ПОВОРОТНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2024 года по МПК G12B5/00 F16M11/08 F16M11/10 H02H3/38 

Изобретение относится к средствам обеспечения точного позиционирования видеокамер и других внешних устройств наблюдения, а именно к искробезопасному опорно-поворотному устройству, и предназначено для использования в подземных выработках угольных шахт и рудников, опасных по рудничному газу и пыли, а также на других промышленных объектах.

Известно поворотное устройство (патент Китая №209054286, опубликовано 02.07.2019 г. ), принятое за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, содержащее корпус, в нижней части которого расположен исполнительный механизм с червячным редуктором для поворота корпуса вокруг оси в горизонтальной плоскости, а в верхней части - механический Т-образный поворотный механизм для смещения закрепленных камер в горизонтальной и вертикальной плоскости.

Данное решение позволяет устанавливать видеокамеры на разной высоте и под разным углом для обеспечения лучшего охвата наблюдаемого пространства.

Однако конструкция такого поворотного кронштейна предполагает наличие только одного исполнительного механизма с червячной передачей, который позволяет регулировать положение кронштейна вокруг его оси в горизонтальной плоскости в автоматическом режиме. При этом установка и корректировка положения камер производится вручную при использовании Т-образного механизма, что невозможно реализовать в условиях подземных шахт или в других труднодоступных производственных местах.

При этом в указанном решении отсутствует информация о питании исполнительного механизма и поворотного устройства в целом. А данный параметр является важным при реализации наблюдения в шахтах и рудниках с опасными производственными условиями. Присутствие человека здесь крайне нежелательно. Поэтому, чем дольше работает устройство без необходимости его подзарядки и ремонта с участием персонала, тем лучше.

Следует отметить, что из ГОСТ 31610.11-2014 «Оборудование с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь «i» известна типовая схема искробезопасности ограничения по напряжению, которая выполнена в виде двух стабилитронов, включенных параллельно, и схема искробезопасности ограничения по току, выполненная при использовании резистора. Однако данные схемотехнические решения приводят к высоким значениям активных потерь на элементах электрических цепей и низкому КПД.

Технической задачей изобретения является создание поворотного устройства, обеспечивающего возможность проведения автоматизированной видеосъемки объектов в шахтах и рудниках с опасными производственными условиями как в горизонтальной, так и вертикальной плоскости при увеличенном времени эксплуатации поворотного устройства и установленной в нем видеокамеры.

Техническим результатом изобретения является снижение энергопотребления поворотного устройства за счет конструктивных особенностей решения.

Технический результат достигается при использовании поворотного устройства, содержащего:

- корпус;

- блок управления со схемой искробезопасности по напряжению и схемой искробезопасности по току;

- первый исполнительный механизм с бесколлекторным двигателем с червячным редуктором для поворота корпуса поворотного устройства вокруг оси в горизонтальной плоскости;

- второй исполнительный механизм с бесколлекторным двигателем с червячным редуктором для перемещения закрепленной на корпусе поворотного устройства камеры в вертикальной плоскости;

- аккумуляторный блок со схемой искробезопасности по напряжению и схемой искробезопасности по току;

- причем схема искробезопасности по напряжению выполнена шунтированием выходной шины при превышении порога срабатывания;

- схема искробезопасности по току выполнена шунтированием избыточного выходного тока при превышении порога срабатывания;

- при этом поворотная платформа также содержит схему переключения между режимами аккумуляторного блока, предполагающими заряд аккумуляторного блока от входной цепи или его разряд на питание бесколлекторных двигателей исполнительных механизмов.

В частном случае, корпус поворотного устройства выполнен П-образным, содержащим нижнюю часть и боковые части, при этом между боковыми частями корпуса установлена камера.

В частном случае, корпус поворотного устройства выполнен в виде столба, как это показано, например, в рассмотренном выше патенте Китая №209054286.

В частном случае, первый исполнительный механизм расположен в нижней части корпуса поворотного устройства.

В частном случае, второй исполнительный механизм расположен в верхней зоне боковой части П-образного корпуса поворотного устройства.

В частном случае, второй исполнительный механизм расположен в верхней части корпуса поворотного устройства. Данное размещение возможно в случае выполнения корпуса поворотного устройства в виде столба.

В частном случае, червячные редукторы первого и второго исполнительных механизмов содержат роторы с защитными муфтами, сбрасывающими нагрузку с соответствующих бесколлекторных двигателей.

В частном случае, первый исполнительный механизм перемещает корпус поворотного устройства на 350 градусов в горизонтальной плоскости.

В частном случае, второй исполнительный механизм перемещает видеокамеру, установленную на корпусе поворотного устройства, на 70 градусов в вертикальной плоскости.

Дополнительной энергоэффективности удалось достичь путем использования схем искробезопасности по напряжению и току с параллельным шунтированием. Схема искробезопасности по напряжению при шунтировании выходной шины при превышении порога срабатывания и схема искробезопасности по току при шунтировании избыточного выходного тока при превышении порога срабатывания в отличие от типовых решений по искробезопасности, приведенных в ГОСТ 31610.11-2014, обладают более высоким КПД за счет того, что активные потери на элементах электрических цепей малы, а в случае превышения параметров, установленных в ГОСТ 31610.11-2014, переизбыток энергии замыкается внутри данных схем.

Таким образом, использование схем искробезопасности по напряжению и току в блоке управления и аккумуляторном блоке позволяют обеспечить питание бесколлекторных двигателей поворотного устройства малыми токами и исключить при этом импульсное потребление тока, что значительно снижает энергопотребление поворотного устройства в целом и дает возможность использовать не один исполнительный механизм, как в случае с наиболее близким аналогом, а два исполнительных механизма.

Наличие двух исполнительных механизмов с червячными редукторами, в свою очередь, позволяет автоматизировать процесс видеосъемки как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости без прямого участия человека, что дает возможность использовать заявляемое поворотное устройство в любых, в том числе неблагоприятных и опасных условиях.

Использование схемы переключения между режимами аккумуляторного блока, предполагающими заряд аккумуляторного блока от входной цепи или его разряд на питание бесколлекторных двигателей исполнительных механизмов, позволяет уменьшить значения резистора, задающего резистивный барьер, и резистора, выполняющего роль токового шунта, что уменьшает активные потери при нормальном режиме работы устройства в типовых условиях по документации. Данный факт также приводит к уменьшению падения напряжения и мощности по сравнению со стандартным включением по ГОСТ 31610.11-2014, что позволяет увеличить КПД аккумуляторного блока и приводит к повышению энергоэффективности схемы искробезопасности по току и поворотного устройства в целом.

На фиг. 1 показан вид спереди конструкции поворотного устройства.

На фиг. 2 показано поворотное устройство с установленной на ней видеокамерой.

На фиг. 3 показана защитная муфта, установленная на роторе червяного редуктора двигателя исполнительного механизма.

На фиг. 4 показан вид сбоку конструкции поворотного устройства с установленной видеокамерой.

На фиг. 5 показана структурная схема поворотного устройства.

На фиг. 6 показана схема искробезопасности по напряжению.

На фиг. 7 показана схема искробезопасности по току.

На фиг. 8 показана схема замещения схемы искробезопасности по току.

На фиг. 9 показана схема переключения режимов аккумуляторного блока.

Согласно фиг. 1, поворотное устройство содержит корпус 1, который может быть выполнен П-образным и содержащим нижнюю часть и боковые части.

Также поворотное устройство содержит блок управления 2 со схемой искробезопасности по напряжению и схемой искробезопасности по току.

В нижней части корпуса 1 установлен первый исполнительный механизм 3 с бесколлекторным двигателем с червячным редуктором для поворота корпуса 1 поворотного устройства вокруг оси в горизонтальной плоскости.

В верхней части корпуса 1 установлен второй исполнительный механизм 4 с бесколлекторным двигателем с червячным редуктором для перемещения в вертикальной плоскости камеры 5, закрепленной на поворотном устройстве.

Если корпус 1 выполнен П-образным, то второй исполнительный механизм 4 установлен в верхней зоне его боковой части.

Камера 5 установлена в крепежные уши 6, в которых зафиксирована с помощью прижима крепежного уха 7 посредством элементов крепления 8 (например, винтов) (фиг. 2).

Также поворотное устройство содержит аккумуляторный блок 9 со схемой искробезопасности по напряжению и схемой искробезопасности по току, плату магнитного датчика 10, магнит 11, антенну Wi-Fi 2,4 ГГц 12.

Ротор редуктора первого исполнительного механизма 3 и ротор редуктора второго исполнительного механизма 4 содержат защитные муфты 13 и 14 соответственно.

Использование защитных муфт 13 и 14 позволяет сбрасывать перегрузку усилия на бесколлекторных двигателях исполнительных механизмов 3 и 4 при возникновении препятствий или внешнего воздействия на вращательные части.

Согласно фиг. 3, защитная муфта 13 или 14 содержит винт 15, пружину 16, шарики 17, вал 18.

Принцип работы защитной муфты 13 или 14 основан на прокручивании вала 18 относительно муфты при превышении порогового значения момента вращения. Ограничение крутящего момента задается винтом 15. При затягивании винта 15 пружина 16 сжимается, оказывая давление на шарики 17, которые расположены в пазах на валу 18. При превышении момента вращения шарики 17, преодолевая усилие пружины 16, отходят вверх из пазов вала 18, что приводит к проскальзыванию муфты и сбросу нагрузки с бесколлекторного двигателя исполнительного механизма.

Согласно фиг. 4, соединения между камерой 5 и корпусом 1 поворотного устройства осуществляется по гибкому электрическому кабелю 19 через соответствующие на камере 5 и корпусу 1 поворотного устройства кабельные вводы. Также на корпусе 1 поворотного устройства расположен дополнительный кабельный ввод для подключения к внешнему источнику питания и каналам связи (не показан).

Связь поворотного устройства с сервером хранения данных и управления поворотным устройством обеспечивается одним из трех типов выходных интерфейсов: IEEE802.11 ac/a/b/g/n (Wi-Fi), 100Base-TX(Ethernet), RS-485. По факту нет прямого логического соединения между камерой 5 и поворотным устройством. Оба этих устройства находятся на одной магистральной шине данных, что увеличивает гибкость применения и делает поворотное устройство независимым. В случае, если используется камера с искусственным интеллектом, то по этой же шине данных она может управлять поворотным устройством автономно.

Согласно фиг. 5, на структурной схеме поворотного устройства приведен аккумуляторный блок 9, содержащий последовательно соединенные аккумулятор 20, схему искробезопасности по напряжению 21 аккумуляторного блока 9 и схему искробезопасности по току 22 аккумуляторного блока 9.

Аккумуляторный блок 9 соединен с блоком управления 2, содержащим схему переключения режимов переключения аккумуляторного блока СПРАБ 23. При этом первый выход СПРАБ 23 соединен со входом вспомогательного источника питания исполнительных механизмов ВИП ИМ 24, а второй выход СПРАБ 23 соединен с последовательно соединенными схемой искробезопасности по напряжению 25 блока СПРАБ 23, источником тока 26, вспомогательным источником питания цифровых узлов ВИП ЦУ 27 и схемой искробезопасности по напряжению 28 блока ВИП ЦУ 27. Выход ВИП ИМ 24 соединен с последовательно соединенными схемой искробезопасности по напряжению 29 блока ВИП ИМ 24, схемой искробезопасности по току 30 блока ВИП ИМ 24 и блоком реле 31.

Первый выход блока реле 31 соединен со входом первого исполнительного механизма 3, второй выход блока реле 31 соединен со входом второго исполнительного механизма 4.

Выходы исполнительных механизмов 3 и 4 соединены с энкодерами 32 и 33 соответственно.

В качестве энкодера используется связка «магнит 11-плата магнитного датчика 10» (фиг. 1) положения магнитного поля. При вращении вала бесколлекторного двигателя исполнительного механизма 3 или 4 происходит вращение магнита 11, и, как следствие, вращение магнитного поля в пространстве. Плата магнитного датчика 10 выдает напряжения пропорционально углу отклонения от своей нормали, которые считываются с помощью АЦП микропроцессора, расположенного в блоке управления 2.

Блок реле 31 предназначен для переключения управляющих сигналов и питания между бесколлекторными двигателями исполнительных механизмов 3, 4. Таким образом, двигатели работают попеременно, ввиду чего вращение камеры 5 по осям происходит по очереди.

Таким образом, любое формируемое напряжение в аккумуляторном блоке 9 и блоке управления 2 защищено схемами искробезопасности по напряжению и по току, при этом каждое из напряжений защищено схемами со своим порогами срабатывания.

Любая схема искробезопасности по напряжению (фиг. 6), используемая в блоке управления 2 и аккумуляторном блоке 9, основана на шунтировании выходной шины при превышении порога срабатывания, задающегося в пороговом устройстве 34.

Пороговое устройство 34 может быть собрано на управляемом стабилитроне TL431, при этом пороги срабатывания можно менять путем смены номиналов порога.

Когда напряжение на шине превышает значение порога, регулируемого в достаточно широком диапазоне, пороговое устройство подает отпирающее напряжение на затвор транзистора VT 35, что в свою очередь вызывает короткое замыкание на шине, приводящее к возрастанию тока в цепи «вход+ - FU-VT», и как следствие, срабатывание предохранителя FU 36.

Таким образом, пока напряжение не превышает установленного, потребление узла минимально, что увеличивает энергоэффективность поворотного устройства в целом.

Любая схема искробезопасности по току (фиг. 7), используемая в блоке управления 2 и аккумуляторном блоке 9, основана на шунтировании избыточного выходного тока при превышении заранее заданного порога.

Опорное напряжение 37, формируемое, например, генератором опорного напряжения, задает порог срабатывания токовой защиты. С токового шунта R_ш 38 снимается напряжение и сравнивается с опорным в компараторе 39. Если напряжение на токовом шунте R_ш 38 выше опорного напряжения 37, то компаратор 39 выдает управляющий сигнал на затвор транзистора VT 40, образуя короткое замыкание на шине через контур «вход+ - FU-VT», что приводит к срабатыванию предохранителя FU 41.

Схему замещения схемы искробезопасности по току с открытым транзистором VT 40 можно представить, как это показано на фиг. 8.

На фиг. 8 показано R_FU 42 - внутреннее сопротивление предохранителя FU 41, R_dson 43 - сопротивление открытого канала сток-исток транзистора VT 40, R_б 44 - резистивный барьер, R_ш - токовый шунт 38.

При открытии транзистора VT 40, пока ток недостаточно высок для срабатывания предохранителя FU 41, образуется делитель напряжения «R_FU - R_Dson», следовательно выходное напряжение, равное напряжению сток-исток транзистора VT 40, будет меньше входного на величину благодаря чему, выходной ток, ограниченный резисторам R_б и R_ш, будет определяться относительно напряжения сток-исток VT 40, и равен

Таким образом, номиналы резисторов R_б и R_ш можно уменьшить относительно «классического» (описанного в ГОСТ 31610.11-2014 для цепей уровня ia) способа ограничения тока резистором, так как падение напряжение на резисторах R_б и R_ш меньше при превышении выходного тока. При этом при уменьшении значений указанных резисторов, уменьшаются активные потери при нормальном режиме работы (меньшее падения напряжения и мощности, по сравнению со стандартным включением), что позволяет увеличить КПД узла в целом и приводит к повышению энергоэффективности схемы искробезопасности по току.

Схема переключения режимов аккумуляторного блока 9 на фиг. 9 содержит источник напряжения 45 - стабилизированный источник напряжения, источник тока 46 - стабилизированный источник для заряда аккумуляторного блока 9 в режиме постоянного тока, VD 47 - диодный барьер для защиты от обратного тока, VT1-VT4 - условная схема подключения аккумуляторного блока к нагрузке на транзисторах 48, 49, 50, 51 соответственно.

Источник напряжения 45 и источник тока 46 служат для обеспечения необходимых параметров зарядки аккумуляторного блока 9, диодный барьер VD 47 необходим для предотвращения обратного тока от аккумуляторного блока 9 в узел заряда «источник напряжения 45-источник тока 46». Транзисторы 48, 49, 50, 51 предназначены для подключения аккумуляторного блока 9 к нагрузке - питанию бесколлекторных двигателей поворотного устройства.

«Цифровое питание», подключенное к VT1 48 предназначено для разделения переходных процессов в моменты включения/выключения устройства, чтобы избежать неконтролируемое включение двигателей. «Управление» - это цифровой сигнал, предназначенный для управления режимами аккумуляторного блока 9: заряд от входной цепи или разряд на питание бесколлекторных двигателей исполнительных механизмов 3, 4.

Движение поворотного устройства по горизонтальной плоскости и перемещение камеры в вертикальной плоскости осуществляются следующим образом.

Так как поворотное устройство является независимым, то способ взаимодействия с ним идет по типу «поворотный механизм - оператор». Оператор управляет вращением поворотного устройства, отправляя команды с помощью http-запроса или по протоколу OnvifPTZ. При получении команды на поворот по одному из каналов связи (IEEE802.11 ac/a/b/g/n (Wi-Fi), 100Base-TX(Ethernet), RS-485), процессор, установленный внутри блока управления 2 поворотного устройства, обрабатывает данную команду, определяя ось вращения, направление, угол и скорость на программном уровне и выдает управляющие сигналы на встроенный драйвер бесколлекторного двигателя одного из исполнительных механизмов 3 или 4, что и приводит в движение поворотное устройство.

Работа поворотного устройства построена таким образом, что одновременно возможен пуск лишь одного бесколлекторного двигателя (вращение по одной из оси). Угол поворота по горизонтали или вертикали задается с помощью магнита 11, определяющего угол отклонения магнитного потока от своей нормали.

Также возможно управление с камеры, но в таком случае внутренний логический процессор самостоятельно формирует команды, имитируя запросы оператора.

Таким образом, создано поворотное устройство, позволяющее проводить автоматизированную видеосъемку в горизонтальной и вертикальной плоскости в опасных производственных условиях в течение длительного срока эксплуатации без участия персонала и необходимости ремонта.

Изобретение относится к позиционированию устройств наблюдения. Поворотное устройство содержит корпус; блок управления со схемами искробезопасности по напряжению и по току; первый исполнительный механизм с двигателем с червячным редуктором для поворота корпуса поворотного устройства вокруг оси в горизонтальной плоскости; второй аналогичный исполнительный механизм для перемещения закрепленной на корпусе поворотного устройства камеры в вертикальной плоскости; аккумуляторный блок со схемами искробезопасности. Схема искробезопасности по напряжению выполнена шунтированием выходной шины при превышении порога срабатывания, а схема искробезопасности по току выполнена шунтированием избыточного выходного тока при превышении порога срабатывания. Поворотная платформа содержит схему переключения между режимами аккумуляторного блока, предполагающими заряд аккумуляторного блока от входной цепи или его разряд на питание бесколлекторных двигателей исполнительных механизмов. Снижается энергопотребление поворотного устройства. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Поворотное устройство, характеризующееся тем, что содержит:

- корпус;

- блок управления со схемой искробезопасности по напряжению и схемой искробезопасности по току;

- первый исполнительный механизм с бесколлекторным двигателем с червячным редуктором для поворота корпуса поворотного устройства вокруг оси в горизонтальной плоскости;

- второй исполнительный механизм с бесколлекторным двигателем с червячным редуктором для перемещения закрепленной на корпусе поворотного устройства камеры в вертикальной плоскости;

- аккумуляторный блок со схемой искробезопасности по напряжению и схемой искробезопасности по току;

- причем схема искробезопасности по напряжению выполнена шунтированием выходной шины при превышении порога срабатывания;

- схема искробезопасности по току выполнена шунтированием избыточного выходного тока при превышении порога срабатывания;

- при этом поворотная платформа также содержит схему переключения между режимами аккумуляторного блока, предполагающими заряд аккумуляторного блока от входной цепи или его разряд на питание бесколлекторных двигателей исполнительных механизмов.

2. Поворотное устройство по п. 1, характеризующееся тем, что корпус поворотного устройства выполнен П-образным, содержащим нижнюю часть и боковые части, при этом между боковыми частями корпуса установлена камера.

3. Поворотное устройство по п. 2, характеризующееся тем, что первый исполнительный механизм расположен в нижней части корпуса поворотной платформы.

4. Поворотное устройство по п. 2, характеризующееся тем, что второй исполнительный механизм расположен в верхней зоне боковой части П-образного корпуса поворотного устройства.

5. Поворотное устройство по п. 1, характеризующееся тем, что червячные редукторы первого и второго исполнительных механизмов содержат роторы с защитными муфтами, сбрасывающими нагрузку с соответствующих бесколлекторных двигателей.

6. Поворотное устройство по п. 1, характеризующееся тем, что первый исполнительный механизм перемещает корпус поворотного устройства на 350 градусов в горизонтальной плоскости.

7. Поворотное устройство по п. 2, характеризующееся тем, что второй исполнительный механизм перемещает видеокамеру, установленную на корпусе поворотного устройства, на 70 градусов в вертикальной плоскости.