作为远距离火灾扑救的首要设备,消防水炮具有喷射流量大、输送位置调整灵活等优势,是实现灭火救援、火场快速降温、遏制次生灾害发生的关键消防装备之一。伴随着各类应急救援装备朝着高机动、多功能方向发展,面向各类火灾扑救及消防保障场景需求,消防水炮正向大流量、高可靠性、智能化等方向发展。现役消防水炮仍多依赖于消防员人为操控,部分应用于大空间自动灭火系统、消防机器人等的消防水炮面临可靠性低、功能性差等问题,难以满足各类火灾扑救场景的应用需求。因此,有必要开展面向灭火救援的智能化消防水炮研究,借助于日趋成熟的机器视觉技术,通过对消防水炮水平与俯仰角度控制,实现灭火救援过程中消防水剂对于火源位置的快速、持续、稳定输送,提升火灾扑救效率和最大程度保障消防员作业安全。本课题依托于国家重点研发计划项目“新型多功能城市主战消防车辆关键技术研究及产品研发”(项目编号:2016YFC0802908),以消防水炮为研究对象,结合流体运动学仿真、机器视觉、图像特征提取、射流轨迹参数表征及智能化控制等相关理论与技术,开展面向灭火救援的智能化消防水炮研究,形成包括水射流轨迹参数化建模、火场识别与跟踪灭火、轨迹落点位置在线预测及面向供液压力波动的落点位置补偿的智能化消防水炮灭火救援解决方案,为实现智能化消防水炮在消防救援装备智能化应用中提供理论支撑与原理验证。主要内容包括:(1)在对现役电控消防水炮装配结构分析的基础上,提出了基于机器视觉的智能化消防水炮解决方案,详细阐述了以红外视觉和近场视觉分别实现消防水炮水平与俯仰角度控制的技术路线;通过对比分析模拟与实验测量的轨迹参数,提出了以轨迹模拟仿真数据辅以实验测量数据误差补偿的水射流轨迹参数化建模方法,实现在灭火初期消防水炮的俯仰角度快速调整。(2)为实现智能化消防水炮在灭火过程中水射流落点对于火源位置的连续有效覆盖,开展了基于近场视觉的射流轨迹在线监测研究。依据水射流轨迹运动特性与其图像特性相关关系,提出了基于初段轨迹图像特征的水射流状态表征方法,设计了包括近场图像预处理、轨迹分割、轨迹方程拟合以及特征提取的图像处理算法。最后,依据本文所建立水射流轨迹参数化模型,实现消防水炮喷射过程中轨迹落点位置的在线预测。(3)针对智能化消防水炮灭火过程中对火焰的水平瞄准问题,开展了基于红外视觉的火场识别与跟踪灭火研究。首先,进行了红外图像温度、圆形度特征与火源探测距离的相关性分析,并据此提出了基于温度与圆形度特性的联合火点识别方法;其次,设计了模拟消防员火场瞄准与跟踪灭火作业模式的智能化消防水炮水平角度控制算法;最后,实验模拟了包括单火源瞄准、单火源跟踪以及多火源瞄准的多场景灭火应用需求,通过消防水炮水平角度调整实现了有效的火源识别与瞄准、火源跟踪以及多火源顺序灭火。(4)为解决智能化消防水炮面向消防机器人应用背景下由于供液压力波动带来的射流轨迹落点位置干扰问题,继续开展了基于近场视觉的射流轨迹落点位置补偿研究。首先,考虑到消防机器人机动灭火过程中近场图像背景复杂多变问题,提出了新的近场图像轨迹分割方法并优化了轨迹特征提取过程;然后,基于压力波动轨迹特征与落点位置数据,借助支持向量回归(Support Vector Regression,SVR)方法建立了落点位置补偿模型;最后,模拟供液压力先降低后恢复、先升高后恢复两种常规压力波动场景,通过消防水炮俯仰角度调整实现了供液压力波动下轨迹落点对于火源位置的持续稳定覆盖。最后,开展了基于机器视觉的消防水炮自动灭火实验,结果表明基于机器视觉的消防水炮控制可以实现水射流对于火源的连续、精准覆盖需求。该论文有图80幅,表15个,参考文献188篇。