基于DSP的機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1. 引言

　　機(jī)器人視覺(jué)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(jì)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(jué)伺服跟通常所說(shuō)的機(jī)器視覺(jué)有所不同，視覺(jué)伺服是利用機(jī)器視覺(jué)的原理，進(jìn)行圖像的自動(dòng)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(shí)間內(nèi)給出反饋信號(hào)，構(gòu)成機(jī)器人的位置閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jué)伺服系統(tǒng)中的圖像處理過(guò)程必須快速準(zhǔn)確。本文主要針對(duì)機(jī)器人視覺(jué)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(jué)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(jué)伺服直接計(jì)算圖像誤差，產(chǎn)生控制信號(hào)，并變換到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，完成伺服任務(wù)。該方法對(duì)標(biāo)定誤差和空間模型誤差不敏感。

　　對(duì)于機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng),實(shí)時(shí)性問(wèn)題一直是一個(gè)難以解決的重要問(wèn)題。圖像采集速度較低以及圖像處理需要較長(zhǎng)時(shí)間會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)明顯的時(shí)滯;此外視覺(jué)信息的引入也明顯增大了系統(tǒng)的計(jì)算量。而圖像處理速度是影響視覺(jué)伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的主要瓶頸之一。

　　實(shí)時(shí)圖像處理設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是如何在有限的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)大量圖像數(shù)據(jù)的處理。從人的視覺(jué)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(shí)才能達(dá)到實(shí)時(shí)的效果，即要求實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)必須在40ms內(nèi)完成對(duì)一幀l圖像的運(yùn)算處理，才能保證圖像的實(shí)時(shí)性。為了達(dá)到該處理速度，我們采用了基于DSP的圖像視覺(jué)伺服方式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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圖1 基于DSP的圖像反饋機(jī)器人視覺(jué)伺服結(jié)構(gòu)圖

　　2.1 WTC6201PA板簡(jiǎn)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。

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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(shí)鐘頻率為200MHZ，每個(gè)時(shí)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(xiě)數(shù)據(jù)和DMA操作可以并行。
　　采用流水線處理，使兩個(gè)或多個(gè)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(chǔ)器擴(kuò)展接口EMIF，可以直接與同步突發(fā)靜態(tài)存儲(chǔ)器SBSRAM、同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器SDRAM連接，用于大容量、高速存儲(chǔ);還包括直接異步存儲(chǔ)器接口，可與靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM、只讀存儲(chǔ)器EPROM連接，用于小容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序存儲(chǔ);芯片內(nèi)部集成的64K程序存儲(chǔ)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(chǔ)區(qū)以及外圍電路進(jìn)行通信。且多通道DMA控制器可在沒(méi)有CPU參與的情況下完成映射存儲(chǔ)空間中的數(shù)據(jù)搬移，從而減輕CPU的工作量。
　　同時(shí)板上配置了高速同步存儲(chǔ)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(gè)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(wèn)DSP的所有資源，用戶可通過(guò)主機(jī)加載程序。WTC6201PA板提供了Win98和NT下的驅(qū)動(dòng)軟件及DSP的應(yīng)用軟件（APIs），利用這個(gè)硬件平臺(tái)和底層軟件庫(kù)，用戶可以很容易的進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。