基于CMOS HMC5883 MPU6050的模擬滅火訓(xùn)練系統(tǒng)

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。

4 通信與數(shù)據(jù)整合

　　本套系統(tǒng)共有3個數(shù)據(jù)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(tǒng)主機發(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 接口進行設(shè)置，幾乎可以連接到各種單片機芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。且功耗很低，接收時工作電流12.3mA，0dBm功率發(fā)射時11.3mA，掉電模式時僅為900nA。是十分簡單易用的無線數(shù)傳模塊。

　　本文將3個數(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端口傳給上位機系統(tǒng)。需要注意的是為了防止3個數(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個數(shù)據(jù)通道分別接收來自3個數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)[6]。

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

　　數(shù)據(jù)包總共包括17個字節(jié)。第0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號攝像頭捕捉到的信息。數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)后，上位機需要通過3組數(shù)據(jù)計算出滅火器噴口射出的射線打在屏幕上的點的位置。首先我們?nèi)?號攝像機的空間坐標(biāo)為P₁，2號攝像機的空間坐標(biāo)為P₂。我們約定P₁，P₂的連線是平行于屏幕水平面的。根據(jù)點P₁和1號攝像頭傳輸?shù)臄?shù)據(jù)(cx2，cy2)可以確定唯一一條直線，，其中d1為1號攝像頭指向紅外點的方向向量量。同理可由P₂，(cx2 ，cy2)得到。通過解方程

　　可求得：

t₁為直線上到最近的點與P₁的距離。

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

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

5 火災(zāi)模擬軟件

　　火災(zāi)模擬訓(xùn)練的上位機程序通過游戲引擎Unity編寫。Unity是一款多平臺、綜合性游戲開發(fā)工具。模擬訓(xùn)練的場景模型通過3dsMAX建模并導(dǎo)入Unity^[7]。

　　系統(tǒng)啟動后，根據(jù)前一章介紹的方法計算出滅火器噴口射出的彈道線落在屏幕上的實時位置，再加上滅火器模型的噴氣按壓信號，訓(xùn)練者可以完成在大屏幕上的選中、確認(rèn)操作。實現(xiàn)通過滅火器與投影屏幕的互動工作。

　　同時，本系統(tǒng)設(shè)計了多個火災(zāi)發(fā)生場景，包括廚房、客廳、臥室等。針對不同的起火原因，引導(dǎo)受訓(xùn)者選擇不同類型的滅火器，正確的撲滅火災(zāi)。通過噴口定位系統(tǒng)可以更好地指導(dǎo)訓(xùn)練者在使用滅火器時應(yīng)注意的一些事項。如使用滅火器滅火時應(yīng)距離起火點多遠，噴口應(yīng)對準(zhǔn)火焰的上方還是下方。

6 結(jié)論

　　針對滅火模擬訓(xùn)練的需求，結(jié)合虛擬現(xiàn)實、室內(nèi)定位、航姿檢測等技術(shù)，實現(xiàn)了模擬滅火訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用100寸投影大屏，讓訓(xùn)練者身臨其境，感受火災(zāi)現(xiàn)場氛圍。同時模擬滅火器不僅可以作為訓(xùn)練道具，還提供了精準(zhǔn)的人機交互功能，操作性強。為解決以往滅火訓(xùn)練不安全、不經(jīng)濟、不環(huán)保等問題提供的新的思路。

參考文獻：

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　　[7]黃濤,黃健民.基于Unity3D的虛擬校園漫游系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)[D].廣西壯族自治區(qū):廣西師范法學(xué),2014:5-6