Как мы делали первую российскую PTZ- камеру: опыт НИЦ “Технологии”
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 готовые решения, разумеется, не подошли. Все это мы отражали в нашем блоге в телеграм, но материалов накопилось столько, что хватило на статью. Быть может, история о наших 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.
PTZ-камеры — частый гость на столбах возле оживленных перекрестков
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 мы 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 наших нефтяников — на северах даже недешевые китайские ПТЗшки работают неохотно и крайне недолго, один-два сезона в лучшем случае. А раз есть спрос, то мы взялись за дело…
Как мы разрабатывали российскую PTZ-камеру
К разработке собственной PTZ-камеры мы подошли с некоторым багажом: у нас уже была собственная система отопителей для арктического применения и UltraPoE-плата для нее, которыми мы 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.
Наше дооснащение 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.
Типовая китайская PTZ-камера
И пример ее дооснащения нашими платами питания и обогревателями
Ну, а для нас 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 для НИЦ «Технологии».
Дооснащенная PTZ-камера НИЦ «Технологии» после испытаний в климатической камере при температуре -40°C
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 ~7–220 мм ;
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.
Слева направо: итерации в разработке корпуса PTZ-камеры НИЦ «Технологии»
Первая версия
Первые две версии существовали лишь на бумаге — совершенно обычное дело для прототипов. За основу мы 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 мы сами изготавливаем корпуса — пара десятков грамм лишнего материала в перспективе вырастут в убытки, которые мы, конечно, заложим в стоимость камеры, но будем потом проигрывать китайцам в цене.
Третья версия
Ну вот мы и дошли до первого рабочего прототипа — 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 мы 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 даже 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:
Те из вас, кто в теме — узнают референс. Пишите варианты в комментариях, проверим вашу эрудицию!
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!
Распечатанный прототип — немного потасканный жизнью
Этот прототип мы 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 у нас 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 длительном 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 мы рассчитывали 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.
Объектив от нашего собственного видеомодуля
Нестабильные поставки, резкое изменение ассортимента, проблемы с качеством и отношение к партнерам — лишь малая часть из причин, по которым мы предпочитаем тяготы организации собственного производства, нежели заигрывания с Китаем.
Финальная версия PTZ-камеры НИЦ «Технологии»
Но вот, в середине ноября, мы завершили 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:
На Ютубе:
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, фразы «мы разработали» и «мы запустили в серийное производство» — не синонимы, между ними пропасть времени и усилий. Нужно подготовить литьевые формы для корпусов (о том как это сложно мы писали тут), закупить микрокомпонентую базу для пайки плат, адаптировать нашу 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, мы же выстраиваем все с нуля. Поэтому, немного завидуем конкурентам, умудрившимся менее чем за год разработать, отладить и запустить в производство PTZ-камеры, которые еще и попали в Реестр Минпромторга.
Так что увидев броский заголовок по типу «У нас разработали что-то!» следует делить ожидание пополам, ведь от разработки до выхода в продажу может пройти даже больше времени чем от идеи до разработки. Но, к счастью, в нашем случае все не так плохо — серийные российские PTZ-камеры увидят свет уже в 2025 году. Ну, а вы не пропустите это радостное событие, если подпишетесь на нас в Телеграм, Дзен или ВК, где мы регулярно публикуем небольшие новости о ходе наших разработок!
