CN111632980B - 一种具有自清洁功能的水下摄像头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有自清洁功能的水下摄像头，设有防水外壳，所述防水外壳的一侧设有透明盖板构成的视界窗口，其特征在于，包括磁外擦与安装在防水外壳内的磁内擦、内擦转动轴、内擦转动轮、内擦固定座、转动轮限位器、摄像头模组以及齿轮电机。本发明可解决水下摄像头外部视界清洁的问题，基于磁力的非接触连接原理，在对现有技术做出改进的基础上，提供了一种新的设计构思，在保障在不影响摄像头工作的前提下，可以实现对视界窗口的充分清洁，有效避免遗漏和死角，从而为水下摄像头长时间工作提供了有力的保障，提高工作效率，节约了成本，且运行稳定可靠。同时，本发明还具有规划合理，结构紧凑，易于制造与维护的优点，适合推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及水下监测技术领域，具体为一种具有自清洁功能的水下摄像头。
背景技术
随着人类技术的发展，水下的生态环境监测，成了人们日益关注的问题之一，为了很好的把握水下生态系统的长期变化过程，提出了对水下生态系统的长时间原位视频监控，监控方式采取每天定时定点全自动开机摄像监控后将视频数据传回远程实验室终端。而长期安放在水中的视频摄像机的视界窗口极易受到水中微生物及其他颗粒物的污染，在很短时间内可能导致镜头受到严重污染，严重影响视频摄像清晰度和可靠性，更有甚者，当附着严重时，视频监控工作根本无法正常开展。因此，水中工作摄像头的防污染装置及防污染方法是确保摄像头水下长时间正常工作的必要条件。当前的水下摄像头大多没有自清洁功能，只能手动清洁，要耗费人力物力，成本较高。部分带水下清洁功能的摄像头，或是通过添加较为复杂的外部机构实现，或是设备整体较大，或是因为圆柱形的玻璃外壳导致拍摄失真，机构本身的防水、成本和拍摄效果问题一直不能兼顾。现有的磁力擦技术目前正广泛的用于非接触式外部清洁，因磁力非接触式的特性，所以利用磁力擦来实现部分水下设备的防水清洁应当有不错的应用前景，但如何良好的应用磁力特性进行水下设备的防水清洁的设计仍是难点。
发明内容
本发明所要解决的技术目的是，提供一种新型的具有自清洁功能的水下摄像头，以改善现有技术的不足。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种具有自清洁功能的水下摄像头，设有防水外壳，所述防水外壳的一侧设有透明盖板构成的视界窗口，其特征在于，所述水下摄像头的组件还包括磁外擦与安装在防水外壳内的磁内擦、内擦转动轴、内擦转动轮、内擦固定座、转动轮限位器、摄像头模组以及齿轮电机；
所述磁内擦通过内擦转动轴安装在内擦转动轮上，与位于透明盖板外的磁外擦通过磁力吸附连接，使磁外擦和其动作同步；
所述的内擦转动轮为径向截面呈Z形的环形齿圈，包括内圈、外圈和连接二者的衔接部，所述外圈的外缘设有齿牙，内圈相对外圈下沉，与衔接部构成了第一台阶面，同时所述内擦转动轮外圈的上表面设有一内擦限位块；
所述内擦固定座为径向截面呈“⊥”形的环形件，包括环形平面底板以及设置在底板上的环形挡板，所述环形挡板凸出于底板，与内擦转动轮同心，内擦转动轮放置在内擦固定座上时，所述底板支撑在内擦转动轮内圈的下方，所述环形挡板支撑在内擦转动轮外圈的下方，并挡在所述衔接部的外侧；
所述转动轮限位器亦为一环形件，安装在内擦固定座的底板上，位于内擦转动轮的内侧，设有与内擦转动轮第一台阶面形状匹配的第二台阶面，所述第二台阶面倒扣在第一台阶面的上方，与内擦固定座环形挡板之间形成了装配内擦转动轮的限位安装槽，使内擦转动轮可在齿轮电机的带动下围绕其圆心转动，但轴向和径向上的位移被限制；
所述齿轮电机设置在内擦转动轮的一侧，其转动输出轴的端部安装有与内擦转动轮啮合的驱动齿轮；
所述摄像头模组安装在内擦转动轮的中心位置，且镜头紧贴所述透明盖板的内侧表面；
所述内擦转动轴位于内擦固定座环形挡板的外侧，内擦转动轴的上部垂直穿过设置在内擦转动轮外圈上的轴孔，与位于内擦转动轮上方的磁内擦固定连接，且内擦转动轴具有在所述轴孔中自转的自由度；
在齿轮电机的带动下，内擦转动轮通过内擦转动轴带动磁内擦围绕摄像头模组公转，从而驱动磁外擦清洁透明盖板的外表面；而受摩擦力影响，初始阶段磁内擦发生公转时候，内擦转动轴在轴孔内自转，直至磁内擦碰触到内擦转动轮上的内擦限位块，内擦转动轴受阻停止自转，控制磁外擦以第一自转静止状态维持公转，且磁外擦在之后公转的过程中扫过的范围能够覆盖摄像头模组视界圆心的位置；当所述公转发生变向后，内擦转动轴朝反方向自转，当其受阻，达到第二自转静止状态时，磁外擦和磁内擦均处于摄像头模组的图像采集需求范围外，避免遮挡摄像头模组的视界。
在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：
进一步的，所述透明盖板外表面的高度低于防水外壳的顶面高度，所述内擦转动轴与磁内擦的连接点在轴向方向上，对应磁外擦的非中间位置，设磁外擦靠近所述连接点的一端为近端，远离连接点的一端为远端；达到第一自转静止状态时，磁外擦远端位于内侧，近端位于外侧，且与防水外壳不接触；达到第二自转静止状态时，磁外擦远端抵触到防水外壳的侧壁上，磁内擦在磁吸力作用下停止自转。
优选的，设所述磁外擦远端与连接点的水平距离，相较于磁内擦对应端与连接点的距离，刚好长出一个摄像头模组镜头半径的长度。
进一步的，所述内擦转动轴的基体呈圆柱形，其底部设有一挡块，所述基体外侧壁与内擦固定座环形挡板外侧壁之间留有一定间隙，在第二自转静置状态时，内擦转动轴的所述挡块转到与内擦固定座环形挡板接触的位置，使内擦转动轴自转受阻。
进一步的，磁外擦与透明盖板的接触面设有抗菌毛织物构成的清洁刷，所述磁外擦的壳体内嵌装有刀片，刀片设置在毛织物清洁刷的外侧，其底部伸出磁外擦壳体，所述毛织物清洁刷的底面相较于刀片底端更贴近透明盖板。
优选的，所述刀片与透明盖板的夹角设为45°。
优选的，所述透明盖板采用钢化玻璃制成。
优选的，所述磁外擦、磁内擦的壳体均采用添加了抗菌物质的抗菌塑料制成。
优选的，所述磁外擦、磁内擦中的强磁铁均采用条形强磁铁，两条形强磁铁设置的位置上下对应。
优选的，达到第一自转静止状态时，设置磁外擦和磁内擦均处于内擦转动轮的径向方向。
进一步的，磁内擦处于内擦转动轮的径向方向时，其内侧一端刚好碰到摄像头模组的外侧壁。
有益效果：
本发明可解决水下摄像头外部视界清洁的问题，基于磁力的非接触连接原理，在对现有技术做出改进的基础上，提供了一种新的设计构思，在保障在不影响摄像头工作的前提下，可以实现对视界窗口的充分清洁，有效避免遗漏和死角，从而为水下摄像头长时间工作提供了有力的保障，提高工作效率，节约了成本，且运行稳定可靠。同时，本发明还具有规划合理，结构紧凑，易于制造与维护的优点，适合推广使用。
附图说明
图1 为本发明水下摄像头的纵向剖面视图；
图2 为本发明水下摄像头内部结构的俯视图；
图3 为磁外擦的结构图；
图4 为内擦旋转轴结构图 。
具体实施方式
为了进一步阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做详细的介绍。文中所使用的方位描述，为结合图纸的描述，本领域人员可以理解，根据摄像头整体方位的改变，文中所使用的方位描述会有相应的变化。
如图1所示的一种具有自清洁功能的水下摄像头，包括磁外擦1、磁内擦2、内擦转动轴3、内擦转动轮4、内擦固定座5、转动轮限位器6、摄像头模组7、透明盖板8、防水外壳9、齿轮电机10等组件。其中，防水外壳9顶部设有圆形的视界窗口，所述视界窗口被钢化玻璃制成的透明盖板8密封，所述磁内擦2、内擦转动轴3、内擦转动轮4、内擦固定座5、转动轮限位器6、摄像头模组7和齿轮电机10均安装在所述防水外壳9内。
所述磁外擦1设置在防水外壳9外侧，与磁内擦2被透明盖板8隔开，仅通过磁力吸附固定。所述磁外擦1的壳体采用添加抗菌物质的耐腐蚀塑料制成，呈长条型，其底部两侧内嵌刀片，刀片与垂直方向/透明盖板8成45°夹角，其外露部分的高度约为1～2mm。磁外擦1外壳中空带卡扣，中间内嵌条形强磁铁（对磁铁强度的选择，在不影响磁外擦1、磁内擦2运动的前提下，以能够在其工作环境中稳定吸附为准，可通过有限次实验获得），底部外层粘贴抗菌毛织物构成的清洁刷。所述毛织物清洁刷的底面相较于刀片底端更贴近透明盖板8，防止刀片架空清洁刷，使清洁刷无法彻底的清洁透明盖板，影响图像采集。
所述磁内擦2通过内擦转动轴3安装在内擦转动轮4上，与位于透明盖板8外的磁外擦1通过磁力吸附连接，使磁外擦1和其动作同步。磁内擦2的壳体亦采用抗菌塑料制成，亦呈长条型，但其轮廓四周向外不超过磁外擦1清洁面覆盖的范围。磁内擦2壳体中空带卡扣，内嵌与磁外擦1对应的条形强磁铁，其靠外的一侧通过螺栓安装在内擦转动轴3上部中心处的安装螺孔302中。
所述内擦转动轮4为径向截面（半径截面）呈Z形的环形齿圈，包括内圈、外圈和连接二者的衔接部，所述外圈的外缘设有齿牙，内圈相对外圈下沉，与衔接部构成了第一台阶面，同时所述外圈的上表面设有一固定的内擦限位块。
所述内擦固定座5通过支架固定在防水外壳9中。内擦固定座5为径向截面（半径截面）呈“⊥”形的环形件，设有环形的平面底板和环形挡板，所述环形挡板设置在环形平面底板的上表面，凸出于底板，与内擦转动轮4同心，内擦转动轮4放置在内擦固定座5上时，所述底板支撑在内擦转动轮4内圈的下方，所述环形挡板则支撑在内擦转动轮4外圈的下方，并挡在所述衔接部的外侧。
所述转动轮限位器6亦为一径向截面（半径截面）呈Z形的环形件，位于内擦转动轮4的内侧，与所述环形挡板同心。转动轮限位器6下沉的内圈通过螺丝螺母固定安装在内擦固定座5的底板上，其外侧设有与内擦转动轮4第一台阶面形状匹配的第二台阶面，安装时，所述第二台阶面倒扣在第一台阶面的上方，与内擦固定座5环形挡板之间形成了装配内擦转动轮4的限位安装槽，所述限位安装槽的镜像截面呈L型，使内擦转动轮4可在齿轮电机10的带动下围绕其圆心转动，但轴向和径向上的位移被限制。为了使内擦转动轮4具有自转的自由度，所述L形限位安装槽留有足够的安装空间余量，但该空间余量可以控制在非常小的范围内，可忽略不计，故本实施例以内擦转动轮4下部刚好卡在限位安装槽内的状态作为其它组件方位描述的参照，即内擦转动轮4、内擦固定座5、转动轮限位器6、视界窗口的中心视为在同一位置。
如图1所示，所述齿轮电机10设置在内擦转动轮4的左侧，通过电机安装座固定在防水外壳9内，其转动输出轴的端部安装有与内擦转动轮4啮合的驱动齿轮，且所述驱动齿轮的高度不得高于磁内擦2，避免妨碍其转动。
所述摄像头模组7安装在转动轮限位器6的中间，镜头朝向所述视界窗口的圆心，与透明盖板8紧密贴合。采用平面钢化玻璃视界，摄像头紧贴玻璃，可尽可能的减小拍摄失真。
所述内擦转动轴3的基体301呈圆柱形，设置在内擦固定座5环形挡板的外侧，内擦转动轴3的上部垂直穿过设置在内擦转动轮4外圈上的轴孔，与位于内擦转动轮4上方的磁内擦2固定连接，且内擦转动轴3可在所述轴孔中自转。内擦转动轴3基体301的底部设有一向外凸出的挡块303，所述基体301外侧壁与内擦固定座5环形挡板外侧壁之间留有一定间隙，所述挡块303的厚度不小于所述间隙的宽度，当其转到一定角度时，可构成阻碍内擦转动轴3自转的阻挡结构。
本实施例中，所述的齿轮电机10优选采用大扭矩低速电机，清洁时电机低速转动，通过齿轮结构带动内擦转动轮4低速围绕摄像头模组7旋转，参见图2。在齿轮电机10的带动下，内擦转动轮4可通过内擦转动轴3带动磁内擦2围绕摄像头模组7公转，从而驱动磁外擦1清洁透明盖板8的外表面。而当磁外擦1、磁内擦2在透明盖板8上运动时，其接触面会产生阻碍所述运动的摩擦力，受所述摩擦力影响。初始阶段磁内擦2发生公转时候，磁内擦2带动内擦转动轴3在其轴孔内自转，直至磁内擦2碰触到内擦转动轮4上的内擦限位块，内擦转动轴3受阻停止自转，控制磁外擦1以第一自转静止状态维持公转，且磁外擦1在之后公转的过程中扫过的范围能够覆盖摄像头模组7视界窗口圆心的位置；当所述公转发生变向后，内擦转动轴3朝反方向自转，当其受阻，达到第二自转静止状态时，磁外擦1和磁内擦2均处于摄像头模组7的图像采集需求范围外。
本实施例中，所述内擦转动轴3与磁内擦2的连接点，在轴向（竖直方向）上对应磁外擦1和磁内擦2的非中间位置，设磁外擦1和磁内擦2靠近所述连接点的一端为近端，远离连接点的一端为远端，所述磁外擦1远端到连接点的水平距离即等于磁内擦2远端到该连接点距离加上摄像头模组前段摄像镜头的半径。
假设在初始状态下，磁内擦2与磁外擦1因磁力牵引由钢化玻璃8平行相隔，与所述视界窗口的外圆切线成30°夹角，当磁内擦2围绕摄像头模组7逆时针公转时，受摩擦力作用，磁内擦2和内擦转动轴3同时发生逆时针的自转运动，当内擦转动轴3逆时针自转60°后，磁内擦2碰到内擦转动轮4上的内擦限位块，使磁内擦2和内擦转动轴3停止自转，之后磁内擦2以垂直于视界窗口外圆边的第一自转静止状态维持公转。磁外擦1因磁力约束与磁内擦2做相应同步运动，保持垂直角度，围绕视界窗口的圆心做旋转运动，通过磁外擦1上携带的刀片和毛织物完成对视界窗口的清洁过程。在第一自转静止状态时，磁外擦1和磁内擦2均处于内擦转动轮4的径向方向，磁内擦2远端位于内侧，刚好接触到摄像头模组7的外侧壁；磁外擦1的远端位于内侧，相较于磁内擦2的远端刚好长出一个镜头半径的距离，能够覆盖视界窗口的圆心，有效避免窗口圆心处的清洁死角，磁外擦1的近端则位于外侧，与防水外壳9不接触。
所述挡块303与磁内擦2的夹角约为60°，当清洁完成后，齿轮电机10反向转动，使得内擦转动轮4顺时针旋转，此时因内擦转动轴3与内擦固定座5上的挡板设计和摩擦受力作用，磁内擦2在跟随内擦转动轮4围绕摄像头模组7顺时针公转的同时，带动内擦转动轴3顺时针自转，由于透明盖板8外表面高度略低于其外围防水外壳9的顶面高度，当内擦转动轴3转到60°时，回到初始状态时，磁外擦1远端抵触到透明盖板8与防水外壳9的交界处，内擦转动轴3的所述挡块303也转到与内擦固定座5环形挡板接触的位置，使内擦转动轴3自转受阻，自转停止，所述第二自转静止状态即初始状态，该状态下，磁外擦1和磁内擦2均处于摄像头模组7图像采集需求范围外，从而避免了磁外擦1遮挡摄像头模组7的视界，到此整个清洁流程完成。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种具有自清洁功能的水下摄像头，设有防水外壳(9)，所述防水外壳(9)的一侧设有透明盖板(8)构成的视界窗口，其特征在于，所述水下摄像头的组件还包括磁外擦(1)与安装在防水外壳(9)内的磁内擦(2)、内擦转动轴(3)、内擦转动轮(4)、内擦固定座(5)、转动轮限位器(6)、摄像头模组(7)以及齿轮电机(10)；
所述磁内擦(2)通过内擦转动轴(3)安装在内擦转动轮(4)上，与位于透明盖板(8)外的磁外擦(1)通过磁力吸附连接，使磁外擦(1)和其动作同步；
所述的内擦转动轮(4)为径向截面呈Z形的环形齿圈，包括内圈、外圈和连接二者的衔接部，所述外圈的外缘设有齿牙，内圈相对外圈下沉，与衔接部构成了第一台阶面，同时所述内擦转动轮(4)外圈的上表面设有一内擦限位块；
所述内擦固定座(5)为径向截面呈“⊥”形的环形件，包括环形平面底板以及设置在底板上的环形挡板，所述环形挡板凸出于底板，与内擦转动轮(4)同心，内擦转动轮(4)放置在内擦固定座(5)上时，平面底板支撑在内擦转动轮(4)内圈的下方，所述环形挡板支撑在内擦转动轮(4)外圈的下方，并挡在所述衔接部的外侧；
所述转动轮限位器(6)亦为一环形件，安装在内擦固定座(5)的底板上，位于内擦转动轮(4)的内侧，设有与内擦转动轮(4)第一台阶面形状匹配的第二台阶面，所述第二台阶面倒扣在第一台阶面的上方，与内擦固定座(5)环形挡板之间形成了装配内擦转动轮(4)的限位安装槽，使内擦转动轮(4)可在齿轮电机(10)的带动下围绕其圆心转动，但轴向和径向上的位移被限制；
所述齿轮电机(10)设置在内擦转动轮(4)的一侧，其转动输出轴的端部安装有与内擦转动轮(4)啮合的驱动齿轮；
所述摄像头模组(7)安装在内擦转动轮(4)的中心处，且镜头紧贴所述透明盖板（8）的内侧表面；
所述内擦转动轴(3)位于内擦固定座(5)环形挡板的外侧，内擦转动轴(3)的上部垂直穿过设置在内擦转动轮(4)外圈上的轴孔，与位于内擦转动轮(4)上方的磁内擦(2)固定连接，且内擦转动轴(3)具有在所述轴孔中自转的自由度；
在齿轮电机(10)的带动下，内擦转动轮(4)通过内擦转动轴(3)带动磁内擦(2)围绕摄像头模组(7)公转，从而驱动磁外擦(1)清洁透明盖板(8)的外表面；而受摩擦力影响，初始阶段磁内擦(2)发生公转时候，内擦转动轴(3)在轴孔内自转，直至磁内擦(2)碰触到内擦转动轮(4)上的内擦限位块，内擦转动轴(3)受阻停止自转，控制磁外擦(1)以第一自转静止状态维持公转，且磁外擦(1)在之后公转的过程中扫过的范围能够覆盖摄像头模组(7)视界圆心的位置；当所述公转发生变向后，内擦转动轴(3)朝反方向自转，当其受阻，达到第二自转静止状态时，磁外擦(1)和磁内擦(2)均处于摄像头模组(7)的图像采集需求范围外。
2.根据权利要求1所述的一种具有自清洁功能的水下摄像头，其特征在于：
所述透明盖板(8)外表面的高度低于防水外壳(9) 顶面高度，所述内擦转动轴(3)与磁内擦(2)的连接点在轴向方向上，对应磁外擦(1)的非中间位置，设磁外擦(1)靠近所述连接点的一端为近端，远离连接点的一端为远端；
达到第一自转静止状态时，磁外擦(1)远端位于内侧，近端位于外侧，且与防水外壳(9)不接触；
达到第二自转静止状态时，磁外擦(1)远端抵触到透明盖板(8)与防水外壳(9)的交界处，在磁吸力作用下，磁内擦(2)停止自转。
3.根据权利要求2所述的一种具有自清洁功能的水下摄像头，其特征在于：
所述磁外擦(1)远端与连接点的水平距离，相较于磁内擦(2)对应端与连接点的距离，长出一个摄像头模组(7)镜头半径的长度。
4.根据权利要求1所述的一种具有自清洁功能的水下摄像头，其特征在于：
所述内擦转动轴(3)的基体呈圆柱形，其底部设有一挡块，所述基体外侧壁与内擦固定座(5)环形挡板外侧壁之间留有一定间隙，在第二自转静止 状态时，内擦转动轴(3)的所述挡块转到与内擦固定座(5)环形挡板接触的位置，使内擦转动轴(3)自转受阻。
5.根据权利要求1所述的一种具有自清洁功能的水下摄像头，其特征在于：
磁外擦(1)与透明盖板(8)的接触面设有抗菌毛织物构成的清洁刷，所述磁外擦(1)的壳体内嵌装有刀片，刀片设置在毛织物清洁刷的外侧，其底部伸出磁外擦(1)壳体，所述毛织物清洁刷的底面相较于刀片底端更贴近透明盖板(8)。
6.根据权利要求1所述的一种具有自清洁功能的水下摄像头，其特征在于：
所述透明盖板(8)采用钢化玻璃制成。
7.根据权利要求1所述一种具有自清洁功能的水下摄像头，其特征在于：
所述磁外擦(1)、磁内擦(2)的壳体均采用添加了抗菌物质的抗菌塑料制成。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种具有自清洁功能的水下摄像头，其特征在于：所述磁外擦(1)、磁内擦(2)中的强磁铁均采用条形强磁铁，两条形强磁铁设置的位置上下对应。
9.根据权利要求8所述一种具有自清洁功能的水下摄像头，其特征在于，达到第一自转静止状态时，磁外擦(1)和磁内擦(2)均处于内擦转动轮(4)的径向方向。
10.根据权利要求9所述一种具有自清洁功能的水下摄像头，其特征在于，磁内擦(2)处于内擦转动轮(4)的径向方向时，其内侧一端刚好碰到摄像头模组(7)的外侧壁。
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