基于CPLD的服務(wù)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
2.2 閾值確定和色彩判斷
在確定閾值時(shí),首先通過(guò)采集樣本進(jìn)行訓(xùn)練,從而得到預(yù)定的幾種顏色在YUV空間的分量的上下閾值,如圖2所示。
當(dāng)一個(gè)待判定的像素在色彩空間中的位置落在這個(gè)長(zhǎng)方體中時(shí),就認(rèn)為該像素屬于要找的顏色,從而完成對(duì)圖像顏色的識(shí)別。在Y空間中,Y值表示亮度,因它的變化很大,所以只考慮了U和V的值,在進(jìn)行顏色判斷時(shí),首先分別建立U、V的閾值向量。
由于在系統(tǒng)中圖像傳感器的數(shù)字信號(hào)是8位,即1Byte,共255Byte,系統(tǒng)最多能判定8種顏色。在顏色識(shí)別后進(jìn)行圖像分割,在圖像分割中采用了種子填充算法,其整個(gè)種子的填充是和像素點(diǎn)的顏色同時(shí)進(jìn)行的,一開(kāi)始不是對(duì)所有的像素進(jìn)行處理,而是分塊進(jìn)行的,本系統(tǒng)采用的塊是32×24像素,這樣計(jì)算量大大減小。當(dāng)中心點(diǎn)是所要識(shí)別的顏色時(shí),就以這個(gè)點(diǎn)為種子向四周擴(kuò)散,并判定周?chē)袼攸c(diǎn)的顏色,直到填滿整個(gè)塊。在這過(guò)程中,同時(shí)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行形狀識(shí)別。本系統(tǒng)采用了基于全局的特征向量的識(shí)別算法來(lái)進(jìn)行識(shí)別。同時(shí)也為構(gòu)建雅可比矩陣得到需要的矩特征量。圖3為圖像識(shí)別分割流程圖。
2.3 視覺(jué)跟蹤軟件原理
當(dāng)目標(biāo)物體被識(shí)別以后,視覺(jué)系統(tǒng)將調(diào)整鏡頭使目標(biāo)位于視野的中心。一旦物體運(yùn)動(dòng),視覺(jué)系統(tǒng)將進(jìn)行對(duì)目標(biāo)物體的跟蹤。
在機(jī)器人視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)上,采用無(wú)定標(biāo)的視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)。無(wú)定標(biāo)的視覺(jué)跟蹤不需要事先對(duì)攝像鏡頭進(jìn)行定標(biāo),而是應(yīng)用自適應(yīng)控制方面的原理,在線的實(shí)時(shí)調(diào)整圖像雅可比矩陣。通過(guò)二維的圖像特征信息反饋,這種方式對(duì)攝像機(jī)模型誤差和機(jī)器人模型誤差、圖像誤差、圖像噪聲不敏感。基于圖像跟蹤的視覺(jué)跟蹤控制系統(tǒng),如圖4.
控制量c為機(jī)器人頭部的控制系統(tǒng)。首先把目標(biāo)放在機(jī)器人視野的前方采集到期望的圖像,從期望圖像中抽取期望的特征集,作為視野跟蹤控制系統(tǒng)的期望輸入,從而完成任務(wù)需要的視野特征集定義。在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中,由機(jī)器人的圖像傳感器獲取實(shí)時(shí)采樣圖像,從中獲取實(shí)時(shí)特征集,這樣構(gòu)成一個(gè)視野反饋,引導(dǎo)機(jī)器人完成跟蹤任務(wù)。區(qū)別于圖像的簡(jiǎn)單幾何特征,本系統(tǒng)選用的視覺(jué)特征集為全局的圖像描述-圖像矩。
根據(jù)矩特征變化量與相對(duì)位姿變化量之間的關(guān)系矩陣,即圖像雅可比矩陣,然后利用推導(dǎo)的圖像雅可比矩陣,設(shè)計(jì)了視覺(jué)跟蹤控制器,完成系統(tǒng)對(duì)3D目標(biāo)物體的平動(dòng)跟蹤。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖5為DSP為clkout腳輸出波形,表明DSP的內(nèi)部時(shí)鐘電路工作正常。圖6的圖像傳感器輸出數(shù)據(jù)波形證明了圖像傳感器工作正常。圖7的DSP采集到的圖像數(shù)據(jù),可以確定整個(gè)圖像采集硬件電路工作正常。
4 結(jié) 論
針對(duì)服務(wù)機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng),本文通過(guò)構(gòu)建它的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)完成了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在硬件系統(tǒng)上,采用了CMOS圖像傳感器,CPLD時(shí)序控制,異步動(dòng)態(tài)FIFO的數(shù)據(jù)緩存,以及高速DSP處理器構(gòu)成了一個(gè)典型的圖像采集系統(tǒng),并調(diào)試輸出了圖像信號(hào)。在軟件設(shè)計(jì)上,采用了足球機(jī)器人的彩色識(shí)別和彩色分割識(shí)別技術(shù)去完成視覺(jué)系統(tǒng)快速準(zhǔn)確的識(shí)別,采用基于動(dòng)態(tài)的工作方式以及采用基于圖像的雅可比矩陣的控制原理,去實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)補(bǔ)償跟蹤控制系統(tǒng)。
評(píng)論