一种基于机器视觉的智能化消防炮系统及工作方法与流程

2021-01-20 16:01:38|

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本发明涉及消防领域，尤其涉及一种基于机器视觉的智能化消防炮系统及工作方法。

背景技术：

伴随智能化技术的兴起，消防炮也在朝着智能化的方向发展。现役消防炮多为手动操作方式，存在灭火效率低、对于专业经验要求高。消防人员需要长时间的学习和练习，才能熟练掌握消防炮的使用，在灭火作业中充分发挥消防炮的作用，需要较高的学习成本，在灭火作业中也需要消防人员全称参与火场的识别、瞄准，工作量较大。

技术实现要素：

本发明提供一种基于机器视觉的智能化消防炮系统及工作方法，能够在灭火作业中对火场进行智能跟踪瞄准，快速、精准地将灭火水剂输送至着火区域，实时跟踪火场位置变化，持续跟踪灭火。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于机器视觉的智能化消防炮系统，包括：红外相机、自然光相机、机构支架、消防炮头、第一步进电机、第二步进电机、进水管、消防炮及中心控制器。

消防炮底部连接进水管，消防炮的下方安装第一步进电机，第一步进电机带动消防炮做偏航运动。消防炮的顶部安装弯管，弯管上安装消防炮头，消防炮头上安装第二步进电机，第二步进电机带动消防炮头做俯仰运动。

弯管上还安装机构支架，机构支架上安装红外相机和自然光相机，红外相机的光轴和消防炮瞄准方向位于同一竖直平面，并且平行；自然光相机位于消防炮头的后上方侧边位置。

红外相机、自然光相机连接中心控制器，中心控制器连接并控制第一步进电机、第二步进电机。

本发明还提供一种基于机器视觉的智能化消防炮系统的工作方法，适用于的一种基于机器视觉的智能化消防炮系统，包括：

红外相机采集火场红外图像，自然光相机采集消防炮头的射流轨迹近场图像，并发送至中心控制器；

中心控制器解析火场红外图像中的火场中心点，并计算火场中心点与火场红外图像几何中心点在水平方向的偏差，中心控制器控制第一步进电机调整消防炮的水平位置，直至火场中心点与火场红外图像几何中心点位于同一竖直方向；

中心控制器解析射流轨迹近场图像的几何特征，并计算射流轨迹近场图像的几何特征与射流轨迹模型的偏差，中心控制器控制第二步进电机调整消防炮的俯仰角度，直至射流轨迹近场图像的几何特征完全匹配射流轨迹模型。

进一步的，火场中心点的解析方法为：中心控制器遍历火场红外图像找寻最高温度点的像素位置，将该位置标记为火场中心点的像素位置。

进一步的，射流轨迹近场图像的几何特征的解析方法为：中心控制器采用图像处理方法解析所述射流轨迹近场图像中射流轨迹的入射角度值。

具体包括：

采用高斯背景减除方法剔除射流轨迹近场图像除射流轨迹以外的背景噪声；

射流轨迹近场图像并计算获取图像中每一列为射流轨迹的像素点坐标均值；

利用像素点坐标均值，采用数值拟合方法获取射流轨迹方程；

迹在图像中起始像素点的位置代入射流轨迹方程计算获取射流轨迹的入射角度值。

进一步的，射流轨迹近场图像的几何特征与射流轨迹模型的偏差计算方法为：利用射流轨迹的入射角度值和射程相关性模型，计算得到射流轨迹近场图像几何特征与射流轨迹模型的偏差。具体包括：

针对基于机器视觉的智能化消防炮系统，通过标定实验获取基于机器视觉的智能化消防炮系统有效工作范围内的射流轨迹入射角度与射程的映射关系作为相关性模型；

在基于机器视觉的智能化消防炮系统的工作过程中，通过插值计算方法，获取消防炮实际所需射程在模型中映射的射流轨迹入射角度值；

对比当前图像中射流轨迹入射角度值与插值计算结果，即为射流轨迹近场图像几何特征与射流轨迹模型的偏差。

进一步的，红外相机根据火场变化情况，调整图像采集帧率以改变消防炮水平调整频率，用于适应不同角度范围的消防炮水平调整；近场相机根据火场变化情况，调整图像采集帧率以改变消防炮俯仰调整频率，用于适应不同角度范围的消防炮俯仰调整。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种基于机器视觉的智能化消防炮系统及其工作方法，可以实现消防炮的智能化灭火作业。在灭火过程中，通过对消防炮的水平角度调整实现消防炮对于火场位置的自动水平瞄准，并依据火场变化情况，不断进行偏差校正；通过对消防炮头的俯仰角度调整实现消防炮射流轨迹落点对火场的覆盖，并依据火场变化情况，不断进行偏差校正，从而实现了火场瞄准、精准扑灭以及实时跟踪灭火。本发明基于视觉伺服技术，实现在灭火过程中的智能化作业，提升灭火作业效率，加快灭火救援速度，进一步减轻了人员伤亡与财产损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的系统结构正视图；

图3是本发明的系统结构侧视图；

图4是本发明的系统结构俯视图；

图5是中心控制器的连接示意图；

图6是本发明系统的工作流程图；

图中：1-红外相机，2-自然光相机，3-机构支架，4-消防炮头，5-第一步进电机，6-第二步进电机，7-进水管，8-消防炮。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例提供一种基于机器视觉的智能化消防炮系统，如图1所示，包括：包括红外相机1、自然光相机2、机构支架3、消防炮头4、第一步进电机5、第二步进电机6、进水管7、消防炮8。

如图2、图3、图4所示，分别是一种基于机器视觉的智能化消防炮系统的正视图、侧视图以及俯视图。

红外相机1、自然光相机2通过机构支架3安装于消防炮8上方，其中红外相机1布置于消防炮头4后侧正上方，自然光相机2布置于消防炮头4后侧右上方。

第一步进电机5安装于消防炮8下方，用于消防炮8水平角度调整，安装于消防炮8上的红外相机1、自然光相机2、机构支架3、消防炮头4、第二步进电机6均跟随消防炮8作同步水平角度调整。第二步进电机6安装于消防炮8中部位置，用于消防炮头4俯仰角度调整。进水管7安装于消防炮8底部。

如图5所示，一种基于机器视觉的智能化消防炮系统中，红外相机1、自然光相机2、第一步进电机5、第二步进电机6分别通过数据线缆与消防炮中心控制器连接实现信号传输，红外相机1、自然光相机2传送采集的数据至消防炮中心控制器，消防炮中心控制器发出控制信号至第一步进电机5、第二步进电机6。

本实施例还提供一种基于机器视觉的智能化消防炮系统的工作方法，流程图如图6所示，包括：

1）启动灭火程序，开始工作：消防炮中心控制器采集来自红外相机1拍摄的火场红外图像以及自然光相机2拍摄的射流轨迹自然光图像。

2）消防炮水平调整：红外相机1采集到火场图像并回传至消防炮中心控制器。中心控制器遍历火场红外图像找寻最高温度点像素位置，并以该位置作为火场中心点在图像中的像素位置。

中心控制器计算最高温度点像素位置与图像几何中心点位置在水平方向的像素偏差值，中心控制器将计算偏差转换成控制信号传输至第一步进电机5，第一步进电机5依据控制信号调整消防炮8水平角度，直至红外图像最高温度点像素位置与图像几何中心点竖直对齐。上述过程根据火场变化情况，可调整红外相机1图像采集帧率以改变消防炮8水平调整频率，用于适应不同角度范围的消防炮水平调整。

3）消防炮头俯仰调整：自然光相机2采集到消防炮射流轨迹近场图像并回传至消防炮中心控制器。中心控制器解析近场图像中射流轨迹入射角度值，基于射流轨迹入射角度值与射程相关性模型，计算当前近场图像中入射角度值与喷射目标所需的入射角度偏差值。

射流轨迹近场图像中射流轨迹的入射角度值的解析方法具体为：

采用高斯背景减除方法剔除射流轨迹近场图像除射流轨迹以外的背景噪声；

遍历射流轨迹近场图像并计算获取图像中每一列为射流轨迹的像素点坐标均值；

利用像素点坐标均值，采用数值拟合方法获取射流轨迹方程；

将射流轨迹在图像中起始像素点的位置代入射流轨迹方程计算获取射流轨迹的入射角度值。

射流轨迹近场图像的几何特征与射流轨迹模型的偏差计算方法为：

利用射流轨迹的入射角度值和射程相关性模型，计算得到射流轨迹近场图像几何特征与射流轨迹模型的偏差，具体包括：

在基于机器视觉的智能化消防炮系统的工作过程中，通过插值计算方法，获取消防炮实际所需射程在模型中映射的射流轨迹入射角度值；

对比当前图像中射流轨迹入射角度值与插值计算结果，即为射流轨迹近场图像几何特征与射流轨迹模型的偏差。

中心控制器将计算偏差转换成控制信号传输至第二步进电机6，第二步进电6依据控制信号调整消防炮头4俯仰角度，直至近场图像中射流轨迹入射角度值达到喷射目标所需的入射角度。上述过程根据火场变化情况，可调整自然光相机2图像采集帧率以改变消防炮头4俯仰调整频率，用于适应不同角度范围的消防炮水平调整。

经过处理分析后，消防炮中心控制器分别发出控制指令给第一步进电机5和第二步进电机6，分别实现消防炮8的水平位置调整以及消防炮头4俯仰角度调整。消防炮水平调整以及消防炮头俯仰调整在灭火过程中同步进行。