一种基于服务机器人的视觉系统设计

　　随着计算机科学和自动控制技术的发展，越来越多的不同种类的智能机器人出现在工厂、生活当中，机器人视觉系统作为智能机器人系统中一个重要的子系统，也越来越受到人们的重视。它涉及了图像处理、模式识别和视觉跟踪等领域。不同种类的机器人由于工作的重点不一样，它的视觉系统在软件或硬件上都有着细微的差别。本文研究基于服务机器人的单目视觉系统。它处理的是二维图像，是基于对无遮挡物体颜色和形状的识别以及3D目标物体的平动跟踪。

　　视觉系统是一个非常复杂的系统，它既要做到图像的准确采集还要做到对外界变化反应的实时性，同时还需要对外界运动的目标实时跟踪。因此，视觉系统对硬件和软件系统都提出了较高的要求。目前比较流行的足球机器人技术，它的视觉系统属于比较典型的快速识别和反应类型。一般情况下，它是通过彩色标志定标的方法来达到对队员和目标的识别，以及通过扩展卡尔曼滤波器的预测功能来实现对目标的跟踪功能。在硬件上，采用一个现成的摄像机来实现一个机器人的图像采集系统。

　　本系统在设计上采用CMOS图像传感器代替CCD类型传感器进行采集图像，DSP处理芯片TMS320VC5509A进行图像处理以及作为CPU控制，在设计过程中，为了直观显现机器人视觉系统识别和跟踪的效果，专门采用了一个TFT格式的液晶来直观显示。软件上，采用了一部分足球机器人的视觉技术来达到对目标的快速识别，通过全局的特征矩构建的雅可比矩阵达到对目标的自适应跟踪。

　　1 硬件部分设计

　　图1为系统硬件电路的功能模块框图。

　　

　　1.1 图像采集

　　视觉镜头把外部的图像信息成像在图像传感器的面阵单元上。目前流行的图像传感器有面阵CCD（Charged Coupled Device，电荷耦合器件）型和面阵CMOS两种。相比较CCD型的图像传感器，CMOS图像传感器的有源像素单元为每一个像素提供了放大器，只需一个单供电低逻辑电平电压，功耗只相当于CCD的十分之一。CMOS图像传感器内部集成了A/D转换部分，直接输出数字信号。基于这些因素，本系统采用了Omnivision公司推出的CMOS彩色图像传感器OV7635。

　　OV7635的分辨力为640X480，能输出3种格式的8位数据：YCbCr4:2：2模式、RGB4:2：2模式和RGB原始数据模式。输出VGA格式最大可达到30fps（fps：每秒帧数）。能工作在逐行扫描下和隔行扫描下。OV7635有主模式和从模式两种工作模式。在主模式下，同步信号和时钟不由外围设备控制。在从模式下，OV7635的场同步信号VSYNC，行同步信号HREF以及系统的晶振频率XCLK均由外部设备控制。本系统采用的是主模式。OV7635通过I2C总线配置片内寄存器，使其输出原始数据。系统上电复位后，由DSP芯片的I2C总线信号对CMOS寄存器初始化。然后OV7635就按要求输出图像信号。包括行同步信号HREF，场同步信号VSYNC，像素时钟信号PCLK，数字图像信号。

　　1.2 液晶显示

　　为了很直观的看到视觉系统对人的识别和跟踪效果，采用了一片INNOLUX公司的PT035TN01液晶显示屏。为了不增加对DSP的负担，同时也为了实时看到对外界目标物体的跟踪效果，液晶显示的数据不经由DSP，直接通过传感器OV7635输出的图像数据信号和CPLD控制时序来进行显示。PT035TN01是3.5英寸TFT格式的液晶，分辨力为320×3（RGB）×240，液晶IF1、IF2两输入控制脚对输入的数据格式进行选择：串行RGB格式、CCIR601格式、CCIR656格式。液晶的扫描模式有4种。本视觉系统采用的输入数据格式是CCIR601格式，扫描模式为由上到下和左到右的扫描模式。

　　在CCIR601格式下，图像传感器输出的像素时钟PCLK通过CPLD二分频作为液晶的工作时钟，图像传感器输出的行同步信号HREF经过CPLD的处理后作为液晶的行同步信号HIS，这样，在CPLD控制下，图像传感器OV7635输出的数据信号送入液晶中进行显示。

　　1.3 时序控制

　　OV7635输出的场同步信号VSYNC，行同步信号HREF以及像素时钟信号PCLK接至CPLD芯片，产生控制信号把OV7635输出的数据信号存入FIFO帧存储器AL422B中，以及产生液晶的时钟和行同步信号控制液晶的显示。CPLD采用了ALTERA公司的EPM7064芯片。在CPLD中完成了对FIFO的写控制、通知DSP读信号、液晶的时钟信号的产生等功能。

　　CPLD接收场同步信号VSYNC，此信号的下降沿表示图像传感器输出一帧的开始，此时CPLD产生WRST负脉冲复位FIFO的写指针。场同步信号VSYNC下降沿后，判断行同步信号HREF的上升沿到来，接着利用像素时钟信号PCLK作为写时钟WCK将图像数据直接存储到FIFO中，当存到一定的数后，就及时发信号给DSP，以便DSP读取数据，本系统采用的是一个中断INT0来通知DSP。此时DSP可以读数据也可以不读，视处理的速度来定。读数据时，可利用RD和片选，产生RCK信号。DSP读取的速度不能太快，以读取速度小于写速度为原则。

　　在对液晶的逻辑时序控制上，由于图像输出的信号是640×480的像素，而液晶的显示为320×240的格式。所以利用CPLD把图像传感器输入的像素时钟信号PCLK进行二分频产生液晶的时钟信号控制液晶的显示，同时对行同步信号进行隔行有效从而达到液晶对图像的显示。CPLD中的程序编写用的采用了硬件描述语言VHDL，在QUARTUSⅡ软件平台上进行编写的。由于在选用芯片时采用的是EPM7064S系列的44脚PLCC封装的，只能工作在5V电压情况下，其输出的高电平信号是5V，必须通过处理才能接入系统中工作在3。3V状态下的芯片器件。

　　1.4 帧存储器选择

　　帧存储器有需要外部提供地址线的RAM和不需要外部提供地址线的FIFO，为了简化CPLD的设计。采用了FIFO的帧存储器。FIFO又可以分为基于动态存储的DRAM和基于静态的SRAM。基于静态SRAM的优点是不需要刷新电路，但容量小，需要多片才能存储一帧数据;基于DRAM的优点是容量大，只需一片就能存储一帧数据，缺点是必须有刷新电路。本设计中采用的是Averlogic公司的大容量FIFO动态存储芯片AL422B。其刷新电路比较简单，仅需WCK或RCK提供大于1M的不间断脉冲即可。AL422B的存储容量为3MB，由于系统一帧的信息通常包含640×480个彩色像素，每个像素占用2个字节，可存储1帧图像的完整信息，其工作频率可达50MHz。

　　1.5 视频处理DSP

　　在选用DSP时，在兼顾处理速度，存储容量，现有条件下的加工工艺水平，以及性价比方面，选用了TI公司的144脚封装的TMS320VC5509A，此芯片的最高工作频率可达到200MHz，具有很高的处理速度。

　　DSP收到来自CPLD的读通知信号后开始读取AL422B中的视频数据。为了方便处理数据，在DSP外围扩展了一个的SDRAM。芯片采用的是HYNIX公司的HY57V161610E，此芯片的存储容量为1M×16bits。

　　当DSP上电复位后，通过采样GPIO0～GPIO3的状态，根据采样的状态来进行什么样方式的程序装载。本系统的采用外接的flash存储芯片的SPI口对DSP进行程序装载，接着通过DSP的I2C口对图像传感器进行寄存器初始化。图像传感器开始输出信号。整个系统开始进入工作。

　　DSP作为高速的处理器，主要用于图像的处理。由于本视觉系统要完成识别和跟踪功能，数据的处理量是很大的。在完成图像处理的同时，DSP也作为控制器使用完成对控制器的控制，从而构成视觉跟踪系统。