基于CMOS攝像頭HMC5883+MPU6050的模擬滅火訓練系統

摘要：隨著信息技術和虛擬現實技術的發展，一些具有一定風險和成本較高的訓練項目可以利用虛擬現實技術通過計算機模擬現場環境的方法代替實現。本文主要設計并實現了一種基于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模擬畫面，通過雙目識別技術定位訓練者，再利用航姿檢測技術獲取訓練者手中模擬滅火器的朝向，從而較真實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，具有較高的創新性。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/281896.htm

關鍵詞：滅火訓練；虛擬現實；射擊模擬；室內定位；捷聯慣導

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.10.020

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

引言

隨著中國經濟高速發展，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損失十分嚴重。生活中很多火災的發生是由于普通民眾對簡單火情的處理不及時或不得當而產生的^{[1]。而火災的產生情況復雜，模擬火災現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練。}

隨著信息技術與虛擬現實技術等高新技術迅猛發展，利用計算機模擬各類火情并指導人們適當處理簡單火情成為可能。以虛擬現實技術為主要依托的虛擬訓練方法可以繞開實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，降低訓練成本、提升安全系數。

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紅外發光管。在系統啟動后，此發光管常亮。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。處理器采集運動傳感器測得的數據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上的nRF24L01無線通信芯片，將朝向數據A實時發送給系統主機。該嵌入式系統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發光點。通過位于攝像頭模塊的嵌入式系統處理，得到發光點位于CMOS攝像頭采集的平面畫面中坐標，兩個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，兩個攝像頭模塊通過nRF24L01芯片將坐標（cx1，cy1）和（cx2，cy2）實時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面到投影屏幕上。通過以上流程，訓練者利用滅火器模型與大屏幕投影顯示，實現互動與滅火訓練。

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，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特征點的定位計算工作^[4]。本文采用的微處理器型號是STM32F4071GT6，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，同時只允許規定波長的紅外線通過。根據選用的紅外LED類型，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幀畫面數據輸出，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發出的波長和紅外濾鏡的可透過波長均為850nm。

經過紅外濾鏡處理后，數字攝像頭看到的畫面如圖2所示，畫面中出紅外LED發光點相對于周圍環境會顯得異常明亮，十分方便識別此發光點的位置。

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

攝像頭快門速度為每秒60次，攝像頭模塊內嵌入式系統每秒60次將坐標通過nRF傳送給系統上位機。攝像頭經過標定檢測后測得其水平可視角度約為80°。在訓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，符合使用環境的。

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。

航姿跟蹤技術在自平衡無人機領域已有應用，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動的角速度，具有短時間內測量精度高、穩定、可靠的優點。但陀螺儀對溫度的要求性高，在長時間內，其由于溫度的變化而產生漂移，導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，經換算可得到與地磁南極的夾角。故在頭盔姿態檢測中，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稱作捷聯慣導系統。

本文采用的捷聯慣導系統的姿態算法，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：

四元數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。但其對有限轉動引起的不可交換誤差的補償不夠，姿態解算中漂移會十分嚴重，因此加上HMC5883三軸數字羅盤幫助捷聯慣導系統進行誤差校正。經過磁力計校正后，漂移即會基本消失。航姿檢測模塊展示如圖3。

需要注意的是，噴口朝向計算需要進行初始化，初始化的目的是保證在程序啟動時，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出錯。

通信與數據整合

本套系統共有3個數據采集模塊，分別是：滅火器模塊、1號攝像頭模塊、2號攝像頭模塊。這三個模塊同時向系統主機發送數據，都是通過nRF24L01無線模塊完成的。

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

本文將3個數據采集模塊端的內置nRF24L01模塊設置成發送模式，系統主機端需要插入一塊nRF24L01轉USB協議的接收模塊。該模塊內的nRF24L01設置成接收模式，專門負責接收3個數據采集模塊傳送過來的數據并將數據打包通過USB端口傳給上位機系統。需要注意的是為了防止3個數據模塊傳送過來的數據交叉混亂，接收端nRF24L01需要啟用3個數據通道分別接收來自3個數據采集模塊的數據^[6]。

收集到3組數字后，形成新的一個數據包。通過USB-HID協議發送給上位機電腑。數據包格式如表1。

數據包總共包括17個字節。第O位和第16位分別是開始和結束位。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3組數據計算出滅火器噴口射出的射線打在屏幕上的點的位置。