JPH0738814Y2 - ジャイロスコープ付カメラスタビライザ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この考案は航空機又は車輌等の運動体から撮影時に、カ
メラブレをなくし安定した画像を得る為に使用するカメ
ラスラビライザの改良に関する。

「従来の技術」 運動体からの撮影においては、その運動体から受ける揺
れや振動、又は風圧等の外乱要素により、（ビデオ）カ
メラは直線振動及び角振動を起こし、画面ブレの原因と
なる。特に航空機からの空撮時には被写体との距離を短
かく保つことが困難であるため、レンズを高倍率で使用
することが多く、それだけ安定した画像を得ることが難
かしくなる。この場合画面に対して影響が最も大きいの
は角振動であることが知られているので、２軸又は３軸
が自由に回転できるジンバル機構の上にカメラを設置
し、そのジンバル機構を２つ又は３つのジャイロで制御
することにより、カメラを慣性空間に自由に安定させ、
さらにカメラマンがジョイスティックを操作してカメラ
の方向を自由に制御できるようにしている。また直線振
動はAVM（ANTIVIBRATION MOUNT）によって除去するよう
にしている。以下図面を使用して従来のカメラスタビラ
イザを詳細に説明しよう。

従来のカメラスタビライザは第２図及び第３図に示すよ
うに、ピッチ軸１、ロール軸２、ヨー軸３及びこれら３
軸とそれぞれ対応するピッチジンバル４、ロールジンバ
ル５、ヨージンバル６を備えた所謂ジンバル機構を持
ち、最も内側に位置するピッチジンバル４にビデオカメ
ラ７のカメラ台座８及びジャイロブロック９が搭載され
る。ジャイロブロック９内にはピッチジャイロ11、ロー
ルジャイロ12及びヨージャイロ13が図のような向きに配
置され、それぞれの円柱状の筺体がねじ止めされてい
る。各ジャイロの外周面より垂直方向に画いた矢印はジ
ャイロの入力軸を示すもので、各ジャイロは入力軸回り
の回転角を検出することによりジンバル機構を制御す
る。これにより第４図に示すように機体14がたとえ旋回
してもビデオカメラは、慣性空間に対して一定の方向、
つまり一定の姿勢に保持される。第４図にはヨー軸回り
の方向、つまり方位角が一定である場合を示したが、ピ
ッチ軸１回りの方向、つまりピッチ角及びロール軸２回
りの方向、つまりロール角についても同様に一定方向に
保持される。

カメラを目的の被写体に向けるには、カメラマンがジョ
イスティック等により各ジャイロのトルクジェネレータ
（TG）に制御信号を入力させて、ジャイロを強制的にド
リフトさせて、カメラの姿勢を変化させている。

ジンバル機構は機体のスタンド20に上下方向の直線振動
を除去する為のAVM21及びユニバーサルジョイント22を
介して吊り下げられる。これによりジンバル機構は機体
の姿勢変化に対して常に重力方向に保持される。ヨーモ
ータ28によりヨージンバル６をスタンド20を基準にして
ヨー軸３の回りに回転させることができ、ロールモータ
27によりロールジンバル５をヨージンバル６を基準とし
てロール軸２の回りに回転させることができる。ジャイ
ロブロック９に固定されているピッチモータ26を回転さ
せると、そのシャフトの先端に取付けられている小さな
ギアが大きなギア（ロールジンバル５に固定されてい
る）の回りに回転するので、ピッチモータ26自身も大き
なギアの回りを、つまりピッチ軸１の回りを回転する。
そのピッチモータ26と一緒にジャイロブロック９が回転
することになり、結局ジャイロブロック９に一端が固定
されているピッチジンバル４（従ってカメラ７）をロー
ルジンバル５を基準にピッチ軸１の回りに回転させるこ
とができる。

ジンバルの回転部に摩擦がなく、回転軸回りのマスアン
バランスがなければ、何らジンバル機構を制御すること
なく、カメラを安定させることができる。しかし実際に
は回転部の摩擦及びマスアンバランスの為、機体の動き
はカメラに対する外乱となり、画像安定に大きな影響を
与える。そこで機体の運動により発生した３軸まわりの
外乱、つまり角度変位をレート積分ジャイロであるピッ
チジャイロ11、ロールジャイロ12、ヨージャイロ13によ
り検出し、それぞれの検出信号P_G,R_G,Y_Gをサーボ回路2
3,24,25にそれぞれ入力し、それぞれの出力によりピッ
チジンバル４、ロールジンバル５、ヨージンバル６がそ
の角度変位を打ち消す方向に回転するようにそれぞれサ
ーボモータであるピッチモータ26、ロールモータ27、ヨ
ーモータ28を制御する。第３図では機械系による接続関
係を斜線を付した線で示している。なおピッチジンバル
４、ロールジンバル５、ヨージンバル６の回転角である
ピッチ角θ_Ｐ、ロール角θ_Ｒ、ヨー角θ_Ｙは各ジンバル
と共にそれぞれのサーボモータによって駆動されるピッ
チポテンショ29、ロールポテンショ30、ヨーポテンショ
31により電気信号として出力され、必要に応じ指示メー
タ等に与えられる。

各ジャイロによる制御によってカメラは機体の運動にも
かかわらず、常に慣性空間に対して一定の姿勢に保持さ
れるので、カメラを目的の被写体に向けるために、ジョ
イスティック32を第５図に示すように、前後、左右又は
ループ方向に操作して、ジョイスティック32より各ジャ
イロ11,12,13のトルクジェネレータ（TG）に制御信号を
印加して、各ジャイロの出力を強制的にドリフトさせ、
それぞれサーボ回路及びサーボモータを介して、そのド
リフトをキャンセルするように各ジンバルを回転させ
る。

なお各ジャイロで検出した角度変位を示す信号P_G,R_G,Y_G
は各ジャイロのシグナルジェネレータ（SG）より出力さ
れ各サーボ回路に与えられる。

また第２図ではヨーポテンショ31しか図示していないが
ピッチポテンショ29及びロールポテンショ30も各軸のサ
ーボモータで同様に駆動される。

第２図及び第３図はピッチ軸１、ロール軸２及びヨー軸
３を自由に回転できる３軸ジンバル機構を用いた場合で
あるが、ピッチ軸及びヨー軸を回転自在とした２軸ジン
バル機構も用いられる。

「考案が解決しようとする課題」 実際の撮影においてはビデオカメラの方向を機体に対し
て常に一定方向を向かせておく必要がある場合がある。
例えば第６図に示すように、目標物の回りを旋回しなが
ら撮影する場合や、第７図に示すように、海岸線等の曲
線に沿って飛行し、撮影する場合などである。従来のカ
メラスタビライザでは、もしジョイスティックにより操
作しなければ、機体が旋回すると、第４図に示したよう
に、カメラは機体に対して回転する。カメラを機体に対
し一定方向に保持するためにはカメラマンはジョイステ
ィックを常時操作しなければならない。ただでさえ撮影
作業で多忙のカメラマンにとってこの操作ははなはだや
っかいな仕事であり、他の撮影作業に少なからず影響を
与える。この考案はこのような現状に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、機体が旋回した場
合、必要に応じ自動的にビデオカメラの方向を機体に対
し一定の角度に保持できるようにすることである。

「課題を解決するための手段」 ヨー軸、ピッチ軸及び必要に応じロール軸が自由に回転
できるジンバル機構の上にカメラを設置し、上記ジンバ
ル機構をヨージャイロ、ピッチジャイロ及び必要に応じ
ロールジャイロで制御することにより上記カメラを慣性
空間に自動安定させ、ジョイスティックを操作すること
により上記ジャイロのトルクジェネレータに制御信号を
供給して上記カメラの方向を航空機等運動体の機体に対
し所定の方向に設定することのできるジャイロスコープ
付カメラスタビライザにおいて、この考案では、 上記ジョイスティックで上記カメラを上記機体に対し所
定の方向に設定した時の上記ジンバル機構に付属されて
いるヨーポテンショメータより出力される基準ヨー角を
示す信号をラッチするラッチ手段と、そのラッチされた
基準ヨー角を示す信号とヨー角を示す信号との差分をと
り、その差分に対応した信号により、以後のヨー角が基
準ヨー角に一致するように、上記ヨージャイロのトルク
ジェネレータを制御するヨー角保持手段とが設けられ
る。

「実施例」 この考案の実施例を第１図に、第３図と対応する部分に
は同じ符号を付し、重複説明は省略する。この考案では
ヨー角θ_Ｙを所定の角度にホールドさせるためのヨー角
ホールド回路40が追加されると共に、従来のジョイステ
ィック32とヨージャイロ13との間にモード切換スイッチ
が挿入され、必要に応じヨージャイロ13のトルクジェネ
レータに与える制御信号はジョイスティック32の出力よ
りヨー角ホールド回路40の出力に切換えられる。

ヨーポテンショ31の出力ヨー角信号θ_Ｙはヨー角ホール
ド回路40のアンプ41に入力され、所定のレベルに増幅さ
れて、差動アンプ42の一方の入力端子及びAD変換器43の
入力端子に供給される。AD変換器43に入力されたヨー角
信号θ_Ｙはディジタル信号に変換されてDA変換器44に入
力され、再びアナログ信号に変換されて差動アンプ42の
他方の入力端子に供給される。差動アンプ42の出力は低
域フィルタ45を介してモード切換スイッチ39に供給され
る。モード切換スイッチ39において差動アンプ42の出力
かジョイスティック32の出力かのどちらかが選択され
て、ヨージャイロ13のトルクジェネレータに供給され
る。

DA変換器44にラッチ信号46が印加されなければ、差動ア
ンプ42の他方の入力端子の信号はアンプ41の出力をAD変
換した信号を再びDA変換しただけであるから、一方の入
力端子の信号とほぼ同じ信号であるので、差動アンプ42
の出力はほぼゼロである。

機体が旋回中にカメラを機体に対して一定角度に保持す
る場合には、先ずモード切換スイッチ39の可動接点ｃを
固定接点ａに接続した状態、つまり従来技術で述べたと
同じ動作モード（スタビライズモードと言う）にして、
ジョイスティック32によりビデオカメラを希望する方向
に向ける。次にホールドスイッチ47をオンにして、モー
ド切換スイッチ39の可動接点ｃを固定接点ｂ側に切換え
てホールドモードにすると共に、ラッチ信号46をDA変換
器44に印加し、その時のDA変換器44の入力ディジタル信
号を内部にラッチさせる。これにより、カメラが希望す
る方向に向いた状態でのヨー角信号（基準ヨー角信号）
θ_YOがDA変換器44に保持され、以後継続してその信号θ
_YOがアナログ信号に変換されてDA変換器44より出力され
る。差動アンプ42はリアルタイムで変動するヨー角信号
θ_Ｙとラッチされた基準ヨー角信号θ_YOとの差分に応じ
た制御信号をヨージャイロ13のトルクジェネレータに印
加し、その差分を小さくするように制御する。従って定
常状態においてはビデオカメラは機体に対して所定の方
向に保持される。

なお低域フィルタ45では高域の雑音成分が抑圧され、機
体の旋回などによる比較的ゆっくり変化する低周波成分
が通過される。

〔補足説明〕

自動安定化閉ループ回路等についての説明を補足する。

（１）自動安定化閉ループ回路は、角度変位除去機能を
持つ、ジンバル機構を有し、そのジンバル機構で除去で
きなかった角度変位分をジャイロにより検出して、その
検出出力に応じてサーボ回路によりサーボモータを駆動
してジンバル機構の角度を補正するようにしたもので、
従来から用いられていたものである。これにより機体の
旋回のような周波数の低い角度変位から機体の揺動、振
動に含まれる周波数の高い角振動までの全ての角度変位
を除去することができる。その結果、カメラを慣性空
間に対して設定された一定の方向に維持すると同時に、
機体の角振動によるカメラのブレを抑え、撮影された
画面を揺れのない安定したものにすることができる。

（２）自動安定化閉ループ回路が前記の機能をもって
いるので、カメラの方向の設定を変更する場合には、
の機能に打ち勝って行わなければならない。そのためジ
ョイスティック32より制御信号を各ジャイロに与えて、
各ジャイロの出力を強制的にドリフトさせてやる必要が
ある。その結果各サーボ回路はそのドリフトをキャンセ
ルさせるようにサーボモータを制御して各ジンバルを回
転させ、カメラの方向を慣性空間に対して新しい一定の
方向に変更することができる。このカメラの方向の設定
変更の期間中でも自動安定化閉ループ回路はそのまま生
かされており、（１）で述べた機体の揺動、振動によ
るカメラのブレを抑圧する機能は勿論有効である。

（３）第６図のように旋回中にカメラを機体に対して一
定の方向（図では右方向）に維持するためには（ジョイ
スティックを操作しなければ第４図のようにカメラは慣
性空間に対して設定された一定の方向に維持される）、
ジョイスティックを操作して（２）で述べたカメラの方
向の再設定を強制的に１回ならず、必要に応じ何回でも
或いは連続的に行う必要がある。実際のところ従来はそ
のようにして、カメラのブレを防止し、安定した画面を
得ていたのである。しかし、カメラの方向を何回再設定
したとしても、（１）で述べた機体の揺動、振動によ
るカメラのブレを抑圧する機能は有効に機能しているの
である。

（４）この発明は、上記の機能に打ち勝ってカメラを
機体に対し所定の方向に向けるために、従来カメラマン
が行っていたジョイスティックによりジャイロに制御信
号を印加する機能、動作をヨー角ホールド回路40で行わ
せるようにしたものである。その期間中、上記に加え
ての機能が常時生かされているので、撮影された画面
は揺れのない安定したものが得られる。もし、自動安定
化閉ループ回路が正常に動作せず、機体の揺動、振動に
よるカメラブレを抑圧する機能が失われたとすれば、カ
メラは機体と一緒に揺れて撮影された画面は非常に見ず
らくなってしまう。

「考案の効果」 この考案によれば、従来のジャイロを使用したカメラス
タビライザにヨー角ホールド回路40が追加され、必要に
応じカメラを機体に対し所定の角度に自動的に保持する
ことができる。よってカメラマンはジョイスティックを
操作して上記角度を保持させるやっかいな仕事から解放
され本来の撮影に専念できる。

この考案ではヨー角ホールド回路40のDA変換器の入力デ
ィジタル信号をラッチして所定の角度を保持するように
しており、アナログ信号をアナログ的に保持するのでは
ないので、長時間安定した角度保持が可能である。

本願考案ではジャイロを含む自動安定化閉ループを動作
させたまま、カメラを機体に対し一定の方向に設定、維
持するので、常に慣性空間に対するカメラの優れた姿勢
安定性、従ってその画像安定性が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の実施例を示すブロック図、第２図は
従来のカメラスタビライザのジンバル機構の原理的な斜
視図、第３図は従来のカメラスタビライザのブロック
図、第４図は機体が旋回中に、カメラスタビライザに搭
載されたカメラが慣性空間に対し一定の方向に保持され
る状態を示す図、第５図は第３図のジョイスティック32
の斜視図、第６図は目標物の回りを旋回しながら撮影す
る場合に、カメラを機体に対し一定の方向に保持した状
態を示す図、第７図は海岸線の曲線に沿って飛行し撮影
する場合に、カメラを機体に対し一定の方向に保持した
状態を示す図である。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】機体に保持され、カメラを搭載するジンバ
   ル機構と、 そのジンバル機構を各軸の回りに回転させるサーボモー
   タと、 上記ジンバル機構の各軸の回りの角度変位を検出するジ
   ャイロスコープ（以下ジャイロと言う）と、 そのジャイロの出力を入力して、上記ジンバル機構の角
   度変位をキャンセルするように上記サーボモータを制御
   するサーボ回路とより成り、上記カメラを慣性空間に自
   動安定させる自動安定化閉ループ回路と、 上記自動安定化閉ループ回路を動作させたまま上記ジャ
   イロを制御して、上記カメラを上記機体に対して所定の
   方向に設定する制御手段（32）と、 その制御手段（32）で上記カメラを上記機体に対して所
   定の方向に設定した時の上記ジンバル機構より出力され
   る基準ヨー角信号をラッチする手段（43,44,47）と、 上記自動安定化閉ループ回路を動作させたまま、上記ジ
   ンバル機構より出力されるヨー角信号が上記ラッチされ
   た基準ヨー角信号に一致するように上記ジャイロを制御
   するヨー角保持手段（39,42,45,47）とを具備するジャ
   イロスコープ付カメラスタビライザ。