基于立體熱成像的電磁驅(qū)動滅火彈設(shè)計

庹忠曜,江 珊,黃洵楨,許增博,孫科學(xué),吳潤強(qiáng)*

(1.南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院、人工智能學(xué)院,江蘇 南京 210023;2.南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院、柔性電子(未來技術(shù))學(xué)院,江蘇 南京 210023;3.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210023;4.南京郵電大學(xué) 經(jīng)濟(jì)學(xué)院,江蘇 南京 210023)

隨著人口和城市規(guī)模的進(jìn)一步發(fā)展,火災(zāi)的發(fā)生頻率也日益增加,現(xiàn)有人工滅火、無人機(jī)噴灑滅火等常用高成本、低效率的滅火措施已逐漸難以滿足現(xiàn)有滅火需求[1]。相對而言,滅火彈投擲滅火技術(shù)可以實現(xiàn)滅火的無人化與機(jī)動化,同時其相較于無人機(jī)高空滅火而言成本更低、安全性更高,是當(dāng)今社會一種新興高效的滅火手段[2]。然而現(xiàn)有的滅火彈滅火技術(shù)仍需要人工手動調(diào)整發(fā)射位置,無法實現(xiàn)高度的無人化和智能化,同時由于人工檢測與操作的緣故,其具有延遲久、準(zhǔn)度低的缺點,且僅適用于已產(chǎn)生肉眼可見的明火的場景,普適度較低。

進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有滅火彈滅火技術(shù),特設(shè)計出一種基于立體熱成像的電磁驅(qū)動滅火彈技術(shù),該設(shè)計通過對探頭測溫數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到當(dāng)前探測區(qū)域的三維熱量分布圖,分析該區(qū)域內(nèi)的明火以及可能產(chǎn)生火災(zāi)的位置,進(jìn)而得到其最佳滅火點以及三維坐標(biāo),最終通過電路元件以及運動學(xué)分析,調(diào)整滅火彈的發(fā)射角度以及發(fā)射初速度,實現(xiàn)其在當(dāng)前區(qū)域內(nèi)的精準(zhǔn)高效滅火。

1 三維熱成像原理

1.1 圖像插值預(yù)處理

根據(jù)普朗克黑體輻射定律和斯蒂芬-波爾茲曼定律可知[3],物體的溫度越高,其本身會以越高的速率向外發(fā)射熱輻射,其熱輻射的強(qiáng)度P與物體的溫度T滿足關(guān)系:

P=σ*T4,

(1)

其中,σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù),其數(shù)值約為5.67*10-8W/(m2k4)。

紅外傳感器可以通過熱釋電效應(yīng)[4],將探測或接受紅外光譜波段的輻射轉(zhuǎn)化為電信號,并根據(jù)式(1)推算出該傳感器探測范圍內(nèi)的溫度值,該紅外傳感器便稱為一個單獨的測溫點。為取得某一區(qū)域內(nèi)的溫度分布圖像,即可將該區(qū)域進(jìn)行均勻分割,根據(jù)上述原理對分割出來的區(qū)域進(jìn)行溫度點測溫,將所得到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)陣列排布即可得到該區(qū)域內(nèi)的大致溫度分布圖像[5]。

通過該方法可知所分割的區(qū)域面積越小,即測溫點越多,所得到的分布圖像也就越緊密,但是相對而言對硬件的要求也就越高[6]。如今常用的非接觸式紅外熱成像模塊MLX90640共有768個測溫點,其像素分辨率僅為32*24,其所得到的熱成像圖片如圖1(a)所示。由于所得到的原始熱成像本身比較模糊,為更加精準(zhǔn)地命中異常溫度點,我們可通過插值算法對原始圖像進(jìn)行處理,以獲得分辨率更為清晰的熱成像圖片,如圖1(b)所示。

圖1 熱成像圖片

1.2 三維成像

為繪制三維熱量分布圖,需要獲取每個熱量點的深度分布值,即具體探測點的水平距離值。為實現(xiàn)熱量分布的三維成像,我們選取了兩個相同規(guī)格的紅外傳感器,根據(jù)立體視覺原理[7],制作出一個雙目熱成像系統(tǒng),如圖2所示。

圖2 雙目熱成像系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)主要利用兩個左右水平放置且間隔為d的兩個紅外傳感器進(jìn)行同步成像,由于紅外傳感器的體積較小,故而在遠(yuǎn)距離地探測時傳感器可近似視為一個質(zhì)點,假定左側(cè)的紅外傳感器為ol,右側(cè)的紅外傳感器為Or,其中ol與其成像位置ol之間的焦距為fl,Or與其成像位置Or之間的焦距為Fr,P為雙目熱成像系統(tǒng)探查范圍內(nèi)的任意一點,其在左側(cè)傳感器中的成像點為Pl,在右側(cè)傳感器中的成像點為Pr,基于紅外傳感器水平放置的理想條件下可視為ol的橫縱坐標(biāo)軸xl、yl與Or的橫縱坐標(biāo)軸xr、yr完全相同,不妨令oL與or的中點O為最終三維坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點,則可將P點的三維坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析,其分析圖如圖3所示。

圖3 三維坐標(biāo)分析圖

P點的坐標(biāo)(x,y,z)可用以下線段的長度進(jìn)行表示:

(2)

兩個同規(guī)格的紅外傳感器在誤差允許的范圍內(nèi)可認(rèn)為其焦距相同,即有:

fl=fr=f。

(3)

由于Pl與Pr為同一點在不同傳感器中所呈現(xiàn)的不同的像,兩點之間僅存在探測點之間的坐標(biāo)變化差距,故而其連線PlPr應(yīng)當(dāng)與OlOr平行且存在以下關(guān)系式:

PlPr=OlOr-lx-rx,

(4)

ly=ry。

(5)

根據(jù)平行線的傳遞性原理,顯有PlPr與olor平行,故而對于三角形Polor與三角形POlOr,可根據(jù)相似三角形定理[8]得到以下關(guān)系式:

P2P/P1P=PlPr/olOr。

(6)

三角形P1P4P與三角形P1P3P2顯然也滿足相似三角形定理,故有:

P1P2/P1P=P1P3/P1P4=P2P3/PP4。

(7)

同理對于三角形P4MP3與三角形P4olP1有:

MP3/olP1=P3P4/P1P4。

(8)

根據(jù)所選的紅外傳感器參數(shù)以及根據(jù)圖片處理所得的相關(guān)數(shù)據(jù),聯(lián)合公式(2-7)即可算得P點坐標(biāo)的數(shù)據(jù)表達(dá)式:

(9)

2 算法優(yōu)化

2.1 常用算法分析

目前對于圖像處理的常用算法有最近鄰插值法、雙線性插值法以及立方卷積插值等,我們根據(jù)電磁驅(qū)動滅火彈的應(yīng)用對以上三種最為常見的算法[9]進(jìn)行比較了分析:

(1)最近鄰插值法:該算法使用離待測點最近像素的灰度值作為該采樣點的灰度值,算法簡單運算速度較快,但是沒有考慮到像素點周圍相鄰值的影響,插值后的數(shù)據(jù)具有明顯的不連續(xù)性,產(chǎn)生的鋸齒現(xiàn)象對于精密度較高的滅火功能而言影響極大;

(2)雙線性插值法:該算法較之最近鄰插值法考慮了待測點周圍四個直接鄰點對該采樣點的相關(guān)性影響,較為完善地解決了數(shù)據(jù)不連續(xù)的問題,但是與此同時其處理過的邊緣部分依然不夠平滑,且涉及到部分對滅火功能而言不必要的數(shù)據(jù),進(jìn)行了部分無效運算,程序運行時間較長;

(3)立方卷積插值:該算法在以上兩種的算法的基礎(chǔ)上,充分考慮到了測溫點周圍測溫數(shù)據(jù)的影響以及數(shù)據(jù)變化率的問題,同時能夠較高的精度地保證邊緣的平滑程度,但是其算法復(fù)雜度較高,程序占用時間極長,對于滅火等緊急事件而言并不適用。

2.2 界限插值算法

為更好地實現(xiàn)電磁驅(qū)動滅火功能,需快捷而不失精準(zhǔn)度地找到目標(biāo)范圍的最佳滅火點,而根據(jù)滅火彈的降溫滅火原理可知,當(dāng)滅火彈命中在高溫分布最為密集的地方時,其滅火效果最佳,故而其最佳滅火點可認(rèn)為是高溫像素點分布最為密集區(qū)域內(nèi)的幾何中心位置。結(jié)合所需的電磁驅(qū)動滅火功能,特基于上述三種算法設(shè)計出一種界限插值算法,其算法示意如圖4所示。

圖4 界限插值算法示意圖

對于滅火的功能實現(xiàn)而言,僅需知曉目標(biāo)區(qū)域內(nèi)是否存在異常高溫,其異常溫度的判定即溫度是否超過了目前區(qū)域內(nèi)易燃物質(zhì)的燃點,根據(jù)溫度的傳遞性質(zhì)即在誤差允許的范圍內(nèi),以燃點為閾值界限圈定出一個封閉區(qū)域,劃分出低溫區(qū)域與高溫區(qū)域。

低溫區(qū)域內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)對于滅火點的選擇而言僅有臨近界限邊緣的溫度數(shù)據(jù)具有較大價值,為提高整體算法的運行效率,對去除臨界范圍外的低溫區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行映射處理,其與最近鄰插值法的算法思想一致,將距離新像素點最近測溫點的溫度數(shù)據(jù)賦予新插值的測溫點即可,其中不涉及到數(shù)據(jù)的計算故而運算速度極快。

根據(jù)熱傳導(dǎo)公式可知,在有限元里熱量的傳遞可近似認(rèn)為呈線性關(guān)系[10],而雙線性插值算法除邊緣不夠平滑的弊端外,對于線性分布的圖片處理極為使用,故而可以借鑒雙線性插值的思想對高溫區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,其數(shù)據(jù)處理圖如圖5所示:

圖5 高溫區(qū)域數(shù)據(jù)處理圖

其中T1、T2、T3、T4為已有測溫點所探測的溫度值,而P為新插值的所得的測溫點。因為雙線性插值邊緣數(shù)據(jù)處理不平滑的問題根源在于最外側(cè)數(shù)據(jù)的缺失,如當(dāng)P為圖片外側(cè)數(shù)據(jù)時,常無法得知探測范圍外的T1與T3的數(shù)據(jù)值。為解決該類問題且保證整體熱成像圖像的連貫性,特將低溫區(qū)域為插值的那一部分?jǐn)?shù)據(jù)增添至高溫區(qū)域內(nèi),替代所缺少的邊緣數(shù)據(jù)而參與計算。

為求得新插值測溫點P的溫度,需設(shè)置兩輔助點P1、P2,根據(jù)熱傳導(dǎo)的傳遞公式有:

(10)

(11)

同理可通過P1、P2求出P的溫度:

(12)

在實際運算中,設(shè)置中間量無疑會增加運算的復(fù)雜度,為運算的便捷性,聯(lián)立公式(10-12)有:

(13)

為確保區(qū)域邊緣在插值后的精準(zhǔn)性,需要原有區(qū)域邊緣數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上加上已處理好的低溫區(qū)域和高溫區(qū)域數(shù)據(jù),依照近鄰點與插值測溫點的相對位置來計算該點的溫度值。假定a向量為-0.5,則根據(jù)BiCubic函數(shù)[11]計算權(quán)重W(x):

(14)

假定此時新插值測溫點的坐標(biāo)為(x,y),根據(jù)其周圍的16的測溫點數(shù)據(jù)即可求得其溫度T(x,y):

(15)

3 電磁驅(qū)動設(shè)計

3.1 驅(qū)動原理

為高效率地進(jìn)行對滅火彈進(jìn)行精準(zhǔn)發(fā)射,特在滅火彈底端增添感電線圈,采用線圈電磁加載的形式對滅火彈進(jìn)行驅(qū)動,其示意圖如圖6所示。

圖6 線圈電磁加載示意圖

線圈電磁驅(qū)動系統(tǒng)采用交流電壓進(jìn)行供電,通過互感線圈變壓器實現(xiàn)低電壓到高電壓的變換,并通過電容進(jìn)行電量儲存,當(dāng)電容充電到一定程度時,即可通過單片機(jī)引腳電平的翻轉(zhuǎn),控制電容后電路的瞬時導(dǎo)通,此時放電線圈內(nèi)產(chǎn)生瞬間強(qiáng)電流,在放電線圈附近形成脈沖強(qiáng)磁場,根據(jù)電磁互感原理使得滅火彈感電線圈內(nèi)產(chǎn)生渦流,進(jìn)而產(chǎn)生電磁力驅(qū)動滅火彈發(fā)射[12]。

電磁驅(qū)動力的大小F與周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁通密度正交的面積s有關(guān),其滿足以下關(guān)系式:

(16)

根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度公式可知B又與電路導(dǎo)通時的瞬時電流i0以及通電線圈匝數(shù)n,即有:

B=μ0*n*i0。

(17)

滅火彈在電磁驅(qū)動過程中的時間極短,可近似認(rèn)為其電磁驅(qū)動力的大小恒定,則可根據(jù)其加速的距離l與滅火彈的質(zhì)量m推算出其最終發(fā)射時的初速度v0,根據(jù)動能關(guān)系有:

(18)

聯(lián)立以上三式即有:

(19)

3.2 發(fā)射基座設(shè)計

為調(diào)整電磁炮發(fā)射角度以確保精準(zhǔn)命中目標(biāo)點,特采用雙向舵機(jī)作為電磁炮發(fā)射基座,雙向舵機(jī)由水平舵和垂直舵組成,可將電磁炮調(diào)整至任意角度,其發(fā)射基座示意圖如圖7所示。

圖7 發(fā)射基座示意圖

同時根據(jù)驅(qū)動原理可知發(fā)射初速度v0的平方與磁通密度正交的面積S成正比,即當(dāng)磁場強(qiáng)度一定時,需保證滅火彈的感電線圈與磁場保持垂直以確保電磁驅(qū)動力最大。而當(dāng)調(diào)整雙向舵機(jī)角度時,未被固定住的滅火彈不可避免地會進(jìn)行舵機(jī)運轉(zhuǎn)而發(fā)生偏離,故而需對滅火彈本身或?qū)ζ浒l(fā)射基座進(jìn)行處理,以確保滅火彈始終與基座中的感電線圈相對靜止,考慮到設(shè)備的節(jié)能高效優(yōu)化,特在電磁炮管中增添了鎖位卡座,其炮管剖面圖如圖8所示。

圖8 炮管剖面圖

鎖定卡座上部為斜三角鐵片,鐵片尺寸根據(jù)炮管內(nèi)徑與滅火彈尺寸而定,其下部由彈簧固定,正常狀態(tài)下鐵片可將完全置入炮管內(nèi)的滅火彈固定,使其不隨炮管移動而發(fā)生偏移。鐵片的斜面向外,當(dāng)從外界裝入滅火彈時,滅火彈對鐵片的力可分解為向內(nèi)的推力與面向彈簧方向的壓力,可將鐵片與彈簧完全壓入炮管從而完成裝填;鐵片的直角面向內(nèi),裝填于炮管內(nèi)的滅火彈對鐵片的力并無面向彈簧的分力,故而其不會從炮管內(nèi)滑出。同時考慮到鎖定卡座在炮彈發(fā)射時可能形成一定阻力,特在鐵片與彈簧之下安裝磁吸裝置[13],在滅火彈發(fā)射之前,可通過單片機(jī)引腳驅(qū)動磁吸裝置產(chǎn)生電磁力將鐵片吸入炮管內(nèi)。

3.3 運動學(xué)分析

假定根據(jù)算法分析后的最佳滅火點坐標(biāo)為(x,y,z),為保證滅火彈效果達(dá)到最佳,其應(yīng)當(dāng)垂直命中滅火點,一般而言滅火點所在平面與地面垂直,即可認(rèn)為滅火彈命中最佳滅火點時垂直方向速度為0。

在不考慮外界風(fēng)速等情況,為使滅火彈的發(fā)射發(fā)現(xiàn)與滅火點方向保持一致,需將水平舵旋轉(zhuǎn)α角度,其應(yīng)滿足以下公式:

(20)

由于滅火彈的運動速度相對較快,在運動過程中需考慮空氣阻力f的影響,根據(jù)相關(guān)公式[14]有:

(21)

其中,C為空氣阻力系數(shù),ρ為空氣密度,S為滅火彈與運動方向的接觸面積,v為物體與空氣的相對運動速度,對滅火彈的速度進(jìn)行正交分離,可分為水平方向速度vL與垂直方向速度vp,假定其從發(fā)射至命中滅火點的時間為t,其在水平方向的勻加速度運動可表示為以下式子:

(22)

其垂直方向還需考慮地心引力的影響,假定重力加速度為g,則有:

(23)

(24)

根據(jù)速度的合成關(guān)系可求得垂直舵旋轉(zhuǎn)角度β以及發(fā)射初速度v0

(25)

(26)

聯(lián)立公式(19)與公式(26)即可求得發(fā)射時所需的電流,進(jìn)而所需的電容電壓,通過控制相關(guān)參數(shù)即可實現(xiàn)滅火彈的精準(zhǔn)滅火。

4 結(jié) 論

該設(shè)計基于界限插值算法對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行精密熱成像,通過測溫點的溫度數(shù)據(jù)分布判斷出是否有潛在火災(zāi)區(qū)域以及最佳滅火點,并根據(jù)電子元件與運動學(xué)分析計算出所需充電電壓以及炮管角度等參數(shù),進(jìn)而通過改良后的電磁炮驅(qū)動滅火彈發(fā)射,從而實現(xiàn)異常溫度區(qū)域內(nèi)的降溫滅火。其設(shè)計方案與算法思想考慮到實際滅火情況下緊急性,極大地減小了計算的時間復(fù)雜度,同時通過詳細(xì)的數(shù)據(jù)計算,分析出最佳滅火點以及充電電壓等參數(shù),可保證最大效率的異常溫度區(qū)域降溫,實現(xiàn)了在時間占用與滅火功能上的雙重高效性,對于目前的滅火彈智能化領(lǐng)域以及潛在火災(zāi)的防范具有一定應(yīng)用價值。