基于图像处理和单目视觉的射流闭环控制方法

关键词：图像处理；单目视觉；射流模型；闭环控制

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）21-0125-04

0 引言

水炮属于一种射流现象，在工业流体控制和液体喷射过程中较为常见。近年来，水炮也多用于海警防卫作战和消防救援船中，作为一种防护打击和救援装置而存在。从目前的情况来看，水炮在上述领域中的应用较为广泛，但是却并没有一个高效稳定的控制技术对其进行控制支撑，还是以人工手动控制为主。但是人工手动控制必然存在强度大、操作缓慢、延迟和打击精准度低的情况，在一定程度上影响了水炮应用的效率和效果。而如果能够在新技术的支持下实现智能水炮打击，则能够进一步提高水炮应用的效率和精准度，为维护国家海洋权益贡献力量。在图像处理和单目视觉的技术支持下，水炮智能打击常用的两种方法是基于质点运动规律的射流轨迹定位方式和基于计算机单目视觉的调整方式。以下内容的介绍中，将这两种方式巧妙地结合运用了。关于重力的影响、空气阻力的影响，都考虑进去的前提下，通过利用图像处理技术，对目标与流落点之间的目标差进行计算，从而实现闭环控制。

1 基于图像处理与单目视觉的射流闭环控制技术概述

基于图像处理（Image Processing） 与单目视觉（Monocular Vision） 的射流闭环控制技术，是通过质点运动规律射流轨迹定位技术与计算机视觉调整技术相结合实现的。图像处理技术在该控制系统中所起的作用包括但不限于实时捕捉并分析设立目标，并产出射流目标的图像信息。通过系统摄像头能够获取并分析包含射流目标在内的视频帧，此时利用图像处理技术对其进行算法分析，能够得出精准的射流目标区域的位置和形状信息。这些信息是后续系统进行视觉定位和目标调整的基础前提[1]。

在视觉定位的过程中，本研究所采用的是单目视觉系统（Single-lens reflex camera）。单目视觉系统能够通过分析图像信息，提取出目标的位置、大小、形状等特征，并结合射流参数（如速度、角度、压力等），计算出最优的射流路径和参数调整方案。然后，控制系统根据这些计算结果，对射流装置进行实时调整，确保射流能够精确命中目标[2]。单目视觉系统可将实时目标的位置区域确定在三维空间内，结合已知的摄像参数和射流参数，计算出射流起点与目标之间的相对位置并精确角度，对射流进行精确引导。利用图像处理技术能够准确计算出射流目标与流落点之间的目标差，为射流调整提供参数参考。这一过程中的目标差结果也可称作目标位置与实际射流落点之间的偏差量，该数值能够精准反映出射流控制的精度。

2 方法设计原理

2.1 系统流程

基于图像处理和单目视觉的射流闭环控制系统流程如图1所示。以下对系统流程进行说明：

在系统对摄像头进行标定以后，在用已标定的摄像头对图像信息进行采集，从而确定射流目标、实现实时跟踪情况的记录。摄像头的重心位置和射流目标的中心位置在整个追踪的过程中，会始终保持同频。随后在空间坐标转换的过程中，可以对射流目标的图像和位置信息进行计算，确定水炮与标定摄像头之间的相对位置，计算出水炮的水平偏转角和俯仰角。再根据这些角度信息，系统可以通过控制机构对射流装置进行实时调整，确保射流的方向与计算出的最优路径相匹配[3]。同时，图像处理技术持续监控射流的实际落点，并计算与目标的偏差量。这个偏差量将被反馈到控制系统中，通过闭环控制算法对射流参数进行微调，以进一步减少偏差，直至射流精确命中目标。

2.3 基于射流运动轨迹模型的射流水位团受力分析

该环节是分析射流轨迹的前提和基础，基于射流轨迹模型的俯仰角调整的主要目的是将射流分割成若干个微小的质点，并通过分析这些质点在空中的运动状态，结合空气动力学原理和重力影响，建立射流轨迹的数学模型[4]。通过该模型，可以预测射流在空中的飞行轨迹，并根据目标位置信息，计算出最优的俯仰角调整值。俯仰角的调整依赖于对射流速度、角度、初始位置以及目标位置等参数的精确测量和计算。首先，通过图像处理技术确定目标在图像中的位置，并转化为三维坐标系中的坐标。接着，根据已知的射流参数和空气动力学原理，建立射流质点的运动方程。这个方程将考虑重力、空气阻力、射流速度等多个因素的影响，以模拟射流在空中的实际运动状态[5]。

由于空气密度是远远小于水的，因此在射流运动过程中，空气阻力对射流的影响相对较小，可以忽略不计。但重力对射流的影响则不能忽视，尤其是在长距离飞行过程中，重力的影响将显著改变射流的轨迹。因此，在建立射流轨迹模型时，必须充分考虑重力的影响。图3是在充分考虑重力和空气阻力的作用和影响下，射流水微团在空中的受力分析情况。

2.4 射流闭环控制的二次调整

结合上述受力分析结果和角度调整结果来看，可以对射流装置进行第一次调整，使其初步对准目标。然而，由于实际射流过程中可能存在的各种干扰因素，如风速、温度、射流速度变化等，第一次调整后射流的落点可能仍然与目标存在一定的偏差。因此，需要进行二次调整以进一步提高射流精度。在二次调整过程中，系统通过图像处理技术实时监测射流的落点，并计算与目标的偏差量。这个偏差量将被反馈到控制系统中，控制系统根据偏差量的大小和方向，通过控制机构对射流装置进行微调。这个微调过程是一个闭环控制过程，系统会根据实时反馈的偏差量不断调整射流参数，直至射流精确命中目标。

3 实验验证

此次实验过程采用的是步进式电机对水炮进行控制，水平方向和垂直方向的参数都是细分数32，加速度为3.15 m/s²。射流速度为恒定值4.2 m/s。水炮与摄像头之间的距离固定为1 m，摄像头视角范围为60°。首先，将摄像头对准一个固定的目标点，并通过控制系统对射流装置进行第一次调整，使其初步对准目标。然后开启射流装置，并启动图像处理系统对射流落点进行实时监测。根据图像处理系统提供的射流落点信息，控制系统对射流装置进行二次调整，进一步提高射流精度。本次实验选取了第11帧、第18帧、第22帧和第37帧进行图像获取，在第11帧时，射流目标中心点的坐标为（688，340） ，射流落点的坐标为（774，403） ，若此时判定目标未被打中，则控制系统会根据上述两个坐标点计算出偏差量，决定是否启动第二次调整机制。在第18帧时，系统进行了微调，此时的射流落点坐标已经发生了变化，为（711，374） ，这一坐标值与目标的偏差量明显减小。在第22帧时，系统再次进行了微调，射流落点的坐标进一步靠近目标中心点，此时的坐标为（684，341） 。到了第37帧时，射流落点的坐标已经非常接近目标中心点，坐标为（678，331） ，此时可以判定射流已经精确命中目标。

实验结果表明，通过图像处理技术实时监测射流落点，并结合闭环控制进行二次调整，可以显著提高射流精度，确保射流能够精确命中目标且打击效果良好。

4 结束语

本文基于图像处理和单目视觉提出了一种提高水炮射流精度的射流闭环控制方法，并通过实验验证了这种方法是有效且可行的。经实验结果分析认为，通过摄像机对射流落点的实时监测，再利用图像处理技术和单目视觉调整为射流闭环控制系统赋予二次调整机制，提高射流的精准度。该方法不仅适用于水炮射流精度的提高，同样对于其他类似场景下的射流精度控制都具有参考意义。