CN108619648B - 基于视觉的消防炮射流轨迹识别模拟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉的消防炮射流轨迹识别模拟实验装置，包括支撑结构、转动云台、喷射系统及识别系统；支撑结构包括支撑板、支架；转动云台包括U型支架、回转轴承、铜柱A、铜柱B、舵机A、喷头支座、舵机B、圆形支撑板A、圆形支撑板B及圆形支撑板C；喷射系统包括水箱、可调水泵、水管B、浮子流量计、水管A、弯头、水管C、排卡B、球阀、水管D、三通接头A、压力表A、水管E、排卡A、宝塔接头、软管、三通接头B、压力表B及可调喷嘴；识别系统包括工业相机和可移动相机支架。本发明合理的模拟了消防炮实际工作方式，可直接研究适用于消防炮的控制方案，同时通过改变流量大小可模拟控制方案在不同工况下的控制效果，对实际使用有着很好的借鉴作用。

Description

基于视觉的消防炮射流轨迹识别模拟实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种消防炮射流轨迹识别模拟实验装置及方法。

背景技术

近年来我国对于高大空间建筑火灾监控研究取得了一定成果，其中，自动消防炮作为集探测、定位、扑救与一体的只能灭火系统具有广阔的发展前景。在一些无人看守的重点保护区域，对消防炮的技术要求也越来越高。近年来，随着各种火灾传感器技术的发展，目前市场上的自动跟踪定位射流灭火装置多为基于紫外火焰传感器和红外火焰传感器，此类传感器一般比较敏感，对声音、电磁波以及震动十分敏感，存在一定的误报率，使用环境受到一定的限制。当灭火装置在距离火灾较近或保护区域内出现多火源时，则存在红外热释电器件过饱和，不能准确探测和定位火源的缺陷，同时也无法判断火势的大小。视频图像技术引入到火灾监控中，可以有效解决高大空间火灾自动识别和火源定位的问题。

消防炮灭火是大空间建筑和野外环境最好的灭火方式，采用具有火灾自动探测功能的消防水炮系统是一个较好的方案。现有的消防水炮由于自身并没有自动搜索识别火焰、自动定位功能，一般只能在火灾发展到被人或其他火灾探测器发现后，人工启动按钮进行喷水灭火。一些线控或遥控的电动消防炮往往只具有简单的操纵功能，在操纵指令下实现水平和俯仰角度的认为调节，不能自动对准火焰，因此在无人值守的大空间和需要重点保护的场所，特别需要安装具有自动定位灭火功能的消防水炮。自动消防水泡系统的工作原理是通过前端探测系统采集县城可见光图像和红外图像，中央控制器采用图像处理的手段对发生在控制区内的火灾进行侦测和定位，打开相应的联动设备并控制水炮进入喷水灭火操作。前端探测系统现阶段普遍采用由普通彩色CCD摄像机和带红外滤镜的CCD摄像机组成的双波段图像型探测器。先由视频采集卡将拍摄到的监视现场的彩色和红外图像传入计算机，只有使用图像处理算法，从单幅图像和图像序列中识别是否有火灾发生。确认火灾真实发生后，消防系统将会自动计算火灾的空间位置，并自动启动报警和消防炮灭火系统。其中关键点是消防水炮如何自动定位。

随着数字通信技术、计算机技术的发展，数字图像处理技术获得了广泛的应用。目前，国内大多数研究主要针对大空间和野外火灾图像的处理和火源定位，而对于消防炮如何准确定位、定点灭火则研究较少。现阶段消防水炮自动定位方式主要有两种：一是获得火源坐标后，将水炮炮头对准火源进行直射；二是建立消防炮参数数据库，得到消防炮的俯仰角度。第一种方式比较适合近距离火源灭火，对远距离火源灭火时，会产生较大的误差，默认消防水炮的喷射水流为直线，而在实际使用中喷射水流受万有引力的影响为抛物线，水流落点距火源有很大的距离，经过修正后比较适用于近距离以及室内的灭火作业；第二种方式在建立消防炮参数数据库时，一般只有各自俯仰角度单独的一组方程，没有考虑到消防炮的水压、流量等参数的影响。这两种方式各有优缺点，在一定程度上都可以解决问题。但是在外界条件变化时，例如：火灾现场有大风，供水管道压力不足等因素都会影响水炮喷射水流的轨迹，对远距离火源灭火时，产生的误差会更加严重。当火灾现场有障碍物遮挡水流时，更是无法进行灭火。究其原因，是因为没有对水流是否喷射到火源上进行动态的评判。

对于室外大区域火灾发现后的自动扑灭的研究比较少，事实上，许多室外大空间环境中，如化工单位，油罐和一些防火重点对火灾的实时监测和自动扑灭具有相当大的需求。室外大空间自动消防系统的难点之一是：消防炮喷射的水柱轨迹特别是落地点的位置精确定位的问题。目前许多处理方法是首先发现火点，然后采用公式计算的方法得出要求的水柱轨迹，据此控制消防炮进行灭火工作。在大空间环境下，起火点的位置与消防炮的距离往往在几十米甚至达到百米以上，仅仅凭借方程公式进行计算，远远达不到控制要求，需要又实时的视觉识别以及反馈。

基于视觉的消防炮控制方法的改进方法有：专利号CN105056455A，发明专利《一种基于图像辨识的消防炮定位方法及装置》公开了一种基于图像辨识的消防炮定位方法及装置，给出了较为具体的识别调整步骤，并采用了360度范围的广角镜头探测，但是未给出具体机械结构方案；专利号CN101574567A，发明专利《基于计算机视觉技术的火灾智能探测、扑灭方法及系统》公开了一种基于计算机视觉技术的火灾智能探测、扑灭方法及系统，该方法包括火灾的监测模块，使用双目摄像头监测火焰位置，以及消防炮的位置调整和灭火后关闭，也是主要介绍了系统组成以及识别方法；专利号CN104971458A，发明专利《基于自动跟踪定位射流灭火装置的多火源识别方法》公开了一种基于自动跟踪定位射流灭火装置的多火源识别方法，该方法主要是针对火灾信号进行识别，进行火焰目标的图像处理，确定最大着火点，进行图像融合和分割，最终准确定位并提供灭火路径规划，详细介绍了整个监测以及路径规划方法。综上，目前大多数为基于视觉的火灾识别及控制方法介绍，缺少验证的实验台装置介绍，且缺少方法验证优化的方式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种用以准确的识别出消防炮射流轨迹，实时地将灭火效果反馈给水炮，以调整水炮的俯仰角度来达到理想的灭火效果，尽可能的降低火灾造成的经济财产损失的消防水炮射流轨迹图像的分割与识别算法的实验验证平台。

为了解决上述技术问题，本发明提供的基于视觉的消防炮射流轨迹识别模拟实验装置，包括支撑结构、转动云台、喷射系统及识别系统；支撑结构包括支撑板、支架；支撑板与支架固定连接；转动云台包括U型支架、回转轴承、铜柱A、铜柱B、舵机A、喷头支座、舵机B、圆形支撑板A、圆形支撑板B及圆形支撑板C；喷头支座与U型支架侧面固定连接，舵机B固定在U型支架内侧；圆形支撑板A与舵机B固定连接，回转轴承固定在圆形支撑板A与圆形支撑板B中间，圆形支撑板C与舵机A固定连接；圆形支撑板B、圆形支撑板C由铜柱A平行固定，圆形支撑板C通过铜柱B与支撑板固定连接；

喷射系统包括水箱、可调水泵、水管B、浮子流量计、水管A、弯头、水管C、排卡B、球阀、水管D、三通接头A、压力表A、水管E、排卡A、宝塔接头、软管、三通接头B、压力表B及可调喷嘴；可调水泵放置于水箱中，可调水泵出水口与水管B一端连接，水管B另一端与浮子流量计入水口连接，浮子流量计出水口与弯头之间通过水管A连接，弯头与球阀之间通过软管C连接，球阀与三通接头A之间通过水管D连接，压力表A与三通接头A连接，压力表A与宝塔接头之间通过水管E连接，宝塔接头与三通接头B之间通过软管连接，三通接头B与可调喷嘴连接，三通接头B24与压力表B连接；排卡B卡在水管C上，排卡B与支撑板固定连接；排卡A卡在水管E上，排卡A与支撑板固定连接；

识别系统包括工业相机和可移动相机支架；工业相机固定安装在可移动相机支架上，可移动相机支架与支撑板为吸附式连接；所述可移动相机支架上设有高度和角度调节旋钮。

作为改进，支架采用铝型材。

作为改进，水管A-E采用PPR管材。

本发明还提供一种应用上述基于视觉的消防炮射流轨迹识别模拟实验装置的方法，包括以下步骤：

（a）将转动云台安装完毕，之后将支架安装完毕，之后根据结构图搭建喷射系统，以及将转动云台和支架固定安装；

（b）编写控制程序并将编写好的控制程序下载到舵机A和舵机B中；使用两个舵机A、B模拟消防炮的回转机构和俯仰机构；

（c）在实验台前方距离可调喷嘴一定位置点燃火源；

（d）水箱中装满足量的水，并将可调水泵放置于水箱中，保持实验开始时球阀关闭；

（e）开启可调水泵；

（f）之后打开球阀，进行水的喷射实验，记录下此时附子流量计、压力表A和压力表B的示数，此时打开工业相机以及使用相关控制算法，使用秒表记录下调整时间的长短；

（g）改变火源位置，之后再进行实验，记录调整时间；调整可移动相机支架从而改变工业相机的角度位置以获得最佳实验效果；

（h）改变可调水泵流量的大小，重复上述步骤（c）~（g），进行重复实验；不断对算法进行调整，从而获得最佳控制算法；

（i）关闭球阀，关闭可调水泵，结束实验。

本发明的有益效果在于：本发明针对消防炮智能化的发展趋势，提出了一种基于视觉的消防炮射流轨迹识别模拟实验装置及方法，可对消防炮的智能化识别及控制进行模拟实验，从而对现存基于视觉的识别方式进行有效监测以及优化设计出一种快速有效的控制方式。针对消防炮的两个自由度使用大力矩两轴云台进行模拟实现，合理的模拟了消防炮实际工作方式，对可直接研究适用于消防炮的控制方案，同时可调水泵可改变水泵流量大小，通过改变流量大小可模拟控制方案在不同工况下的控制效果，对实际使用有着很好的借鉴作用。采用可移动相机支架也可以研究最佳的摄像头安装位置。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为Ⅰ处的局部放大图；

图4为本发明的A-A向剖视图；

图中：1——软管；2——宝塔接头；3——排卡A；4——压力表A；5——三通接头A；6——球阀；7——排卡B；8——工业相机；9——可移动相机支架；10——支撑板；11——固定螺栓A；12——水管A；13——浮子流量计；14——支架；15——水箱；16——水管B；17——角码；18——可调水泵；19——弯头；20——水管C；21——水管D；22——水管E；23——可调喷嘴；24——三通接头B；25——压力表B；26——U型支架；27——螺栓B；28——回转轴承；29——圆形支撑板A；30——圆形支撑板B；31——铜柱A；32——圆形支撑板C；33——铜柱B；34——舵机A；35——喷头支座；36——舵机B；37——螺栓C。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细说明。

如图1至4所示，本发明提供一种基于视觉的消防炮射流轨迹识别模拟实验装置，包括支撑结构、转动云台、喷射系统及识别系统；支撑结构包括支撑板10、固定螺栓A11、支架14、角码17；其中支架14由角码17可靠连接，保证了整个支架14的稳定性，支撑板10和支架14之间由固定螺栓A11固定连接，完成了支撑板10可靠的连接在支架14上，为其他设备提供了安装平台；

转动云台包括U型支架26、螺栓B27、回转轴承28、铜柱A31、铜柱B33、舵机A34、喷头支座35、舵机B36、圆形支撑板（A29、B30、C32）及螺栓C37；其中喷头支座35和U型支架26之间通过螺栓B27连接，U型支架26和舵机B36之间通过螺栓B27连接；舵机B36和圆形支撑板A29之间通过螺栓B27固定连接，回转轴承28夹在圆形支撑板A29与圆形支撑板B30中间，由4个螺栓C37夹紧固定；圆形支撑板C32和舵机A34之间由螺栓B27固定连接；保证转动云台具有两个自由度，分别为回转方向和俯仰方向，可模拟消防水炮；圆形支撑板B30、圆形支撑板C32之间由铜柱A31平行固定，圆形支撑板C32和支撑板10之间由铜柱B33固定连接；

喷射系统包括水箱15、可调水泵18、水管B16、浮子流量计13、水管A12、弯头19、水管C20、排卡B7、球阀6、水管D21、三通接头A5、压力表A4、水管E22、排卡A3、宝塔接头2、软管1、三通接头B24、压力表B25及可调喷嘴23；其中水箱15中装有足量的水，可调水泵18放置于水箱15中，可调水泵18出水口和水管B16一端之间密封连接，水管B16另一端和浮子流量计13入水口之间封闭连接，浮子流量计13出水口与弯头19之间通过水管A12密封连接，弯头19和球阀6之间通过软管C20密封连接，之后球阀6和三通接头A5通过水管D21密封连接，三通接头A4和宝塔接头2之间通过水管E22连接，同时压力表A4与三通接头A5密封连接；宝塔接头2和三通接头B24之间通过软管1密封连接，三通接头B24和可调喷嘴23直接密封连接，同时压力表B25与三通接头B24直接密封连接；排卡B7卡在水管C20上，并和支撑板10之间由强力胶固定连接；排卡A3卡在水管E22上，并和支撑板10之间由强力胶固定连接；

识别系统包括工业相机8和可移动相机支架9；其中工业相机8固定安装在可移动相机支架9上，可移动相机支架9与支撑板10之间为吸附式连接，为活动连接，且可移动相机支架9可通过调节旋钮改变相机高度和拍摄角度；

支架14采用铝型材，水管A-E（12、16、20、21、22）采用PPR管材，弯头19采用90°弯头。

本发明还提供一种应用上述基于视觉的消防炮射流轨迹识别模拟实验装置的方法，包括以下步骤：

（a）将转动云台安装完毕，之后将支架14安装完毕，之后根据结构图搭建喷射系统，以及将转动云台和支架14固定安装；

（b）编写控制程序并将编写好的控制程序下载到舵机A34和舵机B36的控制器中；使用两个舵机A34、B36模拟消防炮的回转机构和俯仰机构；

（c）在实验台前方距离可调喷嘴23适当位置点燃火源；

（d）水箱15中装满足量的水，并将可调水泵18放置于水箱15中；保持实验开始时球阀6关闭；

（e）开启可调水泵18，通过水泵控制器将可调水泵18置于较低流量的档位；

（f）之后打开球阀6，进行水的喷射实验，记录下此时附子流量计13、压力表A4和压力表B25的示数，此时打开工业相机8以及使用相关控制算法，使用秒表记录下调整时间的长短；

（g）改变火源位置，之后再进行实验，记录调整时间；若有必要，调整可移动相机支架9从而改变工业相机8的角度位置以获得最佳实验效果；

（h）改变可调水泵18流量的大小，重复上述步骤（c）~（g），进行重复实验。不断对算法进行调整，从而获得最佳控制算法；

（i）关闭球阀6，关闭可调水泵18，结束实验。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于视觉的消防炮射流轨迹识别模拟实验装置，包括支撑结构、转动云台、喷射系统及识别系统；其特征在于：所述支撑结构包括支撑板（10）、支架（14）；所述支撑板（10）与支架（14）固定连接；

所述转动云台包括U型支架（26）、回转轴承（28）、圆形支撑板A（29）、圆形支撑板B（30）、铜柱A（31）、圆形支撑板C（32）、铜柱B（33）、舵机A（34）、喷头支座（35）及舵机B（36）；所述喷头支座（35）与U型支架（26）侧面固定连接，舵机B（36）固定在U型支架（26）内侧；所述圆形支撑板A（29）与舵机B（36）固定连接，回转轴承（28）固定在圆形支撑板A（29）与圆形支撑板B（30）中间，圆形支撑板C（32）与舵机A（34）固定连接；所述圆形支撑板C（32）、圆形支撑板B（30）由铜柱A（31）平行固定，圆形支撑板C（32）通过铜柱B（33）与支撑板（10）固定连接；

所述喷射系统包括水箱（15）、可调水泵（18）、水管B（16）、浮子流量计（13）、水管A（12）、弯头（19）、水管C（20）、排卡B（7）、球阀（6）、水管D（21）、三通接头A（5）、压力表A（4）、水管E（22）、排卡A（3）、宝塔接头（2）、软管（1）、三通接头B（24）、压力表B（25）及可调喷嘴（23）；所述可调水泵（18）放置于水箱（15）中，可调水泵（18）出水口与水管B（16）一端连接，水管B（16）另一端与浮子流量计（13）入水口连接，浮子流量计（13）出水口与弯头（19）之间通过水管A（12）连接，弯头（19）与球阀（6）之间通过软管C（20）连接，球阀（6）与三通接头A（5）之间通过水管D（21）连接，压力表A（4）与三通接头A（5）连接，压力表A（4）与宝塔接头（2）之间通过水管E（22）连接，宝塔接头（2）与三通接头B（24）之间通过软管（1）连接，三通接头B（24）与可调喷嘴（23）连接，三通接头B（24）与压力表B（25）连接；所述排卡B（7）卡在水管C（20）上，排卡B（7）与支撑板（10）固定连接；所述排卡A（3）卡在水管E（22）上，排卡A（3）与支撑板（10）固定连接；

所述识别系统包括工业相机（8）和可移动相机支架（9）；所述工业相机（8）固定安装在可移动相机支架（9）上，可移动相机支架（9）与支撑板（10）为吸附式连接；所述可移动相机支架（9）上设有高度和角度调节旋钮。

2.根据权利要求1所述的基于视觉的消防炮射流轨迹识别模拟实验装置，其特征在于：所述支架（14）采用铝型材。

3.根据权利要求1所述的基于视觉的消防炮射流轨迹识别模拟实验装置，其特征在于：所述水管A-E（12、16、20、21、22）采用PPR管材。

4.一种应用权利要求1所述的基于视觉的消防炮射流轨迹识别模拟实验装置的方法，其特征在于包括以下步骤：

（a）将转动云台安装完毕，之后将支架（14）安装完毕，之后根据结构图搭建喷射系统，以及将云台和支架（14）固定安装；

（b）编写控制程序并将编写好的控制程序下载到舵机A（31）和舵机B（33）中；使用两个舵机A（31）、B（33）模拟消防炮的回转机构和俯仰机构；

（c）在实验台前方距离可调喷嘴（23）一定位置点燃火源；

（d）水箱（15）中装满足量的水，并将可调水泵（18）放置于水箱（15）中，保持实验开始时球阀（6）关闭；

（e）开启可调水泵（18）；

（f）之后打开球阀（6），进行水的喷射实验，记录下此时附子流量计（13）、压力表A（4）和压力表B（25）的示数，此时打开工业相机（8）以及使用相关控制算法，使用秒表记录下调整时间的长短；

（g）改变火源位置，之后再进行实验，记录调整时间；调整可移动相机支架（9）从而改变工业相机（8）的角度位置以获得最佳实验效果；

（h）改变可调水泵（18）流量的大小，重复上述步骤（c）~（g），进行重复实验；不断对算法进行调整，从而获得最佳控制算法；

（i）关闭球阀（6），关闭可调水泵（18），结束实验。

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