图像的机器人视觉伺服实验研究

dsp图像处理系统及图像处理
　　系统简介
　　本实验中采用的是北京合众达公司的seed-vpm642视频处理系统，该系统是一款专为各种视频应用而开发的pci插卡或带10/100m以太网接口的处理系统。它是在tms320dm642芯片基础上通过外扩容量为4m×64位的同步动态存储器sdram;容量为4m×8位的在线电可擦/写异步存储器flash;可配置为rs232/rs422/rs485标准的两路uart串行接口;4路pal/ntsc标准模拟视频输入，1路pal/ntsc标准模拟视频输出;4路立体声音频输入/输出;实时时钟rtc和512×8位eeprom;32位的33mhz、支持主/从模式的pci接口或者10/100mbase-tx标准以太网接口;标准ata硬盘接口;以及esam硬件加密模块。系统可实时实现多路数字视频/音频的编解码运算，如mpeg4、h.264、g.729等;可实时接收4路视频/音频输入，并实时输出。并能实现与其他io设备、计算机、存储设备、以太网络进行实时数据的高速传输和处理。系统由实验箱体、ccd摄像头、seed-vpm642处理板等组成。在箱体上已固定好两个串行接口、硬盘接口、4路图像输入和输出接口、液晶显示器等［8］。
　　图像处理
　　本实验图像处理具体实现过程如图4所示。

　　由ccd摄像头摄取的按4:2：2格式传输的彩色模拟视频信号经过解码芯片的采集，对y、cb、cr信号按照2:1：1采样率进行采样，并将它们分离开来。在dsp系统中将彩色图像转变成灰度图像，对该图像进行阈值二值化后变成二值图像，然后经过中值滤波滤除噪声点，使用sobel算子进行边界提取。对该边界图像信号使用点hough质心求取算法求取质心图像坐标［3］，并通过串口通讯将质心坐标值传递给工控机程序;同时，处理后的数字视频信号经过编码芯片编码后，送显示设备实时显示。
机器人视觉伺服系统工作流程
　　硬件流程
　　本实验系统由工控机、pmac运动控制卡、松下交流伺服系统、dsp图像处理系统和机器人组成。了解和熟悉松下交流伺服系统的原理和功能后，调试机器人关节伺服电机的运行，优化相关控制参数以求获得最好伺服效果;研究pmac运动控制卡的原理和功能，并与松下交流伺服系统配合，编写运动程序，不断调整和优化pmac卡的控制参数，以求获得满意的运动控制效果;对seed-vpm642图像处理系统进行深入学习和研究后，开发视频图像处理程序。组成该系统的硬件流程图如图5所示。

　　pmac控制卡安装在工控机中，它通过isa总线与工控机通讯。工控机主要运行主控程序、pmac应用程序、dsp应用软件ccs。seed-vpm642实验箱通过rs232串口数据线与工控机相连并进行数据通讯。pmac控制卡通过电缆连接松下交流伺服系统，接收松下伺服控制器输出的编码器信号，输出指令信号给松下交流伺服系统。ccd摄像头摄取目标物体图像，输出连续彩色视频图像给dsp图像处理系统。seed-vpm642图像处理系统处理摄像头摄取的图像，求取圆形物体的质心图像坐标，通过串口传递给工控机。
        系统工作流程
　　给定期望目标物体质心图像坐标，主控程序计算其与由dsp图像处理系统反馈的质心图像坐标值的差值，判断系统是否已到达伺服位置，若已到达，则结束伺服过程;否则，求解图像雅可比矩阵的逆阵，得到机器人两个关节应转动的角度值，并将其输出给pmac运动程序，pmac卡按运动程序计算并输出转矩指令给松下伺服控制器，由它直接控制机器人关节电机的运转，通过编码器检测关节的位置，反馈给伺服控制器和pmac卡（伺服控制器对编码器信号进行处理后自身使用并可同时输出）。ccd摄像头跟随机器人运动，摄取目标物体图像，通过dsp图像处理程序处理后求得目标物体质心图像坐标，通过串口通讯传递给主控程序作为视觉反馈量，形成视觉伺服循环。
        实验结果
　　基于上述系统原理，在vc++6.0环境下编写主控程序，主控程序主要包括界面的显示和人机交互部分、图像雅可比矩阵逆阵部分、pmac应用程序部分，串口通信部分、数据存储部分。程序运行界面如图6所示。

　　程序界面能对期望像素值、实际像素值的初始值、增益矩阵、关节初始转角、数据采集间隔等进行设置。程序能够对实际像素值、关节角度增量值和关节实际位置值等进行实时显示，并存储相关数据。通过调用pmac动态链接库函数，实现与pmac卡的通讯。增益矩阵为对角矩阵，用来设置关节角度变化的放大比例。程序设置了两个定时器，一个用于采集两个关节的实际位置值，另一个用于定时接收串口数据值、计算雅可比矩阵、与pmac卡通讯等，也即为系统的伺服周期。