基于視覺slam 技術的特種場景救援頭盔

◆合肥市第一中學 袁子薦

在火災環境中，濃煙導致人眼視野縮小，消防員難以及時發現被困人員，同時也容易迷失方向，危及自身安全。

現有的消防頭盔功能單一，在提高消防員救援效率、保障人身安全等方面存在局限性。因此，設計一種智能化特種場景救援頭盔很有必要。

一、設計思路

在頭盔上安裝紅外攝像機和熱成像攝像頭。利用紅外攝像機采集現場環境的圖像，彌補夜間視線欠佳的不足；用熱成像攝像頭探測周圍溫度，搜索被困人員。

圖1 整體結構

該頭盔能在火場中實時定位消防員的位置，并構建火災現場環境的結構信息。當發現幸存者，基于深度學習的目標檢測算法自動定位幸存者的位置。這樣，消防員只需佩戴這種頭盔進入火場，就能對火場環境一目了然，在濃煙環境下仍能精準地實施救援。

二、工作原理

利用同步定位與建圖原理、單板機原理，根據圖像數據的視差計算圖像之間的相對位置關系，同歸、累積一段時間的相對位置變化，就能得到消防員相對初始位置的坐標。在估計消防員位置的同時，評估環境中的特征點，計算這些特征點在環境中的相對位置信息，構建出現場環境的結構模型。

同時，在計算單元的后臺實時運行基于深度學習的目標檢測網絡。該網絡事先經過大量的數據訓練，通過標簽匹配和損失函數計算，獲取網絡的參數配置，并將完整的網絡模型部署在頭盔端。深度學習網絡將自動對每一張輸入的紅外圖像進行目標檢測，獲得幸存者在圖中的位置，并用方框框出。

最后，利用光線投射技術將目標投射到同步定位與建圖技術構建的地圖中，使消防員能更直觀地確認目標人員的位置。

三、制作器材

顯示屏支架，顯示屏外框（含支撐柱、螺絲），攝像頭支架（含支撐柱、螺絲），電源+主機/支架，固定螺栓，電源，樹莓派主機，顯示屏(含供電線和HDMI 高清線），紅外攝像模組（含線），熱成像模組（含線），頭盔，TAPE-C 供電線，纏繞管，煙霧發生器+電源，等等。

四、制作過程

（一）硬件搭建

1.頭盔載體

用PLA塑料作為制作頭盔的材料，首先在計算機上通過3D 繪圖軟件繪制頭盔的結構，包括頭盔的大小和傳感器安裝孔位，再用3D 打印機打印頭盔的基本形狀。

2.供電系統

采用24 V 鋰電池供能，并利用降壓模塊和穩壓模塊，分別實現對傳感器和嵌入式計算單元的供電，保障電源輸入的穩定性。

3.主機系統

自埃塞加入國際竹藤組織以來，國際竹藤組織在埃塞執行了15個項目，資助方包括中國、加拿大、美國、歐盟、聯合國及世界銀行等。項目內容涵蓋竹林栽培、管理和加工利用。2018年國際竹藤組織發布了與清華大學合作的埃塞竹子資源清查結果，主辦了竹林碳匯和竹子標準培訓班。

樹莓派主機是程序的主控，設計簡單的托架將其固定在頭盔上。

傳感系統：將紅外傳感模組、熱成像模組固定在頭盔上，并與電源、主機相連。

顯示系統：制作顯示屏支架，將顯示屏固定在支架上與頭盔固定，連接電源及數據線。

圖2 最終外觀，整體效果可通過掃描圖中二維碼觀看

圖3 袁子薦在第十八屆宋慶齡少年兒童發明獎活動現場

（二）算法系統

硬件安裝完畢之后，開始進行算法的配置和調試。利用張正友標定法對紅外攝像機的內參和慣性設備的外參進行標定，獲得傳感器的基本硬件參數。利用紅外攝像機采集圖像（包括不同時段、氣候、環境下的圖像），用于深度學習模型訓練。

在嵌入式設備中安裝ROS 系統，實現不同傳感器數據間的時間同步，從而配置同步定位與建圖算法，實現機器人的定位和環境建圖。最后整并目標檢測和同步定位與建圖算法，實現在地圖中被困人員位置的標注。

圖4 設計制作

五、測試運行

戴上頭盔，打開開關，紅外攝像頭和夜視攝像頭正常捕捉對象和畫面，并傳到顯示屏上。畫面稍有延遲但不影響正常工作。

在黑暗環境下，使用煙霧發生器模擬煙霧環境，人們利用夜視攝像頭能清楚地看到前方的路和物體。紅外攝像頭能發現遠處帶溫度的物體、人等。

六、創新點

（一）利用紅外攝像和熱成像技術，可在復雜環境下幫助消防員發現被困人員。引入傳感技術，有效提升消防員的救援效率。

（二）嵌入了定位裝置，可實時追蹤消防員的位置，并構建火場環境的結構信息，避免消防員迷失方向。

（三）通過定位設備和導航系統確定被困人員的位置，并提供導航指引，幫助消防員快速找到被困人員或火源，實施救援或滅火。

（四）算法的引入使頭盔具備自動識別和定位的功能，消防員佩戴頭盔進入火場能迅速了解火場環境，快速發現被困人員。

（五）特種場景火災救援頭盔內部配備實時通信設備和實時定位系統，可及時與指揮中心交流，傳遞信息。實時通信技術可將救援現場的情況反饋給指揮中心，使其及時做出調度和決策。同時，也可實現消防員之間的交流。

七、進一步設想

搭載各種傳感器，用于監測火災現場的溫度、氣體濃度等環境參數。優化數據分析和處理技術，對傳感器采集的數據進行過濾、篩選和分析，提取關鍵信息，為消防員提供準確的環境監測和預警信息。增加報警和提醒功能，根據環境監測的結果，提醒消防員規避火災現場的危險。利用基于深度學習的目標檢測算法，自動定位被困人員的具體位置。

作者心聲

這是一個令人興奮且具有挑戰的探索過程。通過實踐，我將自己的想法變為現實，這給予我滿足感和成就感。發明一款智能化產品需要對多項技術進行深入研究和創新，這鍛煉了我的技術創新能力和解決問題的能力。與老師共同解決技術難題、優化產品設計，團隊合作的經歷提高了我的協作能力和溝通能力。

如果我的發明能幫助人們提高工作效率、改善生活質量或解決特定領域的難題，對社會產生積極的影響，尤其是保障人們的生命安全，哪怕是極小的作用，我也覺得非常有意義。

專家點評

袁子薦同學基于視覺slam 技術的特種場景救援頭盔，按創意來源和專業程度分類，屬于A 類作品，即選題專業性較強，需具備較深厚的專業基礎，并在專業實驗室或專業機構完成的作品。特別能說明這一分類的理由是，2022年3月22 日，有報道稱“呈像應急中標深圳消防救援支隊智能頭盔研發項目”。

這一作品的完成，充分體現了：其一，學校的教育理念緊跟時代，創新氛圍濃郁，科技創新基礎條件好；其二，科技指導教師在信息技術、人工智能等方面具有一定的專業水準；其三，袁子薦同學具有挑戰精神，其技術學習能力和技術運用能力達到了較高的水準。

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