一种利用三维空间定位的精准灭火方法技术

本发明专利技术消防灭火技术领域，具体涉及一种利用三维空间定位的精准灭火方法，该方法包括如下步骤：利用检测设备确定火源位置；建立质点运动学方程，得出水炮射流曲线的物理学方程；启动控制程序，开始灭火；通得到火源位置和水炮射流末端落地点位置的三维坐标系；判断水炮射流落地点中心的像素范围是否在火源中线点的像素范围内；计算需要调整的水平角和俯仰角，反馈信息到中央控制系统中，利用水炮上安装的角度仪，从而调整消防水炮的水平角和俯仰角；根据水平角和俯仰角，通过中央控制系统，调整安装机器人水炮的水平旋转姿态和俯仰姿态，从而实现精准灭火；本发明专利技术有效解决了现有技术中火源位置检测精度有限，影响灭火精度和灭火效率的技术问题。效率的技术问题。效率的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种利用三维空间定位的精准灭火方法


[0001]本专利技术涉及消防灭火
，具体涉及一种利用三维空间定位的精准灭火方法。

技术介绍

[0002]在发生火灾时，火场环境是十分复杂的，火场信息也会缺失，这导致在现场实施消防灭火作业时将会变得困难重重，对消防员的生命安全也造成了最直接的威胁。因此消防机器人应运而生，消防机器人代替人或协助人完成灭火功能，在完成抢险救灾工作的同时，保障消防员的生命安全。基于两轮自平衡方案的消防机器人可以节省设计空间，克服了多轮系统结构复杂的缺点，具有降低机械成本、转弯半径小、能实现原地转弯、灵活性高、行驶速度快的优点，使其能适用于面积狭小的复杂场合灭火。
[0003]机器人灭火过程中，如何精准快速的识别火源成为了灭火工作的重中之重，目前识别火源大多是基于图像处理完成的或目标检测，但上述方法的识别精度有限，因为水压和风力等外界因素都有可能影响到识别精度，导致与实际的火源位置存在偏差，影响灭火精度和灭火效率。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种利用三维空间定位的精准灭火方法，用以解决现有技术中火源位置检测精度有限，影响灭火精度和灭火效率的技术问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所提供的利用三维空间定位的精准灭火方法采用如下技术方案：
[0006]一种利用三维空间定位的精准灭火方法，包括如下步骤：
[0007]利用检测设备确定火源位置；
[0008]建立质点运动学方程，得出水炮射流曲线的物理学方程；r/>[0009]启动控制程序，开始灭火；
[0010]通过坐标系的转换，得到火源位置和水炮射流末端落地点位置的三维坐标系；
[0011]判断水炮射流落地点中心的像素范围是否在火源中线点的像素范围内，如果在火源范围内就继续尝试喷水灭火，如果不在，则利用火源点和上述水炮射流曲线的物理学方程，来调整水炮的俯仰角和水平角，使水炮射流落地点中心在火源中心点的范围；
[0012]计算需要调整的水平角和俯仰角，反馈信息到中央控制系统中，利用水炮上安装的角度仪，从而调整消防水炮的水平角和俯仰角；
[0013]根据水平角和俯仰角，通过中央控制系统，调整安装机器人水炮的水平旋转姿态和俯仰姿态，从而实现精准灭火。
[0014]进一步地，所述检测设备包括导航装置和三合一火焰探测器，第一次发现火源时记录此时的航向角Φ1和位置B；第二次发现火源时记录此时的航向角Φ2和位置B
’
；根据行驶距离得到BB
’
的数值。
[0015]进一步地，确定BB
’
的数值后，利用航向角Φ1、Φ2以及BB
’
，可以得到B
’
到火源a在相机坐标系的垂线h的距离，即垂直距离Z，根据三边定位的方法可以得到Z：
[0016]aB＝BB
’
sinΦ2/sin(Φ1‑
Φ2)
[0017]aB
’
＝BB
’
sinΦ1/sin(Φ1‑
Φ2)
[0018]ah＝sinΦ2*(BB
’
sinΦ1/sin(Φ1‑
Φ2))
[0019]Z＝hB
’
＝cosΦ2*(BB
’
sinΦ1/sin(Φ1‑
Φ2))。
[0020]进一步地，确定水炮射流曲线的物理学方程时，包括以下步骤：
[0021]S10、确定水炮速度；
[0022]S20、根据射流轨迹，在坐标系上的位置建立质点运动学方程；
[0023]S30、通过微分方程，得到x、y、t与θ的关系，其中x为x轴，y为y轴，t为时间，θ为速度方向与x轴的夹角；
[0024]S40、根据质点在水炮坐标系平面内的运动方程，得到射流曲线的方程；
[0025]S50、提取射流曲线坐标值，求出水炮射流曲线的方程。
[0026]进一步地，步骤S10中，根据公式(1)
[0027][0028]确定水炮的出水速度，其中，v代表水炮的出水速度，等于水流流量的大小与水流截面面积的比值，q为水炮的流量，d为水炮喷水芯与喷雾嘴之间的环形面积。
[0029]进一步地，步骤S20中，流体质点的运动学方程为公式(2)
[0030][0031]其中，m是质点的质量，R(v)是质点受到的空气阻力，θ是轨迹切线(即速度方向)与x轴的夹角，d是轨迹的曲率半径。
[0032]进一步地，步骤S30中，x、y、t与θ的关系为公式(3)
[0033][0034]进一步地，步骤S40中，质点在水炮坐标系平面内的运动方程为公式(4)
[0035][0036]对公式(4)进行三次积分，并按照级数展开得到射流曲线的方程，该方程为公式
(5)
[0037][0038]其中b为流体的阻力，依靠公式(6)获得
[0039][0040]其中，p为空气密度为1.29kg/m3，A
m
为水道的横截面积，等于1/4πd2，d为炮口直径，k为空气阻力系数，取0.23。
[0041]进一步地，步骤S50中，在射流曲线的中前段提取多组坐标值，并把这些目标点进行三次曲线拟合得到射流的运动学方程，由于射流曲线的方程为一个三次多项式，该三次多项式为公式(7)
[0042]y＝a0+a1x+a2x2‑
a3x3ꢀꢀꢀ
(7)
[0043]对公式(7)采用最小二乘法拟合，得到目标点的矩阵方程，该矩阵方程为公式(8)
[0044][0045]进而求得系数a的值，得出水炮射流曲线方程，该曲线方程为公式(9)
[0046]y＝a0+a1x+a2x2‑
a3x3ꢀꢀꢀ
(9)
[0047]进一步地，得到火源位置和水炮射流末端落地点位置的三维坐标系时，具体步骤如下：
[0048]a：采用三合一火焰探测器采集射流图像，并对射流主体区域的像素值和射流末端的像素值进行提取；
[0049]b：对射流轨迹进行提取，得到目标点的坐标值；
[0050]c：射流落地点和火源点的二维坐标系转为水炮的三维坐标系。
[0051]本专利技术所提供的利用三维空间定位的精准灭火方法的有益效果是：本专利技术采用空间坐标系之间转换的方法，求得机器人和空间定位点之间的坐标位置，从而来自主的调整姿态位置，实现自主导航和立体空间精准定位，在灭火的过程中，可以对三合一火焰探测器获取到的现场图像进行数据采集和处理，得到消防水炮射流曲线的运动方程和落地点的三维空间定位，然后根据射流末端的颜色特性计算出落水点，根据落水点与火源点之间的偏差，自动地调整消防水炮的俯仰角和水平回转角的角度，来达到自动准确灭火的目的，从而
克服了水压、风力或者其他因素的影响，实现更精准的灭火；有效解决了现有技术中火源位置检测精度有限，影响灭火精度和灭火效率的技术问题。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用三维空间定位的精准灭火方法，其特征在于，包括如下步骤：利用检测设备确定火源位置；建立质点运动学方程，得出水炮射流曲线的物理学方程；启动控制程序，开始灭火；通过坐标系的转换，得到火源位置和水炮射流末端落地点位置的三维坐标系；判断水炮射流落地点中心的像素范围是否在火源中线点的像素范围内，如果在火源范围内就继续尝试喷水灭火，如果不在，则利用火源点和上述水炮射流曲线的物理学方程，来调整水炮的俯仰角和水平角，使水炮射流落地点中心在火源中心点的范围内；计算需要调整的水平角和俯仰角，反馈信息到中央控制系统中，利用水炮上安装的角度仪，从而调整消防水炮的水平角和俯仰角；根据水平角和俯仰角，通过中央控制系统，调整安装机器人水炮的水平旋转姿态和俯仰姿态，从而实现精准灭火。2.根据权利要求1所述的利用三维空间定位的精准灭火方法，其特征在于：所述检测设备包括导航装置和三合一火焰探测器，第一次发现火源时记录此时的航向角Φ1和位置B；第二次发现火源时记录此时的航向角Φ2和位置B
’
；根据行驶距离得到BB
’
的数值。3.根据权利要求2所述的利用三维空间定位的精准灭火方法，其特征在于，确定BB
’
的数值后，利用航向角Φ1、Φ2以及BB
’
，可以得到B
’
到火源a在相机坐标系的垂线h的距离，即垂直距离Z，根据三边定位的方法可以得到Z：aB＝BB
’
sinΦ2/sin(Φ1‑
Φ2)aB
’
＝BB
’
sinΦ1/sin(Φ1‑
Φ2)ah＝sinΦ2*(BB
’
sinΦ1/sin(Φ1‑
Φ2))Z＝hB
’
＝cosΦ2*(BB
’
sinΦ1/sin(Φ1‑
Φ2))。4.根据权利要求1至3任一项所述的利用三维空间定位的精准灭火方法，其特征在于，确定水炮射流曲线的物理学方程时，包括以下步骤：S10、确定水炮速度；S20、根据射流轨迹，在坐标系上的位置建立质点运动学方程；S30、通过微分方程，得到x、y、t与θ的关系，其中x为x轴，y为y轴，t为时间，θ为速度方向与x...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾保虎，袁文正，李瑞，刘琦，吴楠，李宇龙，潘强辉，
申请(专利权)人：南阳中天防爆电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：