一种球型抗风云台的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种球型抗风云台，在底座腔体上部安装有防雷防浪涌板，底座上部安装有中腔体，中腔体采用轴与轴承联接有支臂；球体设置在中腔体和支臂之间。中腔体内部安装有水平传动驱动装置。球体两侧的球冠与支臂连接，球体的中间部分垂直驱动电机的驱动下进行上下±45°的转动。球体中间部分的鼓型腔体部分为设备仓，云台上的主要承载设备都安装在鼓型腔体内部，鼓型腔体前部的前面板上设置有各类传感器窗口。本实用新型装置不仅达到了特殊抗风需求和高精度数字回显定位的需求，同时可集成多种远距离视频传感器，完成各种特种条件监控任务，为我国的边海防、森林防火、智慧城市等相关监控事业提供更便利的条件。
【专利说明】—种球型抗风云台
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种球型抗风云台，属于安防监控【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前，有远距离监控需求的，大多是关系到国计民生，国家安全的重要部门和场所。如林业、公安、海事、边防等，他们所安装的视频监控系统，是他们履行职责的重要手段之一。如果设备不稳定或者达不到需求，将对这些重要行业和部门造成不利的影响。反之，如果能够为这些重要部门提供有效的，稳定的设备，将极大提高他们的工作效率和任务完成能力，从而为国计民生、国家安全等做出卓越的贡献，因此，此类设备的研发成功，是非常有意义的。
[0003]从技术层面上讲，实现远距离监控时必需配备长焦距大口径的镜头，对云台的载重量要求较高，但由于远距离监控时的视场角非常小，轻微的抖动，对远距离视频采集的影响都非常大，因此对云台控制的要求就非常高。那么，配置高精度的数字回显球型抗风云台就显得非常必要。新型高精度数字回显云台的核心技术是控制系统、传动系统、和外观结构，要实现高的定位精度和方便易用的使用效果，首先要优化原传动机构，目前市场使用的云台主要采用交流同步电机加齿轮减速传动。其缺点主要是由于齿轮传动间隙难以消除，造成云台的定位精度不够，很难提高。其次由于该传动方式很难实现大的传动比，使云台进步角度大，从而造成定位精度差，与之配套的控制软件系统，也是实现高精度的关键所在，需要与机构密切配合，协调运作。为满足远距离监控的需要，云台及集成的产品需要架设到室外至高点位置，设备还需要考虑风载问题，因此，设计云台产品的外观结构时，要重点考虑结构的稳固与抗风载能力，要求设备停止运行时，能有效锁定当前位置，避免风速风向变化而造成的图像抖动。
[0004]同时，目前市场供应的云台产品由于传统的结构和传动系统等因素制约，达不到远距离监控的使用要求，因而研发适用于超远距离监控的专用云台产品非常必要。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的在于提供一种球型抗风云台，采用以蜗轮蜗杆传动为核心的传动系统和平衡载荷承载结构，通过优化设计，有效降低风阻系数，从而降低了对驱动进步电机的力矩要求，同时采用高转矩的高精度进步电机驱动以实现低速高转矩、定位精度高、无累积误差的优点。
[0006]为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下。
[0007]—种球型抗风云台，包括四个主要部分，分别是底座、中腔体、球体和支臂，其中，底座主要起到整个设备的支撑与固定作用，底座内部的腔体中安装有整个设备电源变换与电源供应接口，底座腔体上部安装有防雷防浪涌板，底座上部安装有中腔体，中腔体采用轴与轴承联接有支臂；球体设置在中腔体和支臂之间。电路部分因整个支臂与球体部分需要进行360°连续旋转，因而设置有导电滑环实现电路的连接。中腔体内部安装有水平传动驱动装置，可驱动中腔体和支臂及球体实现360°连续旋转。球体两侧的球冠与支臂连接，球体的中间部分垂直驱动电机的驱动下进行上下±45°的转动。球体中间部分的鼓型腔体部分为设备仓，云台上的主要承载设备都安装在鼓型腔体内部，鼓型腔体前部的前面板上设置有各类传感器窗口。
[0008]鼓型腔体内部设置有传动结构，其中，鼓型腔体内壁上固定有电机支架A和电机支架B，电机支架A和电机支架B上设置有步进电机，步进电机上连接有同步皮带轮B，同步皮带轮B上设置同步皮带，同步皮带上连接有有同步皮带轮A，同步皮带轮A上连接有蜗杆支撑座，蜗杆支撑座固定设置有蜗杆，蜗杆上啮合有蜗轮；蜗轮上的蜗轮芯轴与球冠体联接，从而实现了球冠体的垂直方向的传动。
[0009]蜗杆的一端设置有蜗杆消隙螺丝，用于消除蜗杆径向与蜗杆支撑座配合的间隙，蜗杆支撑座固定在壳体上，通过调节螺丝能微调与蜗轮啮合的位置，用以消除蜗杆与蜗轮哨合的间隙。
[0010]蜗轮上设置有限位光偶，限位光偶上设置有限位光偶拨片；限位光偶的作用是在设备运行到达指定位置时，向控制板提供一个开关量信号，同时为控制软件提供一个位置基准点。水平方向的传动与垂直方向基本相同。
[0011]球体采用IP防水等级设计，传动输出轴都设有防水密封部件。无论球型云台水平转动还是垂直方向转动，转动部分都彩用了平衡载荷方式，因此消除了静转矩。在承受风载方面，因整机的流线设计，有效降低了风阻系数。采用轴向对称设计，在高风速环境中，不产生有害转矩，因此图像稳定性显著提高。
[0012]上述装置中，控制系统包括硬件和方案，硬件使用以SFM.32.XX为核心的中央处理器，电机驱动使用专用128细分的电压型驱动芯片，该芯片内建控制系统，内部集成一个24位高速脉冲计数器，电机驱动部分集成了硬件的128细分驱动系统，并自主完成电机的启停控制与加减速过程的监控管理。使用这种高度集成的芯片，简化上位机的控制，能够实现对步进电机的精确控制。
[0013]MCU采用32位AM内核处理器，处理能力强，接口资源丰富，完全能满足段备的实时控制要求。本MCU需要有与外部芯片进行多种通讯要求，如需要2路SPI通讯、2路RS422通讯、与VGA进行并行通信等，在该MCU上都能够实现，而无需扩展。
[0014]另外，为增强人机对话能力，控制器硬件上设置有视频字符叠加电路，能够通过全功能的字符菜单远程改变功能设置参数，对设置实现远程的操作与评估提供了便利。设备安全性能是设备工作稳定的重要保证。本机硬件上设计了多重的安全防护系统:(I)防雷击防浪涌电路子系统，能够达到防10KV/S的雷击及1000A/S的浪涌电流能力。(2)设置硬件看门狗与软件看门狗等多重防死机电力保证，任何情况下，设备都不会死机失控。(3)设置机械硬限位、电子硬限位与软件限位三重安全限位系统，保证了设备的工作安全。
[0015]考虑生产的便利性和定制化产品的特点，整机电子部分乘用模块化设计，整机通信总线为RS422，故而外挂功能模块非常方便。由于采用总线设计，线路部分简单，功能调试非常便利快捷。整机常用模块主要看防雷板、主通信解码板、电机控制板、镜头控制板、热成像控制板、分光镜控制板、激光恒流控制板等。
[0016]软件方案:球型抗风云台的软件为嵌入式软件，采用模块化设计，主要功能模块包括:电机控制、通讯控制、协议解码、字符模块管理、数字回显管理、E2ROM管理、限位与基准矫正管理等功能模块。
[0017]通讯控制和电机控制是整个主控板要完成的两个核心功能，通讯模块主要对上位机的通讯指令进行解码，根据本机的特点，我们对PELCO-D协议进行的扩展，使设备增加了许多必要的功能，电机控制是整个设备的核心，直接解决了设备运行及定位精度的高低。
[0018]电机控制部分，我们采用新型电机控制芯片，这款电机控制芯片上集成了一个数字控制内核，芯片能通过SPI接口接收MCU的运动曲线命令，按照预置的加速度和速度曲线自动执行运动，其控制逻辑电路是一个可以设置的状态机，能够接收并保存与电机运动相关的各类参数。通过对相电流的精确控制能够实现步进电机的128细分，数字控制内核内部集成了一个22位绝对位置计数器，MCU可通过指令查询当前电机的绝对位置。该芯片采用复杂的补偿式电压控制方式控制电机转矩，较传统的电流控制方式步进电机控制更加精准。降低运转噪音的同时增加了转矩与转速。从总体上看，采用这种控制方式能使系统控制变得更加顺畅。
[0019]主腔板完成电机控制与通讯译码的同时，还需将各类运行参数进行运算处理后，把数据编译成固定的数据格式上传到上位机。主控板可通过键盘进行运程控制，可以直接对云台上集成的设备直接进行操作，更改设置参数。也可以通过全功能的屏幕菜单查询设备的各项设置参数，或更改各项功能设置。
[0020]数字抗风云台的控制软件系统除完成上述的所有控制功能外，还支持的功能有，云台镜头的预置位功能、自动巡航功能、苹果皮扫描、自动守望位功能、AB两点扫描、3D操控功能、点击定位功能和根据上位机指令到达指定位置的功能。
[0021]该实用新型的有益效果在于:本方案涉及到的技术原理主要有蜗轮蜗杆自锁传动原理、平衡风载抗抖动原理及进步电机的锁定定位与无累积误差原理。本方案在结构设计上的关键技术是要求达到零传动间隙，为消除传动间隙，我们设置了三维双自由度传动调隙机构，有效地消除传动间隙，从而保证了云台的高定位精度。这款高精度数字回显球型抗风云台不仅达到了特殊抗风需求和高精度数字回显定位的需求，同时可集成多种远距离视频传感器，完成各种特种条件监控任务，为我国的边海防、森林防火、智慧城市等相关监控事业提供更便利的条件。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本实用新型实施例中所使用装置传动结构示意图。
[0023]图2是本实用新型实施例中所使用装置外部结构示意图。
[0024]图中标记说明:1、蜗杆支撑座；2、蜗杆；3、同步皮带轮A ;4、同步皮带；5、电机支架A ;6、同步皮带轮B ;7、步进电机；8、电机支架B ;9、限位光偶座；10、蜗轮；11、限位光偶拨片；12、限位光偶；13、蜗杆消隙螺丝；14、底座；15、中腔体；16、球体；17、支臂；18、鼓型腔体。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行描述，以便更好的理解本实用新型。
[0026]如图1、图2所示的球型云台，其包括四个主要部分，分别是底座14、中腔体15、球体16和支臂17，其中，底座14主要起到整个设备的支撑与固定作用。底座14内部的腔体中安装有整个设备电源变换与电源供应接口，底座14腔体上部安装有防雷防浪涌板，底座14上部安装有中腔体15，中腔体15采用轴与轴承联接有支臂17 ;球体16设置在中腔体15和支臂17之间。电路部分因整个支臂17与球体16部分需要进行360°连续旋转，因而设置有导电滑环实现电路的连接。中腔体15内部安装有水平传动驱动装置，可驱动中腔体15和支臂17及球体16实现360°连续旋转。球体16两侧的球冠与支臂17连接，球体16的中间部分垂直驱动电机的驱动下进行上下±45°的转动。球体16中间部分的鼓型腔体18部分为设备仓，云台上的主要承载设备都安装在鼓型腔体18内部，鼓型腔体18前部的前面板上设置有各类传感器窗口。
[0027]鼓型腔体18内部设置有传动结构，其中，鼓型腔体18内壁上固定有电机支架A5和电机支架B8，电机支架A5和电机支架B8上设置有步进电机7，步进电机7上连接有同步皮带轮B6，同步皮带轮B6上设置同步皮带4，同步皮带4上连接有有同步皮带轮A3，同步皮带轮A3上连接有蜗杆支撑座1，蜗杆支撑座I固定设置有蜗杆2，蜗杆2上啮合有蜗轮10 ；蜗轮10上的蜗轮芯轴与球冠体联接，从而实现了球冠体的垂直方向的传动。
[0028]蜗杆2的一端设置有蜗杆消隙螺丝13，用于消除蜗杆2径向与蜗杆支撑座I配合的间隙，蜗杆支撑座I固定在壳体上，通过调节螺丝能微调与蜗轮10啮合的位置，用以消除蜗杆2与蜗轮10啮合的间隙。
[0029]蜗轮10上设置有限位光偶12，限位光偶12上设置有限位光偶拨片11 ;限位光偶12的作用是在设备运行到达指定位置时，向控制板提供一个开关量信号，同时为控制软件提供一个位置基准点。水平方向的传动与垂直方向基本相同。
[0030]球体16采用IP67防水等级设计，传动输出轴都设有防水密封部件。无论球型云台水平转动还是垂直方向转动，转动部分都彩用了平衡载荷方式，因此消除了静转矩。在承受风载方面，因整机的流线设计，有效降低了风阻系数。采用轴向对称设计，在高风速环境中，不产生有害转矩，因此图像稳定性显著提高。
[0031]上述装置中，控制系统包括硬件和方案，硬件使用以SFM.32.XX为核心的中央处理器，电机驱动使用专用128细分的电压型驱动芯片，该芯片内建控制系统，内部集成一个24位高速脉冲计数器，电机驱动部分集成了硬件的128细分驱动系统，并自主完成电机的启停控制与加减速过程的监控管理。使用这种高度集成的芯片，简化上位机的控制，能够实现对步进电机的精确控制。
[0032]MCU采用32位AM内核处理器，处理能力强，接口资源丰富，完全能满足设备的实时控制要求。本MCU需要有与外部芯片进行多种通讯要求，如需要2路SPI通讯、2路RS422通讯、与VGA进行并行通信等，在该MCU上都能够实现，而无需扩展。
[0033]另外，为增强人机对话能力，控制器硬件上设置有视频字符叠加电路，能够通过全功能的字符菜单远程改变功能设置参数，对设置实现远程的操作与评估提供了便利。设备安全性能是设备工作稳定的重要保证。本机硬件上设计了多重的安全防护系统:(I)防雷击防浪涌电路子系统，能够达到防10KV/S的雷击及1000A/S的浪涌电流能力。(2)设置硬件看门狗与软件看门狗等多重防死机电力保证，任何情况下，设备都不会死机失控。(3)设置机械硬限位、电子硬限位与软件限位三重安全限位系统，保证了设备的工作安全。
[0034]考虑生产的便利性和定制化产品的特点，整机电子部分乘用模块化设计，整机通信总线为RS422，故而外挂功能模块非常方便。由于采用总线设计，线路部分简单，功能调试非常便利快捷。整机常用模块主要看防雷板、主通信解码板、电机控制板、镜头控制板、热成像控制板、分光镜控制板、激光恒流控制板等。
[0035]软件方案:球型抗风云台的软件为嵌入式软件，采用模块化设计，主要功能模块包括:电机控制、通讯控制、协议解码、字符模块管理、数字回显管理、E2ROM管理、限位与基准矫正管理等功能模块。
[0036]通讯控制和电机控制是整个主控板要完成的两个核心功能，通讯模块主要对上位机的通讯指令进行解码，根据本机的特点，我们对PELCO-D协议进行的扩展，使设备增加了许多必要的功能，电机控制是整个设备的核心，直接解决了设备运行及定位精度的高低。
[0037]电机控制部分，我们采用新型电机控制芯片，这款电机控制芯片上集成了一个数字控制内核，芯片能通过SPI接口接收MCU的运动曲线命令，按照预置的加速度和速度曲线自动执行运动，其控制逻辑电路是一个可以设置的状态机，能够接收并保存与电机运动相关的各类参数。通过对相电流的精确控制能够实现步进电机的128细分，数字控制内核内部集成了一个22位绝对位置计数器，MCU可通过指令查询当前电机的绝对位置。该芯片采用复杂的补偿式电压控制方式控制电机转矩，较传统的电流控制方式步进电机控制更加精准。降低运转噪音的同时增加了转矩与转速。从总体上看，采用这种控制方式能使系统控制变得更加顺畅。
[0038]主控板完成电机控制与通讯译码的同时，还需将各类运行参数进行运算处理后，把数据编译成固定的数据格式上传到上位机。主控板可通过键盘进行运程控制，可以直接对云台上集成的设备直接进行操作，更改设置参数。也可以通过全功能的屏幕菜单查询设备的各项设置参数，或更改各项功能设置。
[0039]数字抗风云台的控制软件系统除完成上述的所有控制功能外，还支持的功能有，云台镜头的预置位功能、自动巡航功能、苹果皮扫描、自动守望位功能、AB两点扫描、3D操控功能、点击定位功能和根据上位机指令到达指定位置的功能。
[0040]以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种球型抗风云台，包括四个主要部分，分别是底座、中腔体、球体和支臂，其特征在于:所述底座内部的腔体中安装有整个设备电源变换与电源供应接口，所述底座腔体上部安装有防雷防浪涌板，所述底座上部安装有中腔体，所述中腔体采用轴与轴承联接有支臂；所述球体设置在中腔体和支臂之间；所述中腔体内部安装有水平传动驱动装置；所述球体两侧的球冠与支臂连接，所述球体的中间部分设置有垂直驱动电机；所述球体中间部分的鼓型腔体部分为设备仓，所述鼓型腔体前部的前面板上设置有各类传感器窗口。
2.根据权利要求1所述的球形抗风云台，其特征在于:所述鼓型腔体内壁上固定有电机支架A和电机支架B，所述电机支架A和电机支架B上设置有步进电机，所述步进电机上连接有同步皮带轮B，所述同步皮带轮B上设置同步皮带，所述同步皮带上连接有有同步皮带轮A，所述同步皮带轮A上连接有蜗杆支撑座，所述蜗杆支撑座固定设置有蜗杆，所述蜗杆上啮合有蜗轮；所述蜗轮上的蜗轮芯轴与球冠体联接。
【文档编号】F16M11/14GK204062367SQ201420252637
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】贾殿友 申请人:深圳紫光积阳科技有限公司