基于CMOS HMC5883 MPU6050的模擬滅火訓練系統

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

引言

　　隨著(zhù)中國經(jīng)濟高速發(fā)展，建筑規模日益擴大，火災的危險性逐漸增大。每年由火災造成的人員傷亡與財產(chǎn)損失十分嚴重。生活中很多火災的發(fā)生是由于普通民眾對簡(jiǎn)單火情的處理不及時(shí)或不得當而產(chǎn)生的^[1] 。而火災的產(chǎn)生情況復雜，模擬火災現場(chǎng)具有一定危險性且成本昂貴，普通民眾很難接觸到各類(lèi)簡(jiǎn)單火情的模擬訓練。

　　隨著(zhù)信息技術(shù)與虛擬現實(shí)技術(shù)等高新技術(shù)迅猛發(fā)展，利用計算機模擬各類(lèi)火情并指導人們適當處理簡(jiǎn)單火情成為可能。以虛擬現實(shí)技術(shù)為主要依托的虛擬訓練方法可以繞開(kāi)實(shí)際模擬火災的種種弊端，如安全性、可重復性、訓練內容單一^[2]。本系統利用大屏投影與模擬滅火器，為使用者提供多種火情的應對訓練方案。在提高訓練效果的同時(shí)，降低訓練成本、提升安全系數。

1 系統總體設計

　　本套模擬訓練系統的基本原理是利用位于投影屏幕上方的兩個(gè)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L，再利用位于滅火器內部的兩塊運動(dòng)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(guò)空間坐標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T^[3]。此套系統也可用于模擬打靶。系統工作流程如下圖1所示。

　　滅火器模型噴口上放有一顆LED紅外發(fā)光管。在系統啟動(dòng)后，此發(fā)光管常亮。滅火器內固定有一嵌入式系統。嵌入式系統上包含運動(dòng)傳感器MPU6050和磁力計HMC5883。該嵌入式系統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(dòng)傳感器測得的數據并計算出滅火器噴口的朝向A后，通過(guò)同樣位于嵌入式系統上的nRF24L01無(wú)線(xiàn)通信芯片，將朝向數據A實(shí)時(shí)發(fā)送給系統主機。該嵌入式系統還可以檢測滅火器閥門(mén)按壓情況，按壓開(kāi)閉合信號同樣由nRF24L01無(wú)線(xiàn)芯片發(fā)送給主機。

　　同時(shí)，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(diǎn)。通過(guò)位于攝像頭模塊的嵌入式系統處理，得到發(fā)光點(diǎn)位于CMOS攝像頭采集的平面畫(huà)面中坐標，兩個(gè)攝像頭得到的坐標分別為(cx1，cy1)和(cx2，cy2)。攝像頭內嵌入式系統的核心處理器為STM32F407系列的高速ARM微控制器。同樣，兩個(gè)攝像頭模塊通過(guò)nRF24L01芯片將坐標(cx1，cy1)和(cx2，cy2)實(shí)時(shí)傳輸到系統主機統一計算處理。

　　系統主機根據最新得到的兩個(gè)坐標(cx₁，cy₁)和(cx₂，cy₂)，加上滅火器噴口朝向數據A融合計算得到滅火器所指向到屏幕上的具體位置坐標T。位于主機上運行的火災模擬訓練軟件在得到坐標T后判斷滅火器是否對準需要滅火的位置，并輸出模擬火情的畫(huà)面到投影屏幕上。通過(guò)以上流程，訓練者利用滅火器模型與大屏幕投影顯示，實(shí)現互動(dòng)與滅火訓練。

2 紅外點(diǎn)定位

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

　　本系統中，位于攝像頭模塊中的微處理器負責完成對紅外LED特征點(diǎn)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 內核，內置DCMI，FSMC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(jiǎn)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(diǎn)，本文在攝像頭前加上一塊紅外濾鏡。紅外濾鏡可以阻擋過(guò)濾可見(jiàn)光通過(guò)，同時(shí)只允許規定波長(cháng)的紅外線(xiàn)通過(guò)。根據選用的紅外LED類(lèi)型，選擇相應波段的紅外濾鏡。當然，所選用的CMOS數字攝像頭必須對LED所釋放的特定波長(cháng)紅外光線(xiàn)比較敏感。本文選用的攝像頭是美光公司型號為MT9V032的數字攝像頭套件。此款攝像頭可保持分辨為640*480的情況下達到每秒60幀畫(huà)面數據輸出，同時(shí)此款攝像頭對波長(cháng)為850nm的紅外光線(xiàn)也十分敏感。因此選用的紅外LED發(fā)出的波長(cháng)和紅外濾鏡的可透過(guò)波長(cháng)均為850nm。

　　經(jīng)過(guò)紅外濾鏡處理后，數字攝像頭看到的畫(huà)面如圖2所示，畫(huà)面中出紅外LED發(fā)光點(diǎn)相對于周?chē)h(huán)境會(huì )顯得異常明亮，十分方便識別此發(fā)光點(diǎn)的位置。

　　在微處理器取得一幀畫(huà)面的數據后，首先進(jìn)行簡(jiǎn)單的降噪和二值化處理，將紅外發(fā)光點(diǎn)標識為1，周?chē)h(huán)境標示為0。之后取得標識點(diǎn)小圓塊上下左右邊界點(diǎn)的坐標值，并取平均值，得到標識圓點(diǎn)的中心點(diǎn)坐標即(cx1，cy1)。

　　攝像頭快門(mén)速度為每秒60次，攝像頭模塊內嵌入式系統每秒60次將坐標通過(guò)nRF傳送給系統上位機。攝像頭經(jīng)過(guò)標定檢測后測得其水平可視角度約為80°。在訓練過(guò)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(diǎn)數為640個(gè)。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(guò)雙攝像機定位出紅外LED的空間三維坐標后，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(wú)人機領(lǐng)域已有應用，為了檢測滅火器的噴口朝向，本文選用HMC5883三軸數字羅盤(pán)和MPU6050 3軸陀螺儀，加速度計來(lái)精確確定頭戴顯示器的航姿。陀螺儀能夠測量物體轉動(dòng)的角速度，具有短時(shí)間內測量精度高、穩定、可靠的優(yōu)點(diǎn)。但陀螺儀對溫度的要求性高，在長(cháng)時(shí)間內，其由于溫度的變化而產(chǎn)生漂移，導致積分累加得到的角度值會(huì )大大的偏離實(shí)際值。加速度計鑒于測量原理，在短時(shí)間內波動(dòng)很大，但是在長(cháng)時(shí)間的測量中其性能不錯。磁強計通過(guò)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(shí)又以加速度計為基準對累加的角度進(jìn)行修正，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為融合濾波。這個(gè)由陀螺儀和加速度計組成的系統稱(chēng)作捷聯(lián)慣導系統。

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

　　即：

　　四元數法只需求解四個(gè)未知量的線(xiàn)性微分方程組，計算小且算法簡(jiǎn)單、易于操作，是工程中常用的方法。但其對有限轉動(dòng)引起的不可交換誤差的補償不夠，姿態(tài)解算中漂移會(huì )十分嚴重，因此加上HMC5883三軸數字羅盤(pán)幫助捷聯(lián)慣導系統進(jìn)行誤差校正。經(jīng)過(guò)磁力計校正后，漂移即會(huì )基本消失。航姿檢測模塊展示如圖3。