基于CMOS攝像頭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(shí)技術(shù)的發(fā)展，一些具有一定風(fēng)險(xiǎn)和成本較高的訓(xùn)練項(xiàng)目可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的方法代替實(shí)現(xiàn)。本文主要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于CMOS攝像頭定位，HMC5883+MPU6050檢測(cè)航姿的模擬滅火訓(xùn)練系統(tǒng)。利用投影機(jī)顯示火場(chǎng)模擬畫面，通過雙目識(shí)別技術(shù)定位訓(xùn)練者，再利用航姿檢測(cè)技術(shù)獲取訓(xùn)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(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(kuò)展性強(qiáng)，具有較高的創(chuàng)新性。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/281896.htm

關(guān)鍵詞：滅火訓(xùn)練；虛擬現(xiàn)實(shí)；射擊模擬；室內(nèi)定位；捷聯(lián)慣導(dǎo)

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.10.020

龍愷（1990-），碩士研究生。研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)。龔濤，副教授/博士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，建筑規(guī)模日益擴(kuò)大，火災(zāi)的危險(xiǎn)性逐漸增大。每年由火災(zāi)造成的人員傷亡與財(cái)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(duì)簡(jiǎn)單火情的處理不及時(shí)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(chǎng)具有一定危險(xiǎn)性且成本昂貴，普通民眾很難接觸到各類簡(jiǎn)單火情的模擬訓(xùn)練。}

隨著信息技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等高新技術(shù)迅猛發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)模擬各類火情并指導(dǎo)人們適當(dāng)處理簡(jiǎn)單火情成為可能。以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為主要依托的虛擬訓(xùn)練方法可以繞開實(shí)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(duì)訓(xùn)練方案。在提高訓(xùn)練效果的同時(shí)，降低訓(xùn)練成本、提升安全系數(shù)。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(gè)攝像頭定位位于滅火器模型前端的紅外LED，得到LED相對(duì)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(yùn)動(dòng)傳感器，計(jì)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(dòng)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(yùn)動(dòng)傳感器MPU6050和磁力計(jì)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(yùn)動(dòng)傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)并計(jì)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(shí)時(shí)發(fā)送給系統(tǒng)主機(jī)。該嵌入式系統(tǒng)還可以檢測(cè)滅火器閥門按壓情況，按壓開閉合信號(hào)同樣由nRF24L01無線芯片發(fā)送給主機(jī)。

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)。通過位于攝像頭模塊的嵌入式系統(tǒng)處理，得到發(fā)光點(diǎn)位于CMOS攝像頭采集的平面畫面中坐標(biāo)，兩個(gè)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(gè)攝像頭模塊通過nRF24L01芯片將坐標(biāo)（cx1，cy1）和（cx2，cy2）實(shí)時(shí)傳輸?shù)较到y(tǒng)主機(jī)統(tǒng)一計(jì)算處理。

系統(tǒng)主機(jī)根據(jù)最新得到的兩個(gè)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(jì)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(jī)上運(yùn)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(duì)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(shí)現(xiàn)互動(dòng)與滅火訓(xùn)練。

紅外點(diǎn)定位

為了能定位滅火器模型相對(duì)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(diǎn)的方案，屬于計(jì)算機(jī)視覺中的雙視計(jì)算范疇。相比一般的室內(nèi)定位方案諸如超聲波定位和藍(lán)牙定位等無線定位手段，雙視計(jì)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(jí)。

本系統(tǒng)中，位于攝像頭模塊中的微處理器負(fù)責(zé)完成對(duì)紅外LED特征點(diǎn)的定位計(jì)算工作^[4]。本文采用的微處理器型號(hào)是STM32F4071GT6，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(jì)算能力有限，為了簡(jiǎn)化圖像處理運(yùn)算并更高效地識(shí)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濾可見光通過，同時(shí)只允許規(guī)定波長(zhǎng)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(duì)LED所釋放的特定波長(zhǎng)紅外光線比較敏感。本文選用的攝像頭是美光公司型號(hào)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(dá)到每秒60幀畫面數(shù)據(jù)輸出，同時(shí)此款攝像頭對(duì)波長(zhǎng)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(zhǎng)和紅外濾鏡的可透過波長(zhǎng)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(diǎn)相對(duì)于周圍環(huán)境會(huì)顯得異常明亮，十分方便識(shí)別此發(fā)光點(diǎn)的位置。

在微處理器取得一幀畫面的數(shù)據(jù)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(biāo)識(shí)為1，周圍環(huán)境標(biāo)示為0。之后取得標(biāo)識(shí)點(diǎn)小圓塊上下左右邊界點(diǎn)的坐標(biāo)僮，并取平均值，得到標(biāo)識(shí)圓點(diǎn)的中心點(diǎn)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(jī)。攝像頭經(jīng)過標(biāo)定檢測(cè)后測(cè)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(diǎn)數(shù)為640個(gè)。由此可以計(jì)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。

滅火器朝向計(jì)算

在通過雙攝像機(jī)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(jì)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(jī)領(lǐng)域已有應(yīng)用，為了檢測(cè)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(jì)來精確確定頭戴顯示器的航姿。陀螺儀能夠測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，具有短時(shí)間內(nèi)測(cè)量精度高、穩(wěn)定、可靠的優(yōu)點(diǎn)。但陀螺儀對(duì)溫度的要求性高，在長(zhǎng)時(shí)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(huì)大大的偏離實(shí)際值。加速度計(jì)鑒于測(cè)量原理，在短時(shí)間內(nèi)波動(dòng)很大，但是在長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量中其性能不錯(cuò)。磁強(qiáng)計(jì)通過測(cè)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(cè)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(jì)為基準(zhǔn)對(duì)累加的角度進(jìn)行修正，這個(gè)過程稱之為融合濾波。這個(gè)由陀螺儀和加速度計(jì)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：

四元數(shù)法只需求解四個(gè)未知量的線性微分方程組，計(jì)算小且算法簡(jiǎn)單、易于操作，是工程中常用的方法。但其對(duì)有限轉(zhuǎn)動(dòng)引起的不可交換誤差的補(bǔ)償不夠，姿態(tài)解算中漂移會(huì)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(jìn)行誤差校正。經(jīng)過磁力計(jì)校正后，漂移即會(huì)基本消失。航姿檢測(cè)模塊展示如圖3。

需要注意的是，噴口朝向計(jì)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(duì)于水平面上角度的檢測(cè)將會(huì)出錯(cuò)。

通信與數(shù)據(jù)整合

本套系統(tǒng)共有3個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，分別是：滅火器模塊、1號(hào)攝像頭模塊、2號(hào)攝像頭模塊。這三個(gè)模塊同時(shí)向系統(tǒng)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，都是通過nRF24L01無線模塊完成的。

nRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置，幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無線數(shù)據(jù)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)單易用的無線數(shù)傳模塊。

本文將3個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊端的內(nèi)置nRF24L01模塊設(shè)置成發(fā)送模式，系統(tǒng)主機(jī)端需要插入一塊nRF24L01轉(zhuǎn)USB協(xié)議的接收模塊。該模塊內(nèi)的nRF24L01設(shè)置成接收模式，專門負(fù)責(zé)接收3個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊傳送過來的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)打包通過USB端口傳給上位機(jī)系統(tǒng)。需要注意的是為了防止3個(gè)數(shù)據(jù)模塊傳送過來的數(shù)據(jù)交叉混亂，接收端nRF24L01需要啟用3個(gè)數(shù)據(jù)通道分別接收來自3個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)^[6]。

收集到3組數(shù)字后，形成新的一個(gè)數(shù)據(jù)包。通過USB-HID協(xié)議發(fā)送給上位機(jī)電腑。數(shù)據(jù)包格式如表1。

數(shù)據(jù)包總共包括17個(gè)字節(jié)。第O位和第16位分別是開始和結(jié)束位。數(shù)據(jù)位1～4是1號(hào)攝像頭捕捉到的信息，分別代表橫坐標(biāo)的高地位和縱坐標(biāo)的高地位。5～8位是2號(hào)攝像頭捕捉到的信息。數(shù)據(jù)位9～14位是航姿檢測(cè)捕捉到的角度信息，分別代表X，Y，Z三軸的旋轉(zhuǎn)角度信息。第15位代表滅火器按壓信號(hào)。接收模塊展示如圖4。

在取得3組數(shù)據(jù)后，上位機(jī)需要通過3組數(shù)據(jù)計(jì)算出滅火器噴口射出的射線打在屏幕上的點(diǎn)的位置。