JP6334576B2 - 能動的に安定化させたカメラのポインティング制御を可能にするための方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、安定化システムに関し、より具体的には、写真又はビデオに関連するアプリケーションで利用するための改善、軽量、ハンドヘルド又は車載カメラの安定化システムに関する。

多くのアプリケーションでは、振動や不要な動きによって影響を受けないように、ペイロードを安定化させることが望ましい。これは、映画製作においては特に重要である。映画製作においては、カメラオペレータによって意図しない揺れや動きが加えられると、結果として、見るのに不快であったり、正しくフレーム化されなかったりする映像がもたらされる。

受動的な安定化の取り付け台は、例えばバネ、緩衝装置及びカウンタバランスのような機械的システムを用いることによって、揺れを低減し、動きを取り除くために、使用されてきた。しかしながら、これらのシステムは、大きく、操作が面倒であり、さらに、効率的な制御を行うためには、豊富な経験を一般的に要求する。ソフトウェアベースのデジタル安定化並びに光学的安定化が存在するが、一般的に、これらは、小さな動きの修正に限定されている。

ますます普及しつつある一つの技術として能動的安定化がある。現在利用可能な能動的安定化システムは、モーションセンサによって検出された任意の動きを打ち消すために、モータを使用している。光学的ジャイロスコープセンサは、小さな振動を検出するのに十分正確であり、一般的に、このようなシステムに用いられる。しかしながら、光学的ジャイロスコープセンサは、大きく、非常に高価になりがちである。

従って、不要な動きを効率的に除去することができる低コスト、軽量の安定化システムを提供し、その一方で、オペレータが要求する映像を容易及び直感的に取り込むための制御水準及び柔軟性をオペレータに提供することが望ましい。

発明の記載される実施形態は、能動的安定化システム、例えば能動的安定化システムの操縦部材の回転動作に対応するジンバル及び例えばカメラのオペレータにより動かされるジンバルのハンドル又はジンバルフレームの構成要素によって、カメラのポインティング角度の操縦を可能にするための方法及びシステムを提供し、ここで、ジンバルは、例えば車両のような移動物体に装着され、ジンバルフレーム構成要素に回転運動をもたらす。

一実施形態では、本開示は、指示ポインティング角度に従い、カメラを安定化させるように構成された能動的安定化システムに収容されるカメラのポインティング角度を調整するための方法を提供し、システムは、パン軸、チルト軸及びロール軸の一以上の周りで回転可能な操縦部材を備え、方法は、操縦部材の回転運動に関連する操縦部材の接合角度測定を導出するステップと、接合角度測定が閾値ウインドウを超える場合、操縦部材の回転運動の方向において、導出した接合角度測定に基づき、カメラのポインティング角度を調整するステップとを含む。

ある例示的な実施形態では、回転運動は、垂直軸周りで検出される。

ある例示的な実施形態では、方法は、接合角度測定が閾値ウインドウ内である場合、指示ポインティング角度に従い、カメラのポインティング角度を能動的に安定化させるステップをさらに含む。

ある例示的な実施形態では、方法は、接合角度測定が閾値ウインドウ内である場合、能動的安定化システムによって、ポインティング角度がロック状態であることを表示するステップをさらに含む。

ある例示的な実施形態では、表示するステップは、能動的安定化システムの可視的なインジケータを使用した可視的な表示及び音声インジケータの一以上を含む。

ある例示的な実施形態では、方法は、接合角度測定を更新するステップと、更新接合角度測定に基づきカメラのポインティング角度を調整するための制御指示を導出するステップとをさらに含む。

ある例示的な実施形態では、接合角度測定を更新するステップは、接合角度測定が閾値ウインドウを超える場合、閾値ウインドウの閾値により接合角度測定を低減するステップを含む。

ある例示的な実施形態では、接合角度測定を更新するステップにおいて、接合角度測定が閾値ウインドウ内である場合、接合角度測定をゼロに設定する。

ある例示的な実施形態では、方法は、指示ポインティング角度への更新の増加分を導出するために低減した接合角度測定に強制ファンクションを適用するステップと、更新の増加分により指示ポインティング角度を更新するステップと、操縦部材の回転運動の方向において低減された接合角度測定に比例するカメラのポインティング角度を調整するための制御指示を導出するために、更新指示角度に基づき、安定化制御ループ更新を実行するステップとをさらに含む。

ある実施形態では、方法は、指示角度率を導出する角度ベース制御ループを実行するステップと、ポインティング角度を調整するための制御指示を導出するための制御指示を導出するために、更新接合角度測定及びゼロ指示角度に基づき、安定化制御ループ更新を実行するステップとをさらに含む。

ある実施形態では、安定化制御ループ更新は、指示チルト率を導出するための角度ベース外側制御ループと、カメラのポインティング角度を調整するために制御指示を導出するための制御レート及びカメラの現在の角度率に基づく、率ベース内側制御ループ更新とを備える。

ある例示的な実施形態では、ポインティング角度はロックされる際にトリガが関与し、方法は、カメラの現在のポインティング角度を測定するステップと、指示角度として測定したカメラのポインティング角度を格納するステップとをさらに含む。

ある例示的な実施形態では、方法は、ロックされたポインティング角度のトリガが解除されるまで、格納された指示ポインティング角度に従い、カメラのポインティング角度を能動的に安定化させるステップをさらに含む。

ある提示的な実施形態では、接合角度測定を導出するステップは、パン軸、チルト軸及びロール軸の一つのためのアクチュエータのレゾルバから、パン軸、チルト軸及びロール軸の一つのために接合角度測定を取得するステップを含む。

ある例示的な実施形態では、方法は、パン軸、チルト軸及びロール軸の１つのために実行される。

ある例示的な実施形態では、方法は、パン軸、チルト軸及びロール軸の１つのために実行され、さらに、カメラのポインティング角度は、１つの軸のために調整される。

ある例示的な実施形態では、接合角度測定は、（１）パン軸、チルト軸及びロール軸の１つに対応する軸のための接合角度、（２）パン軸、チルト軸及びロール軸の１つとは別の軸のための接合角度、及び、（３）カメラの現在のポインティング角度及び能動的安定化システムのポインティング角度の一以上に応じた、パン軸、チルト軸及びロール軸のための二以上の接合角度の１つに基づき導出される。

ある例示的な実施形態では、方法は、新しい接合角度測定が閾値ウインドウ下に収まる場合、カメラのポインティング角度の調整を停止するステップをさらに含む。

ある例示的な実施形態では、接合角度測定を導出するステップは、カメラに搭載された第１の慣性測定ユニットにより第１の角度を測定するステップと、第２の測定を導出するために、ジンバルフレームの中間位置に配置された第２の慣性測定ユニットにより、第２の角度を測定するステップと、第１及び第２の角度に基づき、接合角度測定を導出するステップとを含む。

ある例示的な実施形態では、接合角度測定を導出するステップは、パン軸、チルト軸及びロール軸の二以上のための接合角度を測定するステップと、測定した接合角度の二以上に基づき、接合角度測定を導出するステップとをさらに含む。

ある例示的な実施形態では、システムが提供され、このシステムは、一以上のプロセッサと、一以上のプロセッサにより実行される場合にシステムに上述した方法のいずれかを実行するようにもたらす命令を格納するメモリとを備える。

ある例示的な実施形態では、非一時的コンピュータ可読媒体が提供され、この媒体は、上述の方法のいずれかをプロセッサに実行させるための命令プログラムを格納する。

他の実施形態では、本開示は、収容するカメラのポインティング角度を調整するための能動的安定化システムであって、能動的安定化システムは、指示ポインティング角度に従いカメラを安定化させるように構成され、能動的安定化システムは、カメラを支持するための支持部材と、能動安定化システムのパン軸、チルト軸及びロール軸の一以上の周りで回転可能な操縦部材と、カメラに搭載され、カメラのポインティング角度及び角度率を測定するように構成された慣性測定ユニットと、慣性測定ユニットにより提供される測定を使用して、パン軸、チルト軸及びロール軸の一以上のために、上述の方法のいずれかを実行するように構成された能動的安定化コントローラとを備える。

ある実施形態では、システムは、能動的安定化シテムに搭載され、かつ操縦部材のポインティング角度を測定するように構成された第２の慣性測定ユニットをさらに備え、能動的安定化コントローラは、カメラに搭載される慣性測定ユニット及び第２の慣性測定ユニットによって提供される測定を使用して、パン軸、チルト軸及びロール軸の一以上のために、上述のいずれかに係る方法を実行するようにさらに構成される。

ある実施形態では、能動的安定化システムは、カメラのポインティング角度がロックされていることを表示するためのインジケータをさらに備える。

ある実施形態では、システムは、カメラオペレータに、パン軸、チルト軸及びロール軸の選択される一以上のための上述の方法のいずれかを実行可能にするようにさらに構成される。

本発明の例は、添付の図面を参照して詳細に説明される。
ある実施形態に係る、本発明に従い安定化技術を実行するための三軸安定化システムの斜視図である。 ある実施形態に係る、三軸安定化システムの最上位素子のリンクを示すフローチャートである。 ある実施形態に係る、安定化システムのシングル軸のための制御素子を示すフローチャートである。 ある実施形態に係る、基本的な慣性測定ユニット（ＩＭＵ）の素子を示すフローチャートである。 ある実施形態に係る、拡張されたＩＭＵの素子を示すフローチャートである。 ある実施形態に係る、直流（ＤＣ）モータのための電力制御の概略図である。 ある実施形態に係る、ブラシレスＤＣモータのための拡張された電力制御の概略図である。 ある実施形態に係る、姿勢制御ループを示すフローチャートである。 ある実施形態に係る、拡張された姿勢制御ループを示すフローチャートである。 ある実施形態に係る、入力機構と姿勢制御ループを示すフローチャートである。 ある実施形態に係る、安定化システムを制御する２つの方法の安定化性能を比較する図である。 ある実施形態に係る、入力指示を修正するための加速度フィルタを示す図である。 ある実施形態に係る、安定化システムを安定化させるための制御ループにおける素子の詳細なフローチャートである。 ある実施形態に係る、カメラのポインティング角度を制御するためのシングル軸安定化コントローラを示すフローチャートである。 ある実施形態に係る、能動的安定化システムの操縦部材を回転させることにより、カメラの操縦を可能にするためのウインドウ閾値とシングル軸安定化コントローラを示すフローチャートである。 ある実施形態に係る、能動的安定化システムの操縦部材を回転させることにより、カメラの操縦を可能にするための強制ファンクションとシングル軸コントローラを示すフローチャートである。 同一閾値ウインドウに基づき、階段ファンクションと比較して、＋／−２０度の閾値ウインドウに基づく例示的な強制ファンクションを描写するグラフを示す図である。 システムの世界角度、閾値ウインドウを有さない例示的な強制ファンクション、カメラのポインティング角度及び例示的シナリオに従う接合角度における変化を比較するグラフを示す図である。 システムの世界角度、＋／−１０度の閾値ウインドウに基づく例示的な強制ファンクション、カメラのポインティング角度及び図１８の例示的なシナリオに従う接合角度における変化を比較するグラフを示す図である。 ある実施形態に係る、操縦モードにおいて、カメラのポインティング角度のロックを可能にするシングル軸コントローラを示すフローチャートである。 ある実施形態に係る、２つの慣性測定ユニットを用いて、操縦モードを可能にするシングル軸コントローラを示すフローチャートである。 ある実施形態に係る、操縦ジンバル部材の回転運動に応答して能動的に安定化したカメラのポインティング角度を調整するための方法を示すフローチャートである。 ある実施形態に係る、操縦ジンバル部材の回転運動に応答して能動的に安定化したカメラのポインティング角度を調整し、さらにカメラのポインティング角度をロックするための方法を示すフローチャートである。 ある実施形態に係る、強制ファンクションを用いて、操縦ジンバル部材の回転運動に応答して能動的に安定化させたカメラのポインティング角度を調整するための方法を示すフローチャートである。 ある実施形態に係る、回転に応答して能動的に安定化させたカメラのポインティング角度を調整するための方法を示すフローチャートである。 ある実施形態に係る、速度モードを可能にするためのシングル軸コントローラを示すフローチャートである。

図１は、三軸カメラ安定化システム１００を示す図であり、本発明のある実施形態に係るジンバルとして参照する。システム１００は、支持基盤１１０を有し、支持基盤１１０には、オペレータによる手動支持及び操作のための支持フレーム１１２が装着される。２つのハンドル１１３は、支持基盤１１０のいずれかの側面上の支持フレーム１１２に装着され、これにより、ジンバル１００の２つハンドル操作を可能にし、ジンバル１００の動きを完全に制御する。二次フレーム１１１は支持基盤１１０に装着されており、システム１００全体を車両、他の支持又は取り付け台に装着するように使用してもよい。二次フレーム１１１は、オペレータによるシングルハンドル操作のためのハンドルとして使用することもできる。さらに、周辺デバイスが、二次フレーム１１１に装着されていてもよい。

図示したシステム１００は、パン軸モータ１２０、チルト軸モータ１４０及びロール軸モータ１３０の３つのモータを装備する。これらのモータは、矢印１２１、１３１及び１４１の各々によって示されるような組立部品のパン１２２、チルト１４２及びロール１３２軸周りのいずれかの方向における回転入力を提供することができる。３つのモータ１２０、１３０及び１４０が一緒に動作する場合、ジンバル１００内においてペイロードの全範囲の動作が可能になる。特に、パン軸モータ１２０は、支持基盤１１０に固定（装着又は他の恒久的な固定又は取り外し可能に）され、ロール軸モータ１２０を収容する構造体を回転させるように構成（構築、設計等）される。ロール軸モータ１２０は、同じく、チルト軸モータ１４０を収容する構造体を回転するように構成され、これによって、ペイロード（図示せず）を回転させるように構成される。

図示したシステム１００では、ロール軸モータ１３０は、水平部材１３６及び１３７が装着されるロールビーム１３５を回転させる。一方の水平部材１３７にはチルト軸モータ１４０が装着され、他方の水平部材１３６には対向ピボット１４５が装着される。チルト軸モータ１４０及び対向ピボット１４５は、ダウンチューブ１４６に装着された横部材１４７と共に、ダウンチューブ１４６を回転させ、これにより、横部材１４７に装着されたペイロードが回転する。

ペイロードは、一般的に、カメラ搭載配置１５０によってシステムに搭載されたカメラである。カメラ搭載配置１５０は、一般的に、プレート、「シュー（shoe）」又は同様のものの形状であり、カメラの搭載部分に対応する凹部と係合するための一以上の突起を規定する。しかしながら、搭載配置１５０にカメラを固定するために、多様な結合、係合及び／又は固定手段が提供されてもよく、限定ではなく、ネジ山、クリップ、スライドロック機構及び／又は同様のもの（図示せず）が含まれる。

３つの直交軸１２２、１３２及び１４２の交点１５２は、好適には、３つのモータ１２０、１３０及び１４０のいずれかの回転に関係なく概して固定を維持する。安定化システム１００に搭載されたカメラが“受動的安定化”を成し遂げるために、カメラの設計により変化するカメラの重心（ＣＯＧ）は、３つの直交軸１２２、１３２及び１４２の交点１５２に位置するか、又は、交点１５２に可能な限り近くに位置すべきである。

カメラのＣＯＧが交点１５２に位置すれば、システムの横加速度の外乱によりカメラに加えられる回転モーメントは、低減され又は排除される。さらに、ペイロード自体の慣性は、回転軸への摩擦力に関わらず、ペイロードを指示方向に維持させる。これら又は他の受動安定化の形式の一部をシステム１００の配置に組み込むことで、能動的安定化の消費電力は、特に動作中でない場合に、最小限に維持される。

搭載配置１５０に搭載されたカメラのＣＯＧを調整するために、調整手段が、安定化システム１００内に提供される。例えば、図１において、搭載配置１５０は、各直交軸に対する搭載カメラの再配置を可能にするように構成されている。搭載配置１５０に搭載されるカメラのＣＯＧを、軸に対してセンタリングすることで、その軸に対して、カメラは“バランス”をとるようになる。言い換えれば、カメラのＣＯＧが、その軸に対する中立点になり、好適には、軸上又は軸の水平面又は垂直面上に位置するようになる。各直交軸に沿ってカメラのＣＯＧをセンタリングすることで、カメラは、バランスをとることができるようになる。

図１は、本開示において説明した安定化技術を実行するのに適したジンバル構造の一例のみを示す。支持構造、アクチュエータ及びそれらの配置は、異なる実施形態間では変わり、例えば、ジンバルの組み立て部品の目的用途によって変わる。例えば、支持構造配置は、ペイロードの特定方向（複数可）の視野を塞ぐことを防ぐために改良してもよく、より大きい又はより小さいペイロードを収容するように適合等してもよい。

図２は、ある実施形態に係る、三軸ジンバル構造の最上位素子を共にリンクする方法を示すフローチャートである。支持基盤２００はジンバル構造の他の部分を支持し、また、支持基盤２００を車両や固定構造に搭載してもよく、又は、カメラオペレータが支持基盤２００を持ってもよい。支持基盤２００によって、撮影中、ジンバル構造の他の構成素子が支持基盤２００の動きとは関係なく回転することを可能にしつつ、ジンバル構造全体を別の場所へ動かすことが可能になる。このような配置は、景色を撮影しつつカメラを動かしている場合に、特に便利である。

図２のジンバル構造の例示的な実施形態では、支持基盤２００は、パン軸構造２１１に接続され、パン軸構造２１１は、パン軸周りにジンバル構造の他の部分を回転させるためのパン軸アクチュエータ２１２を収容する。パン軸周りの回転（パニング）は、縦軸周り及び水平面内の回転である。ここに開示されたシステムでは、パン回転は、ジンバル構造に相対的なものとして記載される。

パン軸アクチュエータ２１２は、ロール軸構造２２１に接続され、ロール軸構造２２１のパン回転を可能にする。ロール軸構造２２１は、ロール軸周りにジンバル構造の他の部分を回転させるためのロール軸アクチュエータ２２２を収容する。ロール軸周りの回転（ローリング）は、ジンバル構造に対して前方に位置する軸周りの回転であり、一般的には水平に回転させるために使用される。

ロール軸アクチュエータ２２２は、チルト軸構造２３１に接続され、チルト軸構造２３１のロール回転を可能にする。チルト軸構造２３１は、チルト軸周りにジンバル構造の他の部分を回転させるためのチルト軸アクチュエータ２３２を収容することができる。チルト軸周りの回転（チルティング）は、ジンバル構造を（左から右へ）水平に渡る軸周りの回転であり、これによって、回転をジンバル構造に対してアップダウンさせることが可能になる。

アクチュエータ２１２、２２２及び２３２と、支持構造２１１、２２１及び２３１とは、直列に接続され、ペイロード２４０に接続される。従って、これら各アクチュエータによる回転は、結果として、ペイロード２４０の回転に対応し、これにより、ジンバル構造内のペイロード２４０の回転の完全制御が可能になる。ペイロード２４０は、安定化の対象物であり、ペイロード２４０は、一般的にはカメラである。

アクチュエータ２１２、２２２及び２３２は、一般的にはモータであるが、回転動作を与えることが可能な他の任意のアクチュエータであってもよい。さらに、アクチュエータは、直線動作を回転動作に変換するために、クランク又は他の機構に結合したリニアアクチュエータであってもよい。システム内のアクチュエータの回転範囲は、好適には、必ずしも必要ではないが、各軸周りに３６０°である。制限がある場合、回転範囲は、一部又は全ての軸に沿って制限してもよい。さらに、動作範囲は、例えば、アクチュエータ及び／又は周囲の支持構造の物理的制限によって、限定されてもよい。

支持構造及びアクチュエータをリンクさせる順番は、図２に示す順番に制限されなく、例えば、目的の用途又はジンバルの構成によって、変えてもよい。例えば、図１では、支持基盤１１０にパン軸モータ１２０が装着され、これにより、ジンバル構造がペイロードの視野を妨害することなく、ペイロードが完全に３６０°範囲でパニングことが可能になる。しかしながら、この構成においてペイロードを大幅に上方にチルティングすると、構造によってペイロードの視野が塞がれることがある。それ故、図示したシステム１００では、チルト及びロール移動よりも、パン移動が優先されている。しかしながら、代わりに、パン軸モータの前にチルト軸モータを支持基盤にリンクすることによって、遮るものがないチルト動作が可能になる。

さらに、配線及び接続における合併を緩和させるために、アクチュエータ及び軸構造は、特定の順番に、再配置させることができる。例えば、支持基盤２１０がハンドルのみを備えている場合、パン軸エクチュエータ２１２は、ロール軸アクチュエータ２２２と同一構造２２１に搭載することができ、これにより、パン及びロール軸アクチュエータの共通配線が相互接続されてより短くなる。

ＩＭＵ（inertial measurement unit）２５０は、ペイロード２４０の動作及びポインティング方向を監視するために、ペイロード２４０に装着される。ＩＭＵは、ペイロードの角度位置を判断し、また、角度位置は、姿勢と称する。姿勢測定は、基準フレームに対するピッチ（チルト）、ロール及びヨー（パン）から成り、基準フレームは、通常、地球表面に対して位置調整される。代替的に、姿勢測定は、支持基盤２００や、例えば撮影セット上の任意の基準位置及び／又は方向に対して行ってもよい。動作又は「旋回」の測定は、同軸におけるピッチ、ロール及びヨーの変化率の測定から成る。本開示では、度々、これらの変化率を、ピッチ（チルト）率、ロール率及びヨー（パン）率と称する。

制御素子（コントローラ）２６０は、閉ループフィードバックでアクチュエータ２１２、２２２及び２３２を操作する／作動させるために、出力ドライバ信号を提供するため、ＩＭＵ２５０によって測定された姿勢及び動作を処理する。制御素子は、外部源２７０から、目的の（所望の）カメラの定位を受信する。外部源２７０は、カメラオペレータの意向に関するデータを収集し、例えば位置角度又は旋回率といった、所望のカメラ定位を導出するためにデータを処理するか、又は、同様のものを導出するためにデータを制御素子２６０に提供するかのいずれかを行う。シングルオペレータモードでは、オペレータは、ジンバルハンドルを操作することによって、又は、親指ジョイスティック又はジンバル上の他のコントローラを利用することによって、彼又は彼女の意向を示してもよい。デュアルオペレータモードでは、リモートオペレータが、例えば無線リンクを介して、ジンバルと通信するリモートコントローラを使用することによって、彼又は彼女の意向を示してもよい。

位置角度及び／又は要求される動作上の外乱は、制御ループが正確な制御信号をアクチュエータに与えることによって、補償することができる。これらの信号によって、アクチュエータによる動作の加速、ブレーキング又は反転を行うことができる。信号は、物理的慣性モーメントに対して動くペイロード２４０の等加速度が一定値に達するような、トルク指示を表現することができる。必須ではないが、コントローラが、最高速応答（最高制御帯域）を与えつつ、オーバーシュート又は遅延なく最適な制御を成し得ることが望ましい。制御帯域内の共振又はたわみを避けるために、アクチュエータが強く、ジンバル構造が堅いことが好適である。

ある実施形態では、ジンバルは、制御可能な軸が３つより少なくなるように簡略化される。例えば、２軸ジンバルは、３番目のパン軸が機体の回転制御によって提供されるようなＶＴＯＬ ＵＡＶ（vertical take-off and landing unmanned aerial vehicle）上で使用することができる。

図３は、シングル軸のための制御システムの概要の詳細を示す。ジンバル内の他の軸に対する動作は、図３と同一又は同様の制御システムによって制御される。

図３では、支持基盤３００は、軸構造３１１に直接接続されるか、又は、例えば他の軸構造のような中間素子を介して軸構造３１１に接続される。軸構成３１１は、アクチュエータ３１２を収容し、アクチュエータ３１２は、軸の周りでそれを回転させるためにペイロード３７０に結合される。アクチュエータ３１２とペイロード３７０の結合は、例えばシャフトによるような直接結合であってもよいし、ペイロード３７０に直接接続される中間素子（複数可）を介してでもよい。アクチュエータ３１２は、軸周りの慣性モーメントに応じたペイロード３７０の角加速度を生じさせるために、ペイロード３７０に加えられる回転トルクを供給することが可能である。

図３の制御システムは、アクチュエータと出力シャフトとの間の接合角度を測定するための素子３３０をさらに備える。接合角測定手段を提供することで、例えば、摩擦トルク力を解析するために、素子３３０によって、アクチュエータとペイロードとの間の実際の角度を決定する制御システムが可能になる。どのような特定のデバイス（複数可）が素子３３０を構成するかは、異なる実施形態間で変わり、限定ではないが、抵抗ポテンショメータ、光学シャッターホイールエンコーダ、磁気ホールレゾルバ及び／又は可変磁気抵抗センサを有する歯車を含む。

アクチュエータ３１２によりペイロード３７０に印加されるトルク力に加えて、ペイロード３７０は、同一軸周りに外乱力３８０をさらに体感することがある。このような外乱力は、例えば、支持基盤３００が回転する場合、アクチュエータシャフトの摩擦から生じることがある。さらに、ペイロード３７０が軸周りでバランスがとれなければ、支持基盤３００が横方向に加速される場合に、外乱力３８０が生じることがある。

図３に示すように、ＩＭＵ３６０は、ペイロード３７０の姿勢及び動作を判断し、制御ファンクション３４０に各々の測定を出力する。ペイロード搭載ＩＭＵ３６０と制御ファンクション３４０との組み合わせは、任意の外乱力３８０を打ち消し、さらに、所望の動作及び／又は不要な乱れのない一定に設定された姿勢を成し得るための手段を提供する。

ペイロード３７０の実際の姿勢及び動作のデータに加えて、制御ファンクション３４０は、所望の動作又はポインティング指示をさらに受信し、これは、例えば、リモート制御デバイス３５１を介したリモートオペレータによる無線通信により、受信機３５２によって提供される。リモートオペレータは、ジンバルを旋回することができ、撮影の用途又は照準の用途のために、リモート画像モニタ上でフィードバックを監視することができる。これによって、一人のオペレータがジンバルを並進運動のために運ぶこと、及び、他のオペレータつまりリモートオペレータがカメラの位置角度を制御することによる、デュアルオペレータモードが可能になる。

代替的に又は加えて、例えばチルトサムホイール制御のように、オペレータがハンドルベースのジョイスティック又は回転ノブを使用してジンバルを運ぶことにより、所望の動作及びポインティング制御の両方を引き起こすことができる。ある実施形態では、図３の制御システムは、支持基盤の動作を監視することによって、旋回を指示するために、相対接合角度測定３３０を用いる。さらに、例えば、一脚、三脚、人間、車両等の別の構造に搭載されたターゲットコンピュータ又はリモートＩＭＵのような人工源から、旋回及び／又はポインティング指示が来ることも可能である。

制御ファンクション３４０の出力は、電力源３２１（例えば、充電式バッテリ）からの電流をアクチュエータ３１２と互換性のある形式に変換する電力制御ブロックによって増幅される。電力制御３２２は、好適には、再生式であり、さらに、アクチュエータ３１２のブレーキの提供及び移動するペイロード３７０からのエネルギーの回収が可能であり、これにより、電力制御３２２の効率を改善する。例えば、回転動作が一方向である場合に反回転が要求される場合、そのとき、アクチュエータ及び電力制御は、ペイロード内に貯蓄される回転エネルギーを抽出し、電力源に補充する。ある実施形態において、アクチュエータ３１２は、同じ能力で、加速及び減速を行い、完全に可逆的である。

図４は、ある実施形態に係る姿勢及び動作を判断するための基本的なＩＭＵ４００の素子を示す図である。基本的なＩＭＵ４００の簡易版は、出力として動作を提供するだけであり、姿勢測定（データ）は提供しない。このようなデバイスは、ジャイロスコープ４１０、４２０及び４３０を有し、これらの出力は、三軸加速度計４４０だけでなく、各直交軸周りの動作（旋回）によって変化する。ゼロ動作でのジャイロスコープの出力を決定するために、アルゴリズムを採用し、このアリゴリズムでは、長いタイムスケールに沿って平均をとり、さらに、長いタイムスケール上で外乱は短い期間であり実質的な動きはないと想定する。このアルゴリズムは、ゼロ動作で観察されるであろうＤＣオフセットを減算するためのハイパスフィルタを形成する。ＤＣオフセットは、時間の経過と共に変化することがあり、例えば、デバイス温度の差及び劣化に起因して変化する。

光学的ジャイロスコープが体験するゼロ動作でのドリフトは、長いタイムスケール上では非常に小さい。しかしながら、それらは、一般的に高価で重く、従って、手持ちのポータブル安定化デバイスに通常は適さない。光学的ジャイロスコープの代替として、低コストのＭＥＭ（micro-electro-mechanical）デバイスをＩＭＵセンサとして使用することができる。ＭＥＭデバイスは、完全に集積され、簡単なデジタル又はアナログインターフェースを提供する電子部品を駆動するための全ての管理回路素子を含む。単一構成要素によって、複数の軸を検出することができ、非常にコンパクトなセンサ及びＩＭＵが可能となり、これにより、ペイロード上の最適な配置が可能になる。しかしながら、このような低コストのＭＥＭデバイスは、温度の差及び劣化に起因して、時間の経過と共にドリフトが発生することがある。さらに、それらには、例えば光学的ジャイロスコープのような、より大きくより高価な設計のものよりも、典型的には、高いノイズ（ランダムウォーク）がある。

より低コスト／サイズのセンサを有するＩＭＵ４００の正確性を保証するためには、低コスト／サイズのセンサのドリフトが補償され、頻繁に更新される必要がある。この目的のために、ある実施形態では、ＩＭＵ４００は、三軸加速度計４００を有し、これにより、重力に関する加速度を測定することで、ピッチ及びロール姿勢を導出する。その後、これらの姿勢測定は、ジャイロスコープ４１０、４２０及び４３０のドリフトを補正するために用いられる。特に、加速度計によって導出されたピッチ及びロール姿勢が一定である場合、そのとき、各ジャイロスコープは、ゼロ率を登録すべきであることが推定される。

さらに、ジャイロスコープから決定された角運動を積分することによって、姿勢をジャイロスコープからさらに導出することができる。より具体的には、姿勢の変化は、開始点から終点への運動における角度率において、増加を必要とし、その後、減少を必要とする。角度率の曲線（通常は数値）を積分することによって、回転角を導出することができる。例えば台形、ルンゲ・クッタ（Runge-Kutta）及びシンプソン（Simpsons）のような、積分法を採用してもよく、また、これらは、要求された正確性及び／又は利用可能な処理リソースを提供するために使用される。積分は、制御ループ全体と同一基準で、同一間隔で周期的に実行され、例えば、４００〜５００Ｈｚで実行される。ジャイロスコープの積分により導出された配向角度は、地球の重力を参照する三軸加速度計によって直接検出された角度と比較される。周期的な補正が、２つの測定間の差を最小化するために適用される。

較正された加速度計は、ドリフトするジャイロスコープよりも、長いタイムスケール上でより正確な読み取りを提供するため、加速度計の読み取りは、ジャイロスコープのバイアス及びスケールを補正するために使用される。バイアスは、ゼロ動作の場合における誤差として設定され、定数回転オフセット（起こらなかった動作を推定する）として使用される。スケールは、ジャイロスコープ由来の偏向の大きさの誤差として設定される。従って、動作（角度率）及びポインティング方向（姿勢）のための正確で補償された読み取りを導出するために、センサ融合アルゴリズム４５０を構成することが可能であり、例えば、カルマンフィルタ及び４次元角表示を構成することが可能である。一般的に言えば、センサ融合アルゴリズム４５０は、ジャイロスコープ４１０、４２０及び４３０からの読み取りを行う高帯域幅を得て、加速度計４４０からの読み取りを行う低帯域幅を使用し、それらの正確性を高める較正を行う。センサの２つの種類は相補的であり、これらの組み合わせは、しばしば、相補フィルタと称するものによって行われる。異なる多数のセンサの構造／組み合わせが可能である。

ここに記載されるように、ＩＭＵ４００は、概して、制御の解決策を提供する異なる種類のセンサの組み合わせを経て、動作及び姿勢の十分に信頼性の高い測定を導出することが可能である。しかしながら、センサを組み合わせることによって、より安価、より小さいセンサの不正確による影響を軽減するが、より複雑な動作中に、正確性の問題が生じることがある。例えば、ジンバルがコーナーを曲がる移動車両によって運ばれる場合、記載したＩＭＵ４００は、重力加速度のために半径方向の加速度を誤ることがあり、従って、ペイロードに導入されるロール動作によって、ペイロードの動作を誤って評価する。このようなペイロードへのロール動作の誤った導入は、特に望ましくない。なぜなら水平線からの水平線のずれは、映画撮影で易々と人目を引くためである。

図５は、ある実施形態に従う、拡張されたＩＭＵ５００を示す。ＩＭＵ４００と同様に、ＩＭＵ５００は、各直交軸周りの動作（旋回）に従って出力が変化するジャイロスコープ５１０、５２０及び５３０と、三軸加速度計５４０とを有する。しかしながら、ＩＭＵ４００とは異なり、ＩＭＵ５００は、横方向又は半径方向の加速度において、ＩＭＵの性能を改善する追加センサをさらに有する。これらの追加センサは、ジンバルの実際の進行方向、位置及び速度を導出するために使用することができる三軸コンパス５８０及びＧＰＳシステム５７０を有することができる。実際の進行方向は、重力ベクトルと公知の地球磁気ベクトルとを比較することにより得られる。これらのベクトルを解析することによって、進行方向ベクトルが得られ、その後、ヨー軸ジャイロスコープ５３０のドリフトを補正するために使用される。進行方向ベクトルによって、ジャイロスコープにより得られたデータを比較するための固定基準がＩＭＵ５００に提供される。ＩＭＵ４００は、このような基準を備えず、ジャイロスコープのオフセットバイアスを推定するために長期間の平均法に頼っていた。さらに、東及び北方向のＧＰＳ由来の速度が、加速値を得るために進行方向ベクトルと共に検出され、この加速値を、半径方向にジンバルが移動することに基づいて誤りが生じる測定及び／又は重力加速度を補正するために使用することで、横方向のドリフト問題が解決する。

より具体的には、加速度計５４０から読み取られた加速度は、速度を導出するために積分され、その後、他のカルマンフィルタ構造を使用するＧＰＳ由来の速度によって、比較及び補正される。これらの速度をさらに積分して、ＧＰＳ位置へのさらに別のカルマンフィルタと比較してもよい。最終結果は、加速度の積分及びＧＰＳから読み取られたより遅いセットによる補正を使用して導出された、位置及び速度の高帯域幅測定である。これらの高帯域幅の読み取りは、例えばカメラのポインティング角度の自動補正といった、ジンバルのより高次な機能を可能にするために利用することができる。加速度計の読み取りは、ジャイロスコープと同様に、ゼロバイアスドリフトを除去する上述の処理によって補正され、正確な重力基準ベクトルの導出を有効にし、半径方向の加速度による影響を受けないようにする。

ある実施形態において、ＩＭＵ５００は気圧センサ５６０を有し、これにより、ＩＭＵ５００による追加的な高さの変化（姿勢）情報の導出が可能になる。特に、気圧計ベースの高さの変化情報は、ＧＰＳベースの高さの情報よりも、より正確な傾向がある。気圧計は、約５ｃｍの精度で高さを検出する。しかしながら、ＧＰＳセンサは、２．５ｍＣＥＰ（circular error probable）のだけの精度で高さを検出する。なぜなら、ＧＰＳ信号は、環境及び反射干渉現象を受けやすく、加えて、衛星配置が定期的に変化するためである。ＧＰＳは、長期間の正確なデータを提供することができるが、それらは、例えば数秒間のような、短時間フレーム上ではドリフトする。ＩＭＵ５００において、気圧センサ５６０により導出される測定は、その後、上述のようなＧＰＳデータと同様の方式で、カルマンフィルタを使用する加速度計５４０により導出される測定と融合される。ＧＰＳ由来のデータは、より長期間の補正を提供するために、気圧データとさらに融合してもよく、例えば、風又は天候によって、空気圧が局所的に変化する場合に行ってもよい。

図２に関して上述したように、ある実施形態では、ペイロードを回転させるためのアクチュエータは、ＤＣモータである。図６は、ある実施形態に係る、ＤＣモータ６００を制御するための電力制御システムの一例を示す。４つのスイッチ（スイッチＳ１ ６０１、スイッチＳ２ ６０２、スイッチＳ３ ６０３及びスイッチＳ４ ６０４）を含むブリッジは、例えばバッテリ６１０のような電源から、モータ６００へ可逆の電流を提供するために配置される。ある実施形態において、これらのスイッチは、例えばＢＪＴｓ（bipolar junction transistors）又はより一般的なＮＭＯＳＦＥＴｓ（N-type metal-oxide-semiconductor filed-effect transistors）といった、トランジスタである。図６の配置において、スイッチＳ１ ６０１及びＳ４ ６０４が閉じている場合、モータ６００は、順方向に駆動し、一方、スイッチＳ３ ６０３及びスイッチＳ２ ６０２が閉じている場合、モータ６００は、逆方向に駆動する。モータ６００が、例えば前進のような動作状態にある場合、逆回転を引き起こすスイッチの反転によって、物理的な反転が起こるまで、ダイナモ効果により電源に戻る回生制動が効果的に適用される。

ある実施形態において、減衰オーバーシュートの最小化及び最速応答時間という制御特性を成し遂げるために、電流はモータを経て調整される。特に、要求する方向への他のスイッチと併せていずれか一つのスイッチのデューティサイクルを変調することにより、パルスの平均化をモータの自己インダクタンスとの組み合わせで成し得ることができ、これにより、平滑に印加された電圧及び電流を低減する。例えば、５０％のデューティサイクルの実装では、モータ６００に印加され要求されるバッテリ電圧は半分になるだろう。ある実施形態では、ＰＷＭ周波数は、高スイッチング損失を与えず、モータインダクタンスに応じた平滑電流に近づける割合に設定する。さらに、可聴範囲より上の周波数に設定することで、磁気構築（magneto-construction）ノイズ、言い換えれば、サウンドトラックの汚染を低減又は除去することができる。

ＮＭＯＳＦＥＴｓスイッチのゲート駆動の生成は、典型的にはローサイド電力レール上でより容易である。従って、ある実施形態では、ボトムスイッチＳ２ ６０２及びＳ４ ６０４は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）を使用してスイッチングされる。トップスイッチＳ１ ６０１及びＳ３ ６０３が、ＰＷＭスイッチＳ２ ６０２及びＳ４ ６０４と併せて、モータ６００の方向を選択する一方で、インバータ６６２は、スイッチＳ１ ６０１及びＳ３ ６０３によって一方向のみが論理的に選択されることを保証する。所望の駆動電流及び方向を成し遂げるために、マイクロプロセッサ６４０は、ＰＭＷパルスを生成し、それらを調整する。電流は、例えばホール素子と対になるシャント抵抗のような電流モニタ６２０を経て監視してもよく、その後、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）６３０を使用してマイクロプロセッサ６４０に供給してもよい。

ある実施形態において、モータ６００は、過熱又は焼損することなく、ストール状態で動作するように設計されており、持続的なトルクが可能である。これは、許容可能な電流でモータ６００全体に印加することができる全電源電圧まで抵抗が増加するように、十分な数の巻き線でモータ６００を巻くことによって、成し遂げることができる。これは、最大トルク状態であり、より低い電流で磁気効果を増幅させる多数の巻き線を可能にする。

ＰＷＭ上の０〜１００％のデューティサイクルが全トルク範囲に一致するように、モータ６００を電源電圧に合せることが好適である。これにより、多数のワイヤ巻き線によるより高いインダクタンスに起因するＰＷＭ信号の誘導性の平滑を提供することができる。同時に、安定化システム内のモータ動作は典型的に短いため（通常、１秒未満）、高巻き線モータの巻き取りによる大きな背後の電磁場（ＥＭＦ）によって、著しく有害な効果を引き起こす可能性は低い。

ある実施形態において、ＰＭＷスイッチは、補完的な方式で動作する。例えば、スイッチＳ３ ６０３が一方向の動作のために通電される場合、そのとき、スイッチＳ１ ６０１がオンの場合はスイッチＳ２ ６０２をオフにしつつ、スイッチＳ１ ６０１がオフの場合はスイッチＳ２ ６０２をオンにするように、スイッチＳ１ ６０１及びＳ２ ６０２は、ＰＷＭによって互いに補完的にスイッチングされる。この構成は、マイクロプロセッサから追加のＰＷＭ出力を必要とするが、例えば、Ｎ−ＦＥＴスイッチのボディダイオードの使用（これは、言い換えれば、より大きな電圧ドロップを引き起こすことがある）よりも、能動的なフライホイールによって、効率の改善をさらに提供する。この構成において、（能動的フライホイールの期間中に）補完的なＮ−ＦＥＴがオン状態になった場合、これにより、抵抗は低くなり、典型的な電流では、電圧ドロップは、０．１Ｖ未満になるだろう。

静寂又は無音及び平滑な駆動を提供するために及び／又は撮影サウンドトラックを汚染する磁気構築ノイズを排除するために、ＰＷＭは、一般的に、より高い周波数で動作するように設定される。例えば、ある実施形態では、ＰＷＭ周波数は、典型的な可聴周波数範囲外で、つまり、２０ｋＨｚより高く設定される。

ある実施形態において、アクチュエータは、三相（3-phase）ＢＬＤＣ（ブラシレスＤＣ）モータである。このようなモータは、一般的により効率的であり、二相モータよりも高いトルクを達成することが可能であり、基本的なＤＣモータのように整流子ブラシの過熱によって限定されない。図７は、三相ＢＬＤＣモータ７００を制御するための電力制御システムの一例を示す。

三相ブリッジは、６つのスイッチＳ１ ７０１、Ｓ２ ７０２、Ｓ３ ７０３、Ｓ４ ７０４、Ｓ５ ７０５及びＳ６ ７０６によって提供される。モータ７００は、位置の角度フィードバックを提供するレゾルバ７６０を監視することによって、整流化される。レゾルバ７６０と併せたスイッチペアの６ステップ整流シーケンスを用いた順又は逆動作を成し遂げるように、モータ７００内のコイルへの通電は配置される。レゾルバ７６０は、光学的、抵抗又はホールベースのデバイスであってよく、レゾルバコードを成し遂げるために、３つの出力を有してもよい。

図７の電力制御システムの残りの構成要素は、上述の図６の電力制御システムの構成要素と同様に動作する。特に、バッテリ７１０は、７０１〜７０６の６つのスイッチに電力を提供する。電流は、電流モニタ７２０によって監視され、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）７３０を使用してマイクロプロセッサ７４０に供給される。マイクロプロセッサ７４０の出力Ａ´７７１、Ｂ´７７２及びＣ´７７３は、トップスイッチＳ１ ７０１、Ｓ３ ７０３及びＳ５ ７０５に接続され、その一方で、マイクロプロセッサ７４０からのＰＷＭ信号が、ボトムスイッチＳ２ ７０２、Ｓ４ ７０４及びＳ６ ７０６に供給される。

モータ６００及び７００と、図６及び７のそれらの制御のための電力制御システムとは、それぞれ、説明目的のみで記載されることに留意されたい。物理的及び／又は商業的な要求に応じて、他の種類のモータ及び電力制御システムを使用することができる。例えば、モータは、磁石形状の性質による所定直径において、より大きなトルクを成し得るために、アウトランナ（out-runner）のように構成してもよいし、又は、モータは、所定サイズにおいて、より大きなトルクレベルを成し得るために、ハルバッハ配列（Halbach array）方法に基づくエキゾチカ（exotica）磁石配列のパンケーキ（pancake）であってもよい。ここに記載される実施形態の実装に適したモータのさらなる例は、従来の誘導機である。

図８は、閉ループ制御を達成するための簡単なフィードバックループを示す。ＩＭＵ８５０は、ペイロード８４０の例えば角度率のような動作を決定する。ＰＩＤ（proportional-integral-derivative）率制御素子８１０で、ペイロード８４０の測定された角度率は、電力制御素子８２０に「セットトルク」指示を出力するために、入力として提供される所望の旋回（動作）率と比較される。電力制御素子８２０は、アクチュエータ８３０に、駆動電流を提供し、これにより、ペイロード８４０を所望の方向へ加速させるトルクが加えられ、これは、再度、ＩＭＵ８５０によって測定される。結果として、このループは、閉フィードバック内となる。所望の旋回率に一致しない動作は、誤差として増幅され、補償制御信号が電力制御素子８２０及びアクチュエータ８３０に提供される。

図８において、制御ループは、角度の変化よりも、動作の変化の検出に依存する。従って、姿勢を新たな位置へ揺さぶる外乱がある場合、図８の制御ループは、各位置の変化を補正することができないだろう。

さらに、遅い動作制御中、摩擦及び静止摩擦が動作と干渉することがあり、運動の速度が一定にならないことがある。これは、特に、微妙な制御が要求される焦点距離の長いレンズで撮影している間は、望ましくないだろう。さらに、より安価でより小さいＭＥＭセンサを使用している場合、センサの出力は、決定された率においてランダムウォーク及びノイズを受けることがあり、これによって、信頼性の低いドリフトにより性能に目に見えるほどの影響を受けることがある。

図９は、上述の問題の一部に対処するための角度制御ループを有する拡張された制御ループを示す。図８の制御ループと同様に、図９において、ＰＩＤ率制御素子９２０は、ＩＭＵ９６０からペイロード９５０の検出した角度率のみならず、入力として所望の動作率を受信する。その後、ＰＩＤ率制御素子９２０は、電力制御素子９３０への入力としてトルク値を設定し、電力制御素子９３０は、続いて、トルク値を達成するためにアクチュエータ９４０に要求される駆動電流を設定する。しかしながら、図８の姿勢制御ループとは異なり、図９の制御ループでは、動作を考慮することに加えて、ペイロード９５０の所望の（指示）及び検出（測定、導出）角度をさらに考慮する。より具体的には、Ｐ（proportional）角度制御素子９１０は、ＩＭＵ９６０により決定されたペイロード９５０の検出角度とともに、ペイロード９５０のための所望の角度を入力として受信する。その後、Ｐ角度制御素子９１０は、所望の角度をもたらす動作のための割合を設定する。比例ループは、所望の角度と測定角度との間の誤差を検知し、この誤差を最小限に維持することを目指す。この方式では、摩擦、静止摩擦及びランダムウォークに起因する誤差は、主要な制御変数の絶対的姿勢により、効果的に打ち消される。

カメラの方向を制御するための典型的なジョイスティックは、ジョイスティックの位置に基づいて、旋回率を決定する。図９の制御ループは、所望の旋回率よりむしろ、入力として角度を取得するため、ジョイスティックの旋回率出力は、好適な角度に変換すべきである。図１０は、旋回ベースの入力を取得するように図９の制御ループを適合させた方式を示す。例えばジョイスティックのような、制御入力からの所望の旋回率は、サンプルホールド素子１０２０において頻繁な間隔でサンプリングされる。この頻繁な間隔は、例えば、クロック１０１０によって決定される。ある実施形態では、頻繁な間隔は、４００Ｈｚと５００Ｈｚとの間で設定される。しかしながら、この範囲は例示的であり、頻繁な間隔は、４００Ｈｚ以下又は５００Ｈｚ以上であってもよい。

その後、サンプリングされた旋回率は、積分器１０３０で一定周期を用いて積分され、これにより、ポインティング角度において一定の変化が出力される。このポインティング角度における変化は、旋回の模倣物であるが、密接に関連した順次異なるポインティング指示の実際の数となる。これらの変化するポインティング角度は、Ｐ角度制御１０４０に送信され、Ｐ角度制御１０４０は、ＩＭＵ１０９０により決定されるようなペイロード１０８０の検出角度をさらに受信する。Ｐ角度制御１０４０は、所望の角度をもたらす動作のための速度を設定する。その後、それは、運動の要求速度をＰＩＤ率制御ユニット１０５０に送信し、さらに、ＰＩＤ率制御ユニット１０５０は、ＩＭＵ１０９０からペイロード１０８０の検出角度速度を受信する。ＰＩＤ率制御１０５０は、電力制御１０６０への入力としてトルク値を設定し、次に、トルク値を達成するために、アクチュエータ１０７０のための要求駆動電流を設定する。

図１１は、図８に示す速度制御システムと図１０に示す角度旋回制御システムとの間の性能の違いを示す。グラフ１１１０は、速度制御システムにおける経時的な角度の変化を示し、ここでは、機械的な静止摩擦及びセンサのランダムウォークが、所望の平滑旋回１１１２から生じる旋回１１１１にずれをもたらしている。グラフ１１２０は、角度旋回制御システムにおける経時的な角度の変化を示す。図示のような実際の動作１１２１は、グラフ１１１０の対応する動作１１１１よりも、より平滑化している。これは、姿勢（又は角度）ループが、不安定な誤差を自動的に補償し、拡大部分１１２５に図示するような小さいステップに関連する目立たないリップルのみを残すためであり、ここで、実際の動作１１２６は、所望の動作１１２７から小さいステップでずれている。例えば、５００Ｈｚにおいて１０°／ｓの旋回は、ステップ当たり０．０２°のみのステップを要求し、非常に平滑な運動の外観をもたらす。

ある実施形態において、例えばジョイスティックを介して提供されるオペレータ指示のような入力指示は、所望の制御効果をもたらすために、変更又はフィルタリングすることができる。例えば、オペレータは、入力信号のジャーキネスを低減させ、一定運動期間に続いて、動作の緩やかな開始、その後、動作の緩やかな停止を望むことができる。このような効果を、手動で達成することは難しいかもしれない。図１２は、ループにフィルタを導入することにより制御ループで受信した入力を改善又は改良する方式を示す。

特に、図１０に示すように、図１２において、サンプルホールド素子１２２０は、クロック１２１０により決定した周波数で所望の旋回率をサンプリングする。しかしながら、サンプリングされたレートが積分器に直接入力される図１０とは異なり、図１２では、サンプリングされたレートは、フィルタリングのための加速度フィルタ１２３０に入力され、その後、フィルタリングされた信号のみが、積分器１２４０で積分され、これにより、制御ループの他の部分の角度が設定される。グラフ１２５０は、可能な応答曲線１２５１を示し、より望ましく、より平滑な結果をもたらすために、どのようにして入力旋回率をフィルタリングすることができるかを示す。

ある実施形態において、フィルタ１２３０は、長さ、記憶又は周期的なサンプルを有する、対称非因果的な最小二乗フィルタ（ウィーナフィルタに類似）に基づく。サンプリングされた新しい各レートは、フィルタに導入され、これにより、フィルタは、シフトバッファとして作用する。フィルタ１２３０は、直線フィットを使用し、線フィットの中点での値を取得する。バッファが類似のサンプルで満たされている場合は、フィットは、所望の（指示の）入力値である。例えば、バッファが２０個のゼロで満たされ、１０°／ｓ値の新しいサンプルが導入される場合、そのとき、最小二乗フィットの傾きは、浅くなり、要求値の過小評価の中点を与える。しかしながら、バッファが１０°／ｓの値を有する２０のサンプルで満たされている場合、そのとき、スロープは、平らになり、指示のような、１０°／ｓの投影された中点を与える。バッファが類似のサンプルで満杯の中間である場合、フィットの傾きは、正又は負であり、加速又は減速（指示入力に対する指示出力）の方法で変化する。フィルタ２３０は、動作を指示しない過去のサンプルと、動作を指示するより最近のサンプルとの混合物を使用することができる。一度、フィルタ２３０が、一定の入力値でフラッシュされれば、出力も一定になり変化しない。動作が停止するように指示された場合、そのとき、フィルタは、ゆるやかにフラッシュし、出力にゼロを与えるようになる。フィルタの平滑化は、所望の特性を有し、これは、フィルタの長さを改良することによって、調整することができる。他方、例えばサビツキーゴーレイ（Savitzky-Golay）又はＦＩＲベースのような、より数値的に効率的なフィルタをフィルタ１２３０として採用することもできる。

図１３は、ある実施形態に係る、デジタルＰＩＤ制御ループのより詳細なブロック図を示す。測定されたＩＭＵ角度率及び角度は、クロック１３１１により決定された制御ループのチック率(tick rate)で１３１０においてサンプリングされホールドされる。ある実施形態では、制御ループのチック率は、アクチュエータへの駆動更新に感応する。測定された角度と所望の設定された角度との間の差は、１３２０で計算され、さらに、内側ループのための設定率指示を生成するために、結果として生じる誤差には、１３２２により角度ループＰ（proportional）ゲイン１３２１が乗算される。

乗算器１３２２からの設定率指示は、１３３０で測定されたＩＭＵ角度率１３１０から減算され、結果として生じる誤差には、１３３２により内側Ｐ速度ループゲイン１３３１が乗算される。同一の誤差が、１３４０で積分され、１３５０で各クロック更新において微分され、ここで、積分器１３４０の出力には、１３４２により積分（Ｉ）ゲインセッティング（定数）１３４１が乗算され、その一方で、微分器１３５０の出力には、１３５２により微分（Ｄ）ゲイン定数１３５１が乗算される。これらの３つの乗算器１３３２、１３４２及び１３５２の結果は、集約装置１３６０で加算され、内側速度制御のためのＰＩＤループを形成する。

ある実施形態において、集約装置１３６０の出力は、飽和（例えば、あまりに多くのトルクを要求すること）の潜在的な問題を低減するために、制御リミッタ１３７０でクリップされる。出力は、選択フィルタ１３８０を経て供給することもでき、選択フィルタ１３８０は、ＦＩＲ（finite impulse response）及びＩＩＲ(infinite impulse response)技術に基づくデジタルローパスフィルタ又はノッチフィルタである。フィルタ１３８０は、一般的に、構造共振に関連する問題を軽減するように構成され、そうでなければ、制御ループ応答を乱す可能性がある。例えば、フィルタ１３８０は、制御不安定点の前にカットオフするか、又は、機械的な共振を引き起こす可能性がある周波数における高Ｑピークをノッチで除くような構成としてもよい。ある実施形態において、速度リミッタ（図示せず）は、旋回率を制限するために（乗算器１３２２からの設定率指示）、外側制御ループに含まれる。集約装置１３６０の出力は、アクチュエータに電力供給を行い、運動を引き起こす制御出力に最終的に到達する。

ある実施形態において、ＰＩＤループのゲインセッティング１３２１、１３３１、１３４２及び１３５２は、調整可能である。この方式では、最小限のオーバーシュート及び最速応答となる所望の制御応答が、不安定性なしに、達成及び／又は調整することができる。Ｐゲインは、外乱誤差を低減するために、全体のループゲインを設定する。Ｉゲインは、長いタイムスケール上の小さな誤差のための精度を設定し、これにより、効果的に時定数を設定する。Ｉゲインによれば、有限の誤差を絶対に打ち消すことができる。Ｄゲインは、ある予測出力を設定し、これは、特に速い動作で助けとなり、また、一般的には、速度応答を改善するために使用される。ある実施形態では、制御ループは、２つのＰループのみに基づく。しかしながら、ある他の実施形態では、Ｉ及びＤゲインは、性能向上のために導入される。

図１４は、ペイロードのチルト角度を制御するためのシングル軸安定化制御プロセス１４００を示し、ペイロードは、例えば、能動的安定化システム（ジンバル）に収容されているカメラ１４１０である。プロセス１４００は、ブラシレスＤＣモータ１４２０を使用してカメラ１４１０のチルト角度を制御し、ＩＭＵ１４３０により得られた測定を基に要求される調整を決定する。ＩＭＵ１４３０は、カメラ１４１０の位置及び速度を検知（測定、決定、提供、駆動等）できるように、カメラ１４１０のボディに搭載され、さもなければ、カメラと同じ位置（例えば、カメラヘッド上）にある。図９において詳細に説明したように、このようなＩＭＵは、ＧＰＳ、三軸加速度計、三軸ジャイロスコープ、三軸コンパス及び気圧計を備え、ＩＭＵ１４３０によってカメラに関連する三次元（３Ｄ）位置及び並進速度を正確に導出することを可能にするセンサ融合アルゴリズムを組み込む。ある実施形態では、ＩＭＵにより取得された測定は、ｃｍ及びｃｍ／ｓの精度である。

ＩＭＵ１４３０は、固定された更新レートで測定を更新する。しかしながら、すべての測定を同一レートで更新する必要はない。例えば、加速度計により検知されるデータから導出される測定は、ジャイロスコープにより検知されるデータから導出されるレートとは、異なる更新レートであってもよい（例えば、それぞれ、１６０Ｈｚ及び５００Ｈｚ）。従って、異なるＩＭＵセンサに対して更新レートが異なる場合、より低い更新レートに対応するシングル測定は、より高い更新レートに対応する別の測定と組み合わせて使用してもよい。

ＩＭＵ全体及びその構成要素で採用される更新レートは、一般的に、技術特性及び／又はＩＭＵ構成要素の要求、所望の精度、計算特性、計算要求及び／又は同様のものに依存する。例えば、典型的なＭＥＭベースのジャイロスコープは、１ｋＨｚより上の読み取りを提供することができる。さらに、ジャイロスコープの測定（例えば、４００〜５００Ｈｚ）を取得するよりも、加速度計の測定（例えば、１６０Ｈｚ）を取得するために、より低い更新レートを用いることによって、ＩＭＵが両方のセンサから信頼性の高い測定を導出することが可能になり、さらに、計算を実行しないことにより、計算電力及びメモリを節約することが可能になり、そうでなければ、ＩＭＵの信頼性又は正確性は改善しないだろう。さらに、小さいジンバル構造は、より大きな慣性減衰を有する、より大きく重いユニットよりも、より速い制御を要求することができる。より良い平均を可能にするために、読み取りのより多くの数をサンプリングすることで達成される精度は、外乱ノイズ内の成分と成り得る周波数より大きい制御帯域幅に対しバランスを取ることが要求されるかもしれない。しかしながら、ある状況下では、例えば５０Ｈｚのような、より低い速度で達成される制御は、例えば、車両に搭載される能動的安定化システムにおいては十分である。

安定化制御プロセス１４００は、比例−積分−微分（proportional-integral-differential）制御技術に基づく閉ループ電気機械的なフィードバックを採用する。カメラ１４１０のチルト角度（姿勢）及びチルト率（動作、旋回）の両方は、チルト角度の更新を決定するために考慮される。安定化制御プロセスは、角度誤差を補正するための外側ループと、制御誤差を補正してチルト動作を安定化させるための内側ループとの２つのネスト化したループを有する。

外側の角度ベースループは、Ｐ制御素子１４４０を有し、Ｐ制御素子１４４０は、ＩＭＵ１４３０により検出されるような、カメラ１４１０のチルト角度１４３４を入力として受信し、さらに、カメラ１４１０のための指示チルト角度１４４４を受信する。指示角度１４４４は、一般的に、その時の実際又はリモートのカメラオペレータの意図を判定する。より具体的には、指示チルト角度１４４４は、例えば親指ジョイスティックのような制御デバイスを介してカメラオペレータにより、リモートリンクを介したリモートオペレータにより、設定することができ、又は、オペレータが例えば図１のハンドル１１３のようなジンバルハンドルを持ち上げたり操作したりすることにより表現されるカメラオペレータの意図から導出することができ、さらに、ジンバル接合角度に基づき決定することができる。Ｐ制御素子１４４０は、コマンドと測定チルト角度とを比較し、指示チルト角度をもたらすだろう動作のための指示チルト率１４４６を設定する。特に、Ｐ制御素子１４４０は、指示１４４４と測定チルト角度１４３４との間の誤差を検知し、比例ゲイン定数により誤差を増幅し、増幅した誤差を内側ループに供給し、これにより、角度誤差が最小になる。

内側の率ベース閉フィードバックループは、ＰＩＤ制御素子１４５０を有し、ＰＩＤ制御素子１４５０は、ＩＭＵ１４３０により検出されるような、カメラ１４１０のチルト率１４３６を入力として受信し、さらに、Ｐ制御素子１４４０により設定されるような、指示チルト率１４４６を受信する。ＰＩＤ制御素子１４５０は、制御誤差を検出するために、２つのチルト率を比較し、ブラシレスＤＣモータ１４２０（又は他のアクチュエータ、例えば、モータ、ギアボックス、ベルト減速ドレイブ等）の動きを制御するための制御信号１４５２（例えば、トルク値）を設定するために、比例、積分及び微分定数を使用して増幅する。特に、ＰＩＤ制御素子１４５０の出力は、閉ループフィードバック回路を形成するために、駆動出力素子１４６０を経てブラシレスＤＣモータ１４２０供給され、これにより、ブラシレスＤＣモータ１４２０の加速、減速（ブレーキ）又は反転運動がもたらされる。駆動出力素子１４６０は、モータ１４２０に三相電流を出力し、三相電流を正確に制御してモータの位相角に応じるために、角度レゾルバ１４７０と共にローカル制御ループを形成する。ある実施形態において、駆動出力素子１４６０の出力は、ジンバルのチルト回転を加速／減速するために、モータ１４２０により生成されるトルクを効率的に制御する。

一般的に、安定化制御プロセスは、安定化コントローラ１４００による離散制御の決定を有効にするために、固定された更新レート（例えば、４００Ｈｚ）を有する。しかしながら、更新レートは、能動的安定化ジンバルの具体的な設計に応じて、より遅く又はより速くすることができる。さらに、ある実施形態では、安定化制御プロセス１４００は、デジタルであり、ソフトウェアを用いて実装される。

特定用途に応じて、安定化制御プロセス１４００は、チルト、ロール及びパン軸の各々のために採用されるサーボモータのチルト、ロール及びパン軸の一部又は全てのために複製される。各軸のために安定化制御プロセスにより発せられる指示に応じて、これらのモータは、カメラのポインティング方向への外乱を補正するために動作し、各軸において一定のポインティング角度（姿勢）を維持するように自動的に動作する。

従って、能動的に安定化されたカメラのジンバルは、カメラのポインティング方向への外乱を自動的に補正し、能動的安定化コントローラに供給されるジャイロスコープフィードバック及び指示姿勢に基づき、カメラの一定のポインティング角度を維持する。カメラオペレータが、カメラの位置を移す又は動かすことが可能な間、リモートオペレータは、典型的には、例えば、ジョイスティック又は他のコントローラを使用して、リモートリンクを介し、カメラのポインティング方向（パン、チルト及びロール角度／速度）を変化させることが要求される。これは、２つのオペレータが、同時に、ジンバル（カメラ）を移して向けなければならない。従って、撮影を成功させるには、移動ルート及びカメラのポインティング計画をそれぞれ制御する場合、カメラオペレータとリモートオペレータとの間の注意深い協力が要求される。このデュアルオペレータ制御配置は、それを補助するために採用される複数の無線送信機、追加機器及び供給源により、さらに複雑になる。代替的に、カメラオペレータ彼自身又は彼女自身が、ハンドヘルド能動的安定化システム上の親指ジョイスティック又は他のコントローラを使用して、所望の角度を設定することができるようにしてもよい。しかしながら、デュアルオペレータアプローチと同様に、このシングルオペレータ制御アプローチは、ジンバルの操縦を損なうことがあり、所望結果を一貫して達成するために使用することは困難である。

この問題に対処するために、ある実施形態において、能動的安定化コントローラは、カメラオペレータが、回転、チルティング、パニングにより、又は、能動的安定化の利益を損なうことなくカメラのパン、チルト及びロールの各動きを可能にするために、例えばジンバルハンドル（複数可）のような操縦部材を使用することでジンバル支持基盤を移動することにより、カメラのポインティング方向を操縦することを可能にするように適合される。さらに、ある実施形態では、能動的安定化システムは、例えば車両、人間、動物及び同様のもののような移動物体に搭載してもよい。このような実施形態では、回転運動が移動物体の運動によりもたらされるために、カメラとの回転関係にあるジンバルフレームのいずれかの構成要素は、操縦部材として機能することができる。

図１５は、図１４に関して記載した安定化制御プロセスのような、シングル軸（チルト軸）能動的安定化コントローラ（制御プロセス）のある実施形態に係る適切な修正を示し、ここでは、カメラオペレータが、例えばジンバルハンドル（複数可）のような操縦部材１５２２を回転（操縦、移動等）することにより、能動的に安定化したカメラ１５１０のポインティング方向を操縦又は変化させることが可能になる。同様の修正は、カメラのパン角度を制御するためのパン軸能動的安定化コントローラ及びカメラのロール角度を制御するためのロール軸能動的安定化コントローラにおいても行うことができる。

より具体的には、安定化制御プロセス１４００と同様に、能動的安定化制御プロセス（コントローラ）１５００は、２つのネスト化したループ（外側角度ベースループ及び内側率ベースループ）を実装する。図１４のように、内側率ベースループは、ＰＩＤ制御素子１５５０により制御されるＰＩＤループである。ＰＩＤ制御素子１５５０は、ＩＭＵ１５３０により検出されるようなカメラ１５１０のチルト率１５３６を受信し、それを、制御誤差を検出するために外側角度ベースループにより決定及び提供されるチルト率１５４４と比較する。ＰＩＤ制御素子１５５０は、ブラシレスＤＣモータ１５２０の動きを制御するための制御信号１５５２を設定するために、比例、積分及び微分定数（パラメータ）を使用して制御誤差を増幅する。その後、ＰＩＤ制御素子１５５０の出力は、閉ループフィードバック回路全体を形成するために、駆動出力部１５２２を経て、ブラシレスＤＣモータ１５２０に供給され、これにより、ブラシレスＤＣモータ１５２０の加速、減速（ブレーキ）又は反転運動がもたらされる。

しかしながら、例えばリモートオペレータから「設定点」として受信したカメラの測定チルト角度１４３４及び指示チルト角度１４４４に基づいて外側制御ループを実行する図１４の安定化コントローラとは異なり、安定化コントローラ１５００の外側角度ベース制御ループは、代わりに、操縦部材１５２２とカメラに搭載されたＩＭＵ１５３０との間の接合角度のために、接合角度の測定を行う。このような測定は、アクチュエータのシャフトレゾルバ出力１５２６から取得することができる。接合角度測定に基づいて、操縦部材１５２２の回転に対応するカメラのポインティング方向の操縦を可能にするために、コントローラ１５００の角度ベースループは、チルトにおいて接合角度が効率的にゼロとなるように構成される。これにより、カメラのポインティング（チルト）角度が効率的に接合（チルト）角度と同様になる場合、能動的安定化コントローラは、安定して収束する。従って、外側ループの制御素子１５４０は、例えば、アクチュエータ１５２０の内部レゾルバにより提供される、ゼロ指示角度１５６４及びウインドウ接合角度測定１５６２を入力として受信する。

さらに、ある実施形態では、コントローラ１４００の角度ベースループと同様に、コントローラ１５００の角度ベース制御ループはＰ制御スープであるが、コントローラ１５００の角度ベースループは、必ずしもＰ制御ループではない。むしろ、ある実施形態では、このループは、ＰＩ制御ループとして構成される。Ｐ制御パラメータは、より大きい誤差に対してより強く（又はより速く）応答するために提供され、その一方で、Ｉ制御パラメータは、十分に大きい値が選択された場合に遅い流動応答を提供するように調整することができる時定数（パラメータ）を設定する。しかしながら、ある他の実施形態では、外側角度ベースループは、図１４の能動的安定化コントローラの外側制御ループと同様のＰ制御ループとして構成される。

能動的安定化システム（ジンバル）の移動を防ぐために、カメラオペレータは、ゼロ値での接合角度を継続的に保持することが要求される。これを実際に成し得ることは困難であり、一定の補正（安定化）を必要とする小さい角度誤差が生じる可能性がある。コントローラ１５００との関連では、結果として生じるビデオの質は、不注意な運動によって生じるカメラのポインティング角度の意図しない変化につながり、損害を被るだろう。この潜在的な問題に対処するために、ある実施形態では、閾値ウインドウ（閾値化ファンクション（thresh-holding function））１５６０が、得られた接合角度の測定に関して設定される。接合角度測定１５２６が閾値ウインドウ１５６０内に収まった場合、閾値ファンクション１５６０により出力され、さらに制御素子１５４０により登録及び処理され、接合角度測定１５６２は、ゼロに等しくなる。しかしながら、接合角度測定１５２６が設定された閾値ウインドウを超える場合、閾値ファンクション１５６０は、接合角度測定１５２６を低減し、その後、閾値ウインドウの閾値により導出した接合角度測定１５６２を制御素子１５４０に提供する。これは以下のように記載することができる。

If( angle_measured ＞ angle_threshold )
then angle_out = angle_ measured - angle_threshold;
If( angle_measured ＜ -angle_threshold )
Then angle_out = angle_ measured + angle_threshold
ここで、angle_measuredは、接合角度測定１５２６であり、angle_outは、接合角度測定１５６２であり、さらに、angle_thresholdは、[-angle_threshold, + angle_threshold]として設定される閾値ウインドウ１５６０の値である。

従って、閾値ファンクション１５６０は、デッドバンドゾーンを効率的に設定し、デッドバンドゾーンにおいて、カメラオペレータは、少なくともある程度まで、ポインティングの正確性及び一貫性について心配する必要ない。つまり、操縦部材１５２２の回転運動が閾値ウインドウにより規定されるデッドゾーン内にある間、カメラのポインティング角度が指示ポインティング角度の値で一貫して維持される。しかしながら、カメラオペレータの操縦部材の回転運動がデッドバンド領域を超えるとすぐに（閾値ウインドウを超える接合角度測定への対応をもたらす）、操縦部材１５２２の回転運動に対応及びangle_out値に比例して、コントローラ１５００は、カメラのポインティング角度を変化させるために、外側及び内側制御ループを繰り返し実行することによって、ゆっくり開始する。

ある実施形態において、カメラオペレータに、操縦部材の現在の動きがデッドバンドゾーン内に収まっているか否かの視覚的な表示を提供する。例えば、コントローラ１５００は、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような、可視的なインジケータを有することができ、これは、例えば回転運動がデッドバンドゾーン内（又は外）である場合に、閾値ファンクション１５６０により行われる決定に対応して点灯する。このようにして、カメラオペレータは、彼又は彼女の操縦運動がカメラのポインティング角度に影響するかどうかに関する明確なインジケータを有する。可視的なインジケータが好適であるが、他の指示手段、例えば音を使用してもよく、例えば、アクチュエータの動作制御効率に影響することなく、特定の周波数における交換信号を操作することによってアクチュエータで発生する音、又は、磁歪で発生するノイズを使用することができる。

閾値ウインドウの閾値は、事前設定又は事前決定することができるが、ある実施形態において、それは調整可能であり、典型的に１０度と３０度との間で設定される。しかしながら、撮影状況、環境、カメラオペレータの好み及び／又は能力及び同様のものに応じて、より大きく又はより小さくすることができる。例えば、手が震えないカメラオペレータは、閾値をゼロに設定することで効果的に閾値ウインドウを無効にする決定をしてもよい。さらに、カメラオペレータには、異なる撮影シナリオ及び／又は異なる軸のために、事前設定された、幾つかの閾値が提供されてもよい。さらに、例えば図１５のコントローラのような、能動的安定化コントローラに、パン、チルト及びロール軸より多くの軸が実装及び作動されている場合、異なる閾値が異なる軸のために設定されてもよい。

ある実施形態において、流動応答を提供するために、接合角度の誤差ファンクションのような、カメラのポインティング角度を変化させるための非線形強制ファンクションを、外側角度ベースループのＩ制御パラメータの代わりに採用してもよい。図１６は、ある実施形態に係る、図１４に関して記載した安定化制御プロセスのような、シングル軸（チルト軸）能動的安定化コントローラ（制御プロセス）に適した修正を示し、ここでは、コントローラに強制ファンクションを組み込み、能動的に安定化されたカメラ１６１０のポインティング方向を操縦又は変化させることをカメラオペレータに可能にする。同様の修正は、カメラのパン角度を制御するめのパン軸能動的安定化コントローラ及びカメラのロール角度を制御するためのロール軸能動的安定化コントローラにも行うことができる。

安定化制御プロセス（コントローラ）１６００の角度及び率ベース制御ループは、概して、図１４のコントローラ１４００のものと同様である。より具体的には、コントローラ１６００は、それぞれ、Ｐ制御素子１６４０及びＰＩＤ制御素子１６５０によって、角度ベースＰループ及び率ベースＰＩＤループを実装する。Ｐ制御素子は、指示チルト率１６４６を生成するために、ＩＭＵ１６３０により検出されたカメラ１６１０のチルト角度１６３４及び指示チルト角度１６４４を受信及び比較し、その後、率ベースＰＩＤループに提供する。さらに、ＰＩＤ制御素子１６５０は、ＩＭＵ１６３０により検出されるようなカメラ１６１０のチルト率１６３６を受信し、制御誤差を検出するために２つのチルト率を比較し、これは、ブラシレスＤＣモータ１６２０の運動を制御するための制御信号１６５２を設定するために比例、積分及び微分定数（パラメータ）を使用して増幅される。その後、ＰＩＤ制御素子１６５０の出力は、閉ループフィードバック回路全体を形成するために、駆動出力素子１６２２を経て、ブラシレスＤＣモータ１６２０に供給され、これにより、ブラシレスＤＣモータ１６２０の加速、減速（ブレーキ）又は反転運動がもたらされる。

従って、能動的安定化制御プロセス１４００と同様に、能動的安定化制御プロセス１６００は、カメラのポインティング方向を安定化させるための能動的安定化プロセスを実行することができる。しかしながら、例えばリモートリンクを介してリモートオペレータから「設定点」として受信した指示チルト角度１４４４に基づくカメラのポインティング角度を維持する安定化制御プロセス１４００とは異なり、安定化制御プロセス１６００は、例えばハンドル（複数可）、支持基盤、搭載部材及び同様のもののようなジンバル操縦部材の回転（操縦、運動又は同様のもの）により、カメラのポインティング方向を変化させることをカメラオペレータに可能にする。

ここでの説明では、操縦部材の主な例としてジンバルのハンドルを用いているが、操縦部材が、例えば、支持基盤、又は、例えば車両、無人飛行機及び同様のもののような移動物体に搭載された部材、装着されたものであれば、同様の原理を適用できる。これにより、カメラオペレータが操縦部材を能動的に操縦しなくても、操縦部材が、ジンバル（能動的安定化システム）が装着される物体の運動に応じて、回転動作を受ける。例えば、車両がコーナーを曲がることによって、パン軸に関する操縦部材の回転運動がもたらされるだろう。

より具体的には、図１６の例において、安定化制御プロセス１６００は、強制ファンクション１６６０を使用して、接合角度測定に基づく指示チルト角度１６４４を決定する。特に、強制ファンクション１６６０は、積分器１６６２による指示チルト角度１６４４を更新（数値的積分）するための更新の増加分を決定するために、接合角度測定１６２６を処理する。各制御ループ角度において通常の安定化方式で処理されるように、更新指示角度１６４４がＰ制御素子１６４０に提供される。つまり、各制御ループサイクル（更新「チック」又は同様のもの）で、強制ファンクション１６６０の出力が指示ポインティング角度に加えられ、これにより、制御ループ更新のＰ／ＰＩＤループ部分は、新しい更新指示ポインティング角度に従い、カメラのポインティング角度を安定化させる。このプロセスによって、能動的安定化システム（ジンバル）に、特定の速度での所望の方向におけるカメラの操縦がもたされる。

カメラオペレータが操縦部材の動きを停止して同じ姿勢で操縦部材を保持した場合、そのとき、ポインティング角度の運動が停止するまで、各更新と徐々に小さくなる誤差に起因して、変化率は減るだろう。強制ファンクションが閾値ウインドウを組み込み、閾値ウインドウの閾値がゼロを超える場合、カメラのポインティング角度運動は、閾値ウインドウのボーダ（エッジ）で停止するだろう。カメラオペレータが継続的に操縦部材を動かすことを選択した場合、そのとき、カメラのポインティング方向は、同様に変化を開始し、異なるレートでも均衡レートに達するまでに効果的に一致しするが、操縦部材を動かすことによるレートは遅れる。つまり、カメラのポインティング方向の初期の運動期間は、均衡に達するまでの加速度の期間を含む。カメラオペレータは、より速い又はより遅いレートで操縦部材を動かすことにより、この加速度を制御することができる。

一般的に、操縦部材の回転に対応するカメラのポインティング角度の挙動（運動）は、強制ファンクション１６６０の性質に大きく依存する。強制ファンクション１６６０は、典型的には、非線形ファンクションであり、小さい角度に対して非常に小さい値を出力するように及び大きい角度に対してより大きい値を出力するように設定されている。好適には、強制ファンクションは、ゼロで軸切片を横切る、対称及び奇関数である。例えば、ある実施形態において、強制ファンクションは、次の式で表される。

Ｆ（angle）＝Ｓ×angleⁿ 式（１）

ここで、angleは接合角度測定１６２６、ｎは好適には奇数の指数であり、また、Ｓは、所望の挙動に達成するまで強制ファンクションに比例的にスケーリングするためのスケール定数である。

さらに、強制ファンクションは、一般的に、正の角度には正の出力及び負の角度には負の出力を与えるように設計される。つまり、例えば、能動的安定化システムが、パン角度の値を増加させるような右への操縦と解釈した場合、強制ファンクションは、各制御ループ更新により指示角度を増加させ、また、能動化安定化システムが、チルト角度の値を低減させるようなチルティングのダウンと解釈した場合、強制ファンクションは、各制御ループ更新により指示角度を低減させる等である。

カメラオペレータは、曲線の傾き及び閾値ウインドウを調整することによって、強制ファンクションの挙動を特定のシナリオに適合させてもよい。このようにして、動作運動に接近させる長いズームレンズ及び他のシナリオに適合する高い技巧のポインティング制御を実行することが可能になる。

上述のように、図１５のコントローラ１５００と同様に、コントローラ１６００は、閾値ウインドウを経てデッドバンドゾーンを設定する。しかしながら、デッドバンド領域のボーダを横切る場合にカメラに幾らかの不意な運動がもたらされるコントローラ１５００とは異なり、コントローラ１６００は、小さな誤差のために小さなステップ及び増加する誤差のためにより大きなステップで、カメラのポインティング角度を変化させる。このようにして、デッドバンド領域のボーダの通過による不意は低減され、より滑らかな運動が達成される。強制ファンクション出力に基づき、各更新サイクルで指示角度は増加／減少するため、例えば操縦部材が停止した場合に、ポインティング角度は徐々に、閾値ウインドウのエッジ（ボーダ）に等しくなる。この点で、強制ファンクションの結果は、最終的にゼロになり、ポインティング角度動作は停止するだろう。さらに、強制ファンクションアプローチによって、即時及び速い運動が可能になり、これは、より極限角度で操縦部材を単に動かす場合に要求されるべきである。

図１７は、例示的な強制ファンクション１７１０を描写するグラフ１７００を示し、ここでは、同一閾値ウインドウに基づいて、不意ファンクション１７２０と比較するために、＋／−２０度の閾値ウインドウに基づく。強制ファンクション１７１０は、角度誤差に基づく非線形曲線であり、５乗で増える。図に示すように、強制ファンクション１７１０は、閾値ウインドウの近接では小さな出力を提供し、閾値ウインドウから外れると急激にその出力を増加させる。つまり、強制ファンクションは、閾値ウインドウ付近で不意ファンクション１７２０に接近し、ファンクション１７２０の急激さを平滑化し、極限で強い影響を提供する。

図１８及び１９は、特定の例示的シナリオにおいて、システムの世界角度１８４０及び１９４０おける変化を比較するグラフ１８００及び１９００を示し、ここでは、システムの操縦部材とＩＭＵ搭載カメラとの間の、強制ファンクション１８１０及び１９１０、カメラのポインティング角度１８３０及び１９３０、及び、接合角度１８２０及び１９２０が示されている。図１８では、何の閾値ウインドウも設定（閾値ウインドウはゼロに等しく設定されている）されていないが、図１９では、強制ファンクションは、＋／−１０度の閾値ウインドウに基づく。図１８及び１９のシナリオでは、能動的安定化システムは、最初、（水平位置において）０度であり、その後、角度は、操縦部材を上方に操縦（回転）することで２３度に急速増加し、その後、運動は、２３度の角度に到達して停止する。言い換えると、能動的安定化システムは、２３度で定常状態に戻る。この運動は、世界角度線１８４０により反映され、コンパス座標における操縦部材（ハンドル）の角度に反映される。

接合角度線１８２０は、操縦部材とＩＭＵ搭載カメラとの間の接合角度における変化を描写し、カメラが動き始める点である約６度でピークになる。その後、接合角度線１８２０は、システムの一定運動に従う。カメラが動作を開始すると同時に確定する、システムとカメラ運動との間の遅れは、システムが停止するまで、保持される。以後、接合角度線１８２０は、かなりゆっくりとであるが、追いつくように、ゼロに向かう傾向がある。このようにして、カメラ上の視覚的な外観の微妙な遅い停止は、撮影されたビデオにおいて達成されてもよい。

図１８及び１９において、強制ファンクション１８１０は、三次ファンクションであり、所望の視覚的効果を達成するために特定（任意）のスケール係数によりスケーリングされる。スケール係数は、調整することができる。カメラのポインティング角度線１８３０は、カメラの実際のポインティング角度における変化を反映し、システムが動きを停止すると、世界操縦部材線１８４０に効果的に後れて、ゆっくりかつ平滑に追いつく。

図１９は、図１８と同一のシナリオを示し、違いは、閾値ウインドウが＋／−１０度に設定されていることである。従って、システムの角度（操縦部材の角度）は、０〜２３度で変化するが、カメラのポインティング角度は０〜１３のみで変化し、この点で、動作は停止する。この違いは、選択された閾値ウインドウの値を反映する。さらに、閾値ウインドウが設定されているため、強制ファンクション１９１０の出力は、１０度の角度までゼロである。このようにして、ポインティング角度１９３０の運動は、システム運動１９４０に関連して遅れる。接合角度線１９２０は、システムが動作を停止した後は、約１６度でピークになり、その後、１０度（閾値より上側）に向かう傾向がある。

図１６〜１９に関して説明したように、強制ファンクションは、制御の角度更新に適用することができるが、ある実施形態では、強制ファンクションが、制御の角度速度更新の代わりに用いられる。ＩＭＵにより測定されるような、接合角度（例えば、チルト角度）とジンバル姿勢（例えば、チルト姿勢）とを比較することで誤差が決定され、これにより、率ベース制御ループに供給される更新指示角度率を導出するために、同一の強制ファンクションが適合される。従って、ＩＭＵにより測定される接合角度及び姿勢が、類似でないとき、操縦動作が指定される。同一の方式で、閾値ウインドウを適用することができる。

ある実施形態において、例えばコントローラ１５００及び１６００のような、能動的安定化コントローラへのさらなる拡張が導入される。図２０は、能動的安定化コントローラ２０００を示し、ここでは、カメラオペレータが一時的に現在のカメラのポインティング角度をロックすることを可能にし、ロックした角度を保持するために通常の安定化モードに戻している。言い換えれば、コントローラ２０００は、カメラオペレータに、意志（操縦モード）で操縦部材の回転運動に対応するカメラのポインティング角度の操縦を抑制し、最後の測定ポインティング角度を保持する機会を与える。

より具体的には、図２０は、操縦モードを抑制するためのトリガ２０７０と、サンプルホールド素子２０７２と、通常の安定化プロセスを可能にする外側接合角度ベース制御ループの置き換えを可能にするためのＰ制御素子２０７６とを導入することで、図１５の安定化制御プロセス１５００を拡張している。トリガ２０７０は、操縦部材２０２２上又はカメラオペレータが容易に到達する範囲内の能動安定化システムの他の位置にある、ボタン、アクチュエータ又は同様のものである。トリガ２７０を押す、引く若しくは関与することで、カメラオペレータは、操縦モードを抑制し、トリガ２０７０を解除するまで、コントローラ２０００により保持される角度として、現在のポインティング角度をロックする。

この目的のために、トリガ２０７０が関与する場合、サンプルホールドユニット２０７２は、カメラの現在のポインティング角度（姿勢）をサンプリングし、それを新しい指示ポインティング角度として格納するように指令される。さらに、トリガ２０７０の関与に対応して、ポイントロックスイッチ２０７８は、ＰＩ制御素子２０４０からＰＩＤ制御素子２０５０への入力パスと、Ｐ制御素子２０７６からＰＩＤ制御素子２０５０への第２の入力パスとをスイッチングする。つまり、ポイントロックスイッチ２０７８によって、Ｐ制御素子２０７６により制御されるチルト角度ベースループにおいて、制御素子２０４０により制御される外側ＰＩ接合角度ベースループに効率的に代わる。第２の入力パスのスイッチング時に、コントローラ２０００は、図１４に関して説明したような、サンプルホールド素子２０７２により格納及び供給される指示角度２０７４に従って、通常の安定化プロセスを実行することができる。このようにして、カメラのポインティング方向２０３４は、ＩＭＵ２０３０により測定されるため、トリガ２０７０が関与すると同時に、指示ポインティング角度２０７４になり、トリガ２０７０が解除されるまで保持される。

トリガ２０７０が解除されると、ポイントロックスイッチ２０７８は、元の入力パスに制御ループをスイッチングバックし、これにより、コントローラ２０００は操縦モードに戻り、カメラオペレータが平滑な操縦を実行することが可能になる。従って、操縦モードを抑制するためにトリガ２０７０が関与することにより、カメラオペレータは、彼又は彼女が、彼又は彼女のショットのロックを確立し、カメラのポインティング角度の変化が要求されない場合、意図しないデッドバンド領域外の通過を心配する必要はない。従って、閾値ファンクションの利益が要求されない場合、ウインドウ閾値ファンクションの使用に関するある不確実性は除去される。

能動的安定化システムは、全体としての操縦モードを抑制するためにシングルトリガを有してもよく、又は、パン、チルト及びロール軸の各々又は一部のために操縦モードを無効にするためのトリガを分離してもよい。さらに、ある実施形態では、ハイブリッドモードが実装され、ここでは、リモートオペレータは、軸の一つに関してカメラのポインティング角度を制御し、例えば、ジョイスティック又は同様のものを介してチルト軸を制御し、ジンバルを運ぶオペレータは、操縦ファンクションを使用して、他の軸例えばパン軸のためにカメラのポインティング角度を制御する。このハイブリッドモードは、追跡シーンの撮影において特に適切であり、ここで、ジンバルのオペレータは、要求されるパン軸の動きを予測することがより可能であり、その一方で、チルト制御は、リモートオペレータのためにより適切な微妙な技巧を要求する。

ある実施形態において、カメラ（ジンバル）のオペレータには、ショットのフレーミングを局所的に補助するために、操縦部材上で小さいＨＤディスプレイが提供される。

図１５、１６及び２０のコントローラ１５００、１６００及び２０００は、それぞれ、能動的安定化の利益を損なうことなく平滑的な方法で、カメラを移動させるカメラオペレータに、カメラのポインティング角度を直感的に制御することを可能にする。例えばジンバル支持ハンドルのような操縦部材の操縦を制御するために、オペレータは、意図する方向で操縦部材（ハンドル）を回転し、ジンバル（能動的安定化システム）は、動作を平滑に追跡し、それに対応してカメラのポインティング角度を調整する。例えば、名目上水平姿勢では、ジンバルは水平を維持する。オペレータがジンバルのハンドルを前方にチルティングした場合、そのとき、ジンバルは、ある実施形態で閾値ウインドウのボーダに交差した後のみ、操縦部材の回転運動に比例した速度で、下方にチルティングを開始する。ジンバルのハンドルの後方へのチルティングは、ジンバルの上方への動き及びチルトにおけるカメラのポインティング角度をもたらす。このようにして、ハンドルをアップダウン（チルト軸周りへの操縦部材の回転）にチルティングすることにより、カメラオペレータは、カメラのポインティングチルト角度を制御する。同様の方式で、パン及びロール角度も処理及び制御する。

カメラオペレータは、軸の一部又は全てのために、操縦モードをロックオフする選択をすることができ、例えば、パン作用のみのために操縦モードを作動させることができる。オペレータが、水平から離れてハンドル（操縦部材）をローティングした場合、そのとき、パンをさらに適用し、同一の直感的な運動が必要とされ適用される。

制御されるポインティング角度に対応する軸に関連して接合角度測定を使用するように、例えばパン角度操縦のためのパン接合角度測定を使用するように、コントローラ１５００、１６００及び２０００を説明したが、操縦モードの特性を補助するために異なる軸（複数可）の接合角度測定が要求されるシナリオがある。従って、ある実施形態では、例えばコントローラ１５００、１６００及び２０００のような能動的安定化コントローラは、そのようなシナリオを決定するために及び要求される測定を得るために構成される。

例えば、カメラオペレータが、ある追加高さに到達するためにハンドルを下上にチルティングする場合、ロール接合がパンを実行し、パン接合はロールを実行する。従って、カメラオペレータがパニングのための操縦モードを要求しても、ハンドルがパン検知において動く場合、ロール接合が指示測定になる。つまり、コントローラ１５００、１６００及び２０００は、パン軸において図１５、１６及び２０に関連して説明した方法を実行し、ロール接合角度測定を得るだろう。

さらに、特定のシナリオでは、一以上の軸の接合角度測定が要求される場合がある。例えば、約４５度のパン角度で、コントローラ１５００、１６００及び２０００に確実なポインティング角度の調整の決定を可能にするために、ロール及びパン接合角度測定の両方が要求される。このような状況では、ある実施形態において、コントローラ１５００、１６００及び２０００は、操縦動作を判断し、例えば、クォータニオン（Quaternion）法を用いて、ハンドル（操作部材）のポインティングベクトルからジンバルの基準フレームへの数学的変換を行うことにより、パン動作を判断する。このようにして、パン操縦動作は、ハンドルの姿勢に関わらず、例えば、常に、パン動作として判断することができ、なぜなら、判断は、Ｚ軸の回転に基づくためである。つまり、そのような実施形態では、動作は、二又は三軸のための接合角度測定に基づき、地球の重力ベクトルに関して垂直軸周りに検出され、その後、指示ポインティング方向における変化として制御ループに提供される。異なる微妙なアプローチを要求するその特別なシナリオは、説明した例として、一般的に、カメラの現在のポインティング角度及び／又は操縦部材の現在のポインティング角度に基づく決定に存在する。ここに記載した方法の調整に対応する肯定的な判断の場合には、そのとき、このような接合角度測定を導出する方法が実行される。

ある実施形態では、例えば強制ファンクションを経て、接合角度を測定して、それをカメラのポインティング角度を直接制御するために使用する代わりに、例えばハンドルのような操縦部材上に位置した、第２のＩＭＵにより得られた測定が使用される。図２１は、操縦モードを可能にするために第２のＩＭＵ２１８０を採用するコントローラ２１００の例を示す。コントローラ２１００により実装される制御ループは、概して、図１５に関して説明したコントローラ１５００により実装される制御ループと同一である。しかしながら、操縦モードに基礎を置き、接合角度測定に基づいて決定をするコントローラ１５００とは異なり、コントローラ２１００は、ＩＭＵ２１３０搭載カメラからカメラ角度測定２１３４を得て、さらに、例えばクォータニオン法を使用して、制御素子２１８６で、関連接合角度測定２１２６を導出するために、ＩＭＵ２１８０搭載操縦部材から操縦部材角度測定２１８４を得る。その後、関連角度測定２１２６は、図１５の接合角度測定１５２６と同様の方式で使用される。

強制ファンクションを参照することなく図２０及び２１を説明したが、コントローラ２０００及び２１００の両方とも、図１６に関して説明した方法論を用いた強制ファンクションを組み込むように再構成することができる。

図２２は、ある実施形態に従う、例えばハンドルのような操縦ジンバル部材の回転運動に対応して能動的に安定したカメラのポインティング角度の調整のための方法を示す。記載のように、方法２２００は、操縦モードを可能にする強制ファンクションに依存しない。

方法２２００は、ジンバルの操縦部材の回転運動との関連で、接合角度又は関連角度を導出するステップ２２０５で開始する。例えば、ジンバル（能動的安定化システム）の現在のポインティング角度に応じ、図１５、１６、２０及び２１に関連して説明したように、接合（関連）角度測定は、対応する軸のための接合角度の直接測定から導出してもよく、例えば、各アクチュエータのレゾルバから、異なる軸における接合角度の直接測定及び異なる軸における接合角度測定の組み合わせ（ステップ２２０１）、及び／又は、ＩＭＵ搭載カメラ及びＩＭＵ搭載操縦部材（ハンドル）の２つの異なるＩＭＵから角度測定を直接比較することにより導出してもよい（ステップ２２１５）。

ステップ２２２０において、ステップ２２０５で導出された角度が閾値ウインドウを超えるか（外側にあるか）どうかの決定がされる。一般的に、角度が閾値ウインドウ内である場合、対応する運動は、意図しない外乱であると解され、このような外乱は、カメラの指示ポインティング角度を保持するように補正される。言い換えれば、カメラのポインティング角度は、ロックされる。この結果に達するために、ステップ２２３０のように接合（関連）角度は、ゼロに更新され、いかなる操縦動作も要求されないことを示し、角度ベースループに提供される（ステップ２２４０）。

ある実施形態では、カメラオペレータに、ポインティング角度をロックしたとの表示が提供される。このようなインジケータは、操縦部材のある回転運動にもかかわらず、カメラのポインティング角度が保持（安定化）されることを、カメラオペレータに知らせる。従って、方法２２００は、カメラのポインティング角度がロックされたことを可視的に表示する選択的なステップ２２２５を有する。インジケータは、限定ではないが、ＬＥＤインジケータ、スクリーンインジケータ又は等を有する。音のインジケータを代わり使用することもできるが、このような選択は、典型的には、録音に影響を与えないようにするため使用しない。

ステップ２２２０で、ステップ２２０５で導出された角度が閾値ウインドウを超えるという決定が行われる場合、ステップ２２３５の方法が実行される。このステップでは、閾値ウインドウの値によって、接合（関連）角度測定が低減される。このようにして、閾値を超える角度値に比例する動作を達成することができる。その後、更新角度測定が、角度ベース制御ループに提供される。

ステップ２２４０で、角度ベース制御ループが実行される。図１５に関して説明したように、制御ファンクションを使用することなく、操縦モードは、角度ベース制御ループによって接合角度をゼロにすることにより達成される。つまり、角度ベース制御ループは、ゼロ指示角度及び更新接合角度に基づいて実行される。従って、方法２２００がステップ２２２５を経てステップに到達する（元の測定は閾値ウインドウ内である）場合、ステップ２２４０の出力は、ゼロになり、ポインティングのための操縦動作／調整は指示されない。ポインティング角度が、依然として、指示ポインティング角度を保持するために調整（補正動作）されることに留意されたい。しかしながら、方法２２２０がステップ２２３５を経てステップ２２４０に到達する（元の測定値が閾値を超える）場合、ステップ２２４０において、指示レートは、更新接合角度に基づいて導出されるだろう。

ステップ２２４５では、内側率ベース制御ループ更新が、ステップ２２４０の出力（指示レート）と、カメラのポインティング角度を制御するための指示を導出するためにＩＭＵ搭載カメラにより得られるような現在の角度とに基づき、実行される。その後、この指示は、実行のために、ステップ２２５０でアクチュエータに提供される。

方法２２００は、一般的に、操縦モードを可能にするために、例えば図１５のコントローラ１５００のような、能動的安定化コントローラにより実行される方法を説明する。現在の接合（関連）角度測定が閾値内である場合、指示角度から何の操縦動作も導出されない。むしろ、指示角度は保持され、補正動作のみが指示されてもよい。つまり、指示角度を保持するために、閾値内でいくらかの外乱が補正される。しかしながら、現在の接合（関連）角度測定が、閾値ウインドウを超える場合、操縦部材の回転運動の方向においてカメラのポインティング角度を調整するために指示が発せられる。調整動作は、設定した閾値ウインドウに起因する操縦部材の動作を遅らせる。

図２３は、ある実施形態に従い、例えばハンドル（複数可）のような操縦ジンバル部材の回転運動に対応する能動的に安定化したカメラのポインティング角度を調整するための他の方法を示す。記載のように、方法２３００は、方法２２００と同様に、操縦モードを可能にする強制ファンクションに依存しない。しかしながら、方法２３００は、操縦モードを抑制するためのトリガを組み込むことによって、方法２２００を拡張している。

方法２３００は、ジンバルの操縦部材の回転運動との関連で、接合角度を測定するステップ２３０５で開始する。さらに、カメラの現在の角度及び角度率が同様に測定され、例えば、ＩＭＵ搭載のカメラにより測定される。ステップ２３１０において、例えば特定用途のボタン、アクチュエータ又は他のコンロトーラのような、ポインティング角度ロックトリガが関与するか（正に関与するか又は関与し続けるか）どうかの決定が行われる。図２０に関してより詳細を記載したように、トリガに関与することによって、カメラオペラータは操縦モードを抑制し、通常の安定化モードに切り換える。さらに、図２３には図示しないが、トリガが関与し続けるというよりむしろ関与する場合、カメラのポインティング角度の現在の測定が指示角度として、例えば格納部及び保持部により、保存される。トリガが関与する場合、方法２３００は、ステップ２３０５における指示角度及び測定角度に基づき外側角度ベース制御ループ更新を実行するために処理を行う。

トリガの関与に応じるステップ２３１５が実行される場合、効率的に、角度ベース制御ループ更新により処理された指示角度及び測定角度は同一になり、何らの操縦角度調整も、要求されない（ポインティング角度が完全に安定化される）。さもなければ、指示角度及び測定角度は異なり、安定化を保持するために、ポインティング角度の微妙な補正調整が要求されるだろう。このような調整は、率ベース制御ループ更新によりステップ２３４０で、ステップ２３１５において導出される、現在の測定チルド速度及び指示チルト率に基づき導出され、制御指示として発せられステップ２３５０で各アクチュエータに出力される。

ステップ２３１０でポインティング角度ロックトリガが関与しない又は解除されるような決定がされる場合、そのとき、操縦モードは、能動的になり、カメラのポインティング角度は、操縦部材の回転運動に対応して操縦される。ステップ２３２０、２３２５、２３３０、２３３５、２３４０、２３４５及び２３５０は、概して、それぞれ、図２２に関して説明した、ステップ２２２０、２２３５、２２２５、２２３０、２２４０、２２４５及び２２５０の複製であり、同一方式で実行される。つまり、方法２３００は、概して、図２０に関連してより詳細を記載したような、意志の操縦モードの特徴を組み込むことにより、方法２２００の拡張として描写することができる。

図２４は、ある実施形態に従い、操縦ジンバルの部材の回転運動に応じ、強制ファンクションを使用して、能動的に安定化されたカメラのポインティング角度を調整するための方法２４００を示す。方法２４００は、ジンバルの操縦部材の回転運動と関連する接合角度が、例えば各アクチュエータのレゾルバから、測定若しくは取得されるステップ２４０５で開始する。さらに、接合角度測定は、ＩＭＵ搭載カメラと、例えば、操縦部材上、ジンバルフレーム上の中間層、ロールビーム又は同様もののような、能動的安定化システムの何れかに位置する第２のＩＭＵとにより測定された角度の組み合わせから推定されてもよい。その後、方法は、閾値ウインドウファンクションを適用するステップ２４１０まで実行する。

ステップＳ２４１０、２４１５、２４２０及び２４２５は、概して、それぞれ、方法２２００のステップ２２２０、２２２５、２２３０及び２２３５と同様であり、同様の方式で実行される。ステップ２４３０で、例えば図１６〜１９に関して説明した強制ファンクションのような、強制ファンクションは、カメラの指示ポインティング角度のための更新の増加分を導出するために、更新接合角度に適用される。方法２４００がステップ２４２０を経てステップ２４３０に到達する（接合角度測定が閾値ウインドウ内である）場合、強制ファンクションは、効率的にゼロ値になる。結果的に、強制ファンクションの出力は同様にゼロになるが、指示角度は同一に維持される。つまり、カメラのポインティング角度は保持され、ステップ２４３５、２４４０及び２４４５で、閾値ウインドウ内の外乱のための補正がされる。効率的に、何らの指示角度への調整がされないため、ネスト化した制御ループを有する通常の安定化プロセスが実行される。

しかしながら、方法２４００がステップ２４２５を経てステップ２４３０に到達する（接合角度測定は閾値ウインドウを超える）場合、更新の増加分を導出するために、閾値ウインドウを超える接合角度に、強制ファンクションが適用される（接合角度は閾値により低減される）。その後、指示角度は、新しい指示角度を導出するために、更新の増加分を用いて更新される。上述のように、ステップ２４３５、２４４０及び２４４５は、概して、カメラのポインティング角度を保持するための通常の安定化プロセスを実行するために行われるステップである。しかしながら、指示角度はステップ２４３０で更新されるため、ステップ２４３５、２４４０及び２４４５は、操縦部材の回転運動の方向におけるカメラのポインティング角度の調整の操縦のために提供される。さらに、指示角度への更新の増加分を決定するために使用される強制ファンクションに起因して、ステップ２４３５、２４４０及び２４４５は、新しく獲得された測定に基づき繰り返されるため、これらのステップは、閾値によって低減される接合角度の値により規定されるような、操縦部材の回転運動に比例するポインティング角度運動を生成する。

図２５は、ある実施形態に従い、操縦ジンバル部材の回転運動に対応する能動的に安定化したカメラのポインティング角度の調整のための一般的方法を示す。方法は、ポインティング角度ロックトリガが関与しているかどうかを決定する選択的なステップから開始する。決定が肯定的である場合、操縦モードは抑制され、カメラのポインティング角度は、例えば図２３に関して説明した方式で、ステップ２５３５における指示角度に従い、能動的に安定化する。さらに、ステップ２５２０は選択的であり、カメラの現在のポインティング角度がロックされていることが可視的に表示される（さらなる詳細は、例えば、図２２に関して記載されている）。

ポインティング角度ロックトリガが関与しない場合、ジンバルの操縦部材の回転運動に関連する接合角度測定がステップ２５１０で導出される。例えば、操縦部材（又はジンバル）の現在のポインティング角度及び／又はカメラの現在のポインティング角度に応じて、図１５、１６及び２０〜２２に関して説明したように、接合角度測定は、対応する軸のための接合角度の直接測定、異なる軸のための接合角度の直接測定、異なる軸のための接合角度の組み合わせ、及び／又は、ＩＭＵ搭載カメラ及びＩＭＵ搭載操縦部材（ハンドル）の２つの異なるＩＭＵからの直接角度測定の組み合わせにより導出してもよい。その後、導出された接合角度測定は、ステップ２５１５で、方法２２００、２３００及び２４００のステップ２２２０、２３１０及び２４１０のそれぞれと同様に、閾値ウインドウに対して評価される。閾値ウインドウに収まる測定は、現在のポインティング角度が、指示ポインティング角度に従い、ステップ２５３５で安定化されるべきであることを意味する。つまり、ある外乱を受ける場合、補正の調整を安定化のためにポインティング角度に対して行うことができる。カメラの現在のポインティング角度がロックされていることを可視的に表示する選択的なステップ２５２０は、さらに実行することができる。

接合角度測定が閾値ウインドウを超える場合、方法２５００は、ステップ２５３０に進み、ここで、カメラのポインティング角度は、導出される接合角度に基づいて、操縦部材の回転運動の方向において調整される。ステップ２５３０は、図２２〜２４に関する操縦モードを考慮した上述の方法論のいずれかを含むことができる。つまり、ステップ２５３０は、閾値ウインドウの値による接合角度測定の低減、強制ファンクションの適用、角度及び率ベース制御ループの実行及び／又は記載の方法の任意の変形を含むことができる。

各方法２２００、２３００、２４００及び２５００は、対応する軸（複数可）に関連して、チルト、パン及びロール軸の一以上のために実行することができる。さらに、各方法２２００、２３００、２４００及び２５００は、一以上の軸のために作動してもよい。例えば、パン軸のみのための方法２２００、２３００、２４００又は２５００の作動によって、カメラオペレータは、カメラのパン角度を操縦することができ、その一方で、リモートオペレータは、チルトの調整のための管理を維持する。又は、その逆でもよい。

図２６は、ある実施形態に係る、操縦部材（速度操縦モード）の位置に関連し、操縦部材２６２２の回転運動に対応するカメラの操縦を可能にするためのシングル軸コントローラ２６００を示す。一般的に、速度操縦モードは、動作を開始するために水平面から操縦部材を動かすことによって、及び、動作を停止するために実質的に水平面に操縦部材を戻すことによって、カメラのポインティング角度の動作を指示することをカメラオペレータに可能にする。ポインティング角度動作のスピード（カメラのポインティング角度の変化がどのくらいの速さか）は、操縦部材２６２２を水平面からどの程度チルティングするかによって決定される。動作は、操縦部材２６２２の回転運動（チルティング）と同一方向である。ある実施形態では、カメラオペレータに誤差のためのある余裕を許し、意図しない動きを防ぐために、閾値ウインドウファンクション２６６０は、ここに記載される操縦モードと同様に、速度モードにおいて実装される。

例えば、オペレータがジンバルのハンドルを前方へチルティングして閾値ウインドウのボーダを横切る場合、そのとき、カメラは、見積もり（接合）角度に比例する率で、下方へのチルティングを開始する。ハンドルを後方及び閾値ウインドウ内に戻すことで、ポインティング角度の動作は停止する。このようにして、カメラオペレータは、操縦部材を微妙に回転させることにより、カメラのポインティング角度（チルト）を制御することができ、動作を開始するために動作方向を示し、さらに所望のポインティング角度に到達した場合に、ハンドルを基の位置に戻すことにより動作を停止することが全ての方法ではない。速度操縦モードは、例えば水平面から４５度上のような、極限ポインティング角度を所望する場合に、特に適切である。特に、操縦速度モードは、カメラのポインティングチルト角度の制御において、カメラオペレータの利便性を改善し、例えば、カメラオペレータは、上向きポーズにおいてハンドルを一定に保持する必要がない。同様の原理は、垂直面に関連してパン角度においても適用可能であることに留意されたい。

速度操縦モードを可能にするために、コントローラ２６００は、Ｐ及びＰＩＤ制御素子２６４０及び２６５０のそれぞれにより制御される、角度ベース及び率ベース制御ループを実装する。両方のループは、概して、図１４に関して上述した、コントローラ１４００の制御ループと同一方式で実行される。しかしながら、安定点としてコントローラ１４００のＰループに指示角度１４４４が入力されている間、コントローラ２６００は、関連接合角度データから指示チルト角度を導出する。

特に、素子２６６０は、水平面に関連して閾値ウインドウを設定する。素子２６６０は、操縦部材２６２２上に位置するＩＭＵ２６８０から姿勢測定２６８９を受信し、受信した測定が設定された閾値ウインドウを超えるかどうか決定する。操縦部材姿勢２６８９が閾値を超える場合、素子２６６０は、閾値ウインドウの絶対値によりこの姿勢２６８９を低減し、結果として生じるウインドウチルト姿勢（角度）２６６２をサンプルホールドユニット２６７２に提供する。サンプルホールドユニット２６７２は、例えばここに記載されたような積分方法に基づき、カメラのポインティング角度を更新するためのチルト率ステップ２６７３を決定する。ある実施形態において、選択的な強制ファンクション２６６８は、ステップレート２６７３を生成するために採用される。強制ファンクション２６６８は、電力が異なる場合もあるが、概して、図１６〜１９に関して上述した強制ファンクションと同様である。一般的に、強制ファンクション２６６８は、特に不意というよりむしろ閾値ボーダを横切る場合に、ポインティング角度運動を形成するために使用され、それはより平滑化される。

積分器２６７４は、チルト更新レートによりサンプルホールドユニット２６７２に格納された、指示角度を更新し、安定化のために、Ｐループに更新指示チルト角度を提供する。指示チルト角度が更新されるために、Ｐ及びＰＩＤループの安定化の実行は、操縦部材２６２２の回転運動により示される方向におけるポインティング角度動作をもたらす。クロック２６７６は、ウインドウチルト姿勢のサンプリング及びチルト率ステップの決定のための更新レートを規定する。このような更新レートは、典型的に、Ｐ及びＰＩＤループの更新レートに対応する。操縦部材２６２２のチルト角度が設定されたウインドウ閾値を超える限り、操縦部材２６２２はもはや動かないが、指示角度２６４４は、更新を続け、ポインティング角度を動かす。

ある実施形態において、操縦部材２６２２の角度（姿勢）は、減算によりアクチュエータ２６２０のレゾルバによって提供されるような、ＩＭＵチルト角度２６３４及びチルト接合角度２６２４から推定される。

ここに図示及び記載された実施形態における操作の実行及び演算の順序は、他の指定がない限り、必須ではない。さらに、全ての操作は、必ずしも実行されない。さらに、例えば図１５、１６及び２０〜２５に関して、ここに記載される操作／ステップは、他の指定がない限り、任意の順序で実行することができ、実施形態は、ここに開示されるそれらよりも、追加又は少ない操作／ステップを有していてもよい。例えば、特定の選択された順序及び／又は方法のステップ数は、カメラオペレータの好み、及び／又は、ジンバルの安定化システム及び／又はカメラ及び／又は構成要素の技術的な仕様に応じてもよい。さらに、特定の操作／ステップの実行又は演算前に、同時に、又は、他の操作後に、説明した実施形態に従い実装される。

ここに図示及び記載された実施形態における操作の実行及び演算の順序は、他の指定がない限り、必須ではない。さらに、全ての操作を実行する必要はない。つまり、例えば図１５、１６及び２０〜２６に関して、ここに記載される操作／ステップは、他の指定がない限り、任意の順序で実行することができ、実施形態は、ここに開示されるそれらよりも、追加又は少ない操作／ステップを有してもよい。例えば、特定の選択された順序及び／又は方法のステップ数は、カメラオペレータの好み、及び／又は、ジンバルの安定化システム及び／又はカメラ及び／又は構成要素の技術的な仕様に応じてもよい。さらに、特定の操作／ステップの実行又は演算前に、同時に、又は、他の操作後に、説明した実施形態に従い実装される。

ここに記載される方法及び操作は、限定ではなく、非一時的コンピュータ可読格納部、格納デバイス及び記憶デバイスを含む、コンピュータ可読媒体に具現化される実行可能な命令としてエンコードされてもよい。このような命令は、プロセッサ（又は一以上のコンピュータ、プロセッサ及び／又は他のデバイス）により実行される場合、プロセッサ（又は一以上のコンピュータ、プロセッサ及び／又は他のデバイス）に、ここに記載される方法の少なくとも一部の実行をもたらす。非一時的コンピュータ可読格納媒体は、限定ではないが、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、例えばディスクドライブ、磁気テープ、ＣＤ（コンパクトディスク）、ＤＶＤ（デジタル多用途ディスク）のような磁気的及び光学的格納デバイス、例えばマイクロＳＤメモリカードのようなフラッシュメモリカード、又は、コード及び／又はデータの格納が可能な他の媒体が含まれる。

方法及び処理は、ハードウェアモジュール又は装置又はファームウェアで、部分的又は完全に具現化することができ、ハードウェアモジュール又は装置が作動する場合、それらは、方法及び処理に関連して実行する。方法及び処理は、コード、データ及びハードウェアモジュール又は装置の組み合わせを用いて具現化することができる。

ここに記載される実施形態を使用するために適用することができる、処理システム、環境及び／又は構成の例は、限定ではないが、埋め込み型コンピューダデバイス、パーソナルコンピュータ、サーバコンピュータ（特定又はクラウド（バーチャル）サーバ）、ハンドヘルド又はラップトップデバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースシステム、セットトップボックス、プログラマブルコンシューマ電子機器、携帯電話、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ、上述のシステム又はデバイス及び等のいずれかを含む分散型コンピューティング環境である。この開示に記載されるハードウェアモジュール又は装置は、限定ではないが、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマグルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、専用又は共有プロセッサ及び／又は他のハードウェアモジュール又は装置である。

上述した実施形態において、本開示は、定められた選択的ファンクションの組み合わせ順序を有することが理解される。特に、添付のクレームに応じて定められる特徴は、独立クレームに関連する他のいずれかの組み合わせとして開示され、提供されてもよく、この開示は、それらが元に従属する独立クレームと、それらの従属クレームの特徴の組み合わせのみに限定されない。

ここに記載された複数のパラメータ及び設定がカメラオペレータ及び／又はリモートオペレータにより調整可能であり、能動的安定化システムが同時に初期化及び／又は利用しつつ例えば撮影中に初期化されることが、さらに理解されることに留意されたい。より具体的には、ある実施形態において、リモートオペレータは、リモートコントローラ、コンピュータ（又は他の処理デバイス）の設定／調整アプリケーションの稼働、リモートリンク、例えばラジオ（例えば、セル方式、Ｗｉ−Ｆｉ、Bluetooth）のような無線又は有線（例えば、光ファイバ、ケーブル又は等）を介して、能動的安定化システム及び／又はカメラを通信する、他の任意のデバイスを使用して、ここに記載したパラメータ及び設定のいずれかを設定又は調整することができる。設定／調整アプリケーションは、ユーザ（例えば、リモートオペレータ、カメラオペレータ又は他）に、能動的安定化システム及び／又はカメラのための所望のパラメータ及び／又は設定を選択及び調整すること、選択又は全ての軸（パン、チルト、ロール）及び／又はカメラ及び等を含む、能動的安定化システムにより提供される異なるモードを作動又は不作動にすることをユーザに可能にするグラフィカルインタフェース（ＧＵＩ）を提供する。各パラメータ及び設定を更新するために、対応する指示（データ値）は、能動的安定化システム及び／又はカメラに送信される。つまり、ユーザは、デバイス又はウェブベースにインストールされた、特別に設計されたアプリケーションを用いて、カメラ及び／又は能動的安定化システムの多様なパラメータ及び設定の制御及び調節を行い、及び／又は、異なるモードをリモードで作動又は不作動にする。調整可能なパラメータ及び設定は、限定ではないが、カメラの設定、例えば、例えばレンズの焦点長のような焦点設定；例えば撮影する物体、高さ又は等への距離；多様な閾値、スケール係数、強制ファンクション、例えばＰＩＤゲイン、最大値及び／最小値、フィルタ設定及びバンド幅のような制御ループ設定、異なる軸のための設定、センサの設定、格納部設定、制御レート、較正、オフセット及び等である。アプリケーションは、誤差が検出された場合に、ユーザに、システム／カメラの状態を知らせること及び音声でアラームすることができる。

また、発明は、多様な特定の実施形態に関して説明したが、当業者は、クレームの原理及び範囲内で修正が実施できることが認識されよう。

Claims (21)

1. 指示ポインティング角度に従いカメラを安定化させるように構成された能動的安定化システムに収容されるカメラのポインティング角度を調整するための方法であって、前記能動的安定化システムは、操縦部材を備え、該操縦部材は、前記能動的安定化システムのパン軸、チルト軸及びロール軸の一以上の周りで回転可能であり、前記方法は、
   前記操縦部材の回転運動と関連する操縦部材の接合角度測定を導出するステップと、
   前記接合角度測定が閾値ウインドウを超えた場合、前記操縦部材の回転運動の方向において、導出された前記接合角度測定に基づき、前記能動的安定化システムにより、カメラのポインティング角度を調整するステップと、
   前記接合角度測定が前記閾値ウインドウ内である場合、前記指示ポインティング角度に従い、前記カメラのポインティング角度を能動的に安定化させるステップと、
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記回転運動は、垂直軸周りで検出される、方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、
   前記能動的安定化システムによって、前記接合角度測定が前記閾値ウインドウ内である場合、ポインティング角度がロック状態にあることを表示するステップをさらに含む、方法。
4. 請求項３に記載の方法において、前記表示するステップは、
   前記能動的安定化システムの可視的インジケータを使用して、前記ポインティング角度のロック状態を可視的に表示するステップと、
   ポインティング角度がロック状態であることを示す音声インジケータを生成するステップとのいずれか一つを含む、方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の方法において、
   前記接合角度測定を更新するステップをさらに含み、該更新するステップは、
   前記接合角度測定が前記閾値ウインドウを超える場合、前記閾値ウインドウの閾値により前記接合角度測定を低減するステップと、
   前記接合角度測定が前記閾値ウインドウ内である場合、前記接合角度測定をゼロに設定するステップと、
   更新された前記接合角度測定に基づき前記カメラの前記ポインティング角度を調整するための制御指示を導出するステップとを含む、方法。
6. 請求項５に記載の方法において、
   前記指示ポインティング角度への更新の増加分を導出するために低減された前記接合角度測定に強制ファンクションを適用するステップと、
   前記更新の増加分により前記指示ポインティング角度を更新するステップと、
   前記操縦部材の前記回転運動の前記方向において低減した前記接合角度測定に比例する前記カメラのポインティング角度の調整のために、前記制御指示を導出する更新された前記指示ポインティング角度に基づき、安定化制御ループ更新を実行するステップとをさらに含む、方法。
7. 請求項５に記載の方法において、
   指示角度率を導出する角度ベース制御ループを実行するステップと、
   前記ポインティング角度を調整するための前記制御指示を導出するために、更新された前記接合角度測定及びゼロ指示角度に基づき、安定化制御ループ更新を実行するステップとをさらに含む、方法。
8. 請求項６又は７に記載の方法において、前記安定化制御ループ更新は、
   指示チルト率を導出するための角度ベース外側制御ループと、
   前記カメラの前記ポインティング角度を調整するために前記制御指示を導出するための前記指示チルト率及び前記カメラの現在の角度率に基づく、率ベース内側制御ループ更新とを備える、方法。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の方法において、ポインティング角度はロックされる際にトリガが関与し、該方法は、
   前記カメラの現在のポインティング角度を測定するステップと、
   前記指示ポインティング角度として前記カメラの測定した前記ポインティング角度を格納するステップとをさらに含む、方法。
10. 請求項７に記載の方法において、
    前記ポインティング角度をロックするトリガが解除されるまで、格納された前記指示ポインティング角度に従い、前記カメラの前記ポインティング角度を能動的に安定化させるステップをさらに含む、方法。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法において、前記接合角度測定を導出するステップは、
    前記パン軸、前記チルト軸及び前記ロール軸の一つのためのアクチュエータのレゾルバから、前記パン軸、前記チルト軸及びロール軸の前記一つのために前記接合角度測定を取得するステップを含む、方法。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法において、前記パン軸、前記チルト軸及び前記ロール軸の１つのために実行される、方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、前記接合角度測定は、（１）前記パン軸、前記チルト軸及び前記ロール軸の前記１つに対応する軸のための接合角度、（２）前記パン軸、前記チルト軸及び前記ロール軸の前記１つとは別の軸のための接合角度、及び、（３）前記カメラの現在のポインティング角度及び前記能動的安定化システムのポインティング角度の一以上に応じた、前記パン軸、前記チルト軸及び前記ロール軸のための二以上の接合角度の１つに基づき導出される、方法。
14. 請求項１又は２に記載の方法において、
    新しい接合角度測定が前記閾値ウインドウ内である場合、前記カメラの前記ポインティング角度の前記調整を停止するステップをさらに含む、方法。
15. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法において、前記接合角度測定を導出するステップは、
    前記カメラに搭載された第１の慣性測定ユニットにより第１の角度を測定するステップと、
    第２の測定を導出するために、ジンバルフレームの中間位置に配置された第２の慣性測定ユニットにより、第２の角度を測定するステップと、
    前記第１及び第２の角度に基づき、前記接合角度測定を導出するステップとを含む、方法。
16. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法において、前記接合角度測定を導出するステップは、
    前記パン軸、前記チルト軸及び前記ロール軸の二以上のための接合角度を測定するステップと、
    前記測定した接合角度の二以上に基づき、前記接合角度測定を導出するステップとを含む、方法。
17. 請求項１から１３に係る方法を、プロセッサに実行させるための命令プログラムを格納する非一時的コンピュータ可読媒体。
18. 収容するカメラのポインティング角度を調整するための能動的安定化システムであって、該能動的安定化システムは、指示ポインティング角度に従い前記カメラを安定化させるように構成され、前記能動的安定化システムは、
    前記カメラを支持するための支持部材と、
    前記能動的安定化システムのパン軸、チルト軸及びロール軸の一以上の周りで回転可能な操縦部材と、
    前記カメラに搭載され、前記カメラのポインティング角度及び角度率を測定するように構成された慣性測定ユニットと、
    前記慣性測定ユニットにより提供される前記測定を使用して、パン軸、チルト軸及びロール軸の一以上のために、請求項１から１４のいずれか一項に係る方法を実行するように構成された能動的安定化コントローラと、
    を備える能動的安定化システム。
19. 請求項１８に記載の能動的安定化システムにおいて、
    前記能動的安定化システムのフレームに搭載され、かつ前記操縦部材のポインティング角度を測定するように構成された第２の慣性測定ユニットをさらに備え、
    前記能動的安定化コントローラは、前記カメラに搭載される慣性測定ユニット及び前記第２の慣性測定ユニットによって提供される前記測定を使用して、前記パン軸、前記チルト軸及び前記ロール軸の一以上のために、請求項１５に係る方法を実行するようにさらに構成される、能動的安定化システム。
20. 請求項１８又は１９に記載の能動的安定化システムにおいて、前記カメラの前記ポインティング角度がロックされていることを表示するためのインジケータをさらに備える、能動的安定化システム。
21. 請求項１８から２０のいずれか一項に記載の能動的安定化システムにおいて、カメラオペレータに、前記パン軸、前記チルト軸及び前記ロール軸の選択される一以上のために請求項１から１６のいずれか一項に係る方法を実行可能にするようにさらに構成される、能動的安定化システム。

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