關(guān)鍵詞：圖像處理；單目視覺；射流模型；閉環(huán)控制

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）21-0125-04

0 引言

水炮屬于一種射流現(xiàn)象，在工業(yè)流體控制和液體噴射過程中較為常見。近年來，水炮也多用于海警防衛(wèi)作戰(zhàn)和消防救援船中，作為一種防護打擊和救援裝置而存在。從目前的情況來看，水炮在上述領(lǐng)域中的應(yīng)用較為廣泛，但是卻并沒有一個高效穩(wěn)定的控制技術(shù)對其進行控制支撐，還是以人工手動控制為主。但是人工手動控制必然存在強度大、操作緩慢、延遲和打擊精準度低的情況，在一定程度上影響了水炮應(yīng)用的效率和效果。而如果能夠在新技術(shù)的支持下實現(xiàn)智能水炮打擊，則能夠進一步提高水炮應(yīng)用的效率和精準度，為維護國家海洋權(quán)益貢獻力量。在圖像處理和單目視覺的技術(shù)支持下，水炮智能打擊常用的兩種方法是基于質(zhì)點運動規(guī)律的射流軌跡定位方式和基于計算機單目視覺的調(diào)整方式。以下內(nèi)容的介紹中，將這兩種方式巧妙地結(jié)合運用了。關(guān)于重力的影響、空氣阻力的影響，都考慮進去的前提下，通過利用圖像處理技術(shù)，對目標與流落點之間的目標差進行計算，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。

1 基于圖像處理與單目視覺的射流閉環(huán)控制技術(shù)概述

基于圖像處理（Image Processing） 與單目視覺（Monocular Vision） 的射流閉環(huán)控制技術(shù)，是通過質(zhì)點運動規(guī)律射流軌跡定位技術(shù)與計算機視覺調(diào)整技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)的。圖像處理技術(shù)在該控制系統(tǒng)中所起的作用包括但不限于實時捕捉并分析設(shè)立目標，并產(chǎn)出射流目標的圖像信息。通過系統(tǒng)攝像頭能夠獲取并分析包含射流目標在內(nèi)的視頻幀，此時利用圖像處理技術(shù)對其進行算法分析，能夠得出精準的射流目標區(qū)域的位置和形狀信息。這些信息是后續(xù)系統(tǒng)進行視覺定位和目標調(diào)整的基礎(chǔ)前提[1]。

在視覺定位的過程中，本研究所采用的是單目視覺系統(tǒng)（Single-lens reflex camera）。單目視覺系統(tǒng)能夠通過分析圖像信息，提取出目標的位置、大小、形狀等特征，并結(jié)合射流參數(shù)（如速度、角度、壓力等），計算出最優(yōu)的射流路徑和參數(shù)調(diào)整方案。然后，控制系統(tǒng)根據(jù)這些計算結(jié)果，對射流裝置進行實時調(diào)整，確保射流能夠精確命中目標[2]。單目視覺系統(tǒng)可將實時目標的位置區(qū)域確定在三維空間內(nèi)，結(jié)合已知的攝像參數(shù)和射流參數(shù)，計算出射流起點與目標之間的相對位置并精確角度，對射流進行精確引導(dǎo)。利用圖像處理技術(shù)能夠準確計算出射流目標與流落點之間的目標差，為射流調(diào)整提供參數(shù)參考。這一過程中的目標差結(jié)果也可稱作目標位置與實際射流落點之間的偏差量，該數(shù)值能夠精準反映出射流控制的精度。

2 方法設(shè)計原理

2.1 系統(tǒng)流程

基于圖像處理和單目視覺的射流閉環(huán)控制系統(tǒng)流程如圖1所示。以下對系統(tǒng)流程進行說明：

在系統(tǒng)對攝像頭進行標定以后，在用已標定的攝像頭對圖像信息進行采集，從而確定射流目標、實現(xiàn)實時跟蹤情況的記錄。攝像頭的重心位置和射流目標的中心位置在整個追蹤的過程中，會始終保持同頻。隨后在空間坐標轉(zhuǎn)換的過程中，可以對射流目標的圖像和位置信息進行計算，確定水炮與標定攝像頭之間的相對位置，計算出水炮的水平偏轉(zhuǎn)角和俯仰角。再根據(jù)這些角度信息，系統(tǒng)可以通過控制機構(gòu)對射流裝置進行實時調(diào)整，確保射流的方向與計算出的最優(yōu)路徑相匹配[3]。同時，圖像處理技術(shù)持續(xù)監(jiān)控射流的實際落點，并計算與目標的偏差量。這個偏差量將被反饋到控制系統(tǒng)中，通過閉環(huán)控制算法對射流參數(shù)進行微調(diào)，以進一步減少偏差，直659c2af440d20c2dab655865dac20d6c至射流精確命中目標。

2.3 基于射流運動軌跡模型的射流水位團受力分析

該環(huán)節(jié)是分析射流軌跡的前提和基礎(chǔ)，基于射流軌跡模型的俯仰角調(diào)整的主要目的是將射流分割成若干個微小的質(zhì)點，并通過分析這些質(zhì)點在空中的運動狀態(tài)，結(jié)合空氣動力學(xué)原理和重力影響，建立射流軌跡的數(shù)學(xué)模型[4]。通過該模型，可以預(yù)測射流在空中的飛行軌跡，并根據(jù)目標位置信息，計算出最優(yōu)的俯仰角調(diào)整值。俯仰角的調(diào)整依賴于對射流速度、角度、初始位置以及目標位置等參數(shù)的精確測量和計算。首先，通過圖像處理技術(shù)確定目標在圖像中的位置，并轉(zhuǎn)化為三維坐標系中的坐標。接著，根據(jù)已知的射流參數(shù)和空氣動力學(xué)原理，建立射流質(zhì)點的運動方程。這個方程將考慮重力、空氣阻力、射流速度等多個因素的影響，以模擬射流在空中的實際運動狀態(tài)[5]。

由于空氣密度是遠遠小于水的，因此在射流運動過程中，空氣阻力對射流的影響相對較小，可以忽略不計。但重力對射流的影響則不能忽視，尤其是在長距離飛行過程中，重力的影響將顯著改變射流的軌跡。因此，在建立射流軌跡模型時，必須充分考慮重力的影響。圖3是在充分考慮重力和空氣阻力的作用和影響下，射流水微團在空中的受力分析情況。

2.4 射流閉環(huán)控制的二次調(diào)整

結(jié)合上述受力分析結(jié)果和角度調(diào)整結(jié)果來看，可以對射流裝置進行第一次調(diào)整，使其初步對準目標。然而，由于實際射流過程中可能存在的各種干擾因素，如風(fēng)速、溫度、射流速度變化等，第一次調(diào)整后射流的落點可能仍然與目標存在一定的偏差。因此，需要進行二次調(diào)整以進一步提高射流精度。在二次調(diào)整過程中，系統(tǒng)通過圖像處理技術(shù)實時監(jiān)測射流的落點，并計算與目標的偏差量。這個偏差量將被反饋到控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)根據(jù)偏差量的大小和方向，通過控制機構(gòu)對射流裝置進行微調(diào)。這個微調(diào)過程是一個閉環(huán)控制過程，系統(tǒng)會根據(jù)實時反饋的偏差量不斷調(diào)整射流參數(shù)，直至射流精確命中目標。

3 實驗驗證

此次實驗過程采用的是步進式電機對水炮進行控制，水平方向和垂直方向的參數(shù)都是細分數(shù)32，加速度為3.15 m/s²。射流速度為恒定值4.2 m/s。水炮與攝像頭之間的距離固定為1 m，攝像頭視角范圍為60°。首先，將攝像頭對準一個固定的目標點，并通過控制系統(tǒng)對射流裝置進行第一次調(diào)整，使其初步對準目標。然后開啟射流裝置，并啟動圖像處理系統(tǒng)對射流落點進行實時監(jiān)測。根據(jù)圖像處理系統(tǒng)提供的射流落點信息，控制系統(tǒng)對射流裝置進行二次調(diào)整，進一步提高射流精度。本次實驗選取了第11幀、第18幀、第22幀和第37幀進行圖像獲取，在第11幀時，射流目標中心點的坐標為（688，340） ，射流落點的坐標為（774，403） ，若此時判定目標未被打中，則控制系統(tǒng)會根據(jù)上述兩個坐標點計算出偏差量，決定是否啟動第二次調(diào)整機制。在第18幀時，系統(tǒng)進行了微調(diào)，此時的射流落點坐標已經(jīng)發(fā)生了變化，為（711，374） ，這一坐標值與目標的偏差量明顯減小。在第22幀時，系統(tǒng)再次進行了微調(diào)，射流落點的坐標進一步靠近目標中心點，此時的坐標為（684，341） 。到了第37幀時，射流落點的坐標已經(jīng)非常接近目標中心點，坐標為（678，331） ，此時可以判定射流已經(jīng)精確命中目標。

實驗結(jié)果表明，通過圖像處理技術(shù)實時監(jiān)測射流落點，并結(jié)合閉環(huán)控制進行二次調(diào)整，可以顯著提高射流精度，確保射流能夠精確命中目標且打擊效果良好。

4 結(jié)束語

本文基于圖像處理和單目視覺提出了一種提高水炮射流精度的射流閉環(huán)控制方法，并通過實驗驗證了這種方法是有效且可行的。經(jīng)實驗結(jié)果分析認為，通過攝像機對射流落點的實時監(jiān)測，再利用圖像處理技術(shù)和單目視覺調(diào)整為射流閉環(huán)控制系統(tǒng)賦予二次調(diào)整機制，提高射流的精準度。該方法不僅適用于水炮射流精度的提高，同樣對于其他類似場景下的射流精度控制都具有參考意義。