图像型消防水炮火点识别算法及执行机构控制

发布时间：2017-09-24 08:01

  本文关键词：图像型消防水炮火点识别算法及执行机构控制

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【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二维坐标,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。
【关键词】：消防水炮 火灾探测 图像处理 控制方法 仿真 MATLAB
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU892;TP391.41
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 研究背景和意义10-12
• 1.2 图像型消防水炮系统研究现状12-14
• 1.2.1 国外研究现状12
• 1.2.2 国内研究现状12-14
• 1.3 主要研究内容14-16
• 第2章 火焰识别算法16-31
• 2.1 火焰的物理特征及探测方法16
• 2.2 基于火焰静态特征的检测16-22
• 2.2.1 彩色空间的选择16-20
• 2.2.2 圆形度20-22
• 2.3 基于火焰动态特征的检测22-27
• 2.3.1 帧间差分法23-24
• 2.3.2 背景减除法24-25
• 2.3.3 前景累积图像法25-27
• 2.4 火焰图像的还原与火点定位27-29
• 2.5 实验与结论29-30
• 2.6 本章小结30-31
• 第3章 火点定位原理及摄像机标定31-46
• 3.1 摄像机成像模型31-36
• 3.1.1 小孔成像模型31-35
• 3.1.2 非线性模型35-36
• 3.2 双目立体视觉测量原理36-39
• 3.2.1 双目平行定位模型36-37
• 3.2.2 双目会聚定位模型37-39
• 3.3 摄像机标定方法39-40
• 3.3.1 传统标定方法39
• 3.3.2 自标定方法39
• 3.3.3 张正友标定方法39-40
• 3.4 摄像机标定实验40-44
• 3.5 着火点定位实验44-45
• 3.6 本章小结45-46
• 第4章 执行机构的控制原理46-65
• 4.1 摄像机云台控制部分设计46-52
• 4.1.1 舵机控制原理46-48
• 4.1.2 PWM信号的产生48-52
• 4.2 步进电机转角的换算52-53
• 4.3 步进电机转角控制53-55
• 4.4 串口通信55-59
• 4.4.1 串口通信电路设计56-57
• 4.4.2 串行通信协议57-59
• 4.5 软件界面设计59
• 4.6 Proteus仿真实验59-64
• 4.6.1 时间片轮询法控制的单片机系统59-62
• 4.6.2 Proteus实现上位机与单片机通信仿真62-64
• 4.7 本章小结64-65
• 第5章 消防水炮机械结构设计65-80
• 5.1 消防水炮设计要求65-70
• 5.1.1 消防炮整体结构设计及力学分析67-69
• 5.1.2 定位机构方案比较69-70
• 5.2 消防水炮俯仰摆动机构的设计70-76
• 5.2.1 俯仰摆动的实现70
• 5.2.2 曲柄连杆机构的设计70-71
• 5.2.3 曲柄连杆机构的运动仿真71-73
• 5.2.4 俯仰方向控制转角计算73-76
• 5.3 消防炮强度校核76-79
• 5.3.1 射流反冲力计算76-77
• 5.3.2 炮座强度校核77-79
• 5.4 本章小结79-80
• 第6章 总结与展望80-82
• 参考文献82-86
• 附录86-98
• 攻读硕士学位期间正式发表的学术论文98-99
• 致谢99

【参考文献】

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本文编号：910242