一种基于火源定位识别的水炮俯仰控制方法与流程

1.本发明涉及火源定位识别技术领域，特别是一种基于火源定位识别的水炮俯仰控制方法。


背景技术：

2.现有的消防机器人能够对初期火源进行灭火，有效压制了初期火情，在消防员到来之前，极大减小火灾事故损失。消防机器人自身会携带水箱，通过控制水炮俯仰角度进行火源定位灭火。
3.现有对水炮俯仰角度控制的研究多为构造微分方程提出水炮射流轨迹的理论模型，例如《工程设计学报》2016年第6期第23卷发表的文献“消防水炮射流运动轨迹模型与定位补偿方法”、《fluid dynamics&materials processing》2021年第5期第17卷发表的文献 " modelsfor predicting the jet trajectory and intensity drop point of fire monitors "等。这些理论模型虽然考虑了射流质量、射流初速度、空气阻力、引力等因素的影响，但存在以下问题：（1）对于已知的射流模型方程，根据目标位置很难求出水炮控制角度的逆解，甚至有的模型无法求出逆解。（2）理论模型都是基于某个特定的部署环境通过实验得到的，不能很好的适用不同类型的水炮和不同的部署场景，泛化能力差。（3）以上模型考虑了多个控制参数，实际使用中调试困难。
4.针对以上问题，本发明提出了基于插值的水炮喷水角度控制算法，仅通过事先标定采集一些射流轨迹数据，在新的灭火点出现时，可精确的控制水炮俯仰角度进行灭火。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种标记数据少，精度高，泛化能力强的基于火源定位识别的水炮俯仰控制方法。
6.本发明的技术方案是：一种基于火源定位识别的水炮俯仰控制方法，包括以下步骤：s1:获取水炮在m个设定角度下的射流轨迹的最高点和最远点，并建立坐标系，拟合出各个角度下的射流轨迹线；其中每个射流轨迹测量点在坐标系内的横坐标为射流水平距离，纵坐标为射流高度；s2: 针对每个设定角度下的射流轨迹，根据原点、最高点、最远点的水平距离构造两个区间：[原点，最高点] 和[最高点，最远点]；在每个区间取n个点等间距地将区间分为n+1个等分，其中n≥1，获得标定的多个数据点；s3:根据多个数据点构造凸包，判断新出现的火源点是否落入凸包范围内，若落入，则计算火源点与已标定的数据点上下两条射流轨迹线的四个近邻，并且获得火源点到同一条射流轨迹线的两个数据点构成直线的距离；s4: 根据得到的两个距离，通过插值计算得出水炮对准火源点所需的实际俯仰角度。
[0007]
进一步，s2中，根据获取的m个角度和n个点，包含原点在内计算得到共需(2n+3)*m-m+1个数据点。
[0008]
进一步，s3中，所述凸包为数据点的外围连线构成的多边形结构，且数据点不包括原点，凸包只需计算一次，每当有新的火源点出现时，先计算火源点是否在已计算的凸包内。
[0009]
进一步，s3中，若判断新出现的火源点未落入凸包范围内时，则计算满足射程所对应的水炮的位置，将水炮移动至目标位置。
[0010]
进一步，s4中，根据得到的两个距离，先通过插值计算出对应数据点的水炮控制角度的权重，具体通过以下公式获得：
[0011]
式中，dis
down
为火源点到下条射流轨迹线的邻近的两个数据点构成的直线之间的距离；dis
up
为火源点到上条射流轨迹线的邻近的两个数据点构成的直线之间的距离；weight
down
、weight
up
为计算水炮控制角度的权重。
[0012]
进一步，根据水炮控制角度的权重，计算水炮对准火源点所需的实际俯仰角度，具体通过以下公式获得：
[0013]
式中，angle
down
、angle
up
为下条射流轨迹线和上条射流轨迹线对应的俯仰角度；angle则为水炮对准火源点所需的实际俯仰角度。
[0014]
进一步，所述水炮安装于移动体上。
[0015]
进一步，所述水炮安装于机器人上，水炮的喷嘴经水管连接位于机器人上的水箱。
[0016]
本发明的有益效果：通过采用水炮射流数据标定和插值计算控制角度两部分来对水炮俯仰角度进行控制，一方面，相比现有文献中提出的模型而言，本发明泛化能力好，能够适用于各种型号的消防水炮和不同的部署场景；另一方面，只需要实现标定一次射流数据、标定数据点数要求较少并且之后再无需调整其他参数，即可较为精确地计算出水炮的俯仰角。
附图说明
[0017]
图1是本发明实施例的射流轨迹线示意图；图2是本发明实施例的凸包构成示意图。
具体实施方式
[0018]
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0019]
一种基于火源定位识别的水炮俯仰控制方法，包括数据标定和角度计算两部分，其中数据标定的步骤如下：s101：获取水炮在m个设定角度下的射流轨迹的最高点和最远点，并建立坐标系:
以水炮的喷射口中心为原点，每个射流轨迹测量点在坐标系内的横坐标为射流水平距离，纵坐标为射流高度，从而拟合出各个角度下的射流轨迹线。
[0020]
例如：在0-90
°
范围内选取水炮的仰角分别为10
°
、20
°
、30
°
、45
°
、60
°
、75
°
作为喷射角度，如图1所示，每条线中段位置及尾段位置的深色三角形即为最高点和最远点，从而根据三个点确定一条射流轨迹线。
[0021]
s102：针对每个设定角度下的射流轨迹，根据原点、最高点、最远点的水平距离构造两个区间：[原点，最高点] 和[最高点，最远点]；根据实际需求，在每个区间取n个点等间距地将区间分为n+1个等分，其中n≥1。如图1中所标识的浅色三角形即为选取的多个等间距的点。
[0022]
例如：假设某个设定角度下的射流最高点为2.8m，最高点所对应的水平距离为7.2m，最远点为15.2m，建立区间[0，7.2] 和[7.2，15.2]；然后在区间[0，7.2]中取两个等间距的点，如选择水平距离的两个数据点为2.4和4.8；然后再区间[7.2，15.2]中取两个等间距的点，如9.8和12.4。
[0023]
s103：根据获取的m个角度和n个点，包含原点在内计算得到共需(2n+3)*m-m+1个数据点。
[0024]
例如图1中，m=6,n=2，包含原点在内共需37个数据点。
[0025]
数据标定完毕后，接下来角度计算的步骤如下：s201：首先计算由数据点构成的凸包，如图2所示为实际标定的数据，其中圆点为标定的数据点（此处剔除了水炮原点），数据的外围构成的多边形为凸包，凸包只需要计算一次。每当有新的火源点出现时，先计算火源点是否在已计算的凸包内，若检测到火源点在凸包内，则进行下述s202的步骤；若不在凸包内，则根据实际需求而定，比如水炮安装在机器人上，可以控制机器人靠近火源；若水炮安装在固定位置上，可以计算满足射程的对应水炮的位置，然后将固定装置移至相应位置。优选地，本实施例的水炮安装于机器人上，水炮的喷嘴经水管连接位于机器人上的水箱。
[0026]
s202：当有新的火源点出现时(如图1中的五边形所示)，计算火源点与已标定的数据点上下两条射流轨迹线的四个近邻，并且获得火源点到同一条射流轨迹线的两个数据点构成直线的距离，如图1的箭头所示。
[0027]
s203：根据得到的两个距离，通过插值计算出对应数据点的角度的权重，具体通过以下公式获得：
[0028]
式中，dis
down
为火源点到下条射流轨迹线的邻近的两个数据点构成的直线之间的距离；dis
up
为火源点到上条射流轨迹线的邻近的两个数据点构成的直线之间的距离；weight
down
、weight
up
为计算水炮控制角度的权重，angle
down
、angle
up
为下条射流轨迹线和上
条射流轨迹线对应的俯仰角度；angle则为水炮对准火源点所需的实际俯仰角度。
[0029]
可以说，本发明与现有技术相比，具有以下优点：传统的标定数据通常为：对于水平方向，根据水平距离均匀等分的标定数据点，由于其无法保证采集到最高点数据，也就无法很好的描绘出真实的射流轨迹，导致计算出的控制角度精度较差；对于垂直方向，同样地，根据水炮俯仰角范围等间隔采集多个不同角度的数据点。因此，按照此标定方法，若想要更好的拟合水炮射流轨迹，必须在水平和垂直方向标定大量的数据。当有新的火源时，搜索火源与已标定的数据点的最近邻数据点，根据最近邻数据点对应的角度值，得到水炮俯仰角控制值，此方法计算的角度依赖于数据标定的点数量，并且计算的角度为离散变化，导致最终喷水精度较差。
[0030]
而本发明对于提出的数据标定方法，在尽可能少的采集数据点的同时，又可以让数据点很好地描绘出射流轨迹，如图1中的五边形点上下方的两条直线与直线两个端点的曲线，从图1中可以看到，即使取较稀疏的数据点，直线已经能够很好的近似射流轨迹曲线。
[0031]
对于提出的角度计算方法，插值计算复杂度低，其权重为根据火源点到近邻数据点构成直线距离的“相反值”（如s203中的公式所示，这里相反值是指：对于直线up，计算其权重的距离为dis
down
），权重非常直观地反映了火源点与对应近邻数据直线的几何关系，使得角度权重随着“相反值”变化，也即实现了距离变化到角度变化的变换关系。此外，对weight
down
、weight
up
进行了归一化处理，使得计算角度在angle
down
、angle
up
范围内连续变化，并且不会越界，同时归一化处理在也保证了角度计算可以自适应于数据的稀疏程度，不需要额外的参数限制。由此保证了计算角度在水炮俯仰角范围内能够连续变化，使得控制精度较高。
[0032]
综上所述，本发明通过采用水炮射流数据标定和插值计算控制角度两部分来对水炮俯仰角度进行控制，一方面，相比现有文献中提出的模型而言，本发明泛化能力好，能够适用于各种型号的消防水炮和不同的部署场景；另一方面，只需要实现标定一次射流数据、标定数据点数要求较少并且之后再无需调整其他参数，即可较为精确地计算出水炮的俯仰角。

技术特征：
1.一种基于火源定位识别的水炮俯仰控制方法，其特征在于,包括以下步骤：s1:获取水炮在m个设定角度下的射流轨迹的最高点和最远点，并建立坐标系，拟合出各个角度下的射流轨迹线；其中每个射流轨迹测量点在坐标系内的横坐标为射流水平距离，纵坐标为射流高度；s2: 针对每个设定角度下的射流轨迹，根据原点、最高点、最远点的水平距离构造两个区间：[原点，最高点] 和[最高点，最远点]；在每个区间取n个点等间距地将区间分为n+1个等分，其中n≥1，获得标定的多个数据点；s3:根据多个数据点构造凸包，判断新出现的火源点是否落入凸包范围内，若落入，则计算火源点与已标定的数据点上下两条射流轨迹线的四个近邻，并且获得火源点到同一条射流轨迹线的两个数据点构成直线的距离；s4: 根据得到的两个距离，通过插值计算得出水炮对准火源点所需的实际俯仰角度。2.根据权利要求1所述基于火源定位识别的水炮俯仰控制方法，其特征在于，s2中，根据获取的m个角度和n个点，包含原点在内计算得到共需(2n+3)*m-m+1个数据点。3.根据权利要求1所述基于火源定位识别的水炮俯仰控制方法，其特征在于，s3中，所述凸包为数据点的外围连线构成的多边形结构，且数据点不包括原点，凸包只需计算一次，每当有新的火源点出现时，先计算火源点是否在已计算的凸包内。4.根据权利要求1所述基于火源定位识别的水炮俯仰控制方法，其特征在于，s3中，若判断新出现的火源点未落入凸包范围内时，则计算满足射程所对应的水炮的位置，将水炮移动至目标位置。5.根据权利要求1所述基于火源定位识别的水炮俯仰控制方法，其特征在于，s4中，根据得到的两个距离，先通过插值计算出对应数据点的水炮控制角度的权重，具体通过以下公式获得：6.式中，dis
down
为火源点到下条射流轨迹线的邻近的两个数据点构成的直线之间的距离；dis
up
为火源点到上条射流轨迹线的邻近的两个数据点构成的直线之间的距离；weight
down
、weight
up
为计算水炮控制角度的权重。7.根据权利要求5所述基于火源定位识别的水炮俯仰控制方法，其特征在于，根据水炮控制角度的权重，计算水炮对准火源点所需的实际俯仰角度，具体通过以下公式获得：8.式中，angle
down
、angle
up
为下条射流轨迹线和上条射流轨迹线对应的俯仰角度；angle则为水炮对准火源点所需的实际俯仰角度。9.根据权利要求1所述基于火源定位识别的水炮俯仰控制方法，其特征在于，所述水炮安装于移动体上。10.根据权利要求1所述基于火源定位识别的水炮俯仰控制方法，其特征在于，所述水
炮安装于机器人上，水炮的喷嘴经水管连接位于机器人上的水箱。

技术总结
一种基于火源定位识别的水炮俯仰控制方法，包括以下步骤：S1:获取水炮在m个设定角度下的射流轨迹的最高点和最远点，并建立坐标系；S2:针对每个设定角度下的射流轨迹，根据原点、最高点、最远点的水平距离构造两个区间，在每个区间取n个点等间距地将区间分为n+1个等分；S3:根据多个数据点构造凸包，判断新出现的火源点是否落入凸包范围内，若落入，则计算火源点与已标定的数据点上下两条射流轨迹线的四个近邻，并且获得火源点到同一条射流轨迹线的两个数据点构成直线的距离；S4:通过插值计算得出水炮对准火源点所需的实际俯仰角度。本发明一方面泛化能力好，能够适用于各种型号的消防水炮；另一方面，标定数据点数少，水炮俯仰控制精度高。控制精度高。控制精度高。


技术研发人员：李金波 李鑫
受保护的技术使用者：长沙万为机器人有限公司
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/7/7