基于CMOS HMC5883 MPU6050的模擬滅火訓練系統

需要注意的是，噴口朝向計算需要進(jìn)行初始化，初始化的目的是保證在程序啟動(dòng)時(shí)，噴口朝向的方向是垂直于屏幕的，否則對于水平面上角度的檢測將會(huì )出錯。

4 通信與數據整合

　　本套系統共有3個(gè)數據采集模塊，分別是：滅火器模塊、1號攝像頭模塊、2號攝像頭模塊。這三個(gè)模塊同時(shí)向系統主機發(fā)送數據，都是通過(guò)nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊完成的。

　　nRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM 頻段的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過(guò)SPI 接口進(jìn)行設置，幾乎可以連接到各種單片機芯片，并完成無(wú)線(xiàn)數據傳送工作。且功耗很低，接收時(shí)工作電流12.3mA，0dBm功率發(fā)射時(shí)11.3mA，掉電模式時(shí)僅為900nA。是十分簡(jiǎn)單易用的無(wú)線(xiàn)數傳模塊。

　　本文將3個(gè)數據采集模塊端的內置nRF24L01模塊設置成發(fā)送模式，系統主機端需要插入一塊nRF24L01轉USB協(xié)議的接收模塊。該模塊內的nRF24L01設置成接收模式，專(zhuān)門(mén)負責接收3個(gè)數據采集模塊傳送過(guò)來(lái)的數據并將數據打包通過(guò)USB端口傳給上位機系統。需要注意的是為了防止3個(gè)數據模塊傳送過(guò)來(lái)的數據交叉混亂，接收端nRF24L01需要啟用3個(gè)數據通道分別接收來(lái)自3個(gè)數據采集模塊的數據[6]。

　　收集到3組數字后，形成新的一個(gè)數據包。通過(guò)USB-HID協(xié)議發(fā)送給上位機電腦。數據包格式如表1。

　　數據包總共包括17個(gè)字節。第0位和第16位分別是開(kāi)始和結束位。數據位1~4是1號攝像頭捕捉到的信息，分別代表橫坐標的高地位和縱坐標的高地位。5~8位是2號攝像頭捕捉到的信息。數據位9~14位是航姿檢測捕捉到的角度信息，分別代表X，Y，Z三軸的旋轉角度信息。第15位代表滅火器按壓信號。接收模塊展示如圖4。

　　在取得3組數據后，上位機需要通過(guò)3組數據計算出滅火器噴口射出的射線(xiàn)打在屏幕上的點(diǎn)的位置。首先我們取1號攝像機的空間坐標為P₁，2號攝像機的空間坐標為P₂。我們約定P₁，P₂的連線(xiàn)是平行于屏幕水平面的。根據點(diǎn)P₁和1號攝像頭傳輸的數據(cx2，cy2)可以確定唯一一條直線(xiàn)，，其中d1為1號攝像頭指向紅外點(diǎn)的方向向量量。同理可由P₂，(cx2 ，cy2)得到。通過(guò)解方程

　　可求得：

t₁為直線(xiàn)上到最近的點(diǎn)與P₁的距離。

　　理論上，應為兩臺攝像機看到的是同一個(gè)LED燈，所以直線(xiàn)和必有一交點(diǎn)。實(shí)際由于圖像識別誤差等原因，和不一定相交。本文可以通過(guò)取，得到(cx₁，cy)，(cx₂，cy)。重新計算和，解方程后通過(guò)t₁求得兩條直線(xiàn)的焦點(diǎn)P₃。此點(diǎn)即為滅火器模型噴口上紅外點(diǎn)的空間坐標。

　　最后通過(guò)模型滅火器模塊測得的噴口朝向(一組歐拉角)，轉化成方向向量d₃?？梢缘玫降谌龡l射線(xiàn)。這條射線(xiàn)可視為噴口射出的彈道線(xiàn)。

5 火災模擬軟件

　　火災模擬訓練的上位機程序通過(guò)游戲引擎Unity編寫(xiě)。Unity是一款多平臺、綜合性游戲開(kāi)發(fā)工具。模擬訓練的場(chǎng)景模型通過(guò)3dsMAX建模并導入Unity^[7]。

　　系統啟動(dòng)后，根據前一章介紹的方法計算出滅火器噴口射出的彈道線(xiàn)落在屏幕上的實(shí)時(shí)位置，再加上滅火器模型的噴氣按壓信號，訓練者可以完成在大屏幕上的選中、確認操作。實(shí)現通過(guò)滅火器與投影屏幕的互動(dòng)工作。

　　同時(shí)，本系統設計了多個(gè)火災發(fā)生場(chǎng)景，包括廚房、客廳、臥室等。針對不同的起火原因，引導受訓者選擇不同類(lèi)型的滅火器，正確的撲滅火災。通過(guò)噴口定位系統可以更好地指導訓練者在使用滅火器時(shí)應注意的一些事項。如使用滅火器滅火時(shí)應距離起火點(diǎn)多遠，噴口應對準火焰的上方還是下方。

6 結論

　　針對滅火模擬訓練的需求，結合虛擬現實(shí)、室內定位、航姿檢測等技術(shù)，實(shí)現了模擬滅火訓練系統。該系統應用100寸投影大屏，讓訓練者身臨其境，感受火災現場(chǎng)氛圍。同時(shí)模擬滅火器不僅可以作為訓練道具，還提供了精準的人機交互功能，操作性強。為解決以往滅火訓練不安全、不經(jīng)濟、不環(huán)保等問(wèn)題提供的新的思路。

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