基于DSP的機器人視覺伺服系統(tǒng)研究與設(shè)計

1. 引言

　　機器人視覺伺服系統(tǒng)是機器人領(lǐng)域中的重要研究方向，起源于80年代初，隨著計算機技術(shù)、圖像處理技術(shù)、控制理論的發(fā)展，取得了很大進步，有一些系統(tǒng)已投入使用。視覺伺服跟通常所說的機器視覺有所不同，視覺伺服是利用機器視覺的原理，進行圖像的自動獲取分析，從直接得到的圖像處理反饋信息中，快速進行圖像處理，在盡量短的時間內(nèi)給出反饋信號，構(gòu)成機器人的位置閉環(huán)控制，實現(xiàn)對機器人的控制。正是由于系統(tǒng)以實現(xiàn)某種控制為目的，所以視覺伺服系統(tǒng)中的圖像處理過程必須快速準確。本文主要針對機器人視覺伺服系統(tǒng)要求快速準確的特點，為滿足項目研究的需要，討論研究了基于DSP的圖像反饋機器人視覺伺服技術(shù)。

　　2 . 系統(tǒng)工作原理及硬件構(gòu)成

　　基于圖像的視覺伺服直接計算圖像誤差，產(chǎn)生控制信號，并變換到機器人運動空間，驅(qū)動機械手，完成伺服任務(wù)。該方法對標定誤差和空間模型誤差不敏感。

　　對于機器人視覺伺服系統(tǒng),實時性問題一直是一個難以解決的重要問題。圖像采集速度較低以及圖像處理需要較長時間會給系統(tǒng)帶來明顯的時滯;此外視覺信息的引入也明顯增大了系統(tǒng)的計算量。而圖像處理速度是影響視覺伺服系統(tǒng)實時性的主要瓶頸之一。

　　實時圖像處理設(shè)計的難點是如何在有限的時間內(nèi)完成對大量圖像數(shù)據(jù)的處理。從人的視覺理論分析，只有圖像處理系統(tǒng)的處理速度達每秒25幀以上時才能達到實時的效果，即要求實時圖像處理系統(tǒng)必須在40ms內(nèi)完成對一幀l圖像的運算處理，才能保證圖像的實時性。為了達到該處理速度，我們采用了基于DSP的圖像視覺伺服方式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于DSP的圖像反饋機器人視覺伺服結(jié)構(gòu)圖

　　2.1 WTC6201PA板簡介

　　本文選用了聞亭公司的WTC6201PA板，其板上硬件組成如圖2所示。

圖2 WTC6201PA板硬件組成

　　WTC6201PA板屬于EVM板中的一種，它采用了TI公司的DSP器件TMS320C6201芯片。TMS320C6201芯片的最高時鐘頻率為200MHZ，每個時鐘周期最多可以執(zhí)行8條指令，從而實現(xiàn)16000MIPS的定點運算能力，它具有如下主要特點：

· 采用了修正的哈佛總線結(jié)構(gòu)，獨立的程序總線、數(shù)據(jù)總線和DMA總線使得取指、讀寫數(shù)據(jù)和DMA操作可以并行。

· 采用流水線處理，使兩個或多個不同的操作可以重疊執(zhí)行，提高了程序執(zhí)行速度。

· 具有高性能的外部存儲器擴展接口EMIF，可以直接與同步突發(fā)靜態(tài)存儲器SBSRAM、同步動態(tài)存儲器SDRAM連接，用于大容量、高速存儲;還包括直接異步存儲器接口，可與靜態(tài)存儲器SRAM、只讀存儲器EPROM連接，用于小容量的數(shù)據(jù)存儲和程序存儲;芯片內(nèi)部集成的64K程序存儲器可配置成CASHE，以提高程序執(zhí)行效率。
· 16位主機口能夠和其它CPU的存儲區(qū)以及外圍電路進行通信。且多通道DMA控制器可在沒有CPU參與的情況下完成映射存儲空間中的數(shù)據(jù)搬移，從而減輕CPU的工作量。

　　同時板上配置了高速同步存儲器SBSRAM（128K×32Bit）和SDRAM（4M×32bit），兩路A/D轉(zhuǎn)換器，大容量的FPGA器件和外部I/O接口，板上還提供了一個McBSP接口，兼容5V TTL電平，方便用戶與外部系統(tǒng)通信。WT6201PA板滿足PCI Local Bus Revision 2.1 協(xié)議，主機可訪問DSP的所有資源，用戶可通過主機加載程序。WTC6201PA板提供了Win98和NT下的驅(qū)動軟件及DSP的應(yīng)用軟件（APIs），利用這個硬件平臺和底層軟件庫，用戶可以很容易的進行軟件開發(fā)。

　　2.2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

我們選用了WTC6201PA板上的TMS320C6201芯片、FPGA、SBSRAM、SDRAM、雙口RAM、PCI總線、JTAG接口等硬件資源作為視覺圖像處理單元，和PC主控機、圖像采集卡、CCD攝像機和機器人控制系統(tǒng)組成系統(tǒng)，原理框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

　　系統(tǒng)工作過程如下：

　　CCD攝像機輸出標準制式的全電視信號，其中包含著圖像信號、復(fù)合同步信號、行、場消隱信號、槽脈沖和前后均衡脈沖等七種信號。本系統(tǒng)采用了北京大恒公司的DH-PCI-H圖像采集卡來實現(xiàn)視頻信號的預(yù)處理。CCD攝像機將視頻數(shù)據(jù)輸入到圖像采集卡，圖像采集卡按照設(shè)定的窗口位置、大小和方式采集視頻數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)存儲在計算機的內(nèi)存中。圖像傳輸由圖像卡控制的，無需CPU參與，圖像傳輸速度可達40MB/S。

　　設(shè)置圖像采集卡的采集方式是25幀/s連續(xù)采集，則采集一幀的時間為40ms，每一幀圖像由奇偶兩場組成，場頻為50HZ，即一場掃描時間為20ms。圖像采集大小為512×512像素，量化為8bit，256灰度級，則一幀圖像的數(shù)據(jù)量為512×512×8bit=256KB。圖像數(shù)據(jù)存儲方式為隔行存放，即奇、偶場的圖像數(shù)據(jù)交叉存放，組成一幀完整圖像函數(shù)。

　　C6201由BOOTMODE[4:0]設(shè)置芯片的自舉方式，加載過程采用主機（HPI）引導(dǎo)方式。外部主機通過主機口初始化CPU的存儲空間，主機完成所有的初始化后，將主機口控制寄存器中的DSPINT位設(shè)置為1，結(jié)束引導(dǎo)過程。CPU退出復(fù)位狀態(tài)，開始執(zhí)行地址0處的指令。

　　系統(tǒng)上電后，主機經(jīng)HPI口對系統(tǒng)初始化，主要完成對各寄存器的設(shè)置，包括EMIF、中斷、DMA等相關(guān)的寄存器初始化操作等。主機向HPI控制寄存器的DSPINT位寫1觸發(fā)DSP運行，系統(tǒng)進入等待狀態(tài)。CCD攝像機實時采集圖像，經(jīng)圖像采集卡處理后存儲到主機內(nèi)存。PC機內(nèi)存緩沖區(qū)一幀存滿，向DSP發(fā)中斷信號，DSP應(yīng)答后，通過PCI總線將圖像數(shù)據(jù)從主機內(nèi)存經(jīng)HPI口傳輸?shù)絎TC6201PA板片外SDRAM。DSP控制波門范圍內(nèi)圖像數(shù)據(jù)以DMA方式傳輸?shù)絻?nèi)部數(shù)據(jù)存儲器。由于DSP為指令結(jié)構(gòu)處理芯片，具有可編程性好、可以處理大量復(fù)雜指令（由程序RAM地址空間的大小決定）等優(yōu)點，但相對FPGA而言其處理速度比較慢;而FPGA為可編程邏輯器件，具有很強的細粒度并行處理和多級流水線處理能力，但其內(nèi)部有限的邏輯資源使之不適合實現(xiàn)復(fù)雜邏輯運算。因此我們采用FPGA作為協(xié)處理器來完成底層操作，再由DSP完成高層操作，兩種操作可以采用流水線的方式并行運行，共同完成高速圖像處理。從FPGA到DSP之間的圖像數(shù)據(jù)傳輸使用雙端口RAM。處理完一幀圖像后，DSP向主機發(fā)信息，主機應(yīng)答后，將圖像處理結(jié)果經(jīng)PCI總線傳輸至PC機內(nèi)存，PC機再將位置偏差數(shù)據(jù)信號送至伺服控制系統(tǒng)，完成伺服任務(wù)。

　　3 圖像雅可比矩陣

　　對于圖像反饋機器人視覺伺服系統(tǒng)控制機構(gòu)，圖像雅可比矩陣是很關(guān)鍵的，它描述了機器人空間中的運動與圖像特征空間中的運動之間的關(guān)系：

式 （2），（4）是圖像雅可比矩陣的兩種表示形式，是基于圖像反饋的視覺跟蹤研究的基礎(chǔ)。需要指出的是，為了確保得到唯一的圖像特征矢量，圖像特征空間維數(shù)應(yīng)該大于或等于位姿空間維數(shù)（n≧m）。

　　計算圖像雅可比矩陣的方法有在線估計法、經(jīng)驗方法和學習方法。在線估計法通過動態(tài)估算得到圖像雅可比矩陣;經(jīng)驗法可以通過標定或先驗?zāi)Ｐ椭R得到圖像雅可比矩陣;學習方法主要可以利用離線示教和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法得到雅可比矩陣。

　　結(jié)論

　　本文分析了機器人視覺伺服系統(tǒng)的基本原理，并設(shè)計了基于TMS320C6201和可編程邏輯器件FPGA協(xié)處理結(jié)構(gòu)的視覺系統(tǒng)，實現(xiàn)了圖像采集和圖像目標的實時處理。在實驗室中我們利用所設(shè)計的視覺系統(tǒng)構(gòu)建了實驗平臺，通過實驗驗證了所設(shè)計的視覺系統(tǒng)滿足機器人視覺伺服系統(tǒng)的實時要求。

　　本文作者創(chuàng)新點：對于機器人視覺伺服系統(tǒng),實時性問題一直是一個難以解決的重要問題。本文創(chuàng)新采用TMS320C6201芯片來實現(xiàn)機器人視覺伺服的圖像處理，并采用FPGA協(xié)處理，提高了圖像處理速度，實驗驗證了所設(shè)計系統(tǒng)滿足機器人視覺伺服的實時要求,具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。