基于CPLD的服務(wù)機器人的視覺(jué)系統設計

隨著(zhù)計算機科學(xué)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的不同種類(lèi)的智能機器人出現在工廠(chǎng)、生活當中，機器人視覺(jué)系統作為智能機器人系統中一個(gè)重要的子系統，也越來(lái)越受到人們的重視。它涉及了圖像處理、模式識別和視覺(jué)跟蹤等領(lǐng)域。不同種類(lèi)的機器人由于工作的重點(diǎn)不一樣，它的視覺(jué)系統在軟件或硬件上都有著(zhù)細微的差別。本文研究基于服務(wù)機器人的單目視覺(jué)系統。它處理的是二維圖像，是基于對無(wú)遮擋物體顏色和形狀的識別以及3D目標物體的平動(dòng)跟蹤。

視覺(jué)系統是一個(gè)非常復雜的系統，它既要做到圖像的準確采集還要做到對外界變化反應的實(shí)時(shí)性，同時(shí)還需要對外界運動(dòng)的目標實(shí)時(shí)跟蹤。因此，視覺(jué)系統對硬件和軟件系統都提出了較高的要求。目前比較流行的足球機器人技術(shù)，它的視覺(jué)系統屬于比較典型的快速識別和反應類(lèi)型。一般情況下，它是通過(guò)彩色標志定標的方法來(lái)達到對隊員和目標的識別，以及通過(guò)擴展卡爾曼濾波器的預測功能來(lái)實(shí)現對目標的跟蹤功能。在硬件上，采用一個(gè)現成的攝像機來(lái)實(shí)現一個(gè)機器人的圖像采集系統。

本系統在設計上采用CMOS圖像傳感器代替CCD類(lèi)型傳感器進(jìn)行采集圖像，DSP處理芯片TMS320VC5509A進(jìn)行圖像處理以及作為CPU控制，在設計過(guò)程中，為了直觀(guān)顯現機器人視覺(jué)系統識別和跟蹤的效果，專(zhuān)門(mén)采用了一個(gè)TFT格式的液晶來(lái)直觀(guān)顯示。軟件上，采用了一部分足球機器人的視覺(jué)技術(shù)來(lái)達到對目標的快速識別，通過(guò)全局的特征矩構建的雅可比矩陣達到對目標的自適應跟蹤。

1 硬件部分設計

圖1為系統硬件電路的功能模塊框圖。

1.1 圖像采集

視覺(jué)鏡頭把外部的圖像信息成像在圖像傳感器的面陣單元上。目前流行的圖像傳感器有面陣CCD(Charged Coupled Device，電荷耦合器件)型和面陣CMOS兩種。相比較CCD型的圖像傳感器，CMOS圖像傳感器的有源像素單元為每一個(gè)像素提供了放大器，只需一個(gè)單供電低邏輯電平電壓，功耗只相當于CCD的十分之一。CMOS圖像傳感器內部集成了A/D轉換部分，直接輸出數字信號?；谶@些因素，本系統采用了Omnivision公司推出的CMOS彩色圖像傳感器OV7635。

OV7635的分辨力為640X480，能輸出3種格式的8位數據:YCbCr4:2:2模式、RGB4:2:2模式和RGB原始數據模式。輸出VGA格式最大可達到30fps(fps:每秒幀數)。能工作在逐行掃描下和隔行掃描下。OV7635有主模式和從模式兩種工作模式。在主模式下，同步信號和時(shí)鐘不由外圍設備控制。在從模式下，OV7635的場(chǎng)同步信號VSYNC，行同步信號HREF以及系統的晶振頻率XCLK均由外部設備控制。本系統采用的是主模式。OV7635通過(guò)I2C總線(xiàn)配置片內寄存器，使其輸出原始數據。系統上電復位后，由DSP芯片的I2C總線(xiàn)信號對CMOS寄存器初始化。然后OV7635就按要求輸出圖像信號。包括行同步信號HREF，場(chǎng)同步信號VSYNC，像素時(shí)鐘信號PCLK，數字圖像信號。

1.2 液晶顯示

為了很直觀(guān)的看到視覺(jué)系統對人的識別和跟蹤效果，采用了一片INNOLUX公司的PT035TN01液晶顯示屏。為了不增加對DSP的負擔，同時(shí)也為了實(shí)時(shí)看到對外界目標物體的跟蹤效果，液晶顯示的數據不經(jīng)由DSP，直接通過(guò)傳感器OV7635輸出的圖像數據信號和CPLD控制時(shí)序來(lái)進(jìn)行顯示。PT035TN01是3.5英寸TFT格式的液晶，分辨力為320×3(RGB)×240，液晶IF1、IF2兩輸入控制腳對輸入的數據格式進(jìn)行選擇:串行RGB格式、CCIR601格式、CCIR656格式。液晶的掃描模式有4種。本視覺(jué)系統采用的輸入數據格式是CCIR601格式，掃描模式為由上到下和左到右的掃描模式。

在CCIR601格式下，圖像傳感器輸出的像素時(shí)鐘PCLK通過(guò)CPLD二分頻作為液晶的工作時(shí)鐘，圖像傳感器輸出的行同步信號HREF經(jīng)過(guò)CPLD的處理后作為液晶的行同步信號HIS，這樣，在CPLD控制下，圖像傳感器OV7635輸出的數據信號送入液晶中進(jìn)行顯示。

1.3 時(shí)序控制

OV7635輸出的場(chǎng)同步信號VSYNC，行同步信號HREF以及像素時(shí)鐘信號PCLK接至CPLD芯片，產(chǎn)生控制信號把OV7635輸出的數據信號存入FIFO幀存儲器AL422B中，以及產(chǎn)生液晶的時(shí)鐘和行同步信號控制液晶的顯示。CPLD采用了ALTERA公司的EPM7064芯片。在CPLD中完成了對FIFO的寫(xiě)控制、通知DSP讀信號、液晶的時(shí)鐘信號的產(chǎn)生等功能。

CPLD接收場(chǎng)同步信號VSYNC，此信號的下降沿表示圖像傳感器輸出一幀的開(kāi)始，此時(shí)CPLD產(chǎn)生WRST負脈沖復位FIFO的寫(xiě)指針。場(chǎng)同步信號VSYNC下降沿后，判斷行同步信號HREF的上升沿到來(lái)，接著(zhù)利用像素時(shí)鐘信號PCLK作為寫(xiě)時(shí)鐘WCK將圖像數據直接存儲到FIFO中，當存到一定的數后，就及時(shí)發(fā)信號給DSP，以便DSP讀取數據，本系統采用的是一個(gè)中斷INT0來(lái)通知DSP。此時(shí)DSP可以讀數據也可以不讀，視處理的速度來(lái)定。讀數據時(shí)，可利用RD和片選，產(chǎn)生RCK信號。DSP讀取的速度不能太快，以讀取速度小于寫(xiě)速度為原則。

在對液晶的邏輯時(shí)序控制上，由于圖像輸出的信號是640×480的像素，而液晶的顯示為320×240的格式。所以利用CPLD把圖像傳感器輸入的像素時(shí)鐘信號PCLK進(jìn)行二分頻產(chǎn)生液晶的時(shí)鐘信號控制液晶的顯示，同時(shí)對行同步信號進(jìn)行隔行有效從而達到液晶對圖像的顯示。CPLD中的程序編寫(xiě)用的采用了硬件描述語(yǔ)言VHDL，在QUARTUSⅡ軟件平臺上進(jìn)行編寫(xiě)的。由于在選用芯片時(shí)采用的是EPM7064S系列的44腳PLCC封裝的，只能工作在5V電壓情況下，其輸出的高電平信號是5V，必須通過(guò)處理才能接入系統中工作在3。3V狀態(tài)下的芯片器件。