CN201742474U - 一种能联动控制镜头焦距的重型数字云台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种能自动控制和获取云台自身的水平转角、垂直俯仰角，并能联动控制和获取搭载摄像机镜头焦距等参数的重型数字云台。在云台上安装有中央处理单元，控制水平及垂直旋转电机；中央处理单元分别通过光耦采集水平原点检测光电开关、垂直上下限位检测光电开关及镜头位置开关发出的信息并记录对应的水平转角、垂直夹角和镜头焦距；在云台上设置有数字镜头控制接口或/和模拟镜头控制接口等。由于在云台内增加了对镜头的控制功能，使云台可以轻松实现对云台水平转动、垂直转动及对镜头变焦的精确控制。具有可联动控制镜头焦距、可设置云台预置位和镜头预置位、可设置多条运行轨迹、目标精确定位、成像清晰、安装方便、维护费用低等特点。

Description

一种能联动控制镜头焦距的重型数字云台

技术领域

本实用新型涉及一种能设置预置位和运行轨迹的重型数字云台。更具体地说，涉及一种能自动控制和获取云台自身的水平转角、垂直俯仰角，并能联动控制和获取镜头焦距等参数的重型数字云台。

背景技术

随着科技的进步，视频监控系统正在向数字化、智能化方向发展，许多大型户外监控工程(如森林防火、边防巡逻、海事侦测、环保监测等)，普遍采用在制高点安装监控设备，采用高倍摄像镜头加重型云台作业的方式，由重型云台带动摄像镜头实现全方位的监控，以较少的监控基站监控更多的目标面积。

大型户外监控工程由于置身野外，监控的区域比较大，环境随地理、季节、昼夜、气候的变化而千变万化，而大型户外监控工程的除了需要以较少的监控基站监控更多的目标面积外，还需要采集清晰图像，并基于视频图像增加智能应用方能达到实用的目的。

为了达到上述目的，要求大型户外监控工程所使用的重型数字云台，需要能自动控制和获取云台的水平转角、垂直俯仰角，镜头的焦距三个参数。

首先，自动控制和获取云台的水平转角、垂直俯仰角，镜头的焦距三个参数是实现监控区域全覆盖的需要。

大型户外监控工程由于监控的区域比较大，环境千变万化，监控的目标区域远近高低各不相同，目前应用于该领域的同类产品由于不能联动控制镜头焦距，系统运行时镜头焦距为自适应，使得同一角度的视频不管远近，都为同一焦段，对于需要重点关注的区域、远处的区域不能拉近观测。此外，由于各预置位获取的图像需要无缝拼接，这就要求云台的预置位个数在512个以上，目前应用于该领域的同类产品普遍不能达到应用需求。

然后，自动控制和获取云台的水平转角、垂直俯仰角，镜头的焦距三个参数是获取清晰图像、智能应用的需要；

大型户外监控工程采集的视频很容易受时间、天气等因素的影响，在不同季节、不同时间、不同气候的条件下，目前应用于该领域的同类产品由于视频图像的获取是镜头自动对焦而产生的，各目标监测点的图像并非同样清楚，使得获取的图像不能用于精确的智能识别。为实现重点区域重点监控，不同区域均能获得清晰的视频图像，需要分别设置预置位以获得不同的自动运行轨迹，同样需要联动控制镜头焦距，自动控制和获取云台自身的水平转角、垂直俯仰角，并能联动控制和获取镜头焦距等参数。

其次，自动控制和获取云台的水平转角、垂直俯仰角，镜头的焦距三个参数是目标定位的需要。

在实际的行业应用当中，需要对监控范围内的目标进行定位。目标定位与地理信息系统(GIS)结合，利用重型云台所在的空间地理位置如纬度、经度、海拨高度，前端设备运行时采集到的云台的水平转角、垂直夹角，以及镜头的焦距，通过算法得出目标的纬度、经度、海拨高度，实现目标的精确定位。而目前应用于该领域的同类产品只能对云台的水平转角和垂直俯仰角的参数进行预置和获取，不能联动控制镜头焦距，使得定位的结果在相对方位上比较准确，而在具体位置的定位上误差较大。

因此，重型数字云台能自动控制和获取云台的水平转角、垂直俯仰角，镜头的焦距三个参数，通过设置预置位和轨迹实现林区全覆盖，可以使大型户外监控工程以较少的监控基站监控更多的目标面积；通过对焦距的控制还可以采集重点关注区域和远处监控目标的清晰图像，并基于视频图像增加智能应用；通过三个参数的实时回显，与控制中心的理信息系统(GIS)结合，还可以有效地拉高目标定位的精度。

目标定位时，重型云台所在位置的纬度、经度、海拨高度是已知的，前端设备运行时采集的云台的水平转角、垂直夹角，以及镜头的焦距的实时的，其精度越高，目标定位的结果就越精确。目前应用于该领域的同类产品由于运转精度普遍达不到该要求，使得目标定位的结果偏差较大，该重型数字云台的运转精度≤0.01°，可以有效提高目标定位的准确率。

在实际的应用中，大型户外监控设备由于置身户外，复杂多变的自然环境和交通使工程的施工和维护的成本一直居高不下，特别是其中的重型数字云台，作为前端视频采集系统的中枢，自身的体积和自重较大，并且需要承载的设备较多，使得安装比较麻烦，并由于长年在承重的情况下连续运转，很容易出现故障，使得维护成本较高。所以，云台的自重、载重、旋转速度、维护方法等，也是需要考虑的重要因素。

发明内容

本实用新型的目的就是提出一种可用于大型户外监控工程可联动控制镜头焦距重型数字云台，它设置了与摄像机连接的，对其进行信息采集及智能控制的预置接口，自动控制和获取云台自身的水平转角、垂直俯仰角，并能联动控制和获取镜头焦距等参数；安装简便，维护成本低。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是这样的，即一种能联动控制镜头焦距的重型数字云台，包括壳体、水平底板及安装在水平地盘上的垂直立盘；在水平底盘上安装有能够带动垂直立盘水平旋转的水平旋转电机，在垂直立盘上具有能够带动搭载摄像机的安装臂完成垂直仰角改变的垂直旋转电机；其特征在于：

在云台上安装有中央处理单元，由中央处理单元分别通过水平电机驱动电路及垂直电机驱动电路带动水平旋转电机及垂直旋转电机转动；

中央处理单元分别通过光耦电路采集设置在水平旋转电机一侧的水平原点检测光电开关发出的信息、采集设置在垂直旋转电机一侧的垂直上限位检测光电开关及垂直下限位检测光电开关发出的信息；及通过镜头限位检测接口采集来自数字镜头中的位置开关发出的信息并记录对应的水平转角、垂直夹角和镜头焦距的参数，或/和中央处理单元通过模拟镜头预置接口及A/D转换电路采集来自模拟镜头中的位置开关发出的信息；

在云台上设置有数字镜头控制接口或/和模拟镜头控制接口，中央处理单元通过数字镜头的驱动电路与数字镜头控制接口连接，或/和通过模拟镜头驱动电路与模拟镜头控制接口连接。

本实用新型由于所述结构而产生的技术效果是显而易见的，由于在云台内增加了对镜头的控制功能，使得云台可以轻松实现对云台水平转动、垂直转动的控制，以及对镜头变焦的精确控制。

由于采用了步进电机的数字驱动方式，使得对云台旋转和镜头变焦的控制更加精确。所述的中央控制单元，通过计算将控制信号转换为脉冲信号，通过对镜头电机驱动模块发送脉冲来精确控制镜头的伸缩，通过对云台水平及垂直步进电机驱动模块发送脉冲来精确控制云台的水平旋转和垂直旋转。

为获取目标定位需要的三个重要参数，即云台的水平转角、垂直俯仰角、镜头的焦距，中央处理单元实时记录了控制设备运转时的脉冲数量，即可向控制中心发回当前设备的运行参数，与GIS系统结合便能实现目标的精确定位。

由于云台的水平转角、垂直俯仰角、镜头的焦距这三个参数可以精确的控制和获取，云台也可以通过反向输入参数控制云台和镜头运行到指定位置，完成单点目标瞄准；

由于云台搭载设备的相关链路全部通过云台，并通过防雷保护单元的处理，使得前端设备安装简便、安全可靠。

此外，为降低该设备的维护成本，采用了控制电路和基础电路可插拨设计。一般情况下，云台最容易出现故障的地方出现在控制电路和基础电路，云台背面的开窗设计，可方便地更换控制电路和基础电路。

附图说明

本实用新型的上述结构可以通过附图给出的非限定性的实施例进一步说明。

本实用新型有如下附图

附图1为本实用新型电路的结构框图；

附图2为本实用新型部分电路的电路原理图；

附图3为本实用新型水平底板及垂直立盘结构示意图；

附图4为本实用新型系统的自检流程图；

附图5为本实用新型系统的工作流程图。

图中：A-水平底板；1-水平原点检测；2-水平旋转电机；3-可拆卸面板；B-垂直立盘；4-垂直上限位检测光电开关；5-垂直下限位检测光电开关；6-垂直旋转电机；7-电路板安装插槽。

具体实施方式

参见附图1、2、3，能联动控制镜头焦距的重型数字云台，包括壳体、水平底板A及垂直立盘B，垂直立盘安装在水平地盘上；在水平底盘A上安装有能够带动垂直立盘水平旋转的水平旋转电机2，在垂直立盘上具有能够带动搭载摄像机的安装臂完成垂直仰角改变的垂直旋转电机6；其特征在于：

在云台上安装有中央处理单元U01，由中央处理单元分别通过水平电机驱动

电路及垂直电机驱动电路带动水平旋转电机及垂直旋转电机转动；

中央处理单元U01分别通过光耦电路采集设置在水平旋转电机一侧的水平原点检测光电开关1发出的信息、采集设置在垂直旋转电机一侧的垂直上限位检测光电开关4及垂直下限位检测光电开关5发出的信息；及通过镜头限位检测接口采集来自数字镜头中的位置开关发出的信息并记录对应的水平转角、垂直夹角和镜头焦距的参数，或/和央处理单元U01通过模拟镜头预置接口及A/D转换电路采集来自模拟镜头中的位置开关发出的信息；

在云台上设置有数字镜头控制接口J14或/和模拟镜头控制接口J16，中央处理单元U01通过数字镜头的驱动电路与数字镜头控制接口连接，或/和通过模拟镜头驱动电路与模拟镜头控制接口连接。

所述数字镜头的驱动电路由一个非门驱动单元及镜头电机驱动模块与数字镜头控制接口连接构成；所述模拟镜头的驱动电路由另一非门驱动单元及继电器与模拟镜头控制接口连接构成。

中央处理单元U01通过总线驱动单元U10、一个非门驱动单元及继电器组与辅助控制输出接口连接。

如果云台搭载的镜头为模拟镜头，因为模拟镜头的限位是自身电路处理，中央处理单元采集FOCUS，ZOOM预置电位的变化，获得镜头的伸缩的限位信息；

如果云台搭载的镜头为数字镜头，中央处理单元则与镜头内的机械限位开关联动，获取镜头的伸缩限位信息；

所述中央处理单元采用型号为ATMEL 89C51ED2的芯片；所述A/D转换电路采用13位精度的芯片；

控制云台水平及垂直转动的所述水平旋转驱动电机和垂直旋转驱动电机采用步进电机；

所述镜头电机采用步进电机；

与模拟镜头控制接口连接的继电器型号为：TR5V L-S-Z；镜头电机驱动模块、水平及垂直步进电机驱动模块选用市售LEETRO品牌系列。水平、垂直步进电机驱动模块的最大驱动电压为24V，2A；最大支持64细分。镜头电机驱动模块，最大驱动电压为12V，0.5A，最大支持16细分。

在垂直立盘B上设置有包含有中央处理单元U01及其外围电路的电路板的插槽7。这种对控制电路和基础电路的可插拨设计。可方便地更换控制电路和基础电路。

中央处理单元U01还与与看门狗U02连接。

云台上还安装有防雷保护单元，主要是给电路提供电源和设备防雷保护，中央处理单元U01通过RS422通讯转换单元U03与防雷保护单元交换信息；防雷保护单元的视频输入、输出接口、电源输入输出接口及与上位机连接的RS422接口均设置在可拆卸面板3上，所述可拆卸面板3安装在水平底板A上；防雷保护单元还与温控单元连接，接收到温控检测传感器检测到的设定温度值时，启动或停止内部加热元件工作。

在云台的壳体背面还设置有可开闭的维护窗，可方便地实现内部部件的维护和更换。

参见附图4，本实用新型的自检流程如下：

步骤(A)：重型数字云台电源接通；

步骤(B)：数字云台垂直转动机构自检；

步骤(C)：是否到预置“垂直归零”点，如果“是”，则到D，如果“否”，则返回B；

步骤(D)：数字云台水平转动机构“逆时针旋转”自检；

步骤(E)：是否过预置“水平归零”点，如果“是”，则到F，如果“否”，则返回D；

步骤(F)：数字云台水平转动机构“顺时针旋转”自检；

步骤(G)：是否过预置“水平归零”点，如果“是”，则到G，如果“否”，则返回F。

步骤(H)：镜头自检；

步骤(I)：镜头自检是否完成，如果“是”，则到J，如果“否”，则返回H；

步骤(J)：向上位机输出方位信息。

参见附图5，本实用新型的工作流程如下：

步骤(A)：开始时，进行功能选择，可根据需要选择“甲：预置位及轨迹设置”、“乙：自动运行”、“丙：运行到指定位置”；

步骤(B)：如果选择“甲：预置位及轨迹设置”，首先进行预置位设置；

步骤(B1)：手动执行云台的水平左右控制，同时回传水平角度信息；

步骤(B2)：手动执行云台的垂直俯仰控制，同时回传垂直角度信息；

步骤(B3)：手动执行镜头的变倍控制，同时回传镜头焦距信息；

步骤(B4)：是否保存预置位，如果选“否”，则返回B1，重新开始预置位设置；如果选“是”，则进入B5；

步骤(B5)：预置位保存成功；

步骤(B6)：是否增加预置位，如果选“是”，则返回B1，开始设置新的预置位；如果选“否”，则进入B7；

步骤(B7)：将已经设置的预置位串联；

步骤(B8)：形成自动运行轨迹；

步骤(C)：如果选择“乙：自动运行”，进入自动运行功能；

步骤(C1)：首先选择预设轨迹；

步骤(C2)：云台和镜头按预设轨迹自动运行；

步骤(C3)：系统是否开启智能识别功能，如果选“否”，则返回C2，继续按预设轨迹扫描；如果选“是”，则进入C4；

步骤(C4)：是否发现疑似警情，如果选“否”，则返回C2，继续按预设轨迹扫描；如果选“是”，则进入C5；

步骤(C5)：当发现疑似警情，向上位机发现报警信息，同时上传云台的水平转角和垂直夹角信息，以及镜头的焦距信息；

步骤(C6)：与控制中心的GIS系统配合，实现疑似警情所在目标的准确位置的定位；

步骤(D)：如果选择“丙：运行到指定位置”，进入单点目标瞄准功能；

步骤(D1)：是否执行到预置位指令，如果选“否”，则进入D2；如果选“是”，则进入D3；

步骤(D2)：手工输入云台的水平转角、垂直夹角、镜头焦距；

步骤(D3)：云台和镜头按指令运行；

步骤(D4)：根据接收的水平角度信息，云台执行水平旋转到指定位置；

步骤(D5)：根据接收的垂直角度信息，云台执行垂直旋转到指定位置；

步骤(D6)：根据接收的变倍信息，镜头执行变倍控制到指定焦距；

步骤(D7)：完成单点目标瞄准。

本实用新型的主要功能在于以下几个方面：

1)可联动控制镜头焦距

为了使监控范围内各区域获取的视频图像都能达到清晰可辨的水平，同时能精确测算目标的地理位置，除了需要对云台的水平转角和垂直俯仰角进行预设置之外，还需要对镜头的焦距进行预设置。

为了实现对镜头焦距的控制，在云台内增加镜头电机驱动模块、镜头控制单元和镜头焦距限位检测模块，通过该设计，任意镜头均可搭载于云台之上，无需进行电路改造即可实现对镜头焦距的控制和获取。

2)可设置云台预置位和镜头预置位

本实用新型通过对步进电机的马达发送脉冲来驱动云台的旋转和镜头焦距的调节，云台除了可以控制和获取自身的水平转角和垂直俯仰角之外，还可以联动控制镜头的焦距。这样，云台的水平转角、垂直俯仰角、镜头的焦距这三个关键参数的精确预设置变为可能，一改市场上同类产品不能精确预置这三个参数的弱点。

3)可设置多条运行轨迹

通过控制中心对云台运行轨迹的相关参数进行预设置，设置好的预置位可以保存在中央处理单元上，多个目标的预置位串联，可形成一条运行轨迹。

当云台不间断工作时，就可以按照设置好的轨迹(参数)运行。此外，根据不同时间段目标监控范围的特点，可以设置不同的轨迹。

4)目标精确定位

本实用新型该功能的实现，需要与监控中心的GIS地理信息系统结合。通过三维目标定位方式，可以精确定位目标的地理位置。

当需要对目标进行定位时，根据当前云台的纬度，经度，海拔高度，结合云台实时反馈的云台的水平转角和垂直夹角，以及镜头的焦距，结合GIS地理信息系统，精确测算出目标的具体位置。

5)单点目标瞄准

在实际应用中，特别是在调度指挥时，经常需要使用单点目标瞄准功能。系统可以选择一个预置位，或手工输入云台的水平转角和垂直夹角，以及镜头焦距，云台便会联动镜头按参数运行，锁定目标。

本实用新型的优点在于以下几个方面：

1)步进电机驱动：有别于高速球等摄像系统，通过对马达发送脉冲来控制云台的旋转和镜头焦距的调节，可以精确预置云台的水平转角、垂直俯仰角、镜头的焦距这三个关键参数。

2)预置位高达2048个：为提高运转精度，中央处理单元采用13位精度芯片，在理论上使云台的运转精度达到0.00125°，使云台可以设置的预置位个数高达2048个。

3)定点成像清晰：通过对云台的水平转角、垂直俯仰角、镜头的焦距这三个关键参数进行预设置，使得监控范围内各重点监控区域和远处的目标均可通过镜头变倍以获得相对较大的清晰图像。

4)安装简便：由于云台搭载设备的相关电路全部通过云台，并通过防雷保护单元的处理，使得前端设备安装简便、安全可靠。

5)维护成本低：一般情况下，云台最容易出现故障的地方出现在电路板。市场上的同类产品，需要将云台从高处卸下，然后运回公司维修，费力费时，且维修期间，监控范围处于无监控状态。本云台采用的背面开窗设计，可方便地更换电路板，有效地降低维护成本。

归纳上述，本发明是以实际应用作为基础参量，以上所述并非用以限定本发明。本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更多的更动与润饰，以保证本发明能更有效地解决不同行业用户的个性化需求。因此，本发明的保护范围当以后附的权利要求范围所界定为准。

Claims (6)

1.一种能联动控制镜头焦距的重型数字云台，包括壳体、水平底板(A)及垂直立盘(B)，垂直立盘安装在水平地盘上；在水平底盘(A)上安装有能够带动垂直立盘水平旋转的水平旋转电机(2)，在垂直立盘上具有能够带动搭载摄像机的安装臂完成垂直仰角改变的垂直旋转电机(6)；其特征在于：

在云台上安装有中央处理单元(U01)，由中央处理单元分别通过水平电机驱动电路及垂直电机驱动电路带动水平旋转电机及垂直旋转电机转动；

中央处理单元(U01)分别通过光耦电路采集设置在水平旋转电机一侧的水平原点检测光电开关(1)发出的信息、采集设置在垂直旋转电机一侧的垂直上限位检测光电开关(4)及垂直下限位检测光电开关(5)发出的信息；及通过镜头限位检测接口采集来自数字镜头中的位置开关发出的信息并记录对应的水平转角、垂直夹角和镜头焦距的参数，或/和中央处理单元(U01)通过模拟镜头预置采集接口及A/D转换电路采集来自模拟镜头中的位置开关发出的信息；

在云台上设置有数字镜头控制接口或/和模拟镜头控制接口，中央处理单元(U01)通过数字镜头的驱动电路与数字镜头控制接口连接，或/和通过模拟镜头驱动电路与模拟镜头控制接口连接。

2.根据权利要求1所述的能联动控制镜头焦距的重型数字云台，其特征是：在垂直立盘(B)上设置有包含有中央处理单元(U01)及其外围电路的电路板的插槽(7)。

3.根据权利要求1所述的能联动控制镜头焦距的重型数字云台，其特征是：所述数字镜头的驱动电路由一个非门驱动单元及镜头电机驱动模块与数字镜头控制接口连接构成；所述模拟镜头的驱动电路由另一非门驱动单元及继电器与模拟镜头控制接口连接构成。

4.根据权利要求1所述的能联动控制镜头焦距的重型数字云台，其特征是：中央处理单元(U01)通过总线驱动单元(U10)、一个非门驱动单元及继电器组与辅助控制输出接口连接。

5.根据权利要求1所述的能联动控制镜头焦距的重型数字云台，其特征是：中央处理单元(U01)与看门狗(U02)连接。

6.根据权利要求1所述的能联动控制镜头焦距的重型数字云台，其特征是：在云台的壳体背面还设置有可开闭的维护窗。

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