基于單片機的輪式機器人視覺系統(tǒng)設(shè)計

第１０卷第６期２００８年”月軍事交通學(xué)院學(xué)報ＪｏｕｎｒｎａｌｏｆＡｃａｄｅｍｙｏｆＭｉｌｉｔａｒｙＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＶ０１．１０Ｎｏ．６Ｎｏｖｅｍｂｅｒ２００８●基礎(chǔ)理論與應(yīng)用ＢａｓｉｃＴｈｅｏｒｙａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ基于單片機的輪式機器人視覺系統(tǒng)設(shè)計朱云江，徐友春，劉亞豪，彭永勝，趙玉皤（軍事交通學(xué)院汽車工程系，天津３００１６１）摘要：提出一種應(yīng)用于輪式機器入的視覺系統(tǒng)方案。該方案設(shè)計了基于１６位單片機和數(shù)字圖像芯片ＯＶ９６５０的硬件系統(tǒng)和相應(yīng)的底層軟件，給出了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計原理，對系統(tǒng)各個組成模塊間的接口進行了詳細的分析，并給出了系統(tǒng)的應(yīng)用實例。關(guān)鍵字：ＣＭＯＳ攝像頭；圖像采集；輪式機器人中圖分類號：ＴＨｌ２２文獻標志碼：Ａ文章編號：１６７４—２１９２（２００８）０６—００８６—０４ＤｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＭｏｂｉｌｅＲｏｂｏｔＶｉｓｕａｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄＯｎＳｉｎｇｌｅＣｈｉｐＣｏｍｐｕｔｅｒＺＨＵＹｕｎ—ｊｉａｎｇ，ＸＵＹｏｕ—ｃｈｕｎ，ＬＩＵＹａ—ｈａｏ，ＰＥＮＧＹｏｎｇ—ｓｈｅｎｇ，ＺＨＡＯＹｕ—ｆａｎ（ＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＡｃａｄｅｍｙｏｆＭｉｌｉｔａｒｙＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１６１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｖｉｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｐｐｌｉｅｄｉｎｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｒｅｌｅｖａｎｔｓｏｆｔｗａｒｅａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎ１６ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃｍｉｃｒｏｃｈｉｐａｎｄｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅｓｅｎｓｏｒＯＶ９６５０．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｈａｒｄ－ｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｓｙｓｔｅｍ，ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｏｄｕｌｅｓ，ａｎｄｓｈｏｗｓｔｈｅａｐｐｌｉｅｄｅｘａｍｐｌｅｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＭＯＳｃａｍｅｒａｈｅａｄ；ｉｍａｇｅｇａｔｈｅｒｉｎｇ；ｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔ輪式機器人，特別是微型輪式機器人，在消防、軍事等領(lǐng)域具有廣泛的用途。輪式機器人由機械、視覺、通信、控制、電源等系統(tǒng)組成。視覺系統(tǒng)是輪式機器人最重要的系統(tǒng)之一。輪式機器人要求其視覺系統(tǒng)能夠采集并傳輸圖像，并且體積要盡可能小。視覺系統(tǒng)實現(xiàn)方法多種多樣，有的基于ＰＣ機的ＰＣＩ總線采集卡或嵌入式工控機（如ＰＣＩ０４），有的基于ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ，有的基于專用或通用數(shù)字信號處理器（如ＴＭｌ３００或ＴＭ￥３２０ＶＣ５４１６／５４０２），有的基于單片機（如ＡＴ８９Ｃ５２／５１）等［¨。嵌入式工控機有商品化的操作系統(tǒng)及有關(guān)軟件可以利用，開發(fā)容易，但成本較高，體積較大。ＣＰＬＤ方式用硬件實現(xiàn)圖像采集和處理，并行處理程度高，可實現(xiàn)高速處理，但算法復(fù)雜時，開發(fā)難度大。采用通用ＤＳＰ實現(xiàn)方式，靈活性強，具有很好的可擴展性，但成本相對較高。單片機系統(tǒng)由于速度低，很難滿足圖像處理系統(tǒng)的速度要求，但其成本在各種方案中最低，對于速度要求低、分辨率低、算法簡單的系統(tǒng)仍有實用價值。收稿日期：２００８－０３—１５；修回日期：２００８—０６—０９．基金項目：天津自然科學(xué)基金資助項目（０５ＹＦＪＭＪｃｌｌ９９００）．作者簡介：朱云江（１９８４一），男（漢族），河北承德人，碩士研究生，ｚｙｊ一３３３＠１２６．ＣＯＨｌ；趙玉瑤（１９４４一），男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師．８６萬方數(shù)據(jù)２００８年１１冀寒云江等：基于葷籌枧的輪式機器人視覺系統(tǒng)設(shè)計第１０卷第６期攝像鏡頭把圖像信息成像在圖像傳感器的面陣感應(yīng)單元上，適用于輪式移動機器人的傳感器主要有覆陣ＣＣＤ和蟊陣ＣＭＯＳ兩靜拉ｊ。ＣＭＯＳ圖像傳感器是近年發(fā)展超來的一種新型國體闋像傳感器，由于采用了相同的ＣＭＯＳ工藝，岡此可以將像素陣列與驅(qū)動電路和信號處理電路集成在同一塊芯片上。耐怠，瑗在越來越多的ＣＭＯＳ湖像傳感器芯片將Ａ／Ｄ集成進去，醫(yī)此還可直接輸出數(shù)字視頻信號和同步信號。本設(shè)計為尋線運行的輪式機器人提供視覺，不需要很高的圖像分辨率，算法也相對簡單，同時考慮裁律成本，最終選用基于單片視的悉像采集系統(tǒng)。本文先介紹圖像傳感器和單片機，然后給出整個系統(tǒng)的硬件和軟件實現(xiàn)方法。．１硬件設(shè)計本系統(tǒng)的硬件框圖如圖ｌ所示，ＣＭＯＳ圖像傳感器將道路信息轉(zhuǎn)換為電信號，同時輸出場同步信號、彳虧同步信號和像素時鐘信號。單片機輸入捕捉端鏊捕挺３耪同步信號，并按照一定規(guī)則采集ＣＭＯＳ圖像傳感器數(shù)據(jù)輸出端口的數(shù)字信號，即得到道路圖像。?。喉羝r竺！矍◆電源—■?。?。◆ｏＶ９６５０嗣步信號燕—點貔．．－——————●ＩＩＣ接口片模塊●?———寸機３．３Ｖｋ豳’系統(tǒng)礤體框篷１．１圖像傳感器本設(shè)計采用的是ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ公司推出的ＣＭＯＳ彩色圖像傳感器０Ｖ９６５０。該芯片將ＣＭＯＳ傳感器技術(shù)與數(shù)字接口組合，用于視頻圖像應(yīng)用。０Ｖ９６５０芯片的基本參數(shù)為”１１）單片１／４ｉｎ視頻圖像傳感器，２８ｐｉｎ，逐行＿ｌ鼉撼也可隔行掃描，連置１０位Ａ／Ｄ。２）圖像尺寸４．１３ｍｍ×３。２８ｍｍ，像素尺寸３．１８ＩｘｍＸ３．１８ｔｘｍ，像素數(shù)ｌ３００Ｘ１０２８。３）內(nèi)核１．８Ｖ供電，Ａ／Ｄ模塊２．５Ｖ供電，Ｌ／Ｏ接ｔ３３。３Ｖ供電。４）信嗓斃４０ｄＢ，靈敏度０．９ｖ／Ｌｕｘ—ｓｅｃ。５）輸出圖像格式可為ＳＸＧＡ、ＶＧＡ、ＣＩＦ、ＱＣＩＦ、ＱＱＣＩＦ等，輸出數(shù)據(jù)格式可為ＹＵＶ４：２：２、ＧＲＢ４：２：２、原始ＲＧＢ等。ＯＶ９６５０在Ｄ９一ＤＯ引腳輸出數(shù)字圖像視頻流。在輸出數(shù)字褫菝滾的同曝，還提供像素時鋒ＰＣＬＫ，水平參考信號ＨＲＥＦ，垂直同步信號ＶＳＹＮＣ，便于外部電路同步讀取圖像。ＯＶ９６５０具有豐富的編程控制功能，其圖像幀頻、曝光時間、增益控制、Ｇａｍｍａ校正以及圖像開窗等均可邋過對芯片內(nèi)部寄存器的瀆寫送行設(shè)置。１．２單片機本設(shè)計選用的單片機既要采集圖像信息又要控制整個輪式機器人，這樣可使整個機器人系統(tǒng)設(shè)計籬純，避免了大量酶垂豫數(shù)挺的傳輸，同時也增強了系統(tǒng)的可靠性。ＭＣ９Ｓ１２ＤＧｌ２８（以下簡稱ＤＧｌ２８）是Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ公司推出的Ｓ１２系列單片機中的一款增強型１６位單片機，其譙汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的用途。ＤＧｌ２８單摶巍采用增強型１６位ＨＣＳｌ２ＣＰＵ，總線時鐘最高可這２５ＭＨｚ；片內(nèi)資源包括８ＫＲＡＭ、１２８ＫＤａｓｈ、２ＫＥＥＰＲＯＭ、ＩＩＣ、２個ＳＣＩ端口、３個ＳＰＩ端口、８路８位或者４路１６位ＰＷＭ、２個８路ｌｏ位精度Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器、４個控制器局域網(wǎng)模塊（ＣＡＮ），增強型攘鍵定時器（ＥＣＴ）并支持背景調(diào)試模式（ＢＤＭ）等｜４】。本設(shè)計采用８０ｐｉｎ封裝的ＤＧｌ２８單片機。１．３系統(tǒng)接口電路及其實現(xiàn)系統(tǒng)接曩電路如圖２所示，英工終原理如下：電源模塊輸出３．３Ｖ、２．５Ｖ、１．８Ｖ３種電壓，分別給０Ｖ９６５０的Ｉ／Ｏ、Ａ／Ｄ和內(nèi)核供電，同時，３．３Ｖ電源也給單片機供電。單片機ＩＩＣ模塊的ＳＣＬ和ＳＤＡ腳分別與ＯＶ９６５０的ＳＩＯ—Ｃ秘ＳＩＯ—Ｄ楣連，通過ＩＩＣ總線實現(xiàn)對圖像傳感器的參數(shù)設(shè)定。０Ｖ９６５０的數(shù)據(jù)輸出接口Ｄ９～Ｄ２與單片機的并口ＰＯＲＴＡ相連，作數(shù)據(jù)輸入，采集網(wǎng)像信息。單片機ＥＣＴ模塊中的ＰＴ０、胛ｌ、Ｐ睨日設(shè)置戲輸入捕捉，分別與垂壹露步信號ＶＳＹＮＣ、水平參考信號ＨＲＥＦ和像素時鐘ＰＣＬＫ輸出引腳相連，通過捕捉相應(yīng)的同步信號蜜現(xiàn)圖像的同步讀取。應(yīng)注意的是，ＳＣＬ和ＳＤＡ線上一定要接上拉電阻；單片機和ＯＶ９６５０一定要簇弱一個晶振援供酣鋅，繯證蕊者之間的時鐘同步。２軟件設(shè)計本視覺系統(tǒng)沒計墨標為麓以６０ｆｏｓ（ｆｒａｍｅｐｅｒｓｅｃｏｎｄ）以上的速率采集ＱＱＣＩＦ（８８×７２）格式的黑內(nèi)圖像。因此，將通過ＩＩＣ總線將０Ｖ９６５０設(shè)置８７萬方數(shù)據(jù)第１０卷第６期軍事交通學(xué)院學(xué)報２００８年１１月成輸出ＱＱＣＩＦ格式的圖像，輸出幀頻為６０Ｈｚ，數(shù)據(jù)輸出格式為ＹＵＶ４：２：２，只取Ｙ量即得到黑白圖像?？芍?，每個像素點占１個字節(jié)，采集到的圖像需占用６３３６字節(jié)的ＲＡＭ空間。ＤＧｌ２８有８Ｋ的ＲＡＭ，能夠保存下完整的一幅圖像后再進行相關(guān)處理。圖２系統(tǒng)搔１２１電蹯２．１攝像機參數(shù)的設(shè)定ＯＶ９６５０通過ＩＩＣ總線設(shè)置內(nèi)部寄存器。單片機工作在主機模式，ＯＶ９６５０工作在從機模式，寫ＯＶ９６５０內(nèi)部寄存器的地址為０ｘ６０，讀ＯＶ９６５０內(nèi)部寄存器的地址為０ｘ６１。將單片機ＩＩＣ的波特率設(shè)置為１００Ｋｂｐｓ，其寫ＯＶ９６５０內(nèi)部寄存器的過程如下：將ＯＶ９６５０中地址為０ｘ０２的寄存器設(shè)置為０ｘ５５，應(yīng)先向單片機ＩＩＣ模塊的數(shù)據(jù)寄存器寫０ｘ６０尋址ＯＶ９６５０，待發(fā)送完后再寫０ｘ０２指明要修改的寄存器地址，然后再寫要設(shè)置的值０ｘ５５＂Ｊ。按照以上方法，參考ＯＶ９６５０數(shù)據(jù)手冊，將ＯＶ９６５０中０ｘ０Ｄ寄存器設(shè)置為０ｘＣ０，使其輸出ＱＱＣＩＦ圖像；將Ｏｘ０４寄存器設(shè)置為０ｘ２４，使其隔行采集圖像；將Ｏｘｌｌ寄存器設(shè)置為０ｘ８１，使其輸出圖像幀頻為６０Ｈｚ；將０ｘ１２寄存器設(shè)置為０ｘ０８，使其數(shù)據(jù)輸出格式為ＹＵＶ４：２：２。當然，還可以根據(jù)需要設(shè)置圖像曝光時間、增益控制、Ｇａｍｍａ校正、邊緣增強、亮度、對比度等。各個寄存器設(shè)置完畢后，在輸出１０幀圖像的時間之后，ＯＶ９６５０即會輸出所需格式的圖像。２．２圖像采集程序設(shè)計將ＯＶ９６５０設(shè)置成功后其輸出的同步信號如圖３所示”Ｊ。用示波器測量ＶＳＹＮＣ的頻率為６０Ｈｚ，ＨＲＥＦ的頻率為５．７８ＫＨｚ，ＰＣＬＫ的頻率為３ＭＨｚ，證明ＯＶ９６５０設(shè)置成功。ＤＧｌ２８的ＰＴ０口設(shè)置為下降８８Ｖｓ■！門．。ｒ］ＨＲＥ！廠］廠］。廠］ＹＵＶ：：：：：正丑：旺丑：：：旺Ⅲ：繭甄甄：ＲｏｗＯＲＯＷｌＲｏｗ７ｌ圖３同步信號時序沿觸發(fā)中斷，檢測ＶＳＹＮＣ信號；ＰＴｌ口設(shè)置為上升沿觸發(fā)中斷，檢測ＨＲＥＦ信號；ＰＴ２口判斷ＰＣＬＫ的電平，當ＰＣＬＫ由低電平變高電平時讀取ＰＯＲ—ＴＡ的值，得到圖像信息?？芍敚龋遥牛茷楦唠娖綍r單片機進人中斷并采集圖像，當ＨＲＥＦ為低電平時單片機可進行其他的計算，使得整個圖像采集時間占用約３０％的ＣＰＵ時間，其他時間單片機可處理數(shù)據(jù)并對移動機器人進行控制，滿足設(shè)計要求。圖像采集的具體過程如下：１）允許輸人捕捉中斷，等待ＶＳＹＮＣ信號下降沿的到來。當ＰＴ０捕捉到ＶＳＹＮＣ的下降沿時，將行數(shù)計數(shù)變量ｒｏｗ清零，并等待ＨＲＥＦ信號的到來。２）當盯１口捕捉到ＨＲＥＦ的上升沿時，將列數(shù)計數(shù)變量ｃｏｌｕｍｎ清零，并等待ＰＣＩ。Ｋ的上升沿的到來。３）當ＰＣＬＫ的信號到來時，讀?。校希遥裕恋闹担⑵浯嫒藬?shù)組ｂｕｆｆｅｒ［ｒｏｗ］［ｃｏｌｕｍｎ］中，同時ｃｏｌ－ｕｍｎ加１。４）重復(fù)步驟３，判斷ｃｏｌｕｍｎ的值是否等于８８。當ｃｏｌｕｍｎ＝８８時，ｒｏｗ值加１，并判斷ｒｏｗ值是否等于７２。當ｒｏｗ不等于７２時，跳至步驟２。５）當ｒｏｗ＝７２時，整幅圖像采集完畢。禁止輸入捕捉中斷，程序跳至圖像處理及相關(guān)控制程序。圖像采集過程的流程如圖４所示。２．３圖像的存儲與顯示本系統(tǒng)采集的圖像占用６３３６字節(jié)的ＲＡＭ，其能夠完整地保存在ＤＧｌ２８的ＲＡＭ中后再進行處理。為了便于移動機器人的調(diào)試，采集的圖像或經(jīng)處理過的圖像也可以通過ＤＧｌ２８的ＳＣＩ接口傳輸?shù)剑校脵C上顯示并保存。ＰＣ機上的圖像接收軟件是用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋６．０開發(fā)的，用ＰＣ機的串口接收數(shù)據(jù)，接收到的圖像如圖５所示。２．４圖像處理與道路識別當一幀圖像采集完成后，要對獲得的道路圖像進行預(yù)處理，主要包括濾波、邊緣增強和二值化等。本文采用中值濾波器對圖像進行濾波，對經(jīng)萬方數(shù)據(jù)２００８年１１月朱云江等：基于單片機的輪式機器人視覺系統(tǒng)設(shè)計第１０卷第６期圖５采集的道路圖像過濾波的圖像采用Ｓｏｂｅｌ算子進行邊緣增強。為了便于圖像的處理和道路的識別還需對圖像進行二值化。在二值化圖像過程中，閾值的選取是關(guān)鍵，閾值選取的是否合適直接影響道路的識別。本文采用的方法是抽取圖像一些行ｉ（ｉ＝０，１，…，ｍ），求得這些行的象素點的灰度值ｇ（ｉ，歹）（＿『＝０，１，…，ｎ）的平均值，并對這些行象素點進行相鄰象素點的灰度值的差分，求得差分后的絕對值的和進行平均后乘２，最后求取二者之和，即為閾值ｔ。１ｍｎ，＇ｍｎ一１ｔ２磊磊ｉ磊邑ｇ（ｉ，Ｊ）＋磊靠ｉ毛，邑［ｇ（ｉ，Ｊ＋１）一ｇ（ｉ，，）］（１）式１）可減少計算量，同時在實驗中證明是有效的。圖６經(jīng)預(yù)處理后如圖７所示。本文采用啟發(fā)式搜索算法對道路進行識別。該算法的核心思想是通過上下文信息來搜索下一個最有可能的邊界點，其過程主要包括起始點的選擇、邊界點的搜索以及終止點的確定。通過確定引導(dǎo)黑線在圖像中的位置，推算出移動機器人當前所處的位置，進而完成對其的控制。３結(jié)論圖７經(jīng)過預(yù)處理后的圖像本系統(tǒng)體積小、成本低、工作可靠、圖像采集速度快，使得整個移動機器人的電路設(shè)計大大簡化。本設(shè)計嘗試了用低端單片機采集圖像的方案（該方案完全可以在８位單片機上實現(xiàn)），在對分辨率要求不高，對成本較敏感的系統(tǒng)上具有實用價值。該系統(tǒng)還可以應(yīng)用在智能玩具和遠程監(jiān)控等領(lǐng)域。參考文獻：［１］李紹民．嵌入式圖像采集及自主足球機器人視覺系統(tǒng)［Ｊ］．吉林大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，２００４，２２（６）：５７９—５８２．［２］孫挺，李眾立，黃玉清，等．基于ＣＭＯＳ圖像傳