基于视觉slam 技术的特种场景救援头盔

◆合肥市第一中学 袁子荐

在火灾环境中，浓烟导致人眼视野缩小，消防员难以及时发现被困人员，同时也容易迷失方向，危及自身安全。

现有的消防头盔功能单一，在提高消防员救援效率、保障人身安全等方面存在局限性。因此，设计一种智能化特种场景救援头盔很有必要。

一、设计思路

在头盔上安装红外摄像机和热成像摄像头。利用红外摄像机采集现场环境的图像，弥补夜间视线欠佳的不足；用热成像摄像头探测周围温度，搜索被困人员。

图1 整体结构

该头盔能在火场中实时定位消防员的位置，并构建火灾现场环境的结构信息。当发现幸存者，基于深度学习的目标检测算法自动定位幸存者的位置。这样，消防员只需佩戴这种头盔进入火场，就能对火场环境一目了然，在浓烟环境下仍能精准地实施救援。

二、工作原理

利用同步定位与建图原理、单板机原理，根据图像数据的视差计算图像之间的相对位置关系，同归、累积一段时间的相对位置变化，就能得到消防员相对初始位置的坐标。在估计消防员位置的同时，评估环境中的特征点，计算这些特征点在环境中的相对位置信息，构建出现场环境的结构模型。

同时，在计算单元的后台实时运行基于深度学习的目标检测网络。该网络事先经过大量的数据训练，通过标签匹配和损失函数计算，获取网络的参数配置，并将完整的网络模型部署在头盔端。深度学习网络将自动对每一张输入的红外图像进行目标检测，获得幸存者在图中的位置，并用方框框出。

最后，利用光线投射技术将目标投射到同步定位与建图技术构建的地图中，使消防员能更直观地确认目标人员的位置。

三、制作器材

显示屏支架，显示屏外框（含支撑柱、螺丝），摄像头支架（含支撑柱、螺丝），电源+主机/支架，固定螺栓，电源，树莓派主机，显示屏(含供电线和HDMI 高清线），红外摄像模组（含线），热成像模组（含线），头盔，TAPE-C 供电线，缠绕管，烟雾发生器+电源，等等。

四、制作过程

（一）硬件搭建

1.头盔载体

用PLA塑料作为制作头盔的材料，首先在计算机上通过3D 绘图软件绘制头盔的结构，包括头盔的大小和传感器安装孔位，再用3D 打印机打印头盔的基本形状。

2.供电系统

采用24 V 锂电池供能，并利用降压模块和稳压模块，分别实现对传感器和嵌入式计算单元的供电，保障电源输入的稳定性。

3.主机系统

自埃塞加入国际竹藤组织以来，国际竹藤组织在埃塞执行了15个项目，资助方包括中国、加拿大、美国、欧盟、联合国及世界银行等。项目内容涵盖竹林栽培、管理和加工利用。2018年国际竹藤组织发布了与清华大学合作的埃塞竹子资源清查结果，主办了竹林碳汇和竹子标准培训班。

树莓派主机是程序的主控，设计简单的托架将其固定在头盔上。

传感系统：将红外传感模组、热成像模组固定在头盔上，并与电源、主机相连。

显示系统：制作显示屏支架，将显示屏固定在支架上与头盔固定，连接电源及数据线。

图2 最终外观，整体效果可通过扫描图中二维码观看

图3 袁子荐在第十八届宋庆龄少年儿童发明奖活动现场

（二）算法系统

硬件安装完毕之后，开始进行算法的配置和调试。利用张正友标定法对红外摄像机的内参和惯性设备的外参进行标定，获得传感器的基本硬件参数。利用红外摄像机采集图像（包括不同时段、气候、环境下的图像），用于深度学习模型训练。

在嵌入式设备中安装ROS 系统，实现不同传感器数据间的时间同步，从而配置同步定位与建图算法，实现机器人的定位和环境建图。最后整并目标检测和同步定位与建图算法，实现在地图中被困人员位置的标注。

图4 设计制作

五、测试运行

戴上头盔，打开开关，红外摄像头和夜视摄像头正常捕捉对象和画面，并传到显示屏上。画面稍有延迟但不影响正常工作。

在黑暗环境下，使用烟雾发生器模拟烟雾环境，人们利用夜视摄像头能清楚地看到前方的路和物体。红外摄像头能发现远处带温度的物体、人等。

六、创新点

（一）利用红外摄像和热成像技术，可在复杂环境下帮助消防员发现被困人员。引入传感技术，有效提升消防员的救援效率。

（二）嵌入了定位装置，可实时追踪消防员的位置，并构建火场环境的结构信息，避免消防员迷失方向。

（三）通过定位设备和导航系统确定被困人员的位置，并提供导航指引，帮助消防员快速找到被困人员或火源，实施救援或灭火。

（四）算法的引入使头盔具备自动识别和定位的功能，消防员佩戴头盔进入火场能迅速了解火场环境，快速发现被困人员。

（五）特种场景火灾救援头盔内部配备实时通信设备和实时定位系统，可及时与指挥中心交流，传递信息。实时通信技术可将救援现场的情况反馈给指挥中心，使其及时做出调度和决策。同时，也可实现消防员之间的交流。

七、进一步设想

搭载各种传感器，用于监测火灾现场的温度、气体浓度等环境参数。优化数据分析和处理技术，对传感器采集的数据进行过滤、筛选和分析，提取关键信息，为消防员提供准确的环境监测和预警信息。增加报警和提醒功能，根据环境监测的结果，提醒消防员规避火灾现场的危险。利用基于深度学习的目标检测算法，自动定位被困人员的具体位置。

作者心声

这是一个令人兴奋且具有挑战的探索过程。通过实践，我将自己的想法变为现实，这给予我满足感和成就感。发明一款智能化产品需要对多项技术进行深入研究和创新，这锻炼了我的技术创新能力和解决问题的能力。与老师共同解决技术难题、优化产品设计，团队合作的经历提高了我的协作能力和沟通能力。

如果我的发明能帮助人们提高工作效率、改善生活质量或解决特定领域的难题，对社会产生积极的影响，尤其是保障人们的生命安全，哪怕是极小的作用，我也觉得非常有意义。

专家点评

袁子荐同学基于视觉slam 技术的特种场景救援头盔，按创意来源和专业程度分类，属于A 类作品，即选题专业性较强，需具备较深厚的专业基础，并在专业实验室或专业机构完成的作品。特别能说明这一分类的理由是，2022年3月22 日，有报道称“呈像应急中标深圳消防救援支队智能头盔研发项目”。

这一作品的完成，充分体现了：其一，学校的教育理念紧跟时代，创新氛围浓郁，科技创新基础条件好；其二，科技指导教师在信息技术、人工智能等方面具有一定的专业水准；其三，袁子荐同学具有挑战精神，其技术学习能力和技术运用能力达到了较高的水准。

党的二十大将“教育、科技、人才”提至更重要的位置。习近平总书记多次强调要加强对青少年科学素养的培养，强调要进一步加强教育改革，以更好地培养青少年的创新意识和能力。高中学校应该像他们一样，牢记总书记的嘱托，在科创人才培养方面迈出坚定的步伐。