CN101478640B - 自动跟踪摄像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动跟踪摄像系统，包括PLC接口电路、自动跟踪控制器、人工控制器、数据管理器、云镜控制器和高速云台及数控像机，所述的PLC接口电路连接自动跟踪控制器，自动跟踪控制器和人工控制器分别连接数据管理器，数据管理器输出连接云镜控制器，云镜控制器由高速云台控制电路和像机控制电路两部分电路组成，云镜控制器解析命令后，控制高速云台和数控像机动作，实现对运动目标的实时跟踪。当被监视的目标随机地进行移动时，本发明根据大型机械PLC发出的目标运动轨迹，自动调整摄像机的姿态、变倍，始终保持对目标进行实时、全方位、全自动地最佳监视。

Description

自动跟踪摄像系统

技术领域

本发明属于视频监控设备技术领域，涉及一种自动跟踪摄像系统，尤其适于安装在大型机械设备上，摄像机自动跟踪运动目标的摄像系统。

背景技术

视频监控摄像机通过转向云台安装在监控设备的载体上。当操作者需要调整监控摄像机监视视角时，可以调整支撑摄像机的转向云台，达到改变摄像机姿态的目的。当操作者调整转向云台的角度时，监控摄像机随之转动，摄像机姿态得到改变，观测角度变可随之得到调整。因此，该转向云台的转动角度，即可为视频监控设备能够监视的范围。

现有的传统转向云台采用方位控制和俯仰控制相结合的方法。通过水平的方位角0～360°(Z轴)的变向和垂直的方位角±90°(X轴)的变化，实现“周围”和“上下”全方位观测，如图1所示。

现有的传统云台加摄像机构成的摄像系统主要工作在云台载体和目标都是基本稳定的前提下，当目标发生运动时，现有的系统就不能有效工作，操作者不可能实时人工操作跟踪这些变化。

在工业生产中，由于工作环境的特殊性与多样化，存在许多因为操作人员视线上的局限而需要靠多人合作才可完成的工作。其中，有些工作中人们无法到达区域，更是完全依靠工作人员的经验在操作。故在现实中，因为误操作经常带来一些不必要的损失，并且整体的工作效率也不高。随着视频监控在工业上的广泛应用，此类问题得到了很好的解决，生产效率和生产安全大大得到了提高。

但是，传统的视频监控系统只是消除了工作人员的视觉盲区，在实际应用中，操作人员在进行复杂的设备操作时，要根据设备运行情况，人为的不断调整云台的转向，对操作人员的操作带了来很大的不便，同时也增加了新的不安全隐患。

目前市场上主流和国外知名厂家的云台，功能最强的也只是可以通过预置位来控制云台的转动，此控制方式的不足在于：

1)各预置的关联性较差，各预置点云台的位置不连续，不适于连续过程的监控。

2)预置点只是单一地将云台运行到某一预置位置所需的过程命令生成一组批处理命令，当人工发出相应序号的预置位命令时，摄像系统就自动完成这些命令，当预置点设置过多时，反而不便于记忆。从实际效果上看，此控制方式下，云台的控制并没有真正的实现自动控制，只是将实际的多步操作简化为单次操作，仍需要人工干预。

发明内容

本发明所要解决的问题在于，克服现有技术的不足，提供一种自动跟踪摄像系统，当被监视的目标随机地进行移动时，自动跟踪摄像系统根据大型机械PLC发出的目标运动轨迹，自动调整摄像机的姿态、变倍，始终保持对目标进行实时、全方位、全自动地最佳监视。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

依据本发明提供的一种自动跟踪摄像系统，包括PLC接口电路、自动跟踪控制器、人工控制器、数据管理器、云镜控制器和高速云台及数控像机，所述的PLC接口电路连接自动跟踪控制器，自动跟踪控制器和人工控制器分别连接数据管理器，数据管理器输出连接云镜控制器；云镜控制器由高速云台控制电路和像机控制电路两部分电路组成，云镜控制器解析命令后，控制高速云台和数控像机动作，实现对运动目标的实时跟踪。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案进一步实现：

前述的PLC接口电路由电源电路、开关量转换电路、MCU处理器控制电路、信令输出电路和信令输入电路组成，开关量转换电路和信令输入电路分别连接MCU处理器控制电路的输入、MCU处理器控制电路的输出连接信令输出电路，电源电路为各部分电路提供5V DC工作电压；当开关量输入发生变化时，开关量转换电路将开关量信号转换为电平信号，输出至MCU；MCU处理器控制电路实时查询开关量转换电路的输出的变化，将开关量的状态变化的信息按系统通讯协议生成信令，经信令输出电路输出至自动跟踪控制器；在多种PLC信号量组合应用的系统中，信令输入电路将接收到的信令送至MCU处理器控制电路处理后，经信令输出电路输出至自动跟踪控制器。

前述的自动跟踪控制器电路由电源电路、4-20mA转换电路、MCU处理器控制电路、信令输出电路和信令输入电路组成，4-20mA转换电路和信令输入电路分别连接MCU处理器控制电路输入，MCU处理器控制电路输出连接信令输出电路，电源电路为各部分电路提供5V DC工作电压；当4-20mAPLC输入信号发生连续变化时，4-20mA转换电路将电流信号转换为电压信号经A/D采样后，将数字量输出至MCU；信令输入电路将接收到的信令也送至MCU；MCU处理器控制电路实时查询的A/D输出的变化，结合信令输入电路传递的信令，综合分析，按照内部算法，将三维信息参量信息转换为最终控制高速云台和数控像机的控制命令，经信令输出电路输出至数据管理器。

前述的数据管理器电路由电源电路、控制信号输入电路A、控制信号输入电路B、CPU控制电路和控制信号输出电路组成，控制信令输入电路A、控制信令输入电路B分别连接MCU控制电路输入，MCU控制电路输出连接控制信令输出电路，电源电路为各部分电路提供5V DC工作电压；控制信令输入电路A接收主控制信令，并将其送至MCU；控制信令输入电路B接收从控制信令，并将其送至MCU；MCU控制电路按照主优先的原则，采用有效的策略算法生成最终的控制命令，经控制信令输出电路输出至云镜控制器。

前述的高速云台控制电路由电源电路、控制信号接收电路、MCU控制电路、信令转发电路、云台驱动电路、记忆电路、云台限位电路、刹车电路、云台参数设置电路组成，控制信令输入电路、云台参数设置电路、云台限位电路分别连接MCU控制电路的输入，MCU控制电路的输出分别连接信令转发电路、云台驱动电路和刹车电路，MCU控制电路双向连接记忆电路，电源电路为各个部分电路提供工作电压；当收到控制信令后，经控制信令输入电路送至MCU控制电路，MCU控制电路根据云台参数设置电路的设置值进行信令分析处理，若接收的信令是有关像机的操作，通过信令转发电路将控制信令输出至像机控制电路，若收到云台控制指令，MCU发出云台控制信号，云台驱动电路将MCU的控制信号转换为驱动信号驱动云台转动。同时记忆电路记忆云台的当前位置，以便云台的姿态定位。当云台转到限位点时，云台限位电路将云台转到限位点时产生的限位信号传给MCU。当云台处于静止状态时，刹车电路可增加云台静止时的力矩，防止抖动时发生误动作。

前述的像机控制电路由电源电路、模拟像机控制MCU、驱动电路、数字像机控制MCU、温控装置组成，模拟像机控制MCU输出分别连接驱动电路和数字像机控制MCU输入，驱动电路输出连接模拟像机接口，数字像机控制MCU输出连接数据像机接口，电源电路为各个部分电路提供工作电压；当模拟像机控制MCU收到控制信令后，将信令转发给数字像机控制MCU，数字控制MCU解析信令直接控制像机动作，温控装置根据环境温度的变化自动调节摄像装置内部温度；像机控制电路同时也兼容模拟像机控制功能，当摄像装置用于传统模式下时，摄像机多采用模拟控制像机，模拟像机控制MCU收到控制信令后，解析信令，控制相关I/O的输出，驱动电路根据MCU的I/O输出驱动模拟像机的变焦。

前述的高速云台包括同轴连接的上、下壳体和其内装有的骨架及控制、传动、旋转机构，所述的控制机构包括上壳体1中的控制电路整件4和上电机5，控制电路整件装于骨架3顶部，在上壳体的上端部由螺旋盖8封住；控制电缆17由下壳体2下部经线缆固定防水头12进入下壳体的腔内，经空心输出轴16，通过导电滑环7进入上壳体；下壳体作为底座，驱动上壳体围绕公共轴Z轴旋转；上壳体另有一绕X轴转动的输出轴16，由装于骨架上部的上电机通过一对齿轮副，实现减速输出；其中：

绕Z轴即上、下壳体轴心旋转的旋转机构，其下电机安装在下壳体减速装置的顶板28上，下电机轴头装有下电机主动小齿轮18，通过一介轮轴19，其上有两个等齿数的介轮20、20＇，其中介轮20与下电机主动小齿轮18啮合，介轮20＇与固定在底座板21的内齿轮22啮合。

齿轮副为上电机主动小齿轮23和输出从动大齿轮24，输出从动大齿轮24与骨架前支板25间装有电磁制动器11，端面装有电磁制动器动片的输出从动大齿轮24装于空心输出轴16的轴径上，通过平键与其连接，传递转矩；在骨架前支板25与输出从动大齿轮24对应处装有电磁制动器定子27。

传动、旋转的上壳体和下壳体相邻的端面密封结构及对外输出结构中装有A型硅胶密封圈10，其顶部螺旋盖及输出轴径部位分别装有胶质0型密封圈9、9＇。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果：

当前，国内外安防市场摄像装置的两维调整比较容易实现，但具有自动跟踪功能的摄像系统尚未面世，而我公司的自动跟踪摄像系统则填补了该项功能的空白，实现了对监控目标的随机性实时跟踪监控功能。由于该系统在自动跟踪功能上的独有特性，还没有具有同功能产品与自动跟踪摄像系统进行技术比对。

对监控目标的随机性自动跟踪功能是该产品的最大特点。一般意义上的对监控目标的跟踪是靠人工操作实现的，即当监控目标偏移出监视范围时，由人工进行操作克服偏移，将摄像机镜头重新对准目标，实现对目标跟踪。而自动跟踪摄像系统的跟踪技术是应用计算机软件技术及高速同步云台相配合来实现的。首先将目标的偏移轨迹曲线及必须的修正量进行计算后编程固化，当监控目标发生偏移时，测试装置发出目标偏移信号，信号处理装置按照预先固化的程序进行运算并发出控制信号，高速同步云台接收到信号后，立即执行指令，修正到规定位置，使目标永远处于摄像机镜头有效监控范围内，实现了自动跟踪功能。有效地完成实时监控的任务。

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

图1为相对摄像系统位置固定的目标摄像系统定位观测的示意图；

图2为运动目标在三维空间内运动时摄像系统跟踪观测的示意图；

图3为本发明的控制原理框图；

图4为本发明的PLC接口电路原理框图；

图5为本发明的PLC接口电路原理图；

图6为本发明的自动跟踪控制器电路原理框图；

图7为本发明的自动跟踪控制器电路原理图；

图8为本发明的数据管理器电路原理框图；

图9为本发明的数据管理器电路原理图；

图10为本发明的高速云台控制电路原理框图；

图11为本发明的高速云台控制电路原理图；

图12为本发明的像机控制电路原理框图；

图13为本发明的像机控制电路原理图；

图14：为本发明的高速云台的总装主视结构图；

图15：为本发明的高速云台的总装左视结构图；

图16：为本发明的高速云台的骨架右视结构图；

图17：为本发明的高速云台的骨架A-A向结构图；

图18：为本发明的高速云台的绕Z轴旋转传动链结构图；

图19：为本发明的高速云台的绕X轴旋转传动链结构图；

图中：

1.上壳 2.下壳 3.骨架 4.控制电路整件 5.上电机及传动件

6.下电机及传动件 7.导电滑环 8.螺旋盖 9、9＇.O型密封圈

10.A型密封圈 11.电磁制电器 12.线缆固定防水头 13.电机驱动器

14.上电机控制开关 15.下电机控制开关 16.输出空心轴 17.控制电缆

18.下电机主动小齿轮 19.介轮轴 20、20＇.介轮 21.底座板

22.内齿轮 23.上电机主动小齿轮 24.输出从动大齿轮 25.前支板

26.骨架横支板 27.电磁制动器定子 28.顶板

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

如图2～13所示的一种自动跟踪摄像系统，包括PLC接口电路、自动跟踪控制器、人工控制器、数据管理器、云镜控制器和高速云台及数控像机，当被监视的目标在三维空间随机地进行移动时，需要三个参数确定被监视目标在三维空间的准确位置。即方位角，俯仰角，距离，如图2所示。自动跟踪摄像系统要具备这三方面控制能力。当目标在三维空间随机地进行移动时，将工业PLC系统输出的目标运动轨迹信息送至自动跟踪摄像系统PLC接口；PLC接口电路连接自动跟踪控制器，自动跟踪控制器和人工控制器分别连接数据管理器，数据管理器输出连接云镜控制器；云镜控制器由高速云台控制电路和像机控制电路两部分电路组成，PLC接口将4-20mA或0-10V模拟量、开关量、数字量转换成相应的数字量，送至自动跟踪控制器；自动跟踪控制器根据算法、策略，将控制信息输出至数据管理器；数据管理器综合、协调自动跟踪控制器输出的控制命令和人工控制命令，将最终控制命令输出至云镜控制器；云镜控制器解析命令后，控制云台和摄像机动作，实现对运动目标的实时跟踪，如图3所示。

PLC接口负责完成各种PLC输出量到数字量的转换工作。目前工业上PLC输出量通常为以下三种形式：

①0～10V或4～20mA的模拟量

②开关量

③数字量，

本发明中PLC接口部分，我们设计了3种信号的转换模块，根据实际的需要3种模块可以单独应用也可以任意组合应用。

目移动标的通常是一个连续的过程。要控制摄像机也随着目标的运动始终跟随着运动一起同步运动，这时要求外部的工业控制同步信号也是一个连续量。目前工业上，此控制量一般多为4-20mA模拟量，从系统的整体考虑，将4-20mA PLC接口转换电路与自动跟踪器设计在一起，详细介绍见自动跟踪控制器的说明。

有时，目标运动轨迹的信息仅由连续模拟量是无法全部提供的，这时，往往要借助开关量PLC信号提供相关参数，以便为自动跟踪器分析确定目标的运动轨迹，准确控制云台、镜头实时的跟踪运动目标。

如图4、5所示，PLC接口电路(开关量输入)由电源电路、开关量转换电路、MCU处理器控制电路、信令输出电路和信令输入电路组成，开关量转换电路和信令输入电路分别连接MCU处理器控制电路的输入、MCU处理器控制电路的输出连接信令输出电路，电源电路为各部分电路提供5V DC工作电压；当开关量输入发生变化时，开关量转换电路将开关量信号转换为电平信号，输出至MCU；MCU处理器控制电路实时查询开关量转换电路的输出的变化，将开关量的状态变化的信息按系统通讯协议生成信令，经信令输出电路输出至自动跟踪控制器；在多种PLC信号量组合应用的系统中，信令输入电路将接收到的信令送至MCU处理器控制电路处理后，经信令输出电路输出至自动跟踪控制器。其中：

I.电源电路

实现AC7V-DC5V转换，为整个电路供电。

II.开关量转换电路

将开关量输入经光电耦合器，输出至MCU，以便进行后续分析处理。

III.MCU处理器控制电路

主要负责将开关量状态信息的分析为有效的内部协议。

IV.信令输出电路

将MCU分析处理后信令输出至自动跟踪控制器，为轨迹信息提供有用参数。

V.信令输入电路

接收系统上一级的信令，在多种PLC信号量组合应用的系统中，作为各级模块有机联系的信息传输通道。

另外，数字量PLC输出的接口类型是可以选择的，本发明中PLC接口采用工业上通用的RS485接口，从系统整体性考虑，将此接口设计在自动跟踪控制器电路中，电路原理说明详见自动跟踪控制器。

自动跟踪控制器负责将PLC接口输出的数字量经过有效的算法和策略处理后，生成对高速云台和数控像机的直接控制命令，输出至系统下一环节。

自动跟踪控制器在分析轨迹信息后，需要给出以下三个相关控制，用以控制云台运转和摄像机变焦，以实现对运动目标的实时跟踪。

1)分析出目标在三维空间的方位角信息，控制高速云台水平方向运转到达指定位置；

2)分析出目标在三维空间的俯仰角信息，控制高速云台垂直方向运转到达指定位置；

3)分析出目标在三维空间的对摄像机的相对距离信息，控制数控像机的变焦，使目标在显示画面中始终保持最佳比例。

如图6、7所示，自动跟踪控制器(4-20mA PLC输入)自动跟踪控制器电路由电源电路、4-20mA转换电路、MCU处理器控制电路、信令输出电路和信令输入电路组成。4-20mA转换电路和信令输入电路分别连接MCU处理器控制电路输入，MCU处理器控制电路输出连接信令输出电路，电源电路为各部分电路提供5V DC工作电压；当4-20mAPLC输入信号发生连续变化时，4-20mA转换电路将电流信号转换为电压信号经A/D采样后，将数字量输出至MCU；信令输入电路将接收到的信令也送至MCU；MCU处理器控制电路实时查询的A/D输出的变化，结合信令输入电路传递的信令，综合分析，按照内部算法，将三维信息参量信息转换为最终控制高速云台和数控像机的控制命令，经信令输出电路输出至数据管理器。其中：

I.电源电路

实现AC7V-DC5V转换，为整个电路供电。

II.4-20mA转换电路

将4-20mA PLC输入量经4-20mA电流环隔离接口芯片IDC3515转换为1-5V电压输出，再经A/D转换器将电压转换成数字量，输出至MCU，以便进行后续分析处理。

III.MCU处理器控制电路

自动跟踪控制器的核心部分，对A/D处理后含目标运动轨迹的数据进行分析，经内置算法和合理的抗干扰和容错机制处理后，生成可直接控制云台、镜头的命令。

IV.信令输出电路

将MCU分析处理后的控制命令输出至系统的一下环节。

V.信令输入电路

接收系统上一级的信令，在多种PLC信号量组合应用的系统中，作为各级模块有机联系的信息传输通道；另外可作为开关量PLC输入接口。

在不同的应用场合中，跟踪主体目标没有运动时，因为实际需要，人们有时也需要调整云台或像机以观看其关重的场景，所以本发明设计了数据管理器，使系统可以在人工和自动模式下自由切换，更大的增加了系统的实际应用性。客户可以根据实际具体需求自行选择是否增加人工控制功能。如图3所示。

数据管理器负责综合、协调人工控制器和自动跟踪控器发出的控制命令，使系统在设定规则下，稳定有序的运行。

如图8、9所示数据管理器电路由电源电路、控制信号输入电路A、控制信号输入电路B、CPU控制电路和控制信号输出电路组成，控制信令输入电路A、控制信令输入电路B分别连接MCU控制电路输入，MCU控制电路输出连接控制信令输出电路，电源电路为各部分电路提供5V DC工作电压；控制信令输入电路A接收主控制信令，并将其送至MCU；控制信令输入电路B接收从控制信令，并将其送至MCU；MCU控制电路按照主优先的原则，采用有效的策略算法生成最终的控制命令，经控制信令输出电路输出至云镜控制器。其中：

I.电源电路

实现由AC7V-DC5V的转换，为整个电路供电。

II.控制信令输入电路A

接收主控制信令，并将其送至MCU。主控制信令多为人工控制器发出的信令。

III.控制信令输入电路B

接收从控制信令，并将其送至MCU。从控制信令多为自动控制器发出的信令。

IV.MCU控制电路

对主、从控制信令进行分析，在信令冲突解决上采用主控制信号优先的原则，按照有效的策略算法生成最终的控制命令。

V.控制信令输出电路

将MCU输出TTL电平信号转换为RS-485信号输出至云镜控制器。

云镜控制器解析接收到的控制命令，控制云台、镜头执行相应动作。

云镜控制器由高速云台控制板和像机控制板两部分电路组成。

1.高速云台控制电路

如图10、11所示，高速云台控制电路由电源电路、控制信号接收电路、MCU控制电路、信令转发电路、云台驱动电路、记忆电路、云台限位电路、刹车电路、云台参数设置电路组成，控制信令输入电路、云台参数设置电路、云台限位电路分别连接MCU控制电路的输入，MCU控制电路的输出分别连接信令转发电路、云台驱动电路和刹车电路，MCU控制电路双向连接记忆电路，电源电路为各个部分电路提供工作电压；当收到控制信令后，经控制信令输入电路送至MCU控制电路，MCU控制电路根据云台参数设置电路的设置值进行信令分析处理，若接收的信令是有关像机的操作，通过信令转发电路将控制信令输出至像机控制电路，若收到云台控制指令，MCU发出云台控制信号，云台驱动电路将MCU的控制信号转换为驱动信号驱动云台转动。同时记忆电路记忆云台的当前位置，以便云台的姿态定位。当云台转到限位点时，云台限位电路将云台转到限位点时产生的限位信号传给MCU。当云台处于静止状态时，刹车电路可增加云台静止时的力矩，防止抖动时发生误动作。其中：

I.电源电路

实现DC12V-DC5V转换，为整个电路供电。

II.控制信令输入电路

将接收到的RS-485信号转换为TTL电平信号，传送给MCU。

III.MCU控制电路

根据云台的参数设置分析处理接收的数据，并执行相应操作。

IV.信令转发电路

将控制信号转发给摄像装置。

V.云台驱动电路

将CPU的控制信号转换为驱动信号驱动云台转动。

VI.记忆电路

记忆云台的当前位置，以便完成重新上电时的开机复位功能。

VII.云台限位电路

将云台转到限位点时产生的限位信号传给CPU。

VIII.刹车电路

可增加云台静止时的扭矩，防止抖动时发生误动作。

IX.云台参数设置电路

设置云台的地址码、协议等参数。

2.像机控制电路

如图12、13所示，像机控制电路由电源电路、模拟像机控制MCU、驱动电路、数字像机控制MCU、温控装置组成，模拟像机控制MCU输出分别连接驱动电路和数字像机控制MCU输入，驱动电路输出连接模拟像机接口，数字像机控制MCU输出连接数据像机接口，电源电路为各个部分电路提供工作电压；当模拟像机控制MCU收到控制信令后，将信令转发给数字像机控制MCU，数字控制MCU解析信令直接控制像机动作，温控装置根据环境温度的变化自动调节摄像装置内部温度；像机控制电路同时也兼容模拟像机控制功能，当摄像装置用于传统模式下时，摄像机多采用模拟控制像机，模拟像机控制MCU收到控制信令后，解析信令，控制相关I/O的输出，驱动电路根据MCU的I/O输出驱动模拟像机的变焦。其中：

I.电源电路

实现AV24V-DC12V-DC5V的转换，为整个电路供电。

II.模拟像机控制MCU

发出控制信号给驱动电路完成相关操作。

III.驱动电路

将CPU控制信号转换为模拟控制信号驱动相关设备。

IV.数字像机控制MCU

发出数字信号直接控制相机动作。

V.温控装置

根据环境温度的变化自动调节摄像装置内部温度。

在自动跟踪摄像系统中，如果需要配置云台，此云台需要具有以下几点特性：

1).精确的定位控制及很强的相对位置的保持能力。

2).运行速度要快，必须满足以下条件：云台带载运行时的角速度>运动目标移动的角速度。

3).由于本系统主要应用在大型机械设备上，结构上要求抗振、防冲击性高，防磕碰、防雨能力强。

自动跟踪摄像系统涉及的高速云台，它与摄像装置配套组成摄像系统，可实现两维(Z轴；X轴)的高速旋转监控功能。

高速云台是自动跟踪摄像系统完成安防监控、摄像装置的工作平台。操作者通过系统控制该工作平台的高速旋转，改变摄像装置的工作角度，从而达到监控范围的变化，完成监控目的。

以不锈钢等重金属为主要材料及结构形式的高速云台；适合在港口、电厂、钢厂等工矿企业的大型机械设备上使用。

采用两部直流24V步进电机如图14中5、6，沿两轴(Z、X等)高、低速平稳旋转，采用电磁制动，适宜室外有振动、冲击防磕碰、防雨能力强。

本自动跟踪摄像系统中的高速云台为高速不锈钢云台，如图14包括同轴连接的上壳体1、下壳体2和其内装有的(图16)骨架3及控制、传动、旋转机构，所述的控制机构包括上壳体1中的控制电路4和上电机5，控制电路4装于骨架3顶部，在上壳体1的上端部；控制电缆17由高速云台下壳体2下部经线缆固定防水头进入下壳体的腔内，通过导电滑环7进入上壳体1；下壳体2作为底座，驱动上壳体1及其内部装置围绕公共轴Z轴旋转；上壳体1另有一绕X轴转动几拖动摄像装置旋转的输出，由装于骨架3上部的上电机5通过一对齿轮副，实现减速输出。大量线缆无论机械装置怎样运动、旋转也不会绞结更不会折断。

高速云台的下电机6安装在下壳体减速装置(图18)的顶板28上，下电机轴头装有下电机主动小齿轮18，通过一介轮轴19，其上有两个等齿数的介轮20、20，其中介轮20与下电机主动小齿轮18啮合，另一端介轮20’与固定在底座板的内齿轮22啮合。

高速云台上电机5的传动齿轮副(图19)为主动小齿轮23和输出从动大齿轮24，输出从动大齿轮24与骨架前支板25间装有电磁制动器27，端面装有电磁制动器的输出从动大齿轮装于空心输出轴16的轴径上，通过平键与其连接，传递转矩；在骨架前支板26与输出从动大齿轮对应处装有电磁制动器定子27。这种结构使得步进电机的自锁能力与电磁制动器的控制力叠加在一起，共同作用在摄像装置上，摄像装置在强震动和冲击作用下保持应有位置的能力大大加强。

高速云台旋转的上壳体和下壳体相邻的端面密封结构及对外输出结构中装有A型硅胶密封圈10和11，其顶部螺旋盖8及输出轴径部位分别装有胶质O型密封圈9和9＇。高速云台的上、下壳体采用不锈钢材制成。不锈钢壳体表面采用精面抛光，具有可靠的防酸、碱、氧化腐蚀及防辐射能力。

高速云台驱动电机采用两部直流24V步进电机，在Z轴(即水平面方向)正反向任何角度，可随意按需旋转，机内线缆无缠绕现象。以X轴为中心(在垂直平面方向)，可达±135°、转角精度为0.045°、转动速度：在Z轴和X轴两向均可达≥100°/秒，并且速度可变，运转特性：沿两轴(Z、X)高、低速旋转平稳，采用电磁制动，位置准确、稳固、无惯性，传动信噪比很低。控制方法采用接收摄像系统输出的控制指令，云台重量：11.25kg，水平输出转矩：≥198kg/cm，垂直输出转矩：≥33kg/cm，安装状态为水平安装，适宜室外；有振动、冲击和有腐蚀性气体、雨水及粉尘环境中使用，防护等级：≥IP67，输入输出线缆形式：结构的主体为线缆固定和传输预留了空间，使输入云台的线缆从云台下部经防水固定头进入无传动件的腔内，直接导电环，因此不会对线缆造成任何伤害；输出线缆经空心输出轴，采取内走线与摄像装置连接，安全可靠。

高速云台采用优质不锈钢材料作为外壳防护，机芯骨架(如图16中骨架3、图17中骨架横直版26)为优质铝合金，质轻，刚度好，传动零部件(如齿轮等)采用优质中碳钢制造，耐用度高，全部零件均经精细加工制作，传动；采用结构紧凑、坚固耐用的齿轮传动链，简捷，加之转动轴承采用轻载的球轴承，功率损耗小，传动效率高，为云台实现高速转动提供了可靠保障。

Claims (3)

1.一种自动跟踪摄像系统，包括PLC接口电路、自动跟踪控制器、人工控制器、数据管理器、云镜控制器和高速云台及数控像机，其特征在于：所述的PLC接口电路连接自动跟踪控制器，自动跟踪控制器和人工控制器分别连接数据管理器，数据管理器输出连接云镜控制器；云镜控制器由高速云台控制电路和像机控制电路两部分电路组成，云镜控制器解析命令后，控制高速云台和数控像机动作，实现对运动目标的实时跟踪，其中：

所述的PLC接口电路由电源电路、开关量转换电路、MCU处理器控制电路、信令输出电路和信令输入电路组成，开关量转换电路和信令输入电路分别连接MCU处理器控制电路的输入、MCU处理器控制电路的输出连接信令输出电路，电源电路为各部分电路提供5V DC工作电压；当开关量输入发生变化时，开关量转换电路将开关量信号转换为电平信号，输出至MCU处理器控制电路；MCU处理器控制电路实时查询开关量转换电路的输出的变化，将开关量的状态变化的信息按系统通讯协议生成信令，经信令输出电路输出至自动跟踪控制器；在多种PLC信号量组合应用的系统中，信令输入电路将接收到的信令送至MCU处理器控制电路处理后，经信令输出电路输出至自动跟踪控制器；

所述的自动跟踪控制器电路由电源电路、4-20mA转换电路、MCU处理器控制电路、信令输出电路和信令输入电路组成，4-20mA转换电路和信令输入电路分别连接MCU处理器控制电路输入，MCU处理器控制电路输出连接信令输出电路，电源电路为各部分电路提供5V DC工作电压；当4-20mAPLC输入信号发生连续变化时，4-20mA转换电路将电流信号转换为电压信号经A/D采样后，将数字量输出至MCU处理器控制电路；信令输入电路将接收到的信令也送至MCU处理器控制电路；MCU处理器控制电路实时查询的A/D输出的变化，结合信令输入电路传递的信令，综合分析，按照内部算法，将三维信息参量信息转换为最终控制高速云台和数控像机的控制命令，经信令输出电路输出至数据管理器；数据管理器电路由电源电路、控制信号输入电路A、控制信号输入电路B、MCU控制电路和控制信令输出电路组成，控制信令输入电路A、控制信令输入电路B分别连接MCU控制电路输入，MCU控制电路输出连接控制信令输出电路，电源电路为各部分电路提供5V DC工作电压；控制信令输入电路A接收主控制信令，并将其送至MCU控制电路；控制信令输入电路B接收从控制信令，并将其送至MCU控制电路；MCU控制电路按照主优先的原则，采用有效的策略算法生成最终的控制命令，经控制信令输出电路输出至云镜控制器；

所述的像机控制电路由电源电路、模拟像机控制MCU、驱动电路、数字像机控制MCU、温控装置组成，模拟像机控制MCU输出分别连接驱动电路和数字像机控制MCU输入，驱动电路输出连接模拟像机接口，数字像机控制MCU输出连接数字像机接口，电源电路为各个部分电路提供工作电压；当模拟像机控制MCU收到控制信令后，将信令转发给数字像机控制MCU，数字控制MCU解析信令直接控制像机动作，温控装置根据环境温度的变化自动调节摄像装置内部温度；像机控制电路同时也兼容模拟像机控制功能，当摄像装置用于传统模式下时，摄像机采用模拟控制像机，模拟像机控制MCU收到控制信令后，解析信令，控制相关I/O的输出，驱动电路根据模拟像机控制MCU的I/O输出驱动模拟像机的变焦。

2.根据权利要求1所述的自动跟踪摄像系统，其特征在于：所述的高速云台控制电路由电源电路、控制信令输入电路、MCU控制电路、信令转发电路、云台驱动电路、记忆电路、云台限位电路、刹车电路、云台参数设置电路组成，控制信令输入电路、云台参数设置电路、云台限位电路分别连接MCU控制电路的输入，MCU控制电路的输出分别连接信令转发电路、云台驱动电路和刹车电路，MCU控制电路双向连接记忆电路，电源电路为各个部分电路提供工作电压；当收到控制信令后，经控制信令输入电路送至MCU控制电路，MCU控制电路根据云台参数设置电路的设置值进行信令分析处理，若接收的信令是有关像机的操作，通过信令转发电路将控制信令输出至像机控制电路，若收到云台控制指令，MCU控制电路发出云台控制信号，云台驱动电路将MCU控制电路的控制信号转换为驱动信号驱动云台转动，同时记忆电路记忆云台的当前位置，以便云台的姿态定位，当云台转到限位点时，云台限位电路将云台转到限位点时产生的限位信号传给MCU控制电路，当云台处于静止状态时，刹车电路可增加云台静止时的力矩，防止抖动时发生误动作。

3.根据权利要求1所述的自动跟踪摄像系统，其特征在于：所述的高速云台包括同轴连接的上、下壳体和其内装有的骨架及控制、传动、旋转机构，所述的控制机构包括上壳体(1)中的控制电路整件(4)和上电机(5)，控制电路整件装于骨架(3)顶部，在上壳体的上端部由螺旋盖(8)封住；控制电缆(17)由下壳体(2)下部经线缆固定防水头(12)进入下壳体的腔内，经空心输出轴(16)，通过导电滑环(7)进入上壳体；下壳体作为底座，驱动上壳体围绕公共轴Z轴旋转；上壳体另有一绕X轴转动的输出轴(16)，由装于骨架上部的上电机通过一对齿轮副，实现减速输出；其中：

绕Z轴即上、下壳体轴心旋转的旋转机构，其下电机安装在下壳体减速装置的顶板(28)上，下电机轴头装有下电机主动小齿轮(18)，通过一介轮轴(19)，其上有两个等齿数的介轮(20、20′)，其中介轮(20)与下电机主动小齿轮(18)啮合，介轮(20′)与固定在底座板(21)的内齿轮(22)啮合；

齿轮副为上电机主动小齿轮(23)和输出从动大齿轮(24)，输出从动大齿轮(24)与骨架前支板(25)间装有电磁制动器(11)，端面装有电磁制动器动片的输出从动大齿轮(24)装于空心输出轴(16)的轴径上，通过平键与其连接，传递转矩；在骨架前支板(25)与输出从动大齿轮大齿轮(24)对应处装有电磁制动器定子(27)；

传动、旋转的上壳体和下壳体相邻的端面密封结构及对外输出结构中装有A型硅胶密封圈(10)，其顶部螺旋盖及输出轴部位分别装有胶质O型密封圈(9、9′)。

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