基于DSP和μC/OS-II 的采摘機器人視覺系統(tǒng)設(shè)計

申一歌，靳 果

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河南 南陽 473000)

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基于DSP和μC/OS-II 的采摘機器人視覺系統(tǒng)設(shè)計

申一歌，靳 果

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河南 南陽 473000)

近年來，國內(nèi)機器視覺發(fā)展速度較快，應用廣泛。由于視覺系統(tǒng)需要處理視頻圖像信息，計算量較大，因此當前該系統(tǒng)多采用計算機系統(tǒng)進行搭建。為此，提出將嵌入式與視覺系統(tǒng)結(jié)合應用的思想，并利用視覺系統(tǒng)和嵌入式智能系統(tǒng)易于信息集成的特點，設(shè)計了一種基于DSP和uC/OS-II的視覺系統(tǒng)。該方案主要包括硬件軟件及操作系統(tǒng)的設(shè)計，大大提高了生產(chǎn)的效率和自動化程度，對實現(xiàn)視覺系統(tǒng)在采摘機器人中的應用具有重要意義。

采摘機器人；機器視覺系統(tǒng)；DSP；uC/OS-II

0 引言

隨著新興電子集成技術(shù)和自動化技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)已逐漸向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，高集成芯片廣泛應用于自動化控制領(lǐng)域，體積小、運算能力強的嵌入式系統(tǒng)慢慢開始取代計算機。當前，嵌入式系統(tǒng)已成功應用到工業(yè)智能控制、光機電設(shè)備、自動檢測、通信設(shè)備、儀器儀表及機器人控制等領(lǐng)域。制造研究出替代人類勞動的機器人是人類長期以來的夢想，對于一些高危險工作或人工視覺難以判斷的情況，常常需要利用機器視覺系統(tǒng)來完成。同時，在簡單重復作業(yè)中，利用人工操作不僅費時費力、效率低而且誤差大，機器視覺技術(shù)能夠大大提高生產(chǎn)的效率和作業(yè)精度，容易集成信息，從而實現(xiàn)自動化。

1 嵌入式機器視覺系統(tǒng)總體設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)(Embedded System)是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部、為特定應用而設(shè)計的專用計算機系統(tǒng)”,其本身是一個相對模糊的定義，通常一個MP3或者一個微型工業(yè)機也可以被認定為一個嵌入式系統(tǒng)。

機器視覺系統(tǒng)的目的是給機器或者自動化生產(chǎn)線增加一套視覺系統(tǒng)，利用計算機或者圖像處理系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備來模擬人的視覺行為，獲取人的視覺系統(tǒng)所能獲得的信息。該系統(tǒng)是采摘機器人對成熟果實的判別和定位的重要技術(shù)手段，視覺傳感器根據(jù)圖像處理系統(tǒng)和雙目視覺技術(shù)可以獲取果園中復雜環(huán)境和作業(yè)對象的信息。其主要功能是：①判斷目標果實是否成熟；②對目標果實進行三維定位；③對機器運動軌跡進行優(yōu)化。典型的機器視覺系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 典型的機器視覺系統(tǒng)構(gòu)架Fig.1 Typical machine vision system architecture

機器視覺系統(tǒng)由光源、鏡頭、CCD攝像機及圖像采集系統(tǒng)構(gòu)成，主要是利用智能化設(shè)備模擬人和生物的視覺系統(tǒng)功能，使機器人具有對空間物體進行傳感和判斷的能力，從而完成識別和理解的目的。

2 采摘機器人視覺系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本文結(jié)合視覺系統(tǒng)的優(yōu)良性能和嵌入式控制系統(tǒng)的優(yōu)點，以及uC/OS-II易移植、可固化、可裁剪的特點，提出并設(shè)計了一種應用于采摘機器人中嵌入式視覺系統(tǒng)，搭建了以視頻信號收集、視頻編碼器、視頻解碼器、Flash及復位等電路為基礎(chǔ)的硬件平臺。

2.1 采摘機器人視覺系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

本文設(shè)計核心處理器采用TI公司最新研究設(shè)計的32位定點數(shù)字處理器芯片TMS320F2812，其數(shù)據(jù)處理能力超強，平均每秒可以執(zhí)行150M條指令，且具有豐富的SARAM和Flash片內(nèi)存儲資源。本文根據(jù)視覺系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和DSP的工作特性，提出了基于DSP的嵌入式視覺系統(tǒng)。嵌入式視覺系統(tǒng)的總體方案設(shè)計如圖2所示。

圖2 嵌入式視覺系統(tǒng)的總體方案Fig.2 The general scheme of embedded vision system

該視覺系統(tǒng)對視頻信號的處理過程比較明顯：先從CCD攝像頭捕獲視頻信息，利用視頻解碼器對視頻信號進行解碼得到亮度參量和色度參量分開的像素信號，并送至TMS320F2812進行數(shù)據(jù)的處理；然后將處理得到的控制信號發(fā)送到采摘機器人的底層控制部分，同時將視頻信號處理結(jié)果傳輸至視頻編碼器，利用OSD顯示器顯示并監(jiān)測整體系統(tǒng)的運行情況。

2.2 視頻解碼電路的設(shè)計

相比其他信號而言，視頻圖像信號比較復雜，包括行、場、時序等同步信號，因此對于視頻圖像信號的采集和處理非常復雜。視頻解碼電路采用TI公司的TVP5150，具有超低功耗的優(yōu)點；采用四面32腳封裝，含轉(zhuǎn)換的NTSC/PAL/SECAM等格式的高性能視頻解碼器，其正常工作時功耗僅115MW，比較適合便攜使用、并且要求嚴格的視頻產(chǎn)品。TVP5150芯片僅需采用14.318 18MHz晶振作為輸入時鐘，數(shù)字和模擬輸入電壓為1.8V，IO輸出輸出口電壓為3.3V；信號輸入采取阻抗匹配設(shè)計，防止對輸入信號有所反射。TVP5150視頻解碼電路如圖3所示。攝像機將采集到的模擬信號經(jīng)過TVP5150進行解碼，然后將解碼后得到的數(shù)字視頻信號發(fā)送至顯示屏幕。若解碼芯片工作正常，則可以看到顯示設(shè)備上對應的顯示畫面。該解碼電路將模擬復合視頻信號解碼成符合ITU-RBT.656標準的數(shù)字視頻信號輸出，方便TMS320F2812處理器進行數(shù)字視頻信號輸出，容易進行數(shù)字視頻圖像去隔行、分辨率轉(zhuǎn)換甚至MPEG編碼等處理；通過TVP5150完成芯片初始化設(shè)置。

圖3 TVP5150視頻解碼電路Fig.3 TVP5150 video decoding circuit

2.3 視頻編碼電路的設(shè)計

模擬視頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，Y和UV信號需要在準確相同的時序下才能重新疊加復合為視頻信號輸出。通常來說，視頻編碼電路的設(shè)計過程比較復雜，主要包括濾波、調(diào)節(jié)色彩、添加時鐘信號，以及進行數(shù)模信號的轉(zhuǎn)化等。本文選用SAA7105對視頻圖像進行處理后輸出，該芯片集成度高，內(nèi)部包括輸入信號格式器、彩色空間轉(zhuǎn)換器、高質(zhì)量的定標器和抗抖動式濾波器，可以在低電壓模式下輸出圖像處理信號，被處理的視頻信號經(jīng)過低通濾波后編碼為模擬信號。SAA7105顯示接口電路如圖4所示。

圖4 SAA7105顯示接口Fig.4 SAA7105 display interface

3 視覺系統(tǒng)開發(fā)平臺—實時操作系統(tǒng)

本文設(shè)計的軟件開發(fā)平臺采用uC/OS-II系統(tǒng)，采摘機器人視覺系統(tǒng)利用uC/OS-II內(nèi)核實現(xiàn)智能控制功能。

3.1 采摘機器人視覺系用軟件總體設(shè)計

控制系統(tǒng)的硬件部分是機器視覺系統(tǒng)正常運作的平臺，而硬件部分的協(xié)調(diào)運行必須依靠底層程序驅(qū)動。嵌入式視覺系統(tǒng)軟件總體設(shè)計如圖5所示。

圖5中，整個軟件的設(shè)計包含以下幾個部分：①CCD攝像機采集一組視頻信號；②對視頻信息進行預處理；③將預處理后的圖像信息送入顏色分類器中進行顏色分割，得到二值化圖像；④利用圖像處理算法識別二值化圖像，獲取目標的二維坐標信息；⑤編碼器恢復原圖像，將信息送到控制系統(tǒng)；⑥將處理結(jié)果傳送至VAG顯示。

圖5 嵌入式視覺系統(tǒng)軟件設(shè)計框架圖Fig.5 Framework of software design for embedded vision system

3.2 uC/OS-II操作系統(tǒng)的移植

uC/OS-II是一種可自主剪裁、移植的系統(tǒng)，其內(nèi)核程序相當少，移植可行性強，具有多任務、中斷管理和系統(tǒng)服務等特點，是專門為計算機的嵌入式應用設(shè)計的系統(tǒng)內(nèi)核。對于一個處理器而言，要同時處理多個任務機制，必須使處理器具備一種在運行期內(nèi)更加CPU運行的途徑；而在uC/OS-II中，每個運行任務都會有一個獨立的控制模塊，通過指針可以實現(xiàn)任務同時進行或者完成任務運行的切換。uC/OS-II操作系統(tǒng)移植主要包括下面幾個部分：

1)OS_CPU.H文件的移植；

2)INCLUDESH文件的移植；

3)修改OS_CFG.H配置文件；

4)修改OS_CPU_H.ASM文件；

5)修改OS_CPU_H.ASM文件；

6)修改啟動代碼。

其中，OS_CPU.H文件的移植的部分代碼如下：

typedef unsigned char BOOLEAN;

typedef unsigned char INT8U;

typedef signed char INT8S;

typedef unsigned short INT16U;

typedef signed short INT16S;

typedef unsigned long INT32U;

typedef signed long INT32S;

typedef float FP32;

typedef double FP64;

4 農(nóng)業(yè)采摘機器人視覺識別系統(tǒng)的實現(xiàn)

視覺是動物獲取信息的重要手段，不只是采集光信號，還包括對采集到的信息進行處理及保存的全過程。因此，視覺識別系統(tǒng)是采摘機器人的核心，是整個智能控制系統(tǒng)的靈魂。CCD攝像機的成像原理為：利用CCD或 CMOS芯片感光后生成電信號，再把電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再通過獨特的算法把數(shù)字信號還原為圖像。攝像機的成像原理如圖6所示。

圖6 CCD攝像機的成像原理Fig.6 Imaging principle of CCD camera

一個物體的空間坐標確立實質(zhì)是由視差值決定的，根據(jù)攝像機的連線距離與物體和攝像機的角度可以確定目標果實的視覺深度。根據(jù)圖6可得

(1)

(2)

(3)

其中，x、y、z分別是目標物體實際位置與攝像機的相對距離坐標。視覺識別系統(tǒng)處理圖像流程為：①圖像獲取；②圖像預處理；③圖像分割；④特征提??；⑤立體匹配；⑥目標定位。攝像機采集到的圖像經(jīng)處理后輸送到處理器，在圖像定義的直角坐標系“u-O-v”，每一像素的坐標(u,v)分別是該像素在數(shù)組中的行數(shù)和列數(shù)，即(u,v)是以像素為單元的圖像坐標。

5 實驗結(jié)果

對成熟果實三維信息成功定位，是判斷采摘機器人性能是否優(yōu)良的重要條件。本文以成熟蘋果為對象，在機器人自主運行的情況下，對目標物體的位置進行了測試實驗。視覺識別系統(tǒng)測量處理流程如圖7所示，采摘機器人測量的實驗結(jié)果表1所示。

從表1可以看出：處理后得到的結(jié)果與實際目標一致，采摘機器人測定目標果實的成功率較高，對單個目標果實的判定時間能控制在5s以內(nèi)。實驗結(jié)果證明：該機器視覺識別系統(tǒng)測量效果非常好，可以實現(xiàn)對采摘機器人的監(jiān)測和導航，并能夠提高整個機器視覺系統(tǒng)的運行速度。

圖7 視覺識別系統(tǒng)處理流程圖Fig.7 Visual identity system processing flow chart表1 采摘機器人的測量結(jié)果Table 1 Measurement results of picking robot

測量值/mm圓心X圓心Y半徑R實際值/mm圓心X圓心Y半徑R197115281951162813210027131992615812228158122281461182914711529136110251361082613214628130147292031242620412527149167251501662621013829209139302624513026345030

6 結(jié)論

隨著果蔬采摘作業(yè)的復雜化，人們對農(nóng)業(yè)采摘機器人有了新的要求，希望其擁有更強的智能化能力，能夠輕松應對作業(yè)過程中各種突發(fā)的環(huán)境變化。因此，本文提出了基于視覺系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)采摘機器人，將視覺系統(tǒng)與自動化技術(shù)融合在一起，在DSP強大處理能力和uC/OS-II操作系統(tǒng)易于模塊化的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了采摘機器人的嵌入式視覺系統(tǒng)，并利用視頻算法對智能控制系統(tǒng)進行了探索式研究。該研究對采摘機器人提高前行過程中躲避障礙物和識別目標果實能力有著非常重要的積極作用，對農(nóng)業(yè)實現(xiàn)機械自動化、無人化生產(chǎn)具有重要的實際應用意義。

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Design for Vision System of Picking Robot Based on DSP and uC/OS-II

Shen Yige, Jin Guo

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China)

In the rapid development of industrial automation and intelligence, machine vision as the core technology to improve the efficiency of production, and its in the United States, Germany, France, Russia and other developed countries have long been widely used. In recent years, the rapid development of domestic machine vision, China has become one of the most active areas of the technology development, and its widely used in industry, agriculture, aerospace, public security, transportation, security, and other industries. Because the visual system needs to process the video image information, the computation quantity is big, therefore the present system uses the computer system to carry on the construction. Based on the embedded in video image processing based on, the embedded visual system and combined with the application of thought, and the vision system and embedded intelligent system easy to characteristics of information integration. Design and research of the a vision system based on DSP and UC/OS-II. The scheme mainly includes hardware and software and operating system design. In this paper, on the vision system and the DSP embedded system to take a series of exploratory research, the method greatly improves the efficiency and automation of the production, to realize the visual system in picking robot application has important significance.

picking robot ； machine vision system; DSP; uC/OS-II

2016-03-03

河南省自然科學基金項目(2015GZC155);南陽市科技攻關(guān)項目(KJGG36)

申一歌(1982-)，女，河南南陽人，講師，碩士研究生，(E-mail)yuanzhu1982@hnpi.cn。

S225；TP391.41

A

1003-188X(2017)06-0223-05