一种具有变视角双目结构的消防炮系统及方法

摘要

本发明公开了一种具有变视角双目结构的视觉消防炮系统及方法，系统包括消防炮，所述消防炮的底部设有用于检测及调整消防炮水平与俯仰角度的消防炮角度调整机构；还包括：变视角双目视觉系统，设置在消防炮的后方，用于识别当前视角的火场图像，并发送信号给控制器，所述控制器计算变视角双目视觉系统旋转后的消防炮坐标，进而计算火场相对于消防炮的空间位置，以及消防炮对准火场所需的水平与俯仰旋转角度，控制器发送指令控制消防炮转动，消防炮喷射灭火剂。本发明解决了现有基于双目视觉定位的智能化消防炮视角单一，难以识别定位视场以外的火场的问题。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种具有变视角双目结构的智能消防炮系统及方法，属于消防领域。

背景技术：

近年来，随着消防产品强制性认证等政策的取消，智能消防设备的层出不穷，尤其是以视觉为主的智能化消防炮，研究众多。以视觉为主的智能化消防炮可在无人参与的情况实进行发现火场、定位火场等灭火动作，提高了灭火效率，降低了人为参与灭火场景造成的事故发生率。

申请号CN201811062299.8的专利提出了一种基于火源定位识别的消防机器人控制方法，利用已标定的双目红外摄像头对火源进行识别与定位，然后计算消防炮的俯仰角，该专利构建了红外双目系统，但是红外相机的视角范围是有限的，当目标火场不在当前红外双目系统的视角范围时，如何进行识别定位，该专利并未给出方法。

申请号201310473133.6的专利公开了一种旋转可调式双目视觉的目标识别定位装置及其在农业果实采摘机械的应用，该专利通过将双目摄像机安装在可旋转底座上的实现多自由度的运动，同时也给出了其在农业果实采摘上的应用，但是该专利并未详细说明旋转可调双目摄像机是如何定位的。

申请号CN201610622640.5的专利公开了一种扩展双目相机定位范围的方法和装置，可判断目标是否超出双目相机视场，控制底座带动双目相机的镜头旋转，使双目相机的视场一直覆盖待定位目标，同时该专利也给出了旋转后坐标系转化的方法，该专利主要公开了双目相机旋转后的目标定位方法，但是当水平旋转时，并不能按照该专利的所提出了坐标系转换方法进行计算。

由此可见，现有基于双目视觉技术的消防炮存在以下不足：

第一.在灭火场景中，由于安全距离的限制，火场往往与灭火设备的距离往往较大，而现有双目视觉系统在大距离定位情况下，由于光学原理限制，其成像画面较小，拍摄的火灾场景有限；因此,双目视觉系统视角范围固定，面对灭火场景，火场有可能会超出对当前的双目视觉系统的视场范围，针对超出视场范围，如何对火场进行识别与定位，研究相对较少。

第二.现有旋转双目视觉系统的研究重点多侧重于视角变换后，目标的空间坐标是如何变化的以及标定参数的优化，而如何根据变换后的坐标进行控制等的研究相对较少。

发明内容

针对以上问题：本文提出了一种具有变视角双目结构的智能消防炮系统及方法，该系统具有变视角双目视觉系统，可在多视角主动发现火场、定位火场，提高了识别与定位火场的范围；同时，该系统可根据变视角后的双目视觉系统的定位结果控制消防炮喷射灭火剂，提高了消防炮的灭火效率。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案：

一种具有变视角双目结构的智能消防炮系统，包括：

消防炮，用于喷射灭火剂，所述消防炮的底部设有用于检测及调整消防炮水平与俯仰角度的消防炮角度调整机构；

还包括：变视角双目视觉系统，设置在消防炮的后方，用于识别当前视角的火场图像，所述变视角双目视觉系统以一定角速度循环作水平方向360°旋转与俯仰方向360°旋转，直至检测到火灾发生，所述变视角双目视觉系统停止转动，并发送信号给控制器，所述控制器计算变视角双目视觉系统旋转后的消防炮坐标，进而计算火场相对于消防炮的空间位置，以及消防炮对准火场所需的水平与俯仰旋转角度，控制器发送指令控制消防炮转动，消防炮喷射灭火剂。

所述消防炮角度调整机构包括：

设置在所述消防炮底部的第一水平旋转单元和第一俯仰旋转单元；

第一角度传感器，安装在所述第一水平旋转单元上，用于检测所述消防炮的水平旋转角度；

第二角度传感器，安装在所述第一俯仰旋转单元上，用于检测所述消防炮的俯仰旋转角度。

所述变视角双目视觉系统包括：

一第二水平旋转单元；

固定横架，其底部中心与所述第二水平旋转单元上端固定连接；

俯仰转动架，安装在所述固定横架上，所述俯仰转动架能够相对所述固定横架实现俯仰转动；

至少两个相机，设置在所述俯仰转动架上，形成双目结构；

第二俯仰旋转单元，用于驱动所述俯仰转动架进行俯仰转动；

转动角度传感器，用于检测所述俯仰转动架的俯仰角度；

所述控制器与所述第一水平旋转单元、第一俯仰旋转单元、消防炮、第一角度传感器、第二角度传感器、第二水平旋转单元、第二俯仰旋转单元、第一相机、第二相机以及转动角度传感器电连接。

所述第二水平旋转单元为水平旋转云台。

所述水平旋转云台的底部设有支架。

所述第一水平旋转单元、第一俯仰旋转单元以及第二俯仰旋转单元均为电机。

所述转动角度传感器为旋转编码器。

本发明进一步还提出了一种智能消防炮系统的工作方法，基于一套智能消防炮系统，所述智能消防炮系统包括：

消防炮，用于喷射灭火剂，所述消防炮的底部设有用于检测及调整消防炮水平与俯仰角度的消防炮角度调整机构；

变视角双目视觉系统，设置在消防炮的后方，用于识别当前视角的火场图像，包括以下步骤：

S1、所述变视角双目视觉系统识别当前视角的火场图像，所述控制器进行图像处理并检测是否发生火灾，若发生，则进行定位灭火处理；若不发生，所述变视角双目视觉系统以一定角速度循环作水平方向360°旋转与俯仰方向360°旋转，直至检测到火灾发生，所述变视角双目视觉系统停止转动；

S2、检测到火灾发生后，进行火场定位灭火处理，具体是：

S21、所述消防炮在所述变视角双目视觉系统旋转后，其在所述变视角双目视觉系统坐标系下的坐标点发生改变，首先重新计算变视角双目视觉系统旋转后的消防炮坐标，当消防炮水平俯仰角度均为0°时，调整变视角双目视觉系统相机光轴线与消防炮炮头中心线平行，此时设置变视角双目视觉系统水平与俯仰转动角度均为0°，旋转前消防炮在变视角双目视觉系统下的坐标为：M(x,y,z)；

旋转后消防炮在变视角双目视觉系统下的坐标为M'(x',y',z')，则，则M与M'有如下坐标换算关系：

其中，α为第二俯仰旋转单元带动俯仰转动架转动的俯仰旋转角度；

β为第二水平旋转单元带动固定横架水平旋转的水平旋转角度；

d为第一相机与第二水平旋转单元的水平距离；

S22、计算火场相对于消防炮的空间位置、以及消防炮对准火场所需的水平与俯仰旋转角度；

假设目标火场在变视角双目视觉系统下的定位坐标为：F(x

消防炮对准火场所需的水平目标角度yaw为：

消防炮对准火场所需的俯仰目标角度pitch由射程-角度方程pitch＝f(D)确定，其中，D为水平旋转后，消防炮与目标火场的距离，通过下式获得：

得到所述消防炮的水平与俯仰转动角度后，所述控制器控制所述消防炮转动至目标角度，然后消防炮喷射灭火剂。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种具有变视角双目结构的智能消防炮系统，包括消防炮、第一角度传感器、第二角度传感器、变视角双目视觉系统和控制器；第一角度传感器反馈消防炮的水平转动角度，第二角度传感器反馈消防炮的俯仰旋转角度；变视角双目视觉系统获取图像，并检测在当前视场是否发生火灾，若发生，则进行火场定位灭火处理；若未发生，则变视角双目视觉系统进行水平方向360°旋转与俯仰方向360°旋转，直至检测到火在发生，停止转动，在当前双目视觉系统的视角下进行定位灭火处理。

进行火场定位时，本发明首先计算变视角双目视觉系统旋转后的消防炮坐标，进而计算火场相对于消防炮的空间位置，以及消防炮对准火场所需的水平与俯仰旋转角度，控制器发送指令控制消防炮转动，消防炮喷射灭火剂。

本发明解决了现有基于双目视觉定位的智能化消防炮视角单一，难以识别定位视场以外的火场的问题，提高了智能化消防炮的视觉识别定位范围以及智能化消防炮的灭火效率。

附图说明：

图1是本发明的整体布置图；

图2是本发明的第一与第二角度传感器的布置示意图；

图3是本发明的变视角双目视觉系统结构图；

图4是本发明的变视角双目视觉系统俯仰与水平角度置0示意图；

图5是本发明的变视角双目视觉系统俯仰旋转示意图；

图6是本发明的变视角双目视觉系统水平旋转示意图；

图7是本发明的第一相机与第二水平旋转单元的水平距离示意图；

图8是本发明的消防炮定位灭火控制流程图。

图中所示：1.消防炮；2.变视角双目视觉系统；3.控制器；4.第二角度传感器；5.第一角度传感器；6.第一相机；7.俯仰转动架；8.第二相机；9.编码器；10.固定横架；11.水平旋转云台；12.俯仰电机；13.支架；14.消防炮炮头中心线；15.第一相机光轴线。

具体实施方式

下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种具有变视角双目结构的智能消防炮系统及方法，系统包括：消防炮1、变视角双目视觉系统2、控制器3、第一角度传感器4、第二角传感器5；

如图2所示，第一角度传感器5安装在消防炮1的水平电机上，第二角度传感器4安装在消防炮1的第一俯仰电机上，用于实时监测消防炮1水平与俯仰旋转角度。

如图3所示，变视角双目视觉系统2包括第一相机6、俯仰转动架7、第二相机8、编码器9、固定横架10、水平旋转云台11、第二俯仰电机12、支架13；第一相机6和第一相机8平行安装在俯仰转动架7上，

固定横架，其底部中心与所述水平旋转云台11上端固定连接；

俯仰转动架7，安装在所述固定横架上，所述俯仰转动架能够相对所述固定横架10实现俯仰转动，俯仰转动架7上安装有第一相机和第二相机，且第一相机和第二相机平行布置；

第二俯仰电机12用于驱动所述俯仰转动架进行俯仰转动；

旋转编码器，用于检测所述俯仰转动架的俯仰角度；

控制器3与水平电机、第一俯仰电机、消防炮、第一角度传感器、第二角度传感器、水平旋转云台11、第二俯仰电机12、第一相机、第二相机以及旋转编码器电连接。

如图4所示，消防炮1此时的水平与俯仰角度为0°，调整变视角双目视觉系统相机光轴线与消防炮炮头中心线平行，此时设置变视角双目视觉系统水平与俯仰转动角度均为0°，消防炮1在变视角双目视觉系统下的坐标为M(x,y,z)；

开始工作时，变视角双目视觉系统2识别当前视角的火场图像，所述控制器3进行图像处理并检测是否发生火灾，若发生，则进行火场定位灭火处理；若不发生，所述变视角双目视觉系统2以一定角速度循环作水平与俯仰360°旋转，直至检测到火灾发生，所述变视角双目视觉系统2停止转动；检测到火灾发生后，进行火场定位灭火处理。

如图5-8所示，第二俯仰电机12带动俯仰转动架7、第一相机6、第二相机8转动,编码器9实时监测当前俯仰转动架7的俯仰旋转角度，为α；水平旋转云台11带动固定横架10旋转，并检测实时固定横架10的旋转角度，为β；第一相机与第二水平旋转单元的水平距离为d；旋转后，消防炮1在变视角双目视觉系统2下的坐标为：M'(x',y',z')；则M与M'有如下坐标换算关系：

目标火场在变视角双目视觉系统2下的定位坐标为：F(x

消防炮1对准火场所需的水平目标角度yaw为：

消防炮1对转火场所需的俯仰目标角度pitch由射程-角度方程pitch＝f(D)确定，该方程可通过给定喷射距离得到消防炮1的俯仰转角；旋转后，消防炮1与目标火场的距离D为：

得到消防炮1的水平与俯仰转动角度后，控制器3控制消防炮1转动至目标角度，然后消防炮1喷射灭火剂。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术邻域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。