一種基于服務(wù)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，越來越多的不同種類的智能機(jī)器人出現(xiàn)在工廠、生活當(dāng)中，機(jī)器人視覺系統(tǒng)作為智能機(jī)器人系統(tǒng)中一個(gè)重要的子系統(tǒng)，也越來越受到人們的重視。它涉及了圖像處理、模式識(shí)別和視覺跟蹤等領(lǐng)域。不同種類的機(jī)器人由于工作的重點(diǎn)不一樣，它的視覺系統(tǒng)在軟件或硬件上都有著細(xì)微的差別。本文研究基于服務(wù)機(jī)器人的單目視覺系統(tǒng)。它處理的是二維圖像，是基于對(duì)無(wú)遮擋物體顏色和形狀的識(shí)別以及3D目標(biāo)物體的平動(dòng)跟蹤。

　　視覺系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它既要做到圖像的準(zhǔn)確采集還要做到對(duì)外界變化反應(yīng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)還需要對(duì)外界運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤。因此，視覺系統(tǒng)對(duì)硬件和軟件系統(tǒng)都提出了較高的要求。目前比較流行的足球機(jī)器人技術(shù)，它的視覺系統(tǒng)屬于比較典型的快速識(shí)別和反應(yīng)類型。一般情況下，它是通過彩色標(biāo)志定標(biāo)的方法來達(dá)到對(duì)隊(duì)員和目標(biāo)的識(shí)別，以及通過擴(kuò)展卡爾曼濾波器的預(yù)測(cè)功能來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤功能。在硬件上，采用一個(gè)現(xiàn)成的攝像機(jī)來實(shí)現(xiàn)一個(gè)機(jī)器人的圖像采集系統(tǒng)。

　　本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用CMOS圖像傳感器代替CCD類型傳感器進(jìn)行采集圖像，DSP處理芯片TMS320VC5509A進(jìn)行圖像處理以及作為CPU控制，在設(shè)計(jì)過程中，為了直觀顯現(xiàn)機(jī)器人視覺系統(tǒng)識(shí)別和跟蹤的效果，專門采用了一個(gè)TFT格式的液晶來直觀顯示。軟件上，采用了一部分足球機(jī)器人的視覺技術(shù)來達(dá)到對(duì)目標(biāo)的快速識(shí)別，通過全局的特征矩構(gòu)建的雅可比矩陣達(dá)到對(duì)目標(biāo)的自適應(yīng)跟蹤。

　　1 硬件部分設(shè)計(jì)

　　圖1為系統(tǒng)硬件電路的功能模塊框圖。

　　1.1 圖像采集

　　視覺鏡頭把外部的圖像信息成像在圖像傳感器的面陣單元上。目前流行的圖像傳感器有面陣CCD（Charged Coupled Device，電荷耦合器件）型和面陣CMOS兩種。相比較CCD型的圖像傳感器，CMOS圖像傳感器的有源像素單元為每一個(gè)像素提供了放大器，只需一個(gè)單供電低邏輯電平電壓，功耗只相當(dāng)于CCD的十分之一。CMOS圖像傳感器內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換部分，直接輸出數(shù)字信號(hào)?；谶@些因素，本系統(tǒng)采用了Omnivision公司推出的CMOS彩色圖像傳感器OV7635。

　　OV7635的分辨力為640X480，能輸出3種格式的8位數(shù)據(jù)：YCbCr4:2：2模式、RGB4:2：2模式和RGB原始數(shù)據(jù)模式。輸出VGA格式最大可達(dá)到30fps（fps：每秒幀數(shù)）。能工作在逐行掃描下和隔行掃描下。OV7635有主模式和從模式兩種工作模式。在主模式下，同步信號(hào)和時(shí)鐘不由外圍設(shè)備控制。在從模式下，OV7635的場(chǎng)同步信號(hào)VSYNC，行同步信號(hào)HREF以及系統(tǒng)的晶振頻率XCLK均由外部設(shè)備控制。本系統(tǒng)采用的是主模式。OV7635通過I2C總線配置片內(nèi)寄存器，使其輸出原始數(shù)據(jù)。系統(tǒng)上電復(fù)位后，由DSP芯片的I2C總線信號(hào)對(duì)CMOS寄存器初始化。然后OV7635就按要求輸出圖像信號(hào)。包括行同步信號(hào)HREF，場(chǎng)同步信號(hào)VSYNC，像素時(shí)鐘信號(hào)PCLK，數(shù)字圖像信號(hào)。

　　1.2 液晶顯示

　　為了很直觀的看到視覺系統(tǒng)對(duì)人的識(shí)別和跟蹤效果，采用了一片INNOLUX公司的PT035TN01液晶顯示屏。為了不增加對(duì)DSP的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也為了實(shí)時(shí)看到對(duì)外界目標(biāo)物體的跟蹤效果，液晶顯示的數(shù)據(jù)不經(jīng)由DSP，直接通過傳感器OV7635輸出的圖像數(shù)據(jù)信號(hào)和CPLD控制時(shí)序來進(jìn)行顯示。PT035TN01是3.5英寸TFT格式的液晶，分辨力為320×3（RGB）×240，液晶IF1、IF2兩輸入控制腳對(duì)輸入的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行選擇：串行RGB格式、CCIR601格式、CCIR656格式。液晶的掃描模式有4種。本視覺系統(tǒng)采用的輸入數(shù)據(jù)格式是CCIR601格式，掃描模式為由上到下和左到右的掃描模式。

　　在CCIR601格式下，圖像傳感器輸出的像素時(shí)鐘PCLK通過CPLD二分頻作為液晶的工作時(shí)鐘，圖像傳感器輸出的行同步信號(hào)HREF經(jīng)過CPLD的處理后作為液晶的行同步信號(hào)HIS，這樣，在CPLD控制下，圖像傳感器OV7635輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)送入液晶中進(jìn)行顯示。

　　1.3 時(shí)序控制

　　OV7635輸出的場(chǎng)同步信號(hào)VSYNC，行同步信號(hào)HREF以及像素時(shí)鐘信號(hào)PCLK接至CPLD芯片，產(chǎn)生控制信號(hào)把OV7635輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)存入FIFO幀存儲(chǔ)器AL422B中，以及產(chǎn)生液晶的時(shí)鐘和行同步信號(hào)控制液晶的顯示。CPLD采用了ALTERA公司的EPM7064芯片。在CPLD中完成了對(duì)FIFO的寫控制、通知DSP讀信號(hào)、液晶的時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生等功能。

　　CPLD接收?qǐng)鐾叫盘?hào)VSYNC，此信號(hào)的下降沿表示圖像傳感器輸出一幀的開始，此時(shí)CPLD產(chǎn)生WRST負(fù)脈沖復(fù)位FIFO的寫指針。場(chǎng)同步信號(hào)VSYNC下降沿后，判斷行同步信號(hào)HREF的上升沿到來，接著利用像素時(shí)鐘信號(hào)PCLK作為寫時(shí)鐘WCK將圖像數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到FIFO中，當(dāng)存到一定的數(shù)后，就及時(shí)發(fā)信號(hào)給DSP，以便DSP讀取數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用的是一個(gè)中斷INT0來通知DSP。此時(shí)DSP可以讀數(shù)據(jù)也可以不讀，視處理的速度來定。讀數(shù)據(jù)時(shí)，可利用RD和片選，產(chǎn)生RCK信號(hào)。DSP讀取的速度不能太快，以讀取速度小于寫速度為原則。

　　在對(duì)液晶的邏輯時(shí)序控制上，由于圖像輸出的信號(hào)是640×480的像素，而液晶的顯示為320×240的格式。所以利用CPLD把圖像傳感器輸入的像素時(shí)鐘信號(hào)PCLK進(jìn)行二分頻產(chǎn)生液晶的時(shí)鐘信號(hào)控制液晶的顯示，同時(shí)對(duì)行同步信號(hào)進(jìn)行隔行有效從而達(dá)到液晶對(duì)圖像的顯示。CPLD中的程序編寫用的采用了硬件描述語(yǔ)言VHDL，在QUARTUSⅡ軟件平臺(tái)上進(jìn)行編寫的。由于在選用芯片時(shí)采用的是EPM7064S系列的44腳PLCC封裝的，只能工作在5V電壓情況下，其輸出的高電平信號(hào)是5V，必須通過處理才能接入系統(tǒng)中工作在3。3V狀態(tài)下的芯片器件。

　　1.4 幀存儲(chǔ)器選擇

　　幀存儲(chǔ)器有需要外部提供地址線的RAM和不需要外部提供地址線的FIFO，為了簡(jiǎn)化CPLD的設(shè)計(jì)。采用了FIFO的幀存儲(chǔ)器。FIFO又可以分為基于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)的DRAM和基于靜態(tài)的SRAM?；陟o態(tài)SRAM的優(yōu)點(diǎn)是不需要刷新電路，但容量小，需要多片才能存儲(chǔ)一幀數(shù)據(jù);基于DRAM的優(yōu)點(diǎn)是容量大，只需一片就能存儲(chǔ)一幀數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是必須有刷新電路。本設(shè)計(jì)中采用的是Averlogic公司的大容量FIFO動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)芯片AL422B。其刷新電路比較簡(jiǎn)單，僅需WCK或RCK提供大于1M的不間斷脈沖即可。AL422B的存儲(chǔ)容量為3MB，由于系統(tǒng)一幀的信息通常包含640×480個(gè)彩色像素，每個(gè)像素占用2個(gè)字節(jié)，可存儲(chǔ)1幀圖像的完整信息，其工作頻率可達(dá)50MHz。

　　1.5 視頻處理DSP

　　在選用DSP時(shí)，在兼顧處理速度，存儲(chǔ)容量，現(xiàn)有條件下的加工工藝水平，以及性價(jià)比方面，選用了TI公司的144腳封裝的TMS320VC5509A，此芯片的最高工作頻率可達(dá)到200MHz，具有很高的處理速度。

　　DSP收到來自CPLD的讀通知信號(hào)后開始讀取AL422B中的視頻數(shù)據(jù)。為了方便處理數(shù)據(jù)，在DSP外圍擴(kuò)展了一個(gè)的SDRAM。芯片采用的是HYNIX公司的HY57V161610E，此芯片的存儲(chǔ)容量為1M×16bits。

　　當(dāng)DSP上電復(fù)位后，通過采樣GPIO0～GPIO3的狀態(tài)，根據(jù)采樣的狀態(tài)來進(jìn)行什么樣方式的程序裝載。本系統(tǒng)的采用外接的flash存儲(chǔ)芯片的SPI口對(duì)DSP進(jìn)行程序裝載，接著通過DSP的I2C口對(duì)圖像傳感器進(jìn)行寄存器初始化。圖像傳感器開始輸出信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)開始進(jìn)入工作。

　　DSP作為高速的處理器，主要用于圖像的處理。由于本視覺系統(tǒng)要完成識(shí)別和跟蹤功能，數(shù)據(jù)的處理量是很大的。在完成圖像處理的同時(shí)，DSP也作為控制器使用完成對(duì)控制器的控制，從而構(gòu)成視覺跟蹤系統(tǒng)。