基于DSP和_C_OS_的采摘机器人视觉系统设计_申一歌

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2017 年 6 月
农 机 化 研 究
第6 期
器恢复原图像 ， 将信息送到控制系统 ； ⑥ 将处理结果 传送至 VAG 显示 。
信号 ， 还包括对采集到的信息进行处理及保存的全过 程 。 因此 ， 视觉识别系统是采摘机器人的核心 ， 是整 个智能控制系统的灵魂 。 CCD 摄像机的成像原理为 ： 利用 CCD 或 CMOS 芯片感光后生成电信号 ， 再把电信 号转化为数字信号 ， 再通过独特的算法把数字信号还 原为图像 。 摄像机的成像原理如图 6 所示 。
收稿日期： 2016 － 03 － 03 基金项目： 河南省自 然 科学基金项目 （ 2015GZC155 ） ； 南 阳 市 科 技 攻 关项目（ KJGG36 ） （ E 作者简介： 申一歌 （ 1982 － ） ， 女， 河南南阳人， 讲师， 硕士研究生， － mail ） yuanzhu1982@ hnpi． cn 。
图4 Fig． 4
SAA7105 显示接口 SAA7105 display interface
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视觉系统开发平台 — 实时操作系统
本文设计的软件开发平台采用 uC / OS － II 系统 ，
采摘机器人视觉系统利用 uC / OS － II 内核实现智能 控制功能 。 3． 1 采摘机器人视觉系用软件总体设计 控制系统的硬件部分是机器视觉系统 正 常 运 作 的平台 ， 而硬件部分的协调运行必须依靠底层程序驱 动 。 嵌入式视觉系统软件总体设计如图 5 所示 。 图 5 中， 整个软件的设计包 含 以 下 几 个 部 分 ： ① CCD 摄像机采集一组视频信号 ； ② 对视频信息进行预 处理 ； ③ 将预处理后的图像信息送入颜色分类器中进 行颜色分割 ， 得到二值化图像 ； ④ 利用图像处理算法 识别二值化图像 ， 获取目标的二维坐标信息 ； ⑤ 编码
因此当前该系统多采用计算机系统进行搭建。为 此， 提出将嵌入式与视觉系统结合应用的思想， 并利用视觉系 统和嵌入式智能系统易于信息集成的特点， 设 计 了 一 种 基 于 DSP 和 uC / OS － II 的 视 觉 系 统 。 该 方 案 主 要 包 括 硬 件软件及操作系统的设计， 大大提高了生产的效 率 和 自 动 化 程 度， 对实现视觉系统在采摘机器人中的应用具有 重要意义。 关键词： 采摘机器人； 机器视觉系统； DSP； uC / OS － II 中图分类号： S225 ； TP391． 41 文献标识码： A 文章编号： 1003 － 188X（ 2017 ） 06 － 0223 － 05
The general scheme of embedded vision system
该视觉系统对视频信号的处理过程比较明显 ： 先 从 CCD 摄像头捕获视频信息 ， 利用视频解码器对视频 信号进行解码得到亮度参量和色度参量分开的像素 信号 ， 并送至 TMS320F2812 进行数据的处理 ； 然后将 处理得到的控制信号发送到采摘机器人的底层控制 部分 ， 同时将视频信号处理结果传输至视频编码器 ， 利用 OSD 显示器显示并监测整体系统的运行情况 。 2． 2 视频解码电路的设计 相比其他信号而言 ， 视频图像信 号 比 较 复 杂 ， 包 括行 、 场、 时序等同步信号 ， 因此对于视频图像信号的 采集和处理非常复杂 。 视频解码电路采用 TI 公司的 TVP5150 ， 具有超低功耗的优点 ； 采用四面 32 脚封装 ， 含转换的 NTSC / PAL / SECAM 等格式的高性能视频解 码器 ， 其正常工作时功耗仅 115MW ， 比较适合便携使 用、 并且要求严格的视频产品 。 TVP5150 芯片仅需采 数字和模拟输 用 14． 318 18MHz 晶振作为输入时钟 ， IO 输出输出口电压为 3． 3V ； 信号输 入电压为 1． 8V ， 入采取 阻 抗 匹 配 设 计 ， 防 止 对 输 入 信 号 有 所 反 射。 TVP5150 视频解码电 路 如 图 3 所 示 。 摄 像 机 将 采 集 到的模拟信号经过 TVP5150 进行解码 ， 然后将解码后 得到的数字视频信号发送至显示屏幕 。 若解码芯片 工作正常 ， 则可以看到显示设备上对应的显示画面 。 该解码电路 将 模 拟 复 合 视 频 信 号 解 码 成 符 合 ITU － ＲBT． 656 标 准 的 数 字 视 频 信 号 输 出 ，方 便 TMS320F2812 处理器进行数字视频信号输出 ， 容易进 行数字视频图像去隔行 、 分辨率转换甚至 MPEG 编码 等处理 ； 通过 TVP5150 完成芯片初始化设置 。
制系统已逐渐向数字化转变 ， 高集成芯片广泛应用于 自动化控制领域 ， 体积小 、 运算能力强的嵌入式系统 慢慢开始取代计算机 。 当前 ， 嵌入式系统已成功应用 到工业智能控制 、 光机电设备 、 自动检测 、 通信设备 、 仪器仪表及机器人控制等领域 。 制造研究出替代人 类劳动的机器人是人类长期以来的梦想 ， 对于一些高 危险工作或人工视觉难以判断的情况 ， 常常需要利用 机器视觉系统来完成 。 同时 ， 在简单重复作业中 ， 利 用人工操作不仅费时费力 、 效率低而且误差大 ， 机器 视觉技术能够大大提高生产的效率和作业精度 ， 容易 集成信息 ， 从而实现自动化 。
Imaging principle of CCD camera
一个物体的空间坐标确立实质是由视差值 决 定 的， 根据摄像机的连线距离与物体和摄像机的角度可 以确定目标果实的视觉深度 。 根据图 6 可得 x = f y = f x f z y = 0 1 0 0 f 0 XC ZC YC ZC 0 0 1 XC 0 YC 0 Z C 0 1 （ 1） （ 2）
CCD 摄像机及图像 机器视觉系统由光源 、 镜头 、 采集系统构成 ， 主要是利用智能化设备模拟人和生物 的视觉系统功能 ， 使机器人具有对空间物体进行传感 从而完成识别和理解的目的 。 和判断的能力 ，
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采摘机器人视觉系统的硬件设计
本文结合视觉系统的优良性能和嵌入 式 控 制 系
统的优点 ， 以及 uC / OS － II 易移植 、 可固化 、 可裁剪的 提出并设计了一种应用于采摘机器人中嵌入式 特点 ， 视觉系统 ， 搭建了以视频信号收集 、 视频编码器 、 视频 Flash 及复位等电路为基础的硬件平台 。 解码器 、
图3 Fig． 3
TVP5150 视频解码电路
TVP5150 video decoding circuit
2． 3
视频编码电路的设计 Y 和 UV 信号 模拟视频信号转化为数字信号后 ，
图2 Fig． 2
嵌入式视觉系统的总体方案
需要在准确相同的时序下才能重新叠加复合为视频 信号输出 。 通常来说 ， 视频编码电路的设计过程比较 复杂 ， 主要包括滤波 、 调节色彩 、 添加时钟信号 ， 以及 进行数模信号的转化等 。 本文选用 SAA7105 对视频 图像进行处理后输出 ， 该芯片集成度高 ， 内部包括输 入信号格式器 、 彩色空间转换器 、 高质量的定标器和 抗抖动式滤波器 ， 可以在低电压模式下输出图像处理 被处理的视频信号经过低通滤波后编码为模拟 信号 ， 信号 。 SAA7105 显示接口电路如图 4 所示 。
2017 年 6 月
农 机 化 研 究
第6 期
基 于 DSP 和 μC / OS － II 的 采 摘 机 器 人 视 觉 系 统 设 计
申一歌 ， 靳 果
473000 ）
（ 河南工业职业技术学院，河南 南阳 摘 要：
近年来， 国内机器视觉发展速度较快， 应用 广 泛。由 于 视 觉 系 统 需 要 处 理 视 频 图 像 信 息， 计算量较大，
（ 3）
x、 y、 z 分别是目标物体实际位置与摄像机 其中 ， 的相对距离坐标 。 视觉识别系统处理图像流程为 ： ① 图像获取 ； ② 图像预处理 ； ③ 图像分割 ； ④ 特征提取 ； ⑤ 立体匹配 ； ⑥ 目标定位 。 摄像机采集到的图像经处 理后输送到处理器 ， 在图像定义的直角坐标系“u － O － v” ， v ） 分别是该像素在数组中 每一像素的坐标 （ u ， v ） 是以像素为单元的图像坐标 。 的行数和列数 ， 即（ u，
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2017 年 6 月 2． 1 采摘机器人视觉系统的总体方案设计
Байду номын сангаас农 机 化 研 究
第6 期
本文设计核心处理器采用 TI 公司最新研究设计 其数据 的 32 位定点数字处理器芯片 TMS320F2812 ， 处理能力超强 ， 平均每秒可以执行 150M 条指令 ， 且具 有丰富的 SAＲAM 和 Flash 片内存储资源 。 本文根据 视觉系统的组成结构和 DSP 的工作特性 ， 提出了基于 DSP 的嵌入式视觉系统 。 嵌入式视觉 系 统 的 总 体 方 案设计如图 2 所示 。
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嵌入式机器视觉系统总体设计
嵌入式系统 （ Embedded System ） 是一种“完全嵌入
图1 Fig． 1 典型的机器视觉系统构架 Typical machine vision system architecture
受控器件 内 部 、 为特定应用而设计的专用计算机系 ， 统” 其本身 是 一 个 相 对 模 糊 的 定 义 ， 通 常 一 个 MP3 或者一个微 型 工 业 机 也 可 以 被 认 定 为 一 个 嵌 入 式 系统 。 机器视觉系统的目的是给机器或者自动 化 生 产 线增加一套视觉系统 ， 利用计算机或者图像处理系统 及相关设备来模拟人的视觉行为 ， 获取人的视觉系统
图5 Fig． 5
嵌入式视觉系统软件设计框架图 图6 Fig． 6 CCD 摄像机的成像原理
Framework of software design for embedded vision system
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