双水平驱动的高速球形云台

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双水平驱动的高速球形云台\n技术领域\n[0001] 本发明属于安全防范监控系统中的云台类设备，特别是一种双PAN驱动的高速球形云台。\n背景技术\n[0002] 高速球形云台摄像机是视频监控系统中的重要前端设备。所谓“高速”，是指这种设备应具有较高的加速度PAN/TILT(水平/垂直)运动性能，加速度在物理上是一个矢量，高速球在程序的控制下能在初始速度为零时迅速将运动速度提升到最大，并能迅速改变运动方向，能在最高运动速度情形下迅速使其运动速度下降并最终静止；还要求它能在最短时间内从任何一个当前位置准确回归到程序预先设定的监控位置(调用予置位)，有些监控场合还要求这种设备具有极低的稳定的运动速度。\n[0003] 传统的球形云台的PAN的传动结构都采用微型步进电机作为PAN/TILT的驱动(其它驱动方式雷同，不再赘述)。该球形云台的PAN运动是由一只微型步进电机通过传动机构进行驱动的。由于受步进电机本身矩频特性的制约(其它微小型电机也有类似的特性)，其旋转速度及旋转加速度都必须加以限制。结合成熟的步进电机细分技术，其稳定运行速度一般在0.05°/s-300°/s之间。但在一些特殊应用场合，对这个速度范围提出了更高的要求。\n[0004] 高速球形云台摄像机的这种运动方式是由PAN运动系和TILT运动系共同完成的，这两个运动系的动力大多来自微型步进电机或直流无刷电机，该电机通过传动链分别形成PAN和TILT的角度位移，这里所说的速度、加速度也即是PAN和TILT的角速度、角加速度。\n其中TILT运动的绝对位移及运动负载都较PAN运动低，它不会成为PAN/TILT合成运动速度的瓶颈，所以提升PAN运动的动力性能是提高速度的关键所在。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种起动速度快、可以在超高速以及超低速运行状态下正常工作、并可在高速下实现快速静止的双PAN驱动的高速球形云台。\n[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：\n[0007] 一种双PAN驱动的高速球形云台，包括一体化摄像机、TILT传动系、主PAN驱动电机、主PAN传动机构、转动轴及固定盘，固定盘固装在云台壳体上，主PAN驱动电机及其传动机构固装在转动轴的安装盘上，TILT传动系的驱动电机也固装在该转动轴的安装盘上，固定盘以及安装盘均通过轴承安装在转动轴上，其特征在于：在固定盘上安装有一辅PAN驱动电机及其辅PAN传动机构，在固定盘下方的转动轴与固定盘平行固装有一中间盘，主PAN驱动电机及其传动机构、辅PAN驱动电机及其辅PAN传动机构均可拖动该中间盘，一体化摄像机及TILT传动系通过支架安装在转动轴的安装盘上。\n[0008] 而且，所述的主PAN驱动电机及辅PAN驱动电机可采用小型直流无刷电机，或者小型步进电机。\n[0009] 而且，所述的主PAN传动机构及辅PAN传动机构为普通的减速传动机构，可选用同步齿轮、同步齿形带或齿轮减速机构以及蜗轮、蜗杆机构，优选具有很好的自锁止性能的蜗轮、蜗杆机构。\n附图说明\n[0010] 图1为本发明的结构示意图；\n[0011] 图2为本发明实施例的电路方框图；\n[0012] 图3为本发明实施例的另一电路方框图。\n具体实施方式\n[0013] 以下结合附图对本发明的实施例做进一步详述，但不限于本实施例所叙述的具体结构。\n[0014] 本发明中，由于没有改变TILT传动系及一体化摄像机的自身结构，因此不再予以描述。\n[0015] 下面仅对改进创新部分进行具体描述：\n[0016] 本双PAN驱动的高速球形云台，固定盘1固装在云台壳体(没有示出)上，在该固定盘下方的转动轴5上与固定盘平行固装一中间盘2，该固定盘通过轴承6安装在转动轴上部，该固定盘上安装有一辅PAN驱动电机7及其辅PAN传动机构8，主PAN驱动电机4及其传动机构3固装在安装盘(图中未标号)上，该安装盘通过轴承安装在转动轴上；TILT传动系12与一体化摄像机13均通过支架11安装在安装盘上，该TILT传动系通过传动皮带\n10接收固装在安装盘上的TILT驱动电机9的传动，主PAN驱动电机及其传动机构、辅PAN驱动电机及其辅PAN传动机构均可拖动该中间盘。\n[0017] 主PAN驱动电机及辅PAN驱动电机可采用小型直流无刷电机，或者小型步进电机；\n主PAN传动机构及辅PAN传动机构为普通的减速传动机构，可选用同步齿轮、同步齿形带、齿轮减速机构以及蜗轮、蜗杆机构，优选具有很好的自锁止性能的蜗轮、蜗杆机构。\n[0018] 本发明可采用一个MCU单片机系统共同控制主PAN驱动电机及其传动机构、辅PAN驱动电机及其辅PAN传动机构(如图2所示的控制电路方框图)，也可采用两个MCU单片机系统分别控制(如图3所示的控制电路方框图)，优选图3所示的控制电路方式。\n[0019] 本发明所涉及的双PAN的工作原理是：\n[0020] 所谓双PAN驱动，是指这种高速球形云台被设计成具有两套PAN驱动装置的双动力系统。两套PAN驱动装置各自有独立的的传动链和动力，它们的PAN回转中心重合但不刚性连接。这种设计使两个PAN驱动装置输出的动力共同作用、达到了速度或加速度矢量合成的目的。由于两个运动矢量具有相同的回转中心且它们的夹角亦为零，所以矢量合成计算在这里被简化成简单的算数和运算。\n[0021] 双PAN驱动高速球形云台在进行具体控制算法时将与以下几个基本数学公式有关：\n[0022] acompose＝apan+aaux-pan--------------------公式1\n[0023] 式中，acompose——PAN的合成加速度。\n[0024] apan——主PAN驱动装置产生的加速度。\n[0025] aaux-pan——辅PAN驱动装置产生的加速度。\n[0026] Vcompose＝Vpan+Vaux-pan-----------------------公式2\n[0027] 式中，Vcompose——PAN的合成速度。\n[0028] Vpan——主PAN驱动装置的运动速度。\n[0029] Vaux-pan——辅PAN驱动装置的运动速度。\n[0030] 式1和2的加速度单位为deg/s2，deg——度，s——秒；速度单位为deg/s；对于步\n2\n进电机，其加速度和速度单位还可以是step/s 和step/s，对于细分驱动的步进电机它们的\n2\n单位还有stepmicro/s 和stepmicro/s，step和stepmicro分别代表步距和微步距。\n[0031] 本发明的工作原理是：\n[0032] 本发明将传统球形云台的固定盘设计成中间盘(定动盘)；而该中间盘则由辅PAN驱动电机和辅PAN传动机构组成的辅PAN传动机构所拖动。\n[0033] 固定盘被刚性连接到球形云台的壳体上时，辅PAN驱动电机的机械转动便会通过辅传动机构带动中间盘做旋转运动；如果此时PAN驱动电机和PAN传动机构不运动，则PAN运动状态只取决于辅PAN驱动电机和辅PAN传动机构的运动状态；同理，如果中间盘被辅PAN机构锁止，则PAN运动只取决于主PAN机构的运动；如果此时主PAN、辅PAN同时运动，则PAN的运动状态是二者的共同运动的合成。既PAN的运动速度和加速度通过中间盘将二者的共同运动完成了叠加。已经证明，两运动的矢量和为这两运动矢量的算数和。\n[0034] 本发明的优点在于：(1)起动迅速。PAN从静止到高速运行所经历的时间可以仅为传统球形云台的1/2。因为PAN的起动过程为一加速过程，所以引用公式1，主PAN和辅PAN同时加速，两加速度合成，如果两加速度相等，则合成加速度为主或辅PAN加速度的两倍，达到预定速度的时间为单一加速度的1/2。\n[0035] (2)最高速度最大可以提升一倍。公式2可以简单证明。\n[0036] (3)可以以极低的速度运行。如果主PAN与辅PAN的速度方向相反，则由公式2，可以使合成PAN速度有极小的差，对于步进电机可以有1步距甚至1微步距之差。\n[0037] (4)可以在PAN高速运行时，快速停止(相对静止)。引用公式1，当主PAN高速运行时，需要它停止，此时主PAN需要减速，而辅PAN可以以反方向加速，当两者的即时速度的绝对值相等时，引用公式2，虽然两驱动装置此时并未真正停止，但PAN运动却相对静止了，这个过程比单一运动方式在时间上可以缩短一倍。\n[0038] (5)可以有效地克服单一电机(尤其是步进电机)低速和高速运行时所表现出的缺陷。