1.本发明属于消防设备领域，尤其是涉及一种消防炮射流落点智能控制系统。


背景技术：

2.目前消防炮的控制系统方案中的消防炮多数为手动控制，通过人工观察将消防炮对准着火点，这种方式非常不便利，而且对于消防人员的专业度要求较高，容易错过救火的时机导致火势蔓延，因此亟需一种能够替代人工操作的一种消防炮射流落点智能控制系统。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明旨在提出一种消防炮射流落点智能控制系统，该系统可安装在固定式和移动式消防炮上使用，也可独立于消防炮设置并通过成组布置的无线通讯单元与消防炮进行各项信息和指令的通讯，适用于室外恶劣火场环境，具有消防炮射流落点判定、消防炮射流参数智能调整、远程遥控操纵等功能，从而提升消防炮装备的射流准确性，最大限度降低灭火救援中消防人员的安全风险。
4.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
5.一种消防炮射流落点智能控制系统，包括自动定位及消防炮智能控制单元、消防炮驱动控制单元；
6.自动定位及消防炮智能控制单元，可安装在消防炮上，也可独立于消防炮设置，用于获取起火点及消防炮射流落点，由单元内的工控机将获取到的起火点及消防炮射流落点坐标转换成消防炮坐标系坐标，通过成组布置无线通讯单元，与消防炮驱动控制单元之间进行各项信息和指令的通讯；
7.消防炮驱动控制单元，安装在消防炮上，用于根据自动定位及消防炮智能控制单元工控机输出的消防炮坐标系坐标调整消防炮的姿态。
8.进一步的，自动定位及消防炮智能控制单元通过基于红外热成像仪的起火点和射流落点的定位方法实现对起火点及消防炮射流落点的获取：
9.首先，根据红外热成像仪成像内的最高温度进行火灾预判断，当温度大于设定的温度阈值时，通过图像处理模块对红外热像图进行图像分割，得到目标区域范围；
10.然后，提取分割区域的等效椭圆特征，计算得到特征向量；
11.最后，将特征向量经归一化后送入训练好的支持向量机模板进行分类，判定最终的检测结果是火源还是射流落点。
12.进一步的，自动定位及消防炮智能控制单元通过基于可见光摄像机的起火点和射流落点的定位方法实现对起火点及消防炮射流落点的获取：
13.采用深度学习的技术，利用可见光摄像机分辨消防炮射流落点，进行火灾的探测识别；
14.首先，收集大量的火灾现场的图片，并对火焰、浓烟等目标进行标注，之后利用标
注好的火灾图片数据集训练搭建好的神经网络，之后将该网络应用于自动定位及消防炮智能控制单元；
15.然后，将摄像机拍摄的火场区域的照片输入训练搭建好的神经网络，即可确定起火点在图片中的位置，之后便可确定起火点相对于消防水炮的位置。
16.进一步的，自动定位及消防炮智能控制单元通过基于红外热成像和可见光摄像多源数据融合的起火点和射流落点的定位方法实现对起火点及消防炮射流落点的获取：
17.采集红外热成像和可见光图像两种光谱图像，首先利用基于红外热成像仪的起火点和射流落点的定位方法、基于可见光摄像机的起火点和射流落点的定位方法分别对图像进行检测，得到起火点和射流落点区域位置及其目标可信度；然后根据置信度系数模型进行分析，确定起火点准确位置。
18.进一步的，通过自动定位及消防炮智能控制单元获取到起火点及消防炮射流落点后，将获取到的数据输送给工控计算机，将两个定位点的对应位置坐标转换为消防炮坐标系坐标，分别计算出坐标各方向上的相对位移，参照消防炮射流轨迹与水炮空间角度的射流计算模型，计算消防炮射流关键参数调整量，并向消防炮驱动控制单元发布调整指令。
19.进一步的，成像设备和激光测距传感器设置在云台上，通过调整云台的姿态利用成像设备锁定跟踪火源，并通过调整云台的姿态将着起火点调整至成像设备的图像中心区域，此时获得云台的水平和俯仰角度的角度信息，同时利用激光测距传感器计算起火点相对于云台的位置。
20.进一步的，还需要根据云台与水炮的安装位置，确定云台
‑
消防水炮坐标系之间的转换关系，根据云台
‑
消防水炮坐标系之间的转换关系以及起火点相对于云台的位置得出起火点在消防水炮坐标系中的位置。
21.进一步的，在灭火时还通过对射流轨迹进行提取以判断射流落点的位置，对比起火点位置与射流落点的位置，即可判断消防炮是否准确打击到目标，若未准确打击到则计算两者之间的位置偏差并提供给水炮的消防炮驱动控制单元，从而实现精确打击。
22.进一步的，消防炮的落点定位方法包括：
23.基于射流轨迹特点的图像预处理：通过基于频域分析的图像处理算法来增强射流轨迹的梯度特征，以便进一步提取射流轨迹；
24.基于梯度分析的射流轨迹曲线提取：直接提取射流轨迹的中心曲线作为射流轨迹的参考曲线；
25.根据上述射流轨迹的参考曲线对射流落点进行定位：根据射流落点与水道有相同的灰度以及落点在射流曲线或其延长线上这两个特点确定射流落点位置。
26.进一步的，消防炮驱动控制单元设置在消防炮装备上，通过伺服电机或步进电机来控制消防炮在水平和垂直两个方向上的转动齿轮组，实现消防水炮的水平和垂直角度调整，水平和垂直驱动机构为圆周运动，通过电机输出轴与蜗杆连接输出动力，蜗杆与涡轮啮合带动转动机构转动以调整角度；
27.通过伺服电机驱动的电磁阀，控制其开合量，实现对消防水炮的流量和压力的调整；
28.在消防炮装备炮口内设置变流机构，其运动为直线运动，伺服电机通过滑动螺旋运动将电机动力输出到变流执行机构，通过改变变流机构与水炮流道之间缝隙的截面积，
来改变水流流量和喷射压力。
29.相对于现有技术，本发明所述的一种消防炮射流落点智能控制系统具有以下优势：
30.本发明所述的一种消防炮射流落点智能控制系统，该系统可安装在固定式和移动式消防炮上使用，也可独立于消防炮设置并通过成组布置的无线通讯单元与消防炮进行各项信息和指令的通讯，适用于室外恶劣火场环境，具有消防炮射流落点判定、消防炮射流参数智能调整、远程遥控操纵等功能，从而提升消防炮装备的射流准确性，最大限度降低灭火救援中消防人员的安全风险。
具体实施方式
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.下面将结合实施例来详细说明本发明。
35.本发明涉及一种消防炮射流落点智能控制系统，该系统可安装在固定式和移动式消防炮上使用，也可独立于消防炮设置并通过成组布置的无线通讯单元与消防炮进行各项信息和指令的通讯，适用于室外恶劣火场环境，具有起火点自动定位、消防炮射流落点判定、消防炮射流参数智能调整、远程遥控操纵等功能，从而提升消防炮装备的射流准确性，最大限度降低灭火救援中消防人员的安全风险。
36.本发明的消防炮射流落点智能控制系统，由自动定位及消防炮智能控制单元、消防炮驱动控制单元、无线通讯单元和支架单元组成。
37.自动定位及消防炮智能控制单元，可安装在消防炮上，也可独立于消防炮设置，通过激光测距、红外热成像和可见光图像等多源数据融合技术实现起火点及消防炮射流落点的定位。
38.基于红外热成像仪的起火点和射流落点的定位技术：首先根据热像仪成像内的最高温度进行火灾预判断，当温度大于设定的温度阈值时，图像处理模块会对连续6帧红外热像图进行图像分割，得到目标区域范围；然后提取分割区域的等效椭圆特征，计算得到特征向量；最后将特征向量经归一化后送入训练好的支持向量机(svm)模板进行分类，判定最终
的检测结果是火源还是射流落点。
39.基于可见光摄像机的起火点和射流落点的定位技术：采用深度学习的技术，利用可见光摄像机分辨消防炮射流落点，进行火灾的探测识别。首先需要收集大量的火灾现场的图片，并对火焰、浓烟等目标进行标注，之后利用标注好的火灾图片数据集训练搭建好的神经网络，之后将该网络应用于自动定位及消防炮智能控制单元。最后，只需将摄像机拍摄的火场区域的照片输入该网络，即可确定起火点在图片中的位置，之后便可确定起火点相对于消防水炮的位置。
40.基于红外热成像和可见光摄像多源数据融合的起火点和射流落点的定位技术：采集红外热成像和可见光图像两种光谱图像，利用上述两种定位技术和识别算法分别对图像进行检测，得到起火点和射流落点区域位置及其目标可信度；然后，根据置信度系数模型进行分析，确定起火点准确位置。
41.区分和定位起火点及消防炮射流落点后，输送给工控计算机将两个定位点的对应位置坐标转换为消防炮坐标系坐标，分别计算出坐标各方向上的相对位移，参照消防炮射流轨迹与水炮空间角度的射流计算模型，可以智能计算消防炮射流关键参数调整量(此时工控机通过相应的传感器或者气象信息获取当前环境的风速、风向、气压等因素，结合上述因素对消防炮射流轨迹进行校正)，从而向消防炮驱动控制单元发布根据外界因素矫正后的调整指令。
42.云台成像设备和激光测距传感器转动，在锁定跟踪火源后，起火点成像在图像的中心区域，此时系统即可获得云台的水平和俯仰角度。根据该角度信息，计算起火点相对于水炮的位置，所以需要求出云台
‑
消防水炮坐标系之间的转换关系。所以，起火点定位包括以下几个步骤：
43.根据云台与水炮的安装位置，提前确定云台
‑
消防水炮坐标系之间的转换关系。
44.成像设备锁定目标，使目标成像在图像的中心区域。
45.获得云台的角度，激光测距仪测算的起火点直线距离。
46.计算起火点在消防水炮坐标系下的位置，计算水炮合适的水平和俯仰角度。
47.消防炮射流落点的坐标位置也采用上述步骤，可以由云台坐标系转换为消防水炮坐标系。这样，起火点和射流落点坐标位置都转换至消防水炮坐标系下，同一坐标轴上的数据可以进行比较，从而计算出相对位移。
48.为了提高消防炮的射流精度，构成了闭环的自动定位及消防炮智能控制单元。灭火时对射流轨迹进行提取，并判断射流落点的位置，对比起火点位置与射流落点的位置，即可判断消防炮是否准确打击到目标，若未准确打击到则计算两者之间的位置偏差并提供给水炮，从而实现精确打击。消防炮的落点定位主要包括以下几个处理步骤：
49.基于射流轨迹特点的图像预处理，通过基于频域分析的图像处理算法来增强射流轨迹的梯度特征，以便进一步提取射流轨迹。
50.基于梯度分析的射流轨迹曲线提取，直接提取射流轨迹的中心曲线作为射流轨迹的参考曲线。
51.根据上述射流轨迹的参考曲线对射流落点进行定位。根据射流落点与水道有相同的灰度以及落点在射流曲线或其延长线上这两个特点确定射流落点位置。
52.消防炮驱动控制单元设置在消防炮装备上，通过伺服电机或步进电机来控制消防
炮在水平和垂直两个方向上的转动齿轮组，实现消防水炮的水平和垂直角度调整，水平和垂直驱动机构为圆周运动，通过电机输出轴与蜗杆连接输出动力，蜗杆与涡轮啮合带动转动机构转动，调整角度；同时通过伺服电机驱动的电磁阀，控制其开合量，实现对消防水炮的流量和压力的调整；另外，在消防炮装备炮口内设置变流机构，其运动为直线运动，伺服电机通过滑动螺旋运动将电机动力输出到变流执行机构，通过改变变流机构与水炮流道之间缝隙的截面积，来改变水流流量和喷射压力。
53.自动定位及消防炮智能控制单元与消防炮驱动控制单元之间的通信通过无线通讯单元实现，无线通讯单元在本发明的消防炮射流落点智能控制模块以及消防炮装备上成组布置，采用基于无线射频辨识(rfid)的无线通信技术。当通讯单元串口接收到数据时，需要根据无线数据传输通讯协议，将接收到的数据包进行解析，得到相应的控制命令，然后对数组中的数据进行处理，接下来根据命令类型数据提取后面的数据内容，获取控制指令。
54.自动定位及消防炮智能控制单元设置在支架单元上，支架采用便携充气式三脚架，高度可自动调整，适用于室外场所环境。
55.本发明涉及一种消防炮射流落点智能控制系统，该系统可以安装在固定式和移动式消防炮上使用，适用于室外恶劣火场环境，具有起火点自动定位、消防炮射流落点判定、消防炮射流参数智能调整、远程遥控操纵等功能，从而提升消防炮装备的射流准确性，最大限度降低灭火救援中消防人员的安全风险。
56.消防炮射流落点智能控制模块，由自动定位及消防炮智能控制单元、消防炮驱动控制单元、无线通讯单元和支架单元组成。
57.采用多源侦测数据融合技术实现起火点的准确定位，测量技术手段包括但不限于激光测距、红外测温、红外热成像、紫外成像和可见光图像等技术方法中的一项或多项组合。
58.通过计算机视觉处理技术实现射流落点的准确定位，测量技术手段包括但不限于激光测距、红外测温、红外热成像、可见光图像等技术方法中的一项或多项组合。
59.通过电机对消防炮的水平及垂直射流角度、流量、压力进行驱动控制，采用的电机类型包括但不限于直流伺服电机、交流伺服电机、直流步进电机和交流步进电机等。
60.采用在消防炮射流落点智能控制模块以及消防炮装备上成组布置无线通讯单元的形式，对相关指令进行通讯，采用的通信技术包括但不限于无线射频辨识(rfid)、zigbee、bluetooth、wlan等。
61.自动定位及消防炮智能控制单元设置在支架单元上，支架采用便携式三脚架，适用于在室外场所环境的快速布设和随时机动，支架包括但不限于手动控制三脚架、自动充气三脚架等。
62.需要说明的是本方案中未展开说明的器件、设备以及相关算法、模型等均可采用现有技术实现。
63.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。