JP3433994B2 - カメラスタビライザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、航空機や列車や自動車
等の乗物にカメラを搭載して地表等の厳密な写真撮影を
する際のカメラスタビライザに関する。従って、地図作
成のための航空写真測量等に使用できる。 【０００２】 【従来の技術】地図作成のための航空写真測量において
は、カメラとジャイロをジンバル機構に乗せ、これを航
空機に搭載して飛行中にカメラの方向を制御し、航空機
の姿勢の変動にも拘らずカメラを地表に対して所定の方
向（水平）に向けて写真撮影を行っている。然しなが
ら、銀塩フィルムに撮影した場合は、後でデジタイザー
にかけて写像をデジタル化する必要が有り、これは非常
に手数を要する。 【０００３】そこでフィルムに代えて２次元のＣＣＤ列
によって撮影時に写像をデジタル化する方法が採られて
いる。然しながら、２次元のＣＣＤ列は例えば７００×
７００程度のものが使用されており、その分解能は低
い。近年高分解能が要求される場合が多くなり、ＣＣＤ
を低コストで高分解能となるように２次元状態に高密度
に配列することは困難である。 【０００４】そこで、考えられたのが高密度配列（例え
ば、５０００〜１００００程度）の１次元のＣＣＤ列を
走査型カメラセンサとして使用し、例えば１ミリ秒程度
の間隔で走査を行って１次元ＣＣＤ列に次々に撮像し、
デジタルレコーダーに記録する方法が行われている。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】然しながら、前述のジ
ンバル機構の剛性や応答速度の関係から、カメラの撮影
対象に対する指向精度には限界が有り、例えば、１〜
０．１度程度であり、０．０１度の精度では指向しな
い。そこでジンバル機構の各部材を大きくして剛性を向
上させ、かつ駆動モータを大きなパワーのものに変更す
れば理論的にはカメラの指向精度を向上させられるが、
セスナ機等小型の飛行機によって低コストで撮像データ
を得るにはジンバル機構等のカメラスタビライザが重過
ぎる。 【０００６】そこで従来のジンバル機構やモータと同程
度の重量によってカメラスタビライザを構成する必要が
有る。こうした条件の下で、例えば上記０．０１度の指
向精度の撮像による写像と同じ程度の精度のデータを得
るには、飛行機のフライト変動によるジンバル機構上の
カメラのローリングやヨーイングやピッチングの状態を
ジャイロによって計測しており、これによって上記ジン
バル機構やジャイロによるカメラスタビライザの指向精
度（上記１〜０．１度程度）に起因する１次元撮像デー
タ群の誤差を補正して撮像データの精度を向上させるこ
とができる（しかし、後述の如くピッチングの分は補正
できない）。 【０００７】図２を参照すると、（ａ）に示すようにロ
ーリングによる誤差（撮像の乱れ）は各１次元撮像デー
タをローリング角度に対応して飛行機の飛行方向Ｆに対
して直交方向に移動させる（この結果を（ａ’）に示
す）ことによって補正可能であり、また（ｂ）に示すヨ
ーイングによる乱れは各１次元撮像データを飛行方向Ｆ
に並べたものから、ヨーイング時の撮像データをヨーイ
ング角度に対応して回転させる補正によって行える（こ
の結果を（ｂ’）に示す）。然しながら、（ｃ）に示す
ピッチングによる乱れでは、各撮像データが１次元状
（直線状）から大きく外れ、一般に補正が困難となる。 【０００８】依って本発明は、カメラスタビライザの重
量、大きさを大きく変えず、カメラのピッチング方向の
指向精度を向上させることを目的とする。 【０００９】 【課題を解決するための手段】上記目的に鑑みて本発明
は、第１のジンバル機構に少なくともピッチ角とロール
角を計測するジャイロを搭載し、該ジャイロのフレーム
に対してピッチ軸周りにのみ回転可能に取り付けられた
第２のジンバル機構にカメラのセンサ部を保持し、前記
第２のジンバル機構の前記ジャイロのフレームに対する
ピッチ軸周りの回転角度を検出する角度センサと、前記
第２ジンバル機構をピッチ軸周りに駆動するアクチュエ
ータとを具備し、前記ジャイロの出力するピッチ角と逆
の方向であって同じ大きさの角度位置まで前記第２のジ
ンバル機構を前記角度センサによって確認しつつ前記ア
クチュエータによって駆動することを特徴とするカメラ
スタビライザを提供する。 【００１０】 【作用】乗物の進行状態変動のためにカメラの撮影対象
に対する指向角度が変動する。これを第１のジンバル機
構に搭載しているジャイロの計測するピッチ角とロール
角を使用して（場合によってはヨー角も計測してこれも
使用する）、第１のジンバル機構を介してカメラを撮影
対象に指向させる。然しながら、既述の如くこれはジン
バル機構の剛性等の関係でその指向精度は所定の精度に
過ぎない。 【００１１】この中で、ピッチングを除くローリング
（とヨーイング）に起因するカメラの指向精度の限界に
よる撮像データは、前記ジャイロの計測値を使用した補
正によってデータ精度を向上させられる。残りのピッチ
ングに起因する第１ジンバル機構の指向精度は補正によ
る撮像データの精度向上が期待できない現状のため、ジ
ャイロのフレームに対して取り付けた第２のジンバル機
構によって指向精度を向上させる。即ち、第２のジンバ
ル機構はピッチ軸周りにのみ回転可能に取り付けられて
おり、それにはカメラのエレクトロニクス等の重量の大
きな部分を除き、センサ部、即ちレンズと１次元ＣＣＤ
列等の走査型センサ部のみを搭載しているだけであり、
極めて軽量であり、第２ジンバル機構の重量、大きさは
軽微で済む。 【００１２】第１ジンバル機構による指向精度には限界
があり、このピッチング方向の指向誤差はジャイロによ
って正確に捉えられており、第２のジンバル機構の前記
ジャイロのフレームに対するピッチ軸周りの回転角度を
検出できる角度センサによって確認しつつ前記第２ジン
バル機構をピッチ軸周りに駆動するアクチュエータによ
って前記ジャイロの出力によって得られるピッチング方
向指向誤差であるピッチ角と逆の方向であって同じ大き
さの角度だけ前記第２のジンバル機構を前記アクチュエ
ータによって駆動する。これによって第２ジンバル機構
に保持されているカメラのセンサ部のピッチング方向の
指向精度が向上する。 【００１３】 【実施例】以下、本発明を添付図面に示す実施例に基づ
き、更に詳細に説明する。図１は本発明に係るカメラス
タビライザの構成図を示す。１０は従来のジンバル機構
であり、ここで搭載しているジャイロ１２の出力値を基
に、制御部Ｃ１によってジンバル機構１０を駆動制御し
てカメラの指向方向を所定方向に設定している。 【００１４】上記ジンバル機構１０を後述の第２ジンバ
ル機構１４との関係上、第１ジンバル機構１０と称す
る。ジャイロのセンサ部をジャイロ１２として示し、そ
のセンサ部１２を保持している箱体及びこれに一体化さ
れているフレーム部をジャイロフレーム１２Ｆとして模
式的に図示している。このジャイロフレーム１２Ｆに対
して取り付けられている第２ジンバル機構１４が、後述
のアクチュエータ２０の駆動力によって駆動されるとピ
ッチ軸Ｊθ周りに回転移動できるよう構成されている。 【００１５】この第２ジンバル機構１４は捩りばねによ
ってピッチ軸Ｊθ周りに回転可能に支持されることが好
ましい。この理由は後述する。この第２ジンバル機構に
はカメラのセンサ部１６のみが保持されており、非常に
軽量化が図られている。従って、後述の制御部Ｃ２によ
るサーボ制御では実質的に遅れも無く駆動できる。 【００１６】カメラのセンサ部１６とはカメラの制御部
分等の重量体を除き、レンズと１次元ＣＣＤ列等の走査
型センサ部をいう。従って非常に軽量である。また、残
りの制御部分等は従来のように第１ジンバル機構１０に
そのまま搭載していてもよいが、地図作成等の地表の撮
影飛行機等の乗物自体に搭載していてもよい。 【００１７】この第２ジンバル機構１４はジャイロ１２
と一体的に第１ジンバル機構１０によって駆動される
が、既述の如く、制御部Ｃ１による第１ジンバル機構１
０での指向精度には一定の限界が有るため、ピッチング
方向におけるその指向誤差を＋Δθとすると、第２ジン
バル機構１４もピッチ軸Ｊθの周りにその指向誤差方向
に指向しており、カメラセンサ１６が＋Δθのピッチン
グ方向角度の指向誤差を有している。これを補正してカ
メラセンサ１６の指向精度を向上させるために他の制御
部Ｃ２と、角度センサ１８とアクチュエータ２０を装備
している。 【００１８】角度センサ１８とアクチュエータ２０とは
第１ジンバル機構１０に搭載されており、第２ジンバル
機構１４に近接して設けられている。既述の通り、ピッ
チング方向角度における指向誤差は１〜０．１度程度で
あり、これに対して第２ジンバル機構１４を補正回転駆
動する際、その移動量は角度センサ１８の取り付け位置
にもよるが、一般に１ｍｍ程度以内の動きである。そこ
で、角度センサ１８としてギャップセンサを使用する。
この実施例のように２個のギャップセンサ１８を使用し
ていることは、精度向上のためであり、必須事項ではな
い。アクチュエータ２０としては電磁石等が使用でき
る。 【００１９】第２ジンバル機構１４のピッチング方向角
度を示すギャップセンサ１８の原点は、ジャイロ１２の
ピッチ方向の基準と一致させており、ジャイロ１２の示
すピッチ角＋Δθだけ第１ジンバル機構１０のピッチン
グ方向指向誤差があるのでこれを補正するには、第２ジ
ンバル機構１４をピッチ軸Ｊθ周りに駆動して−Δθの
角度位置まで駆動を行えばよい。従って、制御部Ｃ２に
よって上記ギャップセンサ１８の出力を監視しながら、
ジャイロ１２の出力値によって得られるピッチ角＋Δθ
と反対方向であって同じ大きさの角度位置−Δθまで、
アクチュエータ２０を使用して第２ジンバル機構１４を
ピッチ軸Ｊθを中心に回動させる。 【００２０】このピッチ軸周りの回動を円滑にするため
には第２ジンバル機構１４を捩りばね等によって支持す
ることが好ましい。単なる軸受では摩擦や隙間の存在の
ために、アクチュエータ２０によって回転駆動される際
に精度よく駆動され得ないためである。 【００２１】こうして第２ジンバル機構１４の存在によ
り、従来のカメラスタビライザの重量、大きさを殆ど変
えることなくカメラのセンサ部１６だけは撮影対象に対
するピッチング方向の指向精度が相当に向上する。 【００２２】また、第１ジンバル機構１０は飛行機等の
乗物自体で置換することもできる。即ち、乗物自体がジ
ャイロを用いたローリングやピッチングの補正を行うス
タビライザを有している場合にこの乗物が第１ジンバル
機構に相当する。 【００２３】角速度を計測する狭義のジャイロであって
もこれに積分器を付与し、これを積分して角度を出力す
る広義のジャイロとして考え、これを本明細書でジャイ
ロと称している。 【００２４】 【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、第１ジンバル機構による一定の精度によるカメ
ラの指向制御に対して、該第１ジンバル機構に対して搭
載されたジャイロのフレームに対して取り付けられ、ピ
ッチ軸周りにのみ回転可能に取り付けられた第２ジンバ
ル機構にカメラの軽量なセンサ部を保持しているだけな
ので、第２ジンバル機構は小さく、かつ軽量で済み、こ
の第２ジンバル機構を角度センサで監視しつつアクチュ
エータによってジャイロ出力値に応じて回転駆動させる
と、カメラセンサ部のピッチング方向の指向精度が向上
する。 【００２５】他のローリングやヨーイングの指向精度は
このピッチング方向の指向精度より劣っていても、ジャ
イロの出力値に応じた後処理により撮像データの補正が
容易であり、これによってローリングやヨーイングの影
響による撮像データの精度を向上させ、上記ピッチング
方向の指向精度が相当に高いことと併せて、撮像データ
の精度向上に寄与する。この場合第２ジンバル機構は軽
量であるため、全体としてのカメラスタビライザの重量
は従来と殆ど変りが無く、使用容易である。

【図面の簡単な説明】 【図１】図１は本発明に係るカメラスタビライザの構成
図である。 【図２】図２は走査型センサにより撮像した１次元デー
タのローリング、ヨーイング、ピッチングによる影響の
補正説明図である。 【符号の説明】 １０ 第１ジンバル機構 １２ ジャイロ １２Ｆ ジャイロフレーム １４ 第２ジンバル機構 １６ カメラのセンサ部 １８ 角度センサ ２０ アクチュエータ Ｊθ ピッチ軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G03B 5/06 G01C 19/00 G03B 5/00

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 第１のジンバル機構に少なくともピッチ
   角とロール角を計測するジャイロを搭載し、 該ジャイロのフレームに対してピッチ軸周りにのみ回転
   可能に取り付けられた第２のジンバル機構にカメラのセ
   ンサ部を保持し、 前記第２のジンバル機構の前記ジャイロのフレームに対
   するピッチ軸周りの回転角度を検出する角度センサと、
   前記第２ジンバル機構をピッチ軸周りに駆動するアクチ
   ュエータとを具備し、 前記ジャイロの出力するピッチ角と逆の方向であって同
   じ大きさの角度位置まで前記第２のジンバル機構を前記
   角度センサによって確認しつつ前記アクチュエータによ
   って駆動することを特徴とするカメラスタビライザ。