1、河北科技大学硕士学位论文机器人视觉测量采集系统的设计研究姓名：宋建卫申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器指导教师：庞志峰20081201摘要摘 要近年来，基于机器视觉的智能机器人在工业等各个领域中得到了广泛的应用，但由于机器人视觉系统需要进行大量的数据运算，所以目前绝大多数的机器人视觉系统都是基于PC系统或更高级的计算机系统构建的。在借鉴目前DSP芯片在多媒体领域的成功应用以及分析机器人视觉系统特点的基础上，提出了将机器视觉与嵌入式系统相结合的思想。在基于视觉及模式识别的机器人控制系统中，需要对采集到的图像进行实时处理。针对基于PC机的视觉系统存在的实时性、性价比不高及不能适应恶劣工作环
2、境等问题，本文提出了以高性能的数字信号处理器作为机器人视觉系统中的专用图像处理芯片，实现在动态图像中获取静态图像从而对采集的图像进行处理和识别思想。针对嵌入式系统资源的有限性，提出了一种基于DSP的机器人视觉系统的嵌入式解决方案，包括设计系统的硬件平台、操作系统的移植、应用软件的开发等。并在该平台上进行了大量的机器人视觉跟踪、识别方法的研究，提出了一种适用于该嵌入式机器人视觉系统的测试识别方法。在机器人视觉系统中应用，证明该系统具有实用、经济、体积小、易扩展等优点。对机器人视觉系统和嵌入式系统都进行了研究。 课题在分析机器人视觉系统的各个性能要求以及1rI公司的TMS320DM642DSP芯片
3、性能的基础上，设计了该视觉系统的硬件平台。提出了适用于设计的嵌入式视觉系统的机器人视觉采集、识别、导航跟踪算法，并在系统中实现，验证了算法的实用性、优越性。关键词嵌入式；机器人视觉；目标识别；机器人导航；空间向量；河北科技大学硕士学位论文AbstractIn the process of modem industrial automatic production， mechanical vision，including automatic examination of mechanical accessory， control of intelligent robot，automatic mo
4、nitor of product line，and SO on，is becoming a key technology to enhanceefficiency of productivity and to guarantee quality of productAlso， it is of greatimportance in the area of national defense and space flight，like automatic track andidentification of mobile target，navigation for self-governing t
5、ank，automatic landing forcabin of lunar module， and vision control of space robotIn recent years， intelligent robot based on mechanical vision has been applied inmany areas of industryBut because of huge amount of calculation， which is necessaryfor robotS vision system，today most of them are built o
6、n PC or other higher computersystemOn the ground of analyzing characters of robotS vision system，this paper usesthe successful application of DSP chip in multimedia for reference， and represents theidea of combining mechanical vision and embedded systemAimed at restriction ofembedded system，we advan
7、ce a new solving proj ect for embedded robotS vision systembased on DSP， including hardware platform of designing system， naturalization ofoperating system and exploitation of Intemet applicationsWith this platform，we do a lotof research on robotS vision track and navigation method， and bring forwar
8、d twonavigation methods applicable to this kind of embedded robotS vision systemThesuccessful application in robotS vision system， validates the system with merits ofpracticality， economy， small volume and easy to expandIt will be a great foundationfor applying robot vision in embedded systemKey wor
9、ds Embedded System；Robot Vision；Object Identification；RobotNavigation；vecter space；II河北科技大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 指导教师签名： 膨杉年2以年(2月7日 乡伽轷年z月莎日河北科技大学学位论文版权使用授权书本学位论文作
10、者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。口保密，在一年解密后适用本授权书。本学位论文属于、口不保密。 V(请在以上方框内打“”)靴敝储签珞、彬罨年【渭|日指导教师签名：办兮，d年侈月 Data Flow骖一|“l”飞 罄帮?。繁 !EDMAISR：乞VPISR易自。渤锄一， 一黝_十 十Interrupt l lTriggering l I劳，秽，L。譬跫髫雾黟垆。，I叩翟缪缓爹
11、。?掣。呵唧，翠。，。，霉孵西ir霞y罴，”眠汛打eo曲rf融。mo篇Lt c删er 5t ，?， ：垂锄渤崩。出荔 勃，城。缸商k盅二旌 貔g磊自盎；斌巍秘蕊燕鲶二篡血。如罐酝图3-4 Display Driver的框图Fig3-4 Display Drive Structure21河北科技大学硕士学位论文图34是display driver的上层模块框图。当系统需要将图像进行输出显示时，EDMA将内存中存储的图像数据传送到Video port的FIFO中，然后video port将输出数据送到外部的视频编码器中。EDMA的中断触发条件是当一帧完整的图像从内存到送入video port，这样
12、就可以很方便的控制EDMA传送数据的大小实现和时间。采集图像的驱动与显示驱动基本相同，只是数据流向相反。FVID模块为DSPBIOS应用程序提供视频采集、显示使用的API。它其实就是一个简单的GIO。lass driver的封装集合，专门为视频输入输出服务。说的简单点，FVID模块就是针对视频的应用，将OlOelassdriver的API函数进行简单的组合、使用以满足视频输入输出服务。33基于I强5的嵌入式机器人视觉系统的软件设计在DSPBIOS实时内核的基础上，本系统采用TI公司提供的ReferenceFramework levels(RF5)作为视觉在DSPBIOS实时内核的基础上，本系统
13、采用TI公司提供的Reference Framework levels(RF5)作为视觉系统的软件架构。本节介绍视觉系统在RF5中的数据处理单元和数据通信单元，以及它们如何在I强S的数据通道中协同工作。 331数据处理单元RF5中的四个基本数据处理单元分别是：tasks，channels，cells和XDAISalgorithms。图35是本系统在RFS中的四种数据处理单元图。厂 、 厂。协k、 厂 、OUTPUT 1ASKINPUT 1ASK= O O ILJ7 L IIch， Och- 刚xom嘲图35 RF5的数据处理单元Fig35 Unit of RF5 data process最上层
14、是DSPBIOS的任务，任务是Channel的集合，channel是CELL的集合，CELL是XDAS algorithm的封装集合。这些单元在系统中都可以拥有多个具体实例，在本系统中有3个task，而proeesstask件，有一个channel，这个channel有2个CELL。22第3章嵌入式机器人视觉系统的软件设计XDAlS algorithm是一个独立与结构，可重复使用的数据处理单元。它是一个定义好接口标准的算法的集合，具体的算法可以由使用者开发，也可以使用软件开发商提供的算法。CELL是XDAIS algorithm的封装集合，XDAIS algorithms有标准的资源管理函数(
15、使用内存单元和DMA)。CELL的主要功能就是为算法和算法外部的世界提供接口。每一个CELL都有一个简单的CIELL接口，这个接口为CELL定义了四种方程：Open，execute，elope，control。Channel是CELL的集合，它的功能是让cell按照设定的时序顺序执行。Channel始终完成一个固定的工作按顺序执行CELL，所以它不需要添加任何多余的代码。最后，Task是channels的集合，它按设定的时序顺序执行channel。Task的任务就是在系统层通过器件驱动程序组织数据通信。不像channels，task拥有自己特定的代码，这些代码是用户根据自己的需要编写的。这些代
16、码一般是用来对外部进行发送、接收数据和执行channels。332数据通信模块RF5的数据通信单元可以分为两类：task1evel数据通信单元和Celjelver数据通信单元。(Reference Framework for expressDSP Software：RF5，An Extensive，HighDensity System)在taks1veel通信中，一般使用基于旗语的同步通信方式：SIO对象和SCOM消息。 SIO对象：SIO与器件驱动程序和任务接口。它是标准的DSPBIOS的对象，并且拥有典型的双倍的buffer。通常任务会为数据设置2个buffer，将空的buffer送到输入
17、的器件驱动器中，然后从输出器件驱动器中获取装满数据的buffer。SCOM消息：它是由用户自由定义的。它的数据对象在task之间传递。SCOM一般用于同步通信中。Tasks会自动设置好需要其他task读或写的buffer，task需要通知其它task这些buffer己经准备好并告知这些buffer的地址，为了达到这个目的，task使用SCOM消息来传递buffer的信息。每一个task都会创建自己的接收SCOM队列，并且会向其它任务的接收队列发送SCOM messages。Task只需要知道它要发送的目标task的接收队列的名字就可以自由的通信。在cell1ever，RF5使用inter-ce
18、ll communication(ICC)对象进行通信。ICC对象的功能是从一个要写读数据的cell中描述buffer的地址。每一个cell都有一个ICC对象的输入表和输出表。两个cell之间通过共同拥有同一个ICC列表来达到通信的目的：一个cell的输出表作为另一个cell的输入表，这样不同channels之间的cell也能够互相通信。333 RF5的模块层次RF5使用多种模块，图3-6是整个RF5架构的模块框图(Reference Frameworks foreXpressDSP Sotfware：RF5，AnExtensive，High-Density system)。图3-6 RF5中
19、的模块层次Fig3-6 RF5 Module administrative levels34嵌入式机器人视觉系统的软件总体架构和数据流程视觉系统正是基于上述RF5结构和DSPBIOS实时内核来实现其功能，本节介绍视觉系统软件的总体架构以及数据流程。24第3章。嵌入式机器人视觉系统的软件设计341数据流程图3图37数据流程图Fig37 data flow chart从图中可以很简单的看出，整个系统的数据流程由以下几个步骤组成：Stagel：从摄像头中采集到一帧图像数据。Stage2：采集到的一帧图像是640480，重采样得到原图像的19。Stage3：将重采样得到的图像矩阵送入颜色分类器中进行图
20、像的颜色分割，输出二值图像。Stage4：根据得到的二值图像矩阵，利用各种算法进行图像识别，识别出跟踪目25河北科技大学硕士学位论文标的坐标。输出结果图像和目标坐标。Stage5：将结果图像重采样，恢复到640480格式，将目标坐标输出至机器人控制模块。Stage6：将结果图像输出至VGA显示结果。342软件总体架构和流程系统采用RF5架构整合跟踪识别算法来实现机器人视觉系统。使用了3个任务模块，在进入BIOS的任务列表之前，系统首先要初始化其使用的各个变量、模块，包括：开发板和处理器初始化：系统首先要初始化BIOS和CSL：将L2 cache设置为64K模式；EMIAF CE0和EMIF C
21、El空间使能；设置DMA的优先级为最高。RF5模块初始化：初始化RF5的通道模块；初始化RF5中内部CELL通信和传递消息使用的ICC和SCOM模块：建立Channel之间、对外通信的寄存器。创建获取和显示图像通道：创建抓取图像通道，并初始化；创建显示图像通道，并初始化。创建算法实体：创建二值化处理CELL，并初始化其使用的寄存器。创建图像识别CELL，并初始化其使用的寄存器。初始化之后，系统就会进入由BIOS管理的3个系统进程中。任务之间使用RF5的SCOM模块进行通信。下面分别介绍三个进程的主要工作：Input TASKInput进程主要负责从输入器件中获取每一帧图像的数据。它使用外设驱动提供的FVID Exchange函数从外设Video Port中获取图像数据，获得图像数据是YUv4：2：2格式，每一帧图像大小为640480。接着进行重采样，得到原图像19大小的图像。最后向Process task发送消息，消息包括：采集到的图像和重采样后的图像的数据的指针。完成这些任务后，Input进程进入等待消息状态，等待Output进程发送的消息，以进行下一帧图像的获取。Process Task
