摘 要：機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)的研究是機(jī)器人領(lǐng)域中的重要內(nèi)容之一，其研究成果可以直接用于機(jī)器人自動避障、軌跡線跟蹤和運(yùn)動目標(biāo)跟蹤等問題中。本文針對機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)要求快速準(zhǔn)確的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于TMS320C6201的機(jī)器人視覺圖像處理系統(tǒng)，并分析了基于圖像雅可比矩陣的機(jī)器人視覺伺服方法的基本原理。 關(guān)鍵詞：視覺伺服; 圖像處理; TMS320C6201;實(shí)時(shí)性; 圖像雅克比矩陣 [b][align=center]Research on Robot Visual Servo System based on DSP JIANG Xing-hong ,LI Zheng-ming[/align][/b] Abstract: Robotic visual system is one of the most important subjects in the field of robot, its research findings can be directly applied to robot obstacle avoiding, trajectory tracking and moving object tracking ,etc. In this paper, based on the characteristics of robot visual servo system, a real-time image processing system based on TMS320C6201 is introduced, and the principle for robot visual servo system based on image Jacobian matrix is analyzed. Keyword: visual servo; image processing; TMS320C6201; real-time;image Jacobian matrix 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，構(gòu)成機(jī)器人的位置閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對機(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)中的圖像處理過程必須快速準(zhǔn)確。本文主要針對機(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，并變換到機(jī)器人運(yùn)動空間，驅(qū)動機(jī)械手，完成伺服任務(wù)。該方法對標(biāo)定誤差和空間模型誤差不敏感。 　　對于機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng),實(shí)時(shí)性問題一直是一個(gè)難以解決的重要問題。圖像采集速度較低以及圖像處理需要較長時(shí)間會給系統(tǒng)帶來明顯的時(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。 [align=center] 圖1基于DSP的圖像反饋機(jī)器人視覺伺服結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　2.1 WTC6201PA板簡介 　　本文選用了聞亭公司的WTC6201PA板，其板上硬件組成如圖2所示。 [align=center] 圖2 WTC6201PA板硬件組成[/align] 　　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器擴(kuò)展接口EMIF，可以直接與同步突發(fā)靜態(tài)存儲器SBSRAM、同步動態(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(shù)據(jù)存儲和程序存儲;芯片內(nèi)部集成的64K程序存儲器可配置成CASHE，以提高程序執(zhí)行效率。 　　· 16位主機(jī)口能夠和其它CPU的存儲區(qū)以及外圍電路進(jìn)行通信。且多通道DMA控制器可在沒有CPU參與的情況下完成映射存儲空間中的數(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DSP的所有資源，用戶可通過主機(jī)加載程序。WTC6201PA板提供了Win98和NT下的驅(qū)動軟件及DSP的應(yīng)用軟件（APIs），利用這個(gè)硬件平臺和底層軟件庫，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。 [align=center] 圖3系統(tǒng)原理框圖[/align] 　　系統(tǒng)工作過程如下： 　　CCD攝像機(jī)輸出標(biāo)準(zhǔn)制式的全電視信號，其中包含著圖像信號、復(fù)合同步信號、行、場消隱信號、槽脈沖和前后均衡脈沖等七種信號。本系統(tǒng)采用了北京大恒公司的DH-PCI-H圖像采集卡來實(shí)現(xiàn)視頻信號的預(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)存儲在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。圖像傳輸由圖像卡控制的，無需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組成，場頻為50HZ，即一場掃描時(shí)間為20ms。圖像采集大小為512×512像素，量化為8bit，256灰度級，則一幀圖像的數(shù)據(jù)量為512×512×8bit=256KB。圖像數(shù)據(jù)存儲方式為隔行存放，即奇、偶場的圖像數(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，加載過程采用主機(jī)（HPI）引導(dǎo)方式。外部主機(jī)通過主機(jī)口初始化CPU的存儲空間，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口對系統(tǒng)初始化，主要完成對各寄存器的設(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，DSP應(yīng)答后，通過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)動與圖像特征空間中的運(yùn)動之間的關(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)法通過動態(tài)估算得到圖像雅可比矩陣;經(jīng)驗(yàn)法可以通過標(biāo)定或先驗(yàn)?zāi)Ｐ椭R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，通過實(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)：對于機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng),實(shí)時(shí)性問題一直是一個(gè)難以解決的重要問題。本文創(chuàng)新采用TMS320C6201芯片來實(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。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 付京遜,岡薩雷斯R C, LRR C S G.機(jī)器人學(xué)[M].北京:中國電子科學(xué)技術(shù)出版社1989. 　　[2] S Hutchinson, G D Hager, P I Corke . 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