馮榆淇 張棕淇 王炳坤 董偉鋒 王昊辰 唐文秀*

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040）

隨著機(jī)器視覺數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)控制精度的提高，國內(nèi)外對于大空間建筑智能消防裝置方面的研究以及大空間建筑火源的撲救工作都取得了一定的成果：國外的智能消防水炮主要基于紅外線傳感器，以美國早期的智能噴水滅火系統(tǒng)SR100 為代表，該系統(tǒng)利用多種傳感器融合技術(shù)，綜合紫外線和紅外線探測器的探測數(shù)據(jù)自動(dòng)定位火源位置，控制水槍噴水以達(dá)到滅火目的；國內(nèi)在這方面的研究方法主要是利用可燃物質(zhì)燃燒時(shí)輻射的紅外線為探測對象，在被監(jiān)控的三維空間內(nèi)全方位探測掃描，準(zhǔn)確定位后，自動(dòng)噴射滅火介質(zhì)實(shí)施滅火。此外，各種實(shí)踐也都證明基于機(jī)器視覺的火災(zāi)監(jiān)控預(yù)測系統(tǒng)與高壓消防水炮相結(jié)合的方法，是實(shí)現(xiàn)智能探測定位和快速滅火的有效方案之一，具有一定的研究價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)理念

通過對國內(nèi)外智能消防水炮的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的分析，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的大空間建筑火源定位方法存在以下不足之處：

1.1 易受外界環(huán)境干擾

傳統(tǒng)定位火源方法主要是利用紅外線、紫外線火災(zāi)探測器等光學(xué)傳感器對火源進(jìn)行掃描定位，很容易受到外界環(huán)境的干擾，如室內(nèi)發(fā)熱電器，有輻射的設(shè)備，日光燈等。所以定位的容錯(cuò)率較小，容易發(fā)生“誤判”情況，精度也受到影響。

1.2 定位復(fù)雜

基于紅外線、紫外線傳感器的火源定位系統(tǒng)必須通過至少兩個(gè)位置的信息才能進(jìn)行火源定位，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)速度和定位精度大大下降，不能夠達(dá)到現(xiàn)代化消防滅火的安全需求。

圖1 基于機(jī)器視覺的大空間智能消防水炮整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 不能全方位持續(xù)掃描

傳統(tǒng)定位火源的探測器需要通過轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)來掃描空間位置的火源信息，而不是全方位持續(xù)掃描，因此在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，水炮噴水的實(shí)時(shí)性較差，很難滿足大空間消防需求。

為改善上述問題，我們設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺的大空間智能消防水炮，在火災(zāi)圖像探測的基礎(chǔ)上，通過利用人工智能單目機(jī)器視覺識(shí)別技術(shù)來對火災(zāi)火焰進(jìn)行識(shí)別定位，進(jìn)行精準(zhǔn)、快速滅火。

圖2 大空間智能消防水炮工作方案設(shè)計(jì)圖

圖3 基于機(jī)器視覺的大空間智能消防水炮工作流程圖

2 基于機(jī)器視覺的大空間智能消防水炮設(shè)計(jì)

2.1 大空間智能消防水炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置主要由上下層容納盒、攝像頭、單片機(jī)、水管等部分構(gòu)成，具體如圖1 所示。

2.2 大空間智能消防水炮工作方案設(shè)計(jì)

大空間智能消防水炮的工作方案設(shè)計(jì)見圖2。

3 基于機(jī)器視覺的大空間智能消防水炮工作流程

3.1 火災(zāi)位置識(shí)別

通過OpenMV 攝像頭對室內(nèi)圖像信息的采集，對火焰的顏色特性、尖角特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行檢測，通過Python 腳本編程將火焰圖像識(shí)別算法程序燒錄至第一單片機(jī)，對室內(nèi)圖像進(jìn)行識(shí)別檢測，找到火源位置信息將其從OpenMV 中輸出給第一單片機(jī)。

3.2 水炮位置確定

通過阻力參數(shù)分析，利用牛頓運(yùn)動(dòng)定理建立水射流軌跡模型，通過MATLAB 仿真找到水流落點(diǎn)與水炮噴水速度以及仰俯角之間的關(guān)系，第一單片機(jī)將OpenMV 攝像頭輸出的火源火焰位置信息傳送給第二單片機(jī)轉(zhuǎn)換為水炮位置信息。

3.3 水炮轉(zhuǎn)動(dòng)

利用第二單片機(jī)控制電動(dòng)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置，建立云臺(tái)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，基于圖像實(shí)現(xiàn)落點(diǎn)位置閉環(huán)，在水射流落點(diǎn)與火源位置存在較大偏差時(shí)，進(jìn)行定位旋轉(zhuǎn)角補(bǔ)償，使智能消防水炮的響應(yīng)速度得到大幅提高，當(dāng)水炮轉(zhuǎn)移到相應(yīng)位置后，光耦繼電器控制12V 常閉電磁閥打開水炮開關(guān)，水流經(jīng)過水管輸入后進(jìn)行噴水，當(dāng)火焰撲滅之后，openmv 攝像頭識(shí)別不到火焰信息，第二單片機(jī)控制電磁閥關(guān)閉水炮。完成噴水滅火（圖3）。

4 結(jié)論

本裝置在火災(zāi)圖像探測的基礎(chǔ)上，通過利用人工智能單目機(jī)器視覺識(shí)別技術(shù)來對火災(zāi)火焰進(jìn)行識(shí)別定位，整個(gè)過程不需要掃描，改善了傳統(tǒng)大空間建筑火源定位方法所存在的一些弊端。本裝置不僅提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，使得滅火速度大大提高，還能找到智能水炮最佳的噴水位置，精確識(shí)別定位，有著更好的滅火效果。本設(shè)計(jì)對于基于機(jī)器視覺的火災(zāi)監(jiān)控預(yù)測系統(tǒng)與高壓消防水炮相結(jié)合的方法來進(jìn)行消防滅火的應(yīng)用等方面具有一定的參考價(jià)值。