Раздел: ВЗГЛЯД Тема: Автор: Александр ПОПОВ, эксперт
Механика в электронике
Уважаемые представители рынка, а у вас есть в штате специалисты, изучавшие когда-либо сопромат? На худой конец – теормех? А между тем, когда потребовалось помочь своей однокласснице – врачу-травматологу высшей категории – в расчетах конструкций для восстановления костей, настоящий «матерый» сопроматчик отыскался именно на предприятии электронной промышленности. Правда, военной электронной промышленности. Там все очень серьезно, и такими, казалось бы, не самыми первостепенными вопросами, как крепление аппаратуры на борту всевозможной военной техники, занимается специальный отдел высококвалифицированных инженеров-механиков. На нашем рынке, похоже, производители в курсе отсутствия подобных специалистов, и зачастую позволяют себе решения, вызывающие, как минимум, недоумение. Никаких жутких классических сопроматовских расчетов приводить не буду. Не буду пугать и устрашающими формулами. Но общее понимание самых очевидных моментов дать хотелось бы. Может, и производитель тогда начнет двигаться в сторону более грамотных решений, а не руководствоваться исключительно максимально презентабельным дизайном. Сопромат, он такой: красиво еще не значит правильно. Начну с актуальности самого вопроса для нашего рынка видеонаблюдения. И зачастую – прямой связи параметров видеокамеры с вопросами механики. Помимо классических канонов механики буду опираться, в том числе, и на наш собственный опыт в построении систем видеонаблюдения. Мы тоже зачастую учились на собственных ошибках – сначала делали, а потом анализировали, почему не получилось так, как задумывалось. Итак, есть некая условная камера – рис.1. Рассмотрим ситуацию для двух вариантов объективов – широкоугольного и длиннофокусного. Вариант широкоугольной камеры – матрица «М1» и фокусное расстояние f1. Вариант узкоугольной камеры – матрица «М2» при фокусном расстоянии f2.
Лучи, проведенные от границ матрицы, расположенной на удалении фокусного расстояния от оптического центра объектива к самому этому центру, и составят угол обзора. Поэтому чем меньше фокусное расстояние и больше формат матрицы, тем больше угол обзора. И наоборот, чем больше фокусное расстояние и меньше формат матрицы, тем угол обзора будет уже. Никакой объектив ничего не увеличивает, если только не работает формат макросъемки, когда объект находится на расстоянии от оптического центра от f до 2f. В абсолютном большинстве случаев объект наблюдения находится в условной бесконечности (или близко к ней), а оптический центр располагается на удалении f (фокусное расстояние) от матрицы. При узком угле обзора существенно меньшее поле зрения проецируется на матрицу, нежели при широком угле. Соответственно, масштаб изображения в первом случае оказывается больше, нежели во втором. Но важно понимать, что и все перемещения камеры вокруг своей оси будут иметь тоже разный масштаб отображения на матрице при одном и том же ее формате. Например, если имеем широкоугольный объектив с углом горизонтального обзора 70 градусов, поворот камеры на 0,5 градуса сместит изображение на экране на 1/140 его ширины. Для визуального наблюдения не так уж и страшно, хотя такие непрерывные перемещения напрямую будут влиять на разрешающую способность далеко не в лучшую сторону. А если имеем телеобъектив с фокусным расстоянием, например, 200 мм при формате матрицы даже 1/2 дюйма, угол обзора составит всего-то 2 градуса. Наше перемещение в 0,5 градуса – это уже четверть всего экрана. При такой амплитуде колебаний вы уже просто ничего не будете видеть, несмотря на дорогой длиннофокусный объектив и вполне приличный (по крайней мере, для нашего рынка) формат матрицы. Даже для формата в 1 дюйм смещение будет составлять более 1/8 части экрана – увеличение формата ситуацию не спасает. А значит, подобные колебания необходимо попросту исключить. И сделать это можно только надежной и точной фиксацией камеры в пространстве. Пример из жизни. При оснащении стадиона «Петровский» в Санкт-Петербурге в начале 2000-х стояла задача идентификации физиономии нарушителя общественного порядка с противоположной трибуны. Заказчик категорически отказался устанавливать камеру максимально близко к объекту с передачей видеосигнала на удаленный пост, что действительно сняло бы массу проблем, а предпочел решать задачу применением длинно-фокусной оптики. Фокусное расстояние составило 300 мм. Достаточно было любого голевого момента, чтобы от даже незначительной вибрации трибуны, на которой была установлена камера, изображение становилось совершенно непригодным для какой-либо идентификации. Если я еду куда-либо с видеокамерой с целью съемки, штатив является обязательным аксессуаром даже при весовом лимите багажа. Потому что ничто так не уродует изображение, как его любое дрожание. И если в видеонаблюдении может иметь место принцип «и так сойдет», то в видеосъемке это всегда однозначный брак. А потому будем говорить о кронштейнах во всех их вариантах как самом актуальном аксессуаре видеокамеры. Даже не аксессуаре, а обязательном приложении. Каким им надлежит быть и какие они могут быть на самом деле. Если честно, очень меня удивили массово появившиеся на рынке всепогодные камеры с задним шарниром крепления (рис.2)
Кто может объяснить, чем мотивировано такое решение? Центр тяжести камеры вынесен далеко вперед за точку крепления. Таким образом, даже при отсутствии каких-либо внешних сил имеем постоянно действующий на шарнир крепления вращающий момент М = Р х L. А при наличии каких-либо возмущений момент этот будет расти. Если опора, на которой установлена камера, будет испытывать какую-либо вибрацию, момент этот будет возрастать многократно – ударная нагрузка в 6-7 раз превосходит статическую. И узел крепления, а это зажимаемый шарнир, будет находиться под постоянной и статической, и динамической нагрузкой. Так что, если вы установили такую камеру на металлическую опору (вышку), имеющую собственные колебания, да еще снабдили длиннофокусным объективом, не удивляйтесь, если изображение будет казаться размытым – колебания опоры только усилятся при такой схеме крепления. Да и сама схема представляет собой консоль для всей камеры – весьма своеобразный тип балки, о чем еще скажем ниже. Шарнир – капризное соединение с точки зрения его фиксации. Вряд ли кто-то занимался долгой притиркой поверхностей соприкосновения такого изделия. Да и фиксация одним винтом не внушает особого доверия. Есть у такого крепления и свои плюсы – независимость установки кронштейна на стену от расположения камеры в горизонте. Камера, помимо возможности установки по горизонтальному и вертикальному направлениям, имеет еще одну степень свободы – вращение вокруг продольной оси. На этом все плюсы и заканчиваются. Самая первая модель нашей всепогодной камеры, выпущенной в 1994 году, имела как раз шарнирное крепление. Правда, в центре тяжести самой камеры. Тем не менее, мы от такого варианта очень быстро отказались в силу ненадежности крепления и относительно быстрого износа самого шарнирного узла.
Гораздо более грамотная схема крепления камеры к кронштейну представлена на рис.3. Если еще и узел крепления имеет возможность перемещаться вдоль оси термокожуха, то и точка крепления может находиться точно на нормали, опущенной из центра тяжести камеры. В одной модели термокожуха могут размещаться разные модели и видеокамер, и объективов, поэтому каждая конкретная видеокамера в сборе может иметь разное местоположение центра тяжести, и возможность перемещения узла вдоль оси является несомненным плюсом. В этом случае какой-либо постоянный момент, приложенный к узлу крепления, отсутствует в принципе, и перечисленные выше возможные неприятности нас не касаются. Заодно стоит обратить внимание на крепежные отверстия. В отличие от варианта, представленного на рис. 2, они имеют не круглую форму, это – вертикальные и горизонтальные пазы. При данной схеме крепления камера не имеет возможности поворота вокруг горизонтальной оси. А такая необходимость, хоть и на небольшой угол, возникнет в большинстве случаев. Большинство случаев – это крепление к сложным поверхностям – кирпичным, бетонным стенам, к металлическим конструкциям. Очень редко удается сделать крепежные отверстия в таких поверхностях точно по разметке. При работе перфоратором отверстие почти всегда хоть на сколько-нибудь, но уйдет от разметки. В результате кронштейн при круглых отверстиях крепления оказывается установленным не строго горизонтально, а с некоторой погрешностью. Могут иметь место и погрешности изготовления самого кронштейна. И в итоге горизонт на изображении оказывается «заваленным» в ту или иную сторону. Если для дрожания камеры ситуация с изображением ухудшается по мере роста фокусного расстояния, то с завалом горизонта наоборот – чем меньше фокусное расстояние, тем больше угол обзора и шире поле зрения, а, значит, и заметнее перекос изображения. Крепежные отверстия в виде пазов позволяют хоть и на небольшой угол, но скорректировать завал горизонта при не идеально ровной установке кронштейна. Совсем хорошо, когда такие пазы располагаются не по вертикали и горизонтали, а по радиусу, давая гораздо большую возможность для компенсации завала горизонта. Если для стационарной камеры с небольшим завалом горизонта можно смириться, руководствуясь принципом «и так сойдет», то для камеры на поворотном устройстве такое не должно допускаться в принципе. Поворот неизбежно будет сопровождаться и подъемом изображения. Придется всякий раз дополнительно корректировать направление обзора и по вертикали. Поэтому, выбирая кронштейн для камеры на поворотном устройстве, следует всякий раз поинтересоваться возможностью компенсации завала горизонта на самом кронштейне. Далее – базовые моменты самого понятия «кронштейн», чтобы понимать, что сегодня массово творится на нашем рынке. Конечно, дизайн такого товара, как кронштейн, является весьма значимым конкурентным преимуществом. Но беда в том, что сегодня базовые основы механики зачастую игнорируются в угоду дизайну. Иначе чем можно оправдать прямо-таки массовую минимизацию крепежных площадок кронштейнов при том, что сами кронштейны имеют весьма солидные вылеты. На рис.4 представлено схематическое изображение кронштейна видеокамеры примерно в массовых пропорциях.
Что важно понимать? Чтобы наш кронштейн не падал со стены, равнодействующая всех сил должна быть равна нулю. Работают вниз сила тяжести видеокамеры и сила тяжести самого кронштейна. А чем они компенсируются? Очень мало, кто на этот вопрос дает правильный ответ. Обычно отвечают, что держится все на болтах (анкерах, саморезах) крепления. И это в корне неверно. Точнее, этого можно добиться, но это будет неправильно. Если крепежные элементы работают на срез (а для этого их надо просто ослабить до тех пор, пока кронштейн не повиснет на них), значит, между площадкой и поверхностью опоры существует хоть какой-то, но зазор. И в пределах этого зазора появляется, пусть и мизерная, возможность вибрации площадки относительно опоры. А с учетом вылета в точке крепления камеры амплитуда такой вибрации становится уже очень значимой с точки зрения вибрации самого изображения от камеры с видимой потерей резкости – чем больше фокусное расстояние, тем этот негативный эффект будет проявляться больше. Задача крепежных элементов – обеспечить беззазорное прижатие пластины кронштейна к поверхности, создать для каждой точки крепления площадки достаточное F пр. А дальше начнет работать сила трения, компенсирующая силы весов и камеры, и самого кронштейна. Величина F тр будет зависеть и от коэффициента трения, который, в свою очередь, зависит от свойств материалов поверхностей соприкосновения, от силы прижатия (а точнее, от силы реакции опоры, которая равна суммарной силе прижатия, но направлена в противоположную сторону), и от площади поверхностей соприкосновения. Поэтому чем больше площадь крепежной площадки кронштейна, тем меньше требуется величина силы прижатия для удержания всей камеры на кронштейне на поверхности. Но это еще не все. В гораздо большей степени сила прижатия будет зависеть не столько от веса камеры и кронштейна, сколько от их моментов в зависимости от величины этой самой крепежной площадки (рис.4). Для положения равновесия должно быть соблюдено равенство моментов. Рассмотрим для примера только моменты в вертикальной плоскости. Для горизонтальной рассуждения будут аналогичными для любой внешней горизонтальной силы. Для упрощения весом самого кронштейна пренебрежем (его вес окажется дополнительным доводом в пользу увеличения площадки). Р – вес камеры, установленной на кронштейне. L1 – вынос кронштейна F пр. – сила прижатия, обеспечиваемая крепежным элементом. L2- расстояние от низа (верха) площадки до верхнего (нижнего) крепежного отверстия. Имеем равенство моментов: P х L1 = F пр. х L2 Или Fпр. = P х L1 / L2 Вывод из этой формулы очевиден: поскольку вес камеры конкретный и никак не меняется, сила прижатия будет напрямую зависеть от соотношения длины кронштейна и размера крепежной площадки в плоскости приложения внешней силы. В вертикальной плоскости это, в первую очередь, сила тяжести и всевозможные возбуждающие силы (например, падение льда с крыши на камеру), в горизонтальной плоскости – ветровые нагрузки и динамическое воздействие различного характера. Нам необходимо обеспечить силу прижатия не столько для обеспечения силы трения, способной противостоять весу камеры и самого кронштейна, сколько для обеспечения этого удерживающего момента. А если не обеспечим? Крепежные элементы будут вырваны из поверхности крепления. Даже если просто ослабнут, появится зазор между площадкой и поверхностью, и начнутся недопустимые колебания, напрямую влияющие на качество изображения. Чем больше L1 и меньше L2 тем больше потребуется F пр. И вот вам прямая аналогия (рис.5)
Чем больше имеем соотношение L1/L2, тем меньше потребуется величина усилия P, чтобы обеспечить как можно большую силу вытяжения F выт. И тем больше приближаемся в конструкции кронштейна к схеме классического гвоздодера, предназначенного исключительно для вытаскивания крепежных элементов из поверхностей. Фактически при малых размерах площадки кронштейна мы усилием прижатия противостоим исключительно вытяжению крепежных элементов. Для обеспечения силы трения, компенсирующей вес камеры с кронштейном, прижатие могло быть меньше в разы. С увеличением площадки (увеличением L2) будет пропорционально уменьшаться и необходимая сила прижатия. И вполне возможно, что для одного и того же веса камеры с кронштейном при одном и том же вылете в случае маленькой площадки для крепления потребовались бы мощные анкеры, требующие и мощной несущей конструкции. А при существенном увеличении площадки в направлении действия основных сил можно ограничиться гипроковой поверхностью и «тридцатыми» саморезами. Следует понимать, что для видеокамеры крепление должно не просто предотвратить падение, но и минимизировать возможные колебания, которые с увеличением их амплитуды все более негативно будут сказываться на результат работы всей системы – качество видеоизображения. На наши камеры падали льдины с крыши шестиэтажного дома. Кабели все обрубило, но камера осталась на штатном месте. Продолжение – в следующем номере.
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru Рады сообщить нашим читателям, что теперь нашем сайте работает модуль обратной связи. Нам важна ваша оценка наших публикаций! Также вы можете задавать свои вопросы.Наши авторы обязательно ответят на них. Ждем ваших оценок, вопросов и комментариев!

Добавить комментарий или задать вопрос

Правила комментирования статей

Версия для печати

Средняя оценка этой статьи: 0  (голосов: 0)
Ваша оценка: