JP6151263B2 - 能動的に安定化させたペイロード支持装置及び方法 - Google Patents

Description

技術背景

本出願は、２０１１年１１月２日に出願した米国暫定特許出願第６１／５５４，６７６号「能動的に安定化させたペイロード支持装置及び方法」、及び２０１２年１月１７日に出願した米国暫定特許出願第６１／５８７，４３９号「能動的に安定化させたペイロード支持装置及び方法」の優先権を請求する。

本発明は、一般的に、空間安定化装置とその方法に関するものであり、持ち運び可能なビデオやフィルムカメラを含む画像取り込み装置などのペイロードに適用可能である。

モバイル型フィルムカメラ又はビデオカメラは、通常、円滑で、高品質な結果を得るには、角安定性と空間安定性が必要である。安定化装置の一タイプは、受動的に安定化したカメラ安定化装置である。受動的に安定化させたカメラ安定化装置は、望ましくない角運動や空間運動を小さくするあるいは防止する一方で、直接オペレータ制御に関連する精度と使い勝手のよさによって利益を受ける。受動的空間安定化装置は、例えば、軽量のハンドヘルドカメラや大きなカメラを含む様々なカメラを支持するのに使用されている。このような安定化装置のほとんどは、それを使用／有効な使用するべく技術的に熟練するには、多大な訓練期間と努力を必要とする。特に、構造がよりコンパクトな軽量カメラ用の受動的安定化システムは、慣性モーメントが小さいという問題があり、したがって、有効に使用するにはより優れたスキルと技術を必要とする。

様々なカメラ安定化システムが入手可能であるが、ペイロードプラットフォームの正確かつ一貫した安定化制御を提供するには未だ課題が残る。特に、これまでの安定化装置の受動的空間安定性と直接オペレータ制御の利益を受けている小型化／軽量化カメラ用の能動的安定化システムが必要とされている。更に使用が容易であり、制御可能性が高く、安定性に優れ、広く受け入れられている流体緩衝パン−チルトヘッドの固有の水平レベルと、それに関連する三脚又は台車を具えることが望ましい。

ビデオカメラなどのペイロードに使用する支持及び定位装置が開示されている。

本発明の実施例は、以下の特徴のいくつかあるいは全てを具える。
・支持されているバランスのとれた拡張ペイロードを案内し定位させるオペレータの直接の接触に反応しつつ、既存の支持ジンバルを介してペイロードに補助能動逆トルクがかかる。
・能動的に安定化させた３軸プラットフォームの直接オペレータ制御：このような３軸装置は、実際の使用においてはオペレータが直接触れることはなく、通常、ジョイスティックあるいはそのような遠隔制御インターフェースを用いてオペレータによって、常に自動的に電気的に操作される。
・錘、回転フライホィールを加えることなく、あるいはサイズを大きくすることなく、支持されている拡張ペイロードの慣性モーメントが大きくなり、ジンバルを介して拡張ペイロードに補助逆トルクを提供することでこの慣性が大きくなり、このトルクは、オペレータによって意図的に付加されたあるいは障害物を介して付加された外部トルクに比例して又は反しており、その結果、同様の錘とサイズ受動安定化装置に比較して、角度誤差が小さくなる。
・運動摩擦は、角速度とともに増える抵抗フィードバックトルクを生む静的慣性系と呼ばれ、オペレータがトルクを与えて拡張ペイロードのオリエンテーションを回転させるときにオペレータが感じる摩擦である。この運動摩擦は、より流動的で均一なパン及びチルト運動をさせる、オペレータの過剰なトルク脈動と、風邪による摩擦などの外部障害を有益に吸収し、ユーザは、おそらく、この特徴が特に、角度障害が拡大される「ズームイン」又は望遠ショットに有益であることがわかる。
・静的慣性系と呼ばれる静的摩擦トルクフィードバックは、直接オペレータ制御により特定のパン及びチルト定位がなされデバイスが静的である時に、ペイロードに取り付けたオペレータ制御面の制御をオペレータが開放すると、また外部力によって若干バランスが崩れ乱れた場合も、その方向を維持しようとする。
・ジンバルを介して拡張バランスペイロードにフィードバックトルクがかかり、このトルクは、オペレータがパン及びチルトトルクをかけ続けてペイロードを方向付けようとしても、ペイロードのチルト軸を局所水平にほぼ平行になるように、あるいは均等に、重力方向の測定に垂直に、そろえる方向にかかる。このチルト軸のアラインメントは、本発明はオペレータが自由に手又は身体に取付けて運ばれるにもかかわらず、パン−チルトヘッドに備え付けられている地面に取り付けた三脚の固有の水平フレーミング特性を提供する。
・上述した補助トルクの付加により、安定化装置は比較的穏やかに作動する。この装置を使用するオペレータは、装置が積極的に安定化されていることに気づくことなる、オペレータは受動安定化装置を直接操作しているが、慣れているオペレータのフィードバックによるものであり、例えば、三脚又は台車の従来の流体緩衝パン−チルトヘッドの制御可能性であると認識するであろう。
・従来の受動安定化装置を超えて大幅に機械的複雑さを増すことなく上述の要素を実行し、実際に、固体慣性センサ、プログラム可能なデジタル信号処理コントローラ、ディスクドライブ業界からのトルクアクチュエータ、及びその他の電子部品といった比較的コンパクトで軽量な電子部品を利用している。

本発明は、複数のトルク発生器を有するバランス部品アッセンブリを安定化させる方法を含む。本発明の説明としての実施例では、この方法は以下のステップを具える：
（ａ）３本の実質的に互いにほぼ直交する軸周りのバランス部品アッセンブリの角速度と定位運動を測定し提供する角運動検知ユニットを使用するステップであって、このような角速度と定位運動が、オペレータの入力と外部障害物によって生じるものを含むステップと；
（ｂ）３本の互いにほぼ直交する軸に所望の角速度と定位運動を提供するステップと；
（ｃ）信号プロセッサを用いて、３本の実質的に互いに直交する軸についての測定した角速度と定位運動を、モデル角速度と定位運動とにそれぞれ比較して、互いにほぼ直交する軸のそれぞれについての比較を行うステップと；
（ｄ）各比較に基づいて、３本の互いにほぼ直交する軸のそれぞれについて補助トルク信号を生成するステップと；
（ｅ）それぞれのトルク発生器に各補助トルク信号を印加するステップと；
（ｆ）ステップ（ａ）乃至（ｅ）を繰り返して、フィードバックループを形成するステップ。

３本の互いに直交する軸は、例えば、パン、チルト、及びロールに対応する。この互いにほぼ直交する軸の各々に別々のアルゴリズムを使用して、測定した角速度と定位位置とモデル角速度と定位位置との比較を作成することができる。補助トルク信号で、バランス成分アッセンブリの角慣性を作成することができる。

静的トルクと、固定慣性系と呼ばれる摩擦トルクを、物理的モデルのモデルチルトトルク及びモデルパントルクに加えてもよい。慣性モーメントとダイナミック制動摩擦係数は、互いにほぼ直交する各軸についての測定角速度を上げる機能があり、時間の軽かと共に、自動的に小さくなる。

この方法は、補助トルクの限度を下回るスレッシュホールドトルクを提供するステップと、外部トルクがこのスレッシュホールドトルクに達したときに補助トルクを下げるステップとを具えており、これによって、オペレータにトルク入力を下げるように信号を出す。外部トルクがスレッシュホールドトルクから外れると、補助トルクが再度加えられる。

本発明の実施例は、ペイロードを安定化させる装置を具えており、この装置は、ロールトルク発生器、チルトトルク発生器、及びパントルク発生器を含む全軸トルク発生器を有するリグと；フィードバックコントローラと；全トルク発生器で生成した角速度と定位運動であって、オペレータ入力と外部障害によって生じたものを含む角速度と定位運動を測定できる角運動検知ユニットと；測定した速度と測定した定位を入力として受信する、画運動検知ユニットに機能的に接続された信号プロセッサを有するフィードバックコントローラと；を具える。この信号プロセッサは、人工水平儀アルゴリズム、ロール軸アルゴリズム、チルト軸アルゴリズム、及びパン軸アルゴリズムを具える。各アルゴリズムによって、信号プロセッサは、測定した角速度と定位運動を処理して、パン、チルト及びロール軸に与える補助トルク信号を生成することができる。この信号が与えられると、角速度と角度位置を物理モデルに合うように変更する。

この装置は、パン軸とチルト軸に関する動きを制御するオペレータ制御面を有し、ロール軸の動きはフィードバックコントローラによってのみ制御される。

ハンドルアッセンブリが設けられており、これによってシェルが、ワイヤをねじることなくパン軸出力シャフトの周りを実質的に無制限に回転可能となる。

図面の簡単な説明を参照して詳細な説明を行う。
図１は、本発明の実施例にかかる安定化装置を示す図である。 図２は、本発明の実施例のブロック図であり、物理的構造への対応を示す。 図３は、本発明の実施例に係るチルト軸の安定化に適用できるアルゴリズムの信号処理を示すブロック図である。 図４は、本発明の実施例に係るパン軸の安定化に適用できるアルゴリズムの信号処理を示すブロック図である。 図５は、本発明の実施例に係るロール軸の安定化に適用できるアルゴリズムの信号処理を示すブロック図である。 図６は、本発明の実施例の分解図である。 図７は、本発明の実施例の分解図である。

本発明の実施例は、相互接続された連続フィードバックループ態様で接続された相互に独立した４つのサブアッセンブリの構成を含む。このサブアッセンブリは以下のものを具える。

１．「バランス構成アッセンブリ」
バランス構成アッセンブリは、「ＳＬＥＤ」構造と呼ばれる構造を具える。図に示すＳＬＥＤ構造は米国特許第４，０１７，１６８号に記載されており、これはハンドヘルド写真撮影に使用する設備として設計されている。本発明の共同発明者であるＧａｒｒｅｔｔ Ｂｒｏｗｎ は、この特許の発明者でもある。ＳＬＥＤ構造は、以下において、リグ又は安定化装置の略として引用される。例えば、カメラやそれに関連する設備といったペイロードを伴う安定化装置を、「バランス成分アッセンブリ」と呼ぶ。

図１は、本発明の実施例に係るバランス成分アッセンブリを示す図である。安定化装置１は、配位するカメラペイロード１１０又はその他のペイロードを支持するプラットフォーム１２０を具える。このプラットフォームは、カメラプラットフォームからその下に延在する硬質立体フレーム１３０に連結されている。この連結した立体フレームの遠位端には、バッテリ１３１及び／又はビデオモニタなどの有用部品、又は単純なカウンタバランス錘でできたカウンタ錘１３２が設けられている。バランス成分アッセンブリは、支持しているペイロードの自然重心の外側及び下側にシフトした重心（ＣＧ）を有しており、ロール軸トルク発生器４１０と、チルト軸トルク発生器４２０と、パントルク発生器４３０、あるいはその他の互いに直交する軸セットを具える全軸ジンバルを配置することができる。このジンバルは、バランス構造の重量を、パントルク発生器４３０の一部であるハンドルなどの外付サポートに移動させて、バランス構成アッセンブリをそのＣＧを中心に、好ましくは回転可能ないくつか及びすべての軸周りを、外部サポートの配位に対して自在に回転させる。バランス構成アッセンブリのＣＧ近傍には、オペレータコントロール又は「ガイド」１４０が取り付けられており、オペレータは「ＳＬＥＤ」に対して操舵トルクをかけて、支持したカメラを配位して／案内して、例えば、捉えるべき対象をフレームにはめることができる。

図に示すように、本発明の実施例は、伝統的なバランスＳｔｅａｄｉｃａｍ（登録商標）型あるいはその他の安定化構造を持つ安定化装置１に慣性安定を加え、その有利な自然受動的角慣性と協働させこれを使用することができる。既存の能動的に安定化させたマウントは、カメラペイロードの慣性を最小にしようとするため、同じレベルの角度安定性を実現するには、より正確でおそらく高価な慣性センサ、より高い帯域及び潜在的にはより安定性が低いフィードバック制御、及びより正確な物理的構造を必要とするまた、従来の能動的に安定化させたマウントでは、支持するカメラのサイズと重量がより制限される。

慣性強化特性の実施例は、特に、より新しく、より小さく、より軽く、慣性リグがより低い、Ｔｈｅ Ｔｉｆｆｅｎ Ｃｏｍｐａｎｙ ＬＬＣが販売しているＳｔｅａｄｉｃａｍ Ｍｅｒｌｉｎ（登録商標）などに適用できる。図に示すように、本発明の実施例は、角度慣性を掛け合わせて、これらの３つのリグが風による妨害やオペレータのうっかりした入力の影響を受けにくくして、重量／サイズを有意に増やすことなく、より大きな／より重いリグのように機能させる。

図１を参照すると、「ＳＬＥＤ」に取り付けてこれに応答するのは、次の構成である。すなわち、以下のとおりである。

２．「角運動検知ユニット」
例えば、慣性測定ユニット（ＩＭＵｓ）などの角運動検知ユニットは、通常、角回転速度と直線加速度及び、ユニットを取り付ける対象物又は乗物の重力に対する配位を測定する。本発明の実施例では、いわゆる「６度の自由度」という運動検知ユニットを使用して、取り付けた「ＳＬＥＤ」＋カメラの、３本の互いにほぼ直交する軸を中心とする合成角回転速度を、いわゆる「角速度センサ」によって測定し、３本のリニアで、かつ互いに直交する軸に沿った空間加速度を加速度計によって測定する。３つの角速度センサは、通常、カメラの回転の「ロール」軸、「チルト」軸、及び「パン」軸に整列して装着されている。角運動検知ユニットの直線加速度計は、通常、カメラの「上下」軸、「左右」軸、及び「前後」軸に沿って整列している。加速度計は、空間を通る実際の直線加速度、並びに重力による静的加速度に対応しており、後者は、地軸を基準とした「垂直／水平」方向に対するカメラペイロードの配位の静止状態角度を検出するのに使用できる。

本発明の実施例によれば、角運動検知ユニットは、ＳＬＥＤ＋カメラペイロードのすべての起こりうる動きを予測して、以下に述べるとおり、フィードバックコントローラを介して安定化逆トルクを進めることが好ましい。

「安定化逆トルク」、「逆トルク」、「補助トルク」、「矯正トルク」、「安定化トルク信号」といった用語は、本明細書では交換可能に使用されており、すべてジンバルに取り付けた全軸トルク発生器を介して能動的に付加されて、本発明の安定性の改善を達成する。
角速度センサを使ってバランス成分アッセンブリの回転を推定することと、加速度計を使ってその重力加速度を推定することによって、アルゴリズムが、各運動検知ユニットに応答する図１に示す、次のサブアッセンブリによって行われる安定化の調整を図る安定化カウンタトルクを作るのに必要な信号の情報を有することになる。

３．信号プロセッサとその支援フィードバックコントローラ、及びそれを支持する両アルゴリズム的方法の組み合わせ
要約すると、フィードバックコントローラ３が角運動検知ユニットサブアッセンブリ２から運動信号を受信し、アルゴリズムの組み合わせを介して安定化逆トルク信号を生成する。これらの逆トルク信号は、全軸トルク発生器４で物理的トルクに変換される。全軸トルク発生器は、例えば、安定化逆トルク信号に対応する３つの個別トルク発生器４１０、４２０、４３０を具える。トルク発生器４１０、４２０、４３０は、ロール軸、チルト軸、及びパン軸の周りにそれぞれトルクを発生させる。角運動検知ユニットは、結果としての回転配位と速度を測定し、フィードバックコントローラへフィードバックさせる代表的信号を生成し、所望の安定性を生み出すフィードバックループを完成する。

フィードバックコントローラ３とそのアルゴリズムは、図１の角運動検知ユニットサブアッセンブリ２に対応しており、カメラペイロード１１０と共同設置されて、発生しうる最大トルクをモニタする。また、ジンバルのペイロード側とオペレータ側の間に連結されて、慣性強化トルク、静的及び動的摩擦トルク、及び平滑化トルクを合成して組み合わせ、オペレータが、ユニットが積極的に安定化していることに気付かないようにましい実質的に自然な方法で安定化装置のコントロールガイド１４０でこれらのトルクを感じるようにする。本発明の例示的実施例では、このデバイスは受動安定化装置として身近であるが、ユーザが気づくことなく、また物理的リグの自然な受動感覚に付加して生じる安定性強化特性が備わっている。

好ましくは、本発明の実施例は、バランス成分アッセンブリを配位させる、同様の使いやすい「実践的」方法をオペレータに提供し、一方でフィードバックコントローラは、同時にかつ協働して、安定性を強化する又は修正する。

アルゴリズムを支援するフィードバックコントローラ３のハードウエアは、いわゆる「リアルタイム信号プロセッサ」によって実装される。初期の「リアルタイム信号プロセッサ」は、アナログの電子計算回路又は機械的コンピュータでできていたが、近年のプラクティスでは、「デジタル信号プロセッサ」として知られている専用デジタルコンピュータとなってきている。いずれの場合も、「リアルタイム」とは、プロセッサが入力信号を受信し、受信時にそのアルゴリズムで作動して、フィードバックコントローラの安定性又はパフォーマンスと、その制御された構造に負の影響を与えない十分に短い遅れで最終結果を出すことを意味する。

本発明の実施例では、フィードバックコントローラ３のアルゴリズム組み合わせの第１の部分において処理するのは、この分野で様々に知られている「垂直ジャイロ」、「人工水平儀」、又は、図２で「人工水平儀」アルゴリズム３１０とされている「姿勢方位測定表示装置（ＡＨＲＳ）」アルゴリズムなどのアルゴリズムを用いて、又は、これらに基づいて処理する、角運動検知ユニット２のセンサ信号である。このアルゴリズムは、カメラペイロードを取り付けた慣性センサからの２１０ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆなど「ビークル基準」（この場合は、カメラペイロード基準）信号を受信し、これを、次いでアルゴリズムによって（好ましくは直接）使用できる３５０ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆなど「地軸基準」信号に変換する。地軸基準とすることによって、人工水平儀アルゴリズム３１０が、カメラペイロードの地軸に対する、及び特に地軸の局所水平線に平行、したがって、局所重力方向に垂直な面に対する、カメラペイロードの回転のロール／ピッチ／ヨー率及び全体角度配位を表す運動信号を生成する。空中又は空間ビークルとは逆に、カメラの配位に適しているので、同等の用語「ロール／チルト／パン」は、「ロール／ピッチ／ヨー」率及び絶対角度に代えて使用できる。

実装した人工水平儀アルゴリズムは、側方加速度運動ではなく、支持されているカメラの地軸基準の絶対チルト及びロール角度を正確に推定する。バランスアッセンブリの平準化を支援するためのオペレータが通常使用する単純な「スピリット又はバブル」レベルは、信頼性がない。

これは、カメラプラットフォームを仮想で装着できる仮想「安定テーブル」を作ることとリンクして、以下に述べるように安定性強化を容易にしている。

用語「慣性」、「角慣性」、及び「慣性モーメント」は、本明細書では交換可能に使用されている。本発明の重要な態様は、角度安定性のみを扱っているため、これらの用語はすべて同じことを意味すると意図されている。

安定性強化アルゴリズムの実装を説明する。

本発明の実施例によれば、図２を参照すると、安定装置１の特定の回転軸に割り当てられた３つの平行路に残りのアルゴリズム的方法を更に分割して実装して、各々が、安定化装置のジンバルに取り付けた全軸トルク発生器４の対応する軸を介して与えられる補正トルクを生成する。すなわち：
（１）ロール軸アルゴリズム３２０：トルク発生器４１０に装着されたジンバルのロール軸を介して補正トルクを与えることによって、水平平準化特性を実装する。
（２）パン軸モデルフォロワーアルゴリズム３４０：ジンバルを装着したトルク発生器４３０のパン軸を介して補正トルクを与えることで、慣性強化＋この軸の静的及び動的摩擦を実装する。
（３）チルト軸モデルフォロワーアルゴリズム３３０：ジンバルを装着したトルク発生器４２０のチルト軸を介して補正トルクを与えることで、慣性強化＋この軸の静的及び動的摩擦を実装する。

「ロール」、「パン」、及び「チルト」はこの目的で使用されているが、上記のとおり、これらは相互に直交する軸で置き換えることができる。

このアルゴリズム的分離によって、各軸に対して様々な強度の安定性補正を行うことができる。これは、従来技術のバランス安定化リグが、各主回転軸の周りに様々な量の自然角慣性を示すことがあるので、利点である。例えば、チルト及びロール軸の慣性は、ＳＬＥＤがいくらか高く、深いあるいは広いため、通常、パン軸の慣性より大きい。本発明の実施例は、所望の場合にコントロールハンドル／ガイドにおいてオペレータが気づくような、すべての軸間の角慣性を同じにする安定化リグを作ることができる。

各軸についての安定化アルゴリズムの詳細な説明
図２、図５のロール軸アルゴリズム３２０−水平平準化
本発明の実施例に係るロール軸アルゴリズム３２０は、アッセンブリ１に運動部品を追加することなく、水平平準化特性を提供する。従来の安定化装置のオペレータは、そのレベルを維持するに当たり、多大な精神的努力を払っている。自動的になされるこの低レベルの仕事により、オペレータは、手でカメラの動きのフレーミングと、そのセットを通るナビゲートに集中し、ショットを完成する。更に、能動的ジンバルトルクに平準化特性が提供されているので、安定化装置１を具えるバランス成分アッセンブリは、従来の低重心に代わってニュートラルにバランスすることができる。有利なことに、本発明の例示的実施例では、オペレータが自分の意志で、低重心リグの一定トルクに逆らうことなく傾けて、より大きなチルト角度でより安定なフレーミングを行うことができる。重要なことは、ロール軸アルゴリズム３２０が、全体にわたって、あるいは多くの実際のチルト角度に水平平準化を維持することができる一方、すべての又は多くの実際の実用速度でパニングもできる。

本発明の実施例は、標準パン−チルトマウントに取り付けた地上ベースで平準化した三脚又は台車＋カメラの固有の水平レベルを模倣している。このような構成によって、オペレータは、いわゆるパン−チルトハンドルを押すことによって対象をフレームに嵌めて、自在な「パニングとチルティング」で全対象をとらえ、一方、オペレータが意識することなく自動的にカメラの水平が維持される。この構造とセットアップによって、地軸ベースのマウントのチルト軸が、地面に平行になり、装着したカメラの水平レベルが維持される。

図５を参照すると、人工水平儀アルゴリズム３１０によって提供される上述の特徴が２つの信号を用いて行われている。ロール角測定速度３５０ｅと地軸に対する絶対ロール軸測定角度３５０ｆである。ロール角は、カメラが水平の時（チルト軸が水平）のときゼロになり、カメラが時計回り方向に水平でないときは正であり、反時計回り方向に水平でないときは負になる。同様に、ロール速度は、カメラがロール軸の周りを回転していないときはゼロであり、時計回り方向に回転移動していれば正、反時計回り方向に回転移動していれば負である。選択した倍率Ｃ１，Ｃ２（３２１、３２２）でそれぞれこれらの信号を測定して、加算器３２６で加算して、ジンバルに装着したロールトルク発生器４１０にかかる「ロール逆トルク」フィードバック信号３２５を生成した。正しく選択した倍率で、迅速に反応して、外部障害があってもリグ＋カメラの同軸が水平に戻るフィードバックコントローラループができる。

パン及びチルト軸アルゴリズム−強化慣性＋静的及び動的摩擦、図２を参照
慣性強化に加えて、パン及びチルト軸アルゴリズム３４０、３３０が安定化装置アッセンブリに、標準地軸ベースカメラの流体緩衝パン−チルトヘッドからの生産的特徴、すなわち、動的及び静的摩擦を加える。これは、人工水平儀アルゴリズム３１０によって提供される固定慣性系と呼ばれる。静的摩擦は、カメラオペレータが、いわゆる最小の努力で「ロックオフ」と呼ばれる、固定パン／チルト配位を維持するのを支援する。動的摩擦は、特に長い（望遠）レンズを用いたパンとチルトのゆっくりしたスムーズさを強化する。これらの合成摩擦の両方とも、ガイド１４０への突風や過剰なオペレータの入力によるカメラ障害を小さくするのに役立つ。

パン及びチルト軸を操作するアルゴリズム、同じであるが、慣性、静的摩擦、及び動的摩擦が異なる対象を用いており、各軸に対して個別にコントロール可能な所望の応答を生成する。

チルト軸モデルフォロワーアルゴリズム３３０は、角チルト速度３５０ａと絶対チルト角度３５０ｂを具える人工水平儀アルゴリズム３１０に対応しており、全軸トルク発生器のチルト軸を通って、チルトトルク発生器４２０を介して与えられる、補助チルトトルク３３５を生成する。

同様に、パン軸モデルフォロワーアルゴリズム３４０は、角パン速度３５０ｃとパン角度３５０ｄ人工水平儀アルゴリズム３１０に対応しており、全軸トルク発生器のパン軸を通って、パントルク発生器４３０を介して与えられる、補助パン補正トルク３４５を生成する。

パン角度は、任意のスタート位置に関係し、人工水平儀アルゴリズムは、カメラがコンパスなどを使わずにパン幅を指している方向を必ずしも表示するわけではないので、ロール／チルトと同様に絶対的なものではない。パン軸アルゴリズムは、絶対的なパン角方向ではなく、パン角度の変化に基づいて正しいトルクを計算することによって、このことを説明している。

パン／チルト軸アルゴリズムを、図４、図３を参照して詳細に説明する
慣性強化＋有用な摩擦の合成が、受動バランス成分アッセンブリのパン軸とチルト軸に加えられる。物理的モデル３４１、３３１を刺激するパン軸とチルト軸のアルゴリズムを用いるのに加えて、パン軸とモデル軸のフォロワー３４６、３３６を使用する。基本的技術は、信号プロセッサ内の所望の強化バランス成分アッセンブリの物理特性を模倣した理想モデルのリアルタイムでのシミュレーションを構築するステップを具える。刺激を受けたバランス成分アッセンブリは、実際の静的バランス成分アッセンブリに与えられた外部パン／チルト賞味トルク信号３４３、３３３を推定することによって駆動される。次いで、刺激を受けたバランス成分アッセンブリの計算した所望の動きを、実際の静的バランス成分アッセンブリの測定した動きと比較して、その差異に基づいた補正フィードバクトルクを展開させて、物理的バランス成分アッセンブリの動きを刺激を受けたバランス成分アッセンブリの動きに合致させる。全軸トルク発生器４が十分に強力で、フィードバックループの帯域が十分に高ければ、バランス成分アッセンブリは通常、理想的な刺激を受けたモデルに非常によく合致する（及び、オペレータの間隔とほぼ同等の感覚にできる）。

所望の慣性特性をモデルにした単純な物理的メカニズムは、低摩擦ベアリングに装着したフライホィールである。刺激を受けたフライホィールは、回転運動におけるニュートンの法則に従って、静止（回転していない）していれば、外部トルクが与えられない限り、そのままの状態を保つ。回転している場合は、外部トルクによって動かない限り、時計回り（ＣＷ）又は反時計回り（ＣＣＷ）に一定の角速度を続ける（例えば一秒当たりの角度）。フライホィールは、存在と時間の二つの状態があるだけであり、単に「状態」と言われる。現在の回転速度（正のＣＷ値、又は、負のＣＣＷ値、又は０の角度／秒）と、度で表す現在の角度位置である。一定のトルクが静止フライホィールに与えられると、増加する角度速度でゼロから回転する、すなわち、フライホィールの成形時の慣性によって分割されたトルクによって、フライホィールが角加速する。同様に、角速度が、ゼロから時間と共に均一に上がる。負のトルクがフライホィールに与えられると、トルクが与えられている間フライホィールの角速度が均一に下がり、最終的に止まって、負のトルクが十分に長く続くと方向を変える。

ニュートンの法則は、角度位置を角速度に関連させている。例えば、フライホィールが１秒に付き１度の低速で回転すると、その角度位置は３６０秒で一回転進み、７２０秒で２回転進む。

成形した慣性フライホィールの挙動（すなわち、経時的トルクが、経時的角速度と経時的角度位置の出力となる）は、以下の式で要約できる。

経時角速度＝（経時[トルクイン]の積分）／慣性モーメント
経時角度位置＝経時角速度の積分

時間可変量の「経時積分」は、単に、ゼロから始まり現在の時間で終わる、時間に対するグラフ上にプロットし、その量の下で積算された「曲線の下の面積」である。この信号プロセッサは、この機能を行う一般的な積分器又はアキュムレータを使用している。

図３を参照すると、刺激を受けた物理的モデル３３１のチルト軸に関して、上記の式の実装について述べる。トルク信号３３１ｒは、デバイダ３３１ｓによって所望の慣性モーメントＩｍｔで分割され、モデルチルト角加速度３３１ｍを発生させる。積分器３３１ｄは、このモデルチルト角加速度３３１ｍを経時積分して、モデルチルト角信号３３１ｈを生成する。この信号は、第２の積分器３３１ｇを通過して、これを経時積分して、モデルチルト角３３１ｊを生成する。

図４を参照すると、パン軸についても同様であり、トルク信号３４１ｒは、デバイダ３４１ｓによって所望の慣性モーメントＩｍｐで分割され、モデルパン角加速度３４１ｍを発生させる。積分器３４１ｄは、このモデルパン角加速度３４１ｍを経時積分して、モデルパンレート３４１ｈを生成する。この信号は、第２の積分器３４１ｇを通過して、これを経時積分して、モデルパン角３４１ｊを生成する。

所望のようにシュミレートした静的及び動的摩擦トルクを、単純な慣性のみのフライホィールモデルに与える。これは、フライホィールにブレーキをかけるのと同じである。このブレーキは、このモデルに新しく反対のトルクを与える。このモデルの現角速度がゼロであれば、すべての外部トルク入力と合致し、これと完全に逆（すべての外部トルクから差し引かれた）の「静的摩擦」維持トルクを、スレッシュホールドまでこのモデルにかけることになる。モデルにかけた外部トルクが設定スレッシュホールドに達したら、徐々に「ブレーキをはずし」（徐々に、保持トルクを除去し）、全外部トルクに応答してモデルが角度加速し始める。角速度がゼロに近づくと、モデルは徐々に「静的摩擦」ブレーキを再度かける。これが、以下に述べるように、ジンバルを介してカメラ側から、全軸トルク発生器４とそのアルゴリズムをコントロールすることを介してサポート側へのブレーキトルクとなる。

チルト軸に関して図３を参照すると、静的ブレーキモデル３３１ａは、正味外部チルトトルク信号３３３に対応しており、上述した通り、チルトモデル速度信号３３１ｈがゼロでなければその信号をチルトモデルトルク信号３３１ｋとして直接通過させ、また、チルトトルク信号３３３が第２の選択されたスレッシュホールドより小さいが、モデルチルト速度信号３３１ｈが名目上ゼロである場合は、ゼロのトルクをチルトトルク信号３３１ｋへ通過させる。

パン軸に関して図４を参照すると、第２の静的ブレーキモデル３４１ａは、正味外部パントルク信号３４３に対応しており、上述した通り、パンモデル速度信号３４１ｈがゼロでなければその信号をパンモデルトルク信号３４１ｋとして直接通過させ、また、正味外部パントルク信号３４３が第２の選択されたスレッシュホールドより小さいが、モデルパン速度信号３４１ｈが名目上ゼロである場合は、ゼロのトルクをパントルク信号３４１ｋへ通過させる。

静的摩擦ブレーキと平行して、シミュレーションを行った動的摩擦ブレーキ成分を使用する。これは、外部トルク入力とは逆に、動的負フィードバックトルクをモデルの入力に加えることによって行われる。この動的負トルクは、単純に、モデルの現角速度に比例して新しいトルクを作ってこれを与え、この新しいトルクを外部トルクから差し引いて、その差をモデルに与えることで達成される。スケールファクタは、「動的ブレーキ係数」としても知られており、動的ブレーキ効果の強さをコントロールするとともに、これが高くなると、従来の静的流体緩衝パン−チルトカメラマウントの「ドラッグ調整ノブ」を硬くすることと比較できる。

結果として、動的にブレーキを掛けたフライホィールモデルは、トルク入力に対して慣性のみのバージョンとは全く異なって応答する。慣性のみのバージョンは、これまでに角速度を上げて所定の一定トルク入力を与え、連続的に加速する。与えられた動的ブレーキで、モデルは、動的ブレーキ負トルクが外部トルクと等しくなるまで、角度加速して、その結果、モデルに好ましい正味ゼロのトルクがかかり、一定の角速度運動に落ち着く。これは、流体緩衝パンチルトマウントの所望の性能特性に近い。

チルト軸に関しては、動的ブレーキモデル３３１ｂが、現モデルチルトレート信号３３１ｈに対応しており、「動的ブレーキングのチルト軸係数」によってスケーリングして、チルト動的ブレーキトルク３３１ｎが生じる。これは、減算器３３１ｃを用いて、統計ブレーキモデル３３１ａから、変形したチルトトルク信号３３１ｋを減算したものである。

パン軸に関しては、動的ブレーキモデル３４１ｂが現モデルパンレート信号３４１ｈに対応しており、「動的ブレーキングのパン軸係数」によってスケーリングして、パン動的ブレーキトルク３４１ｎが生じる。これは、減算器３４１ｃを用いて、統計ブレーキモデル３４１ａから、変形したパントルク信号３４１ｋを減算したものである。

本発明の実施例によれば、所望の動的ブレーキ特性の新規な改良が、リグ回転率に応じて「動的ブレーキング係数」を調整するステップを具える。例えば、通常は、低い回転率に対して最大動的ブレーキを掛けるが、これは通常、長い（望遠）レンズを用いた時に求められるパンとチルトのゆっくりした動きに対して生じる。一方、従来の受動リグの自然な「摩擦のない」挙動によって、オペレータがリグにいくらかトルクをかけて、単純に対象を追従するよう惰性で動かすことによって、非常に流動的なパンとチルトの回転運動が開始する。動的ブレーキ係数を、ある軸回転率以上で徐々にゼロに下げると、このタイプのオペレータの動きを、有益な摩擦で強化された低パン／チルト率の安定性を失うことなく調整することができる。したがって、チルト及びパン軸アルゴリズムの動的ブレーキモデル３３１ｂ、３４１ｂによってそれぞれ実装した「動的ブレーキ係数」は、単純な比例スケーリング定数ではなく、各モデルレート３３１ｈ、３４１ｈの非線形関数である。

更に、本発明の実施例によれば、前述したとおり、実際の受動構造であるときに対応するチルト及びパン軸でシミュレートした物理モデル３３１、３４１について、これらは、スタビライザアッセンブリ１であるように応答する（トルクで駆動される）。すなわち、これらのモデルは、オペレータによってコントロールガイド１４０に掛けられたトルク、及び／又は、風や空気抵抗、及びアンバランストルクなど外部障害物によるトルクにのみ応答する。重要なことは、このモデルは、やはり、物理的リグ１が応答している全軸トルク発生器４を通ってかかるトルクには応答していない。言い換えれば、このモデルは、人工水平儀アルゴリズムによって提供された動き信号から駆動された総トルクでは駆動されない。なぜならば、物理的リグが感じるすべてのトルクに応答するからである（各運動検知ユニットがリグに固定されているため）。このトルクには、補助トルクも含まれる。なぜなら、「総トルク」と言っているからである。オペレータの入力と外部障害物を表す「正味外部トルク」は、モデルの唯一のドライバである。

本発明の実施例によれば、軸アルゴリズムがこの量を正確に推定するのに十分な情報を有している。まず、軸（パン又はチルト）角速度と人工水平儀アルゴリズム（速度信号対時間のスロープの推定）とを微分することによって、総トルクを推測する。この微分器出力が。その軸の角加速度の測定値である。再び、ニュートンの法則を使用して：
「総トルク」＝「構造的慣性モーメント」×「角加速度」
の式を作った。

ここで、「構造的慣性モーメント」は、我々が制御している特定の物理的リグ軸について一度だけ測定する必要がある、既知の物理的定数値である。

また、この軸アルゴリズムの最終結果として生成され適用されるので、この軸の周りに「補助トルク」が全軸トルク発生器を介して生成されることがわかる。したがって：
「正味外部トルク」＝「総トルク」−各軸についての「補助トルク」
である。

これは、シミュレートした物理モデルに与えられる値である。これは、所望の慣性及び摩擦特性でモデルを完成させ、このモデルは角速度と次のアルゴリズムに使用するための位置ゴールを提供する。

特に、チルト軸については、図３を参照すると、「総チルトトルク」３３７が、総チルトトルク推定器３３４を使用して推定され、これが信号差微分器３３４ａでチルト軸測定レート３５０ａを微分し、微分器出力を、乗算器３３４ｂを用いてチルト軸３３４ｃの周りの既知の構造的慣性の一定代表によってスケーリングして、「総チルトトルク」３３７をつくる。

最終的に、減算器３３２を使用して既知の「補助チルトトルク」３３５を「総チルトトルク」３３７から減算し、チルト軸のシュミレートした物理モデル３３１にかかる「正味外部チルトトルク」３３３を生成する。

パン軸については、図４を参照すると、「総パントルク」３４７を総パントルク推定器３４４を用いて推定し、測定したパンレート３４８ａを信号微分器で微分し、微分器出力を、乗算器３４４ｂを用いてチルト軸３４４ｃの周りの既知の構造的慣性の一定代表によってスケーリングして、「総パントルク」３４７を形成する。

最終的に、減算器３４２を使用して既知の「補助チルトトルク」３４５を「総チルトトルク」３４７から減算し、チルト軸のシュミレートした物理モデル３４１にかかる「正味外部チルトトルク」３４３を生成する。

パン及びチルト軸に関する残りのサブアルゴリズムである、Ｍｏｄｅｌ Ｆｏｌｌｏｗｅｒについて以下に説明する。

モデルフォロワーアルゴリズムでは、シミュレートした軸の物理モデル３３１、３４１が「マスター基準」となり、上述した通り、モデル角速度と位置ゴールを提供する。全体的なバランス成分アッセンブリは「スレーブ」となり、トルク発生器４からの補助チルト及びパントルク３３５、３４５を介して、少しずつ動くあるいは強制され、シミュレートした物理モデルマスターによって決まる角速度と位置ゴールがマッチングする。スレーブとマスターとの差が十分に小さく維持されれば、総バランス成分アッセンブリはユーザに応答して、モデルがシミュレートする安定性強化物理特性によって、実際のリグに近く感じる。

人工水平儀アルゴリズム３１０は、リグの各制御軸の測定したレートと方向を提供する。ここから、フィードバックループが形成され、各軸について最終補助トルクを生成する。物理スレーブの測定した速度と方向を、減算することによって、マスターのモデルレートと位置ゴールと、比較する。これらの差をスケーリングして加算し、この軸に関する最終補助トルクを形成する。特に、以下の式を用いることができる：
「補助トルク」＝Ｋ１×（モデル速度−測定速度）
＋
Ｋ２×（モデル角度−測定角度）

この式は、負のフィードバックループを形成しており、フィードバック係数Ｋ１，Ｋ２の最適な選択によってループの帯域と減衰が制御される。Ｋ１及びＫ２は、好ましくは可能な限り大きく設定して、マスターモデルに対するスレーブの忠実性を最大にする。しかしながら、実際の慣性センサはすべて、いくらかの残留電気ノイズがあり、これらの係数が大きすぎると、このノイズがシステムにジッタを生じさせる。したがって、この最適値は、本発明の様々な実施例によって変わる。

「補助トルク」の極性は、物理スレーブがマスターモデルより「後ろに倒れたら」、正の「補助トルク」が生成されて、トルク発生器からのトルクを通じてスレーブを前進させて、マスターに追いつくように、反対に、スレーブがモデルの前に移動したら、トルク発生器で生成した負のトルクがスレーブを遅らせて、マスターモデルの位置ゴールへ「戻す」ように、選択される。

特に、チルト軸に関しては、図３を参照すると、モデルフォロワー３３６が、チルト軸測定レート３５０ａを、減算器３３６ａを用いてモデルチルトレート信号３３１ｈから減算して差３３６ｆを形成することによって実装される。次いで、チルト軸測定角度３５０ｂを、減算器３３６ｄを用いてモデルチルト角度３３１ｊから減算して、差３３６ｇを形成する。最後に、差３３６ｆ、３３６ｇを、定数乗算器３３６ｂと３３６ｅを用いて定数Ｋｔ１、Ｋｔ２によってそれぞれスケーリングして、加算器３３６ｃで加算して、最終補助チルトトルク３３５を形成する。

パン軸については、図４を参照すると、モデルフォロワー３４６が、減算器３４６ａを用いてパン軸測定レート３４８ａをモデルチルトレート信号３４１ｈから減算して差３４６ｆを形成することによって実装される。次いで、パン軸測定角度３４８ｂを、減算器３４６ｄを用いてモデルチルト角度３４１ｊから減算して、差３４６ｇを形成する。最後に、差３４６ｆ、３４６ｇを、定数乗算器３４６ｂと３４６ｅを用いて定数Ｋｐ１、Ｋｐ２によってそれぞれスケーリングして、加算器３４６ｃで加算して、最終補助チルトトルク３４５を形成する。

これにより、パン及びチルト軸に個別に適用した基本的軸アルゴリズムが達成される。

パン及びチルト軸アルゴリズムの追加態様
上述した標準「物理シミュレーションモデル＋モデルフォロワー」アルゴリズムの実際の欠点は、本発明の様々な実施例によって解決できる。上述したアルゴリズムは、発生した補助トルクがオペレータが与えたトルクの強度を超えて十分に大きいときに限り有効であり、従って、物理リグを実質的にモデルに整列させておく。

本発明を実用化するためには、全軸トルク発生器４は、実際に使用するトルクモータのサイズ及び重量制限のため、最大トルクを制限してもよい。

上述した通り、例えば、標準的な従来のアルゴリズムを単純に使用すると仮定すると：
オペレータが増大するトルクをかけるとすると、「スレーブ」（物理的構造）が「マスター」モデルを忠実に追従して、全方向軸トルク発生器４が最大トルクに達するまで、装置は所望の安定特性がある慣性の増大と摩擦を正確に提供する。この時点で、バランス成分アッセンブリの「感覚」は、リグをモデルに合致させるのに必要な追加の補助トルクが十分でないため、突然変化する。バランス成分アッセンブリは、すぐに同期した慣性を失い、オペレータが更にトルクをかけ続けると、予期せず速度が上がり始める。物理的構造の方向が急に前進するため、モデルの位置ゴールを大幅に追い越し始める。オペレータは、最終的にその変化を感じて、無意識にリグに掛けたトルクを小さくするか完全に開放し始める。トルク発生器のフィードバックループは、徐々に飽和状態になり、バランス成分アッセンブリが角度的にモデル位置ゴールの前にきて、反対方向に最大トルクをかけて、物理的リグを急激に「後退」させてモデルに合致させる。これによって、アルゴリズムが物理的リグとモデルの間の位置の合致を再度達成しようとするときに、面倒で受け入れられない「サーボ不安定性」又は「逆方向へのはね戻り」として生じているものがわかる。

本発明の実施例は、上述の欠点を解決しようとするものである。固定モデルの慣性モーメントと、固定動的ブレーキ摩擦係数を有する標準物理的モデルというよりは、このシステムは自動的にこれらの二つのモデルパラメータを、例えば、各制御軸の周りの測定角速度の増加に応じて、時間の経過と共に低減するようにしている。

したがって、オペレータが選択した軸に一定のトルクを加えると、その軸についての測定した角速度が徐々に大きくなって、モデル慣性モーメントと動的ブレーキ強度が徐々に小さくなる。これによって、物理的リグは期待したよりも早く加速し始めるが、徐々にオペレータか検知した時間的キューを作るのに十分になり、トルク発生器が最大トルクに達して良くない結果が生じる前に与えるトルクを低減することができる。

オペレータが上述のキューフィードバック特性を無視した場合、軸トルク発生器がその最大トルク飽和点に到達する時を最初に検知することによって、受け入れられない「跳ね戻り」効果をより一層軽減できる。これが生じると、シュミレートした物理モデルの角度位置ゴールを超えて、飽和が生じる時に存在した物理的差異にモデルを等しくする定量分だけ物理的角度位置がずれたもので置き換えられる。この変形によって、オペレータが最終的にハンドルの制御を離したときに、物理的角度位置の不一致にモデル化したものが、確実に、「跳ね戻り」がわずかあるいは全く生じない程度に十分に小さいままとなる。

好ましくは、シュミレートした物理モデルに対するこれらの新規な変形の結果が、本発明の実施例の安定した構造が、オペレータの入力に対してリピート可能で制御可能に応答し、必ずしも理想的に応答する必要はないが、固定強化慣性＋摩擦をもって、経験の少ないオペレータでも確実なものになる。

特に、チルト軸に関して、図３を参照すると、チルト軸の変形は、まず、モデルチルト角速度信号３３１ｈの増加に応じて、動的ブレーキモデル３３１ｂの「チルト軸動的ブレーキ係数」を小さくすることによって実装される。更に、モデルチルト角速度信号３３１ｈが増加すると、デバイダ３３１ｓ内のモデル慣性モーメントＩｍｔが小さくなる。このことが、上述の所望のオペレータのキューを作る。ついで、「トルク飽和検出器」３３１ｆが、チルトトルク発生器４２０が最大値に到達する時を示し、それに応じてトグルスイッチ３３１ｅが下側に位置し、モデルチルト角速度信号３３１ｈをチルト軸測定角速度３５０ａで置き換えて、スイッチ３３１ｅを介して、この積分器の入力に接続されている出力３３１ｐを積分器３３１ｇへ入力する。これが、モデルチルト角度３３１ｊをずらせる、あるいはチルト軸測定角度３５０ｂを、飽和が生じたときに存在する差より大きくないものとして、チルト軸の跳ね戻りによる不安定性を防止するという所望の効果を有する。

パン軸についても同様であり、図４を参照すると、パン軸の変形は、まず、モデルパン角速度信号３４１ｈの増加に応じて、動的ブレーキモデル３４１ｂの「チルト軸動的ブレーキ係数」を小さくすることによって実装される。更に、モデルパン角速度信号３４１ｈが増加すると、デバイダ３４１ｓ内のモデル慣性モーメントＩｍｐが小さくなる。このことが、上述の所望のオペレータのキューを作る。ついで、「トルク飽和検出器」３４１ｆが、パントルク発生器４３０が最大値に到達する時を示し、それに応じてトグルスイッチ３４１ｅが下側に位置し、モデルパン角速度信号３４１ｈをパン軸測定角速度３４８ａで置き換えて、スイッチ３４１ｅを介して、積分器の入力に接続されている出力３４１ｐを積分器３４１ｇへ入力する。これが、モデルパン角度３４１ｊをずらせる、あるいはパン軸測定角度３４８ｂを、飽和が生じたときに存在する差より大きくないものとして、パン軸の跳ね戻りによる不安定性を防止するという、所望の効果を有する。

個々の安定化アルゴリズムについて、リグの個別物理的回転軸を参照して述べたが、本発明の実施例の範囲には、可能なすべての回転における３次元構造の物理的運動を、その軸についての潜在な異なる角度慣性にかかわらず、同時にモデル化する代替のアルゴリズムにも及ぶ。組み合わせたアルゴリズムは、リグのジンバルに取り付けた全軸トルク発生器を介して得られる３次元総トルクベクトルを介して安定性が強化される。このトルクベクトルは、トルクが連結される軸（３次元で）に整列し、ジンバルの「オペレータ」側と「ペイロード」側の間に連結されたトルク発生器のトルクの量（時計回り又は半時計回り）を表す長さを有する。

上述したロール、チルト、パンアルゴリズムに見られ、一般的でもあるもう一つの望ましくない挙動について、本発明の実施例で更なる変形によって取組が行われている。特に、物理的構造が、天頂角として知られている９０度に達する大きなチルト角に傾いている場合、上述したロール水平レベルアルゴリズムが、模擬標準パン−チルトマウントが壊れ、非生産的になる特異点に取り組んでいる。

チルトが９０度に達する受動的な従来の地軸ベースのパン−チルトヘッドの挙動が観察されると、チルトが「天頂」に近づくときに面白い現象が生じる。パン−チルトハンドルを「パン」方向に押すことで、ロール軸の周りでカメラを大きくローリングさせ、真の天頂で機構がロックして、カメラ基準のパンが不可能となる。天頂では、天頂から遠く傾けて、カメラのロール軸の周りをローリングさせることができるが、カメラのパン軸の周りをパンさせることはできない。この挙動は、一般的に「ジンバルロック」と呼ばれており、通常のパン−チルトマウントでは、＋／−９０度よりいくらか小さいチルト範囲に封じ込められているので、防止される。

本発明の例示的実施例は持ち運び自由であるので、オペレータが天頂へチルトさせることを防止する物理的方法はほとんどないか、全くなく、従来の身体に付けたＳｔｅａｄｉｃａｍ（登録商標）タイプのマウントでは、オペレータがジンバルを、ジンバルロックを防止するように置くことができるので、天頂を通る制御可能なチルト配位が可能である。このジンバル軸は、カメラのジンバル軸に整列するように封じられていないからである。

したがって、代替のアルゴリズムルールを調整して、本発明の実施例に有利にすることができる。

極限チルト角に対するロール軸の変形
チルト角の範囲、すなわち、水平から＋／−８０度程度以内で、上述のロール軸水平化アルゴリズムが実行される。所定の角度を超えて、天頂角に近づくと、水平に対するロール軸駆動がフィードバック強度において徐々に小さくなり、「慣性のみの」アルゴリズムに徐々に置き換えられ、現在のカメラロール角度を維持しようとする。本発明の実施例は、物理的構造の受動ロール慣性によるものであり、更に、上述したパン／チルト慣性強化アルゴリズムによって提供されるものと同様に、ロール軸能動慣性強化への移行を利用している。

ロール軸について、特に図５を参照すると、チルト軸測定角度３５０ｂを変動ゲイン信号出力３２８を生成する関数発生器３２７に入力し、チルト軸が天頂角に達したとき及び天頂角から１８０度離れた時に、ゲインをゼロにする。変動ゲイン信号出力３２８は、乗算器３２３、３２４に入力されて、天頂角、反天頂角に達するときにロールトルクフィードバック強度を小さくする。

極限チルト角に対するパン軸の変形
上述のパン軸アルゴリズムは、パンレートの地軸に向けた測定と、人工水平儀アルゴリズムで提供される角度に応答している。測定した地軸に向けたパン軸は、局所重力にほぼ垂直に整列している。携帯型あるいは身体搬送型の物理的構造は、例えば、天頂角に傾いているため地軸パン軸は、カメラのパン軸には整列せず、実際は、９０度直交する関係に近づく。したがって、本発明の実施例は、設定した「極限」スレッシュホールドを超えるチルト角度を検出すると、パン軸アルゴリズムを変形して、カメラ自体のパン軸に向けた測定角度及び速度に徐々に応答するようにする。このように、パン軸アルゴリズムは、極限チルト角度で、カメラを地軸に向けたパン軸ではなくカメラ自体のパン軸に対して安定させる。これは、厳しい地軸に向けたパン−チルトマウントモデルの係合と、望ましくないジンバルロック動作とからパン軸をはずすので望ましい。

パントルク発生器の軸がある程度カメラの自然パン軸に整列したら、パン速度及び方向の測定が、地軸に整列した軸ではなく、カメラパン軸に整列している慣性センサから、パン軸アルゴリズムへ連続的に提供される。この構成により、「天頂角」を通るチルト角状態を含むすべてのチルト角についてのパン挙動を、チルト角に応答するアルゴリズム変形を行うことなく、自然に操作することができる。

上述のパン軸の変形を行うには、図４を参照すると、図２に示す測定したチルト角度３５０ｂが選択したスレッシュホールドを超えた時に、地軸基準のパン軸の測定速度及び角度３５０ｃ、３５０ｄをカメラ基準のパン軸の測定速度及び角度２１０ｃ、２１０ｄにそれぞれ置き換える。あるいは、パントルク発生器の軸が、カメラのパン軸に整列したら、地軸基準パン軸測定速度及び位置３５０ｃと３５０ｄを、カメラ基準パン軸測定速度及び角度２１０ｃと２１０ｄに永久に置き換えて、これを図４に示すパン軸アルゴリズムに入力する。より詳細には、図４を参照して、標準クロスフェード要素３４８ｃ、３４８ｄを用いて、選択したクロスフェード画分３４８ｅを生成する関数発生器３４８ｆで決定した測定チルト角度３５０ｂに応じて、地軸基準パン軸測定速度及び角度３５０ｃ、３５０ｄをカメラ基準パン軸測定速度及び角度２１０ｃ、２１０ｄに徐々に置き換える。上述のクロスフェード要素は、第１の入力をゼロと１の間の選択された画分で乗算するとともに、及び第２の入力を選択した画分から１を引いて乗算し、二つの積を足し合わせることによって、動作する。

受動トランス−ジンバルカップリング
特に、本発明の携帯型の実施例では、片手で支持することができ、さらにオリエンテーションも可能な更に生産性が高い変形を行うことができる。外側ハンドルと内側アッセンブリの間の弾性カップリングが、「ソフトエンドストップ」特性を提供することができ、これによって、オペレータがハンドルをジンバルの最大角度範囲を超えて回転させると、特に、通常制限された角度範囲のボイスコイルが使用されているロール軸とチルト軸に対して、カメラペイロードをスムースに角度方向に加速させる。このようなデバイスは、米国特許公開２０１１／００８０５６３Ａ１に見られ、このデバイスは、引用によりここに組み込まれている。本発明の例示的実施例は、無制限のパン角度回転範囲を有するが、パン軸を通る弾性カップリングによっても、片手搬送とオリエンテーションを行うことができる。この片手操作モードは、自動車などの運転にオペレータのフリーハンドが必要な場合に、特に有益である。ここに開示したアルゴリズムを、このような弾性的にカップリングしたパン軸トルク発生器に適用することができる。

遠隔制御の実施例についての変形／本発明の変形例
上述したように、本発明の実施例は、オペレータが実際に直接かつ局所的に制御する安定化装置の安定性を主に強化している。しかしながら、遠隔制御可能な変形例を実装して、遠隔カメラプラットフォームについての上述した安定性特性を作ることができる。

多くのアプリケーションがカメラペイロードの配位を必要としている。カメラの位置でオペレータがそれを配位することは、実用的でなく、不可能であり、あるいは危険であった。カメラの遠隔制御を行うことができる様々な従来技術のデバイスが存在する。

本発明の第１の遠隔操作アプリケーションでは、典型的な受動遠隔操作ジョイスティックなどを使用している。ジョイスティックの信号を変換して、トルクコマンドを表すようにして、これらの送信されたコマンドを上述のフィードバックコントローラですでに提供されているものと足し合わせ、この和が全軸トルク発生器に送られる。その結果、ジョイスティックベースのトルクコマンドが、ハンズオンオペレータのコマンドにとって代わる。

本発明の第２の強化遠隔操作アプリケーションでは、上述の受動ジョイスティックなどを、いわゆる「力フィードバック」又は「触覚フィードバック」入力デバイスで置き換えている。本発明の実施例では、このデバイスを、本発明の人工水平儀アルゴリズムからフィードバックを介して提供された実際のカメラオリエンテーション角度によって、動力で反射的に駆動される。有利なことに、遠隔オペレータは、ここで、制御面を手にしており、この制御面をもってカメラに搭載した遠隔プラットフォームを、本発明のスタビライザ、又は実際は、従来の受動Ｓｔｅａｄｉｃａｍ（登録商標）デバイスの実施例のハンドオンオペレータ用に提供される者から識別できないような方法で、配位する。

このフィードバックコントローラ３は、「補助」トルク信号を提供し、各軸について、最終的な必須サブモジュールを介して制御される。

４：全軸トルク発生器
全軸トルク発生器サブアッセンブリは、安定化装置アッセンブリ１の「ＳＬＥＤ」の全軸ジンバルに連結されており、アルゴリズムによるフィードバックコントローラ３で提供される「補助トルク」信号に応答する。

全軸トルク発生器は、ジンバルの支持側と、ペイロード側の間に連結されている。これは、「ＳＬＥＤ」＋支持されているカメラペイロードと、支持側との間に連結したジンバル配位トルクをオペレータのトルクと並行してつなぐ。

このサブアッセンブリは、様々な方法と構成要素を使用することができるが、結果としてのトルクは好ましくは正確に制御可能であり、ジンバルの角度位置にかかわらず均一である。候補トルク発生器は、一定の電流パワーアンプで駆動される従来の永久磁石ＤＣモータと、全回転より小さく回転する単純な単コイル永久磁石ＤＣモータである、「ボイスコイルアクチュエータ」を具える。

本発明の例示的実施例では、選択したトルク発生器又はモータを各回転可能なジンバルのジョイントに取り付けて、トルクがそのジョイントの静止側と回転側に伝わるようにしている。好ましくは、モータは、その重量が、アッセンブリのニュートラルバランスとアンバランスにならないように配置されており、モータ本体の位置は、制御ハンドル／ガイドに対するオペレータのアクセスを邪魔しないように、配置されている。

フィードバックコントローラ３は、カメラペイロードの主軸（パン、チルト、及びロール）に関連する補正補助トルクを展開させるので、全軸トルク発生器は、これを考慮しなければならない。いくつかのジンバルの構成は、カメラの回転軸に整列する必要がない回転軸を有する。この構成ではジンバルパン軸のみが、カメラのパン軸に整列している。ジンバルの他の二つの軸は、代わりに、カメラのバランス中心とそのすべてのカウンターバランス重量に整列している。

オペレータに取り付けた第１の回転ジョイントは、第２の回転ジョイントを支持しており、この軸は第１のジョイントの軸に直交しており、第１の回転ジョイントの回転側に取り付けられており、第２の回転ジョイントの回転側は、パン軸ジョイントの静止側に取り付けられており、この軸は、第１及び第２のジョイント軸にほぼ直交しており、カメラペイロードは、パンジョイントの回転側に取り付けられている。カメラが回ると、カメラのロール軸とチルト軸が、第１のジョイント軸と第２のジョイント軸に対して回転する。

したがって、フィードバックコントローラ３によって生じた補助補正トルクが回転して、このトルクがカメラペイロード１１０のロール軸とチルト軸に整列し、実際の第１のジョイントと、第２のジョイント軸に整列する。これは、パンジョイントの現在の角度を、取り付けた角度センサが発生する信号を介して受信するフィードバックコントローラ３によって容易に達成することができる。

本発明の携帯型の実施例では、従来行われているように軸ジョイントについての順番が逆になっている。図２を参照すると、ロール軸トルク発生器４１０の静止側が、カメラのロール軸にほぼ平衡にプラットフォーム１２０に取り付けられている。このロータコイルアッセンブリ４１１は、ロール／チルトガイド１４０に取り付けて、ロールジョイントの軸にほぼ直交する軸を有するチルトロータリィジョイントのチルトロータコイルアッセンブリ４２１に取り付けている。最後に、チルト軸トルク発生器４２０の静止側が、パントルク発生器の出力シャフト４３１の回転側に取り付けられている。この発生器の軸は、ロールジョイントとチルトジョイントの軸に対してほぼ直交しており、パンロータリィジョイントがパン軸トルク発生器に埋め込まれており、これは、オペレータの手で運ばれるハンドル４３０としても作用する。

この実施例では、フィードバックコントローラ３が設けられているカメラの軸に軸が良く整列しており、ロール、チルト、及びパンの補正補助トルクが、ロータリィジョイント角度の検出を要することなく、ジンバルのロータリィジョイントに対応して取り付けられているトルク発生器４を通って直接的に与えられる。

このような好ましい携帯用実施例の一つでは、図１及び２を参照すると、全軸トルク発生器４は、ボイスコイルモータを用いてジンバルのロール軸とチルト軸について、ステータ、この静止に対応する各モータのロータ、所望のロールのロータリィ側、チルト軸ジョイントを有するロール軸及びチルト軸トルク発生器４１０、４２０に、実装されている。パン軸トルク発生器４３０は、パン軸トルク発生器４３０を含むオペレータが携帯するハンドルに埋め込んだ標準ＤＣモータとともに実装されている。パントルクは、ハンドルと、残りのリグ構造に取り付けた連結チルトロータリィジョイント４２０との間を通過する。

好ましい携帯用実施例のロール軸とチルト軸のジンバル構造をより理解するために、分解図である図６を参照する。図に示すように、ロール軸は、ロール軸トルク発生器４１０としてロータリィボイスコイルモータを用いており、その物理的構造のカメラ側に静止側又はステータ側が忠実に取り付けられており、ロータコイルアッセンブリ４１１は右側角度プレート１４０ｂに取り付けられている。ロータコイルアッセンブリ４１１内に示されているのは、標準ラジアルベアリング４１１ａであり、内側がプレート４１０ａにねじで、ロール軸トルク発生器４１０のステータに対して締結されている。ロータコイルアッセンブリ４１１内のベアリング４１１ａの外側は、組み合わせたアッセンブリ４１１、１４０ｂ、４２１に固定されている。ロータコイルアッセンブリ４１１内のベアリング４１１ａの中央軸は、ロールのジンバル軸と、名目上又は正確に合致している。

同様に、チルト軸は、チルト軸トルク発生器としてボイスコイルモータを使用しており、そのステータ側が、パン軸トルク発生器４３０を有するパントルクハンドルアッセンブリに、カップリングブロック４３１ａを介してパントルク発生器出力軸４３１に固定されている。チルトロータコイルアッセンブリ４２１は、直角プレート１４０ｂに固定されている。チルトロータコイルアッセンブリ４２１に示されているのは、標準ラジアルベアリング４２１ａであり、その内側が、図に示すようにチルト軸発生器４２０のステータ側へねじでプレート４２０ａに固定されている。チルトロータコイルアッセンブリ４２１内のベアリング４２１ａの外側は、組み合わせたアッセンブリ４１１、１４０ｂ、４２１に固定されている。

チルトローターコイルアッセンブリ４２１内の標準ラジアルベアリング４２１ａの外側の中央軸は、ジンバルのチルト軸と実質的に一致している。

直角プレート１４０ｂの構造によって、ロール軸とチルト軸、及び各ベアリング４１１ａ、４２１ａの軸は、物理的リグの重心１で、あるいはその近傍で直交している。更に、パン軸は、好ましくは、パントルクハンドル出力シャフト４３１の中央軸と一致しており、この軸は名目上あるいは正確に、ロール軸とチルト軸の交点を通過している。カウンタ錘４３１ｂは、アッセンブリ４２１、４２０の重量とほぼバランスしており、共通の重心が、パン軸と同じで、バランス成分アッセンブリの重心を、ジンバル軸の交点とほぼ一致させている。

オペレータ制御面１４０ａは、直角プレート１４０ｂに取り付けられている。制御面１４０ａは、例えば、その中心がロール軸、チルト軸、パン軸の交点、及び物理リグ１の重心とほぼ一致しているざらざらした部分球面である。別のタイプのオペレータ制御面は、本発明の範囲内にある。様々なタイプのジンバルや、その他のデバイスによって、類似する又は比較可能な自由度を、本発明の方法及びアッセンブリに実装することができる。

オペレータは、このざらざらした球面にパン及びチルトステアリングトルクを与えて、支持されているカメラペイロードを配位することができる。このように、携帯用実施例の制御面１４０ａによって、パン及びチルト方向におけるオペレータの配位が可能であり、ロール軸はルール軸アルゴリズム３２０によって自動的に水平が維持される。

好ましい携帯用実施例では、上述した通り、パン軸トルク発生器４３０が、例えば、共通の永久磁石ＤＣ（ＰＭＤＣ）モータを用いてオペレータが身に着けたハンドルに実装されている。オペレータが身に着けたハンドル内のパンロータリィジョイントを非制限回転させる安定化装置があり、オペレータが歩き回ると、安定化装置が、特定の所望の角度方向を指し続けるため、オペレータがハンドルを握り直す必要がなく安定化装置が最適操作位置を取るようにしている。図７の構成に見られるように、この特徴を、低コストＰＭＤＣモータを用いて達成した。

図７を参照すると、標準ＰＭＤＣモータ４３０ｃのステータ本体は、パントルク発生器出力シャフト４３１に固定されており、このシャフトは好ましくは図に示すように中空状である。モータ４３０ｃへの電力ワイヤ４３０ｇ、４３０ｈがこの中空シャフト４３１に入っており、図に示すように、シャフトから出て、モータ４３０ｃへ電力を接続している。標準ラジアルベアリング４３０ａを埋め込んだ頂端キャップ４３０ｂは、シャフト４３１を中心に自由に回転するが、ハンドルシェル４３０ｅの係合する頂端部に固定されている。底端部４３０ｆは、ハンドルシェル４３０ｅの底端部に固定係合されており、モータ４３０ｃの出力シャフト４３０ｄは、底端部４３０ｆの中央ホールを通過し、それに固定的に係合されている。

このように、オペレータの手で運ばれているハンドルシェル４３０ｅは、パン軸出力シャフト４３１の周りを、モータ４３０ｃの電力ワイヤ４３０ｇ、４３０ｈをねじることなく、自在にかつ無制限に回転可能である。

本発明は、例えば、システム、方法、又はデバイスといった様々な方法で実用化することができる。本発明は、ここで述べた方法、その方法を実行するプロセッサを含み、ストレージ装置及び部品及び関連するプログラムコードを具える。

本発明の様々な実施例について述べたが、各々が、異なるエレメントの組み合わせを有する。本発明は、ここに述べた特定の実施例に限定されるものではなく、開示したエレメントの様々な組み合わせや、いくつかのエレメントの削除、このような構成の均等物を含む。

本発明を実施例によって説明したが、当業者には更なる利点や変形が明らかである。したがって、広い態様における発明は、ここに述べた詳細に限定されない。本発明の精神と範囲から外れることなく、例えば、カメラ以外のペイロードに本発明を実装するなどによって、変形を行うことができる。したがって、本発明は、特定の実施例に限定されないことを意図しており、特許請求の範囲とその均等物の完全な精神と範囲内で解釈される。

Claims (20)

1. 複数のトルク発生器を有するバランス成分アッセンブリを安定化する方法において：
   （ａ）角運動検知ユニットを使用して、３本の互いにほぼ直交する軸における前記バランス成分アッセンブリの角速度と角度方向を測定し提供するステップであって、前記角速度と角度方向が、トルク発生器によって生成された角速度および角度方向と、オペレータの入力と外部障害によって生じたものを含む、ステップと；
   （ｂ）測定した前記角速度および角度方向から得られた総トルク信号から、前記トルク発生器によってかけられたトルクを減じて、正味外部トルクを提供するステップと；
   （ｃ）前記３本の互いにほぼ直交する軸における所望の角速度と角度方向をもつ物理モデルを提供するステップであって、当該物理モデルが前記正味外部トルクに対応しているステップと；
   （ｄ）信号プロセッサを用いて、測定した角速度および角度方向を、モデルの角速度および角度方向と、前記３本の互いに直交する軸の各々について比較して、当該互いに直交する軸の各々について個別のアルゴリズムを使用し、前記互いに直交する軸の各々についての比較を生成するステップと；
   （ｅ）角速度の差を第１のスケールファクタで乗じて、スケール化した角速度の差を形成し、角度方向の差を第２のスケールファクタで乗じて、スケール化した角度方向の差を形成するステップと；
   （ｆ）信号プロセッサを用いて、前記スケール化した角速度の差と前記スケール化した前記角度方向の差とを足すことによって、相互に直交する軸の各々について補助トルク信号を生成するステップと；
   （ｇ）前記補助トルク信号の各々を、それぞれのトルク発生器に与えるステップと；
   （ｈ）ステップ（ａ）乃至（ｇ）を繰り返して、フィードバックループを形成するステップと；
   を具えることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法において、前記三本の互いにほぼ直交する軸が、パン、チルト及びロール軸に対応することを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法において、前記角運動検知ユニットによって提供された前記測定した角速度と角度方向が、前記トルク発生器と前記角運動検知ユニットが取り付けられた「乗物」に関連し、当該方法が更に：
   乗物に関連する角速度と角度方向を、人工水平儀アルゴリズムを用いて、地軸を基準とした角速度及び角度方向に変換するステップを具えることを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法において、前記補助トルク信号が、スタビライザの角度慣性を増加させることを特徴とする方法。
5. 請求項２に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法が更に：
   固定慣性フレームを基準とした静止トルクと摩擦トルクを前記物理モデルの、モデル化したチルトトルクと、モデル化したパントルクに加えるステップを具えることを特徴とする方法。
6. 請求項１に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法において、慣性モーメントと動的ブレーキ摩擦係数が、各互いにほぼ直交する軸の測定した角速度の増加に応じて時間と共に自動的に小さくなることを特徴とする方法。
7. 請求項６に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法が更に：
   補助トルク制限を下回るスレッシュホールドトルクを提供するステップと；
   外部トルクが前記スレッシュホールドトルクに達した時に前記補助トルクを低減させて、オペレータのトルク入力を小さくするようにオペレータに信号を出すステップを具えることを特徴とする方法。
8. 請求項１に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法において前記オペレータの入力が、全軸トルク発生器にオペレータが遠隔で与えたトルクを含むことを特徴とする方法。
9. 請求項２に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法において、
   前記チルトに対応するチルト軸の角度が、ロール軸水平化アルゴリズムが使われている選択され
   た範囲における角度に等しく；
   前記チルト軸の角度が、慣性のみのアルゴリズムが使われている選択された範囲から外れている；
   ことを特徴とする方法。
10. 請求項９に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法において、前記選択されたチルト軸角度範囲が約＋／−８０度であることを特徴とする方法。
11. 請求項３に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法において：
    チルト軸の角度がスレッシュホールド角度に等しいときに、パン軸アルゴリズムが、地軸を基準とする角速度と角度方向ではなく、乗物を基準とする角速度と角度方向に次第に応答するように変形されていることを特徴とする方法。
12. ペイロードを安定化させる装置において：
    前記ペイロードの中間の重心からずれた位置にある重心と、オペレータコントロールガイドと、全軸トルク発生器を有するジンバルとを具えるスタビライザと、
    フィードバックコントローラと；
    前記全軸トルク発生器で生成した角速度と角度方向を測定することができる角運動検知ユニットであって、前記角速度と角度方向が外部障害によって生じた角速度と角度方向を含む、ユニットと；
    を具え、
    前記全軸トルク発生器がロールトルク発生器と、チルトトルク発生器と、パントルク発生器とを具え；
    前記全軸トルク発生器が当該フィードバックコントローラで発生した補助トルク出力信号によって駆動され；
    前記フィードバックコントローラが、前記角運動検知ユニットに機能的に接続された信号プロセッサを具え、測定した角速度と角度方向とを入力として受信し、
    前記信号プロセッサが： 人工水平儀アルゴリズムと、第１の軸アルゴリズムと、第２の軸アルゴリズムと、第３のパン軸アルゴリズムと、を具え；
    前記信号プロセッサが、前記それぞれのアルゴリズムによって、測定した角速度と角度方向を処理して、前記第１、第２及び第３の軸の各々に与えるべき補助トルク信号を生成することができ、この補助トルクが与えられたときに、前記角速度と角度方向が物理モデルに合致するように変形した、
    ことを特徴とする装置。
13. 請求項１２に記載の装置が、前記第２の軸と前記第３の軸における運動を制御するオペレータ制御面を具え、前記第１の軸における運動が、前記フィードバックコントローラのみによって制御されることを特徴とする装置。
14. 請求項１２に記載の装置において：
    ハンドルアッセンブリであって、第３のトルク発生器の中空シャフトの周りを回転可能なシェルを有するハンドルアッセンブリと；
    前記第３のトルク発生器のシャフトに固定したモータと；
    前記第３のトルク発生器のシャフト内に配置され、前記モータに連結されたワイヤと；
    前記第３のトルク発生器のシャフトの周りを回転自在であり、前記シェルに固定的に係合した上端キャップと；
    前記シェルの底端部に固定的に係合した底端キャップであって、中にホールを有しそのホールに第３のトルク発生器を配置して固定的に取り付けた底端キャップと；を具え、
    この構成により、前記シェルがほぼ制限なく前記第３の軸の出力シャフトの周りを、前記ワイヤがねじれることなく回転可能である、ことを特徴とする装置。
15. 請求項１２に記載の装置において、前記全軸トルク発生器が、第３、第２及びロールに対応する３本の互いに直交する軸においてトルクを発生することを特徴とする装置。
16. 請求項１２に記載の装置において、前記それぞれのアルゴリズムが、固定慣性フレームを基準として、前記物理モデルのモデル化第２トルクとモデル化第３トルクに静止トルクと摩擦トルクを加えることを特徴とする装置。
17. 請求項１２に記載の装置が更に、オペレータの入力によって制御された遠隔制御全軸トルク発生器を具えることを特徴とする装置。
18. 請求項１２に記載の装置が更に、受動トランスジンバルカップリングを具え、当該受動トランスジンバルカップリングが、追加の外部トルクを提供することを特徴とする装置。
19. 複数のトルク発生器を有するバランス成分アッセンブリを安定化する方法において：
    （ａ）角運動検知ユニットを使用して、３本の互いにほぼ直交する軸における前記バランス成分アッセンブリの角速度と角度方向を測定し提供するステップであって、前記角速度と角度方向が、オペレータの入力と外部障害によって生じたものを含む、ステップと；
    （ｂ）前記３本の互いにほぼ直交する軸における所望の角速度と角度方向をもつ物理モデルを提供するステップと；
    （ｃ）信号プロセッサを用いて、測定した角速度と角度方向を、モデル角速度と角度方向とを、前記３本の互いに直交する軸の各々について比較して、前記互いに直交する軸の各々についての比較を生成するステップと；
    （ｄ）それぞれの比較に基づいて、前記相互に直交する軸の各々について補助トルク信号を生成するステップと；
    （ｅ）前記補助トルク信号の各々を、それぞれのトルク発生器に与えるステップと；
    （ｆ）ステップ（ａ）乃至（ｅ）を繰り返して、フィードバックループを形成するステップと；
    を具え、
    慣性モーメントと動的ブレーキ摩擦係数が、各互いにほぼ直交する軸の測定した角速度の増加に応じて時間と共に自動的に小さくなることを特徴とする方法。
20. 複数のトルク発生器を有するバランス成分アッセンブリを安定化する方法において：
    （ａ）角運動検知ユニットを使用して、３本の互いにほぼ直交する軸における前記バランス成分アッセンブリの角速度と角度方向を測定し提供するステップであって、前記角速度と角度方向が、オペレータの入力と外部障害によって生じたものを含む、ステップと；
    （ｂ）前記３本の互いにほぼ直交する軸における所望の角速度と角度方向をもつ物理モデルを提供するステップと；
    （ｃ）信号プロセッサを用いて、測定した角速度と角度方向を、モデル角速度と角度方向とを、前記３本の互いに直交する軸の各々について比較して、前記互いに直交する軸の各々についての比較を生成するステップと；
    （ｄ）それぞれの比較に基づいて、前記相互に直交する軸の各々について補助トルク信号を生成するステップと；
    （ｅ）前記補助トルク信号の各々を、それぞれのトルク発生器に与えるステップと；
    （ｆ）ステップ（ａ）乃至（ｅ）を繰り返して、フィードバックループを形成するステップと；
    を具え、
    前記３本の互いにほぼ直交する軸のうちのチルト軸の角度が、ロール軸水平化アルゴリズムが使われている選択された範囲における角度に等しく；
    前記チルト軸の角度が、慣性のみのアルゴリズムが使われている選択された範囲から外れていることを特徴とする方法。

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