高速视觉跟踪云台的制作方法
【专利摘要】一种高速视觉跟踪云台，它属于一种监视系统云台。它主要是解决现有的云台水平转动范围窄、俯仰旋转自由度小、水平旋转和俯仰转度速度慢、加速时间长、维护不便等技术问题。其技术方案要点是：它包括云台外壳、支撑板和步进电机，云台外壳设置在外层，支撑板分为上支撑板（1）和下支撑板（7），上支撑板（1）两侧对称设置侧支撑板（19），侧支撑板（19）顶端设置有齿轮轴（3），齿轮轴（3）上的齿轮轴齿轮（20）与电机齿轮（21）啮合，电机齿轮（21）设置在上电机（4）上，下支撑板（7）两侧对称设置端盖（2），上电机（4）设置在下支撑板（7）上，上电机（4）通过传动轴（8）与步进电机相连。它主要是用于高速视觉跟踪系统。
【专利说明】高速视觉跟踪云台
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种监控系统云台，特别是一种高速视觉跟踪云台。
【背景技术】
[0002]目前，云台的分类大致分为室内用云台及室外用云台。室内用云台承重小，没有防雨装置。室外用云台承重大，有防雨装置。有些高档的室外云台除有防雨装置外，还有防冻加温装置。为适应安装不同的摄像机及防护罩，云台的承重应是不同的。因而应根据选用的摄像机及防护罩的总重量来选用合适承重的云台。室内云台的承重量较小，云台的体积和自重也较小。室外用云台因为肯定要在它的上面安装带有防护罩(往往还是全天候防护罩)的摄像机，所以承重量都较大。它的体积和自重也较大。
[0003]目前普遍采用的室内云台承重量大约1.5KG — 7KG左右。室外用云台承重量大约7KG — 50KG左右。还有些云台是微型云台，比如与摄像机一起安装在半球型防护罩内或全天候防护罩内的云台。
[0004]一般的云台均属于有线控制的数控云台。云台的转动是通过在控制室操作控制器，将控制电压通过多芯电缆直接加到云台内的步进电机上，或者通过通信电缆控制远端的解码器，再用解码器经局部多芯电缆将电压加到云台内的电动机上，从而实现云台的旋转。
[0005]还有的云台内装继电器等控制电路，这样的云台往往有六个控制输入端。一个是电源的公共端，另四个是上、下、左、右端。还有一个则是自动转动端。当电源的一端接在公共端后，电源另一端接在“自动”端后，云台将带动摄像机头按一定的转动速度进行上、下、左、右的自动转动。
[0006]在电源供电电压方面，目前常见的有交流24V和220V两种。云台的耗电功率一般是承重量小的功耗小，承重量大的功耗大。目前，还有直流6V供电的室内用小型云台，可在其内部安装电池，并用红外遥控器进行遥控。目前大多数云台仍采用有线遥控方式。云台的安装位置距控制中心较近，且数量不多时，一般采用从控制台直接输出控制信号进行控制。而当云台的安装位置距离控制中心较远且数量较多时，往往采用总线方式传送编码的控制信号并通过终端解码解出控制信号再去控制云台的转动。
[0007]云台的转动速度是衡量云台档次高低的重要指标。云台水平和垂直方向是由两个不同的电机驱动的，因此云台的转动速度也分为水平转速和垂直转速。由于载重的原因，垂直电机在启动和运行保持时的扭矩大于水平方向的扭矩，在加上实际监控时对水平转速的要求要高于垂直转速，因此一般来说云台的垂直转速要低于水平转速。
[0008]交流云台使用的是交流电机，转动速度固定，一般为水平转动速度为4° /秒?6° /秒，垂直转动速度为3° /秒?6° /秒。有的厂家也生产交流型高速云台，可以达到水平15° /秒，垂直9° /秒，但同一系列云台的高速型载重量会相应降低。
[0009]直流型云台大都采用的是直流步进电机，具有转速高、可变速的优点，十分适合需要快速捕捉目标的场合。其水平最高转速可达40?50° /秒，垂直可达10?24° /秒。另外直流型云台都具有变速功能，所提供的电压是直流O至36V之间的变化电压。变速的效果由控制系统和解码器的性能决定，以使云台电机根据输入的电压大小做相应速度的转动。常见的变速控制方式有两种，一种是全变速控制，就是通过检测操作员对键盘操纵杆控制的位移量决定对云台的输入电压，全变速控制是在云台变速范围内实现平缓的变速过渡。另外一种是分档递进式控制，就是在云台变速范围内设置若干挡，各档对应不同的电压转动速度，操作前必须先选择所需转动的速度档，在对云台进行各方向的转动操作。步进电机的品种规格很多，按照它们的结构和工作原理可以划分为磁阻式(也称反应式或变磁阻式)电机、混合式电机、永磁式电机和特种电机等四种主要型式。反应式步进电动机由于其结构简单和经久耐用，所以是目前应用最普及的一种步进电动机。这种电动机按变磁阻原理工作，于是有的国家又称之为变磁阻步进电动机。其优点是；力矩一惯性比高；步进频率高，频率响应快；不通电时转子能自由转动；机械结构简单、寿命长；能双向旋转；有适量阻尼；正常电机无失步区。缺点是:不通电时无定位力矩；每步有振荡和过冲。永磁式步进电动机特点:功耗较小，在断电时仍有定位转矩，但是步距角大，需供给正负脉冲电源，启动和运行频率较低。混合式电机特点:转矩大，步距角小，运行频率高，功耗低及有自锁功能，但需有正负电脉冲供电，结构复杂，价格高。比较以上各种电机，决定选择反应式步进电机作为驱动摄像机的动力源。
[0010]云台的转动角度尤其是垂直转动角度与负载防护罩/摄像机/镜头总成安装方式有很大关系。云台的水平转动角度一般都能达到355°，因为限位栓会占用一定的角度，但会出现少许的监控死角。当前的云台都改进了限位装置使其可以达到360°甚至365°有5°的覆盖角度，以消除监控死角。用户使用时可以根据现场的实际情况进行限位设置。例如安装在墙壁上的壁装式，即使云台具有360°的转动角度，实际上只需要监视云台正面的180°角度，即使转动到后面方向的180°也只能看到安装面墙壁，没有实际监控意义。因此壁装式只需要监视水平180°的范围，角装式只需监视270°的范围。这样避免云台过多地转动到无需监控的位置，也提供了云台的使用效率。
[0011]顶装式云台的垂直转动角度一般为+30°至-90°，侧装的垂直转动角度可以达到±180°，不过正常使用时垂直转动角度在+20°至-90°即可。
[0012]云台的最大负载是指垂直方向承受的最大负载能力。摄像机的重心包括防护罩到云台工作面距离为50mm，该重心必须通过云台回转中心，并且与云台工作面垂直，这个中心即为云台的最大负载点，云台的承载能力是以此点作为设计计算的基准。如果负载位置安装不当，重心偏离回转中心，增大了负载力矩，实际的载重量将小于最大负载量的设计值。因此云台垂直转动角度越大，重心偏离也越大，相应的承载重量就越小。
[0013]云台的载重量是选用云台的关键，如果云台载重量小于实际负载的重量不仅会使操作功能下降，而且云台的电机、齿轮也会因长时间超负荷损坏。云台的实际载重量可从3kg到50kg不等，同一系列的云台产品，侧装时的承载能力要大于顶装，高速型的承载能力要小于普通型。
实用新型内容
[0014]本实用新型的目的是提供一种水平转动和俯仰旋转范围更合理、水平旋转速度和俯仰转度速度更快、加速时间短、维护方便、旋转和俯仰转动速度可调的高速视觉跟踪云台。
[0015]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:它包括云台外壳、支撑板和步进电机，云台外壳设置在最外层，支撑板分为上支撑板I和下支撑板7，上支撑板I 一侧设置有侧支撑板19,侧支撑板19顶端设置有齿轮轴3,齿轮轴3 —侧配合套装有齿轮轴齿轮20，齿轮轴齿轮20与电机齿轮21啮合，电机齿轮21设置在上电机4上，下支撑板7两侧的顶端对称设置有端盖2，上电机4设置在下支撑板7上，上电机4通过穿过下支撑板7的传动轴8与步进电机相连。
[0016]本实用新型所述端盖2设置在侧支撑板19之间且有与齿轮轴3相配合的通孔，电机齿轮21 —侧的端盖2通孔处设有上轴承17，另一侧的端盖2通孔处设置有上支撑螺钉15，在与齿轮轴齿轮20之间的齿轮轴3外配合套装有上挡圈16，在与侧支撑板19之间的齿轮轴3外配合套装有套筒18。
[0017]本实用新型所述传动轴8垂直设置在步进电机底部中央，传动轴8的顶部穿过下支撑板7与上电机4配合连接，传动轴8与上电机4连接部位设置有圆形卡子5，圆形卡子5中部设置有螺钉6，传动轴8的上部靠近步进电机顶部处设置配合设置有下轴承9，传动轴8的腰部配合设置有大齿轮12，传动轴8外侧下轴承9与大齿轮12之间配合套装有挡圈10，传动轴8可采用合金结构钢。
[0018]本实用新型所述步进电机可采用反应式步进电机，它包括箱体11和下电机14，箱体11左右两面外侧的中间部位设置有螺栓13，下电机14设置在箱体11底部上，贴紧箱体11前面或后面内侧的中间位置。
[0019]本实用新型所述云台外壳可采用室内智能球型云台。
[0020]本实用新型所述上支撑板1、端盖2、圆形卡子5、下支撑板7、侧支撑板19可采用45钢，齿轮轴3和大齿轮12可米用渗碳钢。
[0021]本实用新型所述上轴承17可采用深沟球轴承。
[0022]本实用新型所述下轴承9可采用圆锥滚子轴承。
[0023]本实用新型的有益效果是:水平转动和俯仰旋转范围更合理、水平旋转速度和俯仰转度速度更快、加速时间短、维护方便、旋转和俯仰转动速度可调。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本实用新型的结构示意图。
[0025]图2是本实用新型的E-E剖面图。
[0026]图3是本实用新型的F-F面图。
[0027]图4是本实用新型的大齿轮结构示意图。
[0028]图5是本实用新型的上齿轮轴结构示意图。
[0029]图6是本实用新型上端盖结构示意图。
[0030]图7是本实用新型上支撑板结构示意图。
[0031]图8是本实用新型传动轴结构示意图。
[0032]图9是本实用新型下支撑板结构示意图。
[0033]图10是本实用新型右箱体结构示意图。
[0034]图11是本实用新型左箱体结构示意图。[0035]图中:1-上支撑板，2-端盖，3-齿轮轴，4-上电机，5-圆形卡子，6-螺钉，7-下支撑板，8-传动轴，9-下轴承，10-挡圈，11-箱体，12-大齿轮，13-螺栓，14-下电机，15-上支撑螺钉，16-上挡圈，17-上轴承，18-套筒，19-侧支撑板，20-齿轮轴齿轮，21-电机齿轮。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明。
[0037]实施例1，本实用新型包括云台外壳、支撑板和步进电机，云台外壳设置在最外层，支撑板分为上支撑板I和下支撑板7，上支撑板I 一侧设置有侧支撑板19，侧支撑板19顶端设置有齿轮轴3,同时承受转矩和弯曲作用，齿轮轴3 —侧配合套装有齿轮轴齿轮20,齿轮轴齿轮20与电机齿轮21啮合，电机齿轮21设置在上电机4上，下支撑板7两侧的顶端对称设置有端盖2，上电机4设置在下支撑板7上，上电机4通过穿过下支撑板7的传动轴8与步进电机相连。参阅图1至图11。
[0038]实施例2，本实用新型所述端盖2设置在侧支撑板19之间且有与齿轮轴3相配合的通孔，电机齿轮21 —侧的端盖2通孔处设有上轴承17，另一侧的端盖2通孔处设置有上支撑螺钉15，在与齿轮轴齿轮20之间的齿轮轴3外配合套装有上挡圈16，在与侧支撑板19之间的齿轮轴3外配合套装有套筒18参阅图1至图11，其余同实施例1。
[0039]实施例3，本实用新型所述传动轴8垂直设置在步进电机底部中央，传动轴8的顶部穿过下支撑板7与上电机4配合连接，除承受轴向拉伸外，还有承受扭矩作用，传动轴8与上电机4连接部位设置有圆形卡子5，圆形卡子5中部设置有螺钉6，传动轴8的上部靠近步进电机顶部处设置配合设置有下轴承9，传动轴8的腰部配合设置有大齿轮12，传动轴8外侧下轴承9与大齿轮12之间配合套装有挡圈10，轴承与轴承套、轴都采用间隙配合，轴承内圈用轴肩定位，上加垫圈和螺母夹紧，传动轴8可采用合金结构钢。参阅图1至11，其余同上述实施例。
[0040]实施例4，本实用新型所述步进电机可采用反应式步进电机，它包括箱体11和下电机14，箱体11左右两面外侧的中间部位设置有螺栓13，下电机14设置在箱体11底部上，贴紧箱体11前面或后面内侧的中间位置，步进电机的速度控制，实际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率或者换相的周期。
[0041]步进电机的加减速控制，对于点一位控制系统，从起点到终点的运行速度都有一定的要求。对于云台在点——位控制过程中，运行速度都需要有一个加速一恒速一减速一低恒速一停止过程并要求加减速过程时间尽量短，而恒速时间尽量长。本设计中，近似认为地认为升速规律按直线规律升速，实际上按指数规律升速，设定从静止升到90度/s用0.2s。本设计中，将转动中心定于重心附近，即重心产生的转矩可忽略不计，将负载转矩折算到步进电机的主轴上，并考虑步进电机的步距角，可选用45BF006反应式步进电机。参阅图1至11，其余同上述实施例。
[0042]实施例5,本实用新型所述云台外壳可采用室内智能球型云台,球型外壳能减少灰尘及各种干扰，日常维护方便，可达到隐蔽监视的目的。参阅图1至11，其余同上述实施例。
[0043]实施例6，本实用新型所述上支撑板1、端盖2、圆形卡子5、下支撑板7、侧支撑板19可采用45钢，因传动功率不大，所以材料为45号钢，经常化处理，齿面硬度为162-217HBS，齿轮轴3和大齿轮12可采用渗碳钢。参阅图1至11，其余同上述实施例。[0044]实施例7，本实用新型所述上轴承17可采用深沟球轴承，安装方便，轴瓦材料为聚四氟乙烯，该材料能抗强酸强碱，具有一定的自润滑性，可以在无润滑条件下工作，在高温条件下具有一定的润滑能力，具有包容异物的能力，嵌入性好，不易擦伤配偶表面，减磨性及耐磨性都比较好。参阅图1至11，其余同上述实施例。
[0045]实施例8，本实用新型所述下轴承9可采用圆锥滚子轴承。参阅图1至11，其余同上述实施例。
【权利要求】
1.一种高速视觉跟踪云台，其特征是:它包括云台外壳、支撑板和步进电机，云台外壳设置在最外层，支撑板分为上支撑板(I)和下支撑板(7)，上支撑板(I) 一侧设置有侧支撑板(19),侧支撑板(19)顶端设置有齿轮轴(3),齿轮轴(3) —侧配合套装有齿轮轴齿轮(20)，齿轮轴齿轮(20)与电机齿轮(21)啮合，电机齿轮(21)设置在上电机(4)上，下支撑板(7 )两侧的顶端对称设置有端盖(2 )，上电机(4 )设置在下支撑板(7 )上，上电机(4 )通过穿过下支撑板(7)的传动轴(8)与步进电机相连。
2.根据权利要求1所述的高速视觉跟踪云台，其特征是:所述端盖(2)设置在侧支撑板(19)之间且有与齿轮轴(3)相配合的通孔，电机齿轮(21)—侧的端盖(2)通孔处设有上轴承(17)，另一侧的端盖(2)通孔处设置有上支撑螺钉(15)，在与齿轮轴齿轮(20)之间的齿轮轴(3)外配合套装有上挡圈(16)，在与侧支撑板(19)之间的齿轮轴(3)外配合套装有套筒(18)。
3.根据权利要求1所述的高速视觉跟踪云台，其特征是:所述传动轴(8)垂直设置在步进电机底部中央，传动轴(8)的顶部穿过下支撑板(7)与上电机(4)配合连接，传动轴(8)与上电机(4)连接部位设置有圆形卡子(5)，圆形卡子(5)中部设置有螺钉(6)，传动轴(8)的上部靠近步进电机顶部处设置配合设置有下轴承(9)，传动轴(8)的腰部配合设置有大齿轮(12)，传动轴(8)外侧下轴承(9)与大齿轮(12)之间配合套装有挡圈(10)，传动轴(8)采用合金结构钢。
4.根据权利要求1所述的高速视觉跟踪云台，其特征是:所述步进电机采用反应式步进电机，它包括箱体(11)和下电机(14)，箱体(11)左右两面外侧的中间部位设置有螺栓(13)，下电机(14)设置在箱体(11)底部上，贴紧箱体(11)前面或后面内侧的中间位置。
5.根据权利要求1所述的高速视觉跟踪云台，其特征是:所述云台外壳采用室内智能球型云台。
6.根据权利要求1所述的高速视觉跟踪云台，其特征是:上支撑板(I)、端盖(2)、圆形卡子(5)、下支撑板(7)、侧支撑板(19)采用45钢，齿轮轴(3)和大齿轮(12)采用渗碳钢。
7.根据权利要求2所述的高速视觉跟踪云台，其特征是:所述上轴承(17)采用深沟球轴承。
8.根据权利要求3所述的高速视觉跟踪云台，其特征是:所述下轴承(9)采用圆锥滚子轴承。
【文档编号】F16M11/18GK203413314SQ201320387641
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年7月2日 优先权日:2013年7月2日
【发明者】赵磊, 莫睿智 申请人:湘潭大学, 赵磊