UA125742C2 - Systems for stabilizing and controlling a movie camera - Google Patents
Systems for stabilizing and controlling a movie camera Download PDFInfo
- Publication number
- UA125742C2 UA125742C2 UAA202104849A UAA202104849A UA125742C2 UA 125742 C2 UA125742 C2 UA 125742C2 UA A202104849 A UAA202104849 A UA A202104849A UA A202104849 A UAA202104849 A UA A202104849A UA 125742 C2 UA125742 C2 UA 125742C2
- Authority
- UA
- Ukraine
- Prior art keywords
- unit
- control
- stabilization
- angular velocities
- camera
- Prior art date
Links
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 title claims abstract description 16
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims abstract description 67
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims abstract description 67
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 50
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 17
- 230000009466 transformation Effects 0.000 abstract description 5
- 238000000844 transformation Methods 0.000 abstract description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 241001274613 Corvus frugilegus Species 0.000 description 1
- 241000549435 Pria Species 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/64—Imaging systems using optical elements for stabilisation of the lateral and angular position of the image
- G02B27/646—Imaging systems using optical elements for stabilisation of the lateral and angular position of the image compensating for small deviations, e.g. due to vibration or shake
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Accessories Of Cameras (AREA)
Abstract
Description
Винахід, що заявляється, належить до систем стабілізації та управління кінокамерою в інерційному просторі. Пристрій може бути використаний для управління орієнтацією і стабілізації корисного навантаження, зокрема кінознімальних камер на базі карданових підвісів, які широко застосовують в сучасній кіноіндустрії.The claimed invention belongs to systems of stabilization and control of a movie camera in inertial space. The device can be used to control the orientation and stabilize the payload, in particular, film cameras based on gimbal mounts, which are widely used in the modern film industry.
Відома система стабілізації за допомогою карданного підвісу (Льісов, А.Н. Теория гироскопических стабилизаторов/ А.Н. Льсов, А.А. Льісова. - Челябинск: Издательский центр ЮУРрГУ, 2009. - 115 с. з трьома ступенями свободи |1Ї. Відома система стабілізації має ряд обмежень, властивих трьох ступеневим кардановим підвісам. Ці обмеження виявляються у втраті одного з ступенів свободи в певних орієнтаціях карданового підвісу, а також в необхідності створювати надмірно великі кутові прискорення зовнішньої рамки карданового підвісу в орієнтаціях, близьких до втрати одного ступеня свободи. Крім того, для коректного управління орієнтацією камери необхідна умова, щоб орієнтація першої осі підвісу була близька до вертикальної, що у багатьох випадках не є зручним та зменшує точність стабілізації кінокамери в умовах значних динамічних навантажень.A well-known stabilization system using a cardan suspension (Lysov, A.N. Theory of gyroscopic stabilizers/ A.N. Lsov, A.A. Lysova. - Chelyabinsk: Izdatelsky center of YuURrGU, 2009. - 115 p. with three degrees of freedom |1Ї. The known stabilization system has a number of limitations inherent in three-degree gimbals.These limitations are manifested in the loss of one of the degrees of freedom in certain orientations of the gimbal, as well as the need to create excessively large angular accelerations of the outer frame of the gimbal in orientations close to the loss of one degree of freedom In addition, for correct control of camera orientation, the condition that the orientation of the first axis of the suspension is close to vertical is necessary, which is not convenient in many cases and reduces the accuracy of stabilization of the movie camera under conditions of significant dynamic loads.
Класичним рішенням для запобігання втрати одного із ступенів свободи в системах орієнтації на базі карданових підвісів є використання четвертого (надлишкового) ступеня свободи. Особливості конструкції чотиривісних карданних підвісів та рекомендації щодо побудови їх систем управління наведено в таких літературних джерелах, як: Кеппеїй б. МеоСоппеї. Кіпетаїйіс ої а Тигее-Ахіз Сітрваї!A classic solution to prevent the loss of one of the degrees of freedom in orientation systems based on cardan suspensions is the use of the fourth (redundant) degree of freedom. Features of the construction of four-axis cardan suspensions and recommendations for the construction of their control systems are given in such literary sources as: Keppeii b. MeoSoppei. Kipetaiyis oi a Tigee-Ahiz Sitrvai!
Зузієт. Іп рооК. "Оємеіортепів іп Іеогеїїса! апа арріїй тесНапісвз" едйеа ру М.А. 5Ннам, Моїште 3,buzzing Ip rooK. "Oyemeiortepiv ip Ieogeiisa! apa arriii tesNapisvz" edyea ru M.A. 5Nnam, Moishte 3,
Ргосеєдіпд5 ої ШТе Тпіга бБоціпеавієт Сопієгепсе оп ТНеогеїфсаї! апа Арріїей Меснапісв, Соїштбіа, боціRgoseyedipd5 oi ShTe Tpiga bBotsipeaviet Sopiegepse op TNeogeifsai! apa Arriiei Mesnapisv, Soishtbia, boci
Саїїогпіа, Магсй 31 - Аргії 1, 1966. Регдатоп ргезв Р. 515-543. (2)Saigiogpia, Magsy 31 - Argii 1, 1966. Regdatop rzhezv R. 515-543. (2)
Аналогом до запропонованого технічного рішення є система стабілізації на основі карданного підвісу, що відома з заявки на Патент США Мо О52016014309А1, МКП НО4М 5/2254, 2016 "Кардановий пристрій з компенсацією небалансу" |ІЗІ|, в якій для покращення точності стабілізації запропоновано електромеханічний компенсатор дисбалансу, який компенсує небаланс камери відносно осей карданового підвісу шляхом переміщення додаткової маси. Недоліком вказаного аналогу є складність технічної реалізації механізму дисбалансу та необхідність його налаштування в залежності від типу камери, що ставить під сумнів його застосування у реальних системах.Analogous to the proposed technical solution is a stabilization system based on a cardan suspension known from the application for the US Patent Mo О52016014309А1, МКП НО4М 5/2254, 2016 "Cardan device with imbalance compensation" |IZI|, in which an electromechanical compensator is proposed to improve stabilization accuracy imbalance, which compensates for the imbalance of the camera relative to the axes of the gimbal suspension by moving additional mass. The disadvantage of this analogue is the complexity of the technical implementation of the imbalance mechanism and the need to adjust it depending on the type of camera, which calls into question its use in real systems.
Також одним з аналогів винаходу є система стабілізації за заявкою на Патент США МоAlso, one of the analogues of the invention is the stabilization system according to the application for the US Patent Mo
О5700088382, 2006 "Метод та пристрій для стабілізації корисних навантажень, включаючи знімальну камеру" І4). В даній системі запропонований варіант побудови двовісної системи стабілізації кінокамер для літальних апаратів з вирішенням проблеми втрати однієї зі ступенів свободи за рахунок додаткової осі обертання. Проте наведені вище аналоги мають ряд обмежень, зокрема для їх правильної роботи необхідна умова, щоб перша вісь знаходилась у вертикальній площині відносно поверхні землі. Також не розкрита проблема повної стабілізації та необмеженого управління обертанням камери.О5700088382, 2006 "Method and device for stabilizing payloads, including a camera" I4). In this system, a variant of the construction of a two-axis stabilization system for film cameras for aircraft with a solution to the problem of losing one of the degrees of freedom due to an additional axis of rotation is proposed. However, the above analogues have a number of limitations, in particular, for their correct operation, the first axis must be in a vertical plane relative to the earth's surface. The problem of full stabilization and unlimited control of camera rotation is also not disclosed.
Найближчим аналогом (прототипом) винаходу, що заявляється, є система стабілізації кінокамери на основі карданового підвісу з чотирма ступенями свободи, відома з Патенту Ш51045515882 М.кл.9The closest analogue (prototype) of the claimed invention is the stabilization system of a movie camera based on a gimbal suspension with four degrees of freedom, known from Patent Sh51045515882 M.kl.9
НО4М 5/232, Н 04М5/225, 502827/64, 2019 "Стабілізована система карданового підвісу з необмеженою областю роботи" І5). Система стабілізації кінокамери складається з карданного підвісу та системи управління. Карданний підвіс виконано у вигляді чотирьох рамок, які послідовно з'єднані одна з одною з взаємно перпендикулярними осями обертання. Система управління орієнтації цього технічного рішення складається з двох контурів - внутрішнього і зовнішнього. Внутрішній контур системи управління призначений для управління орієнтацією та стабілізації камери в інерційному просторі.НО4М 5/232, Н 04М5/225, 502827/64, 2019 "Stabilized gimbal suspension system with an unlimited working area" I5). The stabilization system of the movie camera consists of a gimbal suspension and a control system. The cardan suspension is made in the form of four frames, which are connected in series with each other with mutually perpendicular axes of rotation. The orientation control system of this technical solution consists of two circuits - internal and external. The internal circuit of the control system is designed to control the orientation and stabilization of the camera in inertial space.
Зовнішній контур системи управління відповідає за управління моментом першої осі карданового підвісу таким чином, щоб не допустити перекриття поля зору камери елементами конструкції, а також не допустити втрати кардановим підвісом одного зі ступенів свободи. При цьому зовнішній контур системи управління підпорядкований до внутрішнього контуру і також частково відповідає за стабілізацію корисного навантаження. Основним недоліком такого рішення є складність алгоритму роботи та налаштування системи. Це зумовлено наявністю в системі управління динамічних перетворень при визначенні керуючих моментів моторів. Це в свою чергу вимагає складних обчислень та визначення моментів інерції елементів конструкції карданового підвісу і кінокамери, що дуже важко здійснити з практичної точки зору.The external circuit of the control system is responsible for controlling the moment of the first axis of the gimbal in such a way as to prevent overlapping of the camera's field of view with structural elements, as well as to prevent the gimbal from losing one of the degrees of freedom. At the same time, the external circuit of the control system is subordinate to the internal circuit and is also partially responsible for stabilizing the payload. The main disadvantage of such a solution is the complexity of the work algorithm and system settings. This is due to the presence in the control system of dynamic transformations when determining the control moments of the motors. This, in turn, requires complex calculations and determination of the moments of inertia of the design elements of the gimbal suspension and the film camera, which is very difficult to implement from a practical point of view.
В основу технічного рішення, що заявляється, поставлена задача вдосконалення системи стабілізації та управління кінокамерою в інерційному просторі за допомогою карданового підвісу з чотирма ступенями свободи, в якій система управління побудована таким чином, що не потребує динамічних перетворень для визначення керуючих моментів моторів, що дозволило б значно зменшити кількість обчислювальних операцій та спростити налаштування системи стабілізації та управління кінокамерою. І, як наслідок, технічними задачами винаходу також є забезпечення розширення сфер застосування системи стабілізації та управління кінокамерою в сукупності з кардановим підвісом і кінокамерою за рахунок можливості їх довільного кріплення, зокрема на кінознімальних телескопічних кранах, а також досягти можливості необмежено виконувати повороти кінокамери навколо довільної осі у просторі.The basis of the proposed technical solution is the task of improving the stabilization and control system of a movie camera in inertial space using a gimbal suspension with four degrees of freedom, in which the control system is built in such a way that it does not require dynamic transformations to determine the control moments of the motors, which would allow significantly reduce the number of computational operations and simplify the setup of the stabilization system and control of the movie camera. And, as a result, the technical tasks of the invention are also to ensure the expansion of the scope of application of the system of stabilization and control of the movie camera in combination with the gimbal suspension and the movie camera due to the possibility of their arbitrary attachment, in particular on the movie shooting telescopic cranes, as well as to achieve the ability to perform unlimited rotations of the movie camera around an arbitrary axis in space
Поставлена задача вирішується завдяки тому, що система стабілізації та управління кінокамери складається з карданового підвісу 17, який містить чотири послідовно з'єднаних одна з одною рамки 18, 19, 20, 21 з взаємно перпендикулярними осями обертання, чотирьох енкодерів 2, 3, 4, 5, чотирьох електричних моторів 28, 29, 30, 31, встановлених на осях обертання рамок 18, 19, 20, 21, блока інерційних датчиків 1, що встановлений на платформі кріплення 23 кінокамери 22, блока пульта оператора 6 і системи управління.The task is solved due to the fact that the stabilization and control system of the movie camera consists of a gimbal suspension 17, which contains four frames 18, 19, 20, 21 connected in series with each other with mutually perpendicular axes of rotation, four encoders 2, 3, 4, 5, four electric motors 28, 29, 30, 31, installed on the axes of rotation of the frames 18, 19, 20, 21, the block of inertial sensors 1, which is installed on the mounting platform 23 of the movie camera 22, the block of the operator's console 6 and the control system.
Новим є те, що система управління складається з двох окремих незалежних підсистем. А саме з першої підсистеми, яка виконана з можливістю стабілізації та управління кутовою швидкістю кінокамери 22 в інерційному просторі за рахунок трьох внутрішніх рамок 19, 20, 21 карданового підвісу 17, і яка виконана у вигляді трьох контурів управління на основі трьох ПІД-регуляторів (33), (34), (35) (пропорційно-інтегрально-диференціюючих регуляторів, далі - "ПІД-регулятори") першої окремої підсистеми, які налаштовані з можливістю здійснення мінімізації проєкції суми заданих та вимірюваних блоком інерційних датчиків 1 кутових швидкостей на вісь відповідного мотора, та з другої підсистеми, що виконана у вигляді каскадного контуру управління відносною швидкістю першої рамки 18 на основі трьох ПІД-регуляторів (36), (37), (38) другої окремої підсистеми, де перший ПІД-регулятор (36) другої окремої підсистеми - це регулятор мінімізації відхилення третьої рамки 20 від її центрального положення, який має змінний за косинусоїдальним законом коефіцієнт посилення в залежності від відносного кутового положення другої рамки 19 карданового підвісу 17, другий ПІД-регулятор (37) другої окремої підсистеми - це регулятор забезпечення мінімізації відносної кутової швидкості третьої рамки 20, і третій ПІД-регулятор (38) другої окремої підсистеми виконаний у вигляді регулятора відносної швидкості першої рамки 18.What is new is that the control system consists of two separate independent subsystems. Namely, from the first subsystem, which is made with the possibility of stabilizing and controlling the angular speed of the movie camera 22 in inertial space due to the three internal frames 19, 20, 21 of the gimbal suspension 17, and which is made in the form of three control loops based on three PID controllers (33 ), (34), (35) (proportional-integral-differentiating regulators, hereinafter - "PID regulators") of the first separate subsystem, which are configured with the possibility of minimizing the projection of the sum of the angular velocities specified and measured by the block of inertial sensors 1 onto the axis of the corresponding motor , and from the second subsystem, made in the form of a cascade control circuit of the relative speed of the first frame 18 based on three PID controllers (36), (37), (38) of the second separate subsystem, where the first PID controller (36) of the second separate subsystem is a regulator for minimizing the deviation of the third frame 20 from its central position, which has a variable amplification factor according to the cosine law depending on the relative k of the position of the second frame 19 of the gimbal suspension 17, the second PID controller (37) of the second separate subsystem is a controller for ensuring the minimization of the relative angular speed of the third frame 20, and the third PID controller (38) of the second separate subsystem is made in the form of a controller of the relative speed of the first frame 18.
Система стабілізації та управління кінокамерою також характеризується наступними ознаками, що розвивають, уточнюють сукупність ознак першого пункту формули винаходу.The system of stabilization and control of the movie camera is also characterized by the following features that develop and clarify the set of features of the first clause of the claim.
Система стабілізації та управління кінокамерою додатково містить блок формування заданих кутових швидкостей 7, блок перетворення кутових швидкостей 10, блок стабілізації кутових швидкостей 11, блоки систем управління 12, 13, 14 відповідних моторів 29, 30 та 31 відповідно другої 25, третьої 26 і четвертої 27 осей карданового підвісу 17, блок стабілізації орієнтації 8 та блок суматора 9, їі ці зазначені блоки 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 належать до першої підсистеми для стабілізації та управління кутовою швидкістю кінокамери 22 в інерційному просторі. При цьому блок інерційних датчиків 1 виконаний з можливістю надавати інформацію до блока перетворення кутових швидкостей 10 про кутові швидкості в системі координат, яка пов'язана з кінокамерою 22, і також блок інерційних датчиків 1 виконаний з можливістю надавати дані про орієнтацію кінокамери 22 в інерційній системі координат ІСК. Енкодери 2, 3, 4, 5 встановлені на осях 24, 25, 26, 27 карданового підвісу 17 та налаштовані з можливістю визначення орієнтації системи координат камери (СКК) відносно приводної системи координат (ПСК) за кутовими положеннями рамок 18, 19, 20, 21 карданового підвісу 17 відносно одна одної. При цьому приводна система координат ПСК одночасно є системою координатThe system of stabilization and control of the movie camera additionally contains the block of formation of specified angular velocities 7, the block of conversion of angular velocities 10, the block of stabilization of angular velocities 11, blocks of control systems 12, 13, 14 of the corresponding motors 29, 30 and 31, respectively, of the second 25, third 26 and fourth 27 gimbal axis 17, orientation stabilization block 8 and adder block 9, and these specified blocks 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 belong to the first subsystem for stabilizing and controlling the angular velocity of the movie camera 22 in inertial space. At the same time, the block of inertial sensors 1 is made with the ability to provide information to the unit of conversion of angular velocities 10 about the angular velocities in the coordinate system, which is associated with the movie camera 22, and also the block of inertial sensors 1 is made with the possibility of providing data about the orientation of the movie camera 22 in the inertial system ISK coordinates. Encoders 2, 3, 4, 5 are installed on the axes 24, 25, 26, 27 of the gimbal suspension 17 and are configured with the possibility of determining the orientation of the camera coordinate system (CCS) relative to the drive coordinate system (PSK) based on the angular positions of the frames 18, 19, 20, 21 cardan suspension 17 relative to each other. At the same time, the driving coordinate system of the PSK is simultaneously a coordinate system
СК, осі якої співпадають з поточним положенням другої осі 25, третьої осі 26 і четвертої осі 27 карданового підвісу 17. При цьому блок формування заданих кутових швидкостей 7 має з'єднання (з можливістю обміну сигналами і даними) з блоком пульта оператора 6, з блоком суматора 9 та з блоком інерційних датчиків 1, який також має з'єднання (з можливістю обміну сигналами і даними) з блоком стабілізації орієнтації 8 та з блоком суматора 9, який також має з'єднання (з можливістю обміну сигналами і даними) з блоком перетворення кутових швидкостей 10, який в свою чергу має з'єднання (з можливістю приймання сигналів і даних) з енкодерами 3, 4, 5, і також блок перетворення кутових швидкостей 10 має з'єднання з блоком стабілізації кутових швидкостей 11 з можливістю передавання інформації про проєкції кутових швидкостей від блока перетворення кутових швидкостей до блока стабілізації кутових швидкостей 11. При цьому блок стабілізації кутових швидкостей 11 є обчислювальним блоком для трьох незалежних контурів управління на основі трьох ПІіД-регуляторів 33, 34, 35 першої підсистеми для стабілізації та управління кутовою швидкістю кінокамери 22 в інерційному просторі, які виконані з можливістю мінімізації відхилень вхідних сигналів з виходу блока перетворення кутових швидкостей 10. При цьому блок стабілізації орієнтації 8 є допоміжним обчислювальним блоком, який виконаний з можливістю формування додаткових коригувальних сигналів у вигляді задаючих кутових швидкостей в СКК на підставі різниці між поточним і заданим значенням орієнтації. Друга окрема підсистема додатково містить блок системи управління 15 першої рамки 18 карданового підвісу 17 та блок системи управління 16 мотора 28 першої осі 24, де блок системи управління 15 першої рамки 18 карданового підвісу 17 є обчислювальним блоком каскадного контуру управління відносною швидкістю першої рамки 18 на основі трьох ПІД-регуляторів З6, 37, З8 другої окремої підсистеми, і цей додатковий обчислювальний блок системи управління 15 має з'єднання (з можливістю обміну сигналами і даними) з енкодерами 2, 3, 4 та з блоком системи управління 16 мотора 28 першої осі 24.SC, the axes of which coincide with the current position of the second axis 25, the third axis 26, and the fourth axis 27 of the gimbal suspension 17. At the same time, the block for forming the specified angular velocities 7 has a connection (with the possibility of exchanging signals and data) with the block of the operator's console 6, with with the adder unit 9 and with the inertial sensor unit 1, which also has a connection (with the possibility of exchanging signals and data) with the orientation stabilization unit 8 and with the adder unit 9, which also has a connection (with the possibility of exchanging signals and data) with angular velocity conversion unit 10, which in turn has a connection (with the possibility of receiving signals and data) with encoders 3, 4, 5, and also the angular velocity conversion unit 10 has a connection with the angular velocity stabilization unit 11 with the possibility of transmission information about the projection of angular velocities from the unit of conversion of angular velocities to the unit of stabilization of angular velocities 11. At the same time, the unit of stabilization of angular velocities 11 is a computing unit for three independent x control loops based on three PIiD regulators 33, 34, 35 of the first subsystem for stabilizing and controlling the angular speed of the movie camera 22 in inertial space, which are made with the possibility of minimizing deviations of input signals from the output of the angular velocity conversion unit 10. At the same time, the orientation stabilization unit 8 is an auxiliary computing unit, which is made with the possibility of generating additional correction signals in the form of set angular velocities in the SCC based on the difference between the current and the set value of the orientation. The second separate subsystem additionally contains the unit of the control system 15 of the first frame 18 of the gimbal 17 and the unit of the control system 16 of the motor 28 of the first axis 24, where the unit of the control system 15 of the first frame 18 of the gimbal 17 is a computing unit of the cascade control circuit of the relative speed of the first frame 18 based on three PID controllers Z6, 37, Z8 of the second separate subsystem, and this additional computing unit of the control system 15 has a connection (with the possibility of exchanging signals and data) with encoders 2, 3, 4 and with the control system unit 16 of the motor 28 of the first axis 24.
Відмінні ознаки винаходу дають можливість вирішити поставлену задачу завдяки тому, що в запропонованій системі стабілізації та управління кінокамерою система управління складається з двох окремих підсистем, які є незалежними одна від одної, і не потребують динамічних перетворень при визначенні задаючих моментів усіх моторів 28, 29, 30, 31 та інформації про моменти інерції конструкції карданового підвісу 17 та кінокамери 22. Відсутність динамічних і складних кінематичних перетворень в системі управління значно підвищує її швидкодію і простоту реалізації. Перша підсистема стабілізації і управління кутовою швидкістю кінокамери 22 в інерційному просторі являє собою три контури управління на основі трьох ПІД-регуляторів 33, 34, 35 першої окремої підсистеми, кожен з яких мінімізує проєкцію суми заданих та вимірюваних блоком інерційних датчиків 1 кутових швидкостей на вісь відповідного мотора. Таким чином, працюючи в системі координат осей моторів, можна досягти бажаних кутових швидкостей кінокамери 22 в інерційній системі координат. Вихід кожного контуру управління (на основі ПІД-регуляторів 33, 34, 35 першої окремої підсистеми) є задаючим сигналом за моментом для системи управління відповідного мотора. При цьому друга окрема підсистема виконана у вигляді каскадного контуру управління відносною швидкістю першої рамки (18) на основі трьох ПІД-регуляторів 36, 37, 38. Перший ПІД-регулятор 36 другої окремої підсистеми призначений для здійснення мінімізації відхилення третьої рамки 20 від її центрального положення, і цей перший ПіД-регулятор 36 другої окремої підсистеми має змінний за косинусоїдальним законом коефіцієнт посилення в залежності від відносного кутового положення другої рамки 19 карданового підвісу 17; другий ПіІД-регулятор 37 другої окремої підсистеми є регулятором, який забезпечує мінімізацію відносної кутової швидкості третьої рамки 20; і третій ПІД- регулятор 38 другої окремої підсистеми є регулятором відносної швидкості першої рамки 18.Distinctive features of the invention make it possible to solve the problem due to the fact that in the proposed system of stabilization and control of the movie camera, the control system consists of two separate subsystems that are independent of each other and do not require dynamic transformations when determining the setpoints of all motors 28, 29, 30 . The first subsystem for stabilization and control of the angular velocity of the movie camera 22 in the inertial space is three control loops based on three PID controllers 33, 34, 35 of the first separate subsystem, each of which minimizes the projection of the sum of the angular velocities set and measured by the unit of inertial sensors 1 onto the axis of the corresponding motor Thus, working in the coordinate system of the motor axes, it is possible to achieve the desired angular velocities of the movie camera 22 in the inertial coordinate system. The output of each control loop (on the basis of PID controllers 33, 34, 35 of the first separate subsystem) is a set signal by moment for the control system of the corresponding motor. At the same time, the second separate subsystem is made in the form of a cascade control circuit of the relative speed of the first frame (18) based on three PID controllers 36, 37, 38. The first PID controller 36 of the second separate subsystem is designed to minimize the deviation of the third frame 20 from its central position , and this first PiD regulator 36 of the second separate subsystem has a variable gain coefficient according to the cosine law depending on the relative angular position of the second frame 19 of the gimbal suspension 17; the second PIID controller 37 of the second separate subsystem is a controller that ensures minimization of the relative angular velocity of the third frame 20; and the third PID controller 38 of the second separate subsystem is the controller of the relative speed of the first frame 18.
Перевагою такого рішення є те, що немає необхідності в управлінні проміжними змінними, такими як кути повороту рамок карданового підвісу 17 та їх відносні кутові швидкості. Це робить систему стабілізації та управління кінокамерою не тільки простішою порівняно з найближчим аналогом (прототипом), але й підвищує її динамічні і точнісні характеристики.The advantage of such a solution is that there is no need to control intermediate variables, such as the angles of rotation of the gimbal frames 17 and their relative angular velocities. This makes the stabilization and control system of the movie camera not only simpler compared to the nearest analogue (prototype), but also increases its dynamic and precision characteristics.
Короткий опис функціональних схем запропонованого винаходу.A brief description of the functional schemes of the proposed invention.
Практичне здійснення та промислова здатність системи стабілізації та управління кінокамерою пояснюється схематичними зображеннями конструкції, на яких:The practical implementation and industrial capability of the film camera stabilization and control system is explained by schematic images of the design, in which:
Фіг. 1 - схема системи управління карданного підвісу 17 з чотирма ступенями свободи для стабілізації та управління кінокамерою 22 в інерційному просторі.Fig. 1 is a diagram of the gimbal control system 17 with four degrees of freedom for stabilization and control of the movie camera 22 in inertial space.
Фіг. 2 - схема карданового підвісу 17 з чотирма ступенями свободи.Fig. 2 - a diagram of a cardan suspension 17 with four degrees of freedom.
Елементи конструкції винаходу позначені наступними цифровими позиціями: 1 - блок інерційних датчиків; 2, З, 4, 5 - енкодери кутових положень рамок 18, 19, 20, 21 карданового підвісу 17 відносно одна одної; 6 - блок пульта оператора; 7 - блок формування заданих кутових швидкостей (обчислення в мікроконтролері плати управління 32); 8 - блок стабілізації (управління) орієнтації (обчислення в мікроконтролері плати управління 32); 9 - блок суматора (суматор) (обчислення в мікроконтролері плати управління 32); - блок перетворення кутових швидкостей (обчислення в мікроконтролері плати управління 32); 11 - блок стабілізації кутових швидкостей (обчислення в мікроконтролері плати управління 32); 12, 13, 14 - блоки систем управління моторами другої 25, третьої 26 та четвертої 27 осей відповідно (кожен блок - це окрема плата управління з окремим мікроконтролером - драйвери моторів 29, 30, 31); - блок системи управління першої рамки 18 карданового підвісу 17 (обчислення в мікроконтролері плати управління 32); 16 - блок системи управління мотора 28 першої осі 24 (окрема плата управління з окремим мікроконтролером - драйвер мотору 28); 17 - кардановий підвіс; 18, 19, 20, 21 - перша, друга, третя та четверта рамки; 22 - кінокамера; 23 - платформа кріплення кінокамери 22; 24, 25, 26, 27 - перша, друга, третя та четверта вісь; 28, 29, 30, 31 - відповідні мотори першої, другої, третьої та четвертої осей; 32 - плата управління з мікроконтролером; 33, 34, 35 - ПІД-регулятори першої окремої підсистеми; 36, 37, 38 - ПІД-регулятори другої окремої підсистеми.Elements of the design of the invention are marked with the following numerical positions: 1 - block of inertial sensors; 2, Z, 4, 5 - encoders of the angular positions of the frames 18, 19, 20, 21 of the cardan suspension 17 relative to each other; 6 - operator's remote control unit; 7 - block of formation of specified angular velocities (calculation in the microcontroller of the control board 32); 8 - orientation stabilization (control) unit (calculation in the microcontroller of the control board 32); 9 - adder unit (adder) (calculation in the microcontroller of the control board 32); - block of conversion of angular velocities (calculation in the microcontroller of the control board 32); 11 - block of stabilization of angular velocities (calculation in the microcontroller of the control board 32); 12, 13, 14 - units of the second 25, third 26 and fourth 27 axis motor control systems, respectively (each unit is a separate control board with a separate microcontroller - motor drivers 29, 30, 31); - block of the control system of the first frame 18 of the cardan suspension 17 (calculation in the microcontroller of the control board 32); 16 - unit of the motor control system 28 of the first axis 24 (separate control board with a separate microcontroller - motor driver 28); 17 - cardan suspension; 18, 19, 20, 21 - the first, second, third and fourth frames; 22 - movie camera; 23 - mounting platform of the movie camera 22; 24, 25, 26, 27 - the first, second, third and fourth axes; 28, 29, 30, 31 - corresponding motors of the first, second, third and fourth axes; 32 - control board with a microcontroller; 33, 34, 35 - PID-regulators of the first separate subsystem; 36, 37, 38 - PID-regulators of the second separate subsystem.
Кардановий підвіс 17 складається з чотирьох послідовно з'єднаних одна з одною рамок 18 (перша рамка), 19 (друга рамка), 20 (третя рамка), 21 (четверта рамка) з взаємно перпендикулярними осями обертання (фіг. 2). Для виконання умов мінімізації потрапляння елементів конструкції у поле зору кінокамери 22 (фіг. 2) під час роботи та забезпечення жорсткості конструкції, рамки 18, 19, 20, 21 карданового підвісу 17 виконані наступним чином. Перша рамка 18 (див. фіг. 2) є розімкненою з С- подібною формою. Друга рамка 19 має кільцеву або подібну до кільцевої замкнену форму. Третя рамка 20 та четверта рамка 21 являють собою циліндричну конструкцію, де, відповідно, третя рамка має більший діаметр відносно діаметра четвертої рамки 21, і при цьому рамки 20 (третя) та 21 (четверта) закріплені одна відносно одної таким чином, що вісь 27 обертання четвертої рамки 21 співпадає з геометричною віссю 26 третьої рамки 20. Відповідні енкодери 2, 3, 4, 5 (фіг. 1) та мотори 28, 29, 30, 31 розміщені безпосередньо на осях обертання рамок 18, 19, 20, 21 (фіг. 2). Мотори 28, 29, 30, 31 встановлені в елементах конструкції карданового підвісу 17 (місця встановлення моторів 28, 29, 30, 31 показані на фіг. 2). Для забезпечення умов балансу рамок 18 та 19 відносно їх осей обертання, енкодери 2 і З разом з електронними модулями блоків систем управління моторами 12 та 13 (фіг. 1) розміщені з протилежної сторони від відповідних моторів 29 та 30. Система стабілізації та управління кінокамерою містить блок інерційних датчиків 1 (фіг. 1), який встановлений на платформі кріплення 23 кінокамери 22 (фіг. 2). Блок інерційних датчиків 1 містить щонайменше три гіроскопи та три акселерометри, і цей блок інерційних датчиків 1 встановлений на платформі кріплення 23 кінокамери 22.The gimbal suspension 17 consists of four consecutively connected frames 18 (first frame), 19 (second frame), 20 (third frame), 21 (fourth frame) with mutually perpendicular axes of rotation (Fig. 2). In order to meet the conditions of minimizing the entry of structural elements into the field of view of the movie camera 22 (Fig. 2) during operation and ensuring the rigidity of the structure, the frames 18, 19, 20, 21 of the gimbal suspension 17 are made as follows. The first frame 18 (see Fig. 2) is open with a C-shaped shape. The second frame 19 has an annular or annular closed shape. The third frame 20 and the fourth frame 21 are a cylindrical structure, where, respectively, the third frame has a larger diameter relative to the diameter of the fourth frame 21, and the frames 20 (third) and 21 (fourth) are fixed relative to each other in such a way that the axis 27 rotation of the fourth frame 21 coincides with the geometric axis 26 of the third frame 20. The corresponding encoders 2, 3, 4, 5 (Fig. 1) and motors 28, 29, 30, 31 are placed directly on the axes of rotation of the frames 18, 19, 20, 21 ( Fig. 2). Motors 28, 29, 30, 31 are installed in the structural elements of the cardan suspension 17 (places of installation of motors 28, 29, 30, 31 are shown in Fig. 2). To ensure the conditions of balance of the frames 18 and 19 with respect to their axes of rotation, encoders 2 and C together with the electronic modules of the units of the motor control systems 12 and 13 (Fig. 1) are placed on the opposite side from the corresponding motors 29 and 30. The stabilization and control system of the movie camera contains block of inertial sensors 1 (Fig. 1), which is installed on the mounting platform 23 of the movie camera 22 (Fig. 2). The inertial sensor unit 1 contains at least three gyroscopes and three accelerometers, and this inertial sensor unit 1 is mounted on the mounting platform 23 of the movie camera 22.
Система управління складається з двох окремих незалежних підсистем: з першої окремої та з другої окремої підсистем управління. Перша окрема підсистема виконана у вигляді трьох контурів управління на основі трьох ПІД-регуляторів 33, 34, 35 (фіг. 1), які налаштовані з можливістю здійснення мінімізації проєкції суми заданих та вимірюваних блоком інерційних датчиків 1 кутових швидкостей на вісь відповідного мотора, і також перша окрема підсистема виконана з можливістю здійснення стабілізації та управління кутовою швидкістю кінокамери 22 в інерційному просторі за рахунок трьох внутрішніх рамок 19, 20, 21. Друга окрема підсистема є каскадним контуром управління відносною швидкістю першої рамки 18 на основі трьох ПІД-регуляторів 36, 37, 38 (фіг. 1). Перший ПІД- регулятор 36 другої окремої підсистеми є регулятором мінімізації відхилення третьої рамки 20 від її центрального положення, який має змінний за косинусоїдальним законом коефіцієнт посилення в залежності від відносного кутового положення другої рамки 19, другий ПІД-регулятор 37 другої окремої підсистеми є регулятором забезпечення мінімізації відносної кутової швидкості третьої рамки 20, і третій ПІД-регулятор 38 другої окремої підсистеми є регулятором відносної швидкості першої рамки 18.The control system consists of two separate independent subsystems: the first separate and the second separate control subsystems. The first separate subsystem is made in the form of three control loops based on three PID controllers 33, 34, 35 (Fig. 1), which are configured to minimize the projection of the sum of the angular velocities specified and measured by the inertial sensor unit 1 onto the axis of the corresponding motor, and also the first separate subsystem is made with the possibility of stabilizing and controlling the angular speed of the movie camera 22 in inertial space due to three internal frames 19, 20, 21. The second separate subsystem is a cascade control circuit of the relative speed of the first frame 18 based on three PID controllers 36, 37, 38 (fig. 1). The first PID controller 36 of the second separate subsystem is a controller for minimizing the deviation of the third frame 20 from its central position, which has a variable amplification factor according to the cosine law depending on the relative angular position of the second frame 19, the second PID controller 37 of the second separate subsystem is a controller for ensuring minimization of the relative angular speed of the third frame 20, and the third PID controller 38 of the second separate subsystem is the controller of the relative speed of the first frame 18.
Як вже було зазначено, в цілому система управління містить блок інерційних датчиків 1, енкодери 2, 3, 4, 5, блок пульта оператора 6. В найкращому прикладі виконання винаходу перша окрема підсистема управління також містить блок формування заданих кутових швидкостей 7, блок суматора 9, блок перетворення кутових швидкостей 10, блок стабілізації кутових швидкостей 11, блоки 12, 13 та 14 систем управління моторами другої 25, третьої 26 та четвертої 27 осей відповідно, блок стабілізації орієнтації 8, блок формування заданих кутових швидкостей 7, блок системи управління першої рамки карданового підвісу 15 (фіг. 1). Блок формування заданих кутових швидкостей 7 має з'єднання: з блоком пульта оператора 6, з блоком суматора 9 та з блоком інерційних датчиків 1 (зазначені з'єднання виконані з можливістю обміну сигналами і даними). Блок інерційних датчиків 1 має з'єднання з блоком стабілізації орієнтації 8 та з блоком суматора 9, який в свою чергу має з'єднання з блоком перетворення кутових швидкостей 10 (зазначені з'єднання виконані з можливістю обміну сигналами і даними). Блок перетворення кутових швидкостей 10 має з'єднання з енкодерами 3, 4, 5 (з можливістю приймання сигналів і даних від енкодерів 3, 4, 5), і також блок перетворення кутових швидкостей 10 має з'єднання з блоком стабілізації кутових швидкостей 11 з можливістю передавання інформації про проєкції кутових швидкостей від блока перетворення кутових швидкостей 10 до блока стабілізації кутових швидкостей 11. Зазначені з'єднання показані на фіг. 1. Блок стабілізації кутових швидкостей 11 є обчислювальним блоком для трьох незалежних контурів управління на основі трьох ПІД- регуляторів 33, 34, 35 першої підсистеми для стабілізації та управління кутовою швидкістю кінокамери 22 в інерційному просторі.As already mentioned, in general, the control system contains a block of inertial sensors 1, encoders 2, 3, 4, 5, an operator panel block 6. In the best example of the implementation of the invention, the first separate control subsystem also contains a block for generating set angular velocities 7, an adder block 9 , angular velocity conversion unit 10, angular velocity stabilization unit 11, units 12, 13 and 14 of the second 25, third 26 and fourth 27 axis motor control systems, respectively, orientation stabilization unit 8, set angular velocity generation unit 7, first frame control system unit cardan suspension 15 (Fig. 1). The unit for forming the specified angular velocities 7 has connections: with the operator's remote control unit 6, with the adder unit 9 and with the inertial sensor unit 1 (these connections are made with the possibility of exchanging signals and data). The inertial sensor unit 1 is connected to the orientation stabilization unit 8 and to the adder unit 9, which in turn is connected to the angular velocity conversion unit 10 (these connections are made with the possibility of exchanging signals and data). The unit for converting angular velocities 10 has a connection with encoders 3, 4, 5 (with the possibility of receiving signals and data from encoders 3, 4, 5), and also the unit for converting angular velocities 10 has a connection with the unit for stabilizing angular velocities 11 with the ability to transmit information about angular velocity projections from the angular velocity conversion unit 10 to the angular velocity stabilization unit 11. The specified connections are shown in fig. 1. The angular velocity stabilization unit 11 is a computing unit for three independent control loops based on three PID controllers 33, 34, 35 of the first subsystem for stabilizing and controlling the angular velocity of the movie camera 22 in inertial space.
В найкращому прикладі виконання винаходу друга окрема підсистема містить блок системи управління 15 першої рамки 18 карданового підвісу 17 та блок системи управління 16 мотора 28 першої осі 24. Зазначений блок системи управління 15 першої рамки 18 карданового підвісу 17 є обчислювальним блоком каскадного контуру управління відносною швидкістю першої рамки 18 на основі трьох ПІД-регуляторів 36, 37, 38 другої окремої підсистеми. Зазначений блок системи управління 15 має з'єднання (з можливістю обміну сигналами і даними) з енкодерами 2, 3, 4 та з блоком системи управління 16 мотора 28 першої осі 24.In the best embodiment of the invention, the second separate subsystem contains the unit of the control system 15 of the first frame 18 of the gimbal suspension 17 and the unit of the control system 16 of the motor 28 of the first axis 24. The specified unit of the control system 15 of the first frame 18 of the gimbal suspension 17 is a computing unit of the cascade control circuit of the relative speed of the first frame 18 based on three PID controllers 36, 37, 38 of the second separate subsystem. The specified unit of the control system 15 has a connection (with the possibility of exchanging signals and data) with encoders 2, 3, 4 and with the unit of the control system 16 of the motor 28 of the first axis 24.
В даній конкретній реалізації системи стабілізації та управління кінокамерою обчислювальні блоки 7, 8, 9, 10, 11, 15, ПІД-регулятори 33, 34, 35 першої окремої підсистеми та ПІД-регулятори 36, 37, 38 другої окремої підсистеми реалізовані в мікроконтролері плати управління 32 (фіг. 1), яка розміщена в корпусі першої осі карданового підвісу 17 (слід зазначити, що плата управління 32 може бути розташована в інших місцях карданового підвісу 17). Блоки систем управління моторами 12, 13, 14 та 16 являють собою окремі електронні модулі - драйвери, які забезпечують управління відповідним мотором за моментом.In this specific implementation of the stabilization and control system of the movie camera, computing units 7, 8, 9, 10, 11, 15, PID controllers 33, 34, 35 of the first separate subsystem and PID controllers 36, 37, 38 of the second separate subsystem are implemented in the microcontroller board control 32 (Fig. 1), which is located in the housing of the first axis of the gimbal 17 (it should be noted that the control board 32 can be located in other places of the gimbal 17). Blocks of motor control systems 12, 13, 14 and 16 are separate electronic modules - drivers that provide control of the corresponding motor by torque.
Система стабілізації та управління працює наступним чином. Стабілізація і управління кінокамерою 22 (яка встановлена на платформі кріплення 23, фіг. 2) відбувається в інерційній системі координат (ІСК, див фіг. 2), в якій напрямок вертикальної осі співпадає з істинною вертикаллю місця,The stabilization and control system works as follows. Stabilization and control of the film camera 22 (which is installed on the mounting platform 23, fig. 2) takes place in the inertial coordinate system (ISK, see fig. 2), in which the direction of the vertical axis coincides with the true vertical of the place,
при цьому блок інерційних датчиків 1 (який встановлений на платформі кріплення 23) надає інформацію до блока 10 про кутові швидкості ох, Фу та 07 (фіг. 1) в системі координат, яка пов'язана з кінокамерою 22 (СКК - система координат кінокамери 22, див фіг. 2), а також дані про орієнтацію кінокамери 22 в ІСК. Стабілізація та управління орієнтацією кінокамери 22 здійснюється за рахунок другої осі 25, третьої осі 26 і четвертої осі 27, а перша вісь 24 управляється таким чином, щоб не допускати значного відхилення третьої рамки 20 карданового підвісу 17 від її центрального положення. При такому підході для системи стабілізації орієнтації (другої 25, третьої 26 і четвертої 27 осей) обертання першої рамки 18 є збурюючим впливом по кутовій швидкості, який вона компенсує, щоб зберегти задану орієнтацію кінокамери 22. При роботі пристрою (карданового підвісу 17) приводна система координат (ПСК) визначається як СК, осі якої співпадають з поточним положенням осей 25 (другої осі), 26 (третьої осі) і 27 (четвертої осі) карданового підвісу 17, а орієнтація СКК відносно ПСК визначається за кутовими положеннями рамок 19, 20, 21 карданового підвісу 17 відносно одна одної за допомогою енкодерів 3, 4, 5, встановлених на осях 25, 26, 27 карданового підвісу 17. Орієнтація кінокамери 22 може бути представлена в різних формах, таких, наприклад, як кватерніони, кути Ейлера або матриця направляючих косинусів. В залежності від обраної для управління системи координат, в блоці формування заданих кутових швидкостей 7 визначаються проєкції ох зад, Фу зад та 07 зад (фіг. 1) задаючих з блока пульта оператора 6 кутових швидкостей 0 гориз, о верт та юю крен (фіг. 1) на осі СКК та підсумовуються в суматорі 9 з відповідними кутовими швидкостями ох, фу та Ф7, виміряними в СКК блоком інерційних датчиків 1. Використовуючи дані 82, 83, 864 (фіг. 1) про кутові положення рамок 19, 20, 21 карданового підвісу 17 відносно одна одної, які вимірюються енкодерами 3, 4, 5, в блоці перетворення кутових швидкостей 10 визначаються проєкціїat the same time, the unit of inertial sensors 1 (which is installed on the mounting platform 23) provides information to the unit 10 about the angular velocities oh, Fu and 07 (Fig. 1) in the coordinate system that is associated with the movie camera 22 (SKK - the coordinate system of the movie camera 22 , see Fig. 2), as well as data on the orientation of the movie camera 22 in the ISK. Stabilization and orientation control of the movie camera 22 is carried out due to the second axis 25, the third axis 26 and the fourth axis 27, and the first axis 24 is controlled in such a way as to prevent significant deviation of the third frame 20 of the gimbal suspension 17 from its central position. With this approach, for the orientation stabilization system (second 25, third 26, and fourth 27 axes), the rotation of the first frame 18 is a disturbing influence on the angular velocity, which it compensates for in order to maintain the given orientation of the movie camera 22. When the device (gimbal 17) is operating, the drive system coordinate system (PSK) is defined as the SC, the axes of which coincide with the current position of axes 25 (second axis), 26 (third axis) and 27 (fourth axis) of the cardan suspension 17, and the orientation of the SCK relative to the PSC is determined by the angular positions of the frames 19, 20, 21 of the gimbal 17 relative to each other with the help of encoders 3, 4, 5 installed on the axes 25, 26, 27 of the gimbal 17. The orientation of the movie camera 22 can be represented in various forms, such as, for example, quaternions, Euler angles or a matrix of guides cosines Depending on the coordinate system selected for control, in the block for the formation of the specified angular velocities 7, the projections of 0 zad, Fu zad and 07 zad (fig. 1) are determined from the block of the operator's console 6 of the angular velocities 0 horizontal, vertical and right bank (fig. 1) on the axis of the SCC and are summed up in adder 9 with the corresponding angular velocities ох, фу and Ф7 measured in the SCC by the inertial sensor unit 1. Using data 82, 83, 864 (Fig. 1) about the angular positions of the frames 19, 20, 21 of the gimbal suspension 17 relative to each other, which are measured by encoders 3, 4, 5, projections are determined in the unit of conversion of angular velocities 10
Ф2 пр, 03 пр ота 04 пр (фіг.1ї) визначених у блоці суматора 9 відповідних значень кутових швидкостей на осі ПСК. Блок стабілізації кутових швидкостей 11 приймає як вхідну інформацію проєкції кутових швидкостей 02 пр, ш3 пр та Ф4 пр, обчислених у блоці перетворення кутових швидкостей 10 та визначає задаючі обертальні моменти М2 зад, М3 зад та М4 зад (фіг. 1) для систем управління 12, 13, 14 відповідних моторів 29, 30, 31 другої 25, третьої 26 і четвертої 27 осей карданового підвісу 17 відповідно до пропорційно-інтегрально-диференціального (ПІД) закону управління таким чином, щоб мінімізувати відхилення вхідних сигналів від нульового значення у відповідних ПІД-регуляторах 33, 34, 35 (першої окремої підсистеми) блока стабілізації кутових швидкостей 11. На вході ПІД-регуляторів 33, 34, 35 (першої окремої підсистеми) додатково можуть застосовуватися фазо-коригувальні передаточні функції, які дозволяють підвищити точність системи стабілізації в динамічних режимах роботи. Блок стабілізації орієнтації 8 формує коригувальні сигнали шх кор, фу кор та Ф7 кор (фіг. 1) у вигляді задаючих кутових швидкостей в СКК на підставі різниці між поточним і заданим значенням орієнтації. Ці сигнали підсумовуються з відповідними вимірюваними кутовими швидкостями в блоці суматора 9. Орієнтація кінокамери 22 визначається в блоці інерційних датчиків 1 за показаннями 3-х (трьох) гіроскопів і 3-х (трьох) акселерометрів, осі чутливості яких співпадають з СКК.Ф2 пр, 03 прота 04 пр (Fig. 1) of the corresponding values of the angular velocities on the PSK axis determined in the adder block 9. The block of stabilization of angular velocities 11 accepts as input information the projection of angular velocities 02 пр, ш3 пр and Ф4 пр, calculated in the unit of conversion of angular velocities 10 and determines the set torques M2 back, M3 back and M4 back (Fig. 1) for control systems 12 . controllers 33, 34, 35 (of the first separate subsystem) of the angular velocity stabilization unit 11. At the input of the PID controllers 33, 34, 35 (of the first separate subsystem), phase-correcting transfer functions can be additionally applied, which allow to increase the accuracy of the stabilization system in dynamic modes work The orientation stabilization unit 8 forms corrective signals shx cor, fu cor and F7 cor (Fig. 1) in the form of set angular velocities in the SCC based on the difference between the current and the set value of the orientation. These signals are summed up with the corresponding measured angular velocities in the adder block 9. The orientation of the movie camera 22 is determined in the inertial sensor block 1 based on the readings of 3 (three) gyroscopes and 3 (three) accelerometers, the sensitivity axes of which coincide with the SCC.
Як вже було зазначено, друга окрема підсистема виконана у вигляді каскадного контуру управління відносною швидкістю першої рамки 18 на основі трьох ПІД-регуляторів 36, 37, 38 другої окремої підсистеми, перший з яких (ПІД-регулятор 36) мінімізує відхилення положення третьої рамки від її центрального положення, другий (ПІД-регулятор 37) мінімізує відносну кутову швидкість третьої рамки 20, а третій ПІД-регулятор 38 є регулятором відносної швидкості першої рамки 18, яка визначається як похідна від показників енкодера 2 891 (фіг. 1) першої рамки 18. Для забезпечення однакової динаміки карданового підвісу 17 в залежності від відносного кутового положення другої рамки 19, перший ПіІД-регулятор 36 має змінний за косинусоїдальним законом коефіцієнт посилення.As already mentioned, the second separate subsystem is made in the form of a cascade control circuit of the relative speed of the first frame 18 on the basis of three PID controllers 36, 37, 38 of the second separate subsystem, the first of which (PID controller 36) minimizes the deviation of the position of the third frame from its of the central position, the second (PID controller 37) minimizes the relative angular speed of the third frame 20, and the third PID controller 38 is a controller of the relative speed of the first frame 18, which is determined as a derivative of the encoder 2 891 (Fig. 1) indicators of the first frame 18. To ensure the same dynamics of the gimbal suspension 17 depending on the relative angular position of the second frame 19, the first PIID regulator 36 has a variable amplification factor according to the cosine law.
Вихідне значення МІ зад (фіг. 1) блока системи управління 15 першою рамкою 18 карданового підвісу 17 в свою чергу є задаючим моментом обертання для блока системи управління 16 мотора 28 першої осі 21.The output value of MI rear (Fig. 1) of the control system unit 15 of the first frame 18 of the cardan suspension 17 is, in turn, the set torque for the control system unit 16 of the motor 28 of the first axis 21.
З опису роботи системи управління також випливає властивість інваріантності роботи карданового підвісу 17 відносно орієнтації його точки кріплення. Єдиною технічною вимогою при цьому є наявність поворотних пристроїв на першій 24 і на четвертій 27 осях для безперервної передачі інформаційних сигналів датчиків та їх живлення, а також силових ліній блоків систем управління 12, 13, 14, 16 моторами 28, 29, 30, 31. Додаткове застосування даної вимоги для другої осі 25 дає можливість необмеженого управління обертанням кінокамери 22 навколо будь-якої довільної осі в інерційному просторі.The description of the operation of the control system also shows the property of invariance of the gimbal suspension 17 relative to the orientation of its attachment point. The only technical requirement in this case is the presence of rotary devices on the first 24 and fourth 27 axes for continuous transmission of information signals from sensors and their power supply, as well as power lines of control system units 12, 13, 14, 16 with motors 28, 29, 30, 31. Additional application of this requirement for the second axis 25 enables unlimited control of the rotation of the movie camera 22 around any arbitrary axis in inertial space.
Сукупність усіх суттєвих ознак запропонованої системи стабілізації та управління кінокамерою, в тому числі її нові суттєві ознаки, дозволяють при їх використанні забезпечити досягнення технічного результату. А саме, за рахунок того, що запропонована система стабілізації та управління кінокамерою складається з двох окремих описаних підсистем, які є незалежними одна від одної та не потребують динамічних перетворень для визначення керуючих моментів моторів, з'являється можливість значно удосконалити систему стабілізації та управління кінокамерою на основі карданового підвісу з чотирма ступенями свободи в інерційному просторі шляхом зменшення кількості обчислювальних операцій та спрощення її налаштування.The totality of all essential features of the proposed system of stabilization and control of the movie camera, including its new essential features, make it possible to ensure the achievement of a technical result when using them. Namely, due to the fact that the proposed system of stabilization and control of the movie camera consists of two separate described subsystems, which are independent of each other and do not require dynamic transformations to determine the control moments of the motors, there is an opportunity to significantly improve the system of stabilization and control of the movie camera on based on a gimbal suspension with four degrees of freedom in inertial space by reducing the number of computational operations and simplifying its setup.
Позитивний технічний результат запропонованої системи стабілізації та управління кінокамерою полягає також в розширенні сфер застосування пристрою (карданового підвісу з чотирма ступенями свободи в сукупності з запропонованою системою стабілізації та управління кінокамерою) за рахунок можливості її довільного кріплення, зокрема на кінознімальних телескопічних кранах, можливості необмежено виконувати повороти кінокамери навколо довільної осі у просторі, а також спрощенні системи управління та процедури її налаштування за рахунок зменшення кількості та складності обчислювальних операцій. Вказані переваги також дають можливість застосовувати більш компактну та менш дорогу елементну базу у порівнянні з аналогічними пристроями.The positive technical result of the proposed system of stabilization and control of the film camera also lies in the expansion of the scope of application of the device (cardan suspension with four degrees of freedom in combination with the proposed system of stabilization and control of the film camera) due to the possibility of its arbitrary attachment, in particular on film shooting telescopic cranes, the ability to make unlimited turns cinema cameras around an arbitrary axis in space, as well as simplified control systems and procedures for setting them up by reducing the number and complexity of computational operations. These advantages also make it possible to use a more compact and less expensive element base compared to similar devices.
Запропонована система стабілізації та управління кінокамерою пройшла широкі випробування при її експериментальному виробництві, а також в процесі її експлуатації під час здійснення кінематографічних та інших зйомок.The proposed system of stabilization and control of the movie camera has passed extensive tests during its experimental production, as well as during its operation during cinematographic and other shootings.
Результати випробувань показали, що конструкція запропонованої системи стабілізації та управління кінокамерою ефективно працює в сукупності з конструкцією карданового підвісу з чотирма ступенями свободи та з різними типами кінокамер.The test results showed that the design of the proposed system of stabilization and control of the movie camera works effectively in combination with the four-degree-of-freedom gimbal design and with different types of movie cameras.
Приклади конкретної промислової реалізації запропонованого винаходу, його використання наведені вище як кращі приклади реалізації.Examples of specific industrial implementation of the proposed invention, its use are given above as the best examples of implementation.
Запропонована система стабілізації та управління кінокамерою відповідає всім вимогам її експлуатації, застосування і загальноприйнятим правилам безпеки експлуатації подібних систем.The proposed system of stabilization and control of the movie camera meets all the requirements for its operation, application and generally accepted safety rules for the operation of similar systems.
Джерела інформації: 1. Льісов, А.Н. Теория гироскопических стабилизаторов / А.Н. Льісов, А.А. Льісова. - Челябинск:Sources of information: 1. Lysov, A.N. Theory of gyroscopic stabilizers / A.N. Lyosov, A.A. Lysova. - Chelyabinsk:
Издательский центр ЮУРГУ, 2009. - 115 с.) з трьома ступенями свободи. 2. Кеппеїй сї. МеСоппеї. Кіпетаїййс ої а ТНигее-Ахіз Сітбра! БЗузієт. Іп рооКк. "ОємеІортепів іпThe publishing center of YuURSU, 2009. - 115 p.) with three degrees of freedom. 2. Keppeii eat. MeSoppei. Kipetaiyys oi a TNigee-Ahiz Sitbra! Bzuziet. Ip rooKk. "OyemeIortepiv ip
Іпеогеїїса! апа арріїед теспапісв" едіеа ру М/.А. Зпаму, Моїште 3, Ргосеєдіпдв5 ої Ше Тпіга БошНеавівттIpeogeiis! apa arriied tespapisv" ediea ru M/.A. Zpamu, Moishte 3, Rgoseedipdv5 oi She Tpiga BoshNeavivtt
Сопіегепсе оп Тнеогеїфса! апа Арріїєа Меснапісвх, Соіштбріа, зош Саїїйогпіа, Магсн 31 - Аргї 1, 1966.Sopiegepse op Tneogeifsa! apa Arriiiea Mesnapisvh, Soishtbria, zosh Siyogpia, Magsn 31 - Argi 1, 1966.
Регдатоп ргез5 Р. 515-543. 3. Патент США Мо О5З20160014309А1, МКП НО4М5/2254, 2016 "Кардановій пристрій з компенсацією небалансу". 4. Патент США Мо О57000883Б82, 2006 "Метод та пристрій для стабілізації корисних навантажень, включаючи знімальну камеру". 5. Патент США Мо 10455158 В2 М.кл.9 НО4-М5/232, НО4М5/225, 502827/64, 2019 "Стабілізована система карданного підвісу з необмеженою областю роботи" - найближчий аналог.Regdatop rgez5 R. 515-543. 3. US Patent No. О5З20160014309А1, MKP НО4М5/2254, 2016 "Cardan device with imbalance compensation". 4. US Patent No. 57000883B82, 2006 "Method and device for stabilizing payloads, including a camera." 5. US Patent No. 10455158 B2 M.kl.9 НО4-М5/232, НО4М5/225, 502827/64, 2019 "Stabilized cardan suspension system with an unlimited range of work" is the closest analogue.
Елекентм системи упраатнчня, педлюованів плат 32 о убравлкня Зх а Крок 0000000. їх ле Ще Я х. з9 й ще за за ' іч хElekentm of the operating system, pedluovaniv board 32 o ubravlknia Zh a Krok 0000000. ih le Still I h. z9 and more for ' ich x
Ше ФК пря рент джця 13 ДИТ кб : 7 ; | От иShe FC pria rent dzhtsia 13 DIT kb: 7; | That's why
Режим упфавління Н В і ПО ПІД оно ОА ЕшMode of upfavlavn H V and PO UNDER ono OA Ash
ПИ ренюрия ПЕК ВВ петрттттр ву едвМ лиМмрі ' пн рPY reniuria PEK VV petrttttr vu edvM lyMmri ' pn r
В ! й ння ЩЕ В Ме ва рій я ! ул вн але м МВА вн о ЛЯ ОТРИ 8 ШЕ щ 7 ЕТ ттIn! I'm still in Me va riy! ул вн алем MBA вн о Ля Отри 8 Ше ш 7 ET tt
Фі.Fi.
! і ' "з і! and ' "with and
Н г х 25 і Н дн я х п : й к шия у з НN g x 25 and N dn i x p: y k shiya u z N
Чи і щоWhether and what
Ей Є В. Си й сир І. я ит п не: НЯ о я Ко, ! : сао Б й. й а й ри щі й / вч з , ; рр ж в А і рай у, і // Щ; о / й шо ак га І; у а Пи ей | 3 . уй і М с і М слу СКК й ! хх у Ст й 7 ок, 5 | І . Ї ! ; пк Ії: в -Hey YE V. Si and sir I. I et p ne: NYA oh I Ko, ! : sao B y. y a y ry shchi y / vch z , ; yy same in A and paradise in, and // Sh; o / y sho ak ha I; in a Pi ey | 3. uy and M s and M slu SKK y ! xx in St and 7 ok, 5 | And. Eat! ; pc Ii: in -
Й ша її ї ї кі « в ех» ; А ; / Ще: ка вч Ще х ; з мя Й іY sha yi yi ki " in eh" ; A; / More: ka vch More x ; with me and
Й тевоти пре й КИ хі , й з Й ибчВ ся шт З її :Y tevoty pre i KI hi , y z Y ibchV sia sht From her:
Й ро Я и м Ї / рт кн и ї і хз і в ра и ! й кт дк Зк, ІЗ г х іY ro Ya i m Y / rt kn i i i khz i v ra i ! y kt dk Zk, IZ g x i
МЕ 5 Шк чем. і 265 -- і пл Шо їME 5 Shk chem. and 265 -- and pl Sho i
Я Ши -е ! і и а : ші і пок і Ск з рай ; І зле " і : песня : рай Н точне кто : ; | ; я ш-Й2 детI'm Shi-e! i i a: shi i pok i Sk z rai; And it's bad " and : song : paradise N exactly who : ; | ; I sh-Y2 det
Вертикаль мюня 77 : :Vertical munya 77 : :
Фіг. 2Fig. 2
Claims (2)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UAA202104849A UA125742C2 (en) | 2021-08-27 | 2021-08-27 | Systems for stabilizing and controlling a movie camera |
| PCT/UA2021/000088 WO2023027677A1 (en) | 2021-08-27 | 2021-11-01 | A movie camera stabilization and control system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UAA202104849A UA125742C2 (en) | 2021-08-27 | 2021-08-27 | Systems for stabilizing and controlling a movie camera |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| UA125742C2 true UA125742C2 (en) | 2022-05-25 |
Family
ID=81753516
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| UAA202104849A UA125742C2 (en) | 2021-08-27 | 2021-08-27 | Systems for stabilizing and controlling a movie camera |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| UA (1) | UA125742C2 (en) |
| WO (1) | WO2023027677A1 (en) |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2874003B1 (en) * | 2012-07-12 | 2017-12-20 | Sony Corporation | Image shake correction device and image shake correction method and image pickup device |
| JP6242145B2 (en) * | 2013-10-10 | 2017-12-06 | キヤノン株式会社 | Image shake correction apparatus, control method thereof, and imaging apparatus |
| EP3298458B1 (en) * | 2015-05-27 | 2019-12-18 | GoPro, Inc. | Camera system using stabilizing gimbal |
| US10455158B2 (en) * | 2015-09-17 | 2019-10-22 | IJK Controls LLC | Stabilized gimbal system with unlimited field of regard |
| WO2018101893A1 (en) * | 2016-12-02 | 2018-06-07 | Medialab Tasarim Teknoloji Sanayi Ve Ticaret Ltd. Sti. | Camera gimbal and control center unit providing intuitive camera pointing angle control and stabilization |
| JP7048011B2 (en) * | 2017-05-26 | 2022-04-05 | エスゼット ディージェイアイ テクノロジー カンパニー リミテッド | Imaging device |
-
2021
- 2021-08-27 UA UAA202104849A patent/UA125742C2/en unknown
- 2021-11-01 WO PCT/UA2021/000088 patent/WO2023027677A1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023027677A1 (en) | 2023-03-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10507899B2 (en) | Motion control device and motion control method for ship | |
| CN108490777B (en) | Magnetic suspension rotor harmonic vibration force suppression method based on improved odd-order repetitive control | |
| US3844196A (en) | Fire control system | |
| CN110361829A (en) | A kind of telescope Pointing Calibration method and telescope | |
| KR20120107714A (en) | Multi-linkage and multi-tree structure system and method for controlling the same | |
| Paul et al. | The dynamics of the PUMA manipulator | |
| US20130068584A1 (en) | Control system for rotating shaft | |
| CN106527459A (en) | Stable platform and control method thereof | |
| CN102288133A (en) | Installation deflection angle calibration method of gyro indirect stable system | |
| CN105115503B (en) | A kind of servo loop decoupling method of three-axle steady platform system | |
| US5875676A (en) | Non colocated rate sensing for control moment gyroscopes | |
| UA125742C2 (en) | Systems for stabilizing and controlling a movie camera | |
| CN109814614A (en) | A kind of compensation stable control method of servo stabilized platform | |
| CN107315340A (en) | It is a kind of that the steady as device and control method of feedback is measured based on micro electromechanical IMU | |
| RU2555184C1 (en) | Weapon control and stabilisation system | |
| CN109506649B (en) | Inner frame zero locking method and system for four-axis inertial stabilization platform system | |
| CN112611379B (en) | Inertial navigation stable platform and calibration and installation method thereof | |
| US11317025B1 (en) | Movie camera stabilization and control system | |
| US20210141404A1 (en) | Reaction compensation device and fast steering mirror system | |
| CN114756039A (en) | Multi-body coupling attitude control method and system based on zero force control | |
| US3540678A (en) | Method of and apparatus for controlling the transverse acceleration and roll damping of steerable aerodynamic bodies | |
| RU2693561C1 (en) | Method of increasing accuracy of a gyroscopic system for stabilizing a line of sight | |
| RU2102785C1 (en) | Sighting line stabilizing system | |
| CN107727116B (en) | Compensation method for non-perpendicularity of two-degree-of-freedom gyroscope torquer shaft | |
| Naderolasli | Indirect self-tuning controller for a two degree of freedom tracker model |