基于圖像的機器人視覺伺服實驗研究

dsp圖像處理系統(tǒng)及圖像處理

　　系統(tǒng)簡介

　　本實驗中采用的是北京合眾達公司的seed-vpm642視頻處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一款專為各種視頻應用而開發(fā)的pci插卡或帶10/100m以太網接口的處理系統(tǒng)。它是在tms320dm642芯片基礎上通過外擴容量為4m×64位的同步動態(tài)存儲器sdram;容量為4m×8位的在線電可擦/寫異步存儲器flash;可配置為rs232/rs422/rs485標準的兩路uart串行接口;4路pal/ntsc標準模擬視頻輸入，1路pal/ntsc標準模擬視頻輸出;4路立體聲音頻輸入/輸出;實時時鐘rtc和512×8位eeprom;32位的33mhz、支持主/從模式的pci接口或者10/100mbase-tx標準以太網接口;標準ata硬盤接口;以及esam硬件加密模塊。系統(tǒng)可實時實現多路數字視頻/音頻的編解碼運算，如mpeg4、h.264、g.729等;可實時接收4路視頻/音頻輸入，并實時輸出。并能實現與其他io設備、計算機、存儲設備、以太網絡進行實時數據的高速傳輸和處理。系統(tǒng)由實驗箱體、ccd攝像頭、seed-vpm642處理板等組成。在箱體上已固定好兩個串行接口、硬盤接口、4路圖像輸入和輸出接口、液晶顯示器等［8］。

　　圖像處理

　　本實驗圖像處理具體實現過程如圖4所示。

　　由ccd攝像頭攝取的按4:2：2格式傳輸的彩色模擬視頻信號經過解碼芯片的采集，對y、cb、cr信號按照2:1：1采樣率進行采樣，并將它們分離開來。在dsp系統(tǒng)中將彩色圖像轉變成灰度圖像，對該圖像進行閾值二值化后變成二值圖像，然后經過中值濾波濾除噪聲點，使用sobel算子進行邊界提取。對該邊界圖像信號使用點hough質心求取算法求取質心圖像坐標［3］，并通過串口通訊將質心坐標值傳遞給工控機程序;同時，處理后的數字視頻信號經過編碼芯片編碼后，送顯示設備實時顯示。

機器人視覺伺服系統(tǒng)工作流程

　　硬件流程

　　本實驗系統(tǒng)由工控機、pmac運動控制卡、松下交流伺服系統(tǒng)、dsp圖像處理系統(tǒng)和機器人組成。了解和熟悉松下交流伺服系統(tǒng)的原理和功能后，調試機器人關節(jié)伺服電機的運行，優(yōu)化相關控制參數以求獲得最好伺服效果;研究pmac運動控制卡的原理和功能，并與松下交流伺服系統(tǒng)配合，編寫運動程序，不斷調整和優(yōu)化pmac卡的控制參數，以求獲得滿意的運動控制效果;對seed-vpm642圖像處理系統(tǒng)進行深入學習和研究后，開發(fā)視頻圖像處理程序。組成該系統(tǒng)的硬件流程圖如圖5所示。

　　pmac控制卡安裝在工控機中，它通過isa總線與工控機通訊。工控機主要運行主控程序、pmac應用程序、dsp應用軟件ccs。seed-vpm642實驗箱通過rs232串口數據線與工控機相連并進行數據通訊。pmac控制卡通過電纜連接松下交流伺服系統(tǒng)，接收松下伺服控制器輸出的編碼器信號，輸出指令信號給松下交流伺服系統(tǒng)。ccd攝像頭攝取目標物體圖像，輸出連續(xù)彩色視頻圖像給dsp圖像處理系統(tǒng)。seed-vpm642圖像處理系統(tǒng)處理攝像頭攝取的圖像，求取圓形物體的質心圖像坐標，通過串口傳遞給工控機。

系統(tǒng)工作流程

　　給定期望目標物體質心圖像坐標，主控程序計算其與由dsp圖像處理系統(tǒng)反饋的質心圖像坐標值的差值，判斷系統(tǒng)是否已到達伺服位置，若已到達，則結束伺服過程;否則，求解圖像雅可比矩陣的逆陣，得到機器人兩個關節(jié)應轉動的角度值，并將其輸出給pmac運動程序，pmac卡按運動程序計算并輸出轉矩指令給松下伺服控制器，由它直接控制機器人關節(jié)電機的運轉，通過編碼器檢測關節(jié)的位置，反饋給伺服控制器和pmac卡（伺服控制器對編碼器信號進行處理后自身使用并可同時輸出）。ccd攝像頭跟隨機器人運動，攝取目標物體圖像，通過dsp圖像處理程序處理后求得目標物體質心圖像坐標，通過串口通訊傳遞給主控程序作為視覺反饋量，形成視覺伺服循環(huán)。

實驗結果

　　基于上述系統(tǒng)原理，在vc++6.0環(huán)境下編寫主控程序，主控程序主要包括界面的顯示和人機交互部分、圖像雅可比矩陣逆陣部分、pmac應用程序部分，串口通信部分、數據存儲部分。程序運行界面如圖6所示。

　　程序界面能對期望像素值、實際像素值的初始值、增益矩陣、關節(jié)初始轉角、數據采集間隔等進行設置。程序能夠對實際像素值、關節(jié)角度增量值和關節(jié)實際位置值等進行實時顯示，并存儲相關數據。通過調用pmac動態(tài)鏈接庫函數，實現與pmac卡的通訊。增益矩陣為對角矩陣，用來設置關節(jié)角度變化的放大比例。程序設置了兩個定時器，一個用于采集兩個關節(jié)的實際位置值，另一個用于定時接收串口數據值、計算雅可比矩陣、與pmac卡通訊等，也即為系統(tǒng)的伺服周期。

　　本實驗利用兩個時刻的像素誤差作為控制量，來驗證視覺伺服算法是否正確和上述系統(tǒng)是否實際可行。通過設置關節(jié)1、關節(jié)2的初始角度分別為0和0.2弧度，期望像素值u和w分別為200和110，實際像素u和w初始值分別為95和150，矩陣增益1和2分別為0.06和0.05，pmac卡采集時間設定為100ms，伺服周期設定為1.2s。下面兩表是根據以上設置進行實驗的一組數據。表1是物體質心圖像坐標兩相鄰時刻的變化值，表2是由程序計算出的機器人兩個關節(jié)角度變化值。

　　根據以上數據運用originpro軟件繪制的圖形如下：圖7是圖像坐標兩相鄰時刻的變化值曲線，圖8是機器人兩個關節(jié)角度變化值曲線。

　　在實驗中，根據目標物體圖像坐標像素的變化，得到機器人關節(jié)轉動角度的變化，通過pmac卡和松下交流伺服系統(tǒng)的作用實現了機器人的視覺伺服運動。從上述兩表和兩圖可看出，圖像坐標的變化和機器人關節(jié)角度值的變化是一種非常復雜的非線性關系，這也從另一方面證實了圖像雅可比矩陣的非線性關系和求解困難性。從公式（5）可看出，圖像雅可比矩陣既跟當前時刻的像素值有關，還與攝像機的相關參數、機器人的相關參數和關節(jié)的角度值有關，是一個時時刻刻都隨這些量的變化而變化的矩陣，因而其非線性非常嚴重，求解也非常困難，本文中假定了機器人的轉動角度初始值，才使得求解稍容易一點。本實驗只是基于圖像的機器人視覺伺服實驗研究的起始階段實驗，其效果并不太理想。本文系統(tǒng)的攝像頭是運動的，目標物體是不動的，所處理的圖像是動態(tài)視頻圖像，這就對dsp系統(tǒng)和視頻圖像處理方法提出了較高要求;因而圖像處理算法還有待進一步改進和開發(fā)，并脫離dsp仿真環(huán)境下載到系統(tǒng)中運行，也有待于對整個系統(tǒng)的伺服算法做更深入的研究。

結語

　　本文分析了機器人視覺伺服系統(tǒng)的基本原理，采用基于圖像的視覺伺服方法，繞過三維空間重建和坐標變換，建立了機器人視覺伺服系統(tǒng)的數學模型，并應用到實際機器人系統(tǒng)中來。組建了由工控機、pmac運動控制卡、松下交流伺服系統(tǒng)、dsp圖像處理系統(tǒng)和兩桿平面機器人組成的視覺伺服機器人系統(tǒng)，在對各子系統(tǒng)深入研究的基礎上，開發(fā)了pmac運動程序、dsp圖像處理程序和工控機主控程序，在實際機器人系統(tǒng)中初步實現了視覺伺服控制，系統(tǒng)能根據目標物體質心圖像坐標值的變化，求解出機器人兩關節(jié)應運動的角度值，并控制機器人按相應角度值運動，實現視覺伺服。實驗結果表明，系統(tǒng)初步實現了基于圖像的機器人視覺伺服在實際機器人系統(tǒng)中的實現。本實驗只是該課題的起始階段實驗，其效果也不理想，下一步將對整個系統(tǒng)進行更深入的研究。