专利名称：水下摄像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种主要用于对水下具有较强放射性的区域进行远距离观察，以实现对核电站水下操作过程进行控制的摄像系统。
背景技术：
在核电站，有很多区域具有较强的辐射性，有一些检修及操作过程需隔着较厚的水防护层远距离观察进行。水下摄像系统的广泛运用能保障检修和操作人员进行安全工作。水下摄像系统的关键技术在于水平、垂直两转动轴系的动态密封。目前国内外也有类似产品，但很多是将转动云台部分密封在一前方带透明玻璃的容器内，再将其输出的控制电缆与该容器进行静态密封以实现通过静密封达到动态观察的目的，其缺点是透明玻璃的面积不能太大导致其观察范围受影响。
发明内容
本发明的技术解决解决问题是克服现有技术的不足，提供一种多方位、大视场目标的观察，图像分辨力高、操作控制简单，且集光学、机械、自动控制于一体的水下摄像系统。
本发明的技术解决方案是水下摄像系统，由摄像主体和主控制器组成，两者通过电缆连接，其特点在于摄像主体由摄像机、水平转轴及水平电机和齿轮减速组、垂直转轴及垂直电机和齿轮减速组、动密封和静密封组成，水平转轴驱动由水平电机经齿轮减速组将力矩放大带动水平轴系的转动，垂直转轴由垂直电机经齿轮减速将力矩增大来驱动垂直轴系的转动，整个系统通过静密封和动密封实现内部的摄像系统、机械传动系统与外部水域的密封以保证系统正常工作，动密封有3处，水平转轴1处，垂直转轴2处，分别安装在各自旋转方向运动转轴与支承主体之间；静密封有8处，分别安装在外围的密封盖与摄像主体之间，通过在主体上的U形截面槽内镶嵌O形密封圈，再用压板用螺钉均匀压紧以实现压板内外的密封；主控制器由视频分配模块、摄像机控制调节电路、控制权切换电路、照明光源调节电路、云台电机控制电路、电源模块组成，电源模块为整个系统提供电源；控制权切换模块实现手控盒和主控制器之间控制权的切换，其输入来自主控制器面板和手控盒，其三个输出分别作为摄像机控制调节电路、照明光源调节电路和云台电机控制电路的输入，同时也为手控盒提供视频信号输入；云台电机控制电路接收从控制权切换电路来的控制信号，据此信号控制两个直流电机的转动，其输出直接驱动电机；摄像机控制调节电路实现对摄像机的变焦、对焦等的控制，其输入来自控制权切换电路，输出控制信号到摄像机；视频分配模块的输入为摄像机输出的视频信号，其输出为四路同样的视频信号；照明光源调节电路从控制权切换电路接收调节信号，其输出控制照明电源的输出电压值，从而调节灯的亮度。
本发明的工作原理如下水平和垂直两方位电机通过减速箱的传递运动实现摄像机的全方位、大视场目标的监测。通过控制权切换电路、摄像机控制调节电路、云台电机控制电路、视频分配模块电路实现对摄像机的主控器及手控盒的随意切换控制(包括摄像机的变倍、照明灯亮度调节、云台两方位的运动控制、视频信号的多路输出)。
本发明与现有技术相比具有的优点在于1、能够在水深达40米的水下正常工作。
2、耐辐射剂量率104rad/h。
3、CCD电视分辨率约480线(PAL制式，高分辨率)或420线(PAL制式，正常分辨率)。最高灵敏度0.001lux。
4、具有26.5倍的光学变焦(3.24mm-86mm)，10倍数字变倍；能够快速地自动或手动对焦；能够自动调节光圈等。
5、云台转动范围。俯仰+115°～-98°；方位+160°～-160。
6、可以灵活地用于水池的任何部位进行全方位观察或检查；也可以事先固定在水下一个特定位置上，对某种专项操作进行观察和监督，并能够对所观察到的过程和结果进行视频数字记录，可以满足对重要的水下操作进行监督；对水下设备进行检查；查找意外落入水池中的异物等；对所观察到的过程和结果进行视频数字记录；总之，本发明是集光学、机械、自动控制于一体的水下电视观察设备，具有较强的耐辐射能力、40米水深防水、镜头变倍广、图像分辨力高、操作控制简单、直观等特点。
图1为本发明中的摄像主体结构剖视图；图2为本发明中的主控器原理框图；图3为本发明控制权切换电路的原理框图或原理图；图4为本发明的摄像机控制调节电路原理框图；图5为本发明的云台电机控制电路原理框图；图6为本发明视频分配模块的电原理框图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明由摄像主体及主控器组成，摄像主体通过一电缆线与主控器相连，同时主控器的各功能键又可以通过外接的手控盒进行控制，其中摄像主体由摄像主体由摄像机2、水平转轴10及水平电机5和水平齿轮减速组1、垂直转轴6及垂直电机9和垂直齿轮减速组9、动密封7和4和静密封11(图1中有4处)组成，摄像机2的运动是通过水平转轴10以及垂直转轴6的转动来实现多方位、大视场目标的观察，其中水平转轴的驱动是由水平电机5经水平齿轮减速组1将力矩放大8倍(达8N.m)来带动水平轴系的转动，垂直转轴6的驱动是由垂直电机9经垂直齿轮减速8将力矩增大来驱动垂直轴系的转动。
静密封主要有图1中的11(4处)，动密封有图1中的4(左右对称各一处)及7，其中4为水平转轴密封，7为垂直转轴密封。静密封是由丁晴橡胶做成的O型截面密封圈来实现，密封圈嵌在一U型截面且周边闭合的槽内，槽子深度比密封圈直径小0.6mm以保证足够的压缩量进而达到密封的效果，另外在加工工艺上与密封圈端面接触的两金属面的平面性、粗糙度要好，压紧力均匀。动密封是由圆环状柔性石墨组成，其内圈套在转轴外圆上，其配合关系为0.03-0.05mm过盈量，外圈与固定部分内孔为0.06-0.10mm间隙配合，再通过轴向压圈压紧柔性石墨端面从而实现转轴内外的动态密封。
如图2所示，本发明的主控制器由视频分配模块、摄像机控制调节电路、控制权切换电路、照明光源调节电路、云台电机控制电路、电源模块组成，电源模块为整个系统提供电源；控制权切换模块实现手控盒和主控制器之间控制权的切换，其输入来自主控制器面板和手控盒，其三个输出分别作为摄像机控制调节电路、照明光源调节电路和云台电机控制电路的输入，同时也为手控盒提供视频信号输入；云台电机控制电路接收从控制权切换电路来的控制信号，据此信号控制两个直流电机的转动，其输出直接驱动电机；摄像机控制调节电路实现对摄像机的变焦、对焦等的控制，其输入来自控制权切换电路，输出控制信号到摄像机；视频分配模块的输入为摄像机输出的视频信号，其输出为四路同样的视频信号；照明光源调节电路从控制权切换电路接收调节信号，其输出控制照明电源的输出电压值，从而调节灯的亮度。
如图3所示，控制权切换电路主要由继电器阵列组成。开关闭合时，继电器线圈通电常开触点闭合，常闭触点断开从而将控制权从主控器切换到手控盒；开关断开时，继电器线圈断电常开触点断开，常闭触点闭合从而将控制权从手控盒切换到主控器。
如图4所示，摄像机控制调节电路主要由一个可控的电阻网络构成。电路接收来自控制权切换电路的控制信号，译码器对此信号进行译码，译码器的输出作为继电器驱动电路的输入，从而控制相应的继电器闭合。不同的继电器闭合导致电阻网络有不同的电阻值，摄像机便根据电阻网络的阻值来实现各种控制和调节。
如图5所示，云台电机控制电路主要由电机控制芯片L298、单片机、调压电路和过电机堵转检测电路组成。调压电路设定电机的工作电压；单片机是电路的控制核心，为电机控制芯片L298提供电机正反转和停止信号；电机控制芯片L298根据单片机提供的信号驱动电机正向或转动，或者停止电机转动；堵转检测电路通过电机控制芯片L298的1和15引脚的电压判断电机是否堵转，将堵转信号输入单片机，单片机根据此信号做出判断并向电机控制芯片L298发出停止电机转动的信号。
如图6所示，视频分配模块主要由五个射极跟随器组成。从摄像机来的视频信号先通过由三极管Q1构成的电压跟随器分出四路信号作为另四个电压跟随器的输入，从Q2、Q3、Q4、Q5四个三极管构成的四个电压跟随器的输出便得到四路同样的视频信号，实现了将一路视频信号一分为四的功能。本发明的工作过程如下该摄像主体通过吊杆放到近20米水中进行水下操作与观察。摄像机在水平面内的转动是由图1中的电机5旋转经齿轮9变速最后带动垂直轴6旋转来实现；摄像机在垂直面内的转动是由电机5后面的另一电机的旋转经齿轮变速组1带动水平轴10旋转来实现。对摄像主体的控制是通过主体尾部一电缆与岸上主控器相连来实现(包括摄像机的变倍、照明灯亮度调节、云台两方位的运动控制、视频信号的多路输出)。另外其控制权可通过控制权切换由一便携式手孔盒来实现。
权利要求
1.水下摄像系统，由摄像主体和主控制器组成，两者通过电缆连接，其特征在于摄像主体由摄像机、水平转轴及水平电机和齿轮减速组、垂直转轴及垂直电机和齿轮减速组、动密封和静密封组成，水平转轴驱动由水平电机经齿轮减速组将力矩放大带动水平轴系的转动，垂直转轴由垂直电机经齿轮减速将力矩增大来驱动垂直轴系的转动；动密封有3处，水平转轴1处，垂直转轴2处，分别安装在各自旋转方向运动转轴与支承主体之间，静密封有8处，分别安装在外围的密封盖与摄像主体之间，通过在主体上的U形截面槽内镶嵌O形密封圈，再用压板用螺钉均匀压紧以实现压板内外的密封；主控制器由视频分配模块、摄像机控制调节电路、控制权切换电路、照明光源调节电路、云台电机控制电路、电源模块组成，电源模块为整个系统提供电源；控制权切换模块实现手控盒和主控制器之间控制权的切换，其输入来自主控制器的面板和手控盒，其三个输出分别作为摄像机控制调节电路、照明光源调节电路和云台电机控制电路的输入，同时也为手控盒提供视频信号输入；云台电机控制电路接收从控制权切换电路来的控制信号，据此信号控制两个直流电机的转动，其输出直接驱动电机；摄像机控制调节电路实现对摄像机的变焦、对焦等的控制，其输入来自控制权切换电路，输出控制信号到摄像机；视频分配模块的输入为摄像机输出的视频信号，其输出为四路同样的视频信号；照明光源调节电路从控制权切换电路接收调节信号，其输出控制照明电源的输出电压值，从而调节灯的亮度。
2.根据权利要求1所述的水下摄像系统，其特征在于所述的静密封采用由丁晴橡胶做成的O型截面密封圈，动密封的密封圈是由柔性石墨组成。
3.根据权利要求1所述的水下摄像系统，其特征在于所述的控制权切换电路，由继电器阵列组成，开关闭合时，继电器线圈通电常开触点闭合，常闭触点断开从而将控制权从主控器切换到手控盒；开关断开时，继电器线圈断电常开触点断开，常闭触点闭合从而将控制权从手控盒切换到主控器。
4.根据权利要求1所述的水下摄像系统，其特征在于所述的摄像机控制调节电路主要由一个可控的电阻网络构成，电路接收来自控制权切换电路的控制信号，译码器对此信号进行译码，译码器的输出作为继电器驱动电路的输入，从而控制相应的继电器闭合，不同的继电器闭合导致电阻网络有不同的电阻值，摄像机便根据电阻网络的阻值来实现各种控制和调节。
5.根据权利要求1所述的水下摄像系统，其特征在于所述的云台电机控制电路主要由电机控制芯片L298、单片机、调压电路和过电机堵转检测电路组成，调压电路设定电机的工作电压；单片机是电路的控制核心，为电机控制芯片L298提供电机正反转和停止信号；电机控制芯片L298根据单片机提供的信号驱动电机正向或转动，或者停止电机转动；堵转检测电路通过电机控制芯片L298的1和15引脚的电压判断电机是否堵转，将堵转信号输入单片机，单片机根据此信号做出判断并向电机控制芯片L298发出停止电机转动的信号。
6.根据权利要求1所述的水下摄像系统，其特征在于所述的视频分配模块主要由五个射极跟随器组成，从摄像机来的视频信号先通过由三极管Q1构成的电压跟随器分出四路信号作为另四个电压跟随器的输入，从Q2、Q3、Q4、Q5四个三极管构成的四个电压跟随器的输出便得到四路同样的视频信号，实现了将一路视频信号一分为四的功能。
全文摘要
水下摄像系统，由摄像主体和主控制器组成，两者通过电缆连接，其特征在于摄像主体由摄像机、水平转轴及水平电机和齿轮减速组、垂直转轴及垂直电机和齿轮减速组、动密封和静密封组成，水平转轴驱动由水平电机经齿轮减速组将力矩放大带动水平轴系的转动，垂直转轴由垂直电机经齿轮减速将力矩增大来驱动垂直轴系的转动；主控制器由视频分配模块、摄像机控制调节电路、控制权切换电路、照明光源调节电路、云台电机组成。本发明可以提供多方位、大视场目标的观察，图像分辨力高，且具有操作控制简单，集光学、机械、自动控制于一体的优点。
文档编号H04N5/232GK1741573SQ200410009490
公开日2006年3月1日 申请日期2004年8月27日 优先权日2004年8月27日
发明者李声, 蔡根, 冯常, 任宏伟 申请人:中国科学院光电技术研究所