CN113058175B - 火场地图动态重构及危险品边缘检测的消防面罩 - Google Patents
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Abstract
本发明属于消防设备技术领域，公开了一种火场地图动态重构及危险品边缘检测的消防面罩，包括面罩本体，面罩本体上安装有电源模块、数据采集模块、危险品检测模块、数据传输模块、主控制器和自组网定位通讯模块，主控制器包括数据分析模块、危险品识别模块，数据采集模块通过数据传输模块与数据分析模块连接，危险品检测模块与危险品识别模块连接，数据分析模块和危险品识别模块均通过自组网定位通讯模块与外部控制中心通信连接，外部控制中心对每个消防面罩上传的数据进行存储，形成数据库。本发明方便消防人员了解火场信息，避免危险发生，方便消防人员救援和撤退，避免了地图地重复重构过程的资源浪费与时间消耗。本发明的适用于火场救援。
Description
技术领域
本发明属于消防设备技术领域，涉及消防面罩，具体地说是一种火场地图动态重构及危险品边缘检测的消防面罩。
背景技术
伴随着城市化的快速发展，城市建筑的数量也急剧增加，城市的规模越来越大，火灾的发生往往具有不可预见性，如果处理的不及时，灾情就会很难控制，还会带来更加严重的经济损失和人员伤亡。
消防员是奋斗在灾害现场的一线人员，当火灾发生时，消防员需要进入建筑物内进行灭火和救援，挽救人民群众的生命安全和财产安全。如果火场的火势较大，伴随着建筑物内的装修饰品的燃烧，火场会出现大量的烟雾，人的正常视线会受到阻碍，加之受灾害现场的楼宇地形布局复杂等情况，进入火场的消防人员无法确定动态火场地图，这就给消防员的救援和撤退带来了很大的困难。然而现有技术中的消防面罩功能较为单一，定位精度不高，所以对于火场地图动态重构及危险品边缘检测的消防面罩的研究已刻不容缓。
发明内容
本发明的目的，是要提供一种火场地图动态重构及危险品边缘检测的消防面罩，以克服现有技术中的缺陷。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方法如下：
一种火场地图动态重构及危险品检测的消防面罩，包括面罩本体，面罩本体为可容纳头部的腔室，后端为防火披肩，面罩本体上安装有电源模块，以及均与电源模块连接的数据采集模块、危险品检测模块、数据传输模块、主控制器和自组网定位通讯模块，主控制器包括数据分析模块、危险品识别模块，数据采集模块通过数据传输模块与主控制器中的数据分析模块连接，危险品检测模块与主控制器中的危险品识别模块连接，数据分析模块和危险品识别模块均经过自组网定位通讯模块与外部的控制中心通信，外部的控制中心对每个火场地图动态重构及危险品检测的消防面罩上传的数据进行存储，形成数据库。
作为限定：危险品检测模块采用光纤探测器，危险品识别模块存储有光纤探测器探测液化气罐后所产生的光强和光相位的数据变化信息，在火场中，危险品识别模块将危险品检测模块探测的信息与储存的光纤探测器探测液化气罐后所产生的光强和光相位的数据变化信息进行对比，判断火场中是否存在液化气罐。
作为进一步限定：危险品识别模块采用Canny边缘检测算法识别危险品的边缘轮廓。
作为另一种限定：数据采集模块包括图像采集单元、温度采集单元和气体采集单元，数据分析模块包括场景重构单元、温度分析单元和气体分析单元，温度分析单元和气体分析单元均与场景重构单元连接，图像采集单元与场景重构单元连接，温度采集单元与温度分析单元连接，气体采集单元与气体分析单元连接；温度分析单元分析得到的火源位置标注在场景重构单元重构的三维重构地图中的相应位置，气体分析单元分析得到的气体浓度信息标注在场景重构单元重构的三维重构地图中的相应位置；危险品识别模块采用3D点云标注的方法将所识别的危险品位置标注在由场景重构单元重构的三维重构地图中的相应位置。
作为进一步限定：图像采集单元包括红外摄像头和RGB-D摄像头，场景重构单元包括实时定位子单元和场景重构子单元，实时定位子单元和场景重构子单元连接，场景重构单元采用EX-SLAM方法对火场地图进行动态重构；EX-SLAM方法基于SLAM框架，包括特征跟踪、局部建图、闭环和全局BA优化，通过词袋模型的位置识别模块加速特征匹配，以及包含地图点、互视图、关键帧、生成树的地图模块进行建图，实现地图重用、回环检测以及重新定位；特征跟踪、局部建图、闭环为三个并行线程，全局BA优化为一个独立线程，具体为：将当前消防面罩的RGB-D摄像头采集的图像进行ORB特征提取与匹配，利用PROSAC算法剔除匹配误差，初始化位姿，跟踪重建的局部地图，优化位姿，确定新关键帧，基于新关键帧对地图点进行剔除和/或增加，进行局部BA优化，剔除关键帧，再调取外部控制中心的数据库中的每一个关键帧进行闭环检测和闭环矫正，当检测到闭环关键帧，向外部控制中心发送请求，外部控制中心将数据库中存储的与当前消防面罩所在位置的定位相同的三维重构地图发送给当前的消防面罩，最后进行全局BA优化，更新火场的三维重构地图，并将火场中的房间及通道信息采用3D点云标注的方法标注在三维重构地图中的相应位置。
作为更进一步限定：闭环检测采用词袋模型DBOW3库计算图像间的相似性进行检验，具体过程为：通过词袋找出和当前帧具有公共单词的所有关键帧，并计算与当前帧具有公共单词的关键帧和当前帧之间的公共单词数，设置公共单词数的阈值，选择公共单词数大于阈值的关键帧计算相似度，得到相似度最低分，再从所有关键帧中选出相似度大于相似度最低分的关键帧，作为当前闭环候选关键帧组，检测当前闭环候选关键帧组是否为闭环关键帧。
作为再一种限定：火场地图动态重构及危险品检测的消防面罩还包括显示模块、语音播报模块和照明灯，电源模块分别与显示模块、语音播报模块和照明灯连接进行供电，照明灯安装在消防面罩上部，场景重构单元与显示模块连接，显示三维重构地图，温度分析单元和气体分析单元均与语音播报模块连接；危险品识别模块分别与显示模块和语音播报模块连接；当温度分析单元中的分析到温度超过阈值，则语音播报模块发出报警提醒信号，当气体分析单元分析到火场中气体的成分及浓度异常时，语音播报模块发出报警提醒信号，当危险品识别模块识别到危险品时，语音播报模块发出报警提醒信号；显示模块和语音播报模块均与自组网定位通讯模块连接，自组网定位通讯模块与外部的控制中心通信连接，显示模块安装在面罩本体对应于人脸的位置。
作为进一步限定：自组网定位通讯模块包括定位单元、通讯单元和无线传输单元，定位单元通过无线传输单元与外部控制中心连接，显示模块通过无线传输单元与外部控制中心连接，语音播报模块通过通讯单元与外部控制中心连接，自组网定位通讯模块基于外部的基站进行工作，无线传输单元基于超宽带技术，将显示模块中由场景重构单元重构的三维重构地图传输到外部控制中心的面板中，外部控制中心通过无线传输单元接收定位单元中的位置信息，在显示模块中场景重构单元重构的三维重构地图的相应位置进行实时标注出每个消防人员的位置，形成火场布置图，并显示在外部控制中心的面板上；外部控制中心通过语音播报模块对戴有消防面罩的消防人员进行指挥。
作为再进一步限定：显示模块包括光学投影仪和AR显示屏，面罩本体两侧设置有卡槽，安装在面罩本体对应于人脸的位置，AR显示屏固定在卡槽上，光学投影仪与主控制器中的场景重构单元连接，将场景重构单元重构的三维重构地图及标注信息投影至AR显示屏。
本发明由于采用了上述方案，与现有技术相比，所取得的有益效果是：
(1)本发明提供的火场地图动态重构及危险品边缘检测的消防面罩，对三维地图进行实时重构，将三维重构地图投影至AR显示屏，方便消防人员救援和撤退；对温度信息、气体信息和危险品信息进行分析，进行AR显示和语音提醒，方便消防人员了解火场信息，避免危险发生；将上述信息上传至控制中心，方便控制中心对消防人员进行指挥；
(2)本发明提供的火场地图动态重构及危险品边缘检测的消防面罩，场景重构单元与外部控制中心的相互通信，根据位置信息，将三维重构地图和危险品位置等信息不断进行拼接整合，形成一个不断动态的重构的地图，使得消防人员全面深入地了解所处环境，方便救援和撤退；调用控制中心的存储有所有消防面罩关键帧数据库，实现多个消防面罩的共同协同，避免了地图地重复重构过程的资源浪费与时间消耗，为救援工作争取了时间。
本发明适用于火场救援。
附图说明
下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。
图1为本发明实施例火场地图动态重构及危险品检测的消防面罩的结构框图；
图2为本发明实施例火场地图动态重构及危险品检测的消防面罩中EX-SLAM方法视觉定位框图；
图中：1、图像采集单元；2、数据采集模块；3、主控制器；4、场景重构单元；5、自组网定位通讯模块。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本领域的技术人员应当理解，本发明并不限于以下实施例，任何在本发明具体实施例基础上做出的改进和等效变化，都在本发明权利要求保护的范围之内。
实施例 火场地图动态重构及危险品边缘检测的消防面罩
一种火场地图动态重构及危险品检测的消防面罩，其结构框图如图1所示，包括面罩本体，面罩本体为可容纳头部的腔室，后端为防火披肩，面罩本体上安装有电源模块，以及均与电源模块连接的数据采集模块2、危险品检测模块、数据传输模块、主控制器3、自组网定位通讯模块5、显示模块、语音播报模块和照明灯，照明灯安装在消防面罩上部，主控制器3包括数据分析模块、危险品识别模块，数据采集模块2包括图像采集单元1、温度采集单元和气体采集单元，数据分析模块包括场景重构单元4、温度分析单元和气体分析单元，温度分析单元和气体分析单元均与场景重构单元4连接，图像采集单元1与场景重构单元4连接，场景重构单元4与显示模块连接，温度采集单元与温度分析单元连接，气体采集单元与气体分析单元连接，温度分析单元和气体分析单元均与语音播报模块连接；危险品检测模块与主控制器3中的危险品识别模块连接，危险品识别模块分别与语音播报模块和显示模块连接；当温度分析单元中的分析到温度超过阈值，则语音播报模块发出报警提醒信号，当气体分析单元分析到火场中气体的成分及浓度异常时，语音播报模块发出报警提醒信号，当危险品识别模块识别到危险品时，语音播报模块发出报警提醒信号；温度分析单元分析得到的火源位置标注在场景重构单元4重构的三维重构地图中的相应位置，气体分析单元分析得到的气体浓度信息标注在场景重构单元4重构的三维重构地图中的相应位置，危险品识别模块采用3D点云标注的方法将所识别的危险品位置标注在显示模块中显示的由场景重构单元4重构的三维重构地图中的相应位置；自组网定位通讯模块5包括定位单元、无线传输单元和通讯单元，定位单元通过无线传输单元与外部控制中心连接，显示模块通过无线传输单元与外部控制中心连接，语音播报模块通过通讯单元与外部控制中心连接，外部控制中心对每个火场地图动态重构及危险品检测的消防面罩上传的数据进行存储，形成数据库。
图像采集单元1包括红外摄像头和RGB-D摄像头，场景重构单元4包括实时定位子单元和场景重构子单元，实时定位子单元和场景重构子单元连接，场景重构单元4采用EX-SLAM方法对火场地图进行动态重构；EX-SLAM方法基于SLAM框架，包括特征跟踪、局部建图、闭环和全局BA优化，通过词袋模型的位置识别模块加速特征匹配，以及包含地图点、互视图、关键帧、生成树的地图模块进行建图，实现地图重用、回环检测以及重新定位；特征跟踪、局部建图、闭环为三个并行线程，全局BA优化为一个独立线程，EX-SLAM方法视觉定位框图如图2所示，具体为：将当前消防面罩的RGB-D摄像头采集的图像进行ORB特征提取与匹配，利用PROSAC算法剔除匹配误差，初始化位姿，跟踪重建的局部地图，优化位姿，根据距离上次***关键帧过去的最多帧数、距离上次***关键帧过去的最少帧数且局部建图处于空闲状态、内点数大于阈值且重复度合适、局布地图中的关键帧队列不能超过三个，确定新关键帧，基于新关键帧对地图点进行剔除和/或增加，进行局部BA优化，对当前关键帧局部共视图中所有关键帧进行检验，剔除地图点在其他三帧中重复率高达90％的关键帧，再调取外部控制中心的数据库中的每一个关键帧进行闭环检测，当检测到闭环关键帧，向外部控制中心发送请求，外部控制中心将数据库中存储的与当前消防面罩所在位置的定位相同的三维重构地图发送给当前的消防面罩，最后进行全局BA优化，更新火场的三维重构地图，并将火场中的房间及通道信息采用3D点云标注的方法标注在三维重构地图中的相应位置。闭环检测采用词袋模型DBOW3库计算图像间的相似性进行检验，具体过程为：通过词袋找出和当前帧具有公共单词的所有关键帧，并计算与当前帧具有公共单词的关键帧和当前帧之间的公共单词数，设置公共单词数的阈值，选择公共单词数大于阈值的关键帧计算相似度，得到相似度最低分，再从所有关键帧中选出相似度大于相似度最低分的关键帧，作为当前闭环候选关键帧组，检测当前闭环候选关键帧组是否为闭环关键帧。
危险品检测模块采用光纤探测器，危险品识别模块存储有光纤探测器探测液化气罐后所产生的光强和光相位的数据变化信息，在火场中，危险品识别模块将危险品检测模块探测的信息与储存的光纤探测器探测液化气罐后所产生的光强和光相位的数据变化信息进行对比，判断火场中是否存在液化气罐，并采用Canny边缘检测算法识别危险品的边缘轮廓，Canny边缘检测算法具体为：
①高斯平滑滤波：消除噪声
使用高斯平滑滤波器进行卷积操作，size＝5的高斯内核为
②计算幅值和方向
使用Sobel滤波器处理，运用一对卷积阵列，分别作用x和y方向
使用下列公式计算幅值和方向
梯度方向取0°、45°、90°、135°这四个方向之一。
③非极大值抑制
排除非边缘检测像素，保留候选边缘。
④高低阈值
使用了滞后阈值，滞后阈值需要高阈值和低阈值，若某一像素位的幅度超过高阈值，该像素确认位边缘像素；若某一像素位的幅度小于低阈值，则排除该像素；若某一像素位的幅度介于高阈值和低阈值之间，当该像素仅与一个边缘像素相连时，则确认位边缘像素，否则，排除该像素。
本实施例中自组网定位通讯模块5基于外部的基站进行工作，外部建有四个基站，部署在火场所在建筑物四周，单个基站的有效距离为50-100m，无线传输单元基于超宽带技术，将显示模块中的显示的三维重构地图传输到外部控制中心的面板中，外部控制中心通过无线传输单元接收定位单元中的位置信息，在场景重构单元4重构的三维重构地图的相应位置进行实时标注出每个消防人员的位置，形成火场布置图，并显示在外部控制中心的面板上；外部控制中心通过语音播报模块对戴有消防面罩的消防人员进行指挥。
本实施例中显示模块包括光学投影仪和AR显示屏，面罩本体两侧设置有卡槽，AR显示屏固定在卡槽上，安装在面罩本体对应于人脸的位置，光学投影仪与主控制器3中的场景重构单元4连接，将场景重构单元4重构的三维重构地图及标注信息投影至AR显示屏。
本实施例中面罩本体采用凯芙拉纤维属芳族聚酰胺类有机纤维；RGB-D摄像头选用微软Kinect v2，Kinect v2采用TOF方案，有两个摄像头，深度摄像头和红外摄像头，深度摄像头分辨率为512*424，稳定距离为500mm-4000mm，红外摄像头分辨率为512*424；彩色摄像头分辨率为1920*1080；红外摄像头采用OV7725摄像头，像素为30w，焦距3.6mm；主控制器3为树莓派4代，采用1.5GHz四核64位ARM Cortex-A72的处理器，处理器型号为博通BCM2711。
火场地图动态重构及危险品检测的消防面罩使用时，打开电源，开启照明灯，红外摄像头和RGB-D摄像头采集火场中环境的图像上传至主控制器3中的场景重构单元4中进行三维地图重构，并将三维重构地图显示在AR显示屏上；气体采集单元采集火场环境中的气体信息通过数据传输模块上传至主控制器3中的气体分析单元中进行气体分析，并将气体浓度数据信息标注在场景重构单元4重构的三维重构地图中，并显示在AR显示屏上，当气体分析单元分析到火场中气体的成分及浓度异常时，语音报警模块发出报警提醒信号；温度采集单元采集火场周围环境的温度信息通过数据传输模块上传至主控制器3中的温度分析单元进行温度分析，并将火源位置标注在场景重构单元4重构的三维重构地图中，显示在AR显示屏上，当温度分析单元中的分析到温度超过阈值，则语音播报模块发出报警提醒信号；危险品检测模块探测火场环境中的物品信息上传至危险品识别模块进行危险品识别，当危险品识别模块识别到危险品时，将相应位置标注在场景重构单元4重构的三维重构地图中，且语音播报单元发出报警提醒信号；主控器中的场景重构单元4经过显示模块和无线传输模块与外部控制中心数据库相互通信，实时动态重构三维地图，当戴有消防面罩的消防人员A移动到其他戴有消防面罩的消防人员移动过的位置时，外部控制中心将数据库中存储的其他戴有消防面罩的消防人员在此位置时重构的三维地图发送至消防人员A的消防面罩中的AR显示屏上；外部控制中心根据火场布置图对处于火场中戴有消防面罩的消防人员进行指挥，及时调整策略。
Claims (5)
1.一种火场地图动态重构及危险品检测的消防面罩，包括面罩本体，面罩本体为可容纳头部的腔室，后端为防火披肩，其特征在于，面罩本体上安装有电源模块，以及均与电源模块连接的数据采集模块、危险品检测模块、数据传输模块、主控制器和自组网定位通讯模块，主控制器包括数据分析模块、危险品识别模块，数据采集模块通过数据传输模块与主控制器中的数据分析模块连接，危险品检测模块与主控制器中的危险品识别模块连接，数据分析模块和危险品识别模块均经过自组网定位通讯模块与外部的控制中心通信，外部的控制中心对每个火场地图动态重构及危险品检测的消防面罩上传的数据进行存储，形成数据库；数据采集模块包括图像采集单元、温度采集单元和气体采集单元，数据分析模块包括场景重构单元、温度分析单元和气体分析单元，温度分析单元和气体分析单元均与场景重构单元连接，图像采集单元与场景重构单元连接，温度采集单元与温度分析单元连接，气体采集单元与气体分析单元连接；温度分析单元分析得到的火源位置标注在场景重构单元重构的三维重构地图中的相应位置，气体分析单元分析得到的气体浓度信息标注在场景重构单元重构的三维重构地图中的相应位置；危险品识别模块采用3D点云标注的方法将所识别的危险品位置标注在由场景重构单元重构的三维重构地图中的相应位置；图像采集单元包括红外摄像头和RGB-D摄像头，场景重构单元包括实时定位子单元和场景重构子单元，实时定位子单元和场景重构子单元连接，场景重构单元采用EX-SLAM方法对火场地图进行动态重构；EX-SLAM方法基于SLAM框架，包括特征跟踪、局部建图、闭环和全局BA优化，通过词袋模型的位置识别模块加速特征匹配，以及包含地图点、互视图、关键帧、生成树的地图模块进行建图，实现地图重用、回环检测以及重新定位；特征跟踪、局部建图、闭环为三个并行线程，全局BA优化为一个独立线程，具体为：将当前消防面罩的RGB-D摄像头采集的图像进行ORB特征提取与匹配，利用PROSAC算法剔除匹配误差，初始化位姿，跟踪重建的局部地图，优化位姿，确定新关键帧，基于新关键帧对地图点进行剔除和/或增加，进行局部BA优化，剔除关键帧，再调取外部控制中心的数据库中的每一个关键帧进行闭环检测和闭环矫正，当检测到闭环关键帧，向外部控制中心发送请求，外部控制中心将数据库中存储的与当前消防面罩所在位置的定位相同的三维重构地图发送给当前的消防面罩，最后进行全局BA优化，更新火场的三维重构地图，并将火场中的房间及通道信息采用3D点云标注的方法标注在三维重构地图中的相应位置；
火 场地图动态重构及危险品检测的消防面罩还包括显示模块、语音播报模块和照明灯，电源模块分别与显示模块、语音播报模块和照明灯连接进行供电，照明灯安装在消防面罩上部，场景重构单元与显示模块连接，显示三维重构地图，温度分析单元和气体分析单元均与语音播报模块连接；危险品识别模块分别与显示模块和语音播报模块连接；当温度分析单元中的分析到温度超过阈值，则语音播报模块发出报警提醒信号，当气体分析单元分析到火场中气体的成分及浓度异常时，语音播报模块发出报警提醒信号，当危险品识别模块识别到危险品时，语音播报模块发出报警提醒信号；显示模块和语音播报模块均与自组网定位通讯模块连接，自组网定位通讯模块与外部的控制中心通信连接，显示模块安装在面罩本体对应于人脸的位置；
自组网定位通讯模块包括定位单元、通讯单元和无线传输单元，定位单元通过无线传输单元与外部控制中心连接，显示模块通过无线传输单元与外部控制中心连接，语音播报模块通过通讯单元与外部控制中心连接，自组网定位通讯模块基于外部的基站进行工作，无线传输单元基于超宽带技术，将显示模块中由场景重构单元重构的三维重构地图传输到外部控制中心的面板中，外部控制中心通过无线传输单元接收定位单元中的位置信息，在显示模块中场景重构单元重构的三维重构地图的相应位置进行实时标注出每个消防人员的位置，形成火场布置图，并显示在外部控制中心的面板上；外部控制中心通过语音播报模块对戴有消防面罩的消防人员进行指挥。
2.根据权利要求1所述的火场地图动态重构及危险品检测的消防面罩，其特征在于，危险品检测模块采用光纤探测器，危险品识别模块存储有光纤探测器探测液化气罐后所产生的光强和光相位的数据变化信息，在火场中，危险品识别模块将危险品检测模块探测的信息与储存的光纤探测器探测液化气罐后所产生的光强和光相位的数据变化信息进行对比，判断火场中是否存在液化气罐。
3.根据权利要求2所述的火场地图动态重构及危险品检测的消防面罩，其特征在于，危险品识别模块采用Canny边缘检测算法识别危险品的边缘轮廓。
4.根据权利要求1所述的火场地图动态重构及危险品检测的消防面罩，其特征在于，闭环检测采用词袋模型DBOW3库计算图像间的相似性进行检验，具体过程为：通过词袋找出和当前帧具有公共单词的所有关键帧，并计算与当前帧具有公共单词的关键帧和当前帧之间的公共单词数，设置公共单词数的阈值，选择公共单词数大于阈值的关键帧计算相似度，得到相似度最低分，再从所有关键帧中选出相似度大于相似度最低分的关键帧，作为当前闭环候选关键帧组，检测当前闭环候选关键帧组是否为闭环关键帧。
5.根据权利要求1所述的火场地图动态重构及危险品检测的消防面罩，其特征在于，显示模块包括光学投影仪和AR显示屏，面罩本体两侧设置有卡槽，安装在面罩本体对应于人脸的位置，AR显示屏固定在卡槽上，光学投影仪与主控制器中的场景重构单元连接，将场景重构单元重构的三维重构地图及标注信息投影至AR显示屏。
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