一种多功能头戴式智能消防系统及其控制方法与流程

本发明涉及消防器材领域，具体涉及一种多功能头戴式智能消防系统及其控制方法。

背景技术：

随着科技发展，人们对火场救援效率和成功率提出了更高的要求，传统火场救援设备功能单一，救援效率低下，无法满足当今对消防员救援能力的高要求。火场环境中，传统的手持式搜救设备能够辅助消防员发现火场被困人员，但它的功能单一，消防员手持设备行动不便，并且该类设备所用传感器单一，功能有限，搜救能力不强；传统的救援事件中，消防员自身的安全是被十分重视的问题，但现今已有的搜救设备未能提供火场环境中整体火情趋势判断、防患于未然的功能；现今的搜救工作，火场中的各种救援方案都通过消防员的经验来判断，火场环境十分复杂，消防员难免存在经验不足和判断失误的情况，这会给消防搜救工作带来巨大的困难。

现有技术中采用红外摄像头作为感知现场温度场环境，获取三维信息温度场分布，由于单摄像头只能采集平面信息无法采集深度信息，采用多摄像头的方式虽然可以获得视野深度信息，但会极大地增加系统复杂度，降低系统可靠性。

现有技术中虽然在消防头盔中安装gps用于火场中对消防员定位，再通过红外摄像头感知火灾现场环境，但gps只能完成定位和测速，无法获取消防员当前的姿态方位，由于消防员在火场环境中姿态不同，红外摄像头捕捉到的图像不一样，没有方位信息补偿，红外摄像头采集的图像只能通过光流处理算法进行处理，这种算法由于没有外部基准角度作为参考会导致在图像处理的过程中产生较大的误差。

技术实现要素：

针对以上亟待解决的消防问题，本发明提出了一种多功能头戴式智能消防系统及其控制方法，实现火场环境精确感知，火情形式快速分析、智能辅助决策以及消防员自我保护。

本发明的一个目的在于提出一种多功能头戴式智能消防系统。

本发明的多功能头戴式智能消防系统包括：多个头戴式智能消防设备，每一个头戴式智能消防设备作为一个节点，通过无线局域网络与无线基站连接，无线基站通过互联网连接云服务器；每一个头戴式智能消防设备包括头戴式载体、抗震平台、红外摄像头、超声传感器、温度传感器、gps、地磁传感器、惯性测量组合传感器、处理器、输出单元和无线收发单元；其中，输出单元设置在头戴式载体上；在头戴式载体的外表面安装抗震平台；抗震平台的抗震频率下限低于头戴式智能消防设备的振动频率；在抗震平台上设置安装壳；红外摄像头、超声传感器、温度传感器、gps、地磁传感器、惯性测量组合传感器、处理器和无线收发单元设置在安装壳上，并且红外摄像头紧邻超声传感器，二者位于头戴式载体的正前方；红外摄像头、超声传感器、温度传感器、gps、地磁传感器、惯性测量组合传感器和输出单元电学连接至处理器；处理器连接至无线收发单元；无线收发单元通过无线局域网络连接无线基站；红外摄像头、超声传感器和温度传感器构成火场感知传感器组合，在处理器内部定时器的时钟的统一调度下，红外摄像头实时采集节点附近的二维红外图像，超声传感器实时采集二维红外图像的中心点的深度信息，温度传感器实时采集温度信息，传输至处理器；gps、地磁传感器和惯性测量组合传感器构成运动信息感知传感器组合，在处理器内部定时器的时钟的统一调度下，gps得到节点的位置信息，地磁传感器得到当前朝向方位，惯性测量组合传感器得到此节点的运动加速度和角速度，传输至处理器；处理器将信息通过无线收发单元传输至无线基站；无线基站再将信息传输至云服务器，云服务器对信息进行计算和融合，得到整个火场环境的物理环境和温度场分布；云服务器分析上述信息后，得到当前最优行动策略，通过无线通讯返回给每一节点；每一节点的处理器将当前最优行动策略通过输出单元输出。

同时，各节点携带的gps提供授时功能，将各节点处的处理器内部定时器的时钟校正同步。

抗震平台包括安装底板、弹簧、阻尼滑块和弹簧中轴；其中，安装底板固定在头戴式载体的外表面；安装底板的表面设置有一个或多个凹槽；阻尼滑块和两个弹簧安装在一个弹簧中轴上，阻尼滑块位于两个弹簧之间，形成弹簧阻尼结构；一个弹簧阻尼结构与一个凹槽相对应，在一个凹槽内固定一个弹簧阻尼结构；弹簧阻尼结构的固有频率即为抗震平台的抗震频率下限，低于头戴式智能消防设备的振动频率，只要高于弹簧阻尼结构的固有频率的振动都会被滤除，低频振动对传感器的性能没有影响。安装壳设置在阻尼滑块上。安装有弹簧阻尼结构的抗震平台具有较小的固有频率，由于消防员在救援过程中存在剧烈的跑动动作而形成高频振动，高频振动会引起红外摄像头在图像感知上的失真，同时高频振动也会引起惯性测量组合传感器测量误差增大，因此设计固有频率较低的弹簧阻尼结构滤除消防员运动过程中的高频震动，从而获取质量更高的红外图像和更高精度的惯性测量量。头戴式智能消防设备的振动频率是消防员在救援过程中剧烈的跑动动作而形成的振动的频率。

输出单元包括显示屏和语音单元。

头戴式载体设置有电源卡槽，电源安装在电源卡槽内，电源分别连接至红外摄像头、超声传感器、温度传感器、gps、地磁传感器、惯性测量组合传感器、处理器和输出单元，提供能量。

本发明的另一个目的在于提供一种多功能头戴式智能消防系统的控制方法。

本发明的多功能头戴式智能消防系统的控制方法，包括以下步骤：

1)将红外摄像头、超声传感器、温度传感器、gps、地磁传感器、惯性测量组合传感器、处理器和无线收发单元设置在安装壳上，将安装壳设置在抗震平台上，将抗震平台安装在头戴式载体的外表面，红外摄像头紧邻超声传感器，二者位于头戴式载体的正前方，输出单元设置在头戴式载体上，抗震平台的抗震频率下限低于头戴式智能消防设备的振动频率；

2)在进入火场前，每一个消防员头戴一个头戴式智能消防设备，每一个头戴式智能消防设备作为一个节点，打开头戴式智能消防设备的开关，在gps授时功能的辅助下，校正同步各节点的处理器的内部定时器时钟；

3)进入火场后，在每一个节点处，红外摄像头实时采集节点附近的二维红外图像，超声传感器同步采集二维红外图像的中心点的深度信息，温度传感器同步采集温度信息，传输至处理器；

4)同时，gps同步采集节点的位置信息，地磁传感器同步采集当前朝向方位，惯性测量组合传感器同步采集此节点的运动加速度和角速度，传输至处理器；

5)处理器按照内部定时器的时钟将数据加入时间标签，将同一时间采集到的数据整合成一帧数据，通过无线收发单元传输至无线基站；

6)无线基站再将信息通过互联网传输至云服务器；

7)云服务器处理同一帧数据，得到红外摄像头采集的二维红外图像，以及超声传感器采集的二维红外图像的中心点的深度信息，将二者进行融合，得到具有深度的红外图像；其中红外图像信息中包含了图像视野内的温度信息，温度传感器测量信息代表红外摄像头当前温度，由于在不同环境温度下红外摄像头感知会产生温度漂移，通过温度传感器测量到的温度信息对红外图像所测量到的温度信息进行补偿校正，从而得到包含深度信息和温度信息的红外图像；

8)云服务器处理同一帧数据，根据gps采集的节点的位置，地磁传感器采集的当前朝向方位，惯性测量组合传感器采集的行动状态，得到在当前此节点的位置、速度和姿态信息，得到此节点在三维火场环境中的位置和方位；

9)在当前此节点的位置、速度和姿态信息辅助下，云服务器将当前此节点感知到的包含深度信息和温度信息的红外图像，与前多帧数据进行融合拼接，得到此节点周围完整的三维物理环境和温度场分布；

10)云服务器将各个节点周围完整的三维物理环境和温度场分布，结合各个节点在三维火场环境中的位置和方位，形成整个火场环境的三维物理环境和温度场分布；

11)多次采集整个火场环境的三维物理环境和温度场分布，得到整个火场环境的温度场变化的趋势，根据温度场变化的趋势预测火情发展；

12)云服务器根据三维物理环境和温度场分布，以及温度场变化的趋势预测火情发展，并根据历史信息，得到当前最优行动策略，并通过无线通信发送至各个节点，通过头戴式智能消防设备的输出单元输出，最优行动策略包括以下步骤：

a)云服务器根据三维物理环境和温度场分布以及火情发展趋势，计算出多条安全通道；

b)云服务器根据火情发展趋势，判断所在节点的消防员的下一步行动，如果火情发展对消防员有危险，则发出危险警告指令，并将最近的安全通道反馈给节点，以便撤离；

c)云服务器根据三维物理环境和温度场分布，以及理论人体温度范围，判断出被困人员的位置，并计算距离被困人员最近的安全通道，发出救援指令以及安全通道至最近的节点，从而消防员对被困人员营救；

d)云服务器给未被分配救援任务的节点分配灭火任务，云服务器根据温度场信息和火情发展趋势计算出当前灭火关键位置点，将灭火任务通过无线通信分配至各个节点，从而实现高效灭火；

13)完成一次灭火救援任务后，云服务器存储此次任务相关的数据信息，作为历史数据以备下次救援参考，所有获得权限的救援任务都向云服务器上传历史数据并且共享信息。

其中，在步骤1)中，抗震平台包括安装底板、弹簧、阻尼滑块和弹簧中轴；在安装底板的表面设置一个或多个凹槽；将阻尼滑块和两个弹簧安装在一个弹簧中轴上，阻尼滑块位于两个弹簧之间，形成弹簧阻尼结构；将一个弹簧阻尼结构与一个凹槽相对应，在一个凹槽内固定一个弹簧阻尼结构；将安装底板固定在头戴式载体的外表面；弹簧阻尼结构的固有频率即为抗震平台的抗震频率下限，低于头戴式智能消防设备的振动频率，只要高于抗震平台固有频率的振动都会被滤除，低频振动对传感器的性能没有影响。将安装壳设置在阻尼滑块上。

本发明的优点：

本发明采用抗震平台除消防员运动过程中的高频震动，超声传感器补偿红外摄像头在深度信息感知上的不足，再通过融合算法计算出火场环境中的三维物理环境和温度场分布；同时采用gps、惯性测量组合传感器和磁场传感器，将惯性运动信息、磁场信息与位置速度信息进行融合，能够精确获取与节点相关的位置、速度、姿态等信息，以辅助精确建立位于整个火场环境中的位置和方位，并将各个节点整合，精确建立整个火场环境的三维物理环境和温度场分布；并结合历史数据，得到最优行动策略；本发明精确感知火场环境，快速分析火情形式，并能智能决策，从而实现对消防员的自我保护和高效救援灭火。

附图说明

图1为本发明的头戴式智能消防设备作为一个节点的结构框图；

图2为本发明的多功能头戴式智能消防系统的结构框图；

图3为本发明的多功能头戴式智能消防系统的头戴式智能消防设备的一个实施例示意图；

图4为本发明的头戴式智能消防设备的运动信息感知传感器组合的一个实施例的示意图；

图5为本发明的头戴式智能消防设备的抗震平台的一个实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图2所示，本实施例的多功能头戴式智能消防系统包括：多个头戴式智能消防设备，每一个头戴式智能消防设备作为一个节点，第一至第n节点通过无线局域网络与无线基站连接，n为≥2的自然数，无线基站通过互联网连接云服务器。

如图1、3和4所示，每一个头戴式智能消防设备包括头戴式载体1、抗震平台2、红外摄像头31、超声传感器32、温度传感器33、gps(41)、地磁传感器42、惯性测量组合传感器43、处理器5、输出单元包括语音单元62和显示屏61、无线收发单元7、电池卡槽8、开关9和外壳10；其中，语音单元62和显示屏61分别安装在头戴式载体1上；在头戴式载体1的外表面安装抗震平台2；抗震平台的抗震频率下限低于头戴式智能消防设备的振动频率；在抗震平台上设置安装壳；红外摄像头、超声传感器、温度传感器、gps、地磁传感器、惯性测量组合传感器和输出单元电学连接至处理器；处理器连接至无线收发单元；无线收发单元通过无线局域网络连接无线基站。红外摄像头31、超声传感器32、温度传感器33、gps(41)、地磁传感器42、惯性测量组合传感器43、处理器5和无线收发单元7设置在安装壳上，并且红外摄像头31紧邻超声传感器32，二者位于头戴式载体的正前方；在gps(41)、地磁传感器42、惯性测量组合传感器43和处理器5外设置外壳10。

如图5所示，抗震平台2包括安装底板21、弹簧22、阻尼滑块23和弹簧中轴24；其中，安装底板21固定在头戴式载体1的外表面；安装底板21的表面设置有2个凹槽；阻尼滑块23和两个弹簧22安装在一个弹簧中轴24上，阻尼滑块位于两个弹簧之间，形成弹簧阻尼结构；两个弹簧阻尼结构分别固定在两个凹槽内。安装壳设置在阻尼滑块23上。弹簧阻尼结构的固有频率为1～2hz，运动过程中产生的高于1～2hz的振动都会被滤除。

本实施例的多功能头戴式智能消防系统的控制方法，包括以下步骤：

1)将红外摄像头、超声传感器、温度传感器、gps、地磁传感器、惯性测量组合传感器、处理器和无线收发单元设置在安装壳上，将安装壳设置在抗震平台上，将抗震平台安装在头戴式载体的外表面，红外摄像头紧邻超声传感器，二者位于头戴式载体的正前方，语音单元和显示屏分别安装在头戴式载体上，抗震平台的抗震频率下限低于头戴式智能消防设备的振动频率；

2)在进入火场前，每一个消防员头戴一个头戴式智能消防设备，每一个头戴式智能消防设备作为一个节点，打开头戴式智能消防设备的开关，在gps授时功能的辅助下，校正同步各节点的处理器的内部定时器时钟；

3)进入火场后，在每一个节点处，红外摄像头实时采集节点附近的二维红外图像，超声传感器同步采集二维红外图像的中心点的深度信息，温度传感器同步采集温度信息，传输至处理器；

4)同时，gps同步采集节点的位置信息，地磁传感器同步采集当前朝向方位，惯性测量组合传感器同步采集此节点的运动加速度和角速度，传输至处理器；

5)处理器按照内部定时器的时钟将数据加入时间标签，将同一时间采集到的数据整合成一帧数据，通过无线收发单元传输至无线基站；

6)无线基站再将信息通过互联网传输至云服务器；

7)云服务器处理同一帧数据，得到红外摄像头采集的二维红外图像，以及超声传感器采集的二维红外图像的中心点的深度信息，将二者进行融合，得到具有深度的红外图像；其中红外图像信息中包含了图像视野内的温度信息，温度传感器测量信息代表红外摄像头当前温度，由于在不同环境温度下红外摄像头感知会产生温度漂移，通过温度传感器测量到的温度信息对红外图像所测量到的温度信息进行补偿校正，从而得到包含深度信息和温度信息的红外图像；

8)云服务器处理同一帧数据，根据gps采集的节点的位置，地磁传感器采集的当前朝向方位，惯性测量组合传感器采集的行动状态，得到在当前此节点的位置、速度和姿态信息，得到此节点在三维火场环境中的位置和方位；

9)在当前此节点的位置、速度、姿态信息辅助下，云服务器将当前此节点感知到的前方包含深度信息和温度信息的红外图像，与前多帧数据进行融合拼接，得到此节点周围完整的三维物理环境和温度场分布；

10)云服务器将各个节点周围完整的三维物理环境和温度场分布，结合各个节点在三维火场环境中的位置和方位，形成整个火场环境的三维物理环境和温度场分布；

11)多次采集整个火场环境的三维物理环境和温度场分布，得到整个火场环境的温度场变化的趋势，根据温度场变化的趋势预测火情发展；

12)云服务器根据三维物理环境和温度场分布，以及温度场变化的趋势预测火情发展，并根据历史信息，得到当前最优行动策略，并通过无线通信发送至各个节点，通过头戴式智能消防设备的输出单元输出，最优行动策略包括以下步骤：

a)云服务器根据三维物理环境和温度场分布以及火情发展趋势，计算出多条安全通道；

b)云服务器根据火情发展趋势，判断所在节点的消防员的下一步行动，如果火情发展对消防员有危险，则发出危险警告指令，并将最近的安全通道反馈给节点，以便撤离；

c)云服务器根据三维物理环境和温度场分布，以及理论人体温度范围，判断出被困人员的位置，并计算距离被困人员最近的安全通道，发出救援指令以及安全通道至最近的节点，从而消防员对被困人员营救；

d)云服务器给未被分配救援任务的节点分配灭火任务，云服务器根据温度场信息和火情发展趋势计算出当前灭火关键位置点，将灭火任务通过无线通信分配至各个节点，从而实现高效灭火；

13)完成一次灭火救援任务后，云服务器存储此次任务相关的数据信息，作为历史数据以备下次救援参考，所有获得权限的救援任务都向云服务器上传历史数据并且共享信息。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。