基于机器视觉的大空间智能消防水炮设计

冯榆淇 张棕淇 王炳坤 董伟锋 王昊辰 唐文秀*

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨150040）

随着机器视觉数字图像处理技术的发展和自动控制精度的提高，国内外对于大空间建筑智能消防装置方面的研究以及大空间建筑火源的扑救工作都取得了一定的成果：国外的智能消防水炮主要基于红外线传感器，以美国早期的智能喷水灭火系统SR100 为代表，该系统利用多种传感器融合技术，综合紫外线和红外线探测器的探测数据自动定位火源位置，控制水枪喷水以达到灭火目的；国内在这方面的研究方法主要是利用可燃物质燃烧时辐射的红外线为探测对象，在被监控的三维空间内全方位探测扫描，准确定位后，自动喷射灭火介质实施灭火。此外，各种实践也都证明基于机器视觉的火灾监控预测系统与高压消防水炮相结合的方法，是实现智能探测定位和快速灭火的有效方案之一，具有一定的研究价值。

1 设计理念

通过对国内外智能消防水炮的研究现状和发展趋势的分析，我们发现传统的大空间建筑火源定位方法存在以下不足之处：

1.1 易受外界环境干扰

传统定位火源方法主要是利用红外线、紫外线火灾探测器等光学传感器对火源进行扫描定位，很容易受到外界环境的干扰，如室内发热电器，有辐射的设备，日光灯等。所以定位的容错率较小，容易发生“误判”情况，精度也受到影响。

1.2 定位复杂

基于红外线、紫外线传感器的火源定位系统必须通过至少两个位置的信息才能进行火源定位，从而导致系统的响应速度和定位精度大大下降，不能够达到现代化消防灭火的安全需求。

图1 基于机器视觉的大空间智能消防水炮整体结构示意图

1.3 不能全方位持续扫描

传统定位火源的探测器需要通过转动云台来扫描空间位置的火源信息，而不是全方位持续扫描，因此在发生火灾时，水炮喷水的实时性较差，很难满足大空间消防需求。

为改善上述问题，我们设计了一种基于机器视觉的大空间智能消防水炮，在火灾图像探测的基础上，通过利用人工智能单目机器视觉识别技术来对火灾火焰进行识别定位，进行精准、快速灭火。

图2 大空间智能消防水炮工作方案设计图

图3 基于机器视觉的大空间智能消防水炮工作流程图

2 基于机器视觉的大空间智能消防水炮设计

2.1 大空间智能消防水炮结构设计

本装置主要由上下层容纳盒、摄像头、单片机、水管等部分构成，具体如图1 所示。

2.2 大空间智能消防水炮工作方案设计

大空间智能消防水炮的工作方案设计见图2。

3 基于机器视觉的大空间智能消防水炮工作流程

3.1 火灾位置识别

通过OpenMV 摄像头对室内图像信息的采集，对火焰的颜色特性、尖角特性和动态特性进行检测，通过Python 脚本编程将火焰图像识别算法程序烧录至第一单片机，对室内图像进行识别检测，找到火源位置信息将其从OpenMV 中输出给第一单片机。

3.2 水炮位置确定

通过阻力参数分析，利用牛顿运动定理建立水射流轨迹模型，通过MATLAB 仿真找到水流落点与水炮喷水速度以及仰俯角之间的关系，第一单片机将OpenMV 摄像头输出的火源火焰位置信息传送给第二单片机转换为水炮位置信息。

3.3 水炮转动

利用第二单片机控制电动云台转动到指定位置，建立云台闭环运动关系，基于图像实现落点位置闭环，在水射流落点与火源位置存在较大偏差时，进行定位旋转角补偿，使智能消防水炮的响应速度得到大幅提高，当水炮转移到相应位置后，光耦继电器控制12V 常闭电磁阀打开水炮开关，水流经过水管输入后进行喷水，当火焰扑灭之后，openmv 摄像头识别不到火焰信息，第二单片机控制电磁阀关闭水炮。完成喷水灭火（图3）。

4 结论

本装置在火灾图像探测的基础上，通过利用人工智能单目机器视觉识别技术来对火灾火焰进行识别定位，整个过程不需要扫描，改善了传统大空间建筑火源定位方法所存在的一些弊端。本装置不仅提高了系统响应速度，使得灭火速度大大提高，还能找到智能水炮最佳的喷水位置，精确识别定位，有着更好的灭火效果。本设计对于基于机器视觉的火灾监控预测系统与高压消防水炮相结合的方法来进行消防灭火的应用等方面具有一定的参考价值。