一种水面船载多功能相机云台

1.本发明涉及图像采集技术领域，尤其是涉及一种适用于水面或海面无人船载使用的、符合智能海工设备需求的水面船载多功能相机云台。


背景技术：

2.云台是安装固定手机、相机、摄像机等的支撑设备，它分为固定云台和电动云台两种。其中，固定云台适用于监视范围不大的场景，在固定云台上安装好摄像机后可调整摄像机的水平和俯仰的角度，达到最好的工作姿态后，锁定调整机构即可。电动云台适用于对大范围场景进行扫描监视，通过云台的动作可以扩大摄像机的监视范围。电动云台高速姿态是由两台执行电动机来实现，电动机接收来自控制器的信号精确地运行定位，在控制信号的作用下，云台上的摄像机既可自动扫描监视区域，也可在监控中心值班人员的操纵下跟踪监视对象。
3.早在上世纪八九十年代，相机云台的好处就已被发现，继而多种类的相机孕育而生，并广泛应用于摄影宣传片。相机云台在图像采集领域发挥着不可忽略的作用，现有的相机云台种类很多，应用范围较广。由于使用环境的特殊性，需要云台产品具有满足现场环境的特殊防护性能，常见的有水下型、高温型、低温型、防腐型和防爆型。特殊云台对使用的材料、防护等级、防护方式等都有严格的要求，且必须遵守相应的行业特殊标准。
4.现有的水面目标成像有光视觉、雷达、红外传感器等方式，由于光视觉成像技术在近距离时候可以获得更多的颜色、纹理等信息，故具有更加广泛的应用。而水面相机云台不像陆地相机云台那样应用场景单一，它要能抵抗水波、风浪等视线干扰因素的影响。
5.为了解决以上问题，本发明设计一种水面船载多功能相机云台，该云台具有升降、俯仰、旋转、防水、高负载、防抖功能，可以在多领域水域搭载相机进行图像采集工作，配合智能图像处理，可以获得目标图像的几何形状、空间位置、色彩、数字标识等信息，此类信息大量应用于智能化海工装备中，从而有效辅助相关部门实现水面目标搜寻、避碰及返港、搜救、打捞、漂浮有害物检测、故障诊断及远程控制及水上竞技跟踪等功能的自动化。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种水面船载多功能相机云台，该云台具有防水、360度旋转、上下俯仰、区域高度可调、水平防抖等多项功能，主要应用于水面上搭载相机工作，同时具备陆上搭载相机工作的能力。
7.本发明提供一种水面船载多功能相机云台，包括：云台外壳；
8.转台，通过转轴可转动安装于所述云台外壳的顶部，所述转轴位于所述云台外壳内部；
9.带轮组，包括主动带轮和从动带轮，所述从动带轮安装于所述转轴的底端，用于带动其一体转动，所述从动带轮通过同步带与所述主动带轮传动连接，所述主动带轮能够在驱动机构带动下转动，进而通过所述同步带带动所述从动带轮实现顺时针和逆时针方向的
360
°
转动；
10.相机固定台，设于所述转台的上方，用于固定相机；
11.俯仰升降机构，与所述转台表面和所述相机固定台底部活动连接，用于调节所述相机固定台相对于所述转台的俯仰角度和高度。
12.优选地，所述俯仰升降机构包括升降气缸和至少三组俯仰调节气缸，其中，所述升降气缸的活塞端部与所述相机固定台的底部中心活动连接，所述升降气缸的缸体底端与设于所述转台中心的气缸支撑架固定连接，每组所述俯仰调节气缸的数量为两个，所述转台表面和所述相机固定台底部分别设有至少三个下固定块和上固定块，同一组中两个所述俯仰调节气缸的缸体底端均与设于所述转台表面的同一所述下固定块活动连接，且其中一所述俯仰调节气缸的活塞顶端与相邻组中一所述俯仰调节气缸的活塞顶端均与所述相机固定台底部同一所述上固定块活动连接。
13.优选地，各个所述下固定块均匀设置于所述转台的表面边缘处，各个所述上固定块均匀设置于与所述相机固定台同中心的一直径小于所述转台直径的圆周上，且各所述下固定块和所述上固定块错列分布。
14.优选地，所述上固定块和所述下固定块表面分别设置有外球面轴承，所述外球面轴承分别通过球形紧固套与所述俯仰调节气缸的活塞顶端和缸体底端可转动连接。
15.优选地，所述上固定块和所述下固定块表面为斜面，所述外球面轴承固定于斜面上，斜面相对于所述转台表面或所述相机固定台底面的斜度为10
°
～20
°
。
16.优选地，所述驱动机构包括连接杆和两个驱动气缸，所述连接杆与所述主动带轮的底部固定连接，所述连接杆的两端分别与各所述驱动气缸的活塞端部铰接，所述主动带轮通过带轮轴和轴承可转动安装于所述云台外壳内。
17.优选地，所述主动带轮可在两个所述驱动气缸推动下沿顺时针和逆时针方向在90
°
范围内转动，所述主动带轮的直径是所述从动带轮直径的4倍，所述主动带轮通过所述同步带带动所述从动带轮沿顺时针和逆时针方向在360
°
范围内转动，所述从动带轮通过紧固螺栓与所述转轴固定连接，进而带动所述转轴和所述转台沿顺时针和逆时针方向在360
°
范围内转动。
18.优选地，所述转台底部设有阶梯圆台，所述从动带轮的顶部与所述云台外壳间以及所述转台底部与所述云台外壳间均安装有轴承，两所述轴承间设置有与二者均连接的轴承套。
19.优选地，所述相机固定台表面设置有用于感应其俯仰角度的水平传感器。
20.优选地，所述相机固定台表面设置有相机紧固孔。
21.本发明的技术方案在云台外壳的顶部设置可以转动的转台，转台底部嵌装有转轴，转轴的底端设有与其固定连接的从动带轮，从动带轮在主动带轮和同步带带动下转动，进而带动转轴和转台转动360
°
转动，并在转台上方设置用于固定相机的相机固定台，相机固定台底部和转台间设置俯仰升降机构连接，可以控制相机固定台相对转台进行高度升降和俯仰角度调节，从而使云台具有防水、360度旋转、上下俯仰、区域高度可调、水平防抖等多项功能，能够应用水面上搭载相机工作，同时具备陆上搭载相机工作的能力，可以在多领域水域搭载相机采集图像工作，配合智能图像处理、可以获得目标图像的几何形状、空间位置、色彩、数字标识等信息，此类信息大量应用于智能化海工装备中，从而有效辅助相关部
门实现水面目标搜寻、避碰及返港、搜救、打捞、漂浮有害物检测、故障诊断及远程控制及水上竞技跟踪等功能的自动化。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明相机云台的整体结构示意图；
24.图2为本发明相机云台底部结构示意图；
25.图3为本发明相机云台正面整体剖切后的示意图；
26.图4为本发明相机云台内部(去除云台外壳)结构示意图；
27.图5为本发明中俯仰调节气缸与转台的安装示意图。
28.附图标记说明：
29.1：相机固定台；2：俯仰升降机构；201：升降气缸；202：俯仰调节气缸；203：气缸支撑架；204：下固定块；205：上固定块；206：外球面轴承；207：球形紧固套；208：轴承垫片；3：转台；4：云台外壳；5：转轴；6：主动带轮；7：从动带轮；8：紧固螺栓；9：同步带；10：连接杆；11：驱动气缸；121：第一轴承；122：轴承固定架；123：第二轴承；124：第三轴承；125：轴承套；126：连接筋。
具体实施方式
30.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.如图1-5所示，本发明提出了一种水面船载多功能相机云台，其包括：相机固定台1、俯仰升降机构2、转台3和云台外壳4，其中，云台外壳4作为为支撑框架，用于支撑整个云
台，转台3的底部为阶梯圆台，转台3内嵌装有与其同轴的转轴5，转台3通过转轴5可转动安装于云台外壳4的顶部，并通过转轴5带动其相对云台外壳4转动，且转轴5位于云台外壳4内部。相机固定台1设于转台3的正上方，相机固定于相机固定台1的表面。
34.相机固定台1、转台3和云台外壳4采用铝合金或是锌合金等硬度大、密度低、强度比较高、机械性能、物理性能和抗腐蚀性能良好的材料，同时具有防水、高负载的功能。
35.转轴5的底部与带轮组配合相接，用于带动转台3转动，带轮组包括主动带轮6和从动带轮7，从动带轮7通过紧固螺栓8安装在转轴5的底端，从动带轮7通过同步带9与主动带轮6传动连接，主动带轮6能够在驱动机构带动下转动，进而通过同步带9带动从动带轮7实现顺时针和逆时针方向的360
°
转动，从而带动转轴5和转台3实现顺时针和逆时针方向的360
°
转动。
36.在本实施例中，驱动机构包括连接杆10和两个驱动气缸11，其中，连接杆10通过紧固螺栓8与主动带轮6的底部固定连接，连接杆10的两端分别与各驱动气缸11的活塞端部铰接，通过两个驱动气缸11伸缩配合，实现主动带轮6沿顺时针或逆时针方向在90
°
范围内转动，主动带轮6的直径是从动带轮7直径的4倍，当个驱动气缸11推动连接杆10顺时针转动90
°
时，从动带轮7顺时针转动360
°
，同理亦可逆时针转动360
°
，从动带轮7与转轴5固定连接，进而带动转轴5和转台3沿顺时针或逆时针方向在360
°
范围内转动，使云台满足306
°
旋转的功能。另外，通过同步带9配合主动带轮6和从动带轮7一起使用，同步带9传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，具有传动平稳、能吸振、噪音小、传动比范围大的优势。
37.进一步地，驱动气缸11为单缸气缸，其具有负载大，可以适应高力矩输出的特点，且其动作迅速、反应快，工作环境适应性好，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射和振动等恶劣工作环境中，比液压、电子、电气控制更优越，且气缸的原理及结构简单，易于安装维护。由于该类型负载较重、仅靠气缸本身的缓冲很难吸收冲击能力，故可在气缸外部添加缓冲器，并装备电磁阀开关控制其进气回路的通断。
38.驱动气缸11以ma-20x100s cm为例，气缸缸径20mm、杠长100mm、电磁阀型号f10t0、压力为0.6mpa。根据求负载力的公式：负载力＝活塞受力面积x供气压力，求得受力面积(截面积)为314平方毫米，气缸压力为0.6mpa，故求得所选用的气缸的负载力为314*0.6＝188.4n。根据换算公式：1kg＝9.8n，那么求得所用气缸负载力为19.22kg，满足该装备的高负载要求(相机重约10kg)。
39.由于气缸标准速度范围是在50～500mm/s，一般情况下通过节流阀将气缸的速度调节到标准速度范围内，与气缸所承受的负载有关。在本发明中气缸运行速度不可太高，否则会造成气缸密封圈的摩擦生热加剧，加速密封件磨损，造成漏气，寿命缩短，还会加大行程末端的冲击力，影响到机械寿命，也不能太低，气缸压力过低，气缸摩擦阻力的影响增大，加上气体的可压缩性，不能保证活塞作平稳移动，会出现时走时停的现象，称为“爬行”。因此，根据装备的负载量和设备控制相应速度的需求选择40-50mm/s的速率(通过气压阀控制)。
40.在本实施例中，主动带轮6的顶部通过带轮轴和第一轴承121可转动安装于云台外壳4内，云台外壳4内设置有用于安装第一轴承121的轴承固定架122，主动带轮6上方配合第一轴承121使用、起到了定位和固定支撑的作用。转台3底部设有阶梯圆台，转台3底部外侧
与云台外壳4间安装有第二轴承123，从动带轮7的顶部与7云台外壳4间安装有第三轴承124，第二轴承123的外径大于第三轴承124的外径，二者通过轴承套125相接，轴承套125可以调松紧，使得装配精度更高，可以防止第二轴承123和第三轴承124的轴向窜动，提高稳定性，同时起到固定轴承的作用。轴承套125与云台外壳4间通过多根连接筋126相连接，为轴承提供更进一步稳定的支撑。
41.具体地，第二轴承123大小型号是619-9gb，第三轴承124大小型号是619-5gb，轴承套125采用铝合金或是锌合金等硬度大、密度低、强度比较高、机械性能、物理性能和抗腐蚀性能良好的材料制成。通过各个轴承及轴承套125可以支撑转台3的转动，用以降低转台3在转动过程中的机械载荷摩擦系数，其精度、性能、寿命和可靠性对云台整体的精度、性能、寿命和可靠性起着决定性的作用。
42.在本实施例中，俯仰升降机构2与转台3表面和相机固定台1底部活动连接，用于调节相机固定台1相对于转台3的俯仰角度和高度。俯仰升降机构2包括升降气缸201和至少三组俯仰调节气缸202，在本实施例中，俯仰调节气缸202的数量为三组，共计六个。升降气缸201的活塞端部与相机固定台1的底部中心活动连接，优选铰接，升降气缸201的缸体底端与架设于转台3中心的气缸支撑架203固定连接，每组俯仰调节气缸202的数量为两个，转台3表面和相机固定台1底部分别设有至少三个下固定块204和上固定块205，同一组中两个俯仰调节气缸202的缸体底端均与设于转台3表面的同一下固定块204活动连接，且其中一俯仰调节气缸202的活塞顶端与相邻组中一俯仰调节气缸202的活塞顶端均与相机固定台1底部同一上固定块205活动连接。
43.更加具体地，各个下固定块204均匀设置于转台3的表面边缘处，各个上固定块205均匀设置于与相机固定台1同中心的一直径小于转台3直径的圆周上，且各下固定块204和上固定块205错列分布。上固定块204和下固定块205表面分别设置有外球面轴承206，外球面轴承206分别通过球形紧固套207与俯仰调节气缸202的活塞顶端或缸体底端可转动连接，球形紧固套207内设有球形腔体。外球面轴承206实际上是深沟球轴承的一种变型，特点是它的外圈外径表面为球面，可以配入轴承座相应的凹球面内起到调心的作用，在本实施例中，外球面轴承206主要用来承受来自气缸重力和推力的径向与轴向联合负荷。上固定块204和下固定块205表面设置有斜面，外球面轴承206固定于斜面上，斜面相对于转台3表面或相机固定台1底面的斜度为10
°
～20
°
，优选为10
°
，通过斜面的设置，避免俯仰调节气缸202在伸缩调节时，相机固定台1俯仰或转台3转动时与各个气缸间发生干涉。上固定块204和下固定块205表面设置有轴承垫片208，其材料为橡胶、硅橡胶、金属等，起到密封与增大紧固力作用面积的功能，用于分散气缸压力。通过升降气缸201和三组俯仰调节气缸202能够调节相机固定台1的相对水平面的平衡，改变其俯仰角度，其中最大角度可达75度，且通过控制各个气缸协调工作，可以起到升降相机固定台1的作用。
44.在本实施例中，相机固定台1表面设置有用于感应其俯仰角度的水平传感器，用于感知台面是否平衡，同时连接控制反馈系统，通过控制不同气缸的伸缩，实现实时调控相机固定台1保持相对平衡。相机固定台1表面设置有相机紧固孔，配合夹紧机构实现相机位置的固定。
45.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。