基于機器視覺的大空間智能消防水炮設計

馮榆淇 張棕淇 王炳坤 董偉鋒 王昊辰 唐文秀*

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱150040）

隨著機器視覺數字圖像處理技術的發展和自動控制精度的提高，國內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SR100 為代表，該系統利用多種傳感器融合技術，綜合紫外線和紅外線探測器的探測數據自動定位火源位置，控制水槍噴水以達到滅火目的；國內在這方面的研究方法主要是利用可燃物質燃燒時輻射的紅外線為探測對象，在被監控的三維空間內全方位探測掃描，準確定位后，自動噴射滅火介質實施滅火。此外，各種實踐也都證明基于機器視覺的火災監控預測系統與高壓消防水炮相結合的方法，是實現智能探測定位和快速滅火的有效方案之一，具有一定的研究價值。

1 設計理念

通過對國內外智能消防水炮的研究現狀和發展趨勢的分析，我們發現傳統的大空間建筑火源定位方法存在以下不足之處：

1.1 易受外界環境干擾

傳統定位火源方法主要是利用紅外線、紫外線火災探測器等光學傳感器對火源進行掃描定位，很容易受到外界環境的干擾，如室內發熱電器，有輻射的設備，日光燈等。所以定位的容錯率較小，容易發生“誤判”情況，精度也受到影響。

1.2 定位復雜

基于紅外線、紫外線傳感器的火源定位系統必須通過至少兩個位置的信息才能進行火源定位，從而導致系統的響應速度和定位精度大大下降，不能夠達到現代化消防滅火的安全需求。

圖1 基于機器視覺的大空間智能消防水炮整體結構示意圖

1.3 不能全方位持續掃描

傳統定位火源的探測器需要通過轉動云臺來掃描空間位置的火源信息，而不是全方位持續掃描，因此在發生火災時，水炮噴水的實時性較差，很難滿足大空間消防需求。

為改善上述問題，我們設計了一種基于機器視覺的大空間智能消防水炮，在火災圖像探測的基礎上，通過利用人工智能單目機器視覺識別技術來對火災火焰進行識別定位，進行精準、快速滅火。

圖2 大空間智能消防水炮工作方案設計圖

圖3 基于機器視覺的大空間智能消防水炮工作流程圖

2 基于機器視覺的大空間智能消防水炮設計

2.1 大空間智能消防水炮結構設計

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

2.2 大空間智能消防水炮工作方案設計

大空間智能消防水炮的工作方案設計見圖2。

3 基于機器視覺的大空間智能消防水炮工作流程

3.1 火災位置識別

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

3.2 水炮位置確定

通過阻力參數分析，利用牛頓運動定理建立水射流軌跡模型，通過MATLAB 仿真找到水流落點與水炮噴水速度以及仰俯角之間的關系，第一單片機將OpenMV 攝像頭輸出的火源火焰位置信息傳送給第二單片機轉換為水炮位置信息。

3.3 水炮轉動

利用第二單片機控制電動云臺轉動到指定位置，建立云臺閉環運動關系，基于圖像實現落點位置閉環，在水射流落點與火源位置存在較大偏差時，進行定位旋轉角補償，使智能消防水炮的響應速度得到大幅提高，當水炮轉移到相應位置后，光耦繼電器控制12V 常閉電磁閥打開水炮開關，水流經過水管輸入后進行噴水，當火焰撲滅之后，openmv 攝像頭識別不到火焰信息，第二單片機控制電磁閥關閉水炮。完成噴水滅火（圖3）。

4 結論

本裝置在火災圖像探測的基礎上，通過利用人工智能單目機器視覺識別技術來對火災火焰進行識別定位，整個過程不需要掃描，改善了傳統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響應速度，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，精確識別定位，有著更好的滅火效果。本設計對于基于機器視覺的火災監控預測系統與高壓消防水炮相結合的方法來進行消防滅火的應用等方面具有一定的參考價值。