基于DSP的機器人視覺(jué)伺服系統研究

1. 引言
　　機器人視覺(jué)伺服系統是機器人領(lǐng)域中的重要研究方向，起源于80年代初，隨著(zhù)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(jìn)步，有一些系統已投入使用。視覺(jué)伺服跟通常所說(shuō)的機器視覺(jué)有所不同，視覺(jué)伺服是利用機器視覺(jué)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)間內給出反饋信號，構成機器人的位置閉環(huán)控制，實(shí)現對機器人的控制。正是由于系統以實(shí)現某種控制為目的，所以視覺(jué)伺服系統中的圖像處理過(guò)程必須快速準確。本文主要針對機器人視覺(jué)伺服系統要求快速準確的特點(diǎn)，為滿(mǎn)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(jué)伺服技術(shù)。

　　2 . 系統工作原理及硬件構成
　　基于圖像的視覺(jué)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(dòng)空間，驅動(dòng)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(jué)伺服系統,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(cháng)時(shí)間會(huì )給系統帶來(lái)明顯的時(shí)滯;此外視覺(jué)信息的引入也明顯增大了系統的計算量。而圖像處理速度是影響視覺(jué)伺服系統實(shí)時(shí)性的主要瓶頸之一。

　　實(shí)時(shí)圖像處理設計的難點(diǎn)是如何在有限的時(shí)間內完成對大量圖像數據的處理。從人的視覺(jué)理論分析，只有圖像處理系統的處理速度達每秒25幀以上時(shí)才能達到實(shí)時(shí)的效果，即要求實(shí)時(shí)圖像處理系統必須在40ms內完成對一幀l圖像的運算處理，才能保證圖像的實(shí)時(shí)性。為了達到該處理速度，我們采用了基于DSP的圖像視覺(jué)伺服方式，其結構如圖1所示。

圖1 基于DSP的圖像反饋機器人視覺(jué)伺服結構圖

　　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)鐘周期最多可以執行8條指令，從而實(shí)現16000MIPS的定點(diǎn)運算能力，它具有如下主要特點(diǎn)：
? 采用了修正的哈佛總線(xiàn)結構，獨立的程序總線(xiàn)、數據總線(xiàn)和DMA總線(xiàn)使得取指、讀寫(xiě)數據和DMA操作可以并行。
? 采用流水線(xiàn)處理，使兩個(gè)或多個(gè)不同的操作可以重疊執行，提高了程序執行速度。
? 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(dòng)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，用于小容量的數據存儲和程序存儲;芯片內部集成的64K程序存儲器可配置成CASHE，以提高程序執行效率。
? 16位主機口能夠和其它CPU的存儲區以及外圍電路進(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空間中的數據搬移，從而減輕CPU的工作量。

　　同時(shí)板上配置了高速同步存儲器SBSRAM（128K×32Bit）和SDRAM（4M×32bit），兩路A/D轉換器，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(hù)與外部系統通信。WT6201PA板滿(mǎn)足PCI Local Bus Revision 2.1 協(xié)議，主機可訪(fǎng)問(wèn)DSP的所有資源，用戶(hù)可通過(guò)主機加載程序。WTC6201PA板提供了Win98和NT下的驅動(dòng)軟件及DSP的應用軟件（APIs），利用這個(gè)硬件平臺和底層軟件庫，用戶(hù)可以很容易的進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。

　　2.2 系統硬件實(shí)現