(57)【要約】本発明に従えば、乗り物、特に飛行物体（１）の移動を測定するために、当該乗り物に搭載されている画像化光学システム（２）を用いて、周辺環境（４）の画像を検知する。前記システムは、構造に基づいて画像のあらゆるシフトを検知して、当該シフトの測定信号を発生させるべく用いられる光電子シフトセンサー（３）を含み、そのために前記センサーが固有の評価ユニットを含む。当該センサーは、無制限個数の物体を表現できるように配置される。測定信号は、飛行物体の運動および／または位置を表わす量として用いられる。当該シフトセンサーは、光学式マウスに用いられているセンサーに類似している。本発明のシステムはまた、例えば飛行高度を制御すべく、距離の測定にも用いることができる。本発明は更に、制御ループにより飛行物体を自動制御する方法にも関係する。
2006500266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学センサー技術を用いて、機械制御可能な、または駆動機構を備えた乗り物の運動および／または位置を、６個の空間自由度のうち少なくとも１個において測定する装置であって、
前記乗り物（１）に搭載されていて、外界（４）の画像区画を画像平面に射影するのに適している光学画像化手段（２）と、
複数の感光部分領域および電子評価回路を備え、射影された構造の変移を検知すること、および測定された変移信号を出力することに前記回路が適している、光電子シフトセンサー（３）とにより特徴付けられる装置。
【請求項２】
前記複数の感光部分領域および電子評価回路が共通の基板に備えられていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光学画像化手段が、無限遠にある画像構造を前記シフトセンサー上に画像化すべく調節および構成されていることを特徴とする、請求項１あるいは２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４】
前記シフトセンサー（３）が、シフトの測定値を増分シフト値すなわちシフト・ジャンプ形式で出力する出力機能を備えていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記シフトセンサーから出力された測定信号を、測定されたシフトの速度の測定値に変換すべく最適に適合された電子機器（７）を備え、すなわち前記電子機器が前記シフトの方向を先行指標として考慮しつつ出力シフト値またはシフト・ジャンプの周波数を測定することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
飛行物体を制御する作動要素に接続すべく適合されていて、前記シフトセンサーの測定信号から導かれた実測値から制御値を生成する電子機器（７）により特徴付けられる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の飛行物体の飛行安定化装置。
【請求項７】
無線通信により目標値を送信するための入力機能を有する電子調節制御手段（７）により特徴付けられる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の飛行物体の飛行安定化装置。
【請求項８】
少なくとも１個のジャイロスコープ（９）並びに、前記ジャイロスコープおよび前記シフトセンサーから導かれた信号を補償混合すべく適合された回路を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記光学画像化機器が、前記シフトセンサーの感光領域全体の対角線の少なくとも５倍の長さの有効焦点距離を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
ピクセルの読み出し周波数、および解析速度が１２０Ｈｚを超えることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記シフトセンサーが１，５００個未満のピクセルを有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記シフトセンサーとして、少なくとも光学マウスに指定されるセンサーのチップまたは構造がこれと同等なチップが用いられることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記シフトセンサーが、光学マウスへの応用を目的とする場合よりも低いクロック速度で動作することを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
少なくとも２個のシフトセンサー（３１）、（３２）が提供されていて、光学画像化の結果生じるそれらの主視認方向（１１ａ）、（１１ｂ）が所定の角度だけ拡がっていること、および前記センサーの信号を相互に関連して解析すべく適合されている電子解析回路が提供されて両方のセンサーの出力に接続されるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
調節制御ループにより、エアフォイルに基づく飛行物体の飛行を安定化させる、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置の使用。
【請求項１６】
光学センサー技術を用いて、機械制御可能な、または駆動機構を備えた乗り物の運動および／または位置を、６個の空間自由度のうち少なくとも１個において測定する方法であって、
乗り物（１）に搭載された光学画像化手段（２）により、現在の位置から見える外界（４）の画像区画を捕捉し、前記区画を複数の感光部分領域を有し、前記光学画像化手段の後ろの位置、すなわちシフトの検知に十分な無限遠にある画像構造の光学解像度が確保された位置に光学的に配置されている光電子シフトセンサー（３）の感光領域上に画像化するステップと、
前記感光部分領域の測定データを前記シフトセンサーに内蔵された解析電子回路に供給するステップと、
前記解析電子回路内で、先の測定データと連続的に比較することにより、構造のシフトの結果生じた変化を解析して、シフト値を生成するステップと、
前記飛行物体の位置および／または運動値の少なくとも一つの尺度として利用する出力信号としてこの値を出力するステップとにより特徴付けられる方法。
【請求項１７】
前記光学的シフトセンサーとして、解析電子回路（群）および感光部分領域が同一基板に配置されているセンサーを用いることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記シフトセンサーから導かれた信号から制御値が生成され、前記信号を用いて前記乗り物の運動に影響を及ぼす制御機能の少なくとも１個を制御することを特徴とする、請求項１６または１７のいずれか一項に記載の、乗り物を制御または安定化させる方法。
【請求項１９】
前記光学画像化手段により、飛行位置から見える地上画像の画像部分が捕捉されること、およびフィードバック−ループにより、前記シフトセンサーから導かれた信号を用いて飛行の傾きを制御することを特徴とする、請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の、回転翼飛行機の飛行を安定化させる方法。
【請求項２０】
前記シフトの実際の速度の少なくとも準連続測定信号が、前記シフト増分の周波数測定を連続的に行なうことにより前記シフトセンサーから発せられる出力信号から生成され、前記シフトの方向が前記周波数値の先行指標として考慮されていることを特徴とする、請求項１６〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記シフトセンサーから導かれた信号変数が、その周波数範囲の少なくとも一部において時間に関して微分されることを特徴とする、請求項１６〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
電子解析プロセスにおいて、前記シフトセンサーの少なくとも１個の測定座標の出力信号から以下の測定値、増分シフトの合算によるシフト量、測定されたシフトの速度、前記速度の変化率、測定された運動の発生、のうちの少なくとも一つが得られることを特徴とする、請求項１６〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記シフトセンサーから導かれた測定値が、前記乗り物のローリング、ピッチング、およびヨーイング等の回転運動により生じる影響から少なくとも部分的にパージされること、および回転値、その角度、またはその角速度に比例する回転信号が、光学的に得られた測定値と補償的な意味で混合されることを特徴とする、請求項１６〜２２のいずれか一項に記載の並進運動測定方法。
【請求項２４】
制御手段に供給されて各々の回転に影響を及ぼす制御信号を用いて前記回転信号を得ることを特徴とする、請求項２３および請求項１８または１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記制御信号が、定義されたループ増幅機能を有する（調節）制御ループにより生成されること、およびその実測値がまだパージされていない形式の測定信号を含み、前記回転信号の補償混合が実現される、すなわちループ増幅が減少した値に調節されて、そのレベルが当該増幅に合致し、前記混合の結果生じる逆フィードバックの結果として前記調節制御ループがこれを有することを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記光学的シフトセンサーとして、光学マウスに用いられる種類のセンサーを用いることを特徴とする、請求項１６〜２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記画像化の光学視線が、下方に向けられた必須垂直成分を有すること、また、前記光学測定信号が水平運動関連の値、すなわち位置／距離、速度、および加速のうち少なくとも一つの測定値として用いられること、およびそれに応じて前記飛行物体の傾きが制御されることを特徴とする、請求項１６〜２６のいずれか一項に記載の、実測値と目標値との比較および少なくとも１本の傾斜軸に関する制御によって飛行物体を安定化させる方法。
【請求項２８】
前記飛行物体が回転翼飛行機であること、および前記光学センサーから得られた運動関連測定値を用いて前記回転翼飛行機の少なくとも１本の傾斜軸を制御することを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
傾きの角度も同様に調節ループ制御に支配されること、および傾きの実測値を得るために、前記光学センサーから導かれた水平速度の測定値を、その周波数範囲の少なくとも一部において、時間に関して微分されることを特徴とする、請求項２７あるいは２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記光学画像化手段が下方に向けられていること、前記飛行物体上に、地表（現存する）までの距離を測定する機器が存在すること、および可能な距離の範囲の少なくとも一部において、傾きの影響に関してパージされる可能性のある光学測定信号に、地表までの測定距離が増大するにつれて連続的に増大する係数を乗算することを特徴とする、請求項１６〜２９のいずれか一項に記載の、軌道の少なくとも１個の水平成分を測定および／または安定化させる方法。
【請求項３１】
並進速度が与えられて、かつ少なくとも近似的に既知である場合、前記乗り物と外界の画像化された部分との距離の測定値の逆数として測定された光学シフト速度が用いられることを特徴とする、請求項１６〜３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
飛行速度が少なくとも近似的に既知の場合に、前記光学速度測定信号を地上の飛行高度の測定値の逆数として用いることを特徴とする、請求項３１に記載の、飛行物体用方法。
【請求項３３】
前記光学視線が回転軸と一致していないこと、および前記シフトセンサーにおいて、測定された画像シフトの方向が前記回転軸に対して横向きに配置されていることを特徴とする、請求項１６〜３２のいずれか一項に記載の、少なくとも１本の軸に関する乗り物の回転を測定する方法。
【請求項３４】
前記センサーの光学視線が目標に向けられていること、および少なくとも１個のセンサー座標の測定信号を用いて少なくとも１本の軸に関する運動の方向を誘導することを特徴とする、請求項３３あるいは１８に記載の、固定または移動目標の目標追跡を行なう方法。
【請求項３５】
前記センサーの光学視線が目標に向けられていること、およびシフト座標の少なくとも一方または両方の測定信号を用いて、逆フィードバック的に１本または２本の軸に関して前記光学視線を誘導することを特徴とする、請求項３３に記載の、固定または移動目標の目標追跡を行なう方法。
【請求項３６】
少なくとも２個のシフトセンサー（３１）、（３２）を用い、前記光学画像化から生じたこれらの主光学視線（１１ａ）、（１１ｂ）が所定の角度だけ拡がるように前記センサーが向けられていること、および前記センサーの信号が相互に関連して解析されることを特徴とする、請求項１６〜３５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
前記光学センサーが回転軸に接する方向で画像（６３）、（６４）のシフトをサンプリングすること、および測定値の重ね合せにより運動成分の測定値が得られ、前記成分が、回転（６１〜６１’）、（６２〜６２’）の結果生じる接線逆運動（前記成分がこれである）からなることを特徴とする、請求項３６に記載の、少なくとも１本の回転軸（１２）に関する回転運動を測定する方法。
【請求項３８】
前記光学センサーが放射方向で画像（５１）、（５２）のシフト（５１’）、（５２’）をサンプリングすること、および測定値の重ね合せによる信号の比較により運動成分の測定値が得られ、前記成分が、距離（４１〜４１’）、（４２〜４２’）の変化により生じる放射方向の逆運動からなることを特徴とする、請求項３６あるいは３７に記載の方法。
【請求項３９】
物体との距離が少なくとも近似的に既知である場合、得られた測定値を、固定または可動物体（４）への距離の変化の測定値として用いることを特徴とする、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記光学視線（１１ａ）、（１１ｂ）間の中間視線（１１）に沿った速度成分が少なくとも近似的に既知の場合、測定値を、物体（４）までの距離の測定値の２乗逆数として用いること特徴とする、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
少なくとも２個のシフトセンサーの信号から、共有結果値が生成され、前記センサー（群）からの測定値が含まれていないか、または含まれていて重み付けが小さく、前記測定値が前記センサー（群）からのものであり、そのシフトおよび／または明度および／またはコントラストの品質の実測値がより小さい絶対値を示すことを特徴とする、請求項３６〜４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４２】
前記シフトセンサー内で測定の妨害または消滅が生じたならば、調節制御に関与する目標値と測定値の混合における重み付け比率が、光学測定値なしで飛行姿勢を安定化させることが可能な動作モードに変更されることを特徴とする、請求項１６〜４１のいずれか一項に記載の、フィードバックループを用いる方法。
【請求項４３】
光学センサー技術を用いて、飛行物体の運動および／または位置を、６個の空間自由度のうち少なくとも１個に関して測定する方法であって、飛行物体（１）に搭載されている光学画像化手段（２）により、飛行位置から見える地形（４）の画像区画が捕捉されて光電子シフトセンサー（３）上に画像化され、前記センサーが、光学画像化手段の後ろの、シフトの検知に十分な個数の無限遠にある画像構造の光学解像度が存在する位置に配置されていること、また、少なくとも２個の、隣接して配置された光電子光受信器を光学的シフトセンサーとして用いて、その距離が地上構造物の画像に多く存在する空間周波数の波長の４分の１に対応する大きさのオーダーに近く、すなわち画像をシフトする際に、光受信器内で位相変移された交流信号が生成されること、およびこれらの交流信号が、時間差および／または位相差を解析する回路に供給されることを特徴とする方法。
【請求項４４】
他の飛行物体に関して飛行運動を測定する、請求項１６〜４３のいずれか一項に記載の手順の使用。
【請求項４５】
衝突を検知する、請求項１６〜４３のいずれか一項に記載の手順の使用。
【請求項４６】
少なくとも１個のシフトセンサーにより確立された１本の視線が、後方かつ下方に傾斜した方向に向けられていることを特徴とする、請求項３３あるいは１８に記載の、ヘリコプターの尾部回転翼を制御する手順の使用。
【請求項４７】
少なくとも１本の軸について飛行の方向を誘導する、請求項３３あるいは１８に記載の手順の使用。
【請求項４８】
写真カメラまたはフィルム・カメラを目標上へ安定させて照準する、請求項３５に記載の手順の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、速度等の運動関連測定対象および／または機械制御可能な乗り物の位置を６個の自由度のうち少なくとも１個について測定する装置およびプロセスに関し、ここに、「乗り物」という用語は光学センサー技術を用いる飛行物体を含んでいる。更に本発明は、無人または有人飛行物体を制御する安定化システムとしての利用法に特に関係する。そのような安定化の目的は、制御を大幅に簡素化または代替することにある。
【背景技術】
【０００２】
そのような安定化は、遠隔制御ヘリコプターにおいて、制御が困難であり、訓練されたパイロットにしかできないため、特に重要である。ヘリコプターの場合、制御は特に飛行運動の一方または両方の水平成分を含んでいてよい。本発明の更に可能な適用分野として有人飛行機の、特に地表付近および着陸時における制御の簡素化がある。更なる実施形態として、距離測定、地上高度凹凸の走査、いくつかの飛行物体相互の飛行動作の調節等、更に他の用途があり得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の遠隔制御ヘリコプターは、趣味目的あるいは航空写真術目的で使用する際に、安定化装置として尾部回転翼により垂直軸回りの動作を安定させる圧電回転センサーしか備えておらず、他の軸回りには安定させない。
【０００４】
ＤＥ６９５０２３７９号明細書並びに特開平１０−３２８４２７号公報にヘリコプター用の調節制御を記述しており、この中に存在する重力加速度および角速度用の機器を用いて人工的に水平軸が形成されてローターブレードの傾きが制御される。
【０００５】
米国特許第５，７３８，３００号明細書は上記に加えて、気流（気流速度）に対する巡航速度を測定して制御する。上述の全てのケースにおいて、地表位置に関する制御および特に静止ホバリングが不可能である。
【０００６】
ＲＵ９３００２５０号明細書（ロシア）およびＤＥ６９５０７１６８号明細書に記載されている安定化システムでは、傾きに関する情報を取得してこれを制御するために、いくつかの光センサーにより入射光の方向を測定および評価し、これはまた、接近中の物体の検知も含んでいてよい。前記両システムは、一様な照明および極めて均一な水平軸がある場合にのみ正確な動作が可能である。
【０００７】
欧州特許第０７８０８０７号明細書は、ジャイロスコープ等の従来型機器を使用し、相対的な方法で飛行姿勢および水平速度を安定化させる自動操縦装置を記載している。しかし、地表に対する絶対位置の絶対測定または調節制御は不可能である。
【０００８】
例えばヘリコプターの飛行経路を制御して、例えば静止ホバリングを行なうために、第一に傾き（すなわちロールおよびピッチ角）を、第二にその結果生じる速度を、共にローターブレード制御を適切に操縦することにより制御する必要がある。このために、傾き並びに水平速度（好適には地表に対する）を知る必要がある。自動操縦飛行の場合、生じた傾きに対応するだけでは十分でない。それは、このような場合でもヘリコプターは恐らく自身の所与の速度を落とさないためである。むしろ、適切に調節された反対方向への傾きにより止めなければならない。
【０００９】
この観点から、本発明の目的は地表に対する水平運動を測定して安定化させることである。
【００１０】
ＤＥ６９４２６７３８Ｔ２号明細書は、ジンバル搭載台に搭載された画像センサーを有するナビゲーション・システムを記載しており、その画像データをシフト運動に関して解析し、積分して位置を決定する。
【００１１】
ＤＥ６９３１０６９５Ｔ２号明細書は、１台以上のカメラにより飛行位置において得られた画像の評価を記載している。特定の特徴的画像部分をその光学移動に関して連続的に解析した。ここから、これらの運動の中心または消失点が決定され、検知されたシフト速度が解析されて消失点からの距離により重み付けされ、それによりナビゲーション目的で各々の地表点までの距離が計算される。
【００１２】
ＤＥ６９０１２２７８Ｔ２号明細書は、これもまたナビゲーション目的で、今撮影した画像と以前に保存された画像の地図と比較して認識する。
【００１３】
上述の３種の方法すべては、複雑な画像処理および少なくとも１台のカメラを必要とする。測定速度は、カメラ固有のフレーム速度の制約を受ける。ビデオ・カメラにおいてこれは、特に小型ヘリコプターの場合に速い姿勢制御を行なう際に不都合である。遠隔制御される軽量飛行物体の場合、このような方法は、その重量、コスト、および走査速度の制約のために不都合である。
【００１４】
衛星ナビゲーション（ＧＰＳ）による位置測定には、微小運動が地表付近で重要であるにもかかわらず十分な精度で検知できないという不都合がある。更に、重量およびコストの理由により、簡略モデルへの適用は合理的でない。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の目的は、上述の種類のシステムであり、上述の不都合なく動作し、運動を正確に検知するものであり、従ってスタビライザ用の測定装置としても適用できる。
【００１６】
解決策として、独立請求項に記載する特徴を提供する。
【００１７】
本発明の更なる目的は、飛行物体の制御を安定化させることである。このために、従属請求項１８以降に記載する特徴を提供する。
【００１８】
本光学的画像処理システムは、例えば凸レンズ、カメラレンズ、凹面鏡、その他任意の画像投影レンズのグループであってよい。
【００１９】
シフトセンサーとして好適には、画像取得装置と比較して感度が低い多くの感光要素を有し、同一チップ上電子評価回路が一体化されている光学センサーが使用されていて、当該センサーは運動センサーとしても知られる種類であり、光学マウスに一般的に用いられている。以下、後者を光学式マウス式センサーと呼ぶ。
【００２０】
そのようなシフトセンサーは基板上に、信号が読み出される場合が多い複数の感光性領域（ピクセル）からなる検知領域を含み、読み出し速度がビデオ・カメラのフレーム速度よりも大幅に速くてもよい。更に、同一基板上に評価ユニットを含み、その中でピクセル信号が変移に関して電子的に解析される。通常、変移は２個の直交座標に関して逐次的に評価され、別個の値（デルタｘ、デルタｙ）として出力することができる。シフトは小さいステップに分解することができ、これは例えばピクセル距離に同値であってよい。センサーによる検知は、光学シフト（並進）の方向と大きさの両方を含んでいてよい。
【００２１】
一般的に用いられている光学式マウス・センサーは、例えば、顕微鏡サイズの繊維または紙片の如くマウスパッドの画像構造が無秩序かつ不規則に分布している場合であっても変移を認識できるように、大抵ＣＣＤ技術（電荷結合素子）における１６×１６、１８×１８、または同様の個数のピクセルを含んでいてよい。変移値の評価は、これらのピクセルのデータが連続的かつ頻繁に読み出されて、同一シーケンスの前の時刻におけるものとの相関を求めることにより、自身の座標に関して比較することにより行なうことができる。この比較は、直近に読み出されたデータを用いて行なうことも、または同一シーケンスのより早いサイクルからのデータを用いて行なってもよい。データは一時的に、互いの相関を求めることができる。本評価プロセスは、プログラム制御下でデジタル的に実行することができる。類似度アルゴリズムを用いてもよい。このために、個々のピクセルの輝度信号は最初に、区別された輝度のいくつかの段階に分けられ、それにより解析すべき情報量が削減される。平均的な画像明度への適合が含まれている。すなわち、シャッタ時間が変動する、および／または、平均明度に適合している少なくとも１個の共有基準値に関してピクセルが解析される。この種の方法により、たとえ背景や外界の輝度が変化する場合であっても、評価プロセスが正しく機能するようにできる。
【００２２】
シフトセンサーは、本来は光学マウスへの適用に、およびコンピュータ画面上のナビゲーションにのみ用いられてきたにせよ、本発明によればセンサーとして好適に利用することができる。すなわち、遠隔物体の画像化を行なう上述の光学手段と組み合わされる。これにより、自由空間内での遠隔物体の走査への適用が可能である。
【００２３】
多くの場合、物体の照明は、専ら周辺光のみを用いて得られる。
【００２４】
感光性配列およびその電子評価回路を同一チップ上に有するセンサーの更なる利点は、低コスト、軽量性、および高い評価である。
【００２５】
ピクセルの数が比較的少ない利点として、テレビカメラやビデオカメラを必要とするシステムと比較して走査速度が速いことが挙げられる。飛行物体が小さいほど、従ってより迅速に応答するほど、飛行物体の姿勢制御を十分速く機能させるためにサンプリング・レートの重要性が増す。ビデオ信号の大量データを無くすことにより、処理速度の向上という利点が得られる。シフトセンサーは、データシートに従って指定されるクロック周波数よりも低いクロック周波数で動作可能である。これにより、露出時間を長くでき、従ってより高い感光性が得られる。クロック周波数を（元の）７５％〜１０％またはそれ以下に下げても、ビデオ・カメラの場合より実質的に速いデータ速度が得られる。
【００２６】
光学式マウス内へのシフトセンサーの適用とは対照的に、本発明による装置は、相当に大きくかつ遠方の物体を対象にすべく設計されなければならない。しかし、光学式マウスに用いられた光学機器に加えて、現行レンズと協同して、独立請求項に規定された画像化を行なえるだけの寸法を与えられた補完的光学機器を提供することができる。これは例えば、バーロウの原理に従う凹レンズの追加により、または中間画像面への画像投影により、実行することができる。
【００２７】
利点として、画像化光学システムは無限遠に焦点を合わせることも、あるいはより好適には、鮮明度の深さを含む、無限遠から可能な最短物体距離にわたる鮮明度の範囲が生じるような距離に焦点を合わせることもできる。
【００２８】
焦点距離は、センサーにより定義される空間解像度に基づいて、必要な角解像度に従い選択することができる。焦点距離の選択はまた、取得可能な鮮明度の深さ（被写界深度の範囲）および速度に関する最大測定範囲を考慮に入れることができる。遠隔制御される小型ヘリコプターへの適用に適した焦点距離は７〜２５ｍｍ、好適には１０〜１２ｍｍの範囲である。これにより、十分な角解像度、十分な速度測定範囲、並びに約２０ｃｍから無限遠までにわたる鮮明度の適切な深さが得られる。ここに、用語「焦点距離」とは、画像面までの距離ではなく、レンズ特性を意味する。
【００２９】
本発明により画像化光学システム（２）とシフトセンサー（３）を組合せて得られたセンサーユニット（５）は、装置の外側の自由空間に達する円錐形の探索範囲を有し、その角度幅はシフトセンサーの全感光領域の大きさおよび画像化光学システムの焦点距離により規定される。ビデオ・カメラ等の画像化機器を用いるシステムとは異なり、以下の記述の大部分は探索範囲の角度幅を無視して、以下に「視線」と称する画像化の光軸または主方向（１１）のみを考慮する。
【００３０】
本発明に従い、大気、地表、その他遠方物体の構造およびコントラストがシフトセンサー上へ光学的に画像化される。一般に、変移を検知すべく上述のシフトセンサーが必要とするテクスチャは、表層テクスチャ、詳細、輪郭その他同様の特徴に起因して、外界または地形の一部により特徴付けられた任意のコントラストから生じてもよい。これらは例えば、光学式マウスの動作と同様に、別個に物体の境界、またはその表面の光学的粗さから生じる場合がある。地表の画像に通常生じるほとんどすべての可視構造は、このようなコントラスト、構造、およびテクスチャを十分に含むことにより、上述のシフトセンサーは飛行中であっても画像並進を検知することができる。例外は、水面、霧または連続した雪面である。
【００３１】
乗り物、例えば飛行物体に搭載された装置により、その運動が測定可能になる旨を以下の項目ａ）〜ｄ）に記述しているが、これには限定されない。
【００３２】
一般に、乗り物の回転（ａ）および並進（ｂ）の両方が測定可能である。これは、両方の種類の運動により、画像化光学システムへの虚像の光入射方向の移動が生じるためである。
【００３３】
画像化に起因して、入射角がシフトセンサー上の比例画像シフトに変換され、このように測定することができる。これにより、画像化光学システムの焦点距離は比例係数である。
【００３４】
本発明の構成および設計に応じて、乗り物の位置および方向の異なる測定対象を測定することができる。
【００３５】
ａ）乗り物の回転、例えばロール、ピッチ、および／またはヨーを測定する場合、視線または少なくともそのベクトル成分が回転軸に対して横向きになるように、センサー装置が搭載されていて、センサー内で回転軸に対して直交する成分に沿って画像シフトが測定されるようにする。飛行運動を安定化させたり不要な揺れを避けるために、更に、実測値対目標値の比較により測定値を用いて制御値を生成して、制御信号を関連する操縦装置へ送って補正を実行することにより、閉ループ制御を確立することができる。機首を安定化させるため、適切な構成としては斜め前方下向きおよび／または後方下向きである。
【００３６】
更に、目標の方向を走査することにより、追跡を実現することができる。このために、上述の閉ループを提供する。制御値は追跡を遂行することができる。すなわち、照準を制御するか、または、照準の結果として、目標へコースを向ける。両方の場合において、走査デバイスの照準方向は、自己調節されたループより影響を受け、その支配下にある。対象物自身が動いている場合であっても、これを目標追跡のために用いることができる。このために、視線は最初は目標へ向けられ、この照準は、調節制御により維持される。
【００３７】
別の用途として、自身のサーボモータによる光学機器の追跡がある。これを用いて、動画や写真用にカメラを安定化させることができる。有利なのは、いくつかのタイプの不要な運動を安定化させることができる点である。すなわち第一に、乗り物または飛行物体各々の揺動運動、第二に、駆動により生じる画像区画のはみ出し、第三に、目標物体自身が動く可能性である。従来のジャイロスコープ・スタビライザは、第一の種類の影響しか補償しない。別の利点として、上述のように動画記録のフレーム速度と比較して、シフトセンサーの応答が大幅に速いことが挙げられる。上述の装置はまた、乗り物に限定することなく一般的な利用に適している。この観点から、請求項１に記載の装置と同等なセンサーユニットがカメラと共に、サーボモータにより移動可能なカメラ・プラットフォーム上に搭載されていて、センサーユニットがカメラと共に移動する。
【００３８】
ｂ）並進運動を測定するために、光学視線が、少なくともベクトル成分と共に、測定対象である運動の方向に対して横に向けられる。検知された画像シフトの量は、乗り物が移動した距離に比例する。各々の速度に同じことが適用できる。更に、画像シフトは光線の形状に応じて、視線に沿った距離に反比例し、焦点距離に比例し、運動方向と視線との間の角度の正弦に比例する。
【００３９】
並進だけを測定するのであれば、（ａ）において記述されている回転の影響が邪魔になる場合がある。光学測定信号は、これらの影響からパージされる場合がある。すなわち、計算により、回転を表わす回転信号と、フトセンサー信号とが合成される。回転信号は、例えばジャイロスコープ等、他の測定機器を用いて、容易に取得することができる。極性に応じて、計算による合成は、減算、加算、または一般的に混合からなる場合がある。信号は、例えば微分や積分により事前に処理されていてよい。この補償方法により、引用された先行技術により使われる光受信器用のジンバル・マウントを（後者は通常、ビデオ・カメラである）が省略できる。
【００４０】
飛行物体の水平方向の飛行運動を測定する場合、視線は胴体に関して下に固定されていてよい。次いで、通常の姿勢にあるとの前提で、検知された地上テクスチャの光入射を測定可能な方向は、水平方向の飛行運動により逸脱する。従って、水平方向の運動値に適用される上述の閉ループ制御により、例えば、地表速度または対地位置等の水平位置を安定化させることができる。ヘリコプターの場合、これを用いてホバリング飛行を水平に安定化させることができる。すなわち、周期的なローターブレード制御が作動する。
【００４１】
上述のように、水平方向測定値は視距離に反比例する。これとは独立した測定値を得るには、距離測定機器を用いて、光学的速度測定信号（オプションとして姿勢影響からパージされた後の）に、少なくとも可能な距離範囲のサブエリア内で測定距離の増大に伴ない連続的に増大する係数を乗算してもよい。距離を測定する際に、車両後進時の衝突センサーや自動焦点カメラとして知られるマイクロ波レーダーまたは超音波レーダー、あるいは、例えばＤＥ４００４５３０に記述されているような、光スキャナ原理に従う光学的距離センサーを用いてよい。しかし、この高度補償は、測定値が安定化ループ制御の用途にのみ用いられる場合には省略しても、または限られた範囲だけで実行してもよい。ヘリコプターにおいてホバリングの安定化は、高度補償なしにＰＩＤ制御ループを用いて得られた。これは、ループ振幅調節に応じて、任意の地表距離においてに商比率が１：１０以内で極めて正確に機能し、比率が１：３０以内では更に良好であった。
【００４２】
この補償が省略された場合、測定感度がより高く、従って飛行高度が低いほど、制御がより「確実に」機能する。（補償されていない）速度に対して、固定された目標値が与えられている場合、実際の速度は、地表付近において自動的に減速される。この挙動は、その時点において、運動エネルギーの変換に起因して速度が減少する際に、上方への運動が同時に生じ（追い風が地表速度より速い場合を除く）、という副次的効果を有する。従って、地表隆起の上を水平に巡航している間、瞬間的な上昇により衝突が避けられる。この挙動はまた、高度補償が存在する場合、すなわち時間に関して、補償に用いる高度信号を遅延することにより得られる。
【００４３】
ｃ）速度が凡そ既知である場合、例えば地表までのまたは物体までの距離も同様に測定することができる。このために、光学的に測定された信号が、距離の逆数として採用される。例えば、既知の速度を光学的に測定された速度値により除算することができる。この値を制御ループにおいて用いる場合、目標値が既に逆数として定義されていれば、除算を省略することができる。
【００４４】
一つの適用として、エアフォイル型飛行機における地表距離の制御である。水平速度が近似的に既知かつほぼ一定であるため、隆起の上を飛行している場合でも地表からの現在の飛行高度の測定が行なえる。このように、接近を早期に発見して、可視物体との衝突を避けることが可能である。飛行高度を、地表との最短距離に制御または制限することができる。このため、時間的余裕を得るべく、視線を前方下向きに斜めに調節することができる。距離はまた、地表に対してではなく、そこに存在して例えば隆起を形成する物体に関する測定も行なうことができる。
【００４５】
ｄ）一般に運動は、各種の異なる座標において測定されて相互に関して関係付けることができる。このような方法で、混合測定対象は、以下に述べる実施形態および図２〜４に示すように、相互に分離されていることが好ましい。更に、距離および距離の変化を、組み合わされた視線に沿って測定することも同様に可能である。これにより、上昇速度または下降速度の各々の測定、または接近の認識が可能になる。
【００４６】
本明細書において、各種な測定対象は一般に、「運動関連測定対象」と呼ぶ。これは角度値だけでなくローカル値にも適用できる。運動関連測定対象は、例えば位置、距離または姿勢のように静的な種類のもの、および／または、例えば速度や加速度のような動的な種類のものであってよい。従って、ここでは用語「運動」、「回転」、「並進」、「傾き」等を常に一般的な意味、すなわち位置およびそれら各々の変化率に関して用いる。
【００４７】
運動関連測定対象は、地表に対して、または地表に関連付けられた移動または他の飛行物体に対して測定することができる。本発明によれば、以下に「センサー信号」と呼ぶ光学センサーの出力信号は、以下に述べるように、いくつかの方法により利用および評価することができる。光学式マウス・センサーは、２個の座標の各々について２本の線上に増分信号を送る直交出力を有する場合が多く、各シフトがその方向に沿ったステップまたは複数のステップとして信号化される。同様に、データ出力用にシリアル・データ・リンクその他任意の種類の信号転送を用いてもよい。多くの場合、各々のデータ読み出しにより、直近の読み出し以降に生じた変化のステップ数が得られる。
【００４８】
適切な評価値を用いることにより、各種な情報、例えば、ａ）運動の方向および速度または角速度、すなわち変更率、ｂ）運動の範囲すなわち位置値または角度値、ｃ）加速度が得られるがこれに限定されない。
【００４９】
ａ）変更率は、時間に関して微分することにより得られる。これは、生起している増分シフト・ステップの周波数測定に合致する。このために、離散的増分ステップ形式でシフトを出力しているセンサーにおいて、これらのステップの周波数、例えば出力された直交信号の周波数が測定される。
【００５０】
速度測定値が連続的に、または少なくとも擬似連続的に得られるならば好適である。好適には小さく選ばれた連続的な時間間隔内で適切な速度測定を得るために、生起しているステップの間隔毎の各符号付合計を用いる。例えばステップ加算／ステップ減算して、あるいは直近の出力から変化した合計を読み込んで、得られた各合計を間隔の長さで除算する。間隔の長さが常に等しい場合、除算を省略することができる。あるいは、信号が変化する各ステップにおいて、変化した先行ステップ以来の時間幅を得て、その逆数を求めて、変化の方向に対応して符号を与えることができる。
【００５１】
更に、このようにして得られた周波数値は、次の変化が起きる前に既に再計算しておくことができる。このために、周波数に対応する期間が満了した後で、周波数値が連続的または段階的に減じられて、現在満了している待ち時間の逆数が直近の周波数値より小さい場合、その逆数に対応する値となる。
【００５２】
ｂ）位置値は、コンピュータ画面上のマウスの通常の動作と同様に、センサー信号の増分ステップを、例えば方向に対応するステップをカウントしたり、増分を積分することにより加算／減算または合計計算して得られる。
【００５３】
あるいは、またはこれと組み合わせて、上述のようにして得られる、周波数値の時間に関する連続積分により位置を得ることができる。これにより、上述した測定値に対する他の運動の影響の補償を、統合プロセスに先立って既に補償しておくことが可能になり、従って積分結果が既に補償済みの形式で得られる。
【００５４】
実施形態に応じて、位置測定に関する各種の測定も結果的に可能になる。下方へ向けられた視線を用いて、地表に関係付けられた位置測定が得られる。
【００５５】
本発明による装置からの測定値を用いて、制御ループを確立することができ、同ループ内の調節コントローラ（７）において測定値を用いて制御値を生成して運動を制御する。このために、ＰＩＤとして知られる方法を用いる場合がある。実測値は、本発明により生成された任意の、すなわち速度に関係付けられた、または位置に関係付けられた、あるいは部分的に混合された測定値であってもよい。更に、単一または多数の積分および微分値が生成されて含まれていてもよい。例えば、周波数測定値の反復的に微分することにより加速度の値が得られる。更に、ＰＩＤ制御は、例えば圧電ジャイロスコープ等、搭載されている他の測定器からの信号の比例的、微分および／または積分された部分の利用を含んでいてよい。
【００５６】
手動で与えられる制御信号を、調節制御回路の出力信号（制御信号）に重ね合わることにより、手動制御を補完かつ安定化させることができる。手動制御信号もまた、例えばそれらを入力に混合させることにより、目標値として調節制御ループに含まれていてよい。それにより目標値対実測値の比較が得られ、その際に目標値は手動信号から生じる。以下に調節制御回路の詳細説明を示す。第一の実施形態および図５を参照されたい。
【００５７】
遠隔制御された飛行物体に関して、制御に必要とされる部品は、物体と共に飛行しても、あるいは地上に配置されて無線通信により接続されてもよい。
【００５８】
シフトセンサーとして、光学式マウス・センサーの代わりに他の光電子機器も同様に利用することができる。シフトセンサーは、少なくとも２個の、隣接して配置された光電光受信器を含んでいて、それら相互の距離が、地上の構造物の画像内に数値的に存在する空間周波数の波長の四分の一に相当する程度の大きさに対応または相当する。光学構造物の運動により、光受信器内で位相偏移された交流信号が誘導される。これらの交流信号は、時間差および／または位相差を解析する回路へ供給／誘導される。この種の回路は、方向感知光電リレーまたは位相比較回路と共に使用されるため、時間比較回路であってよい。この種の回路は、位相位置に基づいて、２つの信号のどちらが一方より進んでいるか、または一方より遅れているかを検知し、それにより運動の方向を、および一定の精度で速度を検知する。更に、本回路は直交原理に従う増分解析に対応していてよく、従って、アナログまたはデジタル式に構成されていてよい。一方、地上構造物の捕捉された部分の方が小さいため、このような機器の測定精度は通常、配列や積分解析電子部品を備えたシフトセンサーよりも小さい。
【００５９】
光学画像はオプションとして、シフトセンサーに達する前に、残照光増幅器その他の挿入光学機器により増幅することができる。
【００６０】
上述の信号処理動作および計算動作はすべて、例えばプログラム制御されたマイクロプロセッサ内でデジタル的に、またはアナログ回路内で実現することができる。ここで述べた、または請求項に示す部分的な方法のいくつかは、一つの組み合わせプロセスと組み合わせても、および／または１台の共有プロセッサにより実行されてもよい。
【００６１】
上述の手順はまた、赤外線光により動作することができる。従って、用語「視認」、「光」および「画像／画像化」は、あらゆる種類の光放射を含んでいる。
【００６２】
各々の装置は、暗闇において適用されるべく、光源と組み合わせてもよい。好適には、誘導された仕方で放射され、サンプリング対象に向けて誘導される。
【００６３】
以下に、実施形態の例を参照しつつ動作をについて詳述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６４】
図１に、ヘリコプター（１）の水平方向運動を測定して安定化させる第一の実施形態の例を示す。レンズ（２）は、対物レンズとして機能し、積分解析装置を備えた光学シフトセンサー（３）上へ、地表（４）の可視区画を射影する。前進運動の間、地上の点（４４）が位置４４’に光学的に移動し、従って、センサー（３）上の当該画像がシフトされる。センサーは、シフトの増分測定値を２個の座標（ｘおよびｙ）に出力する。図に示すように、視線が下向きである場合、地表に対する飛行速度に関する、進行方向および横方向の両成分の情報が得られる。
【００６５】
これらの測定値を用いて、飛行経路または静止状態のホバリング飛行を安定化させることができる。このために、フィードバック制御電子部品（７）が、入力側で光学測定信号に接続されていて、出力側で飛行物体を制御する制御値を出力する。当該電子部品には、制御機能全体の少なくとも一部が含まれていて、この場合にはローターブレード（８）の周期的調節が、例えば揺動プレートにより主回転翼平面の傾きを制御し、従ってヘリコプターの水平方向加速に影響を及ぼす。調節制御（７）の動作の一例について、図５並びに以下に詳述する。
【００６６】
一方、測定値は水平運動にだけではなく、例えばローリングやピッチング等、飛行物体が同時に行なう回転運動にも依存する。この影響は、回転信号を混合することにより補償される。回転信号は例えば、回転の角速度、または角位置等の他の回転値に比例する場合がある。補償のために適合された回転信号を得るための異なる方法として、以下に述べるものが可能である。
【００６７】
回転信号は、ジャイロスコープまたは圧電回転センサー（９）、（１０）（圧電ジャイロ）により得ることができる。このような追加的な測定ピックアップを飛行物体に用意したり、または本発明による装置（５）に取り付けたり実装することができる。圧電ジャイロは角速度を測定するため、補償はジャイロ信号を、例えば微分によりシフトセンサーから得られた、既に速度を表わす周波数信号に混合することにより合理的に行なわれる。
【００６８】
ヘリコプターの場合、回転信号を生成してもよい。すなわち、加速度センサーが主回転翼軸と共に移動して、回転翼軸から一定距離を置いて配置し、回転翼軸に平行な加速度成分が測定されて、連続測定値が、回転翼の回転の関数として、位相に関して周期的に解析される。ジャイロスコープの場合と同様に、回転翼平面の回転が、加速度センサー内で周期的に変化する加速度として生じて測定される前進力を誘導する。変化の振幅は、測定対象である回転の角速度の測定値である。回転翼回転に関する位相位置は、測定対象である回転の方向および軸の向きの測定値である。測定信号が交差するように、または例えば象限毎に切り替えられて測定されたクロック・レートに従って、回転翼回転に関して同期させたサンプリング・シーケンスを生成することにより位相関連解析が行なわれる。これにより、回転の測定値は、例えばピッチング軸およびローリング軸等の成分に分割されて得られる。同期化は、回転翼軸の回転をサンプリングするロータリー・エンコーダにより実行することができる。
【００６９】
好適には、測定された力は周期的変化として生じる。従って、加速度センサーは、絶対値を測定できる必要はなく、変化だけを測定できればよい。従って、加速度センサーとして、予算に合う価格の圧電力コンバータを用いることができ、その測定値は容量的に結合できるだけである。更に、結果的に測定値のゼロ点エラーが開始以降発生しない、すなわち、測定値が振幅の形式で得られるという利点がある。回転センサーから調節制御装置への信号送信は無線通信、光電子トランスデューサ、誘導信号結合または摺動接触により生起することができる。光学測定が無い場合でも、この測定手順は一般に、傾きが測定値に応じて調節制御される回転翼飛行機の安定化に適用できる。このために、加速度センサーが主回転翼軸と共に移動して、回転翼軸から一定の距離に配置されて、回転翼軸に平行な加速度成分が測定され、かつ回転翼の位置に従って連続的な測定値が位相に関して周期的に解析されて同期がとれていれば十分である。
【００７０】
別個のセンサーを使わずに回転の影響を補償すべく回転信号を得るには、制御信号を回転信号として用いることができ、制御信号、例えば揺動プレートの傾きのサーボ信号が各々の回転を制御している制御手段に供給される。これが機能するのは、飛行物体が通常、作動に極めて正確に比例するロールまたはピッチ速度で応答するためである。従って、そのような制御信号は、回転信号を補償するために用いられる角速度の適当な測定値を提供する。その際に、制御信号を、周波数測定により取得可能な、シフトセンサーから得られた速度信号に混合することにより補償が行なわれる。制御信号自身が本発明に従い、調節制御ループにより生成された場合、その実測値は補償対象である測定信号を含み、補償は、制御値から実測値への負フィードバック形式の調節制御ループ内の逆混合に適合して、ループ増幅を減らす。この場合、同一の動作原理により、回転信号の補償混合は、単に各々小さい増幅を有する調節制御ループにより実現することができる。
【００７１】
回転信号を得る可能な代替的または組み合わせ的手段として、この目的の第二の光学的シフトセンサーを用いることであり、これは上述のように本発明に従う回転センサーとして機能し、その視線は第一のセンサーとは異なった仕方で照準されている。
【００７２】
図５に、ヘリコプター（群）用の調節制御装置（７）のブロック図を示す。調節制御ループは、ピッチング軸およびローリング軸と同様に構成されていてよく、従って一度しか示さない。通常の手動動作を行なう間、制御信号は受信器２１を介してローターブレード制御２４へ出力される。飛行中に到達した位置は、飛行応答挙動の結果生じたものであり、自明な仕方で示すように、時間に関して一連のいくつかの積分値に合致する。これらの運動関連の値は全て、各時点における実際の飛行運動を表わす。運動が測定に及ぼす影響を破線で示す。測定機器（９／１０）、（２５）、（３）の下に、調節制御装置（７）の動作を、測定対象と調節制御自身の表現に分けて示すものであり、当該制御は実測値と目標値の比較を行なう。
【００７３】
シフトセンサー（３）の信号から、最初に周波数（２７）が得られる。周波数は、上述のように、傾きおよび恐らくは飛行高度の影響からパージすることができる。ここではこれを加算（２４）により行なう。後続する積分（２８）は合算またはカウントであってよく、位置信号を生成するものであり、周波数測定の微分効果が再び反転される。
【００７４】
飛行経路または飛行速度の目標値が与えられる。これは例えば、時間の関数としてパラメータ化された速度ベクトルまたは位置ベクトルであってよい。この関数は飛行に先立ってプログラムしておいても、または飛行中に事前設定されてもよく、あるいはホバリングのような特別な場合はゼロ（速度ベクトルとして）または定数（位置ベクトルとして）であってよい。現時点の目標値が、例えば無線通信受信器２２により生成されて、減算（３０ａ）により光学測定値と比較される。取得された差異は、目標ルート（３０ａの）または目標速度からの各々の瞬間的な偏差に対応する。必要とされる位置ベクトルの目標値の（図示された）ケースにおいて、調節が生起するのは、最初に位置偏差（３０ａ）がフライトバック速度の制御値として定義され、この速度自身が調節制御される（３０ｂ）ことによる。ＰＩＤ法によれば、位置測定値と速度測定値の混合値は、互いに調節制御されてよい。
【００７５】
速度の偏差に比例および反比例して、傾き制御値（３０ｂ）が定義され、それに従って主回転翼平面の傾きが制御される。ヘリコプターが傾いた際に、傾き比例する水平方向加速により応答する。従って、飛行速度は傾きの時間積分に比例して変化し、調節制御ループが閉じる。
【００７６】
傾きを目標値に近づけるために、スワッシュ・プレート（８）のアクチュエータを制御する。ヘリコプターは自身の傾きを直接制御することができず、その変化（角速度）の速度を介してのみ制御できるため、傾きはアクチュエータの位置からは直接にはわからない。従って、傾きを制御するために、それ自身の測定値が利用できれば好都合である。図５において、この目的のために傾きセンサー（２５）が用意されており、自身の目標値比較（３０ｃ）が可能である。ミキサーまたはスイッチャ（２３）を介して、結果が回転翼制御機能（８）へ制御値（２６）として供給される。
【００７７】
傾きセンサーとして、例えば、引用したＲＵ９３００２５０による装置を用いてよい。しかし、これは十分に正確ではない。代替的または追加的に、傾きの角速度を示す圧電ジャイロスコープ（９，１０）の信号の時間積分を導入することにより、人工水平軸の動作に従って、回転翼の傾きを表わすことができる。しかし、積分計算により水平軸の未知の傾斜に対応する未定義の積分定数が生じることが問題である。これは、わずかなドリフト並びにスイッチング・オン時の状況から生じる場合があり、大幅に制御を妨害する。
【００７８】
傾きの測定は、光学シフトセンサー（３）から得られて、速度に比例する測定信号（２４）を、自身の周波数範囲の少なくとも一部において時間に関して微分することでなされる。これが機能するのは、通常の飛行状況にあるヘリコプターが自身の傾きに比例して加速し、その加速度は測定された速度を微分して得られるためである。
【００７９】
自身はステップ的に出力される光学測定信号に適用される微分演算の結果、増分ステップから妨害要因となる不連続性が生じる場合がある。傾きの測定値は、シフトセンサーから得られて時間に関して微分された測定値と、傾きの角速度に比例する回転信号の時間積分信号の両方を組合せて生成することができる。この点において、特に高周波数の微分された測定値のスペクトル成分の重み付けが小さく、低周波数の積分された信号のスペクトル成分および定数信号成分の重み付けが小さくてよい。このように、不連続性と共に低スペクトル成分も取り出されたならば高スペクトル成分を下げることにより平滑化されるため、積分定数およびゼロ点ドリフトに関する上述の問題が存在しなくなって解決される。各々の欠落部分は他の信号で代替することができる。微分演算およびローパス・フィルタリングの結果光学測定信号に生じる組合せはまた、同義的な仕方で、第一度のハイパスとして表現および生成することができ、積分演算およびハイパス・フィルタリングの結果ジャイロ信号に生じる組合せはまた、同義的な仕方で、第一度のローパスとして表現および生成することができる。
【００８０】
傾きの調節制御への回転信号として、例えば圧電ジャイロスコープまたは制御用の制御値等、回転補償（請求項２３による）に関連して記述している各々の方法を用いてよい。代替的に、またはこれと組合せて、回転信号を再び上述のように生成してもよい。
【００８１】
傾きの調節制御は水平運動の調節制御と組み合わせることができる。すなわち、上述の傾き並びに運動の測定値（速度および／または位置）を混合し、従って一緒に調節制御される。理解を深めるために、「測定対象の表現」と、「調節制御」という操作を明確に区別しているが、実装に際して本質的ではない。一般に、光学測定信号の比例する、微分された、および恐らく積分された部分は調節制御ループに並列に混合され、その結果、上述の調節制御の全体が同義的な仕方で、共有ＰＩＤ調節制御ループの形式で実現される。
【００８２】
調節制御ループ内の積分信号分岐の使用において、静止調節制御が得られることによりホバリング飛行が安定し、外乱、突風等の一時的な偏移の後でさえも、元の位置に復元される。
【００８３】
シフト値の積分計算において、位置に比例する測定値を得ることができる。地上座標における絶対空間位置を得る場合、ヨーイング運動を補償的に考慮することができる。このために、両方のセンサー座標の増分センサー信号を、積分計算により合算することができ、２個の地上座標を表現する２個の積分和が提供され、さらに、地上座標に直交する回転軸に関してセンサーの並びが測定され、合計対象であるセンサー信号増分が、合算される前に、測定された進行方向の制御の下でベクトル的に回転される。
【００８４】
位置ではなく速度の目標値を提供することができる。そのような目標値は最初に積分されてから、位置の目標値として用いることができる。位置に比例する実測値および目標値も省略でき、調節制御を速度に限定することができる。混合（３０ａ）および積分（２８）を省略することができ、手動制御値（２２）を速度比較機能（３０ｂ）へ直接供給することができる。
【００８５】
上述の調節制御方法、特にヘリコプターの傾きを調節制御する方法はまた、光学センサーを用いずに飛行安定化に適用することができる。これにより、位置に比例する実測値および目標値を省略して、調節制御を傾き角度に限定することができる。
【００８６】
光学センサー（３）の代替または組合せにより、先行技術で公知のあらゆるナビゲーション・システムを適用して位置または速度の実測値（２８）を得ることができ、それにより本明細書に記述している調節制御方法を実現することができる。このために、上述の調節制御方法を、センサー（３）および周波数測定機能（２７）は省略して、代わりの測定システムから得られる位置測定値（２８）および／または速度測定値を採用するように変更するだけでよい。
【００８７】
図２に、請求項３６、３７に従う第二の実施形態の例を示し、回転運動または回転速度を測定するために、少なくとも２個のシフトセンサー（３１）、（３２）が含まれている。両方のセンサーは、距離を置いて、共有レンズ（２）その他の画像化光学システムの後方に配置されていても、あるいは図４に示すように、自身の画像化光学システムを備えていてもよい。これにより、結果的に得られる構成は、一体化された装置であっても、または別個のユニットに組み立てられていてもよい。異なるセンサーの視線は、所定の角度に分岐するように照準されている。大半の用途の場合、鋭角が適している。従って、両方の視線は類似しており、主視線が結果的に共有され、これが角度の二等分線であるとみなすことができる。角度の二等分線またはその近くの軸回りの回転の結果、接線方向の地表点画像（６１、６２）の画像シフトが生じる。従って、センサー（３１、３２）は、接線方向のシフトを検知する仕方で照準している。両方のセンサーで測定された接線のシフトは、例えば減算、混合、比較あるいは一般に両センサーの測定値の重ね合せにより、互いに関連があってよい。このように、シフトの接線部分がフィルタリングにより除去され、測定値は他の運動から実質的にしているようになる。信号の比較は、一般に混合または重ね合せから成っていてよい。個々の測定値が混合の前に異なった重み付けをなされた場合、回転軸線の位置を定義された仕方で変更することができる。同時に、測定値の他の混合から異なる測定値が得られる場合があり、例えば第一実施形態の例に従い、等しく誘導された運動の合計を利用することができる。重ね合せの代わりに、任意の公知種類の信号比較を一般に用いてもよい。
【００８８】
図３に、請求項３６、３８による第三の実施形態の例を示す。これは、距離または距離変化あるいは接近速度を測定するために用いるのに適合されている。図２に示す構成を用いるが、接線方向の画像シフトの代わりに、画像シフトの放射成分は測定される。両方のセンサー信号の減算、または一般に両方の測定値の重ね合せにより、シフトの放射状に逆伝播している部分がフィルタリング除去される。物体または地表（２）の各々に、位置（４’）に向かって接近する際に、可視点（４１）は位置（４１’）へ移動し、センサー（３１）上のその画像が位置（５１）から放射方向（５１’）へ移動する。同じことが、点（４２、４２‘）および画像（５２，５２‘）についてセンサー３２に関して言える。光線形状に起因して、測定された角度差は距離の変化に比例し、かつ絶対距離の二乗に反比例して移動する。距離が近似的に既知である場合、従って変化が測定でき、変化信号から出発して進行方向の速度が測定できる。
【００８９】
請求項３１に記載の距離測定とは対照的に、これはここで測定対象である距離の絶対値ではなく、変化率である。更に、ここでは異なる速度が横方向に存在して既知である必要はない。視線が垂直方向を向いている場合、結果的に下降または上昇速度を測定することになる。
【００９０】
一方、距離ではなく、速度が近似的に既知である場合、同一構成により絶対距離を決定できる。測定値は距離の逆数の２乗であるため、測定距離の精度は、速度が公知である方式の２倍良い。例えば、速度が±１０％までしか既知でない場合、測定距離は従って５％しか変化しない。
【００９１】
距離または接近速度向けの上述のすべての測定方法は、例えば衝突を予想または回避するために、衝突検知に適用することができる。
【００９２】
放射方向シフトの合計以外に、差異が形成されていてよく、すなわち等しい方向を向いた並進の合計を意味する。従って、他の２本の軸に関する横方向の運動は、同時に測定することができる。
【００９３】
図２および３に関して記載した回転および接近の測定方法は組み合わせ可能である。すなわち、少なくとも２個のシフトセンサーの各々の両座標の測定値が解析される。
【００９４】
図４に第四の実施形態の例を示す。３個のセンサー（３１、３２、３３）が、各々の視線が３つの異なる、例えば直角方向に配置されていて、各センサーは２つの測定方向を有していてよい。その結果、最大６個の測定値が得られる。視線は直角でもよいが、それが必須ではない。飛行を安定化させるために、３つの視線のすべてが、三脚のように地表へ向けられていてよい。斜め視線の測定値は、回転マトリクスに従う計算混合により、制御に関連する直線座標に容易に変換することができる。そのような構成により、６個の空間座標すべてに関する向きを得ることができ、飛行運動の全成分を検知および安定化させることができる。すべての測定された値は、回転により生じた上述の影響のためにパージすることができる。すなわち、３個の独立回転センサーが提供される。これらのセンサーの回転軸は、簡単のため同一ベクトル系に照準されていてよい。
【００９５】
しかし、これらの独立回転センサーは無くてもよい。センサー（３１）、（３２）、（３３）のうちの１個を補償するために、残りのセンサーの１個または両方の信号が用いられ、従ってこれらの残りのセンサーが回転測定に用いられ、その測定値が請求項２３に記載の第一のセンサーを補償する回転信号として用いられる。
【００９６】
一般に、本明細書に記述している測定方法の任意のものを組み合わせることができる。更に、運動に関連する成分が他の運動関連成分の測定を妨害する影響がこれにより除去される。すなわち、運動の別の混合が他のセンサーで測定され、両方の信号が比較される。運動関連値は、これらの自由度が組合わされた運動、すなわち互いが分離されていない運動からなる場合であっても、互いに独立してある程度の自由度で測定することができる。運動または座標軸は各々、必ずしも互いに直交する必要がない。各センサーは、運動関連成分の他の混合を測定するため、測定値を別個の座標へ分離することができる。すなわち、測定信号は、ベクトル幾何学の法則に従う適切な混合により、線形独立な、またオプションとして直交する、測定信号に変換される。
【００９７】
一般に、任意の数のセンサーを適用してもよく、これらは異なる仕方で照準されていてよい。さらに、信号を解析するために、十分なコントラストを与えるセンサーを選択することができる。これにより、画像詳細が不十分である確率が小さくなる。
【００９８】
調節制御を行なうにあたって、上述の変換は必須ではない。一般に、運動の空間座標は、混合形式でも同様に測定および調節制御することができる。適切なセンサーの照準により、意図した混合を規定することができる。ヘリコプターの場合、回転の光学測定を、尾部回転翼の制御に適用することができる。これにより、視線は後方下向き斜めに向いていてよい。垂直軸回転と横方向へのドリフトの組合せが次いで測定される。このように、機体は、風から独立して、飛行方向に自身を整列させる。
【００９９】
安定化ために既に一般に用いられている他の航空機器も同様に代替できる。例えば、遠隔制御モデルの場合、一般に用いる垂直軸ジャイロを、回転の測定値で代替することができる。更に、バリオメータの代わりに、請求項３１、３８、３９または４０に記載されている、上昇速度の光学測定を用いてもよい。
【０１００】
例えば飛行高度（バロメータ）や機首の整列（コンパス）等、他の運動関連成分の測定に一般に用いる機器と組み合わせて、完全な自動操縦を実現することができ、制御を完全に代替する。
【０１０１】
ＧＰＳ制御されたアプリケーションの場合、精度、解像度、および測定速度が、特に地表の近くの範囲で、光学測定値で補完することにより大幅に改善することができる。
【０１０２】
周辺環境から来る／の照明またはコントラストが不十分ならば、センサー信号が誤る恐れがある。そのようなエラーの大部分は、大きさが過小であるか完全に欠落していて、大部分は局所的に、すなわち単一の場所で生起するシフト値の形式となって表われる。使用可能な画像位置の数を増やすために、かつドロップアウトを減少させるために、既に図２、３または４に関して説明したように、異なる視線を有する数個のセンサーを提供して相互に関してセンサー信号の関係を解析することができる。これにより、共有測定結果が得られ、測定値がより小さいセンサーは重み付けされないか、重み付けが小さい。「より小さい」という用語は、１個以上の座標からのシフト測定値の大きさ、および／またはシフトセンサーから出力されている実際の明るさおよび／または各センサーのコントラスト品質の測定値を表わしていてよい。共有測定値は例えば、最大値定式化、加重平均定式化、あるいは、各々の最強センサーへの切替えにより、得ることができる。
【０１０３】
複数のシフトセンサーから、配列を生成することができ、センサー同士がマトリックス網状に相互接続されていて、本明細書に記載されるような重み付けの結果が得られるようにできる。更に、図２、３および４に関して記載されたように、信号解析法と組合せることも可能である。これにより、運動を徹底的に解析することができ、速度に関する限り、ビデオ信号の解析に基づく方法よりはるかに優れている。
【０１０４】
測定信号が省略された場合に、測定の妨害要因となり得る制御エラーを、上に挙げた方法とは独立に、またはこれと組み合わせて回避するために、調節制御を他のモードに切替えることができ、その際に光学測定信号を必要としない。切り替えは、測定信号が存在しない、および／または最小コントラスト値および／または最小明度を下回ることにより制御することができる。調節制御の切替えが実行される。そこでは混合対象となる実測値と測定値の混合における重み付け部分、および調節制御が適切な方法が、例えば先行技術から公知の構成により、シフトセンサーなしで、光学信号は再び十分に存在するようになるまで再編成される。その単純かつ特殊なケースにおいて、測定信号が欠落している間、回転翼の傾きを水平状態に保つことができる。
【０１０５】
上述のような装置、または請求項に記載のような装置はまた、機器と、そこから距離をおいて配置されている任意の種類の物体との間の相対運動の検知または測定を行なう（（仮想画像の光学的傾きの方向の角度変化を測定することにおいて））ためにも利用することができる。それにより、一方で光学的にサンプリングされた物体は移動していても、および／または他方で、記述した飛行物体のケースと同様に、物体がセンサー装置を搭載していてもよい。このために、複数の感光部分の領域（ピクセル）が提供されて、光学構造のシフト検知し、当該シフトの測定信号を出力して、チップに一体化された解析装置を含む光電子シフトセンサー（３）が、画像化光学システム（１）と組合わされていて、無限遠にある物体の光学構造が、画像シフトを検知するのに十分な解像度を以ってセンサー感光領域上へ画像化されるように配置されているだけでよい。
【０１０６】
照明として、周辺光が提供されてよい。シフト−走査に必要なコントラストは、画像化された物体の表面から、または背景に関して１個以上の物体（群）の輪郭から生じてよい。
【０１０７】
光学式マウスの動作とは対照的に、物体は当該装置の光学的捕捉範囲より小さくてよく、この範囲は感光センサー領域の大きさ、焦点距離および走査距離により決定される。物体は、走査に必要な光により透照照明されていてよい。
【０１０８】
走査された物体が移動する際に、可能なアプリケーションのリストをここに示す。アプリケーションは、移動する物体の存在を検知するものであり、例えば、進入してくる乗り物または訪問者に対し自動的にゲートを開閉し、光電リレーまたは光バッフル等の公知光センサーとは対照的に背景が構造化されていない場合、探索範囲に制約はない。背景が無構造の場合、検知された物体は光学的検知レンジより大幅に小さくてもよく、これは感光センサー域のサイズにより決定される。
【０１０９】
更なる変型例として、移動物体の速度または回転の非接触測定、あるいは移動物体までの距離の測定がある。例えば、センサーはコンベヤーベルト上に置かれた移送材料に向けられていてよい。光学的に測定された移動速度から移送速度が既知ならば、移送材料の高さの測定値が得られる。すなわち、その逆数が計算される。
【０１１０】
更に、誤差の自由度に関して連続的材料を解析することができる。表面の状態および照明に応じて、誤差を、検知された構造として、あるいは欠落した構造としても検知することができる。一般に用いられる画像処理システムとは対照的に、コストを大幅に節減することができる。
【０１１１】
更に、液体または気体の速度を、それと共に搬送される浮遊粒子により測定することができる。
【０１１２】
更なる用途として、例えば表示ウィンドウのように、観察者の移動に応じて視覚的表現が得られる。このために、観察者は装置により光学的に走査される。観察者の顔面を走査することで、３次元画像表現と関連して公知の追跡（頭部追跡）の問題が費用効率の良い方法で解決できる。シフトセンサーの測定信号を、頭部および／または実際の目の位置のシフトの尺度として用いることができる。この信号は、頭部が動いた場合でも正しく位置付けられた目へ入射させるべく、観察者の頭の動きと一致するように観察者から見える画像の視認の遠近感を制御すること、並びに立体光学的画像表現の場合に別々の目に備わっている射出瞳の射出方向を制御することの両方が可能である。
【０１１３】
センサーのシフト信号に加えて、照明値またはコントラスト品質値等、センサーから得られる更なる測定信号も同様に解析することができる。これは、移送された材料の検知および機械の制御に好都合である。
【０１１４】
移動するセンサー装置の場合での応用例として、ロボットや乗り物用があり、また自動操舵、特に調節制御ループによる自動操舵、並びに距離検知および衝突回避がある。この場合も、運動は選択的かつ定量的に測定されても、または例えば障害物等の物体の存在だけが検知される。横方向の視線の場合、例えば壁に関するような横方向の距離を測定および調節制御することができる。これにより、アクチュエータとして、操舵を制御することができ、障害物に沿って操縦することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】ヘリコプターを安定化させる第一の実施形態の例を示す。
【図２】垂直軸回りの回転を測定および安定化させる第二の実施形態の例を示す。
【図３】垂直速度または物体までの距離を測定する第三の実施形態の例を示す。
【図４】いくつかの自由度の組み合わせ測定を行なう第四の実施形態の例を示す。
【図５】第一の実施形態の例の調節制御のブロック図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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