張 晨 劉 晴 崔 瑛 劉未隆

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特種車輛用全景觀察儀的研究與應(yīng)用

張 晨1劉 晴1崔 瑛1劉未隆2

1.新鄉(xiāng)北方車輛儀表有限公司, 河南 新鄉(xiāng) 453000 2.中國(guó)人民解放軍陸軍裝甲兵軍事代表局，北京 100000

主要對(duì)特種車輛用全景觀察儀進(jìn)行了研究并闡述其原理。首先針對(duì)現(xiàn)有車載視頻監(jiān)控設(shè)備的特點(diǎn)以及特種車輛車載視頻監(jiān)控設(shè)備的應(yīng)用需求進(jìn)行分析，進(jìn)而介紹了一種全景觀察儀，解決了車載視頻監(jiān)控設(shè)備在特種車輛上應(yīng)用的問(wèn)題，并對(duì)全景觀察儀的前景進(jìn)行了分析與展望。

全景觀察儀；車載；視頻觀察；監(jiān)控

引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)已沒(méi)有了前線與后方之說(shuō)，威脅可能來(lái)自任何方向、任何時(shí)間[1]。為特種車輛提供真正意義上的全景觀察能力強(qiáng)的裝備對(duì)于作戰(zhàn)人員安全、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)監(jiān)控來(lái)說(shuō)具有重大的意義。為了便于觀察車輛后部的道路狀況，一般在車輛上普遍采用后視鏡或倒車影像系統(tǒng)為駕駛員提供車輛后部的直觀視覺(jué)影像[2]。對(duì)于民用車輛觀察及記錄前方路況，一般采用具有前視攝像機(jī)的行車記錄儀。對(duì)于特種車輛而言，則需要專用的車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)。針對(duì)目前特種車輛的視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用需求以及當(dāng)前市場(chǎng)上已有車載視頻監(jiān)控方案的特點(diǎn)，本文研究了一種針對(duì)特種車輛應(yīng)用的全景觀察儀并介紹了其應(yīng)用領(lǐng)域。

1 特種車輛車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究進(jìn)展

1.1 車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)的背景

車載視頻監(jiān)控最早形成于國(guó)外。早期國(guó)外一些安防客戶對(duì)運(yùn)營(yíng)車輛的安全以及監(jiān)管需求促使車載錄像等產(chǎn)品作為專用產(chǎn)品不斷推向市場(chǎng)，車載監(jiān)控市場(chǎng)逐漸形成。近年來(lái)，車載監(jiān)控市場(chǎng)的不斷發(fā)展使其成為安防行業(yè)重要的細(xì)分市場(chǎng)，其在國(guó)內(nèi)發(fā)展至今也已有十多年的歷史，在經(jīng)歷了市場(chǎng)萌芽、市場(chǎng)成長(zhǎng)兩個(gè)階段后，于2010年后，車載監(jiān)控領(lǐng)域在中國(guó)已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展期[3]。為了更好地解決汽車安全行駛問(wèn)題，車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)從軍用到民用各個(gè)領(lǐng)域都逐步發(fā)展起來(lái)。

1.2 車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要是實(shí)現(xiàn)乘員在車內(nèi)對(duì)車外環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察及視頻存儲(chǔ)與回放，使駕駛員可以隨時(shí)掌控車輛所處的環(huán)境與路況，及時(shí)避開(kāi)車輛周圍的障礙物以及實(shí)現(xiàn)對(duì)車身周邊環(huán)境的無(wú)盲區(qū)監(jiān)控。目前，車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由視頻觀察設(shè)備、視頻記錄單元和顯示器組成。其中車載視頻觀察設(shè)備的解決方案主要有以下兩種。

方案一：視頻觀察設(shè)備采用固定安裝的槍式攝像機(jī)對(duì)關(guān)重區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)觀察。由于單臺(tái)攝像機(jī)的視場(chǎng)角和觀察距離有限，因此在大范圍區(qū)域監(jiān)控的應(yīng)用場(chǎng)合，大多采用在車體的多個(gè)不同的位置或不同的方向布置多臺(tái)攝像機(jī)進(jìn)行觀察的解決方案。

方案二：視頻觀察設(shè)備采用單臺(tái)或多臺(tái)搭載于云臺(tái)的攝像機(jī)（球機(jī)），通過(guò)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，攝像機(jī)可以分時(shí)地對(duì)不同的監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行觀察。

由于以上兩種方案選用的攝像機(jī)均為常規(guī)型監(jiān)控?cái)z像機(jī)，選型、使用和維護(hù)比較方便，因此在當(dāng)前的車載安防監(jiān)控領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，在實(shí)際的應(yīng)用中也存在一定的問(wèn)題。若采用多臺(tái)槍型攝像機(jī)方案，由于受到車體外形的制約，攝像機(jī)的布局往往不能實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛周圍環(huán)境進(jìn)行全范圍的觀察，即存在觀察盲區(qū)；而采用球機(jī)方案，由于攝像機(jī)隨著云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，只能分時(shí)對(duì)不同的區(qū)域進(jìn)行觀察，不能實(shí)現(xiàn)觀察的實(shí)時(shí)性。

1.3 特種車輛視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于特種車輛對(duì)防護(hù)性能的要求，特種車輛通常采用密閉式結(jié)構(gòu)，車內(nèi)的作戰(zhàn)人員只能通過(guò)車體上面積有限的觀察窗以及潛望鏡對(duì)車輛外部環(huán)境和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)進(jìn)行觀察。以此種方式進(jìn)行觀察，能夠掌握的外部環(huán)境信息極其有限，不利于車輛和人員安全以及作戰(zhàn)指揮，因此急需一種能夠?qū)?zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行大范圍觀察的視頻觀察設(shè)備。目前部分特種車輛裝備有近景視頻觀察系統(tǒng)，包括前視攝像機(jī)、后視攝像機(jī)和左右視攝像機(jī)，用于對(duì)車輛附近十米范圍內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行觀察，并采用液晶顯示器對(duì)攝像機(jī)視頻進(jìn)行顯示。此系統(tǒng)主要用于對(duì)駕駛員進(jìn)行行駛輔助。部分偵察車輛裝備有云臺(tái)式攝像機(jī)，能夠通過(guò)控制升降桅桿和操控云臺(tái)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行觀察，但此設(shè)備專用性強(qiáng)，并非能在大多數(shù)車型上普遍應(yīng)用。因此，需要研制一種能夠滿足在特種車輛密閉結(jié)構(gòu)下對(duì)車輛外部環(huán)境進(jìn)行大范圍觀察需要的視頻觀察設(shè)備。

2 全景觀察儀的結(jié)構(gòu)與工作原理

本文介紹的一種全景觀察儀，根據(jù)特種車輛的應(yīng)用需求，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行水平方向360°范圍的全景觀察，并可以解決常規(guī)方案中存在的問(wèn)題。這種全景觀察儀主要由周視部件、云臺(tái)部件、探照燈部件及變焦攝像機(jī)部件組成。其中，周視部件主要包括殼體和8臺(tái)定焦攝像機(jī)模組。云臺(tái)部件安裝在周視部件的上方，包括殼體、水平傳動(dòng)組件、俯仰傳動(dòng)組件以及左右兩側(cè)的負(fù)載臺(tái)。探照燈部件和變焦攝像機(jī)部件分別安裝在云臺(tái)部件的左右負(fù)載臺(tái)中。全景觀察儀外形圖如圖1所示，周視部件的具體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2，云臺(tái)部件的具體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖3。

圖1 全景觀察儀外形圖

圖2 周視部件

圖3 云臺(tái)部件

該全景觀察儀采用周視部件的8臺(tái)定焦攝像機(jī)模組實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛周圍水平360°范圍內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻觀察，每臺(tái)定焦攝像機(jī)視場(chǎng)角為50°，8臺(tái)定焦攝像機(jī)在同一圓周面上均勻布置，每?jī)膳_(tái)定焦攝像機(jī)的中心線夾角45°，可以實(shí)現(xiàn)水平方向360°視場(chǎng)范圍的實(shí)時(shí)觀察。定焦攝像機(jī)分辨率為720（W）×576（H）像素，觀察50?m處的1.7?m高度的人員目標(biāo)，人員在畫面上占用分辨率約為10（W）×40（H）像素，可以對(duì)人員進(jìn)行辨別。每臺(tái)定焦攝像機(jī)模組均包含紅外照明燈，可適應(yīng)夜間低照度使用環(huán)境。全景觀察儀采用1臺(tái)變焦攝像機(jī)跟隨云臺(tái)進(jìn)行水平和俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)重要目標(biāo)的重點(diǎn)觀察，變焦攝像機(jī)選用36倍光學(xué)變焦的模擬攝像機(jī)，焦距范圍為3.4?mm（廣角端）～122.4?mm（遠(yuǎn)端），視場(chǎng)角范圍為2.2°～54.2°，最低照度0.1?Lux。變焦攝像機(jī)由功率為35?W的白光鹵素探照燈提供夜間輔助照明，該探照燈在距離150?m處的光照強(qiáng)度達(dá)到1?Lux，可滿足變焦攝像機(jī)在夜間環(huán)境下進(jìn)行觀察的需要。此外變焦攝像機(jī)還配備有雨刷器，可在雨雪天氣下清除觀察窗前的雨、雪、冰、霜等，提高惡劣環(huán)境下的觀察能力。全景觀察儀通過(guò)底部四個(gè)帶減振柱的螺栓安裝在車體頂部的支座上，具有良好的抗沖擊振動(dòng)性能。

云臺(tái)主要用于承載變焦攝像機(jī)和探照燈，可以實(shí)現(xiàn)在水平方向上360°連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)并可實(shí)現(xiàn)在俯仰方向上﹣45°～85°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，以擴(kuò)展變焦攝像機(jī)的觀察范圍。云臺(tái)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程為：水平驅(qū)動(dòng)電機(jī)得電工作，水平驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，水平驅(qū)動(dòng)齒輪通過(guò)水平同步帶帶動(dòng)水平從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，水平傳動(dòng)蝸桿驅(qū)動(dòng)水平旋轉(zhuǎn)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，固定板相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)連接板轉(zhuǎn)動(dòng)。蝸輪蝸桿傳動(dòng)平穩(wěn)且具有斷電自鎖功能，水平同步帶設(shè)有內(nèi)齒輪，傳動(dòng)平穩(wěn)、精度高。云臺(tái)部件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。云臺(tái)的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程為：俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)得電工作，俯仰驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，俯仰驅(qū)動(dòng)齒輪通過(guò)俯仰同步帶帶動(dòng)俯仰從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，俯仰傳動(dòng)蝸桿驅(qū)動(dòng)俯仰旋轉(zhuǎn)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，俯仰主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，俯仰主軸帶動(dòng)探照燈部件和變焦攝像機(jī)部件一起轉(zhuǎn)動(dòng)。蝸輪蝸桿傳動(dòng)平穩(wěn)且具有斷電自鎖功能，俯仰同步帶設(shè)有內(nèi)齒輪，傳動(dòng)平穩(wěn)、精度高。

云臺(tái)采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用128細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過(guò)細(xì)分后，步進(jìn)電機(jī)步距角達(dá)到0.014?062?5°，在提高步進(jìn)精度的同時(shí)，提高了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性，使云臺(tái)能夠進(jìn)行高精度的運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速后，云臺(tái)最低轉(zhuǎn)動(dòng)速度可達(dá)到0.01°/s。云臺(tái)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由同步帶和蝸輪蝸桿組成。采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，在斷電時(shí)可保持水平方向和俯仰方向的自鎖狀態(tài)，以保證云臺(tái)和變焦攝像機(jī)在車輛上的強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境不會(huì)受到意外損壞。

全景觀察儀中具有控制模塊，能夠采用CAN總線和RS485總線與外部系統(tǒng)進(jìn)行通信。外部控制設(shè)備能夠向全景觀察儀發(fā)送水平和俯仰運(yùn)動(dòng)速度控制信息、水平和俯仰運(yùn)動(dòng)位置控制信息、變焦攝像機(jī)變焦控制信息、紅外照明燈開(kāi)關(guān)信息、探照燈開(kāi)關(guān)信息以及雨刷器控制信息等對(duì)全景觀察儀進(jìn)行控制；同時(shí)，全景觀察儀能夠?qū)ν獍l(fā)送變焦攝像機(jī)的觀察方位，便于使用人員對(duì)目標(biāo)的方位進(jìn)行判斷。

3 展望

隨著視頻監(jiān)控技術(shù)的日趨成熟，車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)正在突飛猛進(jìn)的發(fā)展。采用全景觀察儀作為觀察設(shè)備的車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)將會(huì)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到特種車輛上，本文介紹的全景觀察儀能夠?qū)崿F(xiàn)360°全景實(shí)時(shí)監(jiān)控，解決了裝甲車輛密閉環(huán)境下對(duì)車輛外部環(huán)境觀察的問(wèn)題，且與傳統(tǒng)方案相比，具有集成度高、可靠性高、安裝方便的特點(diǎn)，能夠滿足目前大多數(shù)特種車輛對(duì)全景監(jiān)控系統(tǒng)的要求并且性能穩(wěn)定可靠，未來(lái)具有極大的發(fā)展前景。

[1]裝甲戰(zhàn)車態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)[J]. 國(guó)外坦克，2016（8）：37-38.

[2]夏立玲，白順科. 車載拼接式全景周視導(dǎo)航平臺(tái)研究[J].內(nèi)江科技，2015，36（11）：44-45.

[3]論智能車載終端監(jiān)控在安防行業(yè)的發(fā)展與應(yīng)用[EB/OL].[2017-07-27].http://www.afzhan.com/news/detail/57652.html，2017-07-27.

Research and Application of Panoramic Observer for Special Vehicles

Zhang Chen1Liu Qing1Cui Ying1Liu Weilong2

1. Xinxiang North Vehicle Instrument Co., Ltd., Henan Xinxiang 453000 2. People’s Liberation Army of China Military Representative Office of the Army Armored Forces, Beijing 100000

The research on the panoramic observer for special vehicles is mainly carried out and its principle is explained. Firstly, it analyzes the characteristics of the existing vehicle video monitoring equipment and the application requirements of the special vehicle vehicle video monitoring equipment, and then introduces a panoramic observer to solve the problem of the application of the vehicle video monitoring equipment on special vehicles. The prospect of the instrument is analyzed and prospected.

panoramic observer; vehicle; video observation; monitoring

TP277

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