毕业设计（论文）-车载照明摄像一体化云台设计

1、重庆大学网络教育学院毕业论文前言1.1 概述云台是承载摄像机进行水平和垂直两个方向转动的装置。云台内装两个电动机。这两个电机一个负责水平方向的转动，另一个负责垂直方向的转动。水平转动的角度一般350。，垂直转动则有土45，土35土75等等。水平及垂直转动的角度大小可通过步进电机进行调整。全套图纸加扣 3346389411或3012250582云台的分类大致分为室内用云台及室外用云台。室内用云台承重小，没有防雨装置。室外用云台承重大，有防雨装置。有些高档的室外云台除有防雨装置外，还有防冻加温装置。为适应安装不同的摄像机及防护罩，云台的承重应是不同的。因而应根据选用的摄像机及防护罩的总重量来选用合适承重的云台。室内云台的承重量较小，云台的体积和自重也较小。室外用云台因为肯定要在它的上面安装带有防护罩(往往还是全天候防护罩)的摄像机，所以承重量都较大。它的体积和自重也较大。目前出厂的室内云台承重量大约1.5KG7KG左右。室外用云台承重量大约7KG50KG左右。还有些云台是微型云台，比如与摄像机一起安装在半球型防护罩内或全天候防护罩内的云台。一般的云台均属于有线控制的数控云台。云台的转动是通

2、过在控制室操作控制器，将控制电压通过多芯电缆直接加到云台内的步进电机上，或者通过通信电缆控制远端的解码器，再又解码器经局部多芯电缆将电压加到云台内的电动机上，从而实现云台的旋转。还有的云台内装继电器等控制电路，这样的云台往往有六个控制输入端。一个是电源的公共端，另四个是上、下、左、右端。还有一个则是自动转动端。当电源的一端接在公共端后，电源另一端接在“自动”端后，云台将带动摄像机头按一定的转动速度进行上、下、左、右的自动转动。在电源供电电压方面，目前常见的有交流24V和220V两种。云台的耗电功率一般是承重量小的功耗小，承重量大的功耗大。目前，还有直流6V供电的室内用的小型云台，可在其内部安装电池，并用红外遥控器进行遥控。目前大多数云台仍采用有线遥控方式。云台的安装位置距控制中心较近，且数量不多时，一般采用从控制台直接输出控制信号进行控制。而当云台的安装位置距离控制中心较远且数量较多时，往往采用总线方式传送编码的控制信号并通过终端解码解出控制信号再去控制云台的转动。该设计用于铁路限界、隧道成像系统，对电气化铁路接触网进行视屏监控；整体设计要求体积小、重量轻，自动化程度高。1.2 数控云

3、台的工作原理与特点1.2.1 数控云台的工作原理数控云台的旋转不能在现场通过手动调整，而只能是在控制室内通过操作控制器，将控制电压通过多芯电缆直接加到云台内的低速大转矩电动机上或者通过通信电缆控制远端的解码器，再有解码器经局部多芯电缆将控制电压加到云台的低速大转矩电机上，从而使云台的台面在空间任意方向上旋转。摄像机配上云台，实际等效于增加了摄像机的空间可视范围。全方位数控云台内部有两个驱动电机。水平方向上有一个能紧急起动和立即停止的慢速大转矩驱动电机，通过齿轮传动，可带动台面在水平方向做正反向旋转，且不会出现慢性滑动。垂直方向上的驱动电机，该电机可以带动摄像机座板在垂直方向60范围做俯仰运动。1.2.2 智能高速球云台的优点 普通云台的监视范围有限，在云台的正下方存在死点，而智能高速球形云台在水平方向上 可以连续360度无级变速扫描，不存在任何死点； 普通云台多为匀速云台，只能以10转/秒左右的固定速度进行扫描，无法应付突发事件的发生。而智能高速球云台可以在0.5度125转/秒的可变速搜索目标； 普通云台通常没有预置摄像点的功能，而智能高速球云台则可以有预置摄像点。综上所述，球型云台比

4、普通云台更有使用价值。2 设计方案的确立2.1 数控云台的技术指标 数控云台的设计参数和技术指标 水平转角：0350俯仰转角：-45+45; 载荷最大重量1000g； 脉冲当量0.5/脉冲； 最大转速，水平Z轴60rad/min，俯仰X轴30rad/min; 串行总线命令控制； 数控装置采用单片机控制系统； 室内工作环境，温度小于70度； 工作电压AC220V，消耗功率小于300W；2.2 数控云台总体设计方案2.2.1 数控云台设计方案的提出初步确定水平轴和垂直轴分别使用反应式步进电机作驱动源，并利用齿轮减速机构，以细分步进电机的步距角。垂直转动轴与齿轮的连接是用一对背靠背的角接触球轴承，水平转动轴是用滑动轴承与支架连接。分别用水平支架和垂直支架支承摄像机。外部采用吊装支承，外型仿效球型云台的设计。2.2.2 云台设计方案的论述步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种把脉冲信号换成直线位移或角位移的执行元件。其特点是输入一个脉冲就转动一步，即转子转过一个相应的步距角。实际上，驱动步进电机的开关是晶体管，开关信号由数字集成电路或微机产生。通过前面的介绍可以看到，步进电机是一种把

5、开关激励的变化变换成为准的转子位置增量运动的执行机构。与能够实现类似功能的其他部件相比，使用步进电机的控制系统有下面几个明显的优点： 可以开环控制也可以闭环控制。开环控制不需要位置或速度的检测元件，系统结构简单，能方便地控制脉冲的个数和脉冲的频率实现定位和调速。闭环控制可以控制精确的位置和平稳的转速。本设计的控制系统即为开环控制； 转速仅取决于脉冲频率，而不受电压高低、电流大小及其波形的影响；输启动、停止、反转及其他运行方式的改变，都可以在少量的脉冲周期内完成，并且具有定位转矩； 输出转角（步距角）无长期积累误差，每转一圈积累误差会自动消失。步进电机的品种规格很多，按照它们的结构和工作原理可以划分为磁阻式(也称反应式或变磁阻式)电机、混合式电机、永磁式电机和特种电机等四种主要型式：反应式步进电动机由于其结构简单和经久耐用，所以是目前应用最普及的一种步进电动机。这种电动机按变磁阻原理工作，于是有的国家又称之为变磁阻步进电动机。其优点是：力矩惯性比高；步进频率高，频率响应快；不通电时转子能自由转动；机械结构简单、寿命长；能双向旋转；有适量阻尼；正常电机无失步区。缺点是：不通电时无定位力矩；

6、每步有振荡和过冲。永磁式步进电动机特点：功耗较小，在断电时仍有定位转矩，但是步距角大，需供给正负脉冲电源，启动和运行频率较低。混合式电机特点：转矩大，步距角小，运行频率高，功耗低及有自锁功能，但需有正负电脉冲供电，结构复杂，价格高。比较以上各种电机，决定选择反应式步进电机作为驱动摄像机的动力源。摄像机的脉冲当量等于步进电动机的步距角除以传动比，为使摄像机达到较小的脉冲当量，利用齿轮减速机构，细分步距角以达到目的，同时降低驱动齿轮的转速，提高转矩。垂直轴上的一对轴承主要用于承受轴向力；水平轴采用滑动轴承，可以减小径向空间尺寸。整个云台采用吊装球型设计，其优点如下： 最大限度地减少灰尘和外来的干扰，使云台寿命大大延长，也使系统的可靠性进一步提高； 球型防护罩采用内侧单面镀膜工艺，有利于隐蔽监视； 防护罩表面进行防静电处理，可以防止灰尘吸附，日常维护简单； 防护罩降低了云台的转动噪音。3 机械部分的设计3.1 脉冲当量和各传动比的确定 确定脉冲当量为0.5/脉冲； 设机械系统Z方向的传动比i=3,小齿轮的齿数z1=18,大齿轮齿数z2=54，模数=1； X方向的传动比i=3,小齿轮的齿数z3

7、=18,大齿轮的齿数z4=54。 已知受电弓滑条长度为4m，检测车运行速度为72Km/h,则接触网在受电弓上滑行速度为20m/s。根据正三角形安装方式（受电弓滑条长度与云台安装位置为边长为滑条长度的正三角形）得出云台转速为1.2r/s，故取1r/s即60r/min。 已知图像数据处理频率为2Hz，即完全监控受电弓周期为0.5s。已知监控角度为60，则完全监控时间为1/6s。所以，取传动比i=3，完全监控所用时间为0.2s。3.2 步进电机的选用步进电机的选用主要考虑三个问题：（1）步距角要满足系统脉冲当量的要求；（2）满足最大静转矩的要求；（3）启动转矩与启动频率、工作运行转矩与运行频率必须满足所选电机型号相对应的启动矩频特性和工作矩频特性。3.2.1 传动系统等效转动惯量对于钢制轴、轴承、齿轮、联轴节等圆柱体对自身回转轴的转动惯量J计算公式为（见2）： （式3-1）式中：D为圆柱体的直径（mm）;L为圆柱体的长度（mm）。传动件折算到步进电机轴上的转动惯量JR计算公式为（见3）： （式3-2）式中：i为电机轴到传动件的传动比，i=3。 现先计算各传动件自身转动惯量： 齿轮z1、z3：

8、齿轮z2、z4： 计算各传动件折算到步进电机轴上的转动惯量：齿轮z1、z3：齿轮z2、z4： 各传动件折算到步进电机轴上的总的转动惯量：Z方向：X方向： 步进电机轴上的总转动惯量J： （式3-3）与JR比较可JD为步进电机的转动惯量，该设计可能使用的步进电机的转动惯量JD小于0.001，可以忽略，故：Z方向：X方向：3.2.2 负载转矩的计算本设计中，近似地认为升速规律按直线规律升速（实际上是按指数规律升速），假定从静止升到180/s需时0.2s 。 角加速度计算（见4） （式3-4）水平转速为60rad/min，即360/s；垂直转速为30rad/min，即180/s，故： 惯性力转矩计算（见2） （式3-5）Z方向： X方向： 重力转矩计算（见2）Z方向电机的重力不产生转矩，故：垂直X轴方向由于摄像机重540g，考虑支架附件的重量，取m=700g,偏心距e=10mm，故： 传动效率计算由于摩擦阻力不考虑，其他环节的摩擦按传动件传动效率考虑，取，故： 负载转矩计算（见2）Z方向： X方向： 3.2.3 步进电机的选用运动部件正常运行时所需的最大静转矩（见3）为： （式3-6）要求步进电机正常运行时所需最大静转矩 （式3-7） Z方向步进电机的选用 由于脉冲当量/脉冲，水平方向的最高运行速度/s，所以步进电机最高运行频率。 综上计算，并考虑步进电机的步距角，选用45BF003反应式步进电机。 X方向步进电机的选用 由于脉冲当量/脉冲，水平方向的最高运行速度/s，所以步进电机最高运行频率。综上计算，并考虑步进电机的步距角，选用36BF003反应式步进电机。3.3 Z方向齿轮减速机构传动系统设计初步拟定已知条件为：传动比i=3，n2max=60r/min,工作寿命为20年（每天工作24小时，一年工作360天）（见4）。3.3.1 选定齿轮类型、精度、材料、齿数 按传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动； 由于该减速器传动功率不大，所以大、小齿轮都选用软齿面齿论。选大、小齿轮材料为45号钢，经调质处理，齿面硬度为217-255HBS； 选取精度等级为7级（GB10095-88）； 选取小齿轮齿数,大齿轮齿数。3.3.2 按齿面接触强度计算 （式3-8）由设计公式(式3-8)进行试算。 确定公式内各计算数值 选载荷系数； 确定小齿轮传递转

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