摘 要：機器人視覺伺服係統的研究是機器人領域中的重要內(nei) 容之一，其研究成果可以直接用於(yu) 機器人自動避障、軌跡線跟蹤和運動目標跟蹤等問題中。本文針對機器人視覺伺服係統要求快速準確的特點，設計了基於(yu) TMS320C6201的機器人視覺圖像處理係統，並分析了基於(yu) 圖像雅可比矩陣的機器人視覺伺服方法的基本原理。
關(guan) 鍵詞：視覺伺服；圖像處理；TMS320C6201;實時性；圖像雅克比矩陣

1. 引言

機器人視覺伺服係統是機器人領域中的重要研究方向，起源於(yu) 80年代初，隨著計算機技術、圖像處理技術、控製理論的發展，取得了很大進步，有一些係統已投入使用。視覺伺服跟通常所說的機器視覺有所不同，視覺伺服是利用機器視覺的原理，進行圖像的自動獲取分析，從(cong) 直接得到的圖像處理反饋信息中，快速進行圖像處理，在盡量短的時間內(nei) 給出反饋信號，構成機器人的位置閉環控製，實現對機器人的控製。正是由於(yu) 係統以實現某種控製為(wei) 目的，所以視覺伺服係統中的圖像處理過程必須快速準確。本文主要針對機器人視覺伺服係統要求快速準確的特點，為(wei) 滿足項目研究的需要，討論研究了基於(yu) DSP的圖像反饋機器人視覺伺服技術。

2 . 係統工作原理及硬件構成

基於(yu) 圖像的視覺伺服直接計算圖像誤差，產(chan) 生控製信號，並變換到機器人運動空間，驅動機械手，完成伺服任務。該方法對標定誤差和空間模型誤差不敏感。

對於(yu) 機器人視覺伺服係統,實時性問題一直是一個(ge) 難以解決(jue) 的重要問題。圖像采集速度較低以及圖像處理需要較長時間會(hui) 給係統帶來明顯的時滯;此外視覺信息的引入也明顯增大了係統的計算量。而圖像處理速度是影響視覺伺服係統實時性的主要瓶頸之一。

實時圖像處理設計的難點是如何在有限的時間內(nei) 完成對大量圖像數據的處理。從(cong) 人的視覺理論分析，隻有圖像處理係統的處理速度達每秒25幀以上時才能達到實時的效果，即要求實時圖像處理係統必須在40ms內(nei) 完成對一幀l圖像的運算處理，才能保證圖像的實時性。為(wei) 了達到該處理速度，我們(men) 采用了基於(yu) DSP的圖像視覺伺服方式，其結構如圖1所示。
 

圖1 基於(yu) DSP的圖像反饋機器人視覺伺服結構圖

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。
 

圖2 WTC6201PA板硬件組成

WTC6201PA板屬於(yu) EVM板中的一種，它采用了TI公司的DSP器件TMS320C6201芯片。TMS320C6201芯片的最高時鍾頻率為(wei) 200MHZ，每個(ge) 時鍾周期最多可以執行8條指令，從(cong) 而實現16000MIPS的定點運算能力，它具有如下主要特點：

· 采用了修正的哈佛總線結構，獨立的程序總線、數據總線和DMA總線使得取指、讀寫(xie) 數據和DMA操作可以並行。

· 采用流水線處理，使兩(liang) 個(ge) 或多個(ge) 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(chu) 器擴展接口EMIF，可以直接與(yu) 同步突發靜態存儲(chu) 器SBSRAM、同步動態存儲(chu) 器SDRAM連接，用於(yu) 大容量、高速存儲(chu) ;還包括直接異步存儲(chu) 器接口，可與(yu) 靜態存儲(chu) 器SRAM、隻讀存儲(chu) 器EPROM連接，用於(yu) 小容量的數據存儲(chu) 和程序存儲(chu) ;芯片內(nei) 部集成的64K程序存儲(chu) 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(chu) 區以及外圍電路進行通信。且多通道DMA控製器可在沒有CPU參與(yu) 的情況下完成映射存儲(chu) 空間中的數據搬移，從(cong) 而減輕CPU的工作量。

同時板上配置了高速同步存儲(chu) 器SBSRAM（128K×32Bit）和SDRAM（4M×32bit），兩(liang) 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(ge) McBSP接口，兼容5V TTL電平，方便用戶與(yu) 外部係統通信。WT6201PA板滿足PCI Local Bus Revision 2.1 協議，主機可訪問DSP的所有資源，用戶可通過主機加載程序。WTC6201PA板提供了Win98和NT下的驅動軟件及DSP的應用軟件（APIs），利用這個(ge) 硬件平台和底層軟件庫，用戶可以很容易的進行軟件開發。

2.2 係統硬件實現

我們(men) 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(wei) 視覺圖像處理單元，和PC主控機、圖像采集卡、CCD攝像機和機器人控製係統組成係統，原理框圖如圖3所示。
 

圖3 係統原理框圖

係統工作過程如下：

CCD攝像機輸出標準製式的全電視信號，其中包含著圖像信號、複合同步信號、行、場消隱信號、槽脈衝(chong) 和前後均衡脈衝(chong) 等七種信號。本係統采用了北京大恒公司的DH-PCI-H圖像采集卡來實現視頻信號的預處理。CCD攝像機將視頻數據輸入到圖像采集卡，圖像采集卡按照設定的窗口位置、大小和方式采集視頻數據，采集的數據存儲(chu) 在計算機的內(nei) 存中。圖像傳(chuan) 輸由圖像卡控製的，無需CPU參與(yu) ，圖像傳(chuan) 輸速度可達40MB/S。

設置圖像采集卡的采集方式是25幀/s連續采集，則采集一幀的時間為(wei) 40ms，每一幀圖像由奇偶兩(liang) 場組成，場頻為(wei) 50HZ，即一場掃描時間為(wei) 20ms。圖像采集大小為(wei) 512×512像素，量化為(wei) 8bit，256灰度級，則一幀圖像的數據量為(wei) 512×512×8bit=256KB。圖像數據存儲(chu) 方式為(wei) 隔行存放，即奇、偶場的圖像數據交叉存放，組成一幀完整圖像函數。

C6201由BOOTMODE[4:0]設置芯片的自舉(ju) 方式，加載過程采用主機（HPI）引導方式。外部主機通過主機口初始化CPU的存儲(chu) 空間，主機完成所有的初始化後，將主機口控製寄存器中的DSPINT位設置為(wei) 1，結束引導過程。CPU退出複位狀態，開始執行地址0處的指令。

係統上電後，主機經HPI口對係統初始化，主要完成對各寄存器的設置，包括EMIF、中斷、DMA等相關(guan) 的寄存器初始化操作等。主機向HPI控製寄存器的DSPINT位寫(xie) 1觸發DSP運行，係統進入等待狀態。CCD攝像機實時采集圖像，經圖像采集卡處理後存儲(chu) 到主機內(nei) 存。PC機內(nei) 存緩衝(chong) 區一幀存滿，向DSP發中斷信號，DSP應答後，通過PCI總線將圖像數據從(cong) 主機內(nei) 存經HPI口傳(chuan) 輸到WTC6201PA板片外SDRAM。DSP控製波門範圍內(nei) 圖像數據以DMA方式傳(chuan) 輸到內(nei) 部數據存儲(chu) 器。由於(yu) DSP為(wei) 指令結構處理芯片，具有可編程性好、可以處理大量複雜指令（由程序RAM地址空間的大小決(jue) 定）等優(you) 點，但相對FPGA而言其處理速度比較慢;而FPGA為(wei) 可編程邏輯器件，具有很強的細粒度並行處理和多級流水線處理能力，但其內(nei) 部有限的邏輯資源使之不適合實現複雜邏輯運算。因此我們(men) 采用FPGA作為(wei) 協處理器來完成底層操作，再由DSP完成高層操作，兩(liang) 種操作可以采用流水線的方式並行運行，共同完成高速圖像處理。從(cong) FPGA到DSP之間的圖像數據傳(chuan) 輸使用雙端口RAM。處理完一幀圖像後，DSP向主機發信息，主機應答後，將圖像處理結果經PCI總線傳(chuan) 輸至PC機內(nei) 存，PC機再將位置偏差數據信號送至伺服控製係統，完成伺服任務。

3 圖像雅可比矩陣

對於(yu) 圖像反饋機器人視覺伺服係統控製機構，圖像雅可比矩陣是很關(guan) 鍵的，它描述了機器人空間中的運動與(yu) 圖像特征空間中的運動之間的關(guan) 係： #p#分頁標題#e#
 

式 （2），（4）是圖像雅可比矩陣的兩(liang) 種表示形式，是基於(yu) 圖像反饋的視覺跟蹤研究的基礎。需要指出的是，為(wei) 了確保得到唯一的圖像特征矢量，圖像特征空間維數應該大於(yu) 或等於(yu) 位姿空間維數（n≧m）。

計算圖像雅可比矩陣的方法有在線估計法、經驗方法和學習(xi) 方法。在線估計法通過動態估算得到圖像雅可比矩陣;經驗法可以通過標定或先驗模型知識得到圖像雅可比矩陣;學習(xi) 方法主要可以利用離線示教和神經網絡方法得到雅可比矩陣。

結論

本文分析了機器人視覺伺服係統的基本原理，並設計了基於(yu) TMS320C6201和可編程邏輯器件FPGA協處理結構的視覺係統，實現了圖像采集和圖像目標的實時處理。在實驗室中我們(men) 利用所設計的視覺係統構建了實驗平台，通過實驗驗證了所設計的視覺係統滿足機器人視覺伺服係統的實時要求。

本文作者創新點：對於(yu) 機器人視覺伺服係統,實時性問題一直是一個(ge) 難以解決(jue) 的重要問題。本文創新采用TMS320C6201芯片來實現機器人視覺伺服的圖像處理，並采用FPGA協處理，提高了圖像處理速度，實驗驗證了所設計係統滿足機器人視覺伺服的實時要求,具有廣泛的工業(ye) 應用前景。

參考文獻：
[1] 付京遜,岡(gang) 薩雷斯R C, LRR C S G.機器人學[M].北京:中國電子科學技術出版社1989.
[2] S Hutchinson, G D Hager, P I Corke . A tutorial on visual servo control[J]. IEEE Trans. Robotics Automation, 1996,12（5）: 650-670
[3] 任麗(li) 香,馬淑芬,李方慧.TMS320C6000係列DSPs的原理與(yu) 應用[M].北京:電子工業(ye) 出版社,2000
[4] TMS320C62xx peripherals reference guide[Z].Texas Instruments Incorporated, 1999
[5] 林靖，陳輝貴，王月娟，等.機器人視覺伺服係統的研究[J].控製理論與(yu) 應用.2000,17（4）: 476-481
[6] 楊延西，劉丁，閏振傑.圖像反饋機器人視覺伺服係統仿真[J].係統仿真學報，2003, 15 （12） :1737-1744.
[7] 應家駒，何永強.基於(yu) DSP和FPGA的超大視場紅外目標檢測圖像處理係統設計[J]，微計算機信息，2006，3（2）:161-162