三維自動穩定控制裝置的製作方法

2023-06-08 05:59:16 2

專利名稱：三維自動穩定控制裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於大型機械設備的視頻監控設備技術領域，特別涉及一種
三維自動穩定控制裝置,是三維(X、 Y、 Z軸)自動穩定平臺及在攝像監控系 統的應用。
背景技術：
監控攝^^L通過傳統雲臺實現旋轉方位的調整。當操作者需要調整監控 攝像機監視視角時，可以調整支撐攝4沐的雲臺，達到改變攝<|^姿態的目 的。當操作者調整雲臺的轉向時，監控攝像機隨之轉動，攝像機姿態得到改 變，觀測角度亦可隨之得到調整。因此，該雲臺的轉動角度，即監控設備能 夠監視的角度範圍。
現有的傳統雲臺均採用兩維(X、 Z軸)旋轉控制即方位控制和俯仰控制 相結合的方法。通過水平的方位角0-360° (Z軸)的變化和垂直的俯仰角± 90° (X軸)的變化，實現"周圍"和"上下"全方位觀測(圖1)。
現有的傳統雲臺加攝像;M^成的攝像系統主要工作在承載雲臺的載體和 目標都M本穩定的前提下，當承載雲臺的載體發生隨機姿態變化時(若X、 Y、 Z軸發生旋轉時)或當目標發生運動時，現有的系統就不能有效完成實時 監控的任務。原來在攝<^舉視範圍內的物體部分或全部會偏出攝像機的監 視區域，如果傳統的攝像系統就要人工不斷的進行糾正，但是工作人員在實 際操作過程中，絕大多數場合，這樣的操作是無法實現的。
發明內容
本實用新型所要解決的問題在於，克服現有技術的不足，提供一種三維自動穩定控制裝置，當承載三維自動穩定控制裝置的載體沿X、 Y、 Z軸發生旋 轉時，三維自動穩定控制裝置能自動測量各軸旋轉量，經過運算處理輸出修 正信號，控制三維自動穩定控制裝置的修正裝置，從而保證攝像機的監視區 域始終包含要觀看的物體，輸出清晰穩定的視頻畫面。
本實用新型解決其技術問題是採取以下技術方案實現的
依據本實用新型提供的一種三維自動穩定控制裝置，包括測量裝置、修正
控制裝置和修正執行裝置，在X軸、Y軸、Z軸方向，各有一路功能相同且又 獨立的測量裝置、修正控制裝置、修正執行裝置，所述的修正執行裝置由Z、 X 軸執行裝置20和Y軸執行裝置22組成，測量裝置21、 21'分別裝在Z、 X軸 執行裝置和Y軸執行裝置的底部水平位置上，修正控制裝置30， 3(K分別裝在 Z、 X軸執行裝置和Y軸執行裝置頂部；當擾動引起載體的隨機姿態變化時， 修正控制裝置根據測量裝置輸出的感應測量信號，經過運算處理送達修正執 行裝置進行修正。
本實用新型解決其技術問題是採取以下技術方案進一步實現
前述的測量裝置在X、 Y軸採用矽微機械結構傾角傳感器，在Z軸採用珪 微機械結構的電子羅盤。 '
前述的Z、 X軸執行裝置的最下部裝有Z軸執行裝置，與底座法蘭1固裝， 下面的步進電4為繞Z軸旋轉的驅動步進電機，變速箱2內的主體是一對內 齒傳動齒輪3，繞Z軸旋轉的軸心與殼體同心，步進電機4軸頭裝一主動小齒 輪26,通過一介輪軸27其上有兩個等齒數介輪7、 7',與固定在變速箱的 內齒傳動齒輪3嚙合，內齒傳動齒輪的空心軸10端安裝導電滑環28,確保線 纜無纏繞，實現正反方向任意角度的旋轉。
前述的Z、 X軸執行裝置的上部裝有X軸執行裝置，步進電機8軸頭裝有 主動小齒輪9，與從動大齒輪9'嚙合，成減速傳動輸出，端面裝有電磁製動 器11動片的從動大齒輪裝於空芯輸出軸10的軸徑上，通過鍵連接，傳遞轉動和轉矩，在骨架前支板29與從動大齒輪9'對應處裝有電磁製動器11的定 子，以確保輸出軸的停位準確和產生較大的保持力矩。
前述的Y軸執行裝置，其前端是攝像機12，中間部分是雙聯齒輪16變 速箱，末尾結構是作為動力源的步進電機17;步進電機作為凸緣電機結構將 軸頭伸進雙聯齒輪16變速箱，帶動小齒輪18旋轉，小齒輪通過雙聯齒輪19 將動力傳遞到被動齒輪14,被動齒輪拖動變速箱外的靠板15,帶動90°彎板 13及與其固定的攝像機12形成傳動鏈，使攝像機在步進電機的拖動下完成 "Y，，軸方向的土90。範圍內的旋轉。
前述的修正控制裝置由電源電路、參數設置電路、信令輸入電路、角度 記憶電路、CPU控制電路、角度補償電路、驅動電路組成，信令輸入電路、參 數設置電路和角度補償電路分別連接CPU控制電路的輸入，CPU控制電路的輸 出連接驅動電路，CPU控制電路雙向連接角度記憶電路，電源電路為各個部分 電路提供工作電壓。
本實用新型與現有技術相比具有顯著的優點和有益效果。
本實用新型具有智能化自動穩定、自動調整的特點，實現了沿X軸、Y軸、 Z軸三維立體空間的隨機性自動穩定調整。 一般意義上的穩定是靠人工實現 的，即當攝像裝置的載體出現平面兩維偏移時，由人工進行逆向操作克服偏 移，實現穩定。本實用新型採用了世界上先進的電子陀螺穩定技術，並沿X 軸、Y軸、Z軸三維方向各設置了一套，當系統的承載平臺沿任何一軸發生隨 機變化(沿X、 Y、 Z軸發生旋轉)，測量裝置立即給出偏移信號並傳輸到修正 控制裝置、修正控制裝置經過運算處理輸出修正信號，修正執行裝置予以即 時修正。測量裝置採用矽微機械結構傾角傳感器，由於矽微機械結構傾角傳 感器的靈敏度、感應速度遠大於偏移速度，配合修正執行裝置的高運轉速度 就使系統達到自動穩定的目的，有效地完成實時監控的任務。
本實用新型的具體實施方式
由以下實施例及其附圖詳細給出。

圖1 :現有技術中兩維(X、 Z軸)觀測圖2:本實用新型的三維(X、 Y、 Z軸)觀測圖3:本實用新型的控制原理框圖4:本實用新型的裝置隨載體在Z軸變化示意圖5:本實用新型的裝置隨載體在X軸變化示意圖6:本實用新型的裝置隨載體在Y軸正常示意圖7:本實用新型的裝置隨載體在Y軸變化示意圖8:本實用新型的Z軸執行裝置結構圖9:本實用新型的X軸執行裝置結構圖10:本實用新型的Y軸扭〉f亍裝置結構圖11:本實用新型的控制電路原理框圖12:本實用新型的控制電路原理圖13:本實用新型的程序工作說明。
圖中l.底座法蘭，2.變速箱，3.內齒傳動齒輪，4.步進電機，5.旋轉 臺，6.密封圈，7、 7'.介輪8.步進電機，9.主動小齒輪，9'從動大齒輪 10.空心軸，11.電磁製動器，12.攝像機，13.90°彎板，14.被動齒輪，15. 靠板，16.雙聯齒輪，17.步進電機，18.小齒輪，19.雙聯齒輪，20. Z、 X軸 ^L行裝置，21、 21'.測量裝置，22.Y軸^l行裝置，23.障礙物，24.目標， 25.行車路線，26.主動小齒輪，27.介輪軸，28.導電滑環，29.骨架前支板， 30、 30'.修正控制裝置。
具體實施方式
以下結合附圖及較佳實施例，對依據本實用新型提供的具體實施方式
、 結構、特4正及其功效，詳細il明如後。
參見圖2~13， 一種三維自動穩定控制裝置，包括測量裝置、修正控制 裝置和修正執行裝置，在X軸、Y軸、Z軸方向，各有一路功能相同且又獨立的測量裝置、修正控制裝置、修正執行裝置，所述的修正執行裝置由Z、 X軸
執行裝置20和Y軸執行裝置22組成，測量裝置21、 21'分別裝在Z、 X軸執 行裝置和Y軸執行裝置的底部水平位置上，修正控制裝置30, 30'分別裝在Z、 X軸執行裝置和Y軸執行裝置頂部；當擾動引起載體的隨機姿態變化時，修正 控制裝置根據測量裝置輸出的感應測量信號，經過運算處理送達修正執行裝 置進行修正。
測量裝置在X、 Y軸採用矽孩i機械結構傾角傳感器，在Z軸採用矽微機械 結構的電子羅盤。應用陀螺原理的主要想法是該穩定系統是一個自主式的穩 定系統。所謂"自主式"的穩定系統，就是不依賴於其它裝置提供輔助測量、 控制信息、輔助控制執行手段的穩定系-統。自己建立一個測量基準，該基準 在惡劣的環境中能夠保持穩定、準確。陀螺正是實現這一基準的理想部件。
圖4是(車或船載)三位自動穩定攝像系統跟蹤目標的俯視圖。若以Z 軸為參照軸，當遇到障礙必須躲避時，攝像系統需沿著圖示弧線前進。此時 攝像機與被跟蹤目標沿Z軸的角度會隨機形成任意角度。這個角度被稱作對 於原先直線的偏移角(擾動)，即以"Z"軸為中心的偏移會使被跟蹤目標丟 失。
為了修正上述偏移角我們在三維自動穩定控制裝置底部水平位置安裝了 矽微結構的電子羅盤。測量偏移的角度，輸出修正信號，並把信號輸送到修 正控制裝置進行修正控制。同理，對於沿X軸、Y軸出現的偏移，我們可以通 過採取前述的辦法進行解決。圖5、 6、 7所示。
以上只是單方向定性的將"X，，、' "Y"、 "Z"三軸的擾動進行了簡單的介紹。 車、船運行往往不是單純的某一軸向產生擾動。而是以三維同時擾動的形式 出現。此時測量裝置會將三維擾動信號同時發往修正控制裝置。由修正控制 裝置根據測量裝置輸出的測量信號，經過運算處理送達修正執行裝置進行修 正。修正執行裝置會三維同時動作，向相反的方向旋轉糾正偏差，保持正常的監控。
Z、 X軸執行裝置的最下部裝有Z軸執行裝置(如圖8 )，'與底座法蘭1固
裝，下面的步進電機4為繞Z軸旋轉的驅動步進電機，變速箱2內的主體是一 對內齒傳動齒輪3，繞Z軸旋轉的軸心與殼體同心，步進電機4軸頭裝一主動 小齒輪26，通過一介輪軸27其上有兩個等齒數介輪7、 7',與固定在變速 箱的內齒傳動齒輪3嚙合，內齒傳動齒輪的空心軸10端安裝導電滑環28,確 保線纜無纏繞，實現正反方向任意角度的旋轉。當修正控制裝置將"Z，，糾偏 角度指令傳到步進電機後，步進電機將按照指令旋轉，拖動旋轉部分向擾動 相反的方向旋轉，保證攝像機隨時跟蹤目標。旋轉部分和固定部分採取同軸 旋轉形式。其間的密封結構採用端面密封。在旋轉部分和變速箱的頂面之間 採用 "A"型端面密封圈。使整機具有可靠的防雨效果。
Z、 X軸執行裝置的上部裝有X軸執行裝置(如圖9),步進電機8軸頭裝 有主動小齒輪9，與從動大齒輪9'嚙合，成減速傳動輸出，端面裝有電磁製 動器11的動片從動大齒輪裝於空芯輸出軸10的軸徑上，通過鍵連接，傳遞 轉動和轉矩，在骨架前支板29與從動大齒輪9'對應處裝有電磁製動器11的 定子，以確保輸出軸的停位準確和產生較大的保持力矩。
Y軸執行裝置22 (如圖10),其前端是攝像機12,中間部分是雙聯齒輪 16變速箱，末尾結構是作為動力源的步進電機17;步進電才幾作為凸緣電機結 構將軸頭伸進雙聯齒輪16變速箱，帶動小齒輪18旋轉，小齒輪通過雙聯齒 輪19將動力傳遞到被動齒輪14,被動齒輪拖動變速箱外的靠板1$,帶動90° 彎板13及與其固定的攝像機12形成傳動鏈，使攝像機在步進電機的拖動下 完成"Y"軸方向的±90°範圍內的旋轉。當修正控制裝置發出糾正"Y，，軸 偏轉的信號後，步進電機17通過二級傳動的變速箱輸出，使攝像機產生以"Y，， 軸為中心的旋轉，使攝像機始終保持初始的水平位置。
修正控制裝置(如圖11、 12)由電源電路、參數設置電路、信令輸入電路、角度記憶電路、CPU控制電路、角度補償電路、驅動電路組成，信令輸入
電路、參數設置電路和角度補償電路分別連接CPU控制電路的輸入，CPU控制 電路的輸出連接驅動電路，CPU控制電路雙向連接角度記憶電路，電源電路為 各個部分電路提供工作電壓；當收到控制器發出的人工控制命令時，信令輸 入電路進行信令轉換並傳送給CPU控制電路，CPU根據參數設置電路對自身參 數的設置對信令進行分析解碼，通過驅動電路驅動轉過相應角度，並同時通 過角度記憶電路記憶三維自動穩定控制裝置載體平臺的當前角度值及三軸向 目前相對初始零點的位置，作為新的攝像機定位值；當擾動引起承載三維自 動穩定控制裝置的載體沿X、 Y、 Z軸發生姿態變化時，測量裝置將檢測的三 軸向目前的實際角度輸入至角度補償電路，角度補償電路將測量信息傳送給 CPU, CPU根據角度補償算法算出角度補償值，並驅動修正執行裝置補償角度， 使攝像機的監禪區域保持不變，從而實現自動穩定視頻畫面的目的。其中 I電源電3各
實現AC24V-DC12V-DC5V的電壓轉換，為整個系統供電。
II 信令輸入電路
將RS-485控制信令轉換為TTL電平信號。
III CPU控制電路
根據云臺自身參數設置對接收的數據進行分析處理並執行相應動作；同 時完成三維自動穩定控制裝置的角度補償的分析處理工作。 IV驅動電3各
將CPU發出的控制信號轉換為驅動信號驅動相應軸向的修正裝置運轉。 V 角度記憶電路
記憶三維自動穩定控制裝置載體平臺的當前角度值及三軸向目前相對初 始零點的位置，作為新的攝像機定位值 VI角度補償電路
將角度測量裝置的當前角度測量信息傳送給CPU。
10VII 參數設置電路 設置雲臺的地址碼、協議等參數。 本實用新型的程序工作說明見圖13。
權利要求1. 一種三維自動穩定控制裝置，包括測量裝置、修正控制裝置和修正執行裝置，其特徵在於在X軸、Y軸、Z軸方向，各有一路功能相同且又獨立的測量裝置、修正控制裝置、修正執行裝置，所述的修正執行裝置由Z、X軸執行裝置(20)和Y軸執行裝置(22)組成，測量裝置(21、21′)分別裝在Z、X軸執行裝置和Y軸執行裝置的底部水平位置上，修正控制裝置(30，30′)分別裝在Z、X軸執行裝置和Y軸執行裝置頂部；當擾動引起載體的隨機姿態變化時，修正控制裝置根據測量裝置輸出的感應測量信號，經過運算處理送達修正執行裝置進行修正。
2. 根據權利要求1所述的三維自動穩定控制裝置，其特徵在於所述的測量 裝置在X、 Y軸採用矽微機械結構傾角傳感器，在Z軸採用矽微機械結構的 電子羅盤。
3. 根據權利要求1所迷的三維自動穩定控制裝置，其特徵在於所述的Z、 X 軸執行裝置的最下部裝有Z軸執行裝置，與底座法蘭(l)固裝，下面的步 進電機(4 )為繞Z軸旋轉的驅動步進電機，變速箱(2 )內的主體是一對 內齒傳動齒輪(3)，繞Z軸旋轉的軸心與殼體同心，步進電機(4)軸頭裝 一主動小齒輪(26)，通過一介輪軸(27)其上有兩個等齒數介輪(7、 7')， 與固定在變速箱的內齒傳動齒輪(3)嚙合，內齒傳動齒輪的空心軸(10) 端安裝導電滑環(28),確保線纜無纏繞，實現正反方向任意角度的旋轉。
4. 根據權利要求1所述的三維自動穩定控制裝置，其特徵在於所述的Z、 X 軸執行裝置的上部裝有X軸執行裝置，步進電機(8 )軸頭裝有主動小齒輪(9),與從動大齒輪(9')嚙合，成減速傳動輸出，端面裝有電磁製動器 (11)動片的從動大齒輪裝於空芯輸出軸(10)的軸徑上，通過鍵連接， 傳遞轉動和轉矩，在骨架前支板(29)與從動大齒輪(9')對應處裝有電磁製動器(11)的定子，以確保輸出軸的停位準確和產生較大的保持力矩。
5. 根據權利要求l所迷的三維自動穩定控制裝置，其特徵在於所述的Y軸 執行裝置，其前端是攝像機(12),中間部分是雙聯齒輪(16)變速箱，末 尾結構是作為動力源的步進電機(17);步進電機17作為凸緣電機結構將 軸頭伸進雙聯齒輪(16)變速箱，帶動小齒輪(18)旋轉，小齒輪通過雙 聯齒輪(19 )將動力傳遞到被動齒輪(14 ),被動齒輪拖動變速箱外的靠板(15),帶動90°彎板(13)及與其固定的攝像機(12)形成傳動鏈，使攝 像機在步進電機的拖動下完成"Y，，軸方向的±90°範圍內的旋轉。
6. 根據權利要求1所迷的三維自動穩定控制裝置，其特徵在於所述的修正 控制裝置由電源電路、參數設置電路、信令輸入電路、角度記憶電路、CPU 控制電路、角度補償電路、驅動電路組成，信令輸入電路、參數設置電路 和角度補償電路分別連接CPU控制電路的輸入，CPU控制電路的輸出連接驅 動電路，CPU控制電路雙向連接角度記憶電路，電源電路為各個部分電路提 供工作電壓。
專利摘要本實用新型涉及一種三維自動穩定控制裝置，包括測量裝置、修正控制裝置和修正執行裝置，在X軸、Y軸、Z軸方向，各有一路功能相同且又獨立的測量裝置、修正控制裝置、修正執行裝置，所述的修正執行裝置由Z、X軸執行裝置和Y軸執行裝置組成，測量裝置分別裝在Z、X軸執行裝置和Y軸執行裝置的底部水平位置上，修正控制裝置分別裝在Z、X軸執行裝置和Y軸執行裝置頂部；當擾動引起載體的隨機姿態變化時，修正控制裝置根據測量裝置輸出的感應測量信號，經過運算處理送達修正執行裝置進行修正，保證攝像機的監視區域始終包含要觀看的物體，達到保持攝像機輸出畫面穩定及圖像清晰的目的。本實用新型具有智能化自動穩定、自動調整的特點。
文檔編號G05D3/12GK201315022SQ20082014307
公開日2009年9月23日 申請日期2008年11月14日 優先權日2008年11月14日
發明者盧國珠, 建 張, 張子方, 李家駿, 殷亞雷 申請人:天津市聯大通訊發展有限公司