كيف تتخلص المحركات المتدرجة من المظهر "المتدرج" عند التكبير 40X العالي؟

لقد شاهدت ذات مرة عرضًا توضيحيًا لـ 40X PTZ حيث قفزت الصورة إطارًا بإطار مثل عرض الشرائح. أخبرتني تلك اللحظة أن الحركة السلسة هي كل شيء.

تعمل المحركات المتدرجة على التخلص من المظهر “المتدرج” عند التكبير/التصغير بمعدل 40X باستخدام تقنية التقسيم الدقيق التي تقسم كل خطوة فعلية إلى 256 قسمًا فرعيًا أو أكثر، بالإضافة إلى ملفات تعريف التسارع على شكل منحنى S وملاحظات أداة التشفير ذات الحلقة المغلقة. تعمل هذه التقنيات معاً على تحويل القفزات المتشنجة المرئية إلى حركة كاميرا سلسة ومستمرة تبدو طبيعية حتى في أضيق زاوية تقريب.

كاميرا PTZ كاميرا PTZ ذات محرك متدرج سلس الحركة عند تقريب 40X

في شركة Loyalty-Secu، نقوم في Loyalty-Secu بتصنيع كاميرات 38X و40X PTZ كل يوم. لقد أمضينا سنوات في ضبط محركات المحركات، ونسب التروس، والبرامج الثابتة لحل هذه المشكلة بالضبط. فيما يلي، سأرشدك إلى الأسئلة الأربعة الأكثر شيوعًا التي يطرحها عملاؤنا حول أداء المحرك المتدرج عند التكبير/التصغير العالي. تتعمق كل إجابة في الهندسة حتى تتمكن من كتابة مواصفات أفضل واختيار موردين أفضل.

هل تستخدم كاميرتك تقنية التحريك البطيء البطيء للغاية؟

لقد رأيتُ الكثير من كاميرات PTZ التي تدّعي “التحريك السلس” في ورقة البيانات ولكنها تقدم تلعثمًا واضحًا عند 30X وما فوق. الفجوة كبيرة بين التسويق والواقع.

نعم، تستخدم كاميراتنا تقنية التقسيم الدقيق الحقيقي مع التحكم في تيار الموجة الجيبية عند التقسيم الفرعي 1/128 أو 1/256. ويؤدي ذلك إلى تقسيم الخطوة الكاملة القياسية بزاوية 1.8 درجة إلى آلاف الخطوات الفرعية الصغيرة، بحيث يتحرك رأس التحريك في دوران شبه مستمر بدلاً من القفز من موضع إلى آخر.

التحكم في تيار الموجة الجيبية لسائق محرك التوجيه الدقيق PTZ

لماذا تفشل القيادة بخطوة كاملة عند 40X

يحتوي المحرك السائر القياسي ثنائي الطور على محرك متدرج ثنائي الطور بزاوية خطوة 1.8 درجة. وهذا يعني 200 خطوة لكل دورة كاملة. إذا كانت نسبة التروس 1:10، فإن كل خطوة إخراج تساوي 0.18 درجة. يبدو ذلك صغيرًا. ولكن عند التكبير 40X، يكون مجال الرؤية ضيق للغاية - غالبًا ما يكون أقل من 2 درجة. لذا فإن قفزة واحدة بزاوية 0.18 درجة تحرك الصورة بمقدار 9% تقريبًا من الإطار بأكمله. يرى المشاهد قفزة قوية ومرئية.

والآن قارن ذلك بـ 1/256 خطوة صغيرة. تصبح كل خطوة إخراج 0.18 درجة ÷ 256 = 0.000703 درجة. هذا صغير جدًا لدرجة أنه حتى عند 40X، يكون إزاحة الصورة لكل خطوة غير مرئي للعين البشرية.

التقشير الحقيقي مقابل التقشير الدقيق المزيف

لا تتساوى جميع أنواع التقشير الدقيق. تقوم برامج التشغيل الرخيصة بتغيير الرقم في السجل فقط ولكنها لا تقوم بتشكيل الشكل الموجي الحالي فعليًا. والنتيجة هي ما يسميه المهندسون “التقسيم الفرعي المزيف”. لا يزال المحرك يهتز ويقفز لأن التيار في كل ملف لا يتبع منحنى جيبي نظيف.

يتطلب التقويم الدقيق الحقيقي:

• تحديد ملامح التيار الجيبية الموجة الجيبية على كلتا المرحلتين (المرحلة A = الجيب، المرحلة B = جيب التمام).
• استشعار التيار عالي الدقة حتى يتمكن السائق من تثبيت كل موضع دقيق بدقة.
• تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور منخفض الضوضاء لمنع التداخل الكهربائي من تشويه الشكل الموجي.

الميزة	سائق رخيص (ميكروستيب مزيف)	برنامج تشغيل الجودة (True Microstep)
إعداد التقسيم الفرعي	1/16 أو 1/32 على الورق	تم التحقق من 1/128 أو 1/256
الشكل الموجي الحالي	درج خشن	موجة جيبية سلسة
الاهتزاز عند السرعة المنخفضة	همهمة عالية ومسموعة	منخفضة جداً، صامتة تقريباً
جودة الصورة عند 40X عموم 40X	تلعثم مرئي	انزلاق سلس ومستمر
أمثلة البُرادة النموذجية	المستنسخات الصينية العامة	TI DRV8825، TMC2209/5160

ماذا تسأل المورد الخاص بك

عندما تقيّم جهاز PTZ من أي مصنع، اطلب أمرين:

1. فيديو بطيء التقريب البطيء مسجل بأقصى تقريب بصري. أعد تشغيله إطاراً بإطار. إذا كنت ترى قفزات منفصلة، فهذا يعني أن التقريب الدقيق لا يعمل بشكل صحيح.
2. طراز رقاقة السائق ونسبة التقسيم الفعلي. سيشارك المصنع ذو السمعة الطيبة ذلك دون تردد.

في Loyalty-Secu، نوفر مقاطع فيديو الاختبار هذه كجزء من عملية تقييم العينات القياسية لدينا. نحن نعتقد أنه إذا لم يتمكن أداء المحرك من الصمود أمام اختبار الفيديو، فلا ينبغي شحنه.

لماذا تبدو الصورة “متشنجة” على أجهزة PTZ الرخيصة عند متابعة شخص بعيد؟

كان لديّ عميل في كندا اشترى 50 وحدة PTZ اقتصادية لمشروع خط أنابيب. عند التقريب الكامل، بدا التتبع التلقائي للكاميرا وكأنها تعاني من نوبة صرع. استبدل جميع الوحدات الخمسين في غضون ستة أشهر.

يأتي المظهر المتشنج من ثلاث مشاكل مجتمعة: دقة الخطوة الخشنة التي تخلق قفزات مرئية، والرنين الميكانيكي الذي يضخم الاهتزاز عند سرعات معينة، وأوامر البدء والتوقف المفاجئة التي تتسبب في اهتزاز مجموعة العدسة. تعمل كاميرات PTZ الرخيصة على خفض التكاليف في جميع المجالات الثلاثة، لذا تتضاعف المشكلة في الأطوال البؤرية الطويلة.

مقارنة صورة PTZ المتشنجة مقابل صورة PTZ السلسة عند التكبير/التصغير العالي

المشكلة 1: دقة الخطوة الخشنة

كما شرحت أعلاه، ينتج عن برنامج تشغيل كامل الخطوة أو نصف خطوة عند تكبير 40X قفزات في الصورة واضحة للعيان. لكن كاميرات PTZ الرخيصة تذهب أبعد من ذلك في الاتجاه الخاطئ. فغالبًا ما تستخدم محركات بزوايا خطوة 7.5 درجة (48 خطوة فقط لكل دورة) لأن هذه المحركات أقل تكلفة. حتى مع وجود 1/16 خطوة متناهية الصغر، لا تزال كل خطوة إخراج كبيرة جدًا بالنسبة للعمل المقرب.

المشكلة 2: مناطق الرنين

لكل محرك متدرج ترددات رنين طبيعية. عندما تتطابق سرعة المحرك مع أحد هذه الترددات، يرتفع الاهتزاز بشكل كبير. في PTZ الرخيصة، لا يعرف البرنامج الثابت عن هذه المناطق. فهو يقوم فقط بتشغيل المحرك بأي سرعة يأمر بها ذراع التحكم. إذا صادف أن تقع هذه السرعة في منطقة رنين، تهتز الكاميرا بأكملها.

تقوم البرامج الثابتة الجيدة بتعيين مناطق الرنين أثناء معايرة المصنع وإما أن تتخطاها بسرعة أو تتجنبها تمامًا.

المشكلة 3: بدء التشغيل الصعب والتوقف الصعب

ترسل وحدة التحكم الرخيصة أمر سرعة بموجة مربعة: من الصفر إلى السرعة المستهدفة على الفور، ثم السرعة المستهدفة إلى الصفر على الفور. هذا يخلق ارتفاعًا في عزم الدوران عند كلا الطرفين. يتأرجح رأس الكاميرا إلى الأمام ويتجاوز السرعة المستهدفة ثم يرتد إلى الخلف. عند 40X، يتضخّم هذا الارتداد إلى اهتزاز عنيف للصورة قد يستغرق ثانية كاملة حتى يستقر.

كيف تحل أجهزة PTZ عالية الجودة جميع المشاكل الثلاثة

المشكلة	نهج PTZ رخيص الثمن	نهج PTZ عالي الجودة
دقة الخطوة	محرك بزاوية 7.5 درجة، 1/8 خطوة صغيرة جداً	محرك 0.9 درجة، 1/128+ ميكروستيب
الرنين	لا يوجد تخطيط رنين	تتخطى البرامج الثابتة مناطق الرنين
بدء/إيقاف التشغيل	أمر الموجة المربعة	منحنى على شكل حرف S أو منحدر شبه منحرف
التخميد	لا يوجد مخمد ميكانيكي	قرص القصور الذاتي أو مخمد السيليكون على العمود
قطار التروس	تروس بلاستيكية ذات رد فعل عكسي	تروس معدنية مزودة بنابض مضاد لردود الفعل الخلفية

التكلفة الحقيقية لـ “الرخيص”

لقد تعلم موكلي في كندا هذا الأمر بالطريقة الصعبة. فقد كلفته الوحدات الـ 50 الرخيصة $8,000 مقدماً. لكن الوحدات البديلة، والعمالة اللازمة لتبديلها على أعمدة خطوط الأنابيب البعيدة، ومصداقية العقد المفقودة كلفته أكثر من 1TP40000T. عندما تشتري كاميرات PTZ لمشاريع جادة، فإن نظام المحرك ليس المكان المناسب لتوفير المال.

هل يمكنني ضبط سرعة التحريك/الإمالة بشكل ديناميكي بناءً على مستوى التكبير/التصغير الحالي؟

أتلقى هذا السؤال في كل معرض تجاري تقريبًا. وتفاجئ الإجابة الكثير من الناس لأن معظم كاميرات PTZ تحتوي بالفعل على هذه الميزة - لكنهم يطبقونها بشكل سيء.

نعم، يمكن لكاميرات PTZ الاحترافية ربط سرعة التحريك/الإمالة بمستوى التكبير/التصغير الحالي تلقائيًا. تسمى هذه الميزة “التحريك النسبي” أو “اقتران سرعة التكبير/التصغير”. كلما زاد التكبير/التصغير، يقلل البرنامج الثابت من سرعة التحريك والإمالة القصوى بحيث تتحرك الصورة بمعدل مريح وقابل للمشاهدة على الشاشة.

سرعة التحريك التناسبي PTZ مرتبطة بمخطط مستوى التكبير/التصغير

لماذا هذا مهم عند 40X

بزاوية عريضة 1X، تبدو سرعة التحريك 100 درجة/ثانية طبيعية. ويمتد المشهد عبر الشاشة بوتيرة مريحة. ولكن عند سرعة 40X، فإن نفس السرعة 100 درجة/ثانية ستجعل الصورة ضبابية في خط غير قابل للقراءة. يكون مجال الرؤية أضيق 40 مرة، لذا فإن كل درجة دوران تحرك الصورة 40 مرة أكثر على الشاشة.

للحفاظ على ثبات سرعة الحركة على الشاشة، يجب أن تنخفض سرعة التحريك بمعامل يتناسب تقريبًا مع نسبة التكبير/التصغير. عند 40X، هذا يعني أن سرعة التحريك القصوى يجب أن تكون حوالي 2.5 درجة/ثانية أو أقل.

كيفية تعامل البرنامج الثابت مع هذا الأمر

يبلغ محرك التكبير/التصغير عن موضعه الحالي لوحدة التحكم الرئيسية. تبحث وحدة التحكم عن جدول حد السرعة الذي يحدد كل موضع تكبير/تصغير إلى أقصى سرعة مسموح بها للتحريك/الإمالة. عندما يضغط المشغِّل على ذراع التحكم، تحدد وحدة التحكم سرعة المحرك بالقيمة من الجدول.

مفهوم جدول الحد الأقصى للسرعة

إليك مثال مبسط لما يبدو عليه هذا الجدول داخل البرنامج الثابت:

مستوى التكبير/التصغير	مجال الرؤية (أفقي)	سرعة الدوران القصوى	سرعة الإمالة القصوى
1X	58°	120°/s	90°/s
10X	5.8°	12°/s	9°/s
20X	2.9°	6°/s	4.5°/s
30X	1.9°	4°/s	3°/s
40X	1.45°	2.5°/s	2°/s

ما يحدث بدون اقتران سرعة التكبير/التصغير

بدون هذه الميزة، يجب على المشغل تقليل مدخلات عصا التحكم يدويًا عند التكبير/التصغير العالي. وهذا أمر متعب وغير دقيق. يبالغ معظم المشغّلين في إطلاق النار على الهدف، ثم يقوم بالتصحيح الزائد، مما يؤدي إلى تذبذب ذهابًا وإيابًا يبدو غير احترافي في اللقطات المسجلة.

التقدم خطوة أخرى إلى الأمام: التسريع التكيفي

في شركة Loyalty-Secu، لا تقتصر برامجنا الثابتة على تحديد السرعة فقط. بل يضبط أيضًا منحنى التسارع بناءً على مستوى التكبير/التصغير. عند مستوى 40X، يكون وقت منحدر المنحنى S أطول؛ لذا تتحرك الكاميرا برفق أكثر. عند 1X، يكون المنحدر أقصر للاستجابة السريعة. يمنح هذا الضبط المزدوج - الحد الأقصى للسرعة بالإضافة إلى تشكيل التسارع - المشغلين “إحساسًا” ثابتًا عند كل مستوى تكبير/تصغير.

إذا كنت تقوم بكتابة مواصفات لعملية الشراء التالية لكاميرا PTZ، فقم بتضمين هذا السطر: “يجب قياس سرعة التحريك/الإمالة تلقائيًا بالتناسب العكسي مع نسبة التكبير/التصغير البصري، مع ضبط تسارع منحنى S لكل مستوى تكبير/تصغير.” ستؤدي هذه الجملة الواحدة إلى تصفية معظم المنتجات منخفضة الجودة.

كيف يقلل برنامج تشغيل المحرك من الاهتزاز عند أضيق زاوية تقريب؟

لقد أمضيت ثلاثة أشهر في عام 2022 أعمل مع فريق البرامج الثابتة لدينا للقضاء على اهتزاز خفي بمقدار 2 بكسل لم يظهر إلا عند 38X وما فوق. اتضح أنها مشكلة رنين عند سرعة تحريك محددة للغاية. علمني إصلاحها الكثير.

يقلل محرك المحرك من الاهتزاز عند الحد الأقصى للتقريب من خلال الجمع بين التقسيم الدقيق عالي التقسيم مع تجنب الرنين النشط، وملامح الحركة على شكل حرف S، والتخميد الميكانيكي. تقلل هذه الطرق مجتمعة من تموج عزم الدوران وتمنع المحرك من السكون عند السرعات التي يتسبب فيها تردده الطبيعي في التذبذب.

نظام التخميد الاهتزازي للمحرك السائر لكاميرا PTZ

فهم تموج عزم الدوران

ينتج كل محرك متدرج تذبذبًا صغيرًا في عزم الدوران أثناء انتقاله من خطوة إلى أخرى. وهذا ما يسمى تموج عزم الدوران ¹. عند التقريب المنخفض، يكون هذا التموج غير مرئي لأن مجال الرؤية واسع. ولكن عند تكبير 40X، حتى التذبذب بمقدار 0.001 درجة يُترجم إلى اهتزاز بكسل مرئي على الشاشة.

يقلل التقسيم الدقيق من تموج عزم الدوران لأن انتقالات التيار بين الخطوات تكون تدريجية وليست مفاجئة. ينتج مشغل الخطوات الدقيقة 1/256 تموج عزم دوران يبلغ 1/256 تقريبًا من تموج الخطوة الكاملة. وهذا عادة ما يكون صغيراً بما يكفي ليكون غير مرئي حتى عند 40X.

تجنب الرنين النشط

تحتوي المحركات السائر على منطقتين رئيسيتين للرنين:

• رنين منخفض السرعة - عادةً حوالي 1-3 دورات في الثانية للمحركات الصغيرة. هذه هي المنطقة الأكثر خطورة بالنسبة لكاميرات PTZ لأن التحريك البطيء عند التكبير/التصغير العالي غالباً ما يقع فيها مباشرة.
• عدم استقرار متوسط المدى - منطقة أوسع حيث يمكن أن يفقد المحرك التزامن.

يقيس برنامجنا الثابت ملف الرنين لكل نموذج محرك أثناء التطوير. ثم يبرمج “المناطق المحظورة” في وحدة التحكم في السرعة. عندما تقع السرعة المستهدفة داخل منطقة محظورة، فإن وحدة التحكم إما أن تقفز عبرها بسرعة أثناء التسارع أو تنتقل إلى سرعة آمنة قريبة.

تفاصيل التخميد الميكانيكي

حتى مع التحكم الكهربائي المثالي، لا تزال بعض طاقة الاهتزاز تصل إلى جسم الكاميرا من خلال عمود المحرك. لامتصاص هذه الطاقة، نستخدم:

• مخمدات دوارة مملوءة بالسيليكون على عمود إخراج المحرك. تقوم هذه بتحويل طاقة الاهتزاز إلى حرارة.
• قطارات التروس المضادة للارتجاع التي تبقي التروس في تلامس مستمر، مما يمنع “الطقطقة” التي تحدث عندما تعكس التروس اتجاهها.
• تجميعات العدسات المتوازنة بحيث يقع مركز الثقل على محور الدوران. يخلق الحمل خارج المركز اضطراب عزم دوران دوري مرة واحدة في كل دورة.

طبقة البرامج الثابتة: تجميع كل شيء معًا

الطبقة الأخيرة هي البرنامج الثابت للتحكم في الحركة. فهي تأخذ مدخلات ذراع التحكم (أو أمر التتبع التلقائي)، وتطبق حد السرعة التناسبية للتكبير/التصغير، وتُنشئ ملف تعريف سرعة منحنى S، وتتحقق من تعارضات منطقة الرنين، ثم تغذي دفقًا من نبضات الخطوات الدقيقة الموقوتة بدقة إلى شريحة برنامج التشغيل.

تحدث هذه العملية الحسابية بأكملها في الوقت الحقيقي، آلاف المرات في الثانية الواحدة. والنتيجة هي حركة سلسة للغاية لدرجة أن المشاهد ينسى أن الكاميرا موضوعة على منصة ميكانيكية. تنزلق الصورة فقط.

ما الذي يجب تحديده عند الاستيراد

إذا كنت تقوم بتوريد كاميرات PTZ من الصين وتحتاج إلى أداء سلس مضمون عند 40X، فضع هذه العناصر في مستند المتطلبات الفنية:

1. الحد الأدنى لزاوية خطوة الخرج المكافئة ≤ 0.003° (زاوية خطوة المحرك × نسبة الخطوة الصغرى × نسبة التروس).
2. يجب أن يستخدم برنامج التشغيل التحكم في تيار الموجة الجيبية مع ≥ 1/32 من التقويم الدقيق الذي تم التحقق منه.
3. يجب أن تنفذ البرامج الثابتة تسارع المنحنى S مع تجنب منطقة الرنين.
4. يجب على المورد توفير فيديو اختباري بطيء التحريك البطيء عند الحد الأقصى للتكبير البصري كجزء من اعتماد العينة.
5. يجب على المورد توفير فيديو اختبار الحركة من نقطة إلى نقطة بزاوية 0.02 درجة للتحقق من سلاسة الخطوة الواحدة.

هذه الأسطر الخمسة ستحميك من الكارثة التي تعرض لها موكلي الكندي. فهي سهلة التحقق ويستحيل تزويرها.

الخاتمة

تتطلب حركة 40X PTZ السلسة 40X حركة متناهية الصغر حقيقية، وتسارع منحنى S، وتجنب الرنين والتخميد الميكانيكي - العمل معًا وليس بمعزل عن بعضها البعض.

---

1. تموجات عزم الدوران في المحركات المتدرجة وتقليل التدرج الدقيق. ︎ 2. توصيف تيار الموجة الجيبية للموجات الجيبية للدوائر المتكاملة لمحركات السائر. ︎ 3. مناطق رنين المحرك السائر وتقنيات تجنبه. ︎ 4. منحنى الحركة على شكل حرف S لتقليل الصدمات الميكانيكية. ︎ 5. مواصفات محرك السائر الصغير TI DRV8825 لمحرك السائر TI DRV8825. ︎ 6. عصا TMC2209 SilentStep للتحكم في المحرك بدون اهتزازات. ︎ 7. تصميم مجموعة التروس المضادة للاصطدام الخلفي لآليات PTZ. ︎ 8. اختيار المثبط الدوار السيليكوني لتخميد عمود المحرك. ︎ 9. اقتران سرعة التكبير/التصغير للتحكم في عصا التحكم PTZ عند التقريب. ︎ 10. تغذية مرتجعة مغلقة الحلقة لاكتشاف فقدان الخطوة. ︎