机器人视觉随动系统的软件设计.docx

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机器人视觉随动系统的软件设计

摘要

目前机器人越来越多的应用于非制造业，与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，这对机器人提出了更高的要求，需要机器人具备行走功能、对外感知能力以及局部的自主规划能力等。

因此，对探测移动机器人的研究正成为一个重要的热点。

探测移动机器人能够按照存储在其内部的地图信息，或根据外部环境所提供的一些引导信号（即通过对环境的实时探测所获得的信息）规划出一条路径，在没有人工干预的情况下完成目标任务。

针对以上特点，本文设计了探测机器人的视觉随动机构，并基于DSP对视觉随动系统进行了软件设计。

前期工作中，主要进行器件选型、分析、选购工作，包括CCD传感器、DSP、U形架和伺服马达。

以此为基础，设计出探测机器人的视觉随动机构。

CCD器件的灵敏度很高,光谱敏感波段也很宽,把光学图像转换成电信号输出,经图象采集卡处理得到数字视频信号，DSP控制器对其进行运算、处理，产生相应PWM波，对伺服马达进行控制，带动视觉机构的旋转。

通过软件设计，实现视觉系统的随动控制。

最后，通过系统调试，改进了一系列的问题，实现了对视觉传感器的很好的随动控制。

关键词：

探测机器人，视觉随动系统，DSP，伺服马达，软件设计

ABSTRACT

Currentlythereisanincreasingnumberofrobotsusedinnon-manufacturingsector.Comparedtothemanufacturingsector,itsmainfeatureistheunstructuredworkenvironmentanduncertainty.Thisputforwardhigherrequirementsonrobots.so,Robotsneedtohavethewalkingfunction,theexternalperceptionandtheabilityoflocalautonomy,suchasplanningcapacity.Therefore,thedetectionofmobilerobotisbecomingamajorhotspots.

Themobile-detectrobotisabletoPlanawayaccordingtothemapinformationstoredinitselforbasedontheexternalenvironmentprovidedbysomeguidancesignalsandcompletetasksintheabsenceofinterventionofhunmanbeings.

Fortheabovecharacteristics,thispaperwilldesignthevisualdynamicexplorationofrobot,andtheDSP-basedvisualservocontrolofthesoftwaredesign.

ThePreparatoryworkismainlyfordeviceselection,analysis,purchasing,includingCCDsensors,DSP,U-shapedframeandservomotors.Onthisbasis,designedtodetecttherobotwiththedynamicvisualbody.thedeviceofCCDhashighsensitivity,thespectrumisalsosensitivetoawide-band.changeTheopticalimageelectricalsignalsoutput.thoughtheprocessingoftheimageacquisitioncard,digitalvideosignal,DSPcontrollerprocessandoperateonittoproducePWMwave.Theservomotorcontrolleadtherotationofvisualbodyrealizethedynamiccontrolofthevisionsystem.

Finally,thesystemdebugandimproveaseriesofissueandtherealizationofthevisionsensorwithagooddynamiccontrol.

Keywords：

Detectingrobot,Withvisionsystem,DSP,ServoMotors，Thesoftwaredesign

中文摘要Ⅰ

ABSTRACTⅡ

1绪论1

1.2国内外研究现状1

1.3课题的目的和意义2

1.4课题的研究内容2

1.5本章小节3

2视觉随动系统简介4

2.1视觉机构4

2.1.1摄像机4

2.1.2视频输入处理器SAA71115

2.2随动机构8

2.3DSP简介10

2.4本章小结11

3视觉随动系统的软件设计13

3.1编程环境CCS200013

3.2伺服马达控制原理14

3.3视觉随动系统控制原理16

3.4软件设计流程图16

3.4.1主程序流程图16

3.4.2SAA7111初始化流程图19

3.4.3PWM产生流程图及子程序19

3.5本章小结20

4系统调试21

5结论22

6致谢23

参考文献24

1绪论

1.1引言

众所周知，恶劣环境下的人工作业是很危险的，比如：

煤矿井下容易发生塌方、透水等事故，管道的检测维修难度极大。

若以探测机器人来代替人工作业，不但能提高安全性，降低劳动强度，而且能提高经济效益，给人类社会带来极大的方便；此外，若探测机器人能够获得全方位的视野，将会极大地提高作业的效率。

1.2国内外研究现状

探测机器人作为机器人学中的一个重要分支，早在60年代，工程界就开始了探测机器人的研究，其发展经历了一个较长的历程。

1962年，美国、英国、日本的一些实验室等研究机构进入这一领域，八十年代，国外掀起了智能机器人研究热潮，而且发展迅速，不少研究机构取得了很多有意义的研究成果，其中较为著名的有美国标准与技术研究院、卡内基-梅隆大学、日本的Tsugawa[1]。

九十年代，主要研究热点是将各种控制方法应用到智能移动探测机器人的控制。

典型的机器人有美国JPL研发的Athena、微型火星车Nanorover，卡内基-梅隆研发的Nomad移动机器人。

我国政府非常重视机器人技术，从国家863计划实施之初到现在一直将机器人技术列为重点支持方向。

“十五”期间，国家863计划机器人技术主题重点支持了数控、工程机械、盾构、生产线、水下载人潜器、危险作业机器人、医疗机器人和仿人仿生机器人等，较为全面对路径规划、视觉导航、信息融合、自动驾驶等一些基本的智能机器人技术做了探索。

几十年来世界机器人的研究发展相当迅速，取得了相当多的成果值[2]。

1997年，卡内基－梅隆大学机器人研究所在智利阿特卡马沙漠上的测试了他们研究的“流浪者”（nomad）号机器人。

阿特卡马沙漠的环境类似于月球和火星的表面，测试行程220km，在其行程中既有自主控制又有几千千米以外的人工遥控，测试中还包括车体在复杂地形上的行驶能力测试。

其驱动结构、通信、传感器的设计都比较有创意，可以为设计月球车提供参考。

2003年7月，日本东京大学和三井造船公司公开了新研制的海底探测机器人。

这种机器人的潜水深度可达4000米，其搭载的探测装置能够准确把握周围状况，前方若出现障碍物，它搭载的计算机会准确作出判断，操纵机器人自动绕开，到达指定目的地之后，航行误差仅为约30米。

新型海底探测机器人靠传感器检测水温、水中的浑浊度等，并能自主地收集数据，可用于探测喷涌热水的海底火山、沉船、海底矿产资源和生物等。

2004年5月它被用于探测到地球上最深的海沟—马里亚纳海沟。

今年3月，首期投资100万,由甘肃长城水下高技术有奶公司研发的三位智能机器人在甘肃兰州宣告诞生，三兄弟分别是“水下综合探测机器人”，“水下清刷机器人”和代号为GNOM的小型机器人。

这三位机器人的诞生使我国告别了没有同类机器人的空白，其中水下综合探测机器人和水下清刷机器人在国内外都是“独生子”，而小型机器人则是引进国外技术合作的结晶。

他们集“声成像”等高尖端技术于一身，在水下各具其能，能够完成人所无法完成的水下作业，且不受天气和环境影响，具有工作效率高，费用成本低的明显优势。

1.3课题的目的和意义

在当代工业生产中，存在着大量环境复杂的高危工种。

如煤矿、管道、排爆等，对工作人员的生命安全构成了严重的威胁。

移动探测机器人的研究为恶劣环境下的人工作业带来了希望，提高了安全性，同时降低了劳动强度[3]。

随着现代计算机技术、传感器技术以及信息处理技术的发展，探测机器人的应用范围已不仅仅局限于危险区域。

农业、医疗、空间探测等，也大量出现了探测机器人的身影。

探测机器人要实现在未知和不确定环境下运行，必须具备自动导航和避障功能[4]。

视觉随动系统是探测机器人的关键部分，它通过对未知环境的感知，自动探测搜索目标，并且能成功的避开障碍物，快速准确平稳的到达目的地，作出相应的决策。

本课题研究目的是：

一，设计探索机器人视觉随动系统；二，控制机器人主动感知环境，寻找目标和障碍物，为决策提供数据基础。

1.4课题的研究内容

本课题的任务是设计视觉随动机构并通过软件设计对视觉传感器进行随动控制。

由于视觉随动机构对系统影响很大，因此要求它紧凑、可靠、稳定性高；另外用软件算法控制伺服马达达到对视觉传感器的控制。

为了设计机器人视觉随动机构，首先要选购伺服马达，确定伺服马达参数。

机器人机电控制系统中，伺服马达控制效果是性能的重要影响因素。

伺服马达可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得DSP控制器系统非常容易与之接口。

基于伺服马达，可以设计一个视觉随动机械结构，包括一个可靠性高、稳定的摄像头支架。

1.5本章小结

探测机器人作为智能机器人的一个分支，在现代人类社会的生产中的作用越来越大，已经渗透到了很多重要的领域，是目前国内外机器人研究的一个重点和热点。

几十年来其发展非常迅速，取得相当多有意义的成果。

本章详细介绍了国内外探测机器人的研究现状，并举出了一些具有代表性的成果，如卡内基－梅隆大学机器人研究所研究的“流浪者”（nomad）号机器人。

本章重点介绍了本课题的研究目的、意义及研究内容。

众所周知，在诸如地下矿井、管道和排爆等高危场所进行人工作业，随时都可能给施工人员带来生命威胁。

因此，用机器人代替人类在这些环境里工作，将给人类带来希望。

机器人要在这些非结构化的环境里工作，必须具备自动导航和避障功能，视觉随动系统是其中的关键部分。

本课题研究内容就是设计探索机器人视觉随动机构，并设计软件算法对视觉传感器进行随动控制。

2视觉随动系统简介

2.1视觉机构

2.1.1摄像机

摄像机是产生图象信号的部件，也是探测机器人视觉系统的重要组成部分。

摄像机由光学镜头、摄像元件、视频放大及同步扫描电路、光强控制等部件组成[5]。

前方景物经光学镜头生成光学图像,摄像元件的感光表面能按照光学像上各点照度的不同产生相应数量的电荷,同步扫描电路则按一定顺序把这些电荷取出成为电信号--视频信号,经视频放大器放大并加入规定的同步信号后输出。

下面我们详细分析摄像机的组成部件。

光学镜头的作用是产生景物的光学像,并把它投射在摄像器件的感光表面上。

光学镜头可分为定焦镜头与变焦镜头。

在变焦镜头中又有连续变焦与不连续变焦之分,后者实际是几个焦距不同的定焦镜头的组合,其某些光学零件相互共用。

变焦镜头的最长焦距与最短焦距之比,叫做变焦比或变倍比,一般在4至12之间。

光学镜头的重要技术参数是焦距和相对孔径。

对于一定尺寸的摄像元件而言,光学镜头的焦距决定了电视摄像机的视场大小；摄像镜头的另一个重要参数是入瞳直径D与焦距f之比D/f,叫做相对孔径;而F/D通常叫做F数。

它对靶面上像的照度有重要影响。

摄像器件的作用是把光学图像转换成电信号输出。

CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管（photodiode）进行光电转换，将图像转换为数字数据。

CMOS工艺是超大规模集成电路的主流工艺[6],集成度高，可以根据需要将多种功能集成在一块芯片上。

CMOS图像传感器包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。

70年代出现了电荷耦合器件（CCD器件）,它是一种半导体固体成像器件。

这种器件的感光表面是用半导体材料做成的许多敏感单元组成的阵列,当光学像投射到感光表面时,对应于像上各点的不同照度在阵列的各敏感单元中产生不同数量的电荷（载流子）,然后外电路按一定时间顺序从阵列边缘取出各敏感单元的电荷,就得到对应于光学图像的视频信号。

摄像器件的几个主要参数是：

响应度,信噪比,惰性,分辨力。

响应度又叫做灵敏度,是输出的光电流与输入的光通量之比,单位是微安/流明。

信噪比（S/N）是图像信号的峰值电平Usp与杂波有效值Un之比,单位用分贝（DB）。

惰性又叫做滞后,是指当光照停止后光电流并不立即消失的现象。

在看电视时有时看到在一个移动的亮物体图像后面拖着一个亮“尾巴”就是这种惰性的反映。

惰性的大小用光照停止后第三（电视）场剩余信号电流与光照停止前的信号电流之比值表示。

而分辨力是摄像器件分解图像细节的能力。

CCD与CMOS二者主要差异是数字数据传送的方式不同，因此在效能与应用上也有诸多差异。

在灵敏度、成本、分辨率、噪声控制等方面，CCD传感器都优于CMOS传感器。

而且CCD器件光谱敏感波段也很宽,可达近红外波段,特别是体积小,耐冲击振动,已逐渐占据了市场。

本课题选用了CCD传感器。

光强控制部件的作用是使由光学镜头产生的光学像的照度保持在摄像器件正常工作所需的范围内。

自然景物所受的光照变化是很大的,正午时地面照度可达到100000（勒克斯）,而太阳刚刚落下地平线时约为100（勒克斯）。

摄像器件要在适当照度的光学像下工作才能正确反映景物亮暗层次,输出满意的图像信号。

改变像的照度可以从两方面入手；一是改变光学镜头的相对孔径（D/f）,即入瞳直径D与焦距f之比；二是改变透光率。

2.1.2视频输入处理器SAA7111

摄像机输出的是模拟视频信号，所以必须对它进行分析和处理。

随着计算机多媒体应用领域日益广阔，技术日新月异，各种软件和硬件层出不穷。

而作为图象多媒体不可或缺的重要组成部分，视频输入处理变得异常重要。

各半导体芯片生产厂家不断创新、改进，力求通过简单的操作达到完美的效果，使视频输入处理功能不断完善，给图象多媒体的后期操作带来更多的方便。

著名的半导体公司Phillps提供的基于PC机作为平台的可编程视频输入处理芯片SAA7l11，正是为满足这一需要而出现的。

它采用CMOS工艺，通过简单的I2C总线与PC机接口。

内部包含两路模拟处理通道，能实现视频源的选择、抗混叠（去假频）滤波、模数变换、自动嵌位、自动增益控制、时钟产生、多制式（PALBGHI，PALM，PALN，NTSCM和NTSCN）解码及亮度、对比度和饱和度控制。

可为视频桌面系统、图象多媒体、数字电视、图象处理、视频电话等的应用提供极大方便。

SAA7111是以PC机作为平台的，其所有的可编程功能是通过I2C总线对内部的32个寄存器相应的控制位置相应的数值来完成的。

有以下主要特点：

（1）可编程选择四路视频输入中的一路或两路组成不同的工作模式，在其内部有两路模拟视频信号处理通道，可进行静态增益控制或自动增益控制两路8位的模数转换；

（2）可对芯片编程进行白电平控制、抗混叠滤波、梳状滤波；

（3）能实现行场同步信号的自动检测和分离，并且行同步信号的起始位置与结束位置均可根据需要进行编程控制，片内产生的时钟通过数字PLL锁定行同步；

（4）场频50Hz或60Hz自动检测，并自动在PAL和NTSC之间自动切换，并能对不同输入制式的亮度信号和色度信号进行处理，并实现亮度、色度和饱和度的片内控制；

（5）可方便使用不同的数字图象数据输出格式[7]。

SAA7111的功能方框图如图2.1所示[8]。

SAA7111有四条视频信号输入引脚AI11、AI12、AI21、AI22。

当视频信号从某一引脚进入之后，首先进行模拟处理，然后通过缓冲器输出一路到AOUT端用于监视，另路经A/D后产生数字色度信号和亮度信号分别对其进行处理。

经过处理后的亮度信号一路送到色度信号处理电路经过综合处理后产生Y、u、V信号，再经过格式化后从16位的VPO输出；另一路进入同步分离电路．并经数字PLL产生行、场同步信号HS和VS，同时PLL驱动时钟发生电路以产生与HS锁定的时钟信号LLC和LLC2。

色度信号处理电路的工作过程通常是：

从A/D出来的8位数字色度信号被送入平方解码器，在此利用了两个副载波信号，其中副载波信号的相位与解码器成0o或90o的关系，频率由当前所输入视频信号的色彩制式所决定。

从平方解码器出来的色差信号经过一个低通滤波器后便可获得所需带宽的色差信号。

而后色差信号再被送入亮度、对比度和饱和度控制电路以完成如下功能：

（1）AGC；

（2）色度信号幅度匹配；

（3）亮度、对比度、饱和度控制；

（4）将YUV限制在1～244范围内。

Y信号也被送到色度信号处理器，经过延时补偿与梳状滤波后的uV信号一起进入RGB变换矩阵以产生RGB信号，然后通过格式选择器由VPO输出。

该信号有多种输出格式可供选择。

亮度信号处理电路的工作过程是这样的：

8位亮度信号（CVBS、S—VHS、HI8格式）送到一个可切换的预滤波器进行高频成分的损失补偿，然后再送到中心频率为F=4.43MHz或3.58MHz的色度信号陷波器中，以最大程度地减弱色载波信号（对S一VHS、HI8格式，它必须是旁通的），最后再经可变带宽滤波和匹配放大后进行叠加以产生Y信号供上面的色度信号处理使用。

图2.1SAA7111的功能方框图

初始化主要通过I2C总线接口来完成[9]。

I2C总线由串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）组成，通信时，所有具备I2C总线接口的器件都连接到这两根线上，而且既可以发送数据也可以接收数据，但任意时刻只能有一个主控器件进行I2C总线的控制，其他器件都为被控器件，它们分时占用总线。

I2C总线的数据传送由主器件控制。

首先由主器件发出开始信号S，表示开始启动数据传输。

当SCL为高电平时，如果出现SDA的电平由高变低则视为S信号，然后主器件发送从器件的7位地址和读位R/W，接着主器件将接收从器件的应答信号，如果收到正确的ACK，则进行数据的传送。

数据传送的方向由读写位R/W的值确定，而且数据传送为8位，高位在前，低位在后。

不管是发送数据还是接收数据，在传送完8位数据后，必须由接收数据的器件在SDA上发一个应答信号。

最后当全部数据传送完后，由主器件产生停止信号P，表示总线传送结束。

SCL线为高，SDA线由低电平变高电平时，视为停止信号P。

由上可知，I2C总线数据传输采用了应答式的工作方式：

即发送方发送数据后由接收方发送是否正确接收的应答信号，发送方以此作为是否继续进行数据传送的判断依据。

I2C总线的数据传输主要是由主控器件控制，在SCL的控制下，按位传送数据，也就是说，要想完成对I2C总线的虚拟主要是完成主控器件I2C的实现。

2.2随动机构

为了使摄像头自动跟踪目标及扩大感知范围，要求视觉系统一定要有随动性，即要实现视觉传感器的水平和俯仰运动。

本课题中我们基于伺服马达设计了随动机构，在此基础上对视觉系统实现随动控制。

下图2.2是随动机构结构示意图：

图2.2随动机构结构示意图

伺服马达是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统[10]。

高档玩具如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。

舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。

标准的微型伺服马达有三条控制线，分别为：

电源、地及控制。

电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源，电压通常介于4V—6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音）。

它的内部包括了一个小型直流马达；一组变速齿轮组；一个反馈可调电位器；及一块电子控制板。

其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。

减速齿轮组由马达驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服马达精确定位的目的。

下面是一个微型伺服马达的实物图：

图2.3微型伺服马达的实物图

伺服马达（舵机）的基本工作原理是将来自接收机的遥控脉冲信号，经过驱动电路驱动马达的旋转，从而转换成机械动作，马达根据脉冲信号决定转动的方向和动作量来驱动齿轮组，最终获得要求的动作。

它又分为数字伺服器和模拟伺服器。

传统的模拟伺服器，有专有的逻辑芯片和定时装置，以及标准的30芯导线。

数字舵机，有以石英晶体控制的微处理器，FET放大器（场效应管），和能承受更大功率的50芯导线。

其实在微处理器以外二者并没有什么分别，它们有着相同的马达、齿轮和外壳、同样的反馈电位器，看起来极其相似。

所谓的数字伺服器和常规伺服器的最大差别是在驱动电路板上。

数字伺服器是先将接收机输出的模拟脉冲信号转换成数字信号，在把控制信号传送给马达放大电路时，还得将数字信号再转换成模拟脉冲信号，由该模拟脉冲信号控制末级电流的导通，驱动马达旋转，唯一有不同的地方是在输出电流中叠加了数字脉冲，以增加扭力。

数字伺服器比传统的模拟伺服器，即使是使用无线圈马达的模拟伺服器，在工作方式上也有很多优点：

第一，因为微处理器的关系，数码舵机可以在将动力脉冲发送到舵机马达之前，对输入的信号，根据设定的参数进行处理。

这意味着动力脉冲的宽度，就是说激励马达的动力，可以根据微处理器的程序运算而调整，以适应不同的功能要求，并优化舵机的性能。

第二，数码伺服器以高得多的频率向马达发送动力脉冲。

就是说，相对与传统的50脉冲/秒，现在是300脉冲/秒。

虽然，以为频率高的关系，每个动力脉冲的宽度被减小了，但马达在同一时间里收到更多的激励信号，并转动得更快。

这也意味着不仅仅舵机马达以更高的频率响应发射机的信号，而且“无反应区”变小；反应变得更快；加速和减速时也更迅速、更柔和；数码伺服器提供更高的精度和更好的固定力量。

2.3DSP简介

目前探索机器人视觉控制系统主要以单片机或DSP作主控制器[11]。

单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

概括的讲：

一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便