CN110639144A - 一种基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置 - Google Patents

一种基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置，通过双目摄像头采集火焰视频数据以及无人艇与燃烧物之间距离，通过风速检测仪采集风速、风向信息，通过对视频数据以及风速、风向信息的处理产生消防水枪的倾斜角控制信号。通过本发明，能够实现增强单条母船出勤时的灭火能力，提高消防工作效率。

Description

一种基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置
技术领域
本发明涉及船舶消防技术领域，更具体地说，涉及一种基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置。
背景技术
水面无人艇，又称水面机器人，是一种无人操作的水面舰艇。现如今，在很多水面上存在高风险的人工作业区域，而智能型水面无人艇可以用来替代人类完成具有操作难度大和危险性的水面作业。
现有的水面消防艇大都是采用的人工灭火装置。当遇到严重火情时需要出动多条消防艇，并且可能会对灭火人员的安全产生威胁。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置，包括船体，船体上安装有风速风向传感器、双目摄像头、水枪模块、无人艇控制系统、推动器和温度传感器；其中，水枪模块由水枪和水枪支架组成，无人艇控制系统包括主控中心、水枪控制模块及通讯模块；风速风向传感器及双目摄像头安装在无人艇顶部，进行风速风向的测定及火焰图像的采集；水枪模块安装于双目摄像头前方，且水枪模块顶端距离船体船面上的高度为双目摄像头的一半，水枪控制模块、主控中心、通讯模块安装在船体船舱内部，温度传感器安装在船体的船头；
通过双目摄像头得到的无人艇与燃烧物之间距离信息以及双目摄像头左摄像头采集到的火焰图像信息，将水面消防无人艇调整到最佳工作位置，结合风速风向传感器采集到的风向风速信息优化水枪支架的倾斜角度，达到快速灭火。
上述方案中，高压水枪倾斜角通过改变高压水枪支架角度改变。
上述方案中，当无人艇被投放后通过双目摄像头左侧摄像头采集火焰图像信息，若没有检测到火焰图像信息，则驱使无人艇原地旋转，直到采集到火焰图像信息停止原地旋转；结合通过双目摄像头得出的无人艇与燃烧物之间的距离开始调整无人艇灭火的距离。
上述方案中，若通过双目摄像头得到的无人艇与燃烧物之间距离为无人艇与燃烧物之间的距离大于10米，则驱使无人艇向前行驶直到无人艇与燃烧物之间的距离小于等于10米，并判断双目摄像头中左侧摄像头采集到的火焰图像高度是否满屏，若满屏，则停止无人艇向前行驶，结合实时风速调整高压水枪支架角度开始灭火；反之驱使无人艇向前行驶，直到满屏或者无人艇与燃烧物之间距离小于等于5米，结合实时风速调整高压水枪支架角度开始灭火；若无人艇与燃烧物之间距离小于10米且大于5米，判断双目摄像头中左侧摄像头采集到的火焰图像高度满屏，则结合实时风速调整高压水枪支架角度开始灭火，反之驱使无人艇向前行驶，直到火焰图像高度满屏或者无人艇与燃烧物之间距离小于等于5米，结合实时风速调整高压水枪支架角度开始灭火；若无人艇与燃烧物之间距离小于等于5米，结合双目摄像头中左侧摄像头采集到的火焰图像高度是否满屏，若火焰图像高度没有满屏，则结合实时风速调整高压水枪支架角度开始灭火，反之则驱使无人艇向后行驶直到双目摄像头中左侧摄像头采集到的火焰图像高度没有满屏或者检测到无人艇与燃烧物之间的距离大于等于10米，则结合实时风速调整高压水枪支架角度开始灭火。
上述方案中，双目摄像头将检测到图像传输给TMS320DM642芯片进行处理，其中将双目摄像头中左侧摄像头采集到的图像经过火焰图像处理流程后，结合对采集到的火焰图像信息以及通过双目摄像头得到的与燃烧物之间距离，产生消防水枪的倾斜角控制信号，进行高效灭火。
上述方案中，火焰图像处理流程包括：图像采集、图像预处理、火焰图像分割、火焰图像特征提取、火焰识别，图像采集是图像的数字化的过程，图像预处理是对火焰图像进行处理的第一步，是对获得的图像进行小波去噪的操作，以确保提取高质量的火焰特征，图像分割是将预处理后的图像通过一定的准则划分为疑是火焰区域和非火焰区域，后续的处理过程中就不需要对非火焰区域进行图像特征提取，节省了处理的工作量，最后进行火焰的识别；其中图像分割采用YCbCr颜色空间进行图像分割的算法，从RGB到YCbCr空间变换公式如式(1)所示；
Figure BDA0002208790400000031
火焰区域的Y通道的值要比整个图像的Y通道均值Ymeanvalue大，火焰区域的Cb通道的值要比整个图像的Cb通道均值Cbmeanvalue小,火焰区域的Cr通道的值要比整个图像的Cr通道均值Crmeanvalue大，即如公式(2)所述；
Figure BDA0002208790400000032
其中,Ymeanvalue,Crmeanvalue，Cbmeanvalue分别代表图像的亮度信息、红色色差的均值和蓝色色差的均值,,通过公式(3)求得；
Figure BDA0002208790400000033
上述方案中，在对火焰进行识别过程中，对火焰的特征提取包括对火焰的静态特征和动态特征的提取。
上述方案中，火焰的静态特征是利用火焰的单帧图像来进行提取的，静态特征包括火焰的区域结构特征以及火焰的结构特征，从火焰的结构上来看，火焰具有特定的形状和结构，根据火焰的结构特征，利用矩形相似度和圆形相似度对火焰的区域进行提取。
上述方案中，提取火焰的随机运动特征，火焰的随机运动特征是体现在火苗的随机运动，这部分通过对帧间图像的变化来判别，火苗成闪动状态。
上述方案中，当无人艇检测到火焰熄灭后则重新进入原地待命，等待母船的下一步指令。
上述方案中，检测到火焰的图像之后，通过对火焰高度、对火焰距离无人艇的距离以及采集到的风速进行综合计算，调整消防水枪的倾斜角来达到最佳灭火效果。
实施本发明的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置，通过双目摄像头采集火焰视频数据以及无人艇与燃烧物之间距离，通过风速检测仪采集风速、风向信息，通过对视频数据以及风速、风向信息的处理产生消防水枪的倾斜角控制信号。通过本发明，能够实现增强单条母船出勤时的灭火能力，提高消防工作效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置的结构示意图；
图2是本发明提供的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置的火焰识别的流程示意图；
图3是本发明提供的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置的消防高压水枪控制灭火过程示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供了一种基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置，包括船体4，船体4上安装有风速风向传感器1、双目摄像头2、水枪模块3、无人艇控制系统、推动器8和温度传感器9；其中，水枪模块3由水枪和水枪支架组成，无人艇控制系统包括主控中心6、水枪控制模块5及通讯模块7；风速风向传感器1及双目摄像头2安装在无人艇顶部，进行风速风向的测定及火焰图像的采集；水枪模块3安装于双目摄像头2前方，且水枪模块3顶端距离船体4船面上的高度为双目摄像头2的一半，水枪控制模块5、主控中心6、通讯模块7安装在船体4船舱内部，温度传感器9安装在船体4的船头；
通过双目摄像头2得到的无人艇与燃烧物之间距离信息以及双目摄像头2左摄像头采集到的火焰图像信息，将水面消防无人艇调整到最佳工作位置，结合风速风向传感器1采集到的风向风速信息优化水枪支架的倾斜角度，达到快速灭火。
在本发明所述的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置中，高压水枪倾斜角通过改变高压水枪支架角度改变。
在本发明所述的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置中，当无人艇被投放后通过双目摄像头2左侧摄像头采集火焰图像信息，若没有检测到火焰图像信息，则驱使无人艇原地旋转，直到采集到火焰图像信息停止原地旋转；结合通过双目摄像头2得出的无人艇与燃烧物之间的距离开始调整无人艇灭火的距离。
在本发明所述的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置中，若通过双目摄像头2得到的无人艇与燃烧物之间距离为无人艇与燃烧物之间的距离大于10米，则驱使无人艇向前行驶直到无人艇与燃烧物之间的距离小于等于10米，并判断双目摄像头2中左侧摄像头采集到的火焰图像高度是否满屏，若满屏，则停止无人艇向前行驶，结合实时风速调整高压水枪支架角度开始灭火；反之驱使无人艇向前行驶，直到满屏或者无人艇与燃烧物之间距离小于等于5米，结合实时风速调整高压水枪支架角度开始灭火；若无人艇与燃烧物之间距离小于10米且大于5米，判断双目摄像头(2)中左侧摄像头采集到的火焰图像高度满屏，则结合实时风速调整高压水枪支架角度开始灭火，反之驱使无人艇向前行驶，直到火焰图像高度满屏或者无人艇与燃烧物之间距离小于等于5米，结合实时风速调整高压水枪支架角度开始灭火；若无人艇与燃烧物之间距离小于等于5米，结合双目摄像头2中左侧摄像头采集到的火焰图像高度是否满屏，若火焰图像高度没有满屏，则结合实时风速调整高压水枪支架角度开始灭火，反之则驱使无人艇向后行驶直到双目摄像头中左侧摄像头2采集到的火焰图像高度没有满屏或者检测到无人艇与燃烧物之间的距离大于等于10米，则结合实时风速调整高压水枪支架角度开始灭火。
在本发明所述的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置中，双目摄像头2将检测到图像传输给TMS320DM642芯片进行处理，其中将双目摄像头2中左侧摄像头采集到的图像经过图像预处理、火焰图像分割、火焰图像特征提取、火焰识别后，结合对采集到的火焰图像信息以及通过双目摄像头得到的与燃烧物之间距离，产生消防水枪的倾斜角控制信号，进行高效灭火。如图2所示。
在本发明所述的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置中，火焰图像处理流程包括：图像采集、图像预处理、火焰图像分割、火焰图像特征提取、火焰识别，图像采集是图像的数字化的过程，图像预处理是对火焰图像进行处理的第一步，是对获得的图像进行小波去噪的操作，以确保提取高质量的火焰特征，图像分割是将预处理后的图像通过一定的准则划分为疑是火焰区域和非火焰区域，后续的处理过程中就不需要对非火焰区域进行图像特征提取，节省了处理的工作量，最后进行火焰的识别；其中图像分割采用YCbCr颜色空间进行图像分割的算法，从RGB到YCbCr空间变换公式如式(1)所示；
Figure BDA0002208790400000061
火焰区域的Y通道的值要比整个图像的Y通道均值Ymeanvalue大，火焰区域的Cb通道的值要比整个图像的Cb通道均值Cbmeanvalue小,火焰区域的Cr通道的值要比整个图像的Cr通道均值Crmeanvalue大，即如公式2所述；
其中,Ymeanvalue,Crmeanvalue，Cbmeanvalue分别代表图像的亮度信息、红色色差的均值和蓝色色差的均值,,通过公式3求得；
Figure BDA0002208790400000071
在本发明所述的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置中，在对火焰进行识别过程中，对火焰的特征提取包括对火焰的静态特征和动态特征的提取；其中，火焰的静态特征是利用火焰的单帧图像来进行提取的。
在本发明所述的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置中，火焰的静态特征包括：火焰的区域结构特征以及火焰的结构特征，从火焰的结构上来看，火焰具有特定的形状和结构，根据火焰的结构特征，利用矩形相似度和圆形相似度对火焰的区域进行提取；火焰的动态特征提取火焰的随机运动特征；火焰的随机运动特征是体现在火苗的随机运动，这部分通过对帧间图像的变化来判别，火苗成闪动状态。
在本发明所述的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置中，当无人艇检测到火焰熄灭后则重新进入原地待命，等待母船的下一步指令。
在本发明所述的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置中，检测到火焰的图像之后，通过对火焰高度、对火焰距离无人艇的距离以及采集到的风速进行综合计算，调整消防水枪的倾斜角来达到最佳灭火效果。如图3所示。
工作时，消防高压水枪的水流的落点受到水流量、风速、消防高压水枪支架的倾斜角影响。在消防无人艇中高压水枪的高度以及流量均为预先设定的固定值，当我们检测到火焰的图像之后，通过对火焰高度、对火焰距离无人艇的距离以及采集到的风速进行综合计算改变消防水枪的倾斜角来达到最佳灭火效果。通过火焰图像采集火焰图像来改变高压水枪的倾斜角，形成灭火的闭环系统。高压水枪支架的倾斜角通过控制中心给定一个电信号来改变1节点的位置进而改变高压水枪支架角度。其中,以质量为1单位的水为标准进行计算,k和b均为常数，检测到的水平方向风速为Vx垂直方向风速为Vy，当检测到水平方向风与船头同方向则记为风速为正数，反之则为负数，当检测到垂直方向风速向下则为正数，反之则记为负数。消防水枪喷射出的水的速度为V0，消防水枪喷射口距离水平面距离为y，检测到消防水枪距离火源距离为x，g为重力加速度，假设水从射出到落地共用时间为t,则可根据式(9)、(10)计算出当h为何值时消防水枪喷射出来的水正好落在火源上。
Figure BDA0002208790400000081
Figure BDA0002208790400000082
实施本发明的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置，通过双目摄像头采集火焰视频数据以及无人艇与燃烧物之间距离，通过风速检测仪采集风速、风向信息，通过对视频数据以及风速、风向信息的处理产生消防水枪的倾斜角控制信号。通过本发明，能够实现增强单条母船出勤时的灭火能力，提高消防工作效率。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置，其特征在于，包括船体(4)，船体(4)上安装有风速风向传感器(1)、双目摄像头(2)、水枪模块(3)、无人艇控制系统、推动器(8)和温度传感器(9)；其中，水枪模块(3)由水枪和水枪支架组成，无人艇控制系统包括主控中心(6)、水枪控制模块(5)及通讯模块(7)；风速风向传感器(1)及双目摄像头(2)安装在无人艇顶部，进行风速风向的测定及火焰图像的采集；水枪模块(3)安装于双目摄像头(2)前方，且水枪模块(3)顶端距离船体(4)船面上的高度为双目摄像头(2)的一半，水枪控制模块(5)、主控中心(6)、通讯模块(7)安装在船体(4)船舱内部，温度传感器(9)安装在船体(4)的船头；
通过双目摄像头(2)得到的无人艇与燃烧物之间距离信息以及双目摄像头(2)左摄像头采集到的火焰图像信息，将水面消防无人艇调整到最佳工作位置，结合风速风向传感器(1)采集到的风向风速信息以及双目摄像头(2)左摄像头采集到的火焰图像信息优化水枪支架的倾斜角度，达到快速灭火。
2.根据权利要求1所述的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置，其特征在于，高压水枪倾斜角通过改变高压水枪支架角度改变。
3.根据权利要求1所述的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置，其特征在于，当无人艇被投放后通过双目摄像头(2)左侧摄像头采集火焰图像信息，若没有检测到火焰图像信息，则驱使无人艇原地旋转，直到采集到火焰图像信息停止原地旋转；结合通过双目摄像头(2)得出的无人艇与燃烧物之间的距离开始调整无人艇灭火的距离。
4.根据权利要求3所述的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置，其特征在于:若通过双目摄像头(2)得到的无人艇与燃烧物之间距离为无人艇与燃烧物之间的距离大于10米，则驱使无人艇向前行驶直到无人艇与燃烧物之间的距离小于等于10米，并判断双目摄像头(2)中左侧摄像头采集到的火焰图像高度是否满屏，若满屏，则停止无人艇向前行驶，结合实时风速、风向调整高压水枪支架角度开始灭火；反之驱使无人艇向前行驶，直到满屏或者无人艇与燃烧物之间距离小于等于5米，结合实时风速、风向调整高压水枪支架角度开始灭火；若无人艇与燃烧物之间距离小于10米且大于5米，判断双目摄像头(2)中左侧摄像头采集到的火焰图像高度满屏，则结合实时风速、风向调整高压水枪支架角度开始灭火，反之驱使无人艇向前行驶，直到火焰图像高度满屏或者无人艇与燃烧物之间距离小于等于5米，结合实时风速、风向调整高压水枪支架角度开始灭火；若无人艇与燃烧物之间距离小于等于5米，结合双目摄像头(2)中左侧摄像头采集到的火焰图像高度是否满屏，若火焰图像高度没有满屏，则结合实时风速调整高压水枪支架角度开始灭火，反之则驱使无人艇向后行驶直到双目摄像头中左侧摄像头(2)采集到的火焰图像高度没有满屏或者检测到无人艇与燃烧物之间的距离大于等于10米，则结合实时风速、风向调整高压水枪支架角度开始灭火。
5.根据权利要求3所述的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置，其特征在于：双目摄像头(2)将检测到图像传输给TMS320DM642芯片进行处理，其中将双目摄像头(2)中左侧摄像头采集到的图像经过火焰图像处理流程后，结合对采集到的火焰图像信息以及通过双目摄像头得到的与燃烧物之间距离，产生消防水枪的倾斜角控制信号，进行高效灭火。
6.根据权利要求5所述的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置，其特征在于，包括图像采集、图像预处理、火焰图像分割、火焰图像特征提取、火焰识别，图像采集是图像的数字化的过程，图像预处理是对火焰图像进行处理的第一步，是对获得的图像进行小波去噪的操作，以确保提取高质量的火焰特征，图像分割是将预处理后的图像通过一定的准则划分为疑是火焰区域和非火焰区域，后续的处理过程中就不需要对非火焰区域进行图像特征提取，节省了处理的工作量，最后进行火焰的识别；其中图像分割采用YCbCr颜色空间进行图像分割的算法，从RGB到YCbCr空间变换公式如式(1)所示：
Figure FDA0002208790390000031
火焰区域的Y通道的值要比整个图像的Y通道均值Ymeanvalue大，火焰区域的Cb通道的值要比整个图像的Cb通道均值Cbmeanvalue小,火焰区域的Cr通道的值要比整个图像的Cr通道均值Crmeanvalue大，即如公式(2)所述；
Figure FDA0002208790390000032
其中,Ymeanvalue,Crmeanvalue，Cbmeanvalue分别代表图像的亮度信息、红色色差的均值和蓝色色差的均值,,通过公式(3)求得；
Figure FDA0002208790390000033
7.根据权利要求3所述的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置，其特征在于，在对火焰进行识别过程中，对火焰的特征提取包括对火焰的静态特征和动态特征的提取。
8.根据权利要求7所述的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置，其特征在于，火焰的静态特征是利用火焰的单帧图像来进行提取的，静态特征包括火焰的区域结构特征以及火焰的结构特征，从火焰的结构上来看，火焰具有特定的形状和结构，根据火焰的结构特征，利用矩形相似度和圆形相似度对火焰的区域进行提取。
9.根据权利要求7所述的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置，其特征在于，提取火焰的随机运动特征，火焰的随机运动特征是体现在火苗的随机运动，这部分通过对帧间图像的变化来判别，火苗成闪动状态。
10.根据权利要求1所述的基于火焰图像动态识别的消防无人艇水枪控制装置，其特征在于，检测到火焰的图像之后，通过对火焰高度、对火焰距离无人艇的距离以及采集到的风速进行综合计算，调整消防水枪的倾斜角来达到最佳灭火效果。
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