基于DSP的機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)研究

　　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。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

　　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：