特种车辆用全景观察仪的研究与应用

张 晨 刘 晴 崔 瑛 刘未隆



特种车辆用全景观察仪的研究与应用

张 晨1刘 晴1崔 瑛1刘未隆2

1.新乡北方车辆仪表有限公司, 河南 新乡 453000 2.中国人民解放军陆军装甲兵军事代表局，北京 100000

主要对特种车辆用全景观察仪进行了研究并阐述其原理。首先针对现有车载视频监控设备的特点以及特种车辆车载视频监控设备的应用需求进行分析，进而介绍了一种全景观察仪，解决了车载视频监控设备在特种车辆上应用的问题，并对全景观察仪的前景进行了分析与展望。

全景观察仪；车载；视频观察；监控

引言

现代战争已没有了前线与后方之说，威胁可能来自任何方向、任何时间[1]。为特种车辆提供真正意义上的全景观察能力强的装备对于作战人员安全、战场态势监控来说具有重大的意义。为了便于观察车辆后部的道路状况，一般在车辆上普遍采用后视镜或倒车影像系统为驾驶员提供车辆后部的直观视觉影像[2]。对于民用车辆观察及记录前方路况，一般采用具有前视摄像机的行车记录仪。对于特种车辆而言，则需要专用的车载视频监控系统。针对目前特种车辆的视频监控系统应用需求以及当前市场上已有车载视频监控方案的特点，本文研究了一种针对特种车辆应用的全景观察仪并介绍了其应用领域。

1 特种车辆车载视频监控系统的研究进展

1.1 车载视频监控系统的背景

车载视频监控最早形成于国外。早期国外一些安防客户对运营车辆的安全以及监管需求促使车载录像等产品作为专用产品不断推向市场，车载监控市场逐渐形成。近年来，车载监控市场的不断发展使其成为安防行业重要的细分市场，其在国内发展至今也已有十多年的历史，在经历了市场萌芽、市场成长两个阶段后，于2010年后，车载监控领域在中国已经进入快速发展期[3]。为了更好地解决汽车安全行驶问题，车载视频监控系统从军用到民用各个领域都逐步发展起来。

1.2 车载视频监控系统的研究现状

车载视频监控系统的功能主要是实现乘员在车内对车外环境进行实时观察及视频存储与回放，使驾驶员可以随时掌控车辆所处的环境与路况，及时避开车辆周围的障碍物以及实现对车身周边环境的无盲区监控。目前，车载视频监控系统主要由视频观察设备、视频记录单元和显示器组成。其中车载视频观察设备的解决方案主要有以下两种。

方案一：视频观察设备采用固定安装的枪式摄像机对关重区域进行定点观察。由于单台摄像机的视场角和观察距离有限，因此在大范围区域监控的应用场合，大多采用在车体的多个不同的位置或不同的方向布置多台摄像机进行观察的解决方案。

方案二：视频观察设备采用单台或多台搭载于云台的摄像机（球机），通过云台转动，摄像机可以分时地对不同的监控区域进行观察。

由于以上两种方案选用的摄像机均为常规型监控摄像机，选型、使用和维护比较方便，因此在当前的车载安防监控领域得到了广泛应用。然而，在实际的应用中也存在一定的问题。若采用多台枪型摄像机方案，由于受到车体外形的制约，摄像机的布局往往不能实现对车辆周围环境进行全范围的观察，即存在观察盲区；而采用球机方案，由于摄像机随着云台转动，只能分时对不同的区域进行观察，不能实现观察的实时性。

1.3 特种车辆视频监控系统的应用现状

由于特种车辆对防护性能的要求，特种车辆通常采用密闭式结构，车内的作战人员只能通过车体上面积有限的观察窗以及潜望镜对车辆外部环境和战场态势进行观察。以此种方式进行观察，能够掌握的外部环境信息极其有限，不利于车辆和人员安全以及作战指挥，因此急需一种能够对战场环境进行大范围观察的视频观察设备。目前部分特种车辆装备有近景视频观察系统，包括前视摄像机、后视摄像机和左右视摄像机，用于对车辆附近十米范围内的环境进行观察，并采用液晶显示器对摄像机视频进行显示。此系统主要用于对驾驶员进行行驶辅助。部分侦察车辆装备有云台式摄像机，能够通过控制升降桅杆和操控云台对战场环境进行观察，但此设备专用性强，并非能在大多数车型上普遍应用。因此，需要研制一种能够满足在特种车辆密闭结构下对车辆外部环境进行大范围观察需要的视频观察设备。

2 全景观察仪的结构与工作原理

本文介绍的一种全景观察仪，根据特种车辆的应用需求，能够实现对战场环境进行水平方向360°范围的全景观察，并可以解决常规方案中存在的问题。这种全景观察仪主要由周视部件、云台部件、探照灯部件及变焦摄像机部件组成。其中，周视部件主要包括壳体和8台定焦摄像机模组。云台部件安装在周视部件的上方，包括壳体、水平传动组件、俯仰传动组件以及左右两侧的负载台。探照灯部件和变焦摄像机部件分别安装在云台部件的左右负载台中。全景观察仪外形图如图1所示，周视部件的具体结构参见图2，云台部件的具体结构参见图3。

图1 全景观察仪外形图

图2 周视部件

图3 云台部件

该全景观察仪采用周视部件的8台定焦摄像机模组实现对车辆周围水平360°范围内环境进行实时视频观察，每台定焦摄像机视场角为50°，8台定焦摄像机在同一圆周面上均匀布置，每两台定焦摄像机的中心线夹角45°，可以实现水平方向360°视场范围的实时观察。定焦摄像机分辨率为720（W）×576（H）像素，观察50 m处的1.7 m高度的人员目标，人员在画面上占用分辨率约为10（W）×40（H）像素，可以对人员进行辨别。每台定焦摄像机模组均包含红外照明灯，可适应夜间低照度使用环境。全景观察仪采用1台变焦摄像机跟随云台进行水平和俯仰转动实现对重要目标的重点观察，变焦摄像机选用36倍光学变焦的模拟摄像机，焦距范围为3.4 mm（广角端）～122.4 mm（远端），视场角范围为2.2°～54.2°，最低照度0.1 Lux。变焦摄像机由功率为35 W的白光卤素探照灯提供夜间辅助照明，该探照灯在距离150 m处的光照强度达到1 Lux，可满足变焦摄像机在夜间环境下进行观察的需要。此外变焦摄像机还配备有雨刷器，可在雨雪天气下清除观察窗前的雨、雪、冰、霜等，提高恶劣环境下的观察能力。全景观察仪通过底部四个带减振柱的螺栓安装在车体顶部的支座上，具有良好的抗冲击振动性能。

云台主要用于承载变焦摄像机和探照灯，可以实现在水平方向上360°连续转动并可实现在俯仰方向上﹣45°～85°范围内转动，以扩展变焦摄像机的观察范围。云台的水平转动过程为：水平驱动电机得电工作，水平驱动齿轮转动，水平驱动齿轮通过水平同步带带动水平从动齿轮转动，水平传动蜗杆驱动水平旋转蜗轮转动，固定板相对转动连接板转动。蜗轮蜗杆传动平稳且具有断电自锁功能，水平同步带设有内齿轮，传动平稳、精度高。云台部件结构图如图3所示。云台的俯仰转动过程为：俯仰驱动电机得电工作，俯仰驱动齿轮转动，俯仰驱动齿轮通过俯仰同步带带动俯仰从动齿轮转动，俯仰传动蜗杆驱动俯仰旋转涡轮转动，俯仰主轴转动，俯仰主轴带动探照灯部件和变焦摄像机部件一起转动。蜗轮蜗杆传动平稳且具有断电自锁功能，俯仰同步带设有内齿轮，传动平稳、精度高。

云台采用步进电机进行驱动，步进电机驱动器采用128细分步进电机驱动器，经过细分后，步进电机步距角达到0.014 062 5°，在提高步进精度的同时，提高了步进电机的运行平稳性，使云台能够进行高精度的运动，经过机械传动机构进行减速后，云台最低转动速度可达到0.01°/s。云台机械传动机构主要由同步带和蜗轮蜗杆组成。采用蜗轮蜗杆结构，在断电时可保持水平方向和俯仰方向的自锁状态，以保证云台和变焦摄像机在车辆上的强振动环境不会受到意外损坏。

全景观察仪中具有控制模块，能够采用CAN总线和RS485总线与外部系统进行通信。外部控制设备能够向全景观察仪发送水平和俯仰运动速度控制信息、水平和俯仰运动位置控制信息、变焦摄像机变焦控制信息、红外照明灯开关信息、探照灯开关信息以及雨刷器控制信息等对全景观察仪进行控制；同时，全景观察仪能够对外发送变焦摄像机的观察方位，便于使用人员对目标的方位进行判断。

3 展望

随着视频监控技术的日趋成熟，车载视频监控系统正在突飞猛进的发展。采用全景观察仪作为观察设备的车载视频监控系统将会越来越广泛地应用到特种车辆上，本文介绍的全景观察仪能够实现360°全景实时监控，解决了装甲车辆密闭环境下对车辆外部环境观察的问题，且与传统方案相比，具有集成度高、可靠性高、安装方便的特点，能够满足目前大多数特种车辆对全景监控系统的要求并且性能稳定可靠，未来具有极大的发展前景。

[1]装甲战车态势感知系统[J]. 国外坦克，2016（8）：37-38.

[2]夏立玲，白顺科. 车载拼接式全景周视导航平台研究[J].内江科技，2015，36（11）：44-45.

[3]论智能车载终端监控在安防行业的发展与应用[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

A