專利名稱：水下攝像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種主要用于對水下具有較強(qiáng)放射性的區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀察，以實(shí)現(xiàn)對核電站水下操作過程進(jìn)行控制的攝像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在核電站，有很多區(qū)域具有較強(qiáng)的輻射性，有一些檢修及操作過程需隔著較厚的水防護(hù)層遠(yuǎn)距離觀察進(jìn)行。水下攝像系統(tǒng)的廣泛運(yùn)用能保障檢修和操作人員進(jìn)行安全工作。水下攝像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于水平、垂直兩轉(zhuǎn)動(dòng)軸系的動(dòng)態(tài)密封。目前國內(nèi)外也有類似產(chǎn)品，但很多是將轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)部分密封在一前方帶透明玻璃的容器內(nèi)，再將其輸出的控制電纜與該容器進(jìn)行靜態(tài)密封以實(shí)現(xiàn)通過靜密封達(dá)到動(dòng)態(tài)觀察的目的，其缺點(diǎn)是透明玻璃的面積不能太大導(dǎo)致其觀察范圍受影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多方位、大視場目標(biāo)的觀察，圖像分辨力高、操作控制簡單，且集光學(xué)、機(jī)械、自動(dòng)控制于一體的水下攝像系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是水下攝像系統(tǒng)，由攝像主體和主控制器組成，兩者通過電纜連接，其特點(diǎn)在于攝像主體由攝像機(jī)、水平轉(zhuǎn)軸及水平電機(jī)和齒輪減速組、垂直轉(zhuǎn)軸及垂直電機(jī)和齒輪減速組、動(dòng)密封和靜密封組成，水平轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)由水平電機(jī)經(jīng)齒輪減速組將力矩放大帶動(dòng)水平軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)，垂直轉(zhuǎn)軸由垂直電機(jī)經(jīng)齒輪減速將力矩增大來驅(qū)動(dòng)垂直軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)通過靜密封和動(dòng)密封實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的攝像系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)與外部水域的密封以保證系統(tǒng)正常工作，動(dòng)密封有3處，水平轉(zhuǎn)軸1處，垂直轉(zhuǎn)軸2處，分別安裝在各自旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸與支承主體之間；靜密封有8處，分別安裝在外圍的密封蓋與攝像主體之間，通過在主體上的U形截面槽內(nèi)鑲嵌O形密封圈，再用壓板用螺釘均勻壓緊以實(shí)現(xiàn)壓板內(nèi)外的密封；主控制器由視頻分配模塊、攝像機(jī)控制調(diào)節(jié)電路、控制權(quán)切換電路、照明光源調(diào)節(jié)電路、云臺(tái)電機(jī)控制電路、電源模塊組成，電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電源；控制權(quán)切換模塊實(shí)現(xiàn)手控盒和主控制器之間控制權(quán)的切換，其輸入來自主控制器面板和手控盒，其三個(gè)輸出分別作為攝像機(jī)控制調(diào)節(jié)電路、照明光源調(diào)節(jié)電路和云臺(tái)電機(jī)控制電路的輸入，同時(shí)也為手控盒提供視頻信號(hào)輸入；云臺(tái)電機(jī)控制電路接收從控制權(quán)切換電路來的控制信號(hào)，據(jù)此信號(hào)控制兩個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，其輸出直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)；攝像機(jī)控制調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)對攝像機(jī)的變焦、對焦等的控制，其輸入來自控制權(quán)切換電路，輸出控制信號(hào)到攝像機(jī)；視頻分配模塊的輸入為攝像機(jī)輸出的視頻信號(hào)，其輸出為四路同樣的視頻信號(hào)；照明光源調(diào)節(jié)電路從控制權(quán)切換電路接收調(diào)節(jié)信號(hào)，其輸出控制照明電源的輸出電壓值，從而調(diào)節(jié)燈的亮度。
本發(fā)明的工作原理如下水平和垂直兩方位電機(jī)通過減速箱的傳遞運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的全方位、大視場目標(biāo)的監(jiān)測。通過控制權(quán)切換電路、攝像機(jī)控制調(diào)節(jié)電路、云臺(tái)電機(jī)控制電路、視頻分配模塊電路實(shí)現(xiàn)對攝像機(jī)的主控器及手控盒的隨意切換控制(包括攝像機(jī)的變倍、照明燈亮度調(diào)節(jié)、云臺(tái)兩方位的運(yùn)動(dòng)控制、視頻信號(hào)的多路輸出)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)在于1、能夠在水深達(dá)40米的水下正常工作。
2、耐輻射劑量率104rad/h。
3、CCD電視分辨率約480線(PAL制式，高分辨率)或420線(PAL制式，正常分辨率)。最高靈敏度0.001lux。
4、具有26.5倍的光學(xué)變焦(3.24mm-86mm)，10倍數(shù)字變倍；能夠快速地自動(dòng)或手動(dòng)對焦；能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)光圈等。
5、云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍。俯仰+115°～-98°；方位+160°～-160。
6、可以靈活地用于水池的任何部位進(jìn)行全方位觀察或檢查；也可以事先固定在水下一個(gè)特定位置上，對某種專項(xiàng)操作進(jìn)行觀察和監(jiān)督，并能夠?qū)λ^察到的過程和結(jié)果進(jìn)行視頻數(shù)字記錄，可以滿足對重要的水下操作進(jìn)行監(jiān)督；對水下設(shè)備進(jìn)行檢查；查找意外落入水池中的異物等；對所觀察到的過程和結(jié)果進(jìn)行視頻數(shù)字記錄；總之，本發(fā)明是集光學(xué)、機(jī)械、自動(dòng)控制于一體的水下電視觀察設(shè)備，具有較強(qiáng)的耐輻射能力、40米水深防水、鏡頭變倍廣、圖像分辨力高、操作控制簡單、直觀等特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明中的攝像主體結(jié)構(gòu)剖視圖；圖2為本發(fā)明中的主控器原理框圖；圖3為本發(fā)明控制權(quán)切換電路的原理框圖或原理圖；圖4為本發(fā)明的攝像機(jī)控制調(diào)節(jié)電路原理框圖；圖5為本發(fā)明的云臺(tái)電機(jī)控制電路原理框圖；圖6為本發(fā)明視頻分配模塊的電原理框圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明由攝像主體及主控器組成，攝像主體通過一電纜線與主控器相連，同時(shí)主控器的各功能鍵又可以通過外接的手控盒進(jìn)行控制，其中攝像主體由攝像主體由攝像機(jī)2、水平轉(zhuǎn)軸10及水平電機(jī)5和水平齒輪減速組1、垂直轉(zhuǎn)軸6及垂直電機(jī)9和垂直齒輪減速組9、動(dòng)密封7和4和靜密封11(圖1中有4處)組成，攝像機(jī)2的運(yùn)動(dòng)是通過水平轉(zhuǎn)軸10以及垂直轉(zhuǎn)軸6的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)多方位、大視場目標(biāo)的觀察，其中水平轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)是由水平電機(jī)5經(jīng)水平齒輪減速組1將力矩放大8倍(達(dá)8N.m)來帶動(dòng)水平軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)，垂直轉(zhuǎn)軸6的驅(qū)動(dòng)是由垂直電機(jī)9經(jīng)垂直齒輪減速8將力矩增大來驅(qū)動(dòng)垂直軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)。
靜密封主要有圖1中的11(4處)，動(dòng)密封有圖1中的4(左右對稱各一處)及7，其中4為水平轉(zhuǎn)軸密封，7為垂直轉(zhuǎn)軸密封。靜密封是由丁晴橡膠做成的O型截面密封圈來實(shí)現(xiàn)，密封圈嵌在一U型截面且周邊閉合的槽內(nèi)，槽子深度比密封圈直徑小0.6mm以保證足夠的壓縮量進(jìn)而達(dá)到密封的效果，另外在加工工藝上與密封圈端面接觸的兩金屬面的平面性、粗糙度要好，壓緊力均勻。動(dòng)密封是由圓環(huán)狀柔性石墨組成，其內(nèi)圈套在轉(zhuǎn)軸外圓上，其配合關(guān)系為0.03-0.05mm過盈量，外圈與固定部分內(nèi)孔為0.06-0.10mm間隙配合，再通過軸向壓圈壓緊柔性石墨端面從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸內(nèi)外的動(dòng)態(tài)密封。
如圖2所示，本發(fā)明的主控制器由視頻分配模塊、攝像機(jī)控制調(diào)節(jié)電路、控制權(quán)切換電路、照明光源調(diào)節(jié)電路、云臺(tái)電機(jī)控制電路、電源模塊組成，電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電源；控制權(quán)切換模塊實(shí)現(xiàn)手控盒和主控制器之間控制權(quán)的切換，其輸入來自主控制器面板和手控盒，其三個(gè)輸出分別作為攝像機(jī)控制調(diào)節(jié)電路、照明光源調(diào)節(jié)電路和云臺(tái)電機(jī)控制電路的輸入，同時(shí)也為手控盒提供視頻信號(hào)輸入；云臺(tái)電機(jī)控制電路接收從控制權(quán)切換電路來的控制信號(hào)，據(jù)此信號(hào)控制兩個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，其輸出直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)；攝像機(jī)控制調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)對攝像機(jī)的變焦、對焦等的控制，其輸入來自控制權(quán)切換電路，輸出控制信號(hào)到攝像機(jī)；視頻分配模塊的輸入為攝像機(jī)輸出的視頻信號(hào)，其輸出為四路同樣的視頻信號(hào)；照明光源調(diào)節(jié)電路從控制權(quán)切換電路接收調(diào)節(jié)信號(hào)，其輸出控制照明電源的輸出電壓值，從而調(diào)節(jié)燈的亮度。
如圖3所示，控制權(quán)切換電路主要由繼電器陣列組成。開關(guān)閉合時(shí)，繼電器線圈通電常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開從而將控制權(quán)從主控器切換到手控盒；開關(guān)斷開時(shí)，繼電器線圈斷電常開觸點(diǎn)斷開，常閉觸點(diǎn)閉合從而將控制權(quán)從手控盒切換到主控器。
如圖4所示，攝像機(jī)控制調(diào)節(jié)電路主要由一個(gè)可控的電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。電路接收來自控制權(quán)切換電路的控制信號(hào)，譯碼器對此信號(hào)進(jìn)行譯碼，譯碼器的輸出作為繼電器驅(qū)動(dòng)電路的輸入，從而控制相應(yīng)的繼電器閉合。不同的繼電器閉合導(dǎo)致電阻網(wǎng)絡(luò)有不同的電阻值，攝像機(jī)便根據(jù)電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值來實(shí)現(xiàn)各種控制和調(diào)節(jié)。
如圖5所示，云臺(tái)電機(jī)控制電路主要由電機(jī)控制芯片L298、單片機(jī)、調(diào)壓電路和過電機(jī)堵轉(zhuǎn)檢測電路組成。調(diào)壓電路設(shè)定電機(jī)的工作電壓；單片機(jī)是電路的控制核心，為電機(jī)控制芯片L298提供電機(jī)正反轉(zhuǎn)和停止信號(hào)；電機(jī)控制芯片L298根據(jù)單片機(jī)提供的信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向或轉(zhuǎn)動(dòng)，或者停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；堵轉(zhuǎn)檢測電路通過電機(jī)控制芯片L298的1和15引腳的電壓判斷電機(jī)是否堵轉(zhuǎn)，將堵轉(zhuǎn)信號(hào)輸入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)此信號(hào)做出判斷并向電機(jī)控制芯片L298發(fā)出停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)。
如圖6所示，視頻分配模塊主要由五個(gè)射極跟隨器組成。從攝像機(jī)來的視頻信號(hào)先通過由三極管Q1構(gòu)成的電壓跟隨器分出四路信號(hào)作為另四個(gè)電壓跟隨器的輸入，從Q2、Q3、Q4、Q5四個(gè)三極管構(gòu)成的四個(gè)電壓跟隨器的輸出便得到四路同樣的視頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了將一路視頻信號(hào)一分為四的功能。本發(fā)明的工作過程如下該攝像主體通過吊桿放到近20米水中進(jìn)行水下操作與觀察。攝像機(jī)在水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)是由圖1中的電機(jī)5旋轉(zhuǎn)經(jīng)齒輪9變速最后帶動(dòng)垂直軸6旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)；攝像機(jī)在垂直面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)是由電機(jī)5后面的另一電機(jī)的旋轉(zhuǎn)經(jīng)齒輪變速組1帶動(dòng)水平軸10旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。對攝像主體的控制是通過主體尾部一電纜與岸上主控器相連來實(shí)現(xiàn)(包括攝像機(jī)的變倍、照明燈亮度調(diào)節(jié)、云臺(tái)兩方位的運(yùn)動(dòng)控制、視頻信號(hào)的多路輸出)。另外其控制權(quán)可通過控制權(quán)切換由一便攜式手孔盒來實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.水下攝像系統(tǒng)，由攝像主體和主控制器組成，兩者通過電纜連接，其特征在于攝像主體由攝像機(jī)、水平轉(zhuǎn)軸及水平電機(jī)和齒輪減速組、垂直轉(zhuǎn)軸及垂直電機(jī)和齒輪減速組、動(dòng)密封和靜密封組成，水平轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)由水平電機(jī)經(jīng)齒輪減速組將力矩放大帶動(dòng)水平軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)，垂直轉(zhuǎn)軸由垂直電機(jī)經(jīng)齒輪減速將力矩增大來驅(qū)動(dòng)垂直軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)；動(dòng)密封有3處，水平轉(zhuǎn)軸1處，垂直轉(zhuǎn)軸2處，分別安裝在各自旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸與支承主體之間，靜密封有8處，分別安裝在外圍的密封蓋與攝像主體之間，通過在主體上的U形截面槽內(nèi)鑲嵌O形密封圈，再用壓板用螺釘均勻壓緊以實(shí)現(xiàn)壓板內(nèi)外的密封；主控制器由視頻分配模塊、攝像機(jī)控制調(diào)節(jié)電路、控制權(quán)切換電路、照明光源調(diào)節(jié)電路、云臺(tái)電機(jī)控制電路、電源模塊組成，電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電源；控制權(quán)切換模塊實(shí)現(xiàn)手控盒和主控制器之間控制權(quán)的切換，其輸入來自主控制器的面板和手控盒，其三個(gè)輸出分別作為攝像機(jī)控制調(diào)節(jié)電路、照明光源調(diào)節(jié)電路和云臺(tái)電機(jī)控制電路的輸入，同時(shí)也為手控盒提供視頻信號(hào)輸入；云臺(tái)電機(jī)控制電路接收從控制權(quán)切換電路來的控制信號(hào)，據(jù)此信號(hào)控制兩個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，其輸出直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)；攝像機(jī)控制調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)對攝像機(jī)的變焦、對焦等的控制，其輸入來自控制權(quán)切換電路，輸出控制信號(hào)到攝像機(jī)；視頻分配模塊的輸入為攝像機(jī)輸出的視頻信號(hào)，其輸出為四路同樣的視頻信號(hào)；照明光源調(diào)節(jié)電路從控制權(quán)切換電路接收調(diào)節(jié)信號(hào)，其輸出控制照明電源的輸出電壓值，從而調(diào)節(jié)燈的亮度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下攝像系統(tǒng)，其特征在于所述的靜密封采用由丁晴橡膠做成的O型截面密封圈，動(dòng)密封的密封圈是由柔性石墨組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下攝像系統(tǒng)，其特征在于所述的控制權(quán)切換電路，由繼電器陣列組成，開關(guān)閉合時(shí)，繼電器線圈通電常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開從而將控制權(quán)從主控器切換到手控盒；開關(guān)斷開時(shí)，繼電器線圈斷電常開觸點(diǎn)斷開，常閉觸點(diǎn)閉合從而將控制權(quán)從手控盒切換到主控器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下攝像系統(tǒng)，其特征在于所述的攝像機(jī)控制調(diào)節(jié)電路主要由一個(gè)可控的電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，電路接收來自控制權(quán)切換電路的控制信號(hào)，譯碼器對此信號(hào)進(jìn)行譯碼，譯碼器的輸出作為繼電器驅(qū)動(dòng)電路的輸入，從而控制相應(yīng)的繼電器閉合，不同的繼電器閉合導(dǎo)致電阻網(wǎng)絡(luò)有不同的電阻值，攝像機(jī)便根據(jù)電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值來實(shí)現(xiàn)各種控制和調(diào)節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下攝像系統(tǒng)，其特征在于所述的云臺(tái)電機(jī)控制電路主要由電機(jī)控制芯片L298、單片機(jī)、調(diào)壓電路和過電機(jī)堵轉(zhuǎn)檢測電路組成，調(diào)壓電路設(shè)定電機(jī)的工作電壓；單片機(jī)是電路的控制核心，為電機(jī)控制芯片L298提供電機(jī)正反轉(zhuǎn)和停止信號(hào)；電機(jī)控制芯片L298根據(jù)單片機(jī)提供的信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向或轉(zhuǎn)動(dòng)，或者停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；堵轉(zhuǎn)檢測電路通過電機(jī)控制芯片L298的1和15引腳的電壓判斷電機(jī)是否堵轉(zhuǎn)，將堵轉(zhuǎn)信號(hào)輸入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)此信號(hào)做出判斷并向電機(jī)控制芯片L298發(fā)出停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下攝像系統(tǒng)，其特征在于所述的視頻分配模塊主要由五個(gè)射極跟隨器組成，從攝像機(jī)來的視頻信號(hào)先通過由三極管Q1構(gòu)成的電壓跟隨器分出四路信號(hào)作為另四個(gè)電壓跟隨器的輸入，從Q2、Q3、Q4、Q5四個(gè)三極管構(gòu)成的四個(gè)電壓跟隨器的輸出便得到四路同樣的視頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了將一路視頻信號(hào)一分為四的功能。
全文摘要
水下攝像系統(tǒng)，由攝像主體和主控制器組成，兩者通過電纜連接，其特征在于攝像主體由攝像機(jī)、水平轉(zhuǎn)軸及水平電機(jī)和齒輪減速組、垂直轉(zhuǎn)軸及垂直電機(jī)和齒輪減速組、動(dòng)密封和靜密封組成，水平轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)由水平電機(jī)經(jīng)齒輪減速組將力矩放大帶動(dòng)水平軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)，垂直轉(zhuǎn)軸由垂直電機(jī)經(jīng)齒輪減速將力矩增大來驅(qū)動(dòng)垂直軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)；主控制器由視頻分配模塊、攝像機(jī)控制調(diào)節(jié)電路、控制權(quán)切換電路、照明光源調(diào)節(jié)電路、云臺(tái)電機(jī)組成。本發(fā)明可以提供多方位、大視場目標(biāo)的觀察，圖像分辨力高，且具有操作控制簡單，集光學(xué)、機(jī)械、自動(dòng)控制于一體的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04N5/232GK1741573SQ200410009490
公開日2006年3月1日 申請日期2004年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月27日
發(fā)明者李聲, 蔡根, 馮常, 任宏偉 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所