基于視覺slam 技術(shù)的特種場景救援頭盔

◆合肥市第一中學(xué) 袁子薦

在火災(zāi)環(huán)境中，濃煙導(dǎo)致人眼視野縮小，消防員難以及時發(fā)現(xiàn)被困人員，同時也容易迷失方向，危及自身安全。

現(xiàn)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(shè)計一種智能化特種場景救援頭盔很有必要。

一、設(shè)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(xiàn)場環(huán)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(jié)構(gòu)

該頭盔能在火場中實時定位消防員的位置，并構(gòu)建火災(zāi)現(xiàn)場環(huán)境的結(jié)構(gòu)信息。當(dāng)發(fā)現(xiàn)幸存者，基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)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(huán)境一目了然，在濃煙環(huán)境下仍能精準(zhǔn)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(jù)圖像數(shù)據(jù)的視差計算圖像之間的相對位置關(guān)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(biāo)。在估計消防員位置的同時，評估環(huán)境中的特征點，計算這些特征點在環(huán)境中的相對位置信息，構(gòu)建出現(xiàn)場環(huán)境的結(jié)構(gòu)模型。

同時，在計算單元的后臺實時運行基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)事先經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練，通過標(biāo)簽匹配和損失函數(shù)計算，獲取網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)配置，并將完整的網(wǎng)絡(luò)模型部署在頭盔端。深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)將自動對每一張輸入的紅外圖像進行目標(biāo)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(shù)將目標(biāo)投射到同步定位與建圖技術(shù)構(gòu)建的地圖中，使消防員能更直觀地確認(rèn)目標(biāo)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(fā)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(jié)構(gòu)，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(tǒng)

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

3.主機系統(tǒng)

自埃塞加入國際竹藤組織以來，國際竹藤組織在埃塞執(zhí)行了15個項目，資助方包括中國、加拿大、美國、歐盟、聯(lián)合國及世界銀行等。項目內(nèi)容涵蓋竹林栽培、管理和加工利用。2018年國際竹藤組織發(fā)布了與清華大學(xué)合作的埃塞竹子資源清查結(jié)果，主辦了竹林碳匯和竹子標(biāo)準(zhǔn)培訓(xùn)班。

樹莓派主機是程序的主控，設(shè)計簡單的托架將其固定在頭盔上。

傳感系統(tǒng)：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(tǒng)：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(shù)據(jù)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(fā)明獎活動現(xiàn)場

（二）算法系統(tǒng)

硬件安裝完畢之后，開始進行算法的配置和調(diào)試。利用張正友標(biāo)定法對紅外攝像機的內(nèi)參和慣性設(shè)備的外參進行標(biāo)定，獲得傳感器的基本硬件參數(shù)。利用紅外攝像機采集圖像（包括不同時段、氣候、環(huán)境下的圖像），用于深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練。

在嵌入式設(shè)備中安裝ROS 系統(tǒng)，實現(xiàn)不同傳感器數(shù)據(jù)間的時間同步，從而配置同步定位與建圖算法，實現(xiàn)機器人的定位和環(huán)境建圖。最后整并目標(biāo)檢測和同步定位與建圖算法，實現(xiàn)在地圖中被困人員位置的標(biāo)注。

圖4 設(shè)計制作

五、測試運行

戴上頭盔，打開開關(guān)，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(huán)境下，使用煙霧發(fā)生器模擬煙霧環(huán)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(fā)現(xiàn)遠處帶溫度的物體、人等。

六、創(chuàng)新點

（一）利用紅外攝像和熱成像技術(shù)，可在復(fù)雜環(huán)境下幫助消防員發(fā)現(xiàn)被困人員。引入傳感技術(shù)，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(gòu)建火場環(huán)境的結(jié)構(gòu)信息，避免消防員迷失方向。

（三）通過定位設(shè)備和導(dǎo)航系統(tǒng)確定被困人員的位置，并提供導(dǎo)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(huán)境，快速發(fā)現(xiàn)被困人員。

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

七、進一步設(shè)想

搭載各種傳感器，用于監(jiān)測火災(zāi)現(xiàn)場的溫度、氣體濃度等環(huán)境參數(shù)。優(yōu)化數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)，對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行過濾、篩選和分析，提取關(guān)鍵信息，為消防員提供準(zhǔn)確的環(huán)境監(jiān)測和預(yù)警信息。增加報警和提醒功能，根據(jù)環(huán)境監(jiān)測的結(jié)果，提醒消防員規(guī)避火災(zāi)現(xiàn)場的危險。利用基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)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(zhàn)的探索過程。通過實踐，我將自己的想法變?yōu)楝F(xiàn)實，這給予我滿足感和成就感。發(fā)明一款智能化產(chǎn)品需要對多項技術(shù)進行深入研究和創(chuàng)新，這鍛煉了我的技術(shù)創(chuàng)新能力和解決問題的能力。與老師共同解決技術(shù)難題、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，團隊合作的經(jīng)歷提高了我的協(xié)作能力和溝通能力。

如果我的發(fā)明能幫助人們提高工作效率、改善生活質(zhì)量或解決特定領(lǐng)域的難題，對社會產(chǎn)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(xué)基于視覺slam 技術(shù)的特種場景救援頭盔，按創(chuàng)意來源和專業(yè)程度分類，屬于A 類作品，即選題專業(yè)性較強，需具備較深厚的專業(yè)基礎(chǔ)，并在專業(yè)實驗室或?qū)I(yè)機構(gòu)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(yīng)急中標(biāo)深圳消防救援支隊智能頭盔研發(fā)項目”。

這一作品的完成，充分體現(xiàn)了：其一，學(xué)校的教育理念緊跟時代，創(chuàng)新氛圍濃郁，科技創(chuàng)新基礎(chǔ)條件好；其二，科技指導(dǎo)教師在信息技術(shù)、人工智能等方面具有一定的專業(yè)水準(zhǔn)；其三，袁子薦同學(xué)具有挑戰(zhàn)精神，其技術(shù)學(xué)習(xí)能力和技術(shù)運用能力達到了較高的水準(zhǔn)。

黨的二十大將“教育、科技、人才”提至更重要的位置。習(xí)近平總書記多次強調(diào)要加強對青少年科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，強調(diào)要進一步加強教育改革，以更好地培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新意識和能力。高中學(xué)校應(yīng)該像他們一樣，牢記總書記的囑托，在科創(chuàng)人才培養(yǎng)方面邁出堅定的步伐。