DE102008039468A1

DE102008039468A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Lagestabilisierung von Kameras

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Publication number: DE102008039468A1
Application number: DE102008039468A
Authority: DE
Inventors: Stefan Reich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-08-25
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2010-03-04
Also published as: WO2010031486A1; US20110221900A1; EP2318882A1

Abstract

Lagestabilisierung einer Kamera (1) mit einer Lagerung, welche um zumindest zwei schwerpunktnahe Rotationsachsen (6, 7, 8) drehbar ausgeführt ist und mittels welcher die Kamera (1) mit der Umgebung oder einem Vehikel verbindbar ist, und mit Motoren zum Antrieb der um diese Achsen erfolgenden Rotationsbewegungen, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Antriebspfad mindestens einer der Motoren ein nachgebendes Kopplungsglied (17, 18) vorgesehen ist, welche auch ohne Bewegung des Motors (15) eine Differenz-Rotation um die den Motor betreffende Achse (7) zulässt. Ferner eine Lagestabiliserung, mit Drehratensensoren an der Kamera, wobei Zuordnung, Kopplungsgrad und/oder Wirkrichtung der Signale im Regelungs-Pfad von Sensoren zu Motoren in Abhängigkeit der relativen Ausrichtung der Rotationsachsen variabel gesteuert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lagestabilisierungssystem für Kameras und sonstige abbildende Sensoren und andere Nutzlasten, deren genaue Ausrichtung wichtig ist. Besonders auf bewegten Kameraträgern wie Fahrzeugen, Flugkörpern, Kamera-Kränen ist eine Stabilisierung der Ausrichtung wichtig, um beste Ergebnisse bei Film- oder Video-Aufnahmen zu erreichen.
Übliche Vorrichtungen beinhalten eine schwenkbare Plattform sowie Stellmotoren, die über einen Regelkreis Abweichungen der Ausrichtung auf einen Sollwert zurückstellen.
DE 1959941 beschreibt eine stabilisierte Plattform zur raumfesten Lagerung eines Kamerastativs od. dgl., welche Kreisel und daran verbundene Potentiometer beinhaltet, und bei welcher Drehmomentsteller zum Ausrichten der Kamera verwendet werden.
EP 1 061 338 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Raumlage-Stabilisieren von Sensoren, bei welcher eine Sensorplattform als Schwerependel derart gelagert ist, dass sie ich in einem schwach stabilen, nahezu indifferentem Gleichgewicht befindet. Als Lagerung ist insbesondere ein Kardan- oder Kugelgelenk oder eine als Außenrahmensystem gestaltete Kardan-Lagerung vorgesehen. Ferner sind als Antrieb insbesondere Momentgeber und zur Messung der Relativlage gegenüber dem Fahrzeug insbesondere Winkelgeber vorgesehen.
Diese Vorrichtungen besitzen den Nachteil, dass ein hoher Aufwand erforderlich ist, insbesondere für die in der o. g. Offenlegungsschrift vorgeschlagen Momentgeber, und ferner, dass die Stabilisierung meist nur teilweise möglich ist. Insbesondere wenn rasche Bewegungen, Erschütterungen oder Vibrationen ausgeglichen werden sollen, müssen die Stellmotoren bzw. Geber sowie deren Regelung eine extrem hohe Reaktionsgeschwindigkeit erreichen, damit keine Regelverzögerungen auftreten.
Ziel der Erfindung ist ein preiswertes und effizientes System der genannten Art, welches auch rasche Erschütterungen und Vibrationen ausgleichen kann.
Hierzu sind die in den unabhängigen Ansprüchen gegebenen Merkmale vorgesehen.
Der Begriff Kamera beinhaltet bildgebende Sensoren beliebiger Art.
Die Kamera sowie eventuelle weitere mitbewegte Geräte werden im Folgenden auch als Nutzlast bezeichnet.
Die Motoren sind zum Antrieb der um die Drehachsen erfolgenden Rotationsbewegungen vorgesehen. Der Begriff Antrieb beinhaltet Anlenkung oder Ansteuerung, und beinhaltet auch dem, dass sich die Umgebung bewegt und die Kamera still gehalten wird.
Die Vorrichtung verbindet eine Kamera mechanisch mit einem Vehikel oder einer anderen tragenden Umgebung. Die drehbare Lagerung kann eine Verbindung darstellen zwischen einer zur Aufnahme der Kamera (1) vorgesehene Plattform (5) mit einem zur Montage an der Umgebung oder einem Vehikel vorgesehenen Verbindungskörper (2). Der Begriff Plattform beinhaltet jeden zur Befestigung geeigneten Körper.
Der Begriff Vehikel beinhaltet im folgenden jede tragende Umgebung, also insbesondere auch Flugkörper, Kamera-Kran oder einen die Vorrichtung tragenden Kameramann. Die Erfindung kann in unbemannten Flugkörpern vorgesehen sein, insbesondere in vom Boden aus ferngelenkten Modellhubschraubern, Quadrokoptern oder ähnlichen schwebefähigen Flugkörpern.
Das nachgebende Kopplungsglied kann z. B. mit einer elastischen Verbindung realisiert werden. Diese kann zwischen Motorwelle und Abtrieb vorgesehen sein, oder zwischen Motorgehäuse und Gegenseite des Antriebs, d. h. Angriffspunkt oder Umgebung des Motors. Allgemein kann sie an jeder Stelle im Antriebspfad oder Anlenkungspfad des Motors vorgesehen sein. Insbesondere kann z. B. das Motorgehäuse frei hängen, wobei der Motor z. B. nur an seiner Welle hängt und zusätzlich über eine Feder mit seiner Umgebung festgemacht ist. Auch sind die Seiten der Ansteuerung beliebig, d. h. die Seite des Motorgehäuses kann der Seite der Kamera oder des Vehikels zugeordnet sein.
Als Motor kann jede regelbare Antriebsvorrichtung verwendet werden, insbesondere Elektromotoren oder Elektromagnete, welche in eine Richtung und eine Gegenrichtung antreiben kann.
Als Drehlager kann ein um mehrere Achsen gleichzeitig drehbares Lager, oder eine kardanische Anordnung mehrerer Lager oder Gelenke dienen.
Das Drehlager kann ein zentrales Gelenk sein, welches mit seinen Drehachsen außerhalb der Kamera angeordnet ist. In diesem Fall ist ein Gegengewicht vorzusehen, welches die Drehung gemeinsam mit der Kamera durchführt und so angeordnet ist, dass der resultierende Gesamtschwerpunkt näherungsweise in den Drehpunkt, also außerhalb der Kamera, zu liegen kommt. Hierbei kann insbesondere ein Kardangelenk, ein Kugelgelenk oder ein in mehrere Richtungen funktionierendes elastisches Lager verwendet werden. insbesondere kann ein elastisches Lager als kombiniertes Biege- und Torsionsgelenk ausgeführt sein.
Das Drehlager kann auch ein um die Kamera herum angeordneter kardanischer Außenrahmen sein. In diesem Fall lassen sich die Drehachsen leicht auch ohne Zusatzgewicht so anordnen, dass sie dem Schwerpunkt nahe kommen.
Es können zumindest 2 Drehachsen vorgesehen sein. Um Erschütterungen vollständig entkoppeln zu können, sind 3 Drehachsen vorteilhaft. Es können auch mehr als 3 Drehachsen vorgesehen sein, was zur Vermeidung von Singularitäten sinnvoll ist, bei welchen in bestimmten Neigwinkel-Kombinationen zwei Achsen parallel werden und somit die Kamera nicht mehr in alle Richtungen beweglich wäre, wenn 2 von 3 Achsen parallel liegen.
Die Drehachsen liegen sinnvollerweise schwerpunktnah. Dies kann insbesondere beinhalten, dass der Schwerpunkt der Kamera mitsamt ihrer mitbewegten Teile von der betreffenden Drehachse einen Abstand von weniger als 10% der längsten Abmessung der Kamera aufweist. Vorteilhaft ist ein Abstand von weniger als 20 mm, und vorzugsweise wird der Schwerpunkt so genau wie in der Praxis machbar eingestellt. Eine solche Annäherung kann in alle Raumrichtungen gegeben sein.
Es kann vorteilhaft sein, ist aber nicht zwingend notwendig, dass sich alle Dreh-Achsen in einem gemeinsamen Schwerpunkt schneiden. Wenn ein Teil des kardanischen Systems durch dessen Eigengewicht einen abweichenden Schwerpunkt besitzt, kann die betreffende Drehachse dementsprechend abweichend und dennoch schwerpunktnah positioniert sein. Für jede Drehachse kann eine schwerpunkt-neutrale Drehbewegung erreicht werden. Im jeweiligen Schwerpunkt können alle um die betreffende Drehachse bewegten Masse-Anteile beinhaltet sein, also die Kamera und Teile 5, 14 der Vorrichtung.
Zur Ausbalancierung des Schwerpunktes kann eine Verstellvorrichtung zur Verschiebung der Nutzlast in Bezug zum Drehpunkt oder zu mindestens einer der Drehachsen vorgesehen sein. Somit lässt sich der Schwerpunkt justieren, ohne dass zusätzliche Balance-Gewichte nötig sind. Die Verstellvorrichtung kann z. B. aus einer Schlittenvorrichtung bestehen, die zwischen kardanischer Aufhängung und Kamera oder in einer zur Kamera-Aufnahme dienenden Plattform vorgesehen ist. Sie kann für mehrere Achsen vorgesehen sein.
Es ist vorteilhaft, wenn für mindestens 2 besser für jede Achse ein eigenes nachgebendes Kopplungsglied vorgesehen ist.
Es ist vorteilhaft, wenn die Abschnitte der kardanischen Aufhängung in sich steif sind, d. h. weitgehend nur Bewegungen um die vorgesehenen Achsen erlauben. Somit wird verhindert, dass Translationsbeschleunigungen der Umgebung/des Vehikels eine Verbiegung der Abschnitte bewirken und sich störend auf die Lage der Kamera auswirken. Die erfindungsgemäße nachgebende Kopplung ist vorzugsweise gezielt in den jeweiligen Drehachsen vorgesehen. Sie kann jedoch auch für gemischte Bewegungen und insbesondere für Bewegungen in mehrere Drehachsen gleichzeitig vorgesehen sein. Dies kann insbesondere durch Einbau eines weichen Materials wie z. B. Schaumstoff erreicht werden.
Zumindest in einer Betriebsart sollen die Rotationsbewegungen der Kamera vollkommen unabhängig von denen der Umgebung erfolgen können. Insbesondere soll die Kamera wahlweise stillstehen oder definiert steuerbare Rotationen durchführen. Rotationen können insbesondere Schwenk, Nick oder Rollbewegung sein. Eine Beeinflussung oder Stabilisierung von Translationsbewegungen ist dabei nicht notwendig enthalten. Wie bei Kamera-Aufhängunng üblich, kann aber auch hier das gesamte Gestell weich federnd aufgehängt sein, um zusätzlich Vibrationen weitgehend abzukoppeln.
Wenngleich zusätzlich zu einer schwenkbaren oder insbesondere kardanischen Lagerung üblicherweise gerne eine federnde äußere Aufhängung verwendet wird, ist es aus der Praxis bekannt, dass die Anlenkung selbst möglichst hart und direkt gestaltet wird, um das Entstehen zusätzlicher Vibrationen und Resonanzen zu vermeiden, und um durch gleichzeitige Verwendung möglichst rasch reagierender Stellmotoren eine möglichst rasche Steuerung erreichen zu können. Wenn zur Stabilisierung eine Mess- und Regel-Vorrichtung verwendet wird, ermöglicht dies eine hohe Verstärkung im Regelkreis.
Bei der vorliegenden Erfindung wird bezüglich der mechanischen Anlenkung der umgekehrte Weg beschritten. Die Anlenkung wird durch eine nachgiebige, insbesondere eine elastische Kopplung absichtlich weich gemacht. Als Kopplungsglied kann ein elastisches Material dienen, z. B. eine Feder, insbesondere Spiralfeder oder Torsionsfeder, ein Gummi- oder Schaumstoff-Teil, eine Übertragung mit Riemenrädern und einem längen-dehnbarem Riemen, oder dergleichen. Somit können zwar verstärkt Resonanzen auftreten, deren Frequenz kann jedoch insbesondere weit unterhalb der Frequenzen liegen, welche die Störungen aufweisen. Ohne eine für die Lage der Kamera zusätzlich vorgesehene Mess- und Regel-Vorrichtung könnte dies dennoch zu unkontrollierten Schlinger-Bewegungen führen. Zusammen mit einer lagestabilisierenden Regelung ist jedoch eine weitaus bessere Laufruhe erreichbar, als bei direkter Kopplung. Die Masse der Kamera wird wie bei dem als ”Steadycam” bekannten handgeführten System zur Dämpfung ausgenutzt. Vorteilhafterweise werden kurzzeitige oder rasche Störungen weitaus besser unterdrückt, dies gilt sowohl für Bewegungen der Umgebung als auch für Mess-Fluktuationen der Stabilisierungsvorrichtung als auch für Unregelmäßigkeiten oder Vibrationen im Lauf der Motoren. Weiterhin ist bei wesentlich geringrer Anforderung an die Raschheit der Sensoren und insbesondere der Stellglieder dennoch ein wesentlich rascherer Ausgleich möglich.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Resonanzfrequenz, welche aus elastischer Federung einerseits und Masse (Trägheitsmoment) der schwenkbaren Teile andererseits resultiert, niedriger als die Mehrzahl der vorkommenden Störbewegungen ausgelegt.
Auch oder alternativ kann diese Resonanzfrequenz weit niedriger ausgelegt sein als die Geschwindigkeit einer vorgesehenen Regelung. Damit ist eine hohe Regelverstärkung möglich, wobei insbesondere der Regler durch geeignete Anpassung seiner Parameter so gestaltet ist, dass er die resultierende zusätzliche mechanische 90°-Phasenverzögerung überbrücken kann. Dies ist z. B. mit bekannten Mitteln einer PID-Regelung möglich.
Wenn die Kamera absichtliche Bewegungen durchführen soll, sind diese limitiert, was ihre maximal mögliche Beschleunigung betrifft. Dies ist jedoch kein Nachteil, weil die Sollwerte der Kamera-Ausrichtung normalerweise ohnehin möglichst stetig und langsam geändert werden.
Weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass zum Erreichen dieser Qualität weder kostenaufwändige Momentgeber, noch besonderes rasch reagierende Stellglieder anderer Art eingesetzt werden müssen. Der Begriff Motor beinhaltet hier jede Art elektromechanisches Stellglied. Insbesondere können vorteilhaft handelsübliche Servomotoren verwendet werden. Derartige Servos können baulich vereint folgende Bestandteile beinhalten: einen Motor, eine Getriebe-Untersetzung zwischen Motor und einer Abtriebswelle, ein Lagesensor an der Abtriebswelle wie z. B. ein Dreh-Potentiometer, und eine elektronische Regel- und Ansteuer-Einheit, welche ein Sollwert-Eingangssignal mit dem Messwert des Lagesensors vergleicht und den Motor ansteuert. Zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung kann das enthaltene Potentiometer entfernt werden, sodass eine durchlaufende Drehung ohne Begrenzung möglich ist. Insbesondere können Servos mit PPM-Pulseingang verwendet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass, bei Verwendung eines handelsübliches Servos, dessen Lage-Sensor entfernt wird oder zumindest von dessen Regelelektronik getrennt wird, und dass diese Regelelektronik an einen Sensor angeschlossen wird, der Differenzbewegungen misst, welche an der nachgebenden Kopplung auftreten. Auf diese Weise wird erreicht, dass die schon enthaltene Regelektronik den Motor so nachführt, dass er das für die nachgebende Kopplung vorgesehene Glied auf eine vom Sollwert vorgegebene Differenzbewegung einstellt. Bei Verwendung eines elastischen Körpers als Kopplungsglied wird somit eine definierte mechanische Spannung erzeugt. Diese kann im Spezialfall einem definierten Drehmoment entsprechen. Allgemein kann ein Messfühler zur Messung einer an der nachgebenden Kopplung auftretenden Differenzbewegung vorgesehen sein und dessen Messwert über einen Regelkreis zur Steuerung des Motors herangezogen werden.
Folgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand 1–3 beschrieben.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel. Umgebungsteil 2 ist zur Befestigung mit der Umgebung, insbesondere dem Vehikel, vorgesehen. Er kann fest oder über eine (nicht dargestellte) Dämpfung oder Federung verbunden sein. Er macht im Wesentlichen die Bewegungen der Umgebung mit und wird deshalb im folgenden auch als Umgebung bezeichnet. Ein als kardanischer Rahmen ausgeführtes Gestell besteht aus drei gewinkelten Abschnitten 3, 4, und 5, die über drei Drehachsen 6, 7, 8 beweglich sind, und dessen letzter Abschnitt 5 zum Tragen der Kamera 1 vorgesehen ist.
Zum Antrieb um die Drehachse 7 ist Antriebseinheit 12 vorgesehen. Diese beinhaltet einen Servomotor 15 mit integriertem Getriebe, dessen Abtriebswelle mit dem Rahmenabschnitt 4 verbunden ist. Um eine nachgebende Kopplung zu erreichen, ist der Motor 15 nicht fest mit seinem anderen Rahmenabschnitt 3 verbunden, sondern hängt frei an seiner Abtriebswelle, und nur die Spiralfedern 17 und 18 stellen eine Kraftverbindung zwischen diesem Rahmenabschnitt 3 und Motor 15 dar, und dienen somit als nachgebende Kopplung. Alternativ oder zusätzlich zu den abgebildeten Federn kann eine Torsionsfeder, ein Schaumstoffteil oder andere nachgebende Körper als Kopplung verwendet werden.
Die den Servomotor ansteuernde Regelschaltung ist mit Potentiometer 16 verbunden, welcher so angelenkt ist, dass er die Differenzbewegung misst, welche auch die Federn 17 und 18 mitmachen. Insbesondere kann bei einem neutralen Sollwert der Motor in die Richtung gesteuert werden, in der sich die nachgebende Kopplung entspannt, sobald durch Drehungen der Umgebung eine Differenzbewegung auftritt. Wenn sich Rahmenabschnitt 3 nach rechts dreht, dehnt sich die Feder 17, gleichzeitig wird diese Änderung im Potentiometer gemessen und steuert den Motor 15. Dieser läuft so, dass er die Feder 17 wieder entspannt, und an der Kamera 1 die Bewegung vollständig ausgekoppelt ist, bei gleichzeitiger Möglichkeit, die Bewegung durch einen Sollwert zu beeinflussen.
Gleiches kann für die anderen Drehachsen 6 und 8 in deren zugeordneten Antriebseinheiten 11 und 13 vorgesehen sein.
Kurzzeitige Störungen, wie sie als Drehmoment durch Erschütterungen und Vibrationenauftreten können, werden durch die nachgebende Kopplung im Zusammenwirken mit dem Trägheitsmoment der Nutzlast vom Vehikel oder der Umgebung unmittelbar abgekoppelt, und zwar auch dann, wenn sie beliebig rascher erfolgen, als die Motoren und die Regelung reagieren. Länger andauernde Störungen werden zusätzlich durch die Regelung über den Motor ausgeglichen.
2 zeigt im Querschnitt eine Detailansicht mit einer anderen Ausgestaltung der nachgebenden Kopplung. Abgebildet sind Teile einer Antriebseinheit, wie sie bei 1 beispielsweise als Antriebseinheit 13 und 11 eingesetzt werden können. Motor 15 treibt über ein Riemenrad 22 und einen Riemen 23 ein zweites Riemenrad 24 an, welches über ein Kugellager 26 drehbar auf der Abtriebswelle 2 läuft. Die Abtriebswelle 2 ist ihrerseits ebenfalls über Kugellager 25 drehbar. Die Kopplung vom zweiten Riemenrad 24 zur Abtriebswelle 20 erfolgt nur über eine Feder 17, welche die Torsionskräfte überträgt und als nachgebende Kopplung dient. Diese Kopplung erfolgt hier zwischen Riemenrad 26 und einem Stellring 28.
Ferner zeigt 2 eine Möglichkeit zur Ausbalancierung des Schwerpunktes auf die Drehachse. Die als Kamera-Aufnahme dienende Plattform 29b und eine an der Abtriebswelle 20 befestigte Schiene 29a sind als Schlitten gegeneinander verschiebbar und feststellbar.
Allgemein kann die Vorrichtung kann durch eine federnde Aufhängung erweitert sein, welche beispielsweise zwischen dem Vehikel und einem äußeren Abschnitt der Lagerung, etwa dem Aufnahmekörper 2, vorgesehen ist. Die federnde Aufhängung kann mehrere Dämpfungselemente beinhalten, welche jeweils in allen 3 Translationsachsen wirken und um den Schwerpunkt herum angeordnet sind. Hierdurch können störende Translations-Erschütterungen abgekoppelt werden, ohne dass zusätzliche Rotationsbewegungen induziert werden.
Vorteilhaft kann dies insbesondere dadurch realisiert werden, dass ein Abschnitt der Lagerung als U-förmigen Rahmen (nicht dargestellt) ausgeführt ist, näherungsweise horizontal und auf Höhe des angenäherten Schwerpunktes der Nutzlast angeordnet ist und über mehrere Dämpfungselemente oder Federelemente mit weiteren Bestandteilen der Vorrichtung verbunden ist. In 1 könnte hierzu der Rahmenabschnitt 3 von Achse 6 getrennt werden, in die Horizontale gedreht sein und an seiner (bezüglich seiner Drehachse 7 entgegen liegenden) Gegenseite einen weiteren Schenkel besitzen, sodass sich eine U-Form ergibt. Die Federelemente können an den 4 Ecken dieses U-fömigen Rahmen-Abschnittes angebracht sein und als Verbindung mit der Umgebung dienen, und liegen somit auf der Höhe des Schwerpunkt.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen der Erfindung mit einer Lageregelung erklärt. Zusätzlich oder unabhängig von der oben beschriebenen Motor-seitigen Regelung kann vorzugsweise eine Lageregelung vorgesehen sein, wobei Sensoren 14 zur Lageerkennung die Bewegungen der Kamera mitmachen. Dies können insbesondere Drehratensensoren sein. Der Stellwert dieser Lageregelung kann als Sollwert der motorseitigen Regelung herangezogen werden. Mit einer Lageregelung ist eine Funktion aber auch ohne die oben beschriebene motorseitige Regelung möglich.
Die Lageregelung kann über gemessene Drehraten erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Lageregelung auch erfolgen, indem Messwerte von Neigungswinkeln verwendet werden. Als Sollwerte der Kamera-Ausrichtung können wahlweise als Drehratenwerte vorgesehen sein oder als Winkelwerte oder als eine Kombination von beiden.
Vorteilhafterweise können Lagesensoren für alle drei Drehachsen als Sensoreinheit 14 gemeinsam angeordnet werden, sodass sie sich gemeinsam und mit der Kamera um alle Achsen dreht. Das kann Insbesondere bedeuten, sie befinden sich nicht getrennt an einzelnen oder vorgeschalteten Abschnitten des Kardangelenks.
Als Sensor zur Lageregelung kann ein künstlicher Horizont vorgesehen sein, welcher drei Drehratensensoren und einen die Schwerkraftrichtung messenden Beschleunigungssensor beinhaltet.
Mit der gemeinsamen Sensoranordnung kann es vorkommen, dass die Ausrichtung einzelner mechanischer Drehachsen nicht notwendig konstant ist, sondern durch Drehung um eine der anderen Achsen sich in Bezug zur Sensoreinheit 14 ändert. Beispielsweise wird eine Drehung um Schwenkachse 6 in der Kamera 1 sowie der Sensoreinheit 14 als Roll-Bewegung registriert, sofern die Kamera nicht wie gezeichnet nach vorne schaut, sondern um die Nickachse 8 nach unten gerichtet ist.
Um eine Lageregelung unabhängig von der Ausrichtung zu ermöglichen, wenn wie beschrieben Drehratensensoren für mehrere Rotationsachsen gemeinsam die gleichen Bewegungen wie die Kamera mitmachen, indem sie alle am Kamera-seitigen Teil befestigt sind, ist vorgesehen, dass die relative Ausrichtung der Drehachsen zueinander auf direkte oder indirekte Weise gemessen oder geschätzt wird und dass Zuordnung, Kopplungsgrad und/oder Wirkrichtung der Signale auf dem Signalpfad von den Drehratensensoren zu den Motoren in Abhängigkeit der relativen Ausrichtung der Drehachsen variabel gesteuert wird.
Dies kann als eine Überblendung oder eine Mischung mit variablen Koeffizienten erfolgen, wobei die Koeffizienten in Abhängigkeit der relativen Ausrichtung der Drehachsen gesteuert sind.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine verbesserte Lagekorrektur erfolgen kann, wenn die Signale in Abhängigkeit der relativen Ausrichtung der Drehachsen so überblendet werden, dass einem bei veränderten Achs-Ausrichtungen resultierenden geänderten Richtungssinn der Aktion einzelner Motoren entsprechend Rechnung getragen wird.
Dies ermöglicht den zusätzlichen Vorteil, dass manuelle Befehle zur Kamera-Sollbewegung immer zur aktuellen Kamera-Ausrichtung passen, d. h. die Richtungen wie das Monitor-Bild orientiert sind.
Als Messwert für die relative Ausrichtung der Achsen zueinander kann ebenso die vom einem künstlichen Horizont gemessene Neigung verwendet werden, sofern man von einer ungefähr waagerechten Ausrichtung der Umgebung ausgehen kann. Weiterhin sind hierfür Potentiometer oder Winkelgeber an den Drehachsen 7 und 8 geeignet.
3 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Lageregelung. An der Kamera sind Drehratensensoren 41, 42, 43, befestigt, wobei Sensor 41 auf eine Schwenkachse (Pan- oder Gierbewegung), 42 auf eine Roll-Achse und 43 auf eine Nick-Achse ausgerichtet ist und sich diese Ausrichtung stets auf die Kamera bezieht. Über einen Funk-Empfänger 30 werden Sollwerte empfangen, welche der gewünschten Drehrate der Kamerabewegung in den besagten Achsen entsprechen und im Spezialfall eines Stillstandes Null sind. Die Regelverstärker 44, 45, und 46 können übliche PID-Regler sein. Sie beinhalten jeweils einen Differenzbildner zum Bilden einer Istwert-Sollwert-Differenz und einen Integrator. und erzeugen Ausgangswerte, die als Stellwerte zum Ansteuern der zugeordneten Antriebseinheiten 11, 12, 13 verwendet werden. Diese Antriebseinheiten können identisch mit den in 1 gezeigten Antriebseinheiten sein.
Ein Messwertaufnehmer 47 ist vorgesehen zur Messung eines Neigungs-Winkels a der kardanischen Aufhängung um ihre Nick-Achse 8. Hierfür kann z. B. ein Potentiometer auf dieser Achse angebracht sein oder ein Beschleunigungssensor in der Sensoreinheit 14 untergebacht sein, welcher die Neigung anhand der Gravitation abschätzt. Das Neigungs-Messsignal wird als ein Kosinuswert 48 und ein Sinuswert 49 dargestellt oder umgewandelt. Die Überblend-Schaltung 50 variiert die Zuordnung der Stellwerte von den Reglern 44, 45 zu den Antriebseinheiten 11, 12. Der Kosinuswert 48 steuert die Anteile, welche die Motoreinheit 11 aus den Reglern 44 und 45 erhält, wobei zwischen diesen Werten überblendet wird, abhängig vom Kosinuswert 48. Hierfür ist die als Potentiometer 51 dargestellte Teil der Überblendschaltung 50 vorgesehen. Gegengleich erfolgt auf entsprechende Weise eine Überblendung des für Antriebseinheit 12 vorgesehenen Stellwertes in dem als Potentiometer 52 dargestellten Teil der Überblendschaltung 50, gesteuert vom Sinuswert 49.
Diese Überblendungen entsprechen wie folgt beschrieben den durch die Mehrdimensionalität resultierenden variablen Wirkungen der von den Antriebseinheiten erzeugbaren Drehbewegungen, in Abhängigkeit der Ausrichtung der Drehachsen zueinander: Bei horizontaler Ausrichtung der Kamera, wobei der Neigwinkel und dessen Sinus den Wert Null, und dessen Kosinus den Wert 1 hat, wird Regeleinheit 44 der Motoreinheit 11 und Regeleinheit 45 der Motoreinheit 12 zugeordnet. Somit steuert der die Schwenk(Pan)-Bewegung messende Drehratensensor 41 die Hochachsen-Antriebseinheit 11 und stabilisiert somit diese Drehlage, und der die Rollbewegung messende Drehratensensor 42 steuert die Rollachsen-Antriebseinheit 12. Bei vertikaler Ausrichtung der Kamera ist die Zuordnung vertauscht, der die Rollbewegung messende Drehratensensor 42 steuert die Antriebseinheit 11; diese treibt bei nach unten gerichteten Kamera deren Rollbewegung, sodass als Resultat die Rollbewegung korrekt stabilisiert wird. Bei einer mittleren Kamera-Ausrichtung, z. B. nach vorne-unten, wird die Zuordnung in Abhängigkeit des Winkels stetig überblendet. Die Überblendung kann als eine Mischung mit variablen Koeffizienten realisiert werden. Die Koeffizienten können Sinus- und Kosinus-Werte der Drehung sein. Es können negative Koeffizienten beinhaltet sein, wodurch die Wirkrichtung der beschriebenen Regelung umgekehrt wird. Beispielsweise wirkt bei einer Kamera-Ausrichtung nach unten-hinten die Aktion der Motoreinheit 11 gegensinnig auf die kameraseitige Schwenkbewegung, dementsprechend kann die Wirkrichtung von Pan-Drehratensensor 41 durch negativen Koeffizienten umgekehrt auf Motoreinheit 11 gekoppelt werden.
Entsprechendes kann mit einem Messwertaufnehmer für die Rollachse 7 zur Messung eines Rollwinkels b zur weiteren Überblendung von Messwerten zu Stellwerten vorgesehen sein. Beispielsweise wird bei zunehmendem Rollwinkel der Einfluss des Hochachs-Motors 11 auf die Nick-Messung übergehen und dementsprechend der Nick-Drehratensensor zur Ansteuerung des Hochachs-Motors 11 verwendet. Es kann eine Matrix vorgesehen sein, welche die Signalpfade der Regelung aller drei Achsen beinhaltet.
Die Mischung oder Überblendung kann allgemein auf die Messignale der Drehraten und/oder auf die Stellwerte vorgesehen sein oder an jeder Stelle auf dem Signalpfad zwischen Messwertgeber und Motoreinheit.
Im Spezialfall der in 1 dargestellten kardanischen Anordnung können aus gemessenen Nickwinkel a und Rollwinkel b geeignete Koeffizienten beispielsweise entsprechend der folgenden Matrix dargestellt werden:

von Sensor Pan (41) / Roll (42) / Nick (43) zu Antrieb

cos(a) –sin(a) sin(b) Pan (11)

sin(a) cos(a) 0 Roll (12)

0 0 1 Nick (13)
Die beschriebenen Signalvorgänge können analog oder digital, und insbesondere als programmgesteuerte Schritte auf einem digitalen Controller ausgeführt werden.
Als Messfühler 16 für eine Differenz-Rotation und/oder als Messwertaufnehmer 47 für eine Achs-Ausrichtung kann vorteilhaft eine Anordnung aus Permanentmagnet und Magnetfeldsensor verwendet werden. Es kann ein linearer Magnetfeldsensor mit zur Feldstärke proportionalem Ausgangssignal verwendet werden. Die Anordnung kann in der Weise erfolgen, dass anhängig von einem zu messenden Drehwinkel oder einer zu messenden Verschiebung eine stetige Veränderung der gemessenen Magnetfeldkomponente auftritt. Indem die Komponenten Magnet und Magnetsensor an den bewegten Teilen befestigt sind und deren Bewegungen mitmachen, kann eine Verschiebung oder eine Relativbewegung am nachgebenden Element gemessen werden. Die gleichen Komponenten können verwendet werden zur Messung eines Drehwinkels oder zur Messung einer relativen Ausrichtung der Achsen zueinander.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 1959941 [0003]
- EP 1061338 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Lagestabilisierung einer Kamera (1) mit einer Lagerung, welche um zumindest zwei Rotationsachsen (6, 7, 8) drehbar ausgeführt ist und mittels welcher die Kamera (1) mit der Umgebung oder einem Vehikel verbindbar ist, wobei die Rotationsachsen (6, 7, 8) nah zum Schwerpunkt von Kamera mitsamt den jeweils mitbewegten Anteilen der Vorrichtung (5, 14) angeordnet ist, und mit Motoren zum Antrieb der um diese Achsen erfolgenden Rotationsbewegungen, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Antriebspfad mindestens einer der Motoren ein nachgebendes Kopplungsglied (17, 18) vorgesehen ist, welche auch ohne Bewegung des Motors (15) eine Differenz-Rotation um die den Motor betreffende Achse (7) zulässt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für mehrere Drehachsen jeweils ein separates nachgebenden Kopplungsglied vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelkreis vorgesehen ist, der einen mit der Kamera mitbewegten elektronischen Drehlage- oder Drehratensensor (14) und eine daran angeschlossene Regelschaltung umfasst, welche die Motoren ansteuert.
Vorrichtung, insbesondere nach Anspruch 3, zur Lagestabilisierung einer Kamera (1) mit einer Lagerung, welche um zumindest zwei Rotationsachsen (6, 7, 8) drehbar ausgeführt ist und mittels welcher die Kamera (1) mit der Umgebung oder einem Vehikel verbindbar ist, wobei die Rotationsachsen nah zum Schwerpunkt von Kamera mitsamt mitbewegter Anteile der Vorrichtung (5, 14) angeordnet ist, und mit Motoren zum Antrieb der um diese Achsen erfolgenden Rotationsbewegungen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: • Drehratensensoren (14) für mehrere Rotationsachsen sind an der Kamera (1) oder an einer zur Aufnahme der Kamera vorgesehenen Plattform (5) in der Weise befestigt, dass sie sich gemeinsam bewegen und ihre Drehbewegungen mit denen der Kamera identisch sind. • ein geschlossener Regelkreis, der die Drehratensensoren (14) und eine daran angeschlossene Regelschaltung umfasst, welche die Motoren ansteuert. • Die Regelschaltung erhält ein gemessenes oder angenähertes Signal, welches die relative Ausrichtung der Rotationsachsen zueinander angibt oder annähert, • Zuordnung, Kopplungsgrad und/oder Wirkrichtung der Signale auf dem Signalpfad von Sensor zu den Motoren wird in Abhängigkeit der relativen Ausrichtung der Rotationsachsen variabel gesteuert.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass zur Lageregelung ein die Drehbewegungen der Kamera mitmachender künstlicher Horizont vorgesehen ist, welcher drei Drehratensensoren und einen die Schwerkraftrichtung messenden Beschleunigungssensor beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus dem künstlichen Horizont abgeleiteter Messwert zur Bestimmung der relativen Ausrichtung der Rotationsachsen zueinander verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das nachgebende Kopplungsglied ein elastischer Körper oder insbesondere ein Federelement ist.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messfühler zur Messung einer durch das nachgebende Kopplungsglied auftretenden Differenzbewegung vorgesehen ist, und dass der Messwert in der Weise zur Steuerung des Motors herangezogen wird, dass ein Regelkreis geschlossen wird.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als Motor zumindest Motor und Getriebe eines üblicherweise als Wegsteller vorgesehenen Servomotors oder insbesondere eines PPM-Servos verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Differenz-Rotation vorgesehene Messfühler an eine bei üblichen Servos enthaltenen Elektronik anstelle des bei üblichen Servos enthaltenen Potentiometers angeschlossen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Messfühler für die Differenz-Rotation eine Anordnung aus Permanentmagnet und linearem Magnetfeldsensor verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine federnde Aufhängung, welche mehrere Dämpfungselemente beinhaltet, welche jeweils in allen 3 Translationsachsen wirken und um den Schwerpunkt herum angeordnet sind.
Unbemannter Flugkörper, insbesondere Modellhubschrauber oder Quadrokopter, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche.
Verfahren zur Lagestabilisierung einer Kamera (1), welche mit einer Lagerung um zumindest zwei Rotationsachsen (6, 7, 8) drehbar ist und sich mit Motoren um diese Rotationsachsen schwenken lässt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: • Die Drehrate der Kamera wird um mehr als eine Achse gemessen, indem Drehratensensoren an der Kamera (1) oder an einem zur Aufnahme der Kamera vorgesehenen Körper (5) in der Weise befestigt sind, dass sie sich mit identischen Drehbewegungen mitbewegen; • ein geschlossener Regelkreis wird gebildet, wobei die Signale der Drehratensensoren (14) über eine daran angeschlossene Regelschaltung die Motoren ansteuern. • Die relative Ausrichtung der Rotationsachsen zueinander wird gemessen oder mithilfe einem als Annäherung dienenden Signal repräsentiert; • Zuordnung, Kopplungsgrad und/oder Wirkrichtung der Signale auf dem Signalpfad von den Drehratensensoren zu den Motoren wird in Abhängigkeit der relativen Ausrichtung der Rotationsachsen variabel gesteuert.