图像型消防水炮火点识别算法及执行机构控制

摘要

图像型自动消防水炮系统是通过图像传感器捕捉火焰信号，对火焰进行自动识别、定位，并根据火点位置调整消防炮喷射方向以进行灭火作业的智能消防系统。由于采用摄像机作为火焰探测器，监测范围广并且能够获得丰富的场景信息，该系统适用于复杂环境的火灾监测与消防救灾工作。
　　首先，基于图像识别的火焰探测算法是实现该系统智能化的关键。目前，将数字图像处理应用于火焰识别的相关研究已经取得了一定的成果，但仍存在计算复杂、识别不够准确等问题，需要加以改进。其次，火点定位与消防水炮控制系统的合理设计决定着智能消防系统的整体性能。因此，对火焰识别算法的改进研究以及控制系统设计研究对图像型自动消防水炮系统的优化有着重要的意义。
　　本文主要针对图像型自动消防水炮系统的火焰识别算法、机器视觉定位、消防炮控制系统设计以及消防炮结构设计四个部分进行研究。选取火焰的颜色、形状、闪烁频率作为区分火焰图像与背景图像的依据。使用形态学滤波方法处理火焰二值图像，并采用一种改进的动态目标检测方法确定火焰质心，在MATLAB软件实中现算法。通过摄像机标定实验确定摄像机模型参数，并依据双目视觉理论，使用标定后的摄像机模型计算火点的三维坐标，并进行了实验。设计了基于单片机多任务控制系统的摄像机云台与消防水炮步进电机控制方案。使用MATLAB GUI编写上位机软件界面，设计串行通信协议，并通过创建虚拟串口实现了单片机与上位机的通信仿真。探讨消防水炮水力性能参数设计、机械结构设计方法。提出一种采用四杆机构的消防炮俯仰旋转机构，并在 Simulink中进行运动学仿真分析，通过牛顿-辛普森法实现了机构的输出、输入转角的计算方法。
　　火焰识别实验结果表明，所设计的火焰识别算法能够识别移动与静止的火焰。定位实验结果表明，双目视觉适用于火焰定位，在精确度上能够满足要求。仿真实验结果表明，所设计的控制系统能够对电机实现分组控制，满足控制精度要求。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 图像型消防水炮系统研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 火焰识别算法

2.1 火焰的物理特征及探测方法

2.2 基于火焰静态特征的检测

2.3 基于火焰动态特征的检测

2.4 火焰图像的还原与火点定位

2.5 实验与结论

2.6 本章小结

第3章 火点定位原理及摄像机标定

3.1 摄像机成像模型

3.2 双目立体视觉测量原理

3.3 摄像机标定方法

3.4 摄像机标定实验

3.5 着火点定位实验

3.6 本章小结

第4章 执行机构的控制原理

4.1 摄像机云台控制部分设计

4.2 步进电机转角的换算

4.3 步进电机转角控制

4.4 串口通信

4.5 软件界面设计

4.6 Proteus仿真实验

4.7 本章小结

第5章 消防水炮机械结构设计

5.1 消防水炮设计要求

5.2 消防水炮俯仰摆动机构的设计

5.3 消防炮强度校核

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间正式发表的学术论文

致谢