云台

分类

　　云台有多种类型： 云台分为固定和电动云台两种。

　　固定云台适用于监视范围不大的情况， 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，达到的工作姿态后只要锁定调整机构就可以了。 电动云台适用于对大范围进行扫描监视， 它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， 电动机接受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。

　　云台根据其回转的特点可分为只能左右旋转的水平旋转云台和既能左右旋转又能上下 旋转的全方位云台。一般来说，水平旋转角度为0°～350°，垂直旋转角度为+90°。恒速云台 的水平旋转速度一般在3°～10°/s，垂直速度为4°/s 左右。变速云台的水平旋转速度一般在 0°～32°/s，垂直旋转速度在0°～16°/s 左右。在一些高速摄像系统中，云台的水平旋转速度 高达480°/s 以上，垂直旋转速度在120°/s 以上。 云台（Pan&Tilt）云台就是两个交流电组成的安装平台，可以水平和垂直的运动，将摄 象机安装于其上，实现摄象机多个自由度运动的装置，满足对固定监 控目标的快速定位， 或对大范围监控环境的全景观察。 对云台的选择可以按下列分类来加以区分。 在挑选云台时 要考虑安装环境、安装方式、工作电压、负载大小，也要考虑性能价格比和外型是否美观。

　　1、从能够承受负载能力划分 、

　　轻载云台——负重20磅（9.08公斤） 。

　　中载云台——负重50磅（22.7公斤） 。

　　重载云台——负重100磅（45公斤） 。

　　防爆云台——用于危险环境下、 能够防爆和防粉尘点燃的云台， 带高转矩交流电机和可 调螺杆驱动，可负重100磅。

　　2、按使用环境分为室内型和室外型，主要区别是室外型密封性能好，防水、防尘，负 、按使用环境分为室内型和室外型 载大。

　　3、从运动方向划分 、

　　水平旋转云台——仅能实现水平旋转运动，故亦称为转台。

　　全方位云台——既能够作水平旋转运动， 也能够作垂直俯仰运动， 有的还能够做结合两 者的复合运动。

　　4、从回转范围划分 、

　　水平旋转有0～355度云台，两端设有限位开关，还有360度自由旋转云台，可以作任意 个360度旋转。

　　垂直俯仰均为９0度， 现在已出现垂直可做360度、 并可在垂直回转至后方时自动将影响 调整为正向（auto image Invert for tilt）的新产品。

　　5、从云台使用电压类型划分 、 220VAC 云台、24VAC 云台 、直流供电云台

　　6、从旋转速度划分

　　恒速云台——只有一档速度，一般水平旋转速度最小值为6～12度/秒，垂直俯仰速度为 3～3.5度/秒。但快速云台水平旋转和垂直俯仰速度更高。

　　可变速云台——水平旋转速度范围为0～>400度/秒，垂直倾斜速度范围多为0～120度/ 秒，但已有达400度/秒的产品。

　　7、按安装方式分为侧装和吊装 、按安装方式分为侧装和吊装，即云台是安装在天花板上还是安装在墙壁上。 装和吊装

　　8、按外形分为普通型和球型，球型云台是把云台安置在一个半球形、球形防护罩中，除了 防止灰尘干扰图像外，还隐蔽、美观、快速。

　　9、从驱动部件划分 、

　　以24VAC 或220VAC 二相感应型马达带动齿轮和链条机构。 以二相感应马达带动可调螺杆传动装置。

　　以115ＶＤＣ并激式直流马达作驱动源，带动可调螺杆传动。 交流24Ｖ单相瞬间反转感应型电机，带动 Delrin 螺杆驱动。 对于变速旋转型云台，有的用步进马达。

性能指标

　　旋转转速

　　5度/秒-120度/秒不等，高速球型摄像机的内置云台达240度/秒。

　　旋转角度

　　上下：0-90度；左右：0-350度/秒；智能云台无旋转角度限制。

　　工作电压

　　AC24V和AC22O两种，使用时特别注意，否则解码器会烧毁。

　　载重

　　云台的载重是云台工作电机功率的直接反映，不能超过云台的载重规定，否则，解码器无法正常工作。

　　承重

　　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。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。 目前的室内云台承重量大约1. 5kg~7kg左右，室外用云台承重量大约为7kg~50kg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。

　　控制方式

　　一般的云台均属于有线控制的电动云台。控制线的输入端有五个，其中一个为电源的公共端，另外四个分为上、下、左、右控制端。如果将电源的一端接在公共端上，电源的另一端接在“上”时，则云台带动摄像机头向上转，其余类推。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，电源另一端接在“自动”端， 云台将带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。还有直流6V供电的室内用小型云台，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摇控方式。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器解出控制信号再去控制云台的转动。

　　用云台时，选用在云台固定不动的位置上安装有控制输入端及视频输入输出端接口的云台，并且在固定部位与转动部位之间（即与摄像机之间）有用软螺旋线形成的摄像机及镜头的控制输入线和视频输出线的连线。这样的云台安装使用后不会因长期使用导致转动部分的连线损坏。特别是室外用的云台更应如此。

设计考虑

　　在 《 国标》中对云台的负载能力的等级、转动速度、转动角度的范围、电动云台的安装尺寸、云台和摄像机防护罩的连接方式和安装尺寸、电动云台与外部连接器的接口都有明确的规定，因此有必要在设计以前，先了解这些技术条件，以便使设计出来的产品符合国家标准，又具有通用性和互换性。

　　1 .  1电动云台负载的确定:

　　负载这个技术参数在设计时是非常重要的。在 《 国标》中规定:电动云台的负载 ( 单位:k g )是指垂直方向承受的负载能力。它的定义是指摄像机的重心到云台工作面的距离为5 0 m m ，该重心必须通过云台的回转中心，并且与云台工作面垂直。

　　这个重心即为电动云台负载点，云台的承载能力是以此点作为设计计算的基准。电动云台负软能力的测定必须符合如下的规定:当电动云台的输出转矩T为一定时，根据 《 国标》的规定，摄象机重心到云台回转中心的距离为5 0 m m + L  C L为云台工作面到云台回转中心的距离)垂直方向旋转的角度为a，电动云台的负载能力Q 应符合如下公式:

　　Q < T / ( L + 5 0 ) s i n  a     ( k g )式中单位: T  - k g * m m ， L - m m由此公式可知:Q与L成反比，L越大，负载能力越小。因此，在设计与使用中应参照此关系式，这样既考虑负载又考虑到力矩比较合理。至于云台工作面到回转中心的距离L ，设计时尽可能取得小，以免力矩过大或选用电机功率过大，造成传动机构尺寸过大而影响整体云台尺寸。

　　1 .  2 电机的选用:

　　电机是电动云台中非常重要的元器件之一， 选用是否正确将直接影响电动云台的性能与价格。

　　目前，除了直流伺服电机外 ( 因为直流伺服电机在工作时产生电火花会影响摄象机图象的稳定性和画面质量，故现在很少使用。 ) ，选用较多的是交流伺服电机，这是因为交流伺服电机品种多，且大多数是低压电机，如交流2 4 V ,  3 6 V等，转速一般为1 2 0 0转/分，批量大，成本低，价格也低。我们知道，同一功率的电机中，转速越低，则电机的尺寸与重量就越大，价格越高。所以选用高速电机为佳，但在传动机构的设计中，电机转速越高，所需传动比越大，传动系统的结构越复杂，成本也越高。

　　在确定转速时，应兼顾以上两点综合考虑，以使整个系统设计更为经济、实用、合理。

　　现多选用转速为1 2 0 0 转/ 分或1 5 0 0 转/ 分的交流伺服电机。

　　还有选用步进电机作为电动云台的驱动。这种电动云台是由单片机控制，实行多点预制跟踪监视。如耐杰星、派尔高云台，都具有7 2点预制、回放功能。如果选用变频调速电机，还可以实现高速变速跟踪。这些都是今后电动云台发展的方向。

　　1 .  3电动云台传动机构的选择:

　　由于全方位电动云台需要两个不同方位的旋转自由度， 所以都具有两个相互独立的传动机构。电动云台的传动机构主要是由蜗轮、蜗杆和齿轮组合而成，根据电机转速，确定总传动比，然后依据传动装置的总体布置，将传动比合理地分配到各级传动中去。

　　合理分配传动比是设计传动机构的一个重要环节，它将直接影响到传动装置的外形尺寸、重量、润滑条件和减速齿轮的中心距等。各级传动比分配的一般原则是:使各级传动的承载能力接近相等;使减速机构能获得最小的外形尺寸、重量;使传动零件的圆周速度降低。另外，选用微型变速箱的齿轮传动，也可以减小体积、提高效率、减小噪 声 。

　　因为普通的电动云台齿轮都以油脂作为润滑剂，故散热主要靠自然冷却方式，从箱体外壁散发到周围空气中去。而对于蜗杆传动速度不高，又具有比较好的散热条件的，可以省却热平衡校核。

　　2、电动云台的设计步骤

　　和计算首先根据 《 国标》确定电动云台的负载，然后选用合适的电机。尽可能选用低压电机。由于全方位电动云台是由垂直和水平两部分独立的传动机构组成的，而垂直方向的传动机构是主要承载机构，所以在设计时是以垂直方向的传动机构作为主要承载机构来设计，而水平方向的传动机构只受水平磨擦转矩和电缆拖带等所产生的转矩影响。

　　根据设计经验，水平方向所选用的电机功率一般为垂直方向的一半。

　　2 . 1 电机功率的计算已知负载Q  ( k g ) ，转动角速度。( 1 / s ) ，设定云台工作面到云台回转中心距离为L  ( m m ) ,当a为时 ( a< -6 0 0) ，此时Q所产生的静止力矩T 1 为，故云台输出轴上所输出T 必须大于T 1 ，即DT I ，一般T > 1 .  5 T 1T = Q· s i n  a  ( L + 5 0 )  X  9 .  8  X  1 0 ' '   ( N m )由上式可知，随着a的增加，T 1也将增加。

　　云台输出轴上的转矩为:

　　T = 9 5 5 0 P w / r i o  X  1 0 - '   ( N 动式中: n o — 输出转速( 1 / m i n ) ,  P w — 云台 输出轴 上的功率( ( W  ) 4      由此可得出电机的功率:

　　P w = T .  n o /9 5 5 0  X  1 0 '   ( W )      P d 二 P w/r i    (  W)其中n — 传动机构的总效率，n 二n ， n Z n 3 … n 。

　　n ， … n 。为各级机构的效率.      计算出来的电机功率应略小于电机的额定功率，从电机手册中选用相应的电机型号。

　　选用电机的额定功率不能过大，这样电机在欠载条件下工作，其功率因素C O s  4 )很低，经济性不高。电机的额定功率也不能过小，因为电机在长期过载条件下工作，发热严重，必会降低电机的使用寿命。在设计时，设计功率一般选用电机的额定功率，电机的转速按额定转速计算。

　　2 .  2 根据选定的电机的技术参数，确定传动形式，合理分配各级传动比。有关具体的计算方法，可参阅 《 机械零件设计手册》 .通过对各个零件的设计计算和校核，完成整个云台的设计和计算。

　　3、室外云台的结构特点

　　室内云台主要是防尘，不需要密封设计，结构轻巧。而室外云台必须有防水性能，包括电缆接口等都要考虑密封设计。室外云台一般都与室外摄象机防护翠配合使用，故负载能力较大。在室外云台的设计中，应对云台垂直输出轴处和水平输出轴处进行防水设计。一般采用较多的密封圈是 “ 0”型密封圈和密封用的工业橡胶。另外，云台、摄象机和控制器的连接件，必须使用防水性的接插件，以保证其良好的防水性能。

　　此外，还有云台负载能力的测量及其测量方法和云台与控制器的接口等问题要考虑。

　　现在云台设计以不满足于功能上的要求，还要从外观、形式、色彩和隐蔽程度上考虑，全面的进行优化设计。

发展趋势

　　云台的发展与CCTV 产品的发展趋势一致，将进入网络控制时代，与摄像机的一体化，与网络控制一体化是目前的发展趋势，另外的准确任意控制角度，任意控制转速，可编程控制监视的范围，速度，频率是目前云台发展的另一趋势，云台通过微型的步进电机可以实现该功能，Sony 的产品就是采用直径为15毫米的步进电机，整合在镜头部分，整体的尺寸大大缩小。该款产品只需要在客户端点击产品有动态感应功能和网络调控功能，可以随意调控速度，设定角度等等。