一种消防投弹灭火机器人火焰识别装置及定位方法
技术领域
本发明属于消防机器人领域，具体说是一种消防投弹灭火机器人火焰识别装置及定位方法。
背景技术
火灾是一种具有较强灾难性和破坏性的灾害，尤其在大空间建筑中，特殊的建筑结构与用途使火灾发生的几率增加，蔓延的速度加快，危害的程度加深，预防与扑救的难度加大，使得消防任务极其艰巨。传统型火灾探测技术由于技术手段的限制，不能较好的满足高大建筑空间的消防安全需求，而图像型火灾探测技术恰好弥补了这一不足。图像型火灾探测系统是一种以双目摄像机为探头，结合光电技术和图像处理技术而研制成的火灾自动探测报警系统。系统采用非接触式探测技术，通过摄像机观测监控区域的彩色/黑白图像和红外图像，并对获得的图像进行图像处理和分析，通过早期火灾烟雾、火灾火焰的图像特征来判断是否发生火灾，对火灾进行报警并定位，为消防投弹灭火机器人提供准确目标位置。因此，为了准确判断火灾，对火灾区域进行定位测量，给出火焰具体位置信息，研制一款消防投弹灭火机器人火焰识别装置是非常必要的。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种消防投弹灭火机器人火焰识别装置及定位方法，该装置可根据视频图像判断火灾情况，准确给出火焰位置，指导消防投弹灭火机器人灭火。
本发明采用的技术方案是：一种消防投弹灭火机器人火焰识别装置，该装置由双目摄像机(1)、视频信号板(2)、测距传感器(3)、角度传感器(4)、回转电机(5)、回转驱动器(6)、俯仰驱动器(7)、俯仰电机(8)和主控板(9)组成。
该火焰识别装置安装在消防投弹灭火机器人本体上，消防投弹灭火机器人本体通过天线与远程监控中心进行无线通讯完成信息传送，远程监控中心的显示屏幕上可显示火焰识别装置发来的火焰图像，机器人本体上还装有用于发射灭火弹的投弹装置。
所述主控板(9)是该装置的控制核心，控制双目摄像机(1)沿水平、垂直方向移动寻找火焰位置。所述回转驱动器(6)根据主控板(9)的控制命令，驱动回转电机(5)带动双目摄像机(1)沿水平方向转动;所述俯仰驱动器(7)按照主控板(9)的控制命令驱动俯仰电机(8)带动双目摄像机(1)上下移动。
所述双目摄像机(1)用于采集火灾现场的视频图像，并将采集的图像信号发送给视频信号板(2)，视频信号板(2)用于对火焰信息进行识别，确定火焰中心坐标位置。一方面，将火焰图像上传到远程监控中心的显示屏幕上，便于操控人员观看。同时，将火焰中心坐标信息发送给主控板(9)。主控板(9)根据火焰中心坐标分别控制回转电机(5)和俯仰电机(8)转动，当双目摄像机(1)采集的火焰图像落在屏幕坐标原点位置时，双目摄像机(1)停止移动。
所述测距传感器(3)和角度传感器(4)用于为主控板(9)提供火源到机器人的距离和双目摄像机(1)的俯仰角度信息，主控板(9)根据测距传感器(3)和角度传感器(4)反馈的信息控制俯仰电机(8)转动，完成双目摄像机(1)垂直方向的定位。
基于上述消防投弹灭火机器人火焰识别装置，本发明还提供了一种火焰定位方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：所述主控板(9)通过CAN通讯对回转驱动器(6)发送水平转动指令，回转驱动器(6)驱动回转电机(5)带动双目摄像机(1)沿水平方向左右转动;
步骤二：双目摄像机(1)在沿水平方向转动过程中，将采集的图像信号发送给视频信号板(2)，视频信号板(2)对火焰进行识别，并将火焰图像上传到远程监控中心。远程监控中心的显示屏幕画面分为四个象限，屏幕中心为坐标原点(0，0)，水平方向为X轴，垂直方向为Y轴。同时，视频信号板(2)将识别的火焰中心坐标信息通过RS485串口发送给主控板(9);
步骤三：主控板(9)根据火焰中心坐标信息，控制回转驱动器(6)驱动回转电机(5)带动双目摄像机(1)转动，当火焰中心坐标X=0，也就是火焰处在显示屏幕水平方向中间位置时，回转电机(5)停止转动，完成水平方向定位;
步骤四：测距传感器(3)测量火源到机器人的距离，并通过RS232串口将数据发送给主控板(9)，主控板(9)根据抛物线原理耦合风阻系数以及火焰中心Y方向坐标，解析计算出火焰目标俯仰角度;
步骤五：主控板(9)通过CAN通讯对俯仰驱动器(7)发送指令，控制俯仰驱动器(7)驱动俯仰电机(8)带动双目摄像机(1)沿垂直方向转动;
步骤六：所述角度传感器(4)采集双目摄像机(1)的俯仰角度信息，并将俯仰角度信号发送给主控板(9)，当主控板(9)检测到俯仰角度达到火焰目标俯仰角度时，俯仰电机停止转动，完成垂直方向定位，此时，火焰中心位于坐标原点(0，0)位置。从而为灭火弹发射装置提供了准确的火焰目标位置。
本发明的有益效果是：该火焰识别装置和定位方法采用双镜头摄像机采集火灾现场视频图像，并实时对图像进行分析处理，识别火源及寻找火焰中心位置;同时采用水平和垂直两个自由度控制电机转动，对火焰进行快速、精确定位，为灭火弹投弹装置提供了准确目标，有效地提高了灭火效率。
附图说明
图1为本发明组成结构框图。
图2为本发明在消防投弹灭火机器人本体上安装位置示意图。
图3为主控板(9)STM32F429芯片U13管脚定义图。
图4为RS232串口芯片一U5管脚定义图。
图5为RS232串口芯片二U6管脚定义图。
图6为RS485串口芯片U9管脚定义图。
图7为CAN通讯芯片U3管脚定义图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种消防投弹灭火机器人火焰识别装置，该装置由双目摄像机(1)、视频信号板(2)、测距传感器(3)、角度传感器(4)、回转电机(5)、回转驱动器(6)、俯仰驱动器(7)、俯仰电机(8)和主控板(9)组成。
该火焰识别装置安装在消防投弹灭火机器人本体上，消防投弹灭火机器人本体通过天线与远程监控中心进行无线通讯完成信息传送，远程监控中心的显示屏幕上可显示火焰识别装置发来的火焰图像，机器人本体上还装有用于发射灭火弹的投弹装置。
如图2至图7所示，所述双目摄像机(1)供电电压为DC12V,双路视频信号为模拟信号，输出为SMA接头，用于图像采集。视频信号板(2)供电电压为DC24V,双路视频输入信号，输入为SMA接头，与双目摄像机(1)连接，输出信号为一路RS485串口通讯接口A2、B2和GND, 视频信号板(2)输出信号与RS485串口芯片U9连接，视频信号板(2)用于实时分析处理视频信号，并将图像上传到远程监控中心;远程监控中心显示屏幕画面分为四个象限，屏幕中心为坐标原点(0，0)，水平方向为X轴，垂直方向为Y轴。视频信号板(2)将识别的火焰中心点X和Y坐标通过RS485串口输出。
所述测距传感器(3)采用DC24V供电，输出信号为一路RS232串口通讯接口R1、T1和GND, 测距传感器(3)输出信号与RS232串口芯片一U5连接，测距传感器(3)用于测量火源到消防投弹灭火机器人本体的距离。
所述角度传感器(4)采用DC24V供电，输出信号为一路RS232串口通讯接口R4、T4、GND，角度传感器(4)输出信号与RS232串口芯片二U6连接，角度传感器(4)用于测量双目摄像机(1)的俯仰角度，同时将测量数据通过RS232串口实时上传到主控板(9)。
所述回转驱动器(6)采用DC48V供电，输入信号为一路CAN通讯接口CANH2、CANL2和输入电源接口，输出信号为编码器接口和三相输出接口U、V、W;回转驱动器(6)输入信号与CAN通讯芯片U3连接，输出信号编码器接口和三相输出接口U、V、W分别与回转电机(5)的编码器和三相输出U、V、W连接。
进一步地，所述俯仰驱动器(7)采用DC48V供电，输入信号为一路CAN通讯接口CANH2、CANL2和输入电源接口，输出信号为编码器接口和三相输出接口U、V、W;俯仰驱动器(7)输入信号与CAN通讯芯片U3连接，输出信号编码器接口和三相输出接口U、V、W分别与俯仰电机(8)的编码器和三相输出U、V、W连接。
所述主控板(9)采用STM32F429芯片U13,管脚定义如图3所示，DC12V供电;RS232串口芯片一U5,采用RSM232ECHT芯片,管脚定义如图4所示, RS232串口芯片二U6, 采用RSM232ECHT芯片,管脚定义如图5所示;RS485串口芯片U9,采用RSM485ECHT芯片,管脚定义如图6所示;CAN通讯芯片U3,采用CTM8251AT芯片,管脚定义如图7所示。
所述主控板(9)STM32F429芯片U13的PA9管脚通过电阻R11与RS232串口芯片一U5的3管脚连接，网络标号TXD1;PA10管脚通过电阻R9与RS232串口芯片一U5的4管脚连接，网络标号RXD1;RS232串口芯片一U5的6管脚和7管脚分别串联R15、R13与测距传感器(3)的RS232串口通讯接口R1、T1连接，RS232串口芯片一U5的8管脚与测距传感器(3)的RS232串口通讯接口GND连接。
所述主控板(9)STM32F429芯片U13的PC10管脚通过电阻R31与RS232串口芯片二U6的3管脚连接，网络标号TXD4，PC11管脚通过电阻R39与RS232串口芯片二U6的4管脚连接，网络标号 RXD4;RS232串口芯片二U6的6管脚和7管脚分别串联R35、R33与角度传感器(4)的RS232串口通讯接口R4、T4连接;RS232串口芯片二U6的8管脚与角度传感器(4)的RS232串口通讯接口GND连接。
所述主控板(9)STM32F429芯片U13的PC12管脚通过电阻R22与U9的3管脚连接，网络标号TXD5，PD2管脚通过电阻R21与RS485串口芯片U9的4管脚连接，网络标号RXD5，PD4管脚与RS485串口芯片U9的5管脚连接，网络标号TD5，RS485串口芯片U9的8管脚和9管脚分别串联电阻R26、R25与视频信号板(2)的RS485串口通讯接口B2、A2连接，RS485串口芯片U9的10管脚与视频信号板(2)的RS485串口通讯接口GND连接。
所述主控板(9)STM32F429芯片U13的PB5管脚与CAN通讯芯片U3的3管脚连接，网络标号CAN2_TX，PB6管脚与CAN通讯芯片U3的4管脚连接，网络标号CAN2_RX。CAN通讯芯片U3的6管脚、7管脚分别串联R3、R1并同时与回转驱动器(6)和俯仰驱动器(7)的CAN通讯接口CANH2、CANL2连接。
所述主控板(9)与回转驱动器(6)和俯仰驱动器(7)采用CAN2.0B进行通讯，为了识别区分主控板(9)发来的命令，回转驱动器(6)默认ID:0x0602，俯仰驱动器(7)默认ID:0x603,主控板(9)通过发送ID+命令数据分别控制回转驱动器(6)和俯仰驱动器(7)进行水平和垂直动作。
基于上述消防投弹灭火机器人火焰识别装置，本发明还提供了一种火焰定位方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：所述主控板(9)通过CAN通讯对回转驱动器(6)发送水平转动指令，回转驱动器(6)驱动回转电机(5)带动双目摄像机(1)沿水平方向左右转动;
步骤二：双目摄像机(1)在沿水平方向转动过程中，将采集的图像信号发送给视频信号板(2)，视频信号板(2)对火焰进行识别，并将火焰图像上传到远程监控中心。远程监控中心的显示屏幕画面分为四个象限，屏幕中心为坐标原点(0，0)，水平方向为X轴，垂直方向为Y轴。同时，视频信号板(2)将识别的火焰中心坐标信息通过RS485串口发送给主控板(9);
步骤三：主控板(9)根据火焰中心坐标信息，控制回转驱动器(6)驱动回转电机(5)带动双目摄像机(1)转动，当火焰中心坐标X=0，也就是火焰处在显示屏幕水平方向中间位置时，回转电机(5)停止转动，完成水平方向定位;
步骤四：测距传感器(3)测量火源到机器人的距离，并通过RS232串口将数据发送给主控板(9)，主控板(9)根据抛物线原理耦合风阻系数以及火焰中心Y方向坐标，解析计算出火焰目标俯仰角度;
步骤五：主控板(9)通过CAN通讯对俯仰驱动器(7)发送指令，控制俯仰驱动器(7)驱动俯仰电机(8)带动双目摄像机(1)沿垂直方向转动;
步骤六：所述角度传感器(4)采集双目摄像机(1)的俯仰角度信息，并将俯仰角度信号发送给主控板(9)，当主控板(9)检测到俯仰角度达到火焰目标俯仰角度时，俯仰电机停止转动，完成垂直方向定位，此时，火焰中心位于坐标原点(0，0)位置。从而为灭火弹投弹装置提供了准确的火焰目标位置。
