部支持筐体５とから構成されている。そして、カメラ装置１００は、パン駆動部支持筐体５を天井等に取り付けることにより固定設置される。

次に、図２に、カメラ装置１００のより詳細なブロック図を示す。同図において、カメラ装置１００は、カメラ部１として、光学系のレンズユニット部１１と、ＣＣＤ等の撮像回路を含むカメラ回路部１２と、映像フォーマットを変換して映像出力するための映像出力回路部１３と、カメラ回路部１２を制御するためのカメラ制御マイコン部１４とを備えている。そして、カメラ装置１００は、チルト駆動部２として、チルト位置検出回路部２１と、チルトモータ駆動回路部２２と、チルトモータ部２３とを備えると共に、パン駆動部４として、パン位置検出回路部３１と、パンモータ駆動回路部３２と、パンモータ部３３とを備えている。そして、チルト駆動部２及びパン駆動部４の各部は、パン・チルト制御マイコン部４１によって制御される。カメラ装置１００は、外部のカメラコントロール装置（不図示）によってパン及びチルトの各位置制御がなされるが、このカメラコントロール装置との通信はパン・チルト制御マイコン部４１が実行する。

チルトモータ部２３及びパンモータ部３３は、ステッピングモータやブラシレスＤＣモータを用いるのが一般的であるが、本実施形態においては、静音性と位置精度とを両立させるためにブラシレスＤＣモータを使用する。

パン及びチルトの位置制御は、パンモータ部３３及びチルトモータ部２３の各回転角を制御することにより行うが、この制御について、図３に、従来例におけるパン・チルト制御マイコン部４１の機能ブロック図を示して説明する。なお、ここでは、チルト位置制御及びパン位置制御のうちチルト位置制御について説明する。

チルトモータ部２３の回転角を検出する手段について説明する。まず、チルトモータ部２３のロータ外周に着磁させた磁束を２個のＭＲ素子（不図示）により電気信号として取り出す。これら２つのＭＲ素子は、取り付け位置をずらすことにより、チルトモータ部２３の回転角を正弦波及び余弦波として取り出すことができる。そして、これら検出された正弦波及び余弦波は、センサアンプ５１により増幅されてパン・チルト制御マイコン部４１へ供給される。

これにおいて、検出される正弦波及び余弦波は、チルトモータ部２３の１回転に対して複数周期が発生するため、このままでは絶対位置が分からない。そこで、不図示のフォトセンサによりモータ１回転に１発だけ原点位置パルスを発生させ、パン・チルト制御マイコン部４１へ入力する。これにより、原点位置パルスを基準に何周期目の正弦波か余弦波かでモータ１回転中の絶対位置を検出することができる（チルト位置検出回路部２１）。

パン・チルト制御マイコン部４１は、これら正弦波及び余弦波を一定時間毎にＡ／Ｄ変換部５２でＡ／Ｄ変換し、次に、回転角検出部５３において、そのアークタンジェントを算出してチルトモータ部２３の回転角を直線的に検出する。そして、位置誤差検出部５４において、カメラコントロール装置から指定された目標位置又はカメラ装置１００内部における目標位置との誤差を算出する。次に、算出した誤差に基づき、ＰＩ（比例・積分）フィルタ５５と位相補償フィルタ５６とによるサーボ制御によりチルトモータ部２３に印加すべき電圧と回転方向を決定し、Ｄ／Ａ変換部５７でＤ／Ａ変換して、チルトモータ駆動回路部２２へ出力する。そして、チルトモータ駆動回路部２２はチルトモータ部２３を目標のチルト位置に回動駆動させる。

上記のサーボ制御をブロック線図で表すと図４のようになる。なお、本従来例においては、ＰＩフィルタ５５及び位相補償フィルタ５６はマイコン処理として行うためにディジタルフィルタで構成され、ＰＩフィルタ５５の伝達関数は数１、位相補償フィルタの伝達関数は数２で表される。

また、このブロック線図の一巡伝達関数の開ループ特性は図５、閉ループ特性は図６のようになる。

一般的に、開ループ特性において位相余裕及びゲイン余裕が確保されていれば、ゲイン特性が０ｄＢと交わる周波数が高いほど制御の応答性がよく、またゲインが高いほど外乱に対する改善度が高いためすぐれた制御系となる。しかし実際には、様々な条件（雑音、センサ精度、遅れ要素による位相回り等）により帯域制限が必要となる。パン及びチルト位置制御の場合、特に問題となるのが機構系の共振周波数（固有振動数）であり、この周波数の前後で制御系のゲインを十分に落とさないと振動や発振を起こしてしまう。

ところで、機構系はその物性に特有の固有振動数を有し、質量が大きいほど、また剛性が低いほどその周波数は低くなる。パン及びチルトの位置制御の場合、制御対象はパンモータ部３３及びチルトモータ部２３であるが、チルトモータ部２３はカメラ部１、パンモータ部３３はカメラ部支持筐体３を含めた構造であり、モータ部よりも質量が大きく剛性も低いため共振周波数が無視できない周波数領域に入ってくる。また、モータ部の周波数特性は通常一次積分の特性を有するが、共振周波数が低いため例えば図７のような特性になる。

そこで、本実施形態におけるカメラ装置１００は、操作時にストレスのないパン及びチルト位置制御の応答性の確保と、低速で回転させたときの回転むらによるＨＤ映像の揺れが問題にならないようにするために、開ループ特性でカットオフ周波数１０Ｈｚ程度、１Ｈｚ付近でのゲインを３０ｄＢ程度以上となるようにした。さらに、ＨＤ映像対応、高ズーム倍率レンズユニットを採用することにより質量が大きく、且つモールドの筐体を使用するために剛性が低く、パン及びチルトとも共振周波数は１５０Ｈｚ程度と低めになる。よって、開ループ特性で１００Ｈｚ〜２００Ｈｚの周波数を−５０ｄＢ程度以下に落とさないと、パン及びチルトが共振周波数近辺で振動してしまい映像揺れが発生してしまう。そこで、１０Ｈｚ以下の周波数での特性を変えずに、１００Ｈｚ〜２００Ｈｚのゲインを落とすようにし、この手段として、本実施形態においては、４次の帯域阻止フィルタを用いる。

また、開ループ特性で１００Ｈｚ〜２００Ｈｚのゲインを−５０ｄＢにするには、フィルタ自体の阻止帯域ゲインは−２０ｄＢ程度でよいため楕円型の帯域阻止フィルタとし、急峻なカットオフ特性を実現する。フィルタの伝達関数は数３で表され、その構成を図８に、周波数特性を図９に示す。

また、この帯域阻止フィルタを挿入したときの本実施形態によるカメラ装置１００のブロック図を図１０、ブロック線図を図１１、開ループ特性を図１２、閉ループ特性を図１３にそれぞれ示す。帯域阻止フィルタを挿入しない場合の開ループ特性及び閉ループ特性と比較すると、ゲイン特性及び位相特性共に１０Ｈｚ以下の周波数特性はほとんど変わらずに、１００Ｈｚ〜２００Ｈｚでのゲインが急峻に落ちていることが分かる。

よって、このフィルタを挿入することにより、質量の大きな高ズーム倍率ＨＤカメラでコストメリットのあるモールドの筐体を使った場合においても、パン方向で２００度／２秒、チルト方向で５０度／１秒の十分な操作性と、パン及びチルトとも停止時の位置ジッタ０．０１度以下の安定性を実現することができる。

以上詳述したように、本発明の実施形態によれば、カメラ装置のパン及びチルト動作において、カメラ部の振動を抑えつつ、高速且つ安定的にカメラ部の位置を制御することができる。

本発明の実施形態のカメラ装置の概略構成図である。 本発明の実施形態のカメラ装置のブロック図である。 従来の制御部のブロック図である。 従来の制御部のブロック線図である。 従来の制御部の伝達関数の開ループ特性である。 従来の制御部の伝達関数の閉ループ特性である。 本発明の実施形態のモータの周波数特性である。 本発明の実施形態の帯域阻止フィルタの構成図である。 本発明の実施形態の帯域阻止フィルタの周波数特性である。 本発明の実施形態の制御部のブロック構成図である。 本発明の実施形態の制御部のブロック線図である。 本発明の実施形態の制御部の伝達関数の開ループ特性である。 本発明の実施形態の制御部の伝達関数の閉ループ特性である。

符号の説明

１ カメラ部
２ チルト駆動部
３ カメラ部支持筐体
４ パン駆動部
５ パン駆動部支持筐体
１１ レンズユニット部
１２ カメラ回路部
１３ 映像出力回路部
１４ カメラ制御マイコン部
２１ チルト位置検出回路部
２２ チルトモータ駆動回路部
２３ チルトモータ部
３１ パン位置検出回路部
３２ パンモータ駆動回路部
３３ パンモータ部
４１ パン・チルト制御マイコン部
５１ センサアンプ
５２ Ａ／Ｄ変換部
５３ 回転角検出部
５４ 位置誤差検出部
５５ ＰＩフィルタ
５６ 位相補償フィルタ
５７ Ｄ／Ａ変換部
５８ 帯域阻止フィルタ
１００ カメラ装置

Claims (1)

1. カメラ部と、このカメラ部をチルト方向に回動するチルト駆動部と、前記カメラ部及び前記チルト駆動部を支持する第１の支持筐体と、この第１の支持筐体をパン方向に回動するパン駆動部と、前記第１の支持筐体及び前記パン駆動部を支持する第２の支持筐体とからなるカメラ装置において、
   前記チルト駆動部及び前記パン駆動部それぞれの回転位置を検出する回転位置検出部と、
   前記検出された回転位置と所望の目標回転位置とに基づき設定回転位置を算出すると共に、サーボ制御によって前記チルト駆動部及び前記パン駆動部それぞれの印加電圧を決定する回転位置設定部と、
   当該カメラ装置の共振周波数帯域のゲインを減衰させる帯域阻止フィルタ部とを備え、
   前記決定された各印加電圧を、前記帯域阻止フィルタ部を通して前記チルト駆動部及び前記パン駆動部に供給するようにしたことを特徴とするカメラ装置。

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