ПТЗ-камера — магнум опус нашего конструкторского отдела, ее разработка тянулась больше двух лет. У нас уже был большой опыт разработки купольных и цилиндрических камер, поэтому на бумаге все казалось достаточно просто. Тем более что референсов в виде китайских камер на рынке — хоть отбавляй.
Но, как, впрочем, и всегда, на деле все оказалось гораздо сложнее — пришлось разрабатывать уникальные платы питания и управления моторами, перебрать гору видеомодулей и в итоге делать свой, сделать на камере адекватный обогрев для арктических условий и запихнуть все это в свой собственный корпус, потому что гото��ые решения, разумеется, не подошли. Быть может, история об этих злоключениях поможет сэкономить вам время и нервы в ваших собственных проектах.
Что такое ПТЗ-камера и зачем она нужна
PTZ(Pan/Tilt/Zoom)-камера, в простонародье ПТЗ — массивная моторизированная камера с основательным варифокальным объективом, которая может вертеть головой в разные стороны, как в голливудских фильмах. Такие камеры применяют во множестве сценариев, от контроля трафика на сложных перекрестках до диспетчерского наблюдения в судоходстве и авиации.
Самый распространенный бытовой сценарий — это мастер-контроль на охраняемых периметрах, когда обычные камеры перекрывают свои сектора на широком угле, а ПТЗ-камера при необходимости разворачивается на тревожный источник и дает большое приближение. При помощи них можно организовывать СКУД с распознаванием лиц, да и вообще все новомодные аналитики на нейронках на 100% раскрываются именно в ПТЗшках.
Почему НИЦ «Технологии» вообще взялись за разработку собственной PTZ-камеры, ведь на рынке полно китайских камер от маркетплейсных мыльниц за пару тысяч рублей, до здоровенных промышленных PTZ-комплексов за миллионы? Началось все с запроса нефтяников — на северах даже недешевые китайские ПТЗшки работают неохотно и крайне недолго, один-два сезона в лучшем случае. А раз есть спрос, то стоило взяться за дело…
Как мы разрабатывали российскую PTZ-камеру
К разработке собственной PTZ-камеры я подходил с некоторым багажом: в НИЦ «Технологии» уже была собственная система отопителей для арктического применения и UltraPoE-плата для нее, которыми дооснащали камеры по заказу клиентов. Китайцы тоже делают версии камер с обогревателем, но, видимо, в силу более мягкого климата не совсем понимают сути. Их обогрев — просто пластина внутри корпуса камеры, тогда как обогревать надо моторы и шарнирные соединения, ведь их клинит на морозе уже при -20 градусах.
Дооснащение НИЦ «Технологии» исключает проблемы с примерзанием моторов, но оно слегка костыльное: в корпусе покупной камеры свободного места почти нет, хватает только на то, подо что его проектировали. Китайское производство на миллионы единиц в год никогда не пойдет навстречу российскому клиенту с небольшими объемами — либо берите что есть, либо не морочьте голову.
Ну а для НИЦ «Технологии» даже штучные заказы очень выгодны — вместе со специфическими камерами клиент часто приобретает множество обычных купольных и цилиндрических камер, чтобы не нарушать инфраструктуру, так что PTZ выступают в роли эдаких system seller.
Так что при составлении ТЗ стояла задача — никак не хуже азиатов, плюс российская специфика. В итоге родились такие требования:
Видеомодули с сенсорами от 2 мегапикселей;
Зум-объектив с кратность не ниже 30х;
Фокусные расстояния ~7-220мм ;
Поворот на 360°;
Наклон на 90°;
IP66;
Диапазон температур работы от -40°C до +60°C;
Питание по PoE, желательно по одному кабелю, без инжекторов;
Скорости поворота не менее 200°/сек по горизонтали и 100°/сек по вертикали;
Грозозащита не ниже “В” по ГОСТ Р 51317.4.5-99;
Вандалоустойчивость;
Стеклоочиститель и омыватель;
Ну, и наконец, мощная подсветка от зуммируемого инфракрасного лазера.
Первая версия
Первые две версии существовали лишь на бумаге — совершенно обычное дело для прототипов. За основу взяли популярные азиатские корпуса и скомпилировали их в то, что казалось эффективной сборной солянкой.
Первая итерация вмещала вообще все хотелки, но ожидаемо распухла до размеров бегемота, с соответствующим весом и, главное, нагрузкой на моторы. Поэтому, первое что потребовалось — утрамбовывать начинку в более плотный объем. Готовые платы из нашего арсенала надо было перепроектировать под меньший размер, при этом постаравшись сохранить их характеристики и тепловыделение на приемлемом уровне.
Вторая версия
Эта версия уменьшилась почти на 30%, как по объему, так и по предполагаемому весу. Добавился козырек-бленда для оптического модуля — он предотвращает прямой засвет объектива, и помимо контроля бликов еще существенно влияет на общий контраст изображения камеры.
В целом, версия была готова для макетирования, однако обнаружились некоторые конструктивные недоработки, например избыточный объем корпуса в верхнем стакане корпуса. Так как изготовление корпуса было в Россиии — пара десятков грамм лишнего материала в перспективе вырастут в убытки, которые компания, конечно, заложит в стоимость камеры но будем потом проигрывать китайцам в цене.
Третья версия
А вот и первый рабочий прототип— к сожалению, история не сохранила его фотографий.
Прототип распечатывается на принтере, потом в него примеряется начинка. На этом этапе обычно выясняются очень любопытные детали: например, плату которая идеально размещалась в корпусе на чертеже, по факту не получается закрепить из-за геометрии, просто не выходит подлезть физически. Это происходит и при проектировании простых корпусов, а для подвижных сложных корпусов такая проверка прототипа просто необходима.
Четвертая версия
После корректировки геометрии начало закрадываться ощущение, что идем не в том направлении — камера все равно оставалась объемной и тяжелой. Некоторые места оказались труднодоступны для обслуживания и после переделки всех ошибок камера стала выглядеть более громоздкой.
Заметьте, сколько всего произошло, а мы с коллегами не подошли к начинке камеры и ее механике! На тот момент разработка уже шла около года, и с каждым шагом, мы, кажется, уходили от нужного решения все дальше и дальше. Нужна была перезагрузка.
Ребут разработки — новый корпус
На этом этапе появилось понимание, что собрав от всех самые классные фишки — получишь не их сумму, а воз на орнитоихтиоракообразной тяге. Пришлось кроить ТЗ — отказались от оптического блока с подсветкой на ИК-лазере, он существенно укрупнял голову камеры. Подглядев еще за одними азиатами родилось вот это:
Получилось то, что нужно! Камера стала заметно меньше и легче при сохранении характеристик из ТЗ (ну, кроме подсветки, ее заменили на обычную на ИК-диодах). Голову существенно облегчили, так как большая часть плат переехала наверх, под купол (а мотор щетки очистителя наоборот, вниз). Ну а это повлияло на скорость поворота — облегченная голова стала крутиться ощутимо быстрее, 230°/сек против 200°/сек у конкурентов!
Этот прототип изготовили уже в металле, и приступили к испытаниям механики. Первое, что пришлось менять — шаговые моторы. Скорость поворота выросла, а вместе с ней выросла и инерция, что привело к проскальзыванию вала мотора горизонтального поворота. Этот дефект выражается в неправильном позиционировании, особенно ощутим когда есть несколько точек интереса и в режиме регулярного патрулирования камера со временем начинает промахиваться мимо точек. Инженеры решили проблему подбором мотора с большим крутящим моментом, в итоге точность позиционирования на данный момент — не более +-1°. Кроме того, камера сама умеет калиброваться в ноль, если люфт превысит заданное значение.
По механике было очень много отладки, несколько раз переделывали плату управления моторами, подбирали правильный ток моторов, чтобы они не перегревались при длит��льном патрулировании территории. Долго подбирали, а потом переделывали драйверы моторов, по итогу это повлияло не только на точность позиционирования, но и на шум. В нынешней итерации камера поворачивается почти бесшумно, что позволяет ставить ее в помещениях, на производствах, в местах скопления людей, и она гарантированно не будет никого отвлекать шумом поворота.
Чуть позже выяснилось что перенос мотора дворника-очистителя в голову меняет центр масс и вызывает дополнительные нагрузки при панорамировании. В итоге двигатель спозиционировали так, чтобы уравновесить голову — снизилось потребление тока, а мотор горизонтального поворота наконец выдохнул с облегчением.
Последняя проблема, встретившаяся в этой итерации была связана с обмерзанием подшипника горизонтального вращения при работе в экстремально низких температурах. Проблема, по своему характеру, схожая с подмерзанием ступицы и колодок на авто: влага из воздуха внутри камеры превращается в иней, оседает на подвижных частях камеры, затем при движении камеры тает, а при остановке замерзает и схватывает механизмы. Решилась проблема заменой смазки на гидрофобную, а также ограничение скорости панорамирования при температуре ниже -20°C.
Из интересных доработок: поменяли плоский дворник на серповидный. Блок подсветки ощутимо греется, и поэтому главная проблема для камеры зимой заключается в налипании снега на объектив. Прямой дворник решает задачу, но при интенсивном снегопаде он не справляется, просто сдвигает снег наверх. Путем череды непростых полевых испытаний нам удалось подобрать оптимальную форму в виде серпа — он гарантированно скидывает снег и грязь вниз, а не размазывает по стеклу. Когда объектив сильно загрязнен, камера может проделывать следующий трюк: голова опускается вниз объективом, после чего включается щетка, таким образом можно скинуть почти любой налипший мусор.
Изначально и долгое время я рассчитывал на вот такой видеомодуль, из совмещенного сенсора, объектива и мотора фокусировки/зума, но производитель внезапно снял их с производства. Запасы, конечно, есть, но сигнал вполне очевидный — нужно проектировать свой собственный видеомодуль и собирать его на своих мощностях, чем мы и занялись.
Нестабильные поставки, резкое изменение ассортимента, проблемы с качеством и отношение к партнерам — лишь малая часть из причин, по которым лучше тяготы организации собственного производства, нежели заигрывания с Китаем.
Финальная версия PTZ-камеры НИЦ “Технологии”
Но вот, в середине ноября, завершился предсерийный экземпляр. Если ничего страшного не произойдет, то так будет выглядеть готовый продукт. PTZ-камера полностью готова и функционирует, запущена процедура внесения в реестр Минпромторга. Вот небольшой ролик о ней, вместе с примером работы, смотрите там где вам удобно.
На Рутубе:
Ну а так выглядят ее характеристики по итогу разработки.
Основные функции поворотной камеры:
панорамирование и наклон камеры на 8-ми фиксированных скоростях;
позиционирование на заданные углы и зум;
работа пресетов;
режим работы «Цикл»;
режим работы «Сканирование»;
режим работы шаблонов;
режим работы автоматического панорамирования;
плавное начало и остановка движения на больших скоростях;
автоматический разворот по достижению крайнего нижнего положения;
наличие ИК-подсветки;
наличие дворника;
дополнительные опции: модули Глонасс и физической криптографии, Ultra PoE, “Арктическое” исполнение, ИБП, 4G, датчик удара и многое другое.
Технические характеристики поворотной камеры:
сенсоры SONY IMX от 2 до 8 мегапикселей;
фокусное расстояние 4.7-141 мм, зум х30;
угол обзора 60.5°-2.3°;
диапазон панорамирования 360°, диапазон наклона 105°;
максимальная скорость панорамирования 230°/сек;
максимальная скорость наклона 180°/сек;
точность позиционирования +-1°, автокалибровка люфта;
потребляемая мощность не более 30 Вт в базовой комплектации;
диапазон температуры окружающей среды от -40° до +50°;
степень пыле-влагозащиты IP66.
Когда можно будет купить первую российскую PTZ-камеру?
К сожалению, процесс запуска серийного производства достаточно объемен. Нужно подготовить литьевые формы для корпусов, закупить микрокомпонентую базу для пайки плат, адаптировать прошивку “Рувер” под ПТЗ и вылизать ее перед релизом, создать и оптимизировать технологические процессы для сборки.
Это не крупноузловое производство китайских камер, когда поставщики помимо полного набора техдокументации и модулей поставляют и отлаженные техпроцессы, здесь всё выстраивается с нуля. Поэтому, немного завидую конкурентам, умудрившимся менее чем за год разработать, отладить и запустить в производство PTZ-камеры, которые еще и попали в Реестр Минпромторга.
От разработки до выхода в продажу может пройти даже больше времени чем от идеи до разработки. Но, к счастью, в моём случае все не так плохо — серийные российские PTZ-камеры увидят свет уже в 2025 году.
