特種車輛用全景觀察儀的研究與應用

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用

張 晨1劉 晴1崔 瑛1劉未隆2

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

主要對特種車輛用全景觀察儀進行了研究并闡述其原理。首先針對現有車載視頻監控設備的特點以及特種車輛車載視頻監控設備的應用需求進行分析，進而介紹了一種全景觀察儀，解決了車載視頻監控設備在特種車輛上應用的問題，并對全景觀察儀的前景進行了分析與展望。

全景觀察儀；車載；視頻觀察；監控

引言

現代戰爭已沒有了前線與后方之說，威脅可能來自任何方向、任何時間[1]。為特種車輛提供真正意義上的全景觀察能力強的裝備對于作戰人員安全、戰場態勢監控來說具有重大的意義。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為駕駛員提供車輛后部的直觀視覺影像[2]。對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的行車記錄儀。對于特種車輛而言，則需要專用的車載視頻監控系統。針對目前特種車輛的視頻監控系統應用需求以及當前市場上已有車載視頻監控方案的特點，本文研究了一種針對特種車輛應用的全景觀察儀并介紹了其應用領域。

1 特種車輛車載視頻監控系統的研究進展

1.1 車載視頻監控系統的背景

車載視頻監控最早形成于國外。早期國外一些安防客戶對運營車輛的安全以及監管需求促使車載錄像等產品作為專用產品不斷推向市場，車載監控市場逐漸形成。近年來，車載監控市場的不斷發展使其成為安防行業重要的細分市場，其在國內發展至今也已有十多年的歷史，在經歷了市場萌芽、市場成長兩個階段后，于2010年后，車載監控領域在中國已經進入快速發展期[3]。為了更好地解決汽車安全行駛問題，車載視頻監控系統從軍用到民用各個領域都逐步發展起來。

1.2 車載視頻監控系統的研究現狀

車載視頻監控系統的功能主要是實現乘員在車內對車外環境進行實時觀察及視頻存儲與回放，使駕駛員可以隨時掌控車輛所處的環境與路況，及時避開車輛周圍的障礙物以及實現對車身周邊環境的無盲區監控。目前，車載視頻監控系統主要由視頻觀察設備、視頻記錄單元和顯示器組成。其中車載視頻觀察設備的解決方案主要有以下兩種。

方案一：視頻觀察設備采用固定安裝的槍式攝像機對關重區域進行定點觀察。由于單臺攝像機的視場角和觀察距離有限，因此在大范圍區域監控的應用場合，大多采用在車體的多個不同的位置或不同的方向布置多臺攝像機進行觀察的解決方案。

方案二：視頻觀察設備采用單臺或多臺搭載于云臺的攝像機（球機），通過云臺轉動，攝像機可以分時地對不同的監控區域進行觀察。

由于以上兩種方案選用的攝像機均為常規型監控攝像機，選型、使用和維護比較方便，因此在當前的車載安防監控領域得到了廣泛應用。然而，在實際的應用中也存在一定的問題。若采用多臺槍型攝像機方案，由于受到車體外形的制約，攝像機的布局往往不能實現對車輛周圍環境進行全范圍的觀察，即存在觀察盲區；而采用球機方案，由于攝像機隨著云臺轉動，只能分時對不同的區域進行觀察，不能實現觀察的實時性。

1.3 特種車輛視頻監控系統的應用現狀

由于特種車輛對防護性能的要求，特種車輛通常采用密閉式結構，車內的作戰人員只能通過車體上面積有限的觀察窗以及潛望鏡對車輛外部環境和戰場態勢進行觀察。以此種方式進行觀察，能夠掌握的外部環境信息極其有限，不利于車輛和人員安全以及作戰指揮，因此急需一種能夠對戰場環境進行大范圍觀察的視頻觀察設備。目前部分特種車輛裝備有近景視頻觀察系統，包括前視攝像機、后視攝像機和左右視攝像機，用于對車輛附近十米范圍內的環境進行觀察，并采用液晶顯示器對攝像機視頻進行顯示。此系統主要用于對駕駛員進行行駛輔助。部分偵察車輛裝備有云臺式攝像機，能夠通過控制升降桅桿和操控云臺對戰場環境進行觀察，但此設備專用性強，并非能在大多數車型上普遍應用。因此，需要研制一種能夠滿足在特種車輛密閉結構下對車輛外部環境進行大范圍觀察需要的視頻觀察設備。

2 全景觀察儀的結構與工作原理

本文介紹的一種全景觀察儀，根據特種車輛的應用需求，能夠實現對戰場環境進行水平方向360°范圍的全景觀察，并可以解決常規方案中存在的問題。這種全景觀察儀主要由周視部件、云臺部件、探照燈部件及變焦攝像機部件組成。其中，周視部件主要包括殼體和8臺定焦攝像機模組。云臺部件安裝在周視部件的上方，包括殼體、水平傳動組件、俯仰傳動組件以及左右兩側的負載臺。探照燈部件和變焦攝像機部件分別安裝在云臺部件的左右負載臺中。全景觀察儀外形圖如圖1所示，周視部件的具體結構參見圖2，云臺部件的具體結構參見圖3。

圖1 全景觀察儀外形圖

圖2 周視部件

圖3 云臺部件

該全景觀察儀采用周視部件的8臺定焦攝像機模組實現對車輛周圍水平360°范圍內環境進行實時視頻觀察，每臺定焦攝像機視場角為50°，8臺定焦攝像機在同一圓周面上均勻布置，每兩臺定焦攝像機的中心線夾角45°，可以實現水平方向360°視場范圍的實時觀察。定焦攝像機分辨率為720（W）×576（H）像素，觀察50?m處的1.7?m高度的人員目標，人員在畫面上占用分辨率約為10（W）×40（H）像素，可以對人員進行辨別。每臺定焦攝像機模組均包含紅外照明燈，可適應夜間低照度使用環境。全景觀察儀采用1臺變焦攝像機跟隨云臺進行水平和俯仰轉動實現對重要目標的重點觀察，變焦攝像機選用36倍光學變焦的模擬攝像機，焦距范圍為3.4?mm（廣角端）～122.4?mm（遠端），視場角范圍為2.2°～54.2°，最低照度0.1?Lux。變焦攝像機由功率為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處的光照強度達到1?Lux，可滿足變焦攝像機在夜間環境下進行觀察的需要。此外變焦攝像機還配備有雨刷器，可在雨雪天氣下清除觀察窗前的雨、雪、冰、霜等，提高惡劣環境下的觀察能力。全景觀察儀通過底部四個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性能。

云臺主要用于承載變焦攝像機和探照燈，可以實現在水平方向上360°連續轉動并可實現在俯仰方向上﹣45°～85°范圍內轉動，以擴展變焦攝像機的觀察范圍。云臺的水平轉動過程為：水平驅動電機得電工作，水平驅動齒輪轉動，水平驅動齒輪通過水平同步帶帶動水平從動齒輪轉動，水平傳動蝸桿驅動水平旋轉蝸輪轉動，固定板相對轉動連接板轉動。蝸輪蝸桿傳動平穩且具有斷電自鎖功能，水平同步帶設有內齒輪，傳動平穩、精度高。云臺部件結構圖如圖3所示。云臺的俯仰轉動過程為：俯仰驅動電機得電工作，俯仰驅動齒輪轉動，俯仰驅動齒輪通過俯仰同步帶帶動俯仰從動齒輪轉動，俯仰傳動蝸桿驅動俯仰旋轉渦輪轉動，俯仰主軸轉動，俯仰主軸帶動探照燈部件和變焦攝像機部件一起轉動。蝸輪蝸桿傳動平穩且具有斷電自鎖功能，俯仰同步帶設有內齒輪，傳動平穩、精度高。

云臺采用步進電機進行驅動，步進電機驅動器采用128細分步進電機驅動器，經過細分后，步進電機步距角達到0.014?062?5°，在提高步進精度的同時，提高了步進電機的運行平穩性，使云臺能夠進行高精度的運動，經過機械傳動機構進行減速后，云臺最低轉動速度可達到0.01°/s。云臺機械傳動機構主要由同步帶和蝸輪蝸桿組成。采用蝸輪蝸桿結構，在斷電時可保持水平方向和俯仰方向的自鎖狀態，以保證云臺和變焦攝像機在車輛上的強振動環境不會受到意外損壞。

全景觀察儀中具有控制模塊，能夠采用CAN總線和RS485總線與外部系統進行通信。外部控制設備能夠向全景觀察儀發送水平和俯仰運動速度控制信息、水平和俯仰運動位置控制信息、變焦攝像機變焦控制信息、紅外照明燈開關信息、探照燈開關信息以及雨刷器控制信息等對全景觀察儀進行控制；同時，全景觀察儀能夠對外發送變焦攝像機的觀察方位，便于使用人員對目標的方位進行判斷。

3 展望

隨著視頻監控技術的日趨成熟，車載視頻監控系統正在突飛猛進的發展。采用全景觀察儀作為觀察設備的車載視頻監控系統將會越來越廣泛地應用到特種車輛上，本文介紹的全景觀察儀能夠實現360°全景實時監控，解決了裝甲車輛密閉環境下對車輛外部環境觀察的問題，且與傳統方案相比，具有集成度高、可靠性高、安裝方便的特點，能夠滿足目前大多數特種車輛對全景監控系統的要求并且性能穩定可靠，未來具有極大的發展前景。

[1]裝甲戰車態勢感知系統[J]. 國外坦克，2016（8）：37-38.

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

[3]論智能車載終端監控在安防行業的發展與應用[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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