基于DSP的機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)研究

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)時性問題一直是一個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間會給系統(tǒng)帶來明顯的時滯;此外視覺信息的引入也明顯增大了系統(tǒng)的計算量。而圖像處理速度是影響視覺伺服系統(tǒng)實(shí)時性的主要瓶頸之一。

　　實(shí)時圖像處理設(shè)計的難點(diǎn)是如何在有限的時間內(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幀以上時才能達(dá)到實(shí)時的效果，即要求實(shí)時圖像處理系統(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。

圖1 基于DSP的圖像反饋機(jī)器人視覺伺服結(jié)構(gòu)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芯片的最高時鐘頻率為200MHZ，每個時鐘周期最多可以執(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，使兩個或多個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)