JPH0732646U - 光学カメラジンバル制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光学カメラ光軸のドリフトを防止し、高い光
軸安定性を持ち一定の方向を指向し続けるように制御す
る。 【構成】 光学カメラ光軸が所望の方向へ向けられた時
点のジンバル角度（ＡＺ，ＥＬ）と、この時点にて機体
姿勢検出装置３７により検出された移動体の姿勢データ
とから、地面に対して維持すべき光軸の角度（ＡＺ_G，
ＥＬ_G）を計算し記憶するカメラ光軸角度計算部３８
と、維持すべき光軸の角度（ＡＺ_G，ＥＬ_G）と、前記時
点以降において機体姿勢検出装置３７により順次検出さ
れた姿勢データとから、目標とするジンバル角度（ＡＺ
_O，ＥＬ_O）を計算し出力するジンバル角度計算部３９
と、目標とするジンバル角度（ＡＺ_O，ＥＬ_O）と、ジン
バル部２１における実際のジンバル角度（ＡＺ，ＥＬ）
との偏差を求め、角速度指令をジンバル部２１に出力す
る手段とを備えている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、航空機等に搭載される光学カメラジンバルを制御するための光学カ メラジンバル制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

航空機に搭載する光学カメラジンバルは、機体の動揺によって光学カメラの光 軸がぶれて画像が見にくくならないように制御する必要がある。従来の光学カメ ラジンバルには、このような画像のぶれを防止するために、スタビライザが設け られていた。このスタビライザは、光軸上に角速度を検出するレートジャイロを 設置し、検出された角速度を打ち消すような制御を行うものである。ここで、光 軸はジョイスティックにより手動で操作することが可能であるが、操作をしない 場合は最後に向けた方向を光軸が維持するように制御される。

【０００３】 しかし、レートジャイロには時間の経過と共にゼロ点がドリフトする特性があ る。このため、レートジャイロがドリフトすることによって光学カメラの光軸ま でが動いてしまうという問題があった。さらに、光学カメラの光軸がドリフトし ないようにジンバルの角度を制御すると、機体の動揺によって画面がぶれる結果 を招くことになる。

【０００４】 また従来の制御装置として、特開平２−１７７７７３号公報に開示されたもの がある。この従来装置では、光学カメラの角速度検出にレートジャイロを使用す るため、ドリフトが生じる。このドリフトは周波数が小さいため、光学カメラの 操作との判別ができずに光学カメラの光軸がドリフトし、次第に所望の方向から ずれた方向へ向いてしまうことになる。また、角速度を得るために、角度の微分 あるいは角加速度の積分を行う場合には時間的な遅れが生じ、光軸を安定させる 制御性が劣化するという問題もあった。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

このように、従来はレートジャイロのドリフトによって光学カメラの光軸が動 くため、長時間一定方向を指向し続けることができないという問題があった。

【０００６】 本考案は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光学カメラの光軸のドリフ トを防止し光学カメラを一定の方向に指向し続けることができる光学カメラジン バル制御装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

本考案の光学カメラジンバル制御装置は、移動体に、当該移動体の姿勢を検出 する姿勢検出装置と、角速度を指令されて光学カメラが取り付けられたジンバル を駆動するジンバル部とが搭載されており、前記ジンバルの角度制御を行う装置 において、前記光学カメラの光軸が所望の方向へ向けられた時点におけるジンバ ル角度と、この時点において前記姿勢検出装置により検出された前記移動体の姿 勢データとを与えられ、地面に対して維持すべき前記光軸の角度を計算し記憶す るカメラ光軸角度計算部と、記憶されたこの維持すべき光軸の角度と、前記時点 以降において前記姿勢検出装置により順次検出された姿勢データとを与えられ、 目標とするジンバル角度を計算し出力するジンバル角度計算部と、出力されたこ の目標とするジンバル角度と、前記ジンバル部における実際のジンバル角度との 偏差を求め、角速度指令を前記ジンバル部に出力して前記ジンバルを駆動させる 手段とを備えたことを特徴としている。

【０００８】

【作用】

ジンバル部のジンバルに取り付けられた光学カメラの光軸が所望の方向へ向け られた後、この時点におけるジンバル角度と移動体の姿勢データとがカメラ光軸 角度計算部に与えられ、地面に対して維持すべき前記光軸の角度が計算されて記 憶される。ジンバル角度計算部にこの維持すべき光軸の角度と、前記光軸が所望 の方向へ向けられた時点以降において姿勢検出装置により検出された時々刻々と 変化する姿勢データとが与えられ、目標とすべきジンバル角度が計算されて出力 される。この目標とするジンバル角度と、ジンバル部における実際のジンバル角 度との偏差が求められて、角速度指令がジンバル部に出力され、地面に対して前 記光軸が所望の方向を維持するように前記ジンバルが駆動される。これにより、 光学カメラの光軸を所望の方向へ向けた時点以降において、高性能の光軸安定性 を持ちつつ前記光軸がドリフトするのが防止され、この方向を指向し続けること ができる。

【０００９】

【実施例】

以下、本考案に係る光学カメラジンバル制御装置の一実施例について図面を参 照して説明する。

【００１０】 本実施例による光学カメラジンバル制御装置の制御ブロックを図１に示す。ジ ョイスティック１１は、図示されていない光学カメラが取り付けられたジンバル を有するジンバル部２１のジンバル角度であるアジマス角（方位角）ＡＺとエレ ベーション角（高低角）ＥＬとを手動で操作するのに用いられ、角速度ｄＡＺ／ ｄｔ指令，角速度ｄＥＬ／ｄｔ指令をそれぞれ出力し、ジンバル部２１に与える ことでジンバル角度の操作を行い、光学カメラの光軸を地面に対して所望の方向 へ向けるものである。

【００１１】 前記ジョイスティック１１の２つの出力端（角速度ｄＡＺ／ｄｔ指令，角速度 ｄＥＬ／ｄｔ指令を出力する出力端）とジンバル部２１の入力端とが、スイッチ １２及び１３を介してそれぞれ接続され、ジンバル部２１の２つの出力端子２２ 及び２３と計算装置３１の入力端とがそれぞれ接続されている。さらに、計算装 置３１の出力端とジンバル部２１の２つの入力端とがスイッチ１２及び１３を介 して接続されるようになっている。

【００１２】 ここで、ジョイスティック１１，ジンバル部２１、機体姿勢検出装置３７及び 計算装置３１が航空機の機体に搭載されるが、このうちジンバル部２１及び機体 姿勢検出装置３７は光学カメラの基準面に合わせた状態で取り付けられる。なお 、機体姿勢検出装置３７は航空機の操縦のために必要なものであり、航空機であ れば搭載されているのが普通である。

【００１３】 スイッチ１２及び１３は、ジンバル部２１の入力端に、ジョイスティック１１ の出力端又は計算装置３１の出力端のいずれかを切り換えて接続するもので、ス イッチ１２では接点１２ｂと、接点１２ａ又は１２ｃとの間で接続が切り換わる 。接点１２ａにはジョイスティック１１の角速度ｄＡＺ／ｄｔ指令を出す出力端 が接続され、接点１２ｂにはジンバル部２１、接点１２ｃには計算装置３１がそ れぞれ接続されている。同様に、スイッチ１３では接点１３ｂと、接点１３ａ又 は１３ｃとの間の接続が切り換わる。接点１３ａにはジョイスティック１１の角 速度ｄＥＬ／ｄｔ指令を出す出力端が接続され、接点１３ｂにはジンバル部２１ 、接点１３ｃには計算装置３１がそれぞれ接続されている。ここで、スイッチ１ ２及び１３の接片がそれぞれＡ方向に動いて（スイッチ１２，１３は連動する） 、接点１２ａと１２ｂ，１３ａと１３ｂとが接続され、ジョイスティック１１と ジンバル部２１とが接続された状態を、ジョイスティックオン状態とする。

【００１４】 また、ジンバル部２１は光学カメラの光軸の角度及び角速度を検出する機能を 有している。このジンバル部２１は、スイッチ１２及び１３がジョイスティック オン状態にあるときは、ジョイスティック１１から角速度指令（角速度ｄＡＺ／ ｄｔ指令，角速度ｄＥＬ／ｄｔ指令）を与えられて、ジンバル角度の制御を行う 。スイッチ１２及び１３がジョイスティックオフ状態にあるときは、ジンバル部 ２１が計算装置３１に接続され、検出したジンバルの角度をフィードバックさせ て角速度指令と一致するように制御する。

【００１５】 ジンバル部２１には、アジマス角ＡＺ及びエレベーション角ＥＬに対してそれ ぞれ比較器２１ａ及び２１ｇ，レート補償トルカ制御部２１ｂ及び２１ｈ，トル カ２１ｃ及び２１ｉ，光学カメラが取り付けられたジンバル２１ｄ及び２１ｊ， 角速度出力端子２１ｐ及び２１ｑが設けられている。また、出力端子２１ｐ及び ２１ｑは比較器２１ａ及び２１ｇに接続されている。また、ジンバル２１ｄ及び ２１ｊより引き出された角度出力端子２２及び２３にはそれぞれアジマス角ＡＺ 及びエレベーション角ＥＬが得られるようになっている。

【００１６】 機体姿勢検出装置３７は、上述したように光学カメラの基準面に合わせて搭載 され、飛行中に時々刻々と変化する機体の地面に対する姿勢角（ピッチ角θ，ロ ール角φ及び機首方位角ψ）の検出を行うもので、検出結果を計算装置３１に出 力する。

【００１７】 計算装置３１は、スイッチ３２〜３６、カメラ光軸角度計算部３８、ジンバル 角度計算部３９、比較器４０及び４１、増幅器４２及び４３を有している。スイ ッチ３２では、接点３２ａは角度出力端子２３に接続され、接点３２ｂは比較器 ４０に接続され、接点３２ｃはカメラ光軸角度計算部３８に接続されている。ス イッチ３３では、接点３３ａは角度出力端子２２に接続され、接点３３ｂは比較 器４１に接続され、接点３３ｃはカメラ光軸角度計算部３８に接続されている。 スイッチ３４において、接点３４ａは機体姿勢検出装置３７のピッチ角θを出す 出力端に接続され、接点３４ｂはカメラ光軸角度計算部３８に接続され、接点３ ４ｃはジンバル角度計算部３９に接続されている。スイッチ３５では、接点３５ ａが機体姿勢検出装置３７のロール角φを出す出力端に接続され、接点３５ｂが カメラ光軸角度計算部３８に接続され、接点３５ｃがジンバル角度計算部３９に 接続されている。スイッチ３６では、接点３６ａは機体姿勢検出装置３７の機首 方位角ψを出す出力端に接続され、接点３６ｂはカメラ光軸角度計算部３８に接 続され、接点３６ｃはジンバル角度計算部３９に接続されている。

【００１８】 カメラ光軸角度計算部３８の入力端には、上述のようにスイッチ３２〜３６が 接続され、カメラ光軸角度計算部３８の２つの出力端（地面に対する光軸のアジ マス角ＡＺ_Gを出す出力端及びエレベーション角ＥＬ_Gを出す出力端）はジンバル 角度計算部３９の入力端に接続されている。またジンバル角度計算部３９の他の 入力端には、スイッチ３４〜３６が接続されている。ジンバル角度計算部３９の ２つの出力端（機体を基準としたアジマス角ＡＺ_Oを出す出力端及びエレベーシ ョン角ＥＬ_Oを出す出力端）は、それぞれ比較器４１及び４０の入力端に接続さ れ、比較器４０及び４１の出力端はそれぞれ増幅器４２及び４３の入力端に接続 されている。増幅器４２及び４３の出力端は、スイッチ１３及び１２にそれぞれ 接続されている。

【００１９】 このような構成を備えた本実施例は、次のように動作する。先ず、操作者がジ ョイスティック１１を用いて光学カメラの光軸を地面に対して所望の方向へ向け る。この間、スイッチ１２及び１３はジョイスティックオン状態であり、ジョイ スティック１１とジンバル部２１が接続され、計算装置３１とジンバル部２１と の接続は遮断される。ジンバル部２１は、ジョイスティック１１からの角速度指 令（角速度ｄＡＺ／ｄｔ指令，角速度ｄＥＬ／ｄｔ指令）に基づいて制御動作を 行う。

【００２０】 次に、カメラ光軸が所望の方向へ向くと、スイッチ１２及び１３はジョイステ ィックオフ状態になり、ジョイスティック１１とジンバル部２１との接続が遮断 され、計算装置３１がジンバル部２１に接続される。以降、ジンバル部２１は計 算装置３１からの角速度指令に基づいて、カメラ視軸（カメラ光軸）が地面に対 して一定の方向を維持するように制御動作を行う。

【００２１】 次に、ジンバル部２１及び計算装置３１における動作を詳述する。

【００２２】 操作者が、ジョイスティック１１を用いてカメラ光軸を地面に対して所望の方 向に指向させる段階では、上述したようにスイッチ１２及び１３はジョイスティ ックオン状態にある。この場合には、ジョイスティック１１からアジマス角速度 ｄＡＺ／ｄｔ指令信号と、エレベーション角速度ｄＥＬ／ｄｔ指令信号とがジン バル部２１に与えられる。

【００２３】 この場合の制御動作は、アジマス角とエレベーション角とに関して同様であり 、アジマス角を例にとり説明する。

【００２４】 アジマス角速度ｄＡＺ／ｄｔ指令信号が比較器２１ａを介してレート補償トル カ制御部２１ｂに入力され、トルカを制御するために必要な信号が出力される。 トルカ２１ｃがこの信号に基づいて必要なトルクを発生させ、ジンバル２１ｄに このトルクが与えられてジンバルのアジマス角ＡＺが調節される。ジンバル２１ ｄはトルカ２１ｃにより与えられたトルクにより駆動され、ジンバルのアジマス 角速度ｄＡＺ／ｄｔが出力端子２１ｐを介して比較器２１ａに出力される。比較 器２１ａは、この検出された角速度ｄＡＺ／ｄｔとジョイスティック１１から与 えられる角速度ｄＡＺ／ｄｔ指令との偏差を求め、レート補償トルカ制御部２１ ｂに出力する。このようなフィードバック制御が行われて、ジンバルのアジマス 角の制御が行われる。また、アジマス角ＡＺは出力端子２２より外部及び計算装 置３１に出力される。エレベーション角度ＥＬに関しても同様な制御が行われ、 出力端子２３からはエレベーション角度ＥＬが出力される。

【００２５】 ジョイスティック１１による操作でカメラの光軸が所望の方向に指向すると、 操作者はジョイスティック１１から手を放し、かつスイッチ１２及び１３をジョ イスティックオフ状態にしてジンバル部２１との接続を遮断する。これにより、 ジョイスティック１１からの角速度指令の入力が停止される。

【００２６】 この時点における機体姿勢角（ピッチ角θ、ロール角φ及び機首方位角ψ）が 機体姿勢検出装置３７によって検出され、計算装置３１に与えられる。

【００２７】 計算装置３１において、ジョイスティックオン状態の間は、スイッチ３２及び ３３はそれぞれ接片がＢ方向に動き、かつスイッチ３４〜３６はそれぞれ接片が Ｃ方向に動き、接点３２ａ，３３ａと接点３２ｃ，３３ｃとがそれぞれ接続され 、接点３４ａ〜３６ａと接点３４ｂ〜３６ｂとが接続されている（スイッチ１２ ，１３，３２〜３６の切り換え動作は連動する。）。これにより、ジンバル角（ アジマス角ＡＺ及びエレベーション角ＥＬ）と機体姿勢角（ピッチ角θ、ロール 角φ及び機首方位角ψ）は全てカメラ光軸角度計算部３８に入力される。カメラ 光軸角度計算部３８は、これらの角度を用いて地面に対するカメラの光軸角度の 計算を行う。

【００２８】 ジョイスティックオフ状態になると、各スイッチ１２，１３，３２〜３６はジ ョイスティックオン状態のときの反対側に切り換わり、カメラ光軸角度計算部３ ８はジョイスティックオフ状態となる時点（光学カメラの光軸が所望の方向へ向 けられた時点）でのアジマス角ＡＺ及びエレベーション角ＥＬと、ピッチ角θ、 ロール角φ及び機首方位角ψとを用いてアジマス角ＡＺ_G及びエレベーション角 ＥＬ_Gを計算し、記憶すると共に、ジンバル角度計算部３９へ出力する。このア ジマス角ＡＺ_G及びエレベーション角ＥＬ_Gは、ジョイスティックオフ以降、地面 に対して維持すべきカメラの光軸の角度に相当する。

【００２９】 また、ジンバル部２１から出力されたアジマス角ＡＺ及びエレベーション角Ｅ Ｌは、スイッチ３３及び３２を介して比較器４１及び４０へそれぞれ与えられる 。同様に、機体姿勢検出装置３７から出力されたピッチ角θ、ロール角φ及び機 首方位角ψは、スイッチ３４〜３６を経てジンバル角度計算部３９に与えられる 。ジンバル角度計算部３９は、地面に対して維持すべきアジマス角ＡＺ_G及びエ レベーション角ＥＬ_Gと、時々刻々と変化する機体のピッチ角θ、ロール角φ及 び機首方位角ψとを用いて、機体を基準とした制御目標値となるアジマス角 ＡＺ_O及びエレベーション角ＥＬ_Oを計算し、それぞれ比較器４１及び４０に出力 する。

【００３０】 比較器４１及び４０は、このアジマス角ＡＺ_O及びエレベーション角ＥＬ_Oと測 定されたアジマス角ＡＺ及びエレベーション角ＥＬとの偏差を求め、それぞれ増 幅器４３及び４２に出力する。増幅器４３及び４２は、それぞれの偏差に一定の ゲインを乗じてスイッチ１２及び１３に出力する。スイッチ１２及び１３は、ジ ョイスティックオフ状態になっているため、増幅器４３及び４２からの出力はジ ンバル部２１に与えられる。ジンバル部２１は、この出力を角速度ｄＡＺ／ｄｔ 指令及び角速度ｄＥＬ／ｄｔ指令として与えられ、この指令に基づきカメラの光 軸が地面に対してアジマス角ＡＺ_G及びエレベーション角ＥＬ_Gを維持するように 制御を行う。

【００３１】 このように本実施例では、ジョイスティック１１によって光学カメラの光軸を 所望の方向に向け、その時点におけるジンバル角と機体姿勢角とから、地面に対 して光軸が維持すべきアジマス角ＡＺ_G及びエレベーション角ＥＬ_Gを計算して記 憶し、時々刻々と変化する機体の姿勢角から目標とするアジマス角ＡＺ_O及びエ レベーション角ＥＬ_Oを算出する。そして、実際のアジマス角ＡＺ及びエレベー ション角ＥＬとの偏差を求め、この偏差に基づいた角速度指令をジンバル部２１ に与えてジンバル角度を制御する。これにより、ジョイスティック１１をオフし た後において、光学カメラの光軸がドリフトするのを防止し所望の角度を指向さ せ続けることができる。

【００３２】 ここで、カメラ光軸角度計算部３８が求める地面に対するアジマス角ＡＺ_G及 びエレベーション角ＥＬ_Gと、ジンバル角計算部３９が求める機体を基準とした アジマス角ＡＺ_O及びエレベーション角ＥＬ_Oは、次のようにして算出することが できる。

【００３３】 先ず、ジンバルのアジマス角ＡＺ及びエレベーション角ＥＬのとり方を図２に 示す。航空機の機体５１の機首下部に、ジンバル部２１が取り付けられ、機体５ １内部に計算装置３１と機体姿勢検出装置３７が搭載されている。ジンバル部２ １のジンバルのアジマス角ＡＺは、機首方向６１を０度にとり、矢印Ｅの方向を （＋）に、矢印Ｆの方向を（−）にとる。エレベーション角ＥＬは、機体５１の 水平面６３を０度にとり、これより矢印Ｈの方向を（＋）に矢印Ｇの方向を（− ）にとる。

【００３４】 ジョイスティック１１をオフさせた時点における地面に対するカメラの光軸の 単位ベクトル（ａ，ｂ，ｃ）は、次の（１）式のように表される。ここで、アジ マス角ＡＺ₁，エレベーション角ＥＬ₁，ピッチ角θ₁，ロール角φ₁，機首方位角 ψ₁は、それぞれジョイスティック１１をオフさせた瞬間における角度とする。

【数１】

【００３５】 この（１）式からカメラ光軸の単位ベクトル（ａ，ｂ，ｃ）が求まり、次の（ ２）式及び（３）式を用いることによって、地面に対して向けるべきカメラの光 軸（アジマス角ＡＺ_G及びエレベーション角ＥＬ_G）が求まる。

【数２】

【００３６】 カメラ光軸角度計算部３８に、このアジマス角ＡＺ_G及びエレベーション角Ｅ Ｌ_Gと、絶えず変化する機体５１のピッチ角θ、ロール角φ、機首方位角ψとが 入力される。これらの角度を、次の（４）式に代入する。

【数３】

【００３７】 この（４）式を次の（５）式に代入することで、光軸の単位ベクトル（Ａ，Ｂ ，Ｃ）が求まる。この単位ベクトル（Ａ，Ｂ，Ｃ）より、次の（６）式及び（７ ）式を用いて目標とすべきアジマス角ＡＺ_Oとエレベーション角ＥＬ_Oとが求まる 。

【数４】

【数５】

【００３８】 上述した実施例は一例であり、本考案を限定するものではない。例えば、制御 ブロックの構成は図１に示されたものと異なっていてもよく、またカメラの光軸 を所望の方向へ向ける際にジョイスティック以外の手段を用いてもよい。

【００３９】

【考案の効果】

以上説明したように、本考案の光学カメラジンバル制御装置は、光学カメラの 光軸が所望の方向へ向けられた後、この時点におけるジンバル角度と移動体の姿 勢データとから地面に対して維持すべき光軸の角度が計算され、この維持すべき 光軸の角度と、光軸が所望の方向へ向けられた時点以降における姿勢データとか ら目標となるジンバル角度が計算され、この目標値と実際のジンバル角度との偏 差に基づく角速度指令によりジンバルが駆動されるため、光学カメラの光軸を所 望の方向へ向けた時点以降において、該光軸がドリフトするのが防止され、この 方向を指向させ続けることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例による光学カメラジンバル制
御装置の制御ブロック図である。

【図２】同光学カメラジンバル制御装置を機体に搭載し
た場合のアジマス角とエレベーション角とを示した斜視
図である。

【符号の説明】

１１ ジョイスティック １２，１３，３２〜３６ スイッチ ２１ ジンバル部 ２１ａ，２１ｇ，４０，４１ 比較器 ２１ｂ，２１ｃ レート補償トルカ制御部 ２１ｃ，２１ｉ トルカ ２１ｄ，２１ｊ ジンバル ２２，２３ 出力端子 ３１ 計算装置 ３７ 機体姿勢検出装置 ３８ カメラ光軸角度計算部 ３９ ジンバル角度計算部 ４２，４３ 増幅器 ５１ 機体

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動体に、当該移動体の姿勢を検出する
   姿勢検出装置と、角速度を指令されて光学カメラが取り
   付けられたジンバルを駆動するジンバル部とが搭載され
   ており、前記ジンバルの角度制御を行う光学カメラジン
   バル制御装置において、 前記光学カメラの光軸が所望の方向へ向けられた時点に
   おけるジンバル角度と、この時点において前記姿勢検出
   装置により検出された前記移動体の姿勢データとを与え
   られ、地面に対して維持すべき前記光軸の角度を計算し
   記憶するカメラ光軸角度計算部と、 記憶されたこの維持すべき光軸の角度と、前記時点以降
   において前記姿勢検出装置により順次検出された姿勢デ
   ータとを与えられ、目標とするジンバル角度を計算し出
   力するジンバル角度計算部と、 出力されたこの目標とするジンバル角度と、前記ジンバ
   ル部における実際のジンバル角度との偏差を求め、角速
   度指令を前記ジンバル部に出力して前記ジンバルを駆動
   させる手段とを備えたことを特徴とする光学カメラジン
   バル制御装置。