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安防视频监控系统里的全方位云台简介

一、室内全方位云台

全方位云台又称为万向云台,其台面既可以做水平转动,又可以做垂直转动,因此它可以带动摄像机在三维立体空间内对场景进行全方位的监视。根据使用环境的不同,一般将全方位云台分为室内全方位云台和室外全方位云台两大类。

全方位云台与水平云台相比,是在垂直方向上增加了一个驱动电动机,这个电动机可以带动摄像机座板在垂直方向±60。范围内做仰俯运动。由于全方位云台增多了部件,因此它在尺寸与重量上都比水平云台大而重。室内全方位云台的定位卡销由螺钉固定在云台的底座外沿上,旋松螺钉时可以使定位卡销在云台底座的外沿上任意移动。当云台在水平方向转动且拨杆触及到定位卡销时,该拨杆可切断云台内的水平行程开关使电动机断电,而云台在水平扫描工作状态时,水平限位开关则起到转动换向的作用。由于云台在垂直方向做大角度仰俯运动时,可能会使摄像机防护罩碰及到云台主体而造成损伤,并可能烧毁电动机;在此种极限情况下起动云台时,因垂直电动机的起动力矩增加,也容易烧毁电动机。因此,云台在垂直方向的仰俯行程中也分别设有两个行程开关,其限位装置是两个与垂直旋转轴同心的凸轮,如图4-10所示,当凸轮的凸缘触及到行程开关时,就会自动切断垂直电动机的电源,室内全方位云台的水平自扫描功能与水平云台的扫描完全一样,大部分云台的最大水平转动范围通常为0°~355°,其最大转动角是355°。因此,在追踪某个移出355°点的目标时,必须反向转动一圈,才能重新截获目标,见图1(a)。

图1 云台上的限位器和滑环

如想克服这一限制,使得摄像机和镜头能够在水平面上作360°连续转动,就必须在系统中使用滑环,见图1(b)。这种滑环用来实现静止.的云台底座和运动的摄像机/镜头组件之间的电气连接。当云台装备滑环后,平台就可以在水平方向上连续转动,而不需要倒转一圈来堵截出界的移动目标。如果一定要以机械方式限制360°云台的旋转范围,还可以使用限位开关:但如果想使用带滑环机构的云台作360°连续旋转,就不需要使用机械限位开关。

如果视频监控系统使用了微机控制主机或PC中央控制系统,操作人员就可以将几十个到几百个常用场景的位置记录在系统中,以便以后调用。在调用这种预置位置时,操作人员只需要按下控制台上的某一个开关,或几个控制键组合,就可命令云台自动定位到早些时候预存的角度。显然,这种预置功能必须与具有这种能力的云台和变焦镜头配用。一般,系统

会自动探测存储数据时的云台水平指向、垂直指向、镜头的焦距、光圈、聚焦位置,并记录在系统中。这样,调用预置位所恢复的画面就可以做到与存储时的画面方位和特性上的完全一致(场景中的物体可能会发生变化),而这一切是从零点几秒到两三秒这样非常短的时间内完成的,从而大大提高了系统的响应能力。

根据传动结构的不同,室内全方位云台可以做成各种各样的外观造型,但其内部结构基本上是完全一样的。根据机械结构的不同,云台可分为如下两类。

(1)顶装式云台。顶装式云台是摄像机与防护罩安装在云台的顶部。在顶装式云台中,当摄像机和镜头处于水平位置时,整个系统的重心是平衡的。但是,当摄像机和镜头上下俯仰时,摄像机和镜头在云台上就会失衡。

改善平衡性能,一般都在俯仰臂上增加配重,使得电机、轴承齿轮传动机构不会受到太大扭力。因此,除摄像机/镜头的重量外,俯仰驱动电机还必须同时承受配重的重量。这样,在摄像机上下俯仰时,配重(有时是弹簧)可以冲销失衡的那部分载荷,继续保持系统中的重量平衡。

(2)侧装式云台。侧装式云台是摄像机与防护罩安装在云台的侧面。侧装式云台不需要配重和弹簧,在这种云台的安装板上,摄像机的安装位置相对平衡,且与水平旋转(或俯仰)轴保持相同的高度。由于摄像机侧装在垂直旋转轴的-侧,因而系统在垂直轴上就不会太平衡,但它从来不会在水平轴上失衡,因此可以有效地抵销风力和机械扭力的影响。

由于侧装式云台不需要配重或内弹簧就可以保持水平轴的平衡,其原因是摄像机、镜头和防护罩的总体重心正好落在水平旋转轴上,因而对电机和齿轮传动机构的功率要求就大大降低了。此外,在需要将侧装式云台翻转过来安装时,除了改变旋臂的位置外,不需要做任何其他的改动。而如果要将顶装式云台倒转过来安装,则通常必须拆除配重和弹簧。

二、室外全方位云台

室外全方位云台与室内全方位云台的最大区别,主要体现在是否具有全天候的功能。所谓全天候功能,就是要求云台能在恶劣的工作环境下正常工作。室外恶劣的工作环境的不利因素主要有风荷载、降水、湿度、温度变化,以及灰尘、污物、腐蚀性气体、人为破坏等。为了应对这些额外的不利因素,室外云台必须做得更为牢固,并需要具备较高的环境阻隔能力,如在云台的所有结合部位都使用密封垫圈,以防雨水或潮湿的侵蚀等。

此外,所有的室外云台系统,还必须要考虑风荷载问题。所谓风荷载,是施加在摄像机、防护罩和云台上的风力。因为这种力会使得系统朝不需要的方向移动或旋转,或造成整个系统的震动,或阻碍系统的正常运动。这种风荷载对视频监控系统图像的不利影响是震动,因为震动会使得摄像机的图像变得模糊或聚焦不清。更严重的是,如果施加在系统上的风荷载够大,将会导致齿轮传动系统或电机出现机械故障。为了将风荷载减到最小,系统必须尽可能地小,且所有的部件都应安装在尽可能接近水平和垂直旋转轴的位置。

为了提高使用寿命,保证工作的可靠性,室外云台除所有结合部位都使用密封垫圈以防止雨水、雪、灰尘、污物和腐蚀性物质无法进入轴承、齿轮系统和驱动电机中外,还最好使用密封的滚珠轴承,使所有的轴承的轴端都用环境防护材料密封,以避免液体、灰尘或腐蚀性物质进入。此外,云台必须采用不易锈蚀的材料,如铸铝、镁或户外塑料制成。如果使用的是塑料材料,则必须是阻燃型的。

需要注意的是,雪和冰也会给云台带来额外的载荷,在静止的云台底座和旋转部件之间结的冰可能会使得电机无法启动,更无法正常使用。在严寒和结冰的天气中,应该经常操作f云台,以使电机产生热量,防止这些关键性部位冻结。为防止冬季雪水将云台冻结时造成的起动困难,还要求云台的驱动电机具有高转矩及扼流保护功能,以防止在云台严重冻结时强行起动而烧毁电机。因此,有的室外全天候云台的俯仰电动机的内部,就装有一个热敏切换开关,一旦电机温度超出允许工作范围,这个热敏开关就自行切断电机电源,以保护电机。对水平电机,则采用了扼流电阻加以保护。

一般,室外全方位云台在室外使用还要配中大型的室外防护罩,因此还要求云台具有大承重的功能,这也要求驱动电机及传动机构具有高转矩的性能。电动云台的最大负载(单位为kg)是指垂直方向承受的负载能力。它是指摄像机的重心(包括防护外罩)到云台工作面的距离为50mm,该重心必须通过云台的迥转中心,并且与云台工作面垂直。这个重心即为电动云台的最大负载点,云台的承载能力是以此点作为设计计算的基准。加15kg级的电动云台,即它的最大负载能力为15kg。

需要注意的是,由于负载安装位置的不同或测试方法的不同,可能会出现某等级的电动云台带不动同一等级的负载,其原因就在于重心偏离回转中心,增大了负载力矩。因为此时摄像机重心到云台迥转中心的距离为50mm+L(L为云台工作面到云台迥转中心的距离)。而电动云台的负载能力与厶成反比,匕越大,负载能力越小。因此,在设计时匕尽可能取得小,以免力矩过大或选用电机的功率过大。

鉴于以上原因,室外全方位云台一般要求承重在10kg以上,其自身的体积及重量都比室内云台要大,因而其价格也比室内云台高一倍以上。

一种顶装式室外云台SP-301的外形如图2所示。

图2 SP-301室外云台

有些高档云台还具有预置功能,其内部电机为伺服电机,并配有相应的伺服电路。实际上,预置相当于可以“记忆”某几个事先设定好的位置(水平方位角及垂直俯仰角)。如要设定某全方位摄像机对第1监视点、第2监视点、第3监视点等3个重点部位轮流监视,摄像机在每个监视点要停留10s,则具有预置功能的全方位云台即可以在伺服电机的驱动下,准确地对上述3个设定的监视点进行轮流监视。