基于CMOS HMC5883 MPU6050的模擬滅火訓(xùn)練系統(tǒng)

摘要：隨著信息技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展, 一些具有一定風(fēng)險和成本較高的訓(xùn)練項目可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過計算機模擬現(xiàn)場環(huán)境的方法代替實現(xiàn)。本文主要設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于CMOS攝像頭定位，HMC5883+MPU6050檢測航姿的模擬滅火訓(xùn)練系統(tǒng)。利用投影機顯示火場模擬畫面，通過雙目識別技術(shù)定位訓(xùn)練者，再利用航姿檢測技術(shù)獲取訓(xùn)練者手中模擬滅火器的朝向，從而較真實的模擬出滅火訓(xùn)練的情景。本系統(tǒng)建立了一套交互體系也可以推廣到其他模擬訓(xùn)練中，可擴展性強，具有較高的創(chuàng)新性。

引言

　　隨著中國經(jīng)濟高速發(fā)展，建筑規(guī)模日益擴大，火災(zāi)的危險性逐漸增大。每年由火災(zāi)造成的人員傷亡與財產(chǎn)損失十分嚴(yán)重。生活中很多火災(zāi)的發(fā)生是由于普通民眾對簡單火情的處理不及時或不得當(dāng)而產(chǎn)生的^[1] 。而火災(zāi)的產(chǎn)生情況復(fù)雜，模擬火災(zāi)現(xiàn)場具有一定危險性且成本昂貴，普通民眾很難接觸到各類簡單火情的模擬訓(xùn)練。

　　隨著信息技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)等高新技術(shù)迅猛發(fā)展，利用計算機模擬各類火情并指導(dǎo)人們適當(dāng)處理簡單火情成為可能。以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為主要依托的虛擬訓(xùn)練方法可以繞開實際模擬火災(zāi)的種種弊端，如安全性、可重復(fù)性、訓(xùn)練內(nèi)容單一^[2]。本系統(tǒng)利用大屏投影與模擬滅火器，為使用者提供多種火情的應(yīng)對訓(xùn)練方案。在提高訓(xùn)練效果的同時，降低訓(xùn)練成本、提升安全系數(shù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　本套模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的基本原理是利用位于投影屏幕上方的兩個攝像頭定位位于滅火器模型前端的紅外LED，得到LED相對于攝像頭的空間坐標(biāo)L，再利用位于滅火器內(nèi)部的兩塊運動傳感器，計算出滅火器噴口的朝向，即滅火器的3維空間航姿A。通過空間坐標(biāo)L和滅火器噴口朝向A，得到滅火器所指向到屏幕上的具體位置坐標(biāo)T^[3]。此套系統(tǒng)也可用于模擬打靶。系統(tǒng)工作流程如下圖1所示。

　　滅火器模型噴口上放有一顆LED紅外發(fā)光管。在系統(tǒng)啟動后，此發(fā)光管常亮。滅火器內(nèi)固定有一嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)上包含運動傳感器MPU6050和磁力計HMC5883。該嵌入式系統(tǒng)所用的核心處理器為STM32F103系列的32位ARM微控制器。處理器采集運動傳感器測得的數(shù)據(jù)并計算出滅火器噴口的朝向A后，通過同樣位于嵌入式系統(tǒng)上的nRF24L01無線通信芯片，將朝向數(shù)據(jù)A實時發(fā)送給系統(tǒng)主機。該嵌入式系統(tǒng)還可以檢測滅火器閥門按壓情況，按壓開閉合信號同樣由nRF24L01無線芯片發(fā)送給主機。

　　同時，位于屏幕上方的CMOS攝像頭捕捉到滅火器噴口上的紅外LED發(fā)光點。通過位于攝像頭模塊的嵌入式系統(tǒng)處理，得到發(fā)光點位于CMOS攝像頭采集的平面畫面中坐標(biāo)，兩個攝像頭得到的坐標(biāo)分別為(cx1，cy1)和(cx2，cy2)。攝像頭內(nèi)嵌入式系統(tǒng)的核心處理器為STM32F407系列的高速ARM微控制器。同樣，兩個攝像頭模塊通過nRF24L01芯片將坐標(biāo)(cx1，cy1)和(cx2，cy2)實時傳輸?shù)较到y(tǒng)主機統(tǒng)一計算處理。

　　系統(tǒng)主機根據(jù)最新得到的兩個坐標(biāo)(cx₁，cy₁)和(cx₂，cy₂)，加上滅火器噴口朝向數(shù)據(jù)A融合計算得到滅火器所指向到屏幕上的具體位置坐標(biāo)T。位于主機上運行的火災(zāi)模擬訓(xùn)練軟件在得到坐標(biāo)T后判斷滅火器是否對準(zhǔn)需要滅火的位置，并輸出模擬火情的畫面到投影屏幕上。通過以上流程，訓(xùn)練者利用滅火器模型與大屏幕投影顯示，實現(xiàn)互動與滅火訓(xùn)練。

2 紅外點定位

　　為了能定位滅火器模型相對于投影屏幕的空間坐標(biāo)，本文采用雙攝像頭定位空間中唯一點的方案，屬于計算機視覺中的雙視計算范疇。相比一般的室內(nèi)定位方案諸如超聲波定位和藍牙定位等無線定位手段，雙視計算得到的定位數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、精度更高，定位誤差可以控制在厘米級。

　　本系統(tǒng)中，位于攝像頭模塊中的微處理器負責(zé)完成對紅外LED特征點的定位計算工作^[4]。本文采用的微處理器型號是STM32F407IGT6，它采用的是32位 ARM Cortex-M4F 內(nèi)核，內(nèi)置DCMI，F(xiàn)SMC接口，極大方便了視屏采集。由于微處理器的計算能力有限，為了簡化圖像處理運算并更高效地識別滅火器模型前端的紅外特征點，本文在攝像頭前加上一塊紅外濾鏡。紅外濾鏡可以阻擋過濾可見光通過，同時只允許規(guī)定波長的紅外線通過。根據(jù)選用的紅外LED類型，選擇相應(yīng)波段的紅外濾鏡。當(dāng)然，所選用的CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭必須對LED所釋放的特定波長紅外光線比較敏感。本文選用的攝像頭是美光公司型號為MT9V032的數(shù)字?jǐn)z像頭套件。此款攝像頭可保持分辨為640*480的情況下達到每秒60幀畫面數(shù)據(jù)輸出，同時此款攝像頭對波長為850nm的紅外光線也十分敏感。因此選用的紅外LED發(fā)出的波長和紅外濾鏡的可透過波長均為850nm。

　　經(jīng)過紅外濾鏡處理后，數(shù)字?jǐn)z像頭看到的畫面如圖2所示，畫面中出紅外LED發(fā)光點相對于周圍環(huán)境會顯得異常明亮，十分方便識別此發(fā)光點的位置。

　　在微處理器取得一幀畫面的數(shù)據(jù)后，首先進行簡單的降噪和二值化處理，將紅外發(fā)光點標(biāo)識為1，周圍環(huán)境標(biāo)示為0。之后取得標(biāo)識點小圓塊上下左右邊界點的坐標(biāo)值，并取平均值，得到標(biāo)識圓點的中心點坐標(biāo)即(cx1，cy1)。

　　攝像頭快門速度為每秒60次，攝像頭模塊內(nèi)嵌入式系統(tǒng)每秒60次將坐標(biāo)通過nRF傳送給系統(tǒng)上位機。攝像頭經(jīng)過標(biāo)定檢測后測得其水平可視角度約為80°。在訓(xùn)練過程中滅火器模型前端紅外LED距離攝像頭垂直距離小于2米，而攝像頭的水平像素點數(shù)為640個。由此可以計算出定位的理論誤差最大約為3mm。定位比較精確，符合使用環(huán)境的。

3 滅火器朝向計算

　　在通過雙攝像機定位出紅外LED的空間三維坐標(biāo)后，再得到滅火器噴口的朝向就能計算出模擬滅火器噴在了屏幕何處。

　　航姿跟蹤技術(shù)在自平衡無人機領(lǐng)域已有應(yīng)用，為了檢測滅火器的噴口朝向，本文選用HMC5883三軸數(shù)字羅盤和MPU6050 3軸陀螺儀，加速度計來精確確定頭戴顯示器的航姿。陀螺儀能夠測量物體轉(zhuǎn)動的角速度，具有短時間內(nèi)測量精度高、穩(wěn)定、可靠的優(yōu)點。但陀螺儀對溫度的要求性高，在長時間內(nèi)，其由于溫度的變化而產(chǎn)生漂移，導(dǎo)致積分累加得到的角度值會大大的偏離實際值。加速度計鑒于測量原理，在短時間內(nèi)波動很大，但是在長時間的測量中其性能不錯。磁強計通過測量地磁的大小，經(jīng)換算可得到與地磁南極的夾角。故在頭盔姿態(tài)檢測中，采取的策略是由陀螺儀積分累加得到角度，同時又以加速度計為基準(zhǔn)對累加的角度進行修正，這個過程稱之為融合濾波。這個由陀螺儀和加速度計組成的系統(tǒng)稱作捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。

　　本文采用的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)算法，即融合濾波算法是四元數(shù)微分方程的畢卡求解法^[5]。四元數(shù)微分方程為：

　　即：

　　四元數(shù)法只需求解四個未知量的線性微分方程組，計算小且算法簡單、易于操作，是工程中常用的方法。但其對有限轉(zhuǎn)動引起的不可交換誤差的補償不夠，姿態(tài)解算中漂移會十分嚴(yán)重，因此加上HMC5883三軸數(shù)字羅盤幫助捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進行誤差校正。經(jīng)過磁力計校正后，漂移即會基本消失。航姿檢測模塊展示如圖3。