JP4137028B2 - カメラスタビライザ取付誤差取得方法およびこの方法を適用するカメラスタビライザ - Google Patents

Description

本発明は、ＴＶカメラ等のカメラを搭載するカメラスタビライザをヘリコプタなどの航空機の機体に取り付けたときに、カメラスタビライザの基準方向と該機体の基準方向とに誤差があるときに、その誤差を取得する方法に関する。

報道用ヘリコプタ等の航空機にＴＶカメラ等のカメラを搭載し、航空機の飛行中にもカメラ映像を取得し続けるために、カメラはカメラスタビライザに搭載するとともに、カメラスタビライザの台座は航空機の所定位置にネジ等の固定手段で固定する。カメラスタビライザは、３軸の自由度を有するジンバルと該ジンバルの姿勢を検出する垂直ジャイロ（vertical gyro，ＶＧと略称される）とを備える。

図３は、カメラスタビライザを示す図であり、同図（ａ），（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ平面図、正面図及び側面図である。本図において、１０１はカメラスタビライザ台座、１０１aはカメラスタビライザ台座１０１の取付面、１０１bはカメラスタビライザ台座１０１に設けられた取付穴、１０２はカメラスタビライザのアジマス駆動モータ、１０３はカメラスタビライザのエレベーション駆動モータ、１０４はカメスタビライザのカメラ収納部（ロール駆動モータ内蔵）、１０６はカメラスタビライザの基準方向線、１１０aはカメラ１１０の鏡筒の前縁である。カメラは、カメラ収納部１０４に搭載してある。カメラの視軸は、カメラ収納部１０４の回転軸に一致させてある。カメラは、アジマス駆動モータ１０２の回転によりアジマス方向（ＡＺ）の回転力を受け、エレベーション駆動モータ１０３の回転によりエレベーション方向（ＥＬ）の回転力を受け、ロール駆動モータの回転によりロール方向（ＲＬ）の回転力を受ける。

カメラスタビライザ台座１０１は、航空機に設けられているカメラ取付部の下面の平らな取付面にネジ結合手段により固定される。ネジ結合手段は、取付穴１０１bに挿通される雄ネジと航空機のカメラ取付部に形成されている雌ネジでなる。雄ネジは、六角ボルトでなり、頭を下方に向けた状態で、カメラスタビライザ台座１０１の下面側から、取付穴１０１bに挿通され、カメラ取付部の雌ネジに螺合され、カメラスタビライザ台座１０１を航空機のカメラ取付部に固定する。カメラスタビライザが航空機のカメラ取付部に固定されたとき、図３（ａ）のカメラスタビライザ取付面１０１aは、航空機のカメラ取付部における取付面に密着される。

カメラスタビライザ台座１０１の取付穴１０１bに雄ネジを挿通し、雄ネジのネジ部を航空機のカメラ取付部の雌ネジに螺合することにより、カメラスタビライザの基準方向１０６は、航空機の基準方向に一致するべく、カメラスタビライザ台座１０１の取付穴１０１b及び航空機のカメラ取付部の雌ネジは、位置決めしてある。航空機の基準方向は、例えば機体軸の方向に設定される。

目標の撮像対象を自動的に追尾する機能を備えない従来のカメラスタビライザでは、撮影者がモニターＴＶの画面を見ながら、ジョイスティックを操作し、カメラ視軸制御装置（カメラ雲台）にジョイスティックから制御信号を与え、手動でカメラ視軸制御装置を操作していた。しかし、報道用の航空撮影などにおいては、撮影対象の位置が予め判明しているときは、航空機の飛行方向や姿勢に拘わらず、カメラの視軸が自動的に対象物に指向する自動追尾機能をカメラスタビライザに持たせることが望まれる。撮影対象の位置が予め判明しているときとは、例えば、撮影対象が交通事故の現場であり、その事故現場の地図上の位置が予め知らされているときである。

カメラスタビライザについては、例えば特許文献１に記載されている。ただし、従来のカメラスタビライザの運用では、慣性空間上の角度保持、機体に対する角度保持、およびジョイスティックによる駆動制御が行われており、特定の角度に対する制御が必要ではなかったので、取付け誤差については考慮する必要がなかった。

実公平７−３８８１４

自動追尾機能をカメラスタビライザに与えるには、カメラの視軸角度が必要である。カメラ視軸角度は、航空機の基準方向に対するカメラ視軸の角度である。図２（ａ）は、航空機の基準方向が機軸方向であるときに、カメラスタビライザの基準方向１０６が航空機の機軸方向に一致しているときにおける機軸方位ψb、目標方位DirT、真北からの機軸の回転Ｃ（ψb，θb，φb）、機軸方位ψbからのジンバルの回転Ｃ（AZn，ELn，RLn）、真北からのカメラ視軸の回転Ｃ（ψc，θc，φc）の関係を示す図である。即ち、図２（ａ）は、航空機の機軸方位（基準方位）ψbとジンバルの基準方位との差（取付誤差ψe）がないときにおける各角度の関係を示す図である。ここで、ψb，θb及びφbはそれぞれ機軸の方位、ピッチ及びロールである。また、AZn，ELn及びRLnは、それぞれジンバルのアジマス角、エレベーション角およびロール角である。また、ψc，θc及びφcは、それぞれカメラ視軸の方位、ピッチ及びロールである。

機体には、姿勢方位基準装置（Attitude and Heading Reference System，ＡＨＲＳ）が搭載され、カメラスタビライザには垂直ジャイロ（ＶＧ）が搭載されている。姿勢方位基準装置は、機体の機軸の方位、エレベーション及びロールを精密に測定できる。垂直ジャイロは、カメラに固定され、カメラの姿勢（エレベーション及びロール）を測定する。垂直ジャイロはカメラ視軸の方位（即ちジンバルの方位）も出力するが、垂直ジャイロの方位出力の精度は、姿勢方位基準装置の出力の精度に比べ格段に劣る。

図２（ａ）に示すように、カメラスタビライザの基準方向１０６が航空機の機軸方向に一致しているとき、目標方位DirTが与えられれば、真北からの機軸の回転Ｃ（ψb，θb，φb）およびジンバルの基準方位（ここでは、機軸方位ψbに一致）からのジンバルの回転Ｃ（AZn，ELn，RLn）が精度が高ければ、真北からのカメラ視軸の回転Ｃ（ψc，θc，φc）は、回転Ｃ（ψb，θb，φb）及び回転Ｃ（AZn，ELn，RLn）の回転行列Ｃ（ψb，θb，φb）・Ｃ（AZn，ELn，RLn）により、正確に演算でき、カメラ視軸の方位ψcを目標方位DirTに高い精度で一致させることができる。

前述のとおり、雄ネジをカメラスタビライザ台座１０１の取付穴１０１bに雄ネジを挿通し、雄ネジのネジ部を航空機のカメラ取付部の雌ネジに螺合することにより、カメラスタビライザの基準方向１０６は、航空機の基準方向に一致するべく、カメラスタビライザ台座１０１の取付穴１０１b及び航空機のカメラ取付部の雌ネジは、位置決めしてある。しかしながら、その位置決めの誤差、取付穴１０１bと雄ネジとの間隙などにより、カメラスタビライザの基準方向１０６を航空機の基準方向に高精度に一致させて、カメラスタビライザを航空機に取り付けることは実際上困難であり、取付誤差は避けがたい。

図２（ｂ）は、航空機の機軸方位（基準方位）ψbとジンバルの基準方位との差（取付誤差ψe）があるときの図２（ａ）と同様な各方位および回転の関係を示す図である。ψeは、水平方向の取付誤差である。カメラスタビライザの基準方向１０６は、ジンバルの基準方向と同一であるので、図ではカメラスタビライザの基準方位に代えてジンバル基準方位と記してある。図２（ｂ）に示すように、目標方位DirTが与えられ、真北からの機軸の回転Ｃ（ψb，θb，φb）及びジンバルの基準方位からのジンバルの回転Ｃ（AZn，ELn，RLn）の精度が高くても、回転Ｃ（ψb，θb，φb）及び回転Ｃ（AZn，ELn，RLn）の回転行列Ｃ（ψb，θb，φb）・Ｃ（AZn，ELn，RLn）なる演算により得られる真北からのカメラ視軸の回転Ｃ（ψc，θc，φc）は、取付誤差ψeだけ誤差を含み、カメラ視軸の方位ψcは目標方位DirTから取付誤差ψeだけずれている。

例えば、取付誤差ψeが３度[deg]であるとき、ズーム比を１０倍以上にすると、撮影対象物はカメラの視野から完全に外れ、モニタＴＶの画面に撮影対象物を写すことはできない（カメラが最小焦点距離10.0mmのＨＤＴＶカメラ、そのＣＣＤサイズが２／３インチのとき）。

このカメラスタビライザの取付誤差ψeが正確に測定できれば、その取付誤差ψe分だけ既知の目標方位DirTから減算して、目標方向を修正し、修正目標方向にカメラ視軸を指向させれば、ズーム倍率を高くしても、自動追尾機能付カメラスタビライザで目標を正確に追尾できる。そこで、本発明の目的は、カメラスタビライザの取付誤差を正確に取得する方法、およびその方法を適用し、目標を正確に自動追尾できるようにしたカメラスタビライザの提供にある。

前述の課題を解決するために本発明は次の手段を提供する。

（１）カメラ雲台となるカメラスタビライザをヘリコプタ等の機体に取り付け、該カメラスタビライザに搭載されたカメラの視軸方向を制御するカメラ視軸制御方式におけるカメラスタビライザの基準方位と機体の基準方位との差をカメラスタビライザ取付誤差ψeとするとき、該カメラスタビライザ取付誤差ψeを取得する方法において、
前記機体の現在の位置の緯度および経度を機体位置としてＧＰＳにより取得し、
地図上の位置が既知である目標の緯度および経度を目標位置として該地図により取得し、
前記機体から見る前記目標の方向を目標方位角DirTとするとき、目標方位角DirTは、前記機体位置の前記緯度および経度並びに前記目標位置の前記緯度および経度に基づき算出し、
前記カメラの方位角をψcとするとき、前記カメラスタビライザ取付誤差ψeは、
ψe＝DirT−ψc
なる演算で求め、
前記機体に搭載されている第１の慣性装置から該機体の方位角ψbを取得し、
前記カメラスタビライザにおいて前記カメラに３軸の自由度を与えるジンバルのアジマス角AZn、エレベーション角ELn、ロール角RLnを取得し、
前記カメラと一体に前記ジンバルに搭載された第２の慣性装置から該カメラの姿勢角であるピッチ角θc及びロール角φcを取得し、
前記カメラの方位角ψcは、
前記方位角ψb、ピッチ角θｂ及びロール角φｂ並びに前記アジマス角AZn、エレベーション角ELn及びロール角RLn、並びに前記カメラの方位角ψc、ピッチ角θc及びロール角φcからなる回転行列による関係を利用し、前記方位角ψb、ピッチ角θc、ロール角φc、アジマス角AZn、エレベーション角ELn及びロール角RLnから求める
ことを特徴とするカメラスタビライザ取付誤差取得方法。

（２）前記（１）に記載の方法により取得したカメラスタビライザ取付誤差ψeに基づき補正したカメラの方位角ψcを用いて目標を自動追尾することを特徴とするカメラスタビライザ。

上述の本発明によれば、カメラスタビライザの取付誤差を正確に取得する方法、およびその方法を適用し、目標を正確に自動追尾できるようにしたカメラスタビライザを提供できる。

次に、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態のカメラスタビライザ取付誤差取得方法を適用するカメラスタビライザ取付誤差取得装置の構成を示すブロック図である。図において、１はＧＰＳ（Global Positioning System）、２は地図、３はＡＨＲＳ（Attitude and Heading Reference System，姿勢方位基準装置）、４はジンバルユニット、５は垂直ジャイロ（Vertical Gyro, ＶＧ）、６はカメラ、７は視軸方向演算部、８はモニタＴＶ、１０はカメラスタビライザである。

いま、図１のカメラスタビライザ取付誤差取得装置は、ヘリコプタに搭載されているとする。図２における機体１００は、このヘリコプタの機体を表している。ＧＰＳは、そのヘリコプタの位置を緯度および経度で表し、その緯度および経度を視軸方向演算部７へ入力する。カメラ６はＴＶカメラである。地図２は、紙に描かれた地図であり、目視により目標物の位置が緯度および経度で読み取れる。地図２で読み取った目標物の緯度および経度は、手動でキーボード（図示省略）から視軸方向演算部７へ入力される。

なお、自動車に搭載されている自動車ナビゲーションシステム（カーナビと通称される地図表示装置）にはディジタルデータで地図情報が記憶されているが、地図２は、そのナビゲーションシステムにおけるものと同様な形式で記憶されている地図情報でも差し支えない。自動車ナビゲーションシステムと同様な形式で記憶されたディジタルデータの地図情報であれば、自動車ナビゲーションシステムにおける地図表示装置と同様な地図表示装置に地図を表示させ、地図上の目標物をカーソルで指定することにより、目標物の緯度および経度を読み出し、その緯度および経度を視軸方向演算部７へ入力することができる。

ＡＨＲＳは、ヘリコプタの機体１００に搭載されているジャイロ装置であり、機体１００の機軸の方位ψbを検出し、視軸方向演算部７へ入力する。カメラスタビライザ１０は、図３に示す外観を有し、ジンバルユニット４、垂直ジャイロ５及びカメラ６でなる。

ジンバルユニット４は、カメラスタビライザのアジマス駆動モータ１０２、カメラスタビライザのエレベーション駆動モータ１０３及びカメスタビライザのカメラ収納部（ロール駆動モータ内蔵）１０４でなる。ジンバルユニット４の各モータは、ジョイスティック（図示省略）の出力のジンバル制御信号に応じ、アジマス軸、エレベーション軸およびロールを回転させる。これら各軸の回転角度は、ジンバルのアジマス角AZn，ジンバルのエレベーション角ELn及びジンバルのロール角RLnとして、視軸方向演算部７へ入力される。AZn，ELn及びRLnは、ジンバル角と称される。

垂直ジャイロ５及びカメラ６は、カメラ収納部１０４に搭載されている。垂直ジャイロ５は、カメラ視軸のピッチθc及びロールφcを視軸方向演算部７へ供給し、視軸方向演算部７からカメラ視軸の方位ψcを入力する。カメラ６は、光学画像である目標画像を入力し、電気信号で表されるカメラ画像を生成し、カメラ画像をモニタＴＶ８へ供給する。モニタＴＶ８は、液晶の表示画面へカメラ画像を表示する。

次に、図１のカメラスタビライザ取付誤差取得装置に本実施の形態のカメラスタビライザ取付誤差取得方法を適用し、航空機の機軸方位（基準方位）ψbとジンバルの基準方位との差（取付誤差ψe）を取得する手順を説明する。本実施の形態のカメラスタビライザ取付誤差取得方法を実施するために、図１のカメラスタビライザ取付誤差取得装置を搭載したヘリコプタは、見通しのよい場所（飛行場、ヘリポート等）で静止させる。その場所では、地図上で位置を見つけることができ、かつカメラ６で撮像できる目標物（建造物など）を選定できる必要がある。

本実施の形態のカメラスタビライザ取付誤差取得方法は、次の手順で実施される。（１）ＧＰＳ１で、そのヘリコプタの位置（緯度および経度）を測定し、その位置を視軸方向演算部７へ供給する。（２）目標物の位置（緯度および経度）を地図で測定し、その緯度および経度を視軸方向演算部７へキーボード（図示省略）で入力する。このとき、視軸方向演算部７は、ヘリコプタの位置および目標物の位置を入力し、ヘリコプタから見た目標物の方位DirTを算出する。（３）ジョイスティックを操作し、ジョイスティック出力のジンバル制御信号をジンバルユニット４へ入力し、ジンバルユニット４の各軸をジョイスティック操作に応じて回転させ、目標物がモニタＴＶ８の中心領域に表示されるように、カメラ６の視軸を目標物に指向させる。

ジンバルユニット４は、カメラ６の視軸が目標物を指向するときのジンバルのアジマス角AZn，ジンバルのエレベーション角ELn及びジンバルのロール角RLnを視軸方向演算部７へ入力する。このとき、垂直ジャイロ５は、カメラ６の視軸が目標物を指向するときのカメラ６のピッチθc及びロールφcを視軸方向演算部７へ入力する。ピッチθc及びロールφcはカメラ６の姿勢角である。視軸方向演算部７は、これらの入力データに基づきカメラ方位角ψcを演算する。そして、視軸方向演算部７は、前記目標方位DirTとカメラ方位角ψcとの差をカメラスタビライザの取付誤差ψeとして記憶するとともに、出力する。取付誤差ψeは、目標物を自動追尾させる機能をカメラスタビライザに付与するための自動追尾演算において、使用される。また、垂直ジャイロ５の方位角は、視軸方向演算部７から供給されるカメラ方位角ψcにスレーブする。

次に、目標方位DirT、カメラ方位角ψcおよび取付誤差ψeを得るために視軸方向演算部７で行われる詳しい演算について説明する。

[目標方位DirTの算出]
ＧＰＳ１で検知したヘリコプタの現在位置の緯度，経度：LatB，LonB
地図２で測定した目標位置の緯度，経度：LatT，LonT
平均緯度：LatA＝（LatB＋LatT）／２
平均緯度LatAにおける曲率は、
子午線曲率半径：Ｍ
卯酉線曲率半径：Ｎ
とする。このとき、北方向距離差LenN及び東方向距離差LenEは、
LenN＝Ｍ・（LatT−LatB）
LenE＝Ｎ・（LonT−LonB）・cos（LatA）
目標方位DirTは、
DirT＝Tan^-1（LenE／LenN）
なる計算式で演算される。

[カメラ方位角ψcの算出]
以下の記載における機体は、この実施の形態ではヘリコプタである。機体の方位角をψb、ピッチ角をθb、ロール角をφbとし、ジンバルのアジマス角をAZn、エレベーション角をELn、ロール角をRLnとし、カメラの方位角をψc、ピッチ角をθc、ロール角をφcとし、また、ロールφ，ピッチθ，ヨーψの角表現にて、ヨー、ピッチ、ロールの順に回転する回転行列をＣ（ψ，θ，φ）とすると、取付誤差が無い状態では、次の回転行列式が成り立つ。
Ｃ（ψb，θb，φb）・Ｃ（AZn，ELn，RLn）＝Ｃ（ψc，θc，φc）・・・・・・（１）
いま、カメラ方位角ψc、機体ピッチ角θb及びロール角φbが未知数である。そこで、カメラ方位角ψc、機体ピッチ角θb及びロール角φbについて解く。
Ｃinv（ψ，θ，φ）をＣ（ψ，θ，φ）の逆行列として、（１）式の両辺の右側にＣinv（AZn，ELn，RLn）をかけ、（１）式の両辺の左側にＣ（−ψc−ψb，０，０）をかけると
Ｃ（−ψc，θb，φb）＝Ｃ（−ψb，θc，φc）・Ｃinv（AZn，ELn，RLn）
・・・・・・・（２）
となる。この（２）式を解くことにより、カメラ方位角ψcを算出する。

[取付誤差ψeの算出]
目標方位角：DirT
カメラ方位角：ψc
取付誤差：ψe
とすると、取付誤差ψeは、目標方位角DirTとカメラ方位角ψcとの差分として、次式で算出される。
ψe＝DirT−ψc （３）
ψeは水平方向の取付誤差である。取付誤差にはピッチ方向およびロール方向についてもあり、ピッチ方向およびロール方向の取付誤差が水平方向の取付誤差ψeに影響することもあり得るが、いずれの取付誤差も現実には数度以内であるので、３軸の各方向相互の取付誤差による水平方向の取付誤差への影響は実用上無視し得る。なお、カメラ視軸のピッチ方向／ロール方向の角度は垂直ジャイロにより取得可能で、取付誤差の影響は受けない。

カメラ方位角ψcは、前記（３）式を変形し、
ψc＝DirT−ψe （４）
なる式により求められる。そこで、このカメラの方位角がψcになるように、ジンバル制御信号を与えることにより、カメラ６の視軸を目標に自動的に正確に指向できる、自動追尾機能を備えたカメラスタビライザが得られる。

図１は、本発明の一実施の形態のカメラスタビライザ取付誤差取得方法を適用するカメラスタビライザ取付誤差取得装置の構成を示すブロック図である。 機軸方位ψb、目標方位DirT、真北からの機軸の回転Ｃ（ψb，θb，φb）、機軸方位ψbからのジンバルの回転Ｃ（AZn，ELn，RLn）、真北からのカメラ視軸の回転Ｃ（ψc，θc，φc）の関係を示す図であり、図２（ａ）は航空機の機軸方位（基準方位）ψbとジンバルの基準方位との差（取付誤差ψe）がないときの図であり、図２（ｂ）はその取付誤差ψeがあるときの図である。 カメラスタビライザを示す図であり、同図（ａ），（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ平面図、正面図及び側面図である。

符号の説明

１ ＧＰＳ（Global Positioning System）
２ 地図
３ ＡＨＲＳ（Attitude and Heading Reference System，姿勢方位基準装置）
４ ジンバルユニット
５ ＶＧ（Vertical Gyro, 垂直ジャイロ）
６ カメラ
７ 視軸方向演算部
８ モニタＴＶ
１０ カメラスタビライザ
DirT 目標方位
ψb 機体方位角
θb 機体ピッチ角
φb 機体ロール角
ＡZn ジンバルＡZ（アジマス）角
ＥLn ジンバルＥL（エレベーション）角
ＲLn ジンバルＲL（ロール）角
ψc カメラ方位角
θc カメラピッチ角
φc カメラロール角
ψe 方位方向取付誤差角
１００ 機体
１０１ カメラスタビライザ台座
１０１a カメラスタビライザ台座１０１の取付面
１０１b カメラスタビライザ台座に設けられた取付穴
１０２ カメラスタビライザのアジマス駆動モータ
１０３ カメラスタビライザのエレベーション駆動モータ
１０４ カメラスタビライザのカメラ収納部（ロール駆動モータ内蔵）
１０５ カメラ収納部１０４におけるカメラ用開口
１０６ カメラスタビライザの基準方向
１１０ カメラ
１１０a カメラ１１０の鏡筒の前縁

Claims (2)

1. カメラ雲台となるカメラスタビライザをヘリコプタ等の機体に取り付け、該カメラスタビライザに搭載されたカメラの視軸方向を制御するカメラ視軸制御方式におけるカメラスタビライザの基準方位と機体の基準方位との差をカメラスタビライザ取付誤差ψeとするとき、該カメラスタビライザ取付誤差ψeを取得する方法において、
   前記機体の現在の位置の緯度および経度を機体位置としてＧＰＳにより取得し、
   地図上の位置が既知である目標の緯度および経度を目標位置として該地図により取得し、
   前記機体から見る前記目標の方向を目標方位角DirTとするとき、目標方位角DirTは、前記機体位置の前記緯度および経度並びに前記目標位置の前記緯度および経度に基づき算出し、
   前記カメラの方位角をψcとするとき、前記カメラスタビライザ取付誤差ψeは、
   ψe＝DirT−ψc
   なる演算で求め、
   前記機体に搭載されている第１の慣性装置から該機体の方位角ψbを取得し、
   前記カメラスタビライザにおいて前記カメラに３軸の自由度を与えるジンバルのアジマス角AZn、エレベーション角ELn、ロール角RLnを取得し、
   前記カメラと一体に前記ジンバルに搭載された第２の慣性装置から該カメラの姿勢角であるピッチ角θc及びロール角φcを取得し、
   前記カメラの方位角ψcは、
   前記方位角ψb、ピッチ角θｂ及びロール角φｂ並びに前記アジマス角AZn、エレベーション角ELn及びロール角RLn、並びに前記カメラの方位角ψc、ピッチ角θc及びロール角φcからなる回転行列による関係を利用し、前記方位角ψb、ピッチ角θc、ロール角φc、アジマス角AZn、エレベーション角ELn及びロール角RLnから求める
   ことを特徴とするカメラスタビライザ取付誤差取得方法。
2. 請求項１に記載の方法により取得したカメラスタビライザ取付誤差ψeに基づき補正したカメラの方位角ψcを用いて目標を自動追尾することを特徴とするカメラスタビライザ。

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