基于DSP的機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

1. 引言

　　機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)是機(jī)器人領(lǐng)域中的重要研究方向，起源于80年代初，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、控制理論的發(fā)展，取得了很大進(jìn)步，有一些系統(tǒng)已投入使用。視覺伺服跟通常所說(shuō)的機(jī)器視覺有所不同，視覺伺服是利用機(jī)器視覺的原理，進(jìn)行圖像的自動(dòng)獲取分析，從直接得到的圖像處理反饋信息中，快速進(jìn)行圖像處理，在盡量短的時(shí)間內(nèi)給出反饋信號(hào)，構(gòu)成機(jī)器人的位置閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。正是由于系統(tǒng)以實(shí)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(guò)程必須快速準(zhǔn)確。本文主要針對(duì)機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)要求快速準(zhǔn)確的特點(diǎn)，為滿足項(xiàng)目研究的需要，討論研究了基于DSP的圖像反饋機(jī)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(jì)算圖像誤差，產(chǎn)生控制信號(hào)，并變換到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，完成伺服任務(wù)。該方法對(duì)標(biāo)定誤差和空間模型誤差不敏感。

　　對(duì)于機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng),實(shí)時(shí)性問(wèn)題一直是一個(gè)難以解決的重要問(wèn)題。圖像采集速度較低以及圖像處理需要較長(zhǎng)時(shí)間會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)明顯的時(shí)滯;此外視覺信息的引入也明顯增大了系統(tǒng)的計(jì)算量。而圖像處理速度是影響視覺伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的主要瓶頸之一。

　　實(shí)時(shí)圖像處理設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是如何在有限的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)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(dá)每秒25幀以上時(shí)才能達(dá)到實(shí)時(shí)的效果，即要求實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)必須在40ms內(nèi)完成對(duì)一幀l圖像的運(yùn)算處理，才能保證圖像的實(shí)時(shí)性。為了達(dá)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(jī)器人視覺伺服結(jié)構(gòu)圖

　　2.1 WTC6201PA板簡(jiǎn)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(shí)鐘頻率為200MHZ，每個(gè)時(shí)鐘周期最多可以執(zhí)行8條指令，從而實(shí)現(xiàn)16000MIPS的定點(diǎn)運(yùn)算能力，它具有如下主要特點(diǎn)：

· 采用了修正的哈佛總線結(jié)構(gòu)，獨(dú)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(gè)或多個(gè)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(chǔ)器擴(kuò)展接口EMIF，可以直接與同步突發(fā)靜態(tài)存儲(chǔ)器SBSRAM、同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器SDRAM連接，用于大容量、高速存儲(chǔ);還包括直接異步存儲(chǔ)器接口，可與靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM、只讀存儲(chǔ)器EPROM連接，用于小容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序存儲(chǔ);芯片內(nèi)部集成的64K程序存儲(chǔ)器可配置成CASHE，以提高程序執(zhí)行效率。
· 16位主機(jī)口能夠和其它CPU的存儲(chǔ)區(qū)以及外圍電路進(jìn)行通信。且多通道DMA控制器可在沒(méi)有CPU參與的情況下完成映射存儲(chǔ)空間中的數(shù)據(jù)搬移，從而減輕CPU的工作量。

　　同時(shí)板上配置了高速同步存儲(chǔ)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(gè)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(jī)可訪問(wèn)DSP的所有資源，用戶可通過(guò)主機(jī)加載程序。WTC6201PA板提供了Win98和NT下的驅(qū)動(dòng)軟件及DSP的應(yīng)用軟件（APIs），利用這個(gè)硬件平臺(tái)和底層軟件庫(kù)，用戶可以很容易的進(jìn)行軟件開發(fā)。

　　2.2 系統(tǒng)硬件實(shí)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(jī)、圖像采集卡、CCD攝像機(jī)和機(jī)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(guò)程如下：

　　CCD攝像機(jī)輸出標(biāo)準(zhǔn)制式的全電視信號(hào)，其中包含著圖像信號(hào)、復(fù)合同步信號(hào)、行、場(chǎng)消隱信號(hào)、槽脈沖和前后均衡脈沖等七種信號(hào)。本系統(tǒng)采用了北京大恒公司的DH-PCI-H圖像采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的預(yù)處理。CCD攝像機(jī)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(chǔ)在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。圖像傳輸由圖像卡控制的，無(wú)需CPU參與，圖像傳輸速度可達(dá)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(shí)間為40ms，每一幀圖像由奇偶兩場(chǎng)組成，場(chǎng)頻為50HZ，即一場(chǎng)掃描時(shí)間為20ms。圖像采集大小為512×512像素，量化為8bit，256灰度級(jí)，則一幀圖像的數(shù)據(jù)量為512×512×8bit=256KB。圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式為隔行存放，即奇、偶場(chǎng)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(guò)程采用主機(jī)（HPI）引導(dǎo)方式。外部主機(jī)通過(guò)主機(jī)口初始化CPU的存儲(chǔ)空間，主機(jī)完成所有的初始化后，將主機(jī)口控制寄存器中的DSPINT位設(shè)置為1，結(jié)束引導(dǎo)過(guò)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(jī)經(jīng)HPI口對(duì)系統(tǒng)初始化，主要完成對(duì)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(jī)向HPI控制寄存器的DSPINT位寫1觸發(fā)DSP運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)。CCD攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集圖像，經(jīng)圖像采集卡處理后存儲(chǔ)到主機(jī)內(nèi)存。PC機(jī)內(nèi)存緩沖區(qū)一幀存滿，向DSP發(fā)中斷信號(hào)，DSP應(yīng)答后，通過(guò)PCI總線將圖像數(shù)據(jù)從主機(jī)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(chǔ)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(diǎn)，但相對(duì)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(qiáng)的細(xì)粒度并行處理和多級(jí)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯運(yùn)算。因此我們采用FPGA作為協(xié)處理器來(lái)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(yùn)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(jī)發(fā)信息，主機(jī)應(yīng)答后，將圖像處理結(jié)果經(jīng)PCI總線傳輸至PC機(jī)內(nèi)存，PC機(jī)再將位置偏差數(shù)據(jù)信號(hào)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(duì)于圖像反饋機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)，圖像雅可比矩陣是很關(guān)鍵的，它描述了機(jī)器人空間中的運(yùn)動(dòng)與圖像特征空間中的運(yùn)動(dòng)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(jì)算圖像雅可比矩陣的方法有在線估計(jì)法、經(jīng)驗(yàn)方法和學(xué)習(xí)方法。在線估計(jì)法通過(guò)動(dòng)態(tài)估算得到圖像雅可比矩陣;經(jīng)驗(yàn)法可以通過(guò)標(biāo)定或先驗(yàn)?zāi)Ｐ椭R(shí)得到圖像雅可比矩陣;學(xué)習(xí)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(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)的基本原理，并設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了圖像采集和圖像目標(biāo)的實(shí)時(shí)處理。在實(shí)驗(yàn)室中我們利用所設(shè)計(jì)的視覺系統(tǒng)構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的視覺系統(tǒng)滿足機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：對(duì)于機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng),實(shí)時(shí)性問(wèn)題一直是一個(gè)難以解決的重要問(wèn)題。本文創(chuàng)新采用TMS320C6201芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)滿足機(jī)器人視覺伺服的實(shí)時(shí)要求,具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。