基于CMOS HMC5883 MPU6050的模拟灭火训练系统

需要注意的是，喷口朝向计算需要进行初始化，初始化的目的是保证在程序启动时，喷口朝向的方向是垂直于屏幕的，否则对于水平面上角度的检测将会出错。

4 通信与数据整合

　　本套系统共有3个数据采集模块，分别是：灭火器模块、1号摄像头模块、2号摄像头模块。这三个模块同时向系统主机发送数据，都是通过nRF24L01无线模块完成的。

　　nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置，几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。且功耗很低，接收时工作电流12.3mA，0dBm功率发射时11.3mA，掉电模式时仅为900nA。是十分简单易用的无线数传模块。

　　本文将3个数据采集模块端的内置nRF24L01模块设置成发送模式，系统主机端需要插入一块nRF24L01转USB协议的接收模块。该模块内的nRF24L01设置成接收模式，专门负责接收3个数据采集模块传送过来的数据并将数据打包通过USB端口传给上位机系统。需要注意的是为了防止3个数据模块传送过来的数据交叉混乱，接收端nRF24L01需要启用3个数据通道分别接收来自3个数据采集模块的数据[6]。

　　收集到3组数字后，形成新的一个数据包。通过USB-HID协议发送给上位机电脑。数据包格式如表1。

　　数据包总共包括17个字节。第0位和第16位分别是开始和结束位。数据位1~4是1号摄像头捕捉到的信息，分别代表横坐标的高地位和纵坐标的高地位。5~8位是2号摄像头捕捉到的信息。数据位9~14位是航姿检测捕捉到的角度信息，分别代表X，Y，Z三轴的旋转角度信息。第15位代表灭火器按压信号。接收模块展示如图4。

　　在取得3组数据后，上位机需要通过3组数据计算出灭火器喷口射出的射线打在屏幕上的点的位置。首先我们取1号摄像机的空间坐标为P₁，2号摄像机的空间坐标为P₂。我们约定P₁，P₂的连线是平行于屏幕水平面的。根据点P₁和1号摄像头传输的数据(cx2，cy2)可以确定唯一一条直线，，其中d1为1号摄像头指向红外点的方向向量量。同理可由P₂，(cx2 ，cy2)得到。通过解方程

　　可求得：

t₁为直线上到最近的点与P₁的距离。

　　理论上，应为两台摄像机看到的是同一个LED灯，所以直线和必有一交点。实际由于图像识别误差等原因，和不一定相交。本文可以通过取，得到(cx₁，cy)，(cx₂，cy)。重新计算和，解方程后通过t₁求得两条直线的焦点P₃。此点即为灭火器模型喷口上红外点的空间坐标。

　　最后通过模型灭火器模块测得的喷口朝向(一组欧拉角)，转化成方向向量d₃。可以得到第三条射线。这条射线可视为喷口射出的弹道线。

5 火灾模拟软件

　　火灾模拟训练的上位机程序通过游戏引擎Unity编写。Unity是一款多平台、综合性游戏开发工具。模拟训练的场景模型通过3dsMAX建模并导入Unity^[7]。

　　系统启动后，根据前一章介绍的方法计算出灭火器喷口射出的弹道线落在屏幕上的实时位置，再加上灭火器模型的喷气按压信号，训练者可以完成在大屏幕上的选中、确认操作。实现通过灭火器与投影屏幕的互动工作。

　　同时，本系统设计了多个火灾发生场景，包括厨房、客厅、卧室等。针对不同的起火原因，引导受训者选择不同类型的灭火器，正确的扑灭火灾。通过喷口定位系统可以更好地指导训练者在使用灭火器时应注意的一些事项。如使用灭火器灭火时应距离起火点多远，喷口应对准火焰的上方还是下方。

6 结论

　　针对灭火模拟训练的需求，结合虚拟现实、室内定位、航姿检测等技术，实现了模拟灭火训练系统。该系统应用100寸投影大屏，让训练者身临其境，感受火灾现场氛围。同时模拟灭火器不仅可以作为训练道具，还提供了精准的人机交互功能，操作性强。为解决以往灭火训练不安全、不经济、不环保等问题提供的新的思路。

参考文献：

　　[1]张云明,陈蕾.基于虚拟现实技术的灭火救援训练系统[J].消防科学与技术,2010,(11):996-997

　　[2]王兴波,袁狄平,靳学胜.灭火救援行动单兵仿真模拟训练系统研究[J].系统仿真学报,2014,26(6):1137-1138

　　[3]李文斌.基于DSP的射击训练系统设计与实现[D].成都:西南交通大学,2009: 4-7

　　[4]武丽敏,苏寒松.蔡桂方/数字实景游戏中的智能红外激光枪系统设计与实现[J].电子测量技术,2011,5:103-106

　　[5]孙丽,秦永元.捷联惯导系统姿态算法比较[J].中国惯性技术学报,2006，6:6-8

　　[6]李辉,宋诗,周建江.基于ARM和nRF24L01的无线数据传输系统[J].国外电子元器件,008,12:10-12

　　[7]黄涛,黄健民.基于Unity3D的虚拟校园漫游系统的研究和实现[D].广西壮族自治区:广西师范法学,2014:5-6