大學(xué)本科畢業(yè)論文范文 探測(cè)機(jī)器人視覺(jué)隨動(dòng)系統(tǒng)

1、<p>　　**大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　探測(cè)機(jī)器人視覺(jué)隨動(dòng)系統(tǒng)</p><p><b>　　的軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　學(xué) 生：xx</b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)：xx</b></p>

2、<p><b>　　指導(dǎo)教師：xx</b></p><p><b>　　專(zhuān) 業(yè)：xx</b></p><p><b>　　**大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院</b></p><p><b>　　二O 年六月</b></p><p>　　Graduat

3、ion Design(Thesis) of Chongqing University</p><p>　　The Software Design of Dynamic System </p><p>　　of Detection Robot</p><p>　　Undergraduate: Xia Xiaodong</p><p>　　Sup

4、ervisor: Assit-Prof. Xie Zhaoli</p><p>　　Major: Automation</p><p>　　College of Automation </p><p>　　Chongqing University</p><p><b>　　June 2008</b></p>

5、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　目前機(jī)器人越來(lái)越多的應(yīng)用于非制造業(yè)，與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，這對(duì)機(jī)器人提出了更高的要求，需要機(jī)器人具備行走功能、對(duì)外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等。因此，對(duì)探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人的研究正成為一個(gè)重要的熱點(diǎn)。</p><p>　　探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人能夠按照存儲(chǔ)在其內(nèi)部的地圖

6、信息，或根據(jù)外部環(huán)境所提供的一些引導(dǎo)信號(hào)(即通過(guò)對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)探測(cè)所獲得的信息) 規(guī)劃出一條路徑，在沒(méi)有人工干預(yù)的情況下完成目標(biāo)任務(wù)。</p><p>　　針對(duì)以上特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了探測(cè)機(jī)器人的視覺(jué)隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，并基于DSP對(duì)視覺(jué)隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。</p><p>　　前期工作中，主要進(jìn)行器件選型、分析、選購(gòu)工作，包括CCD傳感器、DSP、U形架和伺服馬達(dá)。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出探測(cè)機(jī)器人的視覺(jué)

7、隨動(dòng)機(jī)構(gòu)。CCD器件的靈敏度很高 ,光譜敏感波段也很寬,把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出,經(jīng)圖象采集卡處理得到數(shù)字視頻信號(hào)，DSP控制器對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算、處理，產(chǎn)生相應(yīng)PWM波，對(duì)伺服馬達(dá)進(jìn)行控制，帶動(dòng)視覺(jué)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)系統(tǒng)的隨動(dòng)控制。</p><p>　　最后，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試，改進(jìn)了一系列的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)視覺(jué)傳感器的很好的隨動(dòng)控制。</p><p>　　關(guān)鍵詞：探測(cè)機(jī)器人，視覺(jué)隨

8、動(dòng)系統(tǒng)，DSP，伺服馬達(dá)，軟件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Currently there is an increasing number of robots used in non-manufacturing sector.Compared to the manufacturing sector, its main

9、feature is the unstructured work environment and uncertainty.This put forward higher requirements on robots.so,Robots need to have the walking function, the external perception and the ability of local autonomy, such as

10、planning capacity.Therefore, the detection of mobile robot is becoming a major hot spots.</p><p>　　The mobile-detect robot is able to Plan a way according to the map information stored in itself or based on

11、 the external environment provided by some guidance signals and complete tasks in the absence of intervention of hunman beings.</p><p>　　For the above characteristics, this paper will design the visual dynam

12、ic exploration of robot , and the DSP-based visual servo control of the software design.</p><p>　　The Preparatory work is mainly for device selection, analysis, purchasing, including CCD sensors, DSP, U-shap

13、ed frame and servo motors.On this basis, designed to detect the robot with the dynamic visual body.the device of CCD has high sensitivity , the spectrum is also sensitive to a wide-band.change The optical image electrica

14、l signals output.though the processing of the image acquisition card ,digital video signal , DSP controller process and operate on it to produce PWM wave.The servo motor </p><p>　　Finally, the system debug

15、and improve a series of issue and the realization of the vision sensor with a good dynamic control.</p><p>　　Key words：Detecting robot,With vision system ,DSP, Servo Motors，The software design</p><

16、;p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　眾所周知，惡劣環(huán)境下的人工作業(yè)是很危險(xiǎn)的，比如：煤礦井下容易發(fā)生塌方、透水等事故，管道的檢測(cè)維修難度極大。若以探測(cè)機(jī)器人來(lái)代替人工作業(yè)，不但能提高安全性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，而且能提高經(jīng)濟(jì)效益，給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)極大的方便；此外，若探測(cè)機(jī)器人能

17、夠獲得全方位的視野，將會(huì)極大地提高作業(yè)的效率。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　探測(cè)機(jī)器人作為機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支，早在60年代，工程界就開(kāi)始了探測(cè)機(jī)器人的研究，其發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)的歷程。1962年，美國(guó)、英國(guó)、日本的一些實(shí)驗(yàn)室等研究機(jī)構(gòu)進(jìn)入這一領(lǐng)域，八十年代，國(guó)外掀起了智能機(jī)器人研究熱潮，而且發(fā)展迅速，不少研究機(jī)構(gòu)取得了很多有意義的研究成果，其中較為

18、著名的有美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院、卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)、日本的Tsugawa[1]。九十年代，主要研究熱點(diǎn)是將各種控制方法應(yīng)用到智能移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的控制。典型的機(jī)器人有美國(guó)JPL研發(fā)的Athena、微型火星車(chē)Nanorover，卡內(nèi)基-梅隆研發(fā)的Nomad移動(dòng)機(jī)器人。</p><p>　　我國(guó)政府非常重視機(jī)器人技術(shù)，從國(guó)家863計(jì)劃實(shí)施之初到現(xiàn)在一直將機(jī)器人技術(shù)列為重點(diǎn)支持方向。“十五”期間，國(guó)家863計(jì)劃?rùn)C(jī)器人技術(shù)主題

19、重點(diǎn)支持了數(shù)控、工程機(jī)械、盾構(gòu)、生產(chǎn)線、水下載人潛器、危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人和仿人仿生機(jī)器人等，較為全面對(duì)路徑規(guī)劃、視覺(jué)導(dǎo)航、信息融合、自動(dòng)駕駛等一些基本的智能機(jī)器人技術(shù)做了探索。</p><p>　　幾十年來(lái)世界機(jī)器人的研究發(fā)展相當(dāng)迅速，取得了相當(dāng)多的成果值[2]。 </p><p>　　1997年，卡內(nèi)基－梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所在智利阿特卡馬沙漠上的測(cè)試了他們研究的“流浪者”（nom

20、ad）號(hào)機(jī)器人。阿特卡馬沙漠的環(huán)境類(lèi)似于月球和火星的表面，測(cè)試行程220km，在其行程中既有自主控制又有幾千千米以外的人工遙控，測(cè)試中還包括車(chē)體在復(fù)雜地形上的行駛能力測(cè)試。其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、通信、傳感器的設(shè)計(jì)都比較有創(chuàng)意，可以為設(shè)計(jì)月球車(chē)提供參考。</p><p>　　2003年7月，日本東京大學(xué)和三井造船公司公開(kāi)了新研制的海底探測(cè)機(jī)器人。這種機(jī)器人的潛水深度可達(dá)4000米，其搭載的探測(cè)裝置能夠準(zhǔn)確把握周?chē)鸂顩r，前方若

21、出現(xiàn)障礙物，它搭載的計(jì)算機(jī)會(huì)準(zhǔn)確作出判斷，操縱機(jī)器人自動(dòng)繞開(kāi)，到達(dá)指定目的地之后，航行誤差僅為約30米。新型海底探測(cè)機(jī)器人靠傳感器檢測(cè)水溫、水中的渾濁度等，并能自主地收集數(shù)據(jù)，可用于探測(cè)噴涌熱水的海底火山、沉船、海底礦產(chǎn)資源和生物等。2004年5月它被用于探測(cè)到地球上最深的海溝—馬里亞納海溝。</p><p>　　今年3月，首期投資100萬(wàn),由甘肅長(zhǎng)城水下高技術(shù)有奶公司研發(fā)的三位智能機(jī)器人在甘肅蘭州宣告誕生，三兄

22、弟分別是“水下綜合探測(cè)機(jī)器人”，“水下清刷機(jī)器人”和代號(hào)為GNOM的小型機(jī)器人。這三位機(jī)器人的誕生使我國(guó)告別了沒(méi)有同類(lèi)機(jī)器人的空白，其中水下綜合探測(cè)機(jī)器人和水下清刷機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外都是“獨(dú)生子”，而小型機(jī)器人則是引進(jìn)國(guó)外技術(shù)合作的結(jié)晶。他們集“聲成像”等高尖端技術(shù)于一身，在水下各具其能，能夠完成人所無(wú)法完成的水下作業(yè)，且不受天氣和環(huán)境影響，具有工作效率高，費(fèi)用成本低的明顯優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　1.3 課題的目

23、的和意義</p><p>　　在當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)中，存在著大量環(huán)境復(fù)雜的高危工種。如煤礦、管道、排爆等，對(duì)工作人員的生命安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的研究為惡劣環(huán)境下的人工作業(yè)帶來(lái)了希望，提高了安全性，同時(shí)降低了勞動(dòng)強(qiáng)度 [3] 。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，探測(cè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍已不僅僅局限于危險(xiǎn)區(qū)域。農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、空間探測(cè)等，也大量出現(xiàn)了探測(cè)機(jī)器人的身影。</p>&l

24、t;p>　　探測(cè)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)在未知和不確定環(huán)境下運(yùn)行，必須具備自動(dòng)導(dǎo)航和避障功能[4]。視覺(jué)隨動(dòng)系統(tǒng)是探測(cè)機(jī)器人的關(guān)鍵部分，它通過(guò)對(duì)未知環(huán)境的感知，自動(dòng)探測(cè)搜索目標(biāo)，并且能成功的避開(kāi)障礙物，快速準(zhǔn)確平穩(wěn)的到達(dá)目的地，作出相應(yīng)的決策。本課題研究目的是：一，設(shè)計(jì)探索機(jī)器人視覺(jué)隨動(dòng)系統(tǒng)；二，控制機(jī)器人主動(dòng)感知環(huán)境，尋找目標(biāo)和障礙物，為決策提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。</p><p>　　1.4 課題的研究?jī)?nèi)容</p>

25、;<p>　　本課題的任務(wù)是設(shè)計(jì)視覺(jué)隨動(dòng)機(jī)構(gòu)并通過(guò)軟件設(shè)計(jì)對(duì)視覺(jué)傳感器進(jìn)行隨動(dòng)控制。由于視覺(jué)隨動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)影響很大，因此要求它緊湊、可靠、穩(wěn)定性高；另外用軟件算法控制伺服馬達(dá)達(dá)到對(duì)視覺(jué)傳感器的控制。</p><p>　　為了設(shè)計(jì)機(jī)器人視覺(jué)隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，首先要選購(gòu)伺服馬達(dá)，確定伺服馬達(dá)參數(shù)。機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中，伺服馬達(dá)控制效果是性能的重要影響因素。伺服馬達(dá)可以 在微機(jī)電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)

26、，其簡(jiǎn)單的控制和輸出使得DSP控制器系統(tǒng)非常容易與之接口?；谒欧R達(dá)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)視覺(jué)隨動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)可靠性高、穩(wěn)定的攝像頭支架。</p><p><b>　　1.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　探測(cè)機(jī)器人作為智能機(jī)器人的一個(gè)分支，在現(xiàn)代人類(lèi)社會(huì)的生產(chǎn)中的作用越來(lái)越大，已經(jīng)滲透到了很多重要的領(lǐng)域，是目前國(guó)內(nèi)外機(jī)器人研究的一個(gè)重點(diǎn)和熱點(diǎn)。幾十年來(lái)其發(fā)展

27、非常迅速，取得相當(dāng)多有意義的成果。本章詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外探測(cè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，并舉出了一些具有代表性的成果，如卡內(nèi)基－梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所研究的“流浪者”（nomad）號(hào)機(jī)器人。本章重點(diǎn)介紹了本課題的研究目的、意義及研究?jī)?nèi)容。眾所周知，在諸如地下礦井、管道和排爆等高危場(chǎng)所進(jìn)行人工作業(yè)，隨時(shí)都可能給施工人員帶來(lái)生命威脅。因此，用機(jī)器人代替人類(lèi)在這些環(huán)境里工作，將給人類(lèi)帶來(lái)希望。機(jī)器人要在這些非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境里工作，必須具備自動(dòng)導(dǎo)航和避障功能，

28、視覺(jué)隨動(dòng)系統(tǒng)是其中的關(guān)鍵部分。本課題研究?jī)?nèi)容就是設(shè)計(jì)探索機(jī)器人視覺(jué)隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，并設(shè)計(jì)軟件算法對(duì)視覺(jué)傳感器進(jìn)行隨動(dòng)控制。</p><p>　　2 視覺(jué)隨動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介</p><p><b>　　2.1 視覺(jué)機(jī)構(gòu)</b></p><p><b>　　2.1.1攝像機(jī)</b></p><p>　　攝像機(jī)是產(chǎn)生

29、圖象信號(hào)的部件，也是探測(cè)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的重要組成部分。攝像機(jī)由光學(xué)鏡頭、攝像元件、視頻放大及同步掃描電路、光強(qiáng)控制等部件組成 [5] 。前方景物經(jīng)光學(xué)鏡頭生成光學(xué)圖像, 攝像元件的感光表面能按照光學(xué)像上各點(diǎn)照度的不同產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的電荷, 同步掃描電路則按一定順序把這些電荷取出成為電信號(hào)--視頻信號(hào), 經(jīng)視頻放大器放大并加入規(guī)定的同步信號(hào)后輸出。下面我們?cè)敿?xì)分析攝像機(jī)的組成部件。</p><p>　　光學(xué)鏡頭的作用

30、是產(chǎn)生景物的光學(xué)像, 并把它投射在攝像器件的感光表面上。光學(xué)鏡頭可分為定焦鏡頭與變焦鏡頭。在變焦鏡頭中又有連續(xù)變焦與不連續(xù)變焦之分, 后者實(shí)際是幾個(gè)焦距不同的定焦鏡頭的組合,其某些光學(xué)零件相互共用。 變焦鏡頭的最長(zhǎng)焦距與最短焦距之比,叫做變焦比或變倍比,一般在4 至12 之間。光學(xué)鏡頭的重要技術(shù)參數(shù)是焦距和相對(duì)孔徑。對(duì)于一定尺寸的攝像元件而言, 光學(xué)鏡頭的焦距決定了電視攝像機(jī)的視場(chǎng)大?。粩z像鏡頭的另一個(gè)重要參數(shù)是入瞳直徑D與焦距f之比D

31、/f , 叫做相對(duì)孔徑;而F/D通常叫做F數(shù)。它對(duì)靶面上像的照度有重要影響。</p><p>　　攝像器件的作用是把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。CCD與CMOS傳感器是當(dāng)前被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管(photodiode)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。CMOS工藝是超大規(guī)模集成電路的主流工藝 [6] ,集成度高，可以根據(jù)需要將多種功能集成在一塊芯片上。CMOS圖像傳感器包括圖像陣列邏輯

32、寄存器、存儲(chǔ)器、定時(shí)脈沖發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的全部系統(tǒng)。70 年代出現(xiàn)了電荷耦合器件( CCD器件),它是一種半導(dǎo)體固體成像器件。這種器件的感光表面是用半導(dǎo)體材料做成的許多敏感單元組成的陣列,當(dāng)光學(xué)像投射到感光表面時(shí),對(duì)應(yīng)于像上各點(diǎn)的不同照度在陣列的各敏感單元中產(chǎn)生不同數(shù)量的電荷(載流子),然后外電路按一定時(shí)間順序從陣列邊緣取出各敏感單元的電荷,就得到對(duì)應(yīng)于光學(xué)圖像的視頻信號(hào)。</p><p>　　攝像器件的幾個(gè)主

33、要參數(shù)是：響應(yīng)度,信噪比,惰性,分辨力。響應(yīng)度又叫做靈敏度,是輸出的光電流與輸入的光通量之比, 單位是微安/流明。信噪比(S/N)是圖像信號(hào)的峰值電平Usp與雜波有效值Un之比, 單位用分貝(DB)。惰性又叫做滯后,是指當(dāng)光照停止后光電流并不立即消失的現(xiàn)象。在看電視時(shí)有時(shí)看到在一個(gè)移動(dòng)的亮物體圖像后面拖著一個(gè)亮“尾巴”就是這種惰性的反映。惰性的大小用光照停止后第三(電視)場(chǎng)剩余信號(hào)電流與光照停止前的信號(hào)電流之比值表示。而分辨力是攝像器件

34、分解圖像細(xì)節(jié)的能力。</p><p>　　CCD與CMOS二者主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同，因此在效能與應(yīng)用上也有諸多差異。在靈敏度、成本、分辨率、噪聲控制等方面，CCD傳感器都優(yōu)于CMOS傳感器。而且CCD器件光譜敏感波段也很寬,可達(dá)近紅外波段,特別是體積小,耐沖擊振動(dòng),已逐漸占據(jù)了市場(chǎng)。本課題選用了CCD傳感器。</p><p>　　光強(qiáng)控制部件的作用是使由光學(xué)鏡頭產(chǎn)生的光學(xué)像的照

35、度保持在攝像器件正常工作所需的范圍內(nèi)。自然景物所受的光照變化是很大的, 正午時(shí)地面照度可達(dá)到 100000 (勒克斯),而太陽(yáng)剛剛落下地平線時(shí)約為100 (勒克斯)。攝像器件要在適當(dāng)照度的光學(xué)像下工作才能正確反映景物亮暗層次,輸出滿意的圖像信號(hào)。改變像的照度可以從兩方面入手；一是改變光學(xué)鏡頭的相對(duì)孔徑(D/f),即入瞳直徑D與焦距f 之比；二是改變透光率。</p><p>　　2.1.2視頻輸入處理器SAA711

36、1</p><p>　　攝像機(jī)輸出的是模擬視頻信號(hào)，所以必須對(duì)它進(jìn)行分析和處理。隨著計(jì)算機(jī)多媒體應(yīng)用領(lǐng)域日益廣闊，技術(shù)日新月異，各種軟件和硬件層出不窮。而作為圖象多媒體不可或缺的重要組成部分，視頻輸入處理變得異常重要。各半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)廠家不斷創(chuàng)新、改進(jìn)，力求通過(guò)簡(jiǎn)單的操作達(dá)到完美的效果，使視頻輸入處理功能不斷完善，給圖象多媒體的后期操作帶來(lái)更多的方便。著名的半導(dǎo)體公司Phillps提供的基于PC機(jī)作為平臺(tái)的可編程

37、視頻輸入處理芯片SAA7l11，正是為滿足這一需要而出現(xiàn)的。它采用CMOS工藝，通過(guò)簡(jiǎn)單的I2C總線與PC機(jī)接口。內(nèi)部包含兩路模擬處理通道，能實(shí)現(xiàn)視頻源的選擇、抗混疊（去假頻)濾波、模數(shù)變換、自動(dòng)嵌位、自動(dòng)增益控制、時(shí)鐘產(chǎn)生、多制式(PAL BGHI，PALM，PALN，NTSCM和NTSCN)解碼及亮度、對(duì)比度和飽和度控制。可為視頻桌面系統(tǒng)、圖象多媒體、數(shù)字電視、圖象處理、視頻電話等的應(yīng)用提供極大方便。</p><

38、p>　　SAA7111是以PC機(jī)作為平臺(tái)的，其所有的可編程功能是通過(guò)I2C總線對(duì)內(nèi)部的32個(gè)寄存器相應(yīng)的控制位置相應(yīng)的數(shù)值來(lái)完成的。有以下主要特點(diǎn)：</p><p>　?。?）可編程選擇四路視頻輸入中的一路或兩路組成不同的工作模式，在其內(nèi)部有兩路模擬視頻信號(hào)處理通道，可進(jìn)行靜態(tài)增益控制或自動(dòng)增益控制兩路8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換；</p><p>　　（2）可對(duì)芯片編程進(jìn)行白電平控制、抗混疊濾波

39、、梳狀濾波；</p><p>　　（3）能實(shí)現(xiàn)行場(chǎng)同步信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)和分離，并且行同步信號(hào)的起始位置與結(jié)束位置均可根據(jù)需要進(jìn)行編程控制，片內(nèi)產(chǎn)生的時(shí)鐘通過(guò)數(shù)字PLL鎖定行同步；</p><p>　　（4）場(chǎng)頻50Hz或60Hz自動(dòng)檢測(cè)，并自動(dòng)在PAL和NTSC之間自動(dòng)切換，并能對(duì)不同輸入制式的亮度信號(hào)和色度信號(hào)進(jìn)行處理，并實(shí)現(xiàn)亮度、色度和飽和度的片內(nèi)控制；</p><p

40、>　　（5）可方便使用不同的數(shù)字圖象數(shù)據(jù)輸出格式 [7]。</p><p>　　SAA7111的功能方框圖如圖2.1所示[8]。SAA7111有四條視頻信號(hào)輸入引腳AI11、AI12、AI21、AI22。當(dāng)視頻信號(hào)從某一引腳進(jìn)入之后，首先進(jìn)行模擬處理，然后通過(guò)緩沖器輸出一路到AOUT端用于監(jiān)視，另路經(jīng)A/D后產(chǎn)生數(shù)字色度信號(hào)和亮度信號(hào)分別對(duì)其進(jìn)行處理。經(jīng)過(guò)處理后的亮度信號(hào)一路送到色度信號(hào)處理電路經(jīng)過(guò)綜合處理

41、后產(chǎn)生Y、u、V信號(hào)，再經(jīng)過(guò)格式化后從16位的VPO輸出；另一路進(jìn)入同步分離電路．并經(jīng)數(shù)字PLL產(chǎn)生行、場(chǎng)同步信號(hào)HS和VS，同時(shí)PLL驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘發(fā)生電路以產(chǎn)生與HS鎖定的時(shí)鐘信號(hào)LLC和LLC2。色度信號(hào)處理電路的工作過(guò)程通常是：從A/D出來(lái)的8位數(shù)字色度信號(hào)被送入平方解碼器，在此利用了兩個(gè)副載波信號(hào)，其中副載波信號(hào)的相位與解碼器成0o或90o的關(guān)系，頻率由當(dāng)前所輸入視頻信號(hào)的色彩制式所決定。從平方解碼器出來(lái)的色差信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器

42、后便可獲得所需帶寬的色差信號(hào)。而后色差信號(hào)再被送入亮度、對(duì)比度和飽和度控制電路以完成如下功能：</p><p><b>　　(1)AGC；</b></p><p>　　(2)色度信號(hào)幅度匹配；</p><p>　　(3)亮度、對(duì)比度、飽和度控制；</p><p>　　(4)將YUV限制在1～244范圍內(nèi)。</p&g

43、t;<p>　　Y信號(hào)也被送到色度信號(hào)處理器，經(jīng)過(guò)延時(shí)補(bǔ)償與梳狀濾波后的uV信號(hào)一起進(jìn)入RGB變換矩陣以產(chǎn)生RGB信號(hào)，然后通過(guò)格式選擇器由VPO輸出。該信號(hào)有多種輸出格式可供選擇。</p><p>　　亮度信號(hào)處理電路的工作過(guò)程是這樣的：8位亮度信號(hào)(CVBS、S—VHS、HI8格式)送到一個(gè)可切換的預(yù)濾波器進(jìn)行高頻成分的損失補(bǔ)償，然后再送到中心頻率為F=4.43MHz或3.58MHz的色度信號(hào)陷

44、波器中，以最大程度地減弱色載波信號(hào)(對(duì)S一VHS、HI8格式，它必須是旁通的)，最后再經(jīng)可變帶寬濾波和匹配放大后進(jìn)行疊加以產(chǎn)生Y信號(hào)供上面的色度信號(hào)處理使用。</p><p>　　圖2.1 SAA7111的功能方框圖</p><p>　　初始化主要通過(guò)I2C總線接口來(lái)完成 [9] 。I2C總線由串行數(shù)據(jù)線(SDA)和串行時(shí)鐘線(SCL)組成，通信時(shí)，所有具備I2C總線接口的器件都連接到這兩

45、根線上，而且既可以發(fā)送數(shù)據(jù)也可以接收數(shù)據(jù)，但任意時(shí)刻只能有一個(gè)主控器件進(jìn)行I2C總線的控制，其他器件都為被控器件，它們分時(shí)占用總線。I2C總線的數(shù)據(jù)傳送由主器件控制。首先由主器件發(fā)出開(kāi)始信號(hào)S，表示開(kāi)始啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)SCL為高電平時(shí)，如果出現(xiàn)SDA的電平由高變低則視為S信號(hào)，然后主器件發(fā)送從器件的7位地址和讀位R/W ，接著主器件將接收從器件的應(yīng)答信號(hào)，如果收到正確的ACK，則進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。數(shù)據(jù)傳送的方向由讀寫(xiě)位R/W的值確定，而且

46、數(shù)據(jù)傳送為8位，高位在前，低位在后。不管是發(fā)送數(shù)據(jù)還是接收數(shù)據(jù)，在傳送完8位數(shù)據(jù)后，必須由接收數(shù)據(jù)的器件在SDA上發(fā)一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。最后當(dāng)全部數(shù)據(jù)傳送完后，由主器件產(chǎn)生停止信號(hào)P，表示總線傳送結(jié)束。SCL線為高，SDA線由低電平變高電平時(shí)，視為停止信號(hào)P。由上可知，I2C總線數(shù)據(jù)傳輸采用了應(yīng)答式的工作方式：即發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)后由接收方發(fā)送是否正確接收的應(yīng)答信號(hào)，發(fā)送方以此作為是否繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的判斷依據(jù)。</p><p

47、><b>　　2.2 隨動(dòng)機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　為了使攝像頭自動(dòng)跟蹤目標(biāo)及擴(kuò)大感知范圍，要求視覺(jué)系統(tǒng)一定要有隨動(dòng)性，即要實(shí)現(xiàn)視覺(jué)傳感器的水平和俯仰運(yùn)動(dòng)。本課題中我們基于伺服馬達(dá)設(shè)計(jì)了隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)控制。下圖2.2是隨動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖：</p><p>　　圖2.2 隨動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　

48、　伺服馬達(dá)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)[10]。高檔玩具如航模，包括飛機(jī)模型，潛艇模型；遙控機(jī)器人中已經(jīng)使用得比較普遍。舵機(jī)是一種俗稱(chēng)，其實(shí)是一種伺服馬達(dá)。</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)的微型伺服馬達(dá)有三條控制線，分別為：電源、地及控制。電源線與地線用于提供內(nèi)部的直流馬達(dá)及控制線路所需的能源，電壓通常介于4V—6V之間，該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因?yàn)樗欧R達(dá)

49、會(huì)產(chǎn)生噪音）。</p><p>　　它的內(nèi)部包括了一個(gè)小型直流馬達(dá)；一組變速齒輪組；一個(gè)反饋可調(diào)電位器；及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流馬達(dá)提供了原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達(dá)的輸出扭力也愈大，也就是說(shuō)越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也愈低。 </p><p>　　減速齒輪組由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其終端（輸出端）帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作位

50、置檢測(cè)，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達(dá)到使伺服馬達(dá)精確定位的目的。下面是一個(gè)微型伺服馬達(dá)的實(shí)物圖：</p><p>　　圖2.3微型伺服馬達(dá)的實(shí)物圖</p><p>　　伺服馬達(dá)（舵機(jī)）的基本工作原理是將來(lái)自接收機(jī)的遙控脈沖信號(hào)，

51、經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)，從而轉(zhuǎn)換成機(jī)械動(dòng)作，馬達(dá)根據(jù)脈沖信號(hào)決定轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和動(dòng)作量來(lái)驅(qū)動(dòng)齒輪組，最終獲得要求的動(dòng)作。它又分為數(shù)字伺服器和模擬伺服器。</p><p>　　傳統(tǒng)的模擬伺服器，有專(zhuān)有的邏輯芯片和定時(shí)裝置，以及標(biāo)準(zhǔn)的30芯導(dǎo)線。數(shù)字舵機(jī)，有以石英晶體控制的微處理器，F(xiàn)ET放大器（場(chǎng)效應(yīng)管），和能承受更大功率的50芯導(dǎo)線。其實(shí)在微處理器以外二者并沒(méi)有什么分別，它們有著相同的馬達(dá)、齒輪和外殼、同樣的反饋

52、電位器，看起來(lái)極其相似。所謂的數(shù)字伺服器和常規(guī)伺服器的最大差別是在驅(qū)動(dòng)電路板上。數(shù)字伺服器是先將接收機(jī)輸出的模擬脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在把控制信號(hào)傳送給馬達(dá)放大電路時(shí)，還得將數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)換成模擬脈沖信號(hào)，由該模擬脈沖信號(hào)控制末級(jí)電流的導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，唯一有不同的地方是在輸出電流中疊加了數(shù)字脈沖，以增加扭力。</p><p>　　數(shù)字伺服器比傳統(tǒng)的模擬伺服器，即使是使用無(wú)線圈馬達(dá)的模擬伺服器，在工作方式上也有

53、很多優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　第一，因?yàn)槲⑻幚砥鞯年P(guān)系，數(shù)碼舵機(jī)可以在將動(dòng)力脈沖發(fā)送到舵機(jī)馬達(dá)之前，對(duì)輸入的信號(hào)，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行處理。這意味著動(dòng)力脈沖的寬度，就是說(shuō)激勵(lì)馬達(dá)的動(dòng)力，可以根據(jù)微處理器的程序運(yùn)算而調(diào)整，以適應(yīng)不同的功能要求，并優(yōu)化舵機(jī)的性能。</p><p>　　第二，數(shù)碼伺服器以高得多的頻率向馬達(dá)發(fā)送動(dòng)力脈沖。就是說(shuō)，相對(duì)與傳統(tǒng)的50脈沖/秒，現(xiàn)在是300脈沖/秒。雖然

54、，以為頻率高的關(guān)系，每個(gè)動(dòng)力脈沖的寬度被減小了，但馬達(dá)在同一時(shí)間里收到更多的激勵(lì)信號(hào)，并轉(zhuǎn)動(dòng)得更快。這也意味著不僅僅舵機(jī)馬達(dá)以更高的頻率響應(yīng)發(fā)射機(jī)的信號(hào)，而且“無(wú)反應(yīng)區(qū)”變?。环磻?yīng)變得更快；加速和減速時(shí)也更迅速、更柔和；數(shù)碼伺服器提供更高的精度和更好的固定力量。</p><p><b>　　2.3 DSP簡(jiǎn)介</b></p><p>　　目前探索機(jī)器人視覺(jué)控制系統(tǒng)主要

55、以單片機(jī)或DSP作主控制器[11]。單片機(jī)又稱(chēng)單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。</p><p>　　DSP芯片，也稱(chēng)數(shù)字信號(hào)處理器[12]。它是一種獨(dú)特的微處理器，有自己的完整指令系統(tǒng)，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器在一塊不大的芯片內(nèi)包括有控

56、制單元、運(yùn)算單元、各種寄存器以及一定數(shù)量的存儲(chǔ)單元等等，在其外圍還可以連接若干存儲(chǔ)器，并可以與一定數(shù)量的外部設(shè)備互相通信，有軟、硬件的全面功能，本身就是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)。DSP采用的是哈佛設(shè)計(jì)，即數(shù)據(jù)總線和地址總線分開(kāi)，使程序和數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在兩個(gè)分開(kāi)的空間，允許取指令和執(zhí)行指令完全重疊。也就是說(shuō)在執(zhí)行上一條指令的同時(shí)就可取出下一條指令，并進(jìn)行譯碼，這大大的提高了微處理器的速度 。另外還允許在程序空間和數(shù)據(jù)空間之間進(jìn)行傳輸，因?yàn)樵黾恿似骷?/p>

57、靈活性。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱(chēng)道的兩大特色。由于它運(yùn)算能力很強(qiáng)，速度很快，體積很小，而且采用軟件編程具</p><p>　

58、　本課題中我們采用DSP芯片TMS320F2812作為控制核心。TMS320F2812芯片是基于C/C++高效32位DSP內(nèi)核，該芯片具有高速的處理能力，并且片內(nèi)有豐富的外設(shè)資源，不但能保證控制的精確性和實(shí)時(shí)性，還能簡(jiǎn)化控制電路，降低成本。并且提供浮點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)，從而可以在定點(diǎn)處理器上進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，是電機(jī)等數(shù)字化產(chǎn)品控制的最佳選擇。</p><p>　　其主要功能外設(shè)如下：</p><p>

59、;　　事件管理器EVA和EVB，包括定時(shí)器，比較器，捕捉單元，PWM邏輯電路，正交編碼電路，和中斷邏輯電路等。</p><p>　　模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，可以將外部的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。</p><p>　　同步串行通信接口SPI和異步串行通信接口SCI。</p><p>　　CAN總線通信模塊。最高的通信速率可以達(dá)到1Mbps。</p><p>

60、;　　控制DSP內(nèi)核的工作頻率PLL時(shí)鐘模塊和用來(lái)檢測(cè)軟件硬件運(yùn)行狀態(tài)的看門(mén)狗電路。</p><p>　　通用目的數(shù)字量I/O、多通道緩沖串口、外部中斷接口等。</p><p>　　相比單片機(jī)，DSP器件具有較高的集成度,更快的CPU，使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，DSP比16位單片機(jī)單指令執(zhí)行時(shí)間快8～10倍。此外，更大容量的存儲(chǔ)器，內(nèi)置有波特率發(fā)生器和FIFO緩沖器，提供高速、同

61、步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口，片內(nèi)還集成了A/D和采樣/保持電路，可提供PWM輸出，數(shù)字信號(hào)處理能力較強(qiáng)，適合進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的控制。</p><p>　　近年來(lái)，隨著DSP芯片產(chǎn)品價(jià)格的不斷下滑，使DSP能夠從以往的軍用領(lǐng)域迅速拓展到民用領(lǐng)域，例如應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)電話、調(diào)制解調(diào)器和磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器以及眾多的消費(fèi)電子產(chǎn)品。DSP的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一是聲音處理。DSP已經(jīng)在音效應(yīng)用中得到廣泛采用，而且大部分應(yīng)用于音效產(chǎn)品的技術(shù)，

62、例如應(yīng)用于多媒體音效卡。硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器使用DSP，能大大提高數(shù)據(jù)存取速度、縮小體積，促進(jìn)PC進(jìn)一步縮小體積、減輕重量，可應(yīng)用于掌上電腦。由于DSP速度高、數(shù)據(jù)傳送快，還可以代替微控制器用于激光打印機(jī)、激光掃描及光盤(pán)只讀存儲(chǔ)器等計(jì)算機(jī)外設(shè)。DSP應(yīng)用于語(yǔ)音識(shí)別領(lǐng)域，大有用武之地，語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)獲得許多DSP供應(yīng)商的支持。隨著DSP技術(shù)的迅速推進(jìn)以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，導(dǎo)致DSP的功能越來(lái)越多樣未來(lái)10年，全球DSP產(chǎn)品將向著高性能、低功耗、加強(qiáng)

63、融合和拓展多種應(yīng)用的趨勢(shì)發(fā)展，DSP芯片將越來(lái)越多地滲透到各種電子產(chǎn)品當(dāng)中，成為各種電子產(chǎn)品尤其是通信類(lèi)電子產(chǎn)品的技術(shù)核心，將會(huì)越來(lái)越受到業(yè)界的青睞。</p><p><b>　　2.4 本章小節(jié)</b></p><p>　　機(jī)器人視覺(jué)隨動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人領(lǐng)域重要的研究方向之一，通過(guò)視覺(jué)隨動(dòng)控制，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)、不確定的場(chǎng)合操作。它的研究對(duì)于開(kāi)發(fā)手眼協(xié)調(diào)的機(jī)器人在工業(yè)

64、生產(chǎn)、航空航天等方面的應(yīng)用有著極其重要的意義 [13] 。本章主要闡述了機(jī)器人視覺(jué)隨動(dòng)系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)，包括視覺(jué)機(jī)構(gòu)和隨動(dòng)機(jī)構(gòu)兩大塊。機(jī)器視覺(jué)機(jī)構(gòu)主要由兩大部分組成：攝像機(jī)和視頻解碼器SAA7111共同完成對(duì)被攝物體圖像的采集與數(shù)字化；圖像信號(hào)處理器處理圖像信號(hào)，它相當(dāng)于人的大腦,是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心,完成對(duì)圖像進(jìn)行處理和運(yùn)算, 即算法的實(shí)現(xiàn)。隨動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)于實(shí)現(xiàn)攝像頭自動(dòng)跟蹤目標(biāo)障礙物及擴(kuò)大視覺(jué)系統(tǒng)的感測(cè)環(huán)境的范圍很關(guān)鍵，本課題用伺服馬達(dá)設(shè)

65、計(jì)了隨動(dòng)機(jī)構(gòu)。本章分析介紹了伺服馬達(dá)的應(yīng)用、結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)于目前出現(xiàn)的數(shù)字伺服器做了分析，可以明顯的看出其相比與模擬伺服器的優(yōu)勢(shì)。本課題的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是DSP。DSP芯片它是一種獨(dú)特的微處理器，有自己的完整指令系統(tǒng)，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件，本章介紹了其特點(diǎn)及應(yīng)用。本課題中我們選用DSP芯片TMS320F2812作為控制核心，對(duì)于該款芯片的主要功能外設(shè)，上面章節(jié)也有概述。</p><p>　　3 視覺(jué)隨動(dòng)

66、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 編譯環(huán)境CCS2000</p><p>　　本課題軟件編譯的環(huán)境采用CCS2000代碼調(diào)試器,是一種集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境，CCS2000將TI的編譯器，匯編器，連接工具都集成在它開(kāi)發(fā)環(huán)境中。用戶(hù)可以從菜單欄中選用TI的工具，并可以看到直接流水輸出到窗口的編譯結(jié)果。同時(shí)，出錯(cuò)信息加亮顯示，雙擊出錯(cuò)信息可以打開(kāi)源文件，光標(biāo)停在出錯(cuò)地方?；贒OS的TI的工

67、具是多任務(wù)的。而在Windows環(huán)境中，用戶(hù)可以很方便的同時(shí)編輯、調(diào)試、編譯源程序。代碼編譯器可以跟蹤一個(gè)項(xiàng)目中所有的文件及相關(guān)內(nèi)容。用戶(hù)可以選擇編譯單個(gè)文件、或?qū)⑺形募ǖ揭粋€(gè)項(xiàng)目中，或是逐步建項(xiàng)目。在編譯器，匯編器，連接器選項(xiàng)中有容易使用的對(duì)話框。</p><p>　　CCS2000的可視化窗口使用戶(hù)能夠容易理解復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，只要將光標(biāo)放在相關(guān)的變量處并按ENTER鍵，諸如數(shù)組，結(jié)構(gòu)，指針的變量就可以遞歸的增

68、加或減少。另外，添加到可視窗口的變量也可以通過(guò)雙擊該變量來(lái)編輯。C表達(dá)式和GEL函數(shù)也可以添加到可視窗口。將GEL函數(shù)添加到可視窗口，就可以在每個(gè)斷點(diǎn)處執(zhí)行，由GEL函數(shù)，可以執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)，將結(jié)果輸出到窗口。CCS2000具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　圖3.1 編譯環(huán)境CCS2000界面</p><p>　　（1） TI編譯器的完全集成環(huán)境，所有的調(diào)試和分析能力集成在一個(gè)Wind

69、ows環(huán)境中。</p><p>　　（2）對(duì)C和DSP匯編文件的目標(biāo)管理。目標(biāo)編輯器保持對(duì)所有文件及相關(guān)內(nèi)容的跟蹤。</p><p>　?。?）高集成的編輯器調(diào)整C和DSP匯編代碼。</p><p>　　（4）編輯和調(diào)試時(shí)的后臺(tái)編輯，用戶(hù)在使用編輯器和匯編其時(shí)沒(méi)有必要退出系統(tǒng)到DSO環(huán)境中，因?yàn)镃CS2000會(huì)自動(dòng)將這些工具裝載在它的環(huán)境中。</p>

70、<p>　?。?）技術(shù)狀態(tài)觀察窗口，它的可視化窗口允許用戶(hù)鍵入C表達(dá)式及相關(guān)的變量。結(jié)構(gòu)，數(shù)組，指針都嗯那橫簡(jiǎn)單的遞歸擴(kuò)展和減少，以便進(jìn)入復(fù)雜結(jié)構(gòu)。且環(huán)境中集成圖形分析功能。</p><p>　?。?）代數(shù)分解窗口，允許用戶(hù)選擇察看寫(xiě)成代數(shù)表達(dá)式的C格式，從而容易讀懂操作碼，且支持在線幫助。</p><p>　　3.2伺服馬達(dá)控制原理</p><p>　　

71、在本課題的探測(cè)機(jī)器人中，使用了兩個(gè)垂直放置的伺服馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)視覺(jué)系統(tǒng)的隨動(dòng)控制。</p><p>　　一個(gè)微型伺服馬達(dá)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理可由下圖3.2表示：</p><p>　　圖3.2 伺服馬達(dá)原理圖</p><p>　　齒輪組由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其終端（輸出端）帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作位置檢測(cè)，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將

72、其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較,產(chǎn)生糾正脈沖,并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達(dá)到使伺服馬達(dá)精確定位的目的。</p><p>　　伺服馬達(dá)的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度是由其內(nèi)部的直流馬達(dá)和變速齒輪組的配合決定的，在恒定的電壓驅(qū)動(dòng)下，其數(shù)值唯一。但其平均運(yùn)動(dòng)速度可通過(guò)分段停頓的控制方式來(lái)改變，例如，我們可把動(dòng)作幅度為90º的轉(zhuǎn)動(dòng)細(xì)分為128個(gè)停頓點(diǎn)，通過(guò)控制每個(gè)停頓點(diǎn)的時(shí)

73、間長(zhǎng)短來(lái)實(shí)現(xiàn)0º—90º變化的平均速度。對(duì)于多數(shù)伺服馬達(dá)來(lái)說(shuō)，速度的單位由“度數(shù)/秒”來(lái)決定。</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)的微型伺服馬達(dá)有三條控制線，分別為：電源、地及控制。電源線與地線用于提供內(nèi)部的直流馬達(dá)及控制線路所需的能源，電壓通常介于4V—6V之間，該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因?yàn)樗欧R達(dá)會(huì)產(chǎn)生噪音）。甚至小伺服馬達(dá)在重負(fù)載時(shí)也會(huì)拉低放大器的電壓，所以整個(gè)系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須

74、合理。</p><p>　　輸入一個(gè)周期性的正向脈沖信號(hào)，這個(gè)周期性脈沖信號(hào)的高電平時(shí)間通常在1ms—2ms之間，而低電平時(shí)間應(yīng)在5ms到20ms之間，并不很?chē)?yán)格，下表表示出一個(gè)典型的20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達(dá)的輸出臂位置的關(guān)系 [14] ：</p><p>　　表3.1 正脈沖寬度與微型伺服馬達(dá)的輸出臂位置的關(guān)系</p><p>　　使用伺服馬達(dá)

75、有些需要注意的事項(xiàng)：</p><p>　　1、除非你使用的是數(shù)碼式的伺服馬達(dá)，否則以上的伺服馬達(dá)輸出臂位置只是一個(gè)不準(zhǔn)確的大約數(shù)。</p><p>　　2、普通的模擬微型伺服馬達(dá)不是一個(gè)精確的定位器件，即使是使用同一品牌型號(hào)的微型伺服馬達(dá)產(chǎn)品，他們之間的差別也是非常大的，在同一脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)，不同的伺服馬達(dá)存在±10º的偏差也是正常的。</p><p&g

76、t;　　3、正因上述的原因，不推薦使用小于1ms及大于2ms的脈沖作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)際上，伺服馬達(dá)的最初設(shè)計(jì)表也只是在±45º的范圍。而且，超出此范圍時(shí)，脈沖寬度轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的線性關(guān)系也會(huì)變差。</p><p>　　4、要特別注意，絕不可加載讓伺服馬達(dá)輸出位置超過(guò)±90º的脈沖信號(hào)，否則會(huì)損壞伺服馬達(dá)的輸出限位機(jī)構(gòu)或齒輪組等機(jī)械部件。</p><p>

77、　　5、由于伺服馬達(dá)的輸出位置角度與控制信號(hào)脈沖寬度沒(méi)有明顯統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而且其行程的總量對(duì)于不同的廠家來(lái)說(shuō)也有很大差別，所以控制軟件必須具備有依據(jù)不同伺服馬達(dá)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置的功能。 </p><p>　　3.3 視覺(jué)隨動(dòng)系統(tǒng)控制原理</p><p>　　機(jī)器人視覺(jué)隨動(dòng)系統(tǒng)是由視覺(jué)傳感器向控制器提供機(jī)器人工作環(huán)境的外部信息，從而使機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)地調(diào)整其位姿，實(shí)現(xiàn)精確的跟蹤或定位，完成相應(yīng)的工作

78、。其研究?jī)?nèi)容涉及圖像處理、機(jī)器視覺(jué)、控制理論、機(jī)器人學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。目前機(jī)器人視覺(jué)隨動(dòng)研究的主要內(nèi)容為：視覺(jué)隨動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，快速準(zhǔn)確的圖像處理算法，視覺(jué)隨動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)(包括軟件、硬件的設(shè)計(jì))等 [15] 。</p><p>　　本課題中，視覺(jué)傳感器是機(jī)器人系統(tǒng)中最重要的“感官”之一，它的引入改變了機(jī)器人對(duì)操作對(duì)象及環(huán)境必須精確建模的要求 [16] 。依靠視覺(jué)信息的反饋，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)

79、力學(xué)等方面的閉環(huán)控制。視覺(jué)傳感器CCD獲取環(huán)境信息，輸出模擬視頻信號(hào)，經(jīng)可編程視頻解碼芯片SAA7111轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號(hào)，包括色度信號(hào)和亮度信號(hào)，本課題的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是DSP，該控制器對(duì)數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算、處理，產(chǎn)生相應(yīng)PWM波，對(duì)伺服馬達(dá)進(jìn)行控制，帶動(dòng)視覺(jué)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)系統(tǒng)的隨動(dòng)控制。圖3.3是視覺(jué)隨動(dòng)控制系統(tǒng)的控制流程圖：</p><p>　　圖3.3 視覺(jué)隨動(dòng)控制系統(tǒng)的控制流程圖</p>

80、<p>　　3.4軟件設(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　3.4.1主程序流程圖</p><p>　　系統(tǒng)初始化后，模擬視頻信號(hào)經(jīng)SAA7111處理后送給主控制器DSP，調(diào)用PWM程序產(chǎn)生PWM波，控制伺服馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)。主程序流程圖如下：</p><p>　　圖3.4 主程序流程圖</p><p>　　系統(tǒng)初始化程序如下：</p&

81、gt;<p>　　void InitSysCtrl(void)</p><p>　　{ Uint16 i;</p><p><b>　　EALLOW;</b></p><p>　　DevEmuRegs.M0RAMDFT = 0x0300;</p><p>　　DevEmuRegs.M1RAMDFT = 0

82、x0300;</p><p>　　DevEmuRegs.L0RAMDFT = 0x0300;</p><p>　　DevEmuRegs.L1RAMDFT = 0x0300;</p><p>　　DevEmuRegs.H0RAMDFT = 0x0300;</p><p>　　// Disable watchdog module</p>

83、;<p>　　SysCtrlRegs.WDCR= 0x0068;</p><p>　　// Initalize PLL</p><p>　　SysCtrlRegs.PLLCR = 0x0;</p><p>　　// Wait for PLL to lock</p><p>　　for(i= 0; i< 5000; i++)

84、{}</p><p>　　SysCtrlRegs.HISPCP.all = 0x0005;</p><p>　　// Peripheral clock enables set for the selected peripherals. </p><p>　　SysCtrlRegs.PCLKCR.bit.EVAENCLK=1;</p><p&g

85、t;<b>　　EDIS;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　I/O口初始化程序如下：</p><p>　　void io_init()</p><p>　　{ EALLOW;</p><p>　　GpioMuxRegs.GPAM

86、UX.all=0x00ff;//產(chǎn)生PWM，是外設(shè)EVA的功能,對(duì)應(yīng)的端口屬于第二功能,</p><p><b>　　EDIS;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　圖3.5 SAA7111初始化流程圖</p><p>　　3.4.2 SAA7111初始化流程圖<

87、;/p><p>　　SAA7111初始化設(shè)定為：一路模擬視頻信號(hào)輸入(AI12)、自動(dòng)增益控制、625行50Hz PAL制式、YUV 16位數(shù)字視頻信號(hào)輸出、設(shè)置默認(rèn)的圖像對(duì)比度、亮度及飽和度。相應(yīng)的寄存器入口參數(shù)：SAA7111寫(xiě)地址48H，子地址00H，發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)DBUF，發(fā)送字節(jié)數(shù)19。圖3.5是其初始化流程圖。</p><p>　　3.4.3 PWM產(chǎn)生流程圖及子程序</p&

88、gt;<p>　　初始化后，通過(guò)計(jì)算、裝載通用定時(shí)器比較器的值，就可以控制產(chǎn)生PWM波形。</p><p>　　圖3.6 PWM產(chǎn)生流程圖</p><p>　　PWM產(chǎn)生子程序如下：</p><p>　　void EVA_Timer1()</p><p><b>　　{</b></p><

89、;p>　　EvaRegs.EXTCON.bit.INDCOE=0;//同時(shí)使能比較輸出使能模式</p><p>　　EvaRegs.GPTCONA.bit.T2STAT=1;//通用定時(shí)器2增計(jì)數(shù)</p><p>　　EvaRegs.GPTCONA.bit.T2PIN=2; 通用定時(shí)器2比較輸出高有效</p><p>　　EvaRegs.GPTCONA.bit

90、.T1STAT=1;//通用定時(shí)器1增計(jì)數(shù)</p><p>　　EvaRegs.GPTCONA.bit.T1PIN=2;</p><p>　　EvaRegs.GPTCONA.bit.TCOMPOE=1;//使能定時(shí)器1,2的比較輸出T2PWM</p><p>　　EvaRegs.T2PR=j; //T1計(jì)數(shù)器周期值,其值為pwm值(因?yàn)槭窃鲇?jì)數(shù)//模式)&

91、lt;/p><p>　　EvaRegs.T2CNT=0x0000;</p><p>　　EvaRegs.T2CON.all=0x1046;//連續(xù)增計(jì)數(shù)，不分頻，不使能定時(shí)器(主//程序中使能),內(nèi)部時(shí)鐘，使用T1PWM</p><p>　　EvaRegs.T1PR=j; //T2計(jì)數(shù)器周期值,其值為pwm值(因?yàn)槭窃鲇?jì)數(shù)//模式)</p>&l

92、t;p>　　EvaRegs.T1CNT=0x0000;</p><p>　　EvaRegs.T1CON.all=0x1046;//連續(xù)增計(jì)數(shù)，不分頻，不使能定時(shí)器(主//程序中使能),內(nèi)部時(shí)鐘，使用T1PWM</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　3.5本章小結(jié)</b></p>

93、;<p>　　本課題開(kāi)發(fā)環(huán)境是CCS2000，它集成了TI的編譯器，匯編器，連接工具等。用戶(hù)可以從菜單欄中選用TI的工具，并可以看到直接流水輸出到窗口的編譯結(jié)果。可視化窗口使用戶(hù)能夠容易理解復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，只要將光標(biāo)放在相關(guān)的變量處并按ENTER鍵，諸如數(shù)組，結(jié)構(gòu)，指針的變量就可以遞歸的增加或減少。本章重點(diǎn)提出并設(shè)計(jì)了視覺(jué)隨動(dòng)控制思想與方案。第二節(jié)詳細(xì)介紹了伺服馬達(dá)的控制原理，明確其輸出臂位置與一個(gè)20ms周期性脈沖的正脈沖寬

94、度的關(guān)系，為軟件編程提供了思想。第三節(jié)提出了視覺(jué)隨動(dòng)控制系統(tǒng)的整體控制方案，確定了控制流程圖，給出了主程序及PWM產(chǎn)生的程序流程圖以及各模塊的初始化程序。</p><p><b>　　4 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p>　　在本課題完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。視覺(jué)隨動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)物圖如下，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，該機(jī)構(gòu)緊湊、可靠、穩(wěn)定性高。</p><p

95、>　　圖3.7 視覺(jué)隨動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)物圖</p><p>　　視覺(jué)隨動(dòng)機(jī)構(gòu)的軟件實(shí)現(xiàn)方面，實(shí)驗(yàn)中，視覺(jué)機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物，通過(guò)兩個(gè)伺服馬達(dá)分別左右、俯仰旋轉(zhuǎn)，使目標(biāo)始終位于攝像頭的正中間，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤目標(biāo)。在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，獲取目標(biāo)圖象信息，經(jīng)視頻解碼器SAA7111等處理后，圖象信息送給DSP主控制器,裝載DSP事件管理器的通用定時(shí)器比較器的比較值。定時(shí)器計(jì)數(shù)器周期值設(shè)置為30000，產(chǎn)生周期是20ms的PWM波，根據(jù)

96、伺服馬達(dá)控制原理，脈沖寬度0.5ms時(shí)，伺服馬達(dá)輸出-900；1.0ms時(shí)，伺服馬達(dá)輸出-450；1.5ms時(shí)，伺服馬達(dá)輸出0o；2.0ms時(shí)，伺服馬達(dá)輸出450；2.5ms時(shí)，伺服馬達(dá)輸出900。</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)是畢業(yè)之前的最后一個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),也是檢閱大學(xué)期間所學(xué)知識(shí)和動(dòng)手實(shí)踐的一個(gè)機(jī)會(huì)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)程中遇到

97、了很多困難,尤其是設(shè)計(jì)課題中還用到一些沒(méi)有學(xué)過(guò)的知識(shí),如DSP芯片，視頻解碼器芯片等,對(duì)我是一個(gè)較大的挑戰(zhàn),但通過(guò)一個(gè)學(xué)期的努力,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室老師和師兄的幫助,最終完成了這次設(shè)計(jì),深感獲益匪淺。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是探測(cè)機(jī)器人視覺(jué)隨動(dòng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，現(xiàn)匯報(bào)我在設(shè)計(jì)中所做的工作：</p><p>　　第一，搜索并閱讀了大量的相關(guān)論文，對(duì)探測(cè)機(jī)器人的行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)有了一定的了解。本課題是視覺(jué)隨動(dòng)系統(tǒng)，在作了深入分析明

98、確研究?jī)?nèi)容后，設(shè)計(jì)了視覺(jué)隨動(dòng)機(jī)構(gòu)及軟件算法對(duì)視覺(jué)傳感器進(jìn)行隨動(dòng)控制。隨動(dòng)控制是基于DSP為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)視覺(jué)傳感器環(huán)境信息的處理，控制伺服馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　第二，熟悉了DSP控制器的基本功能、外設(shè)和結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)學(xué)習(xí)了DSP事件管理器的定時(shí)器，完全比較器，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)了PWM波的產(chǎn)生。</p><p>　　第三，深入學(xué)習(xí)了伺服馬達(dá)的內(nèi)部機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)主控制版電路的研究，

99、了解了伺服馬達(dá)的工作原理，掌握了其通過(guò)PWM波的控制原理。</p><p>　　第四，熟悉了DSP編程環(huán)境CCS2000，并基于這一環(huán)境以DSP為平臺(tái)設(shè)計(jì)程序，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，最后實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)系統(tǒng)的隨動(dòng)控制。</p><p>　　在這次設(shè)計(jì)中暴露了不少問(wèn)題。首先是學(xué)習(xí)的積極性還有待提高。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室老師和師兄為了我們更好的完成設(shè)計(jì)，給我們做了明確的計(jì)劃安排。由于拖拉的壞習(xí)慣，也因?yàn)樽?/p>

100、己基礎(chǔ)薄弱，完成時(shí)間一拖再拖，結(jié)果辜負(fù)了老師的一片心意，自己也浪費(fèi)了時(shí)間。其次遇到問(wèn)題獨(dú)立性不夠強(qiáng)。工作中總免不了有許多自己不明白和解決不了的事情，做事情之前應(yīng)該先動(dòng)腦筋想一想,而我一遇到問(wèn)題就問(wèn)他人,這樣自己就形成了一種惰性心理。不經(jīng)過(guò)大腦的東西就像水過(guò)鴨背,學(xué)不到知識(shí)。話又說(shuō)回來(lái),人的能力是有限的,實(shí)在解決不了就要向別人學(xué),但經(jīng)過(guò)自己思考,印象將會(huì)很深刻,學(xué)到的東西永遠(yuǎn)不會(huì)忘去。更重要的是學(xué)會(huì)自學(xué),養(yǎng)成自學(xué)能力，培養(yǎng)自己獨(dú)立解決問(wèn)題

101、的能力。獨(dú)立解決問(wèn)題的能力對(duì)自己以后的工作事業(yè)生活將起到很到大的作用。注意到這些問(wèn)題，我將時(shí)刻提醒自己不要犯類(lèi)似的錯(cuò)誤，盡快使自己能對(duì)社會(huì)創(chuàng)造更大的價(jià)值！</p><p><b>　　6致謝</b></p><p>　　時(shí)間過(guò)得很快，一個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)就要結(jié)束了。我要感謝謝昭莉老師，盛朝強(qiáng)老師，陳皎師兄和賈耀輝師兄，實(shí)驗(yàn)室其他的師兄、師姐和我的同學(xué)，有了他們的指導(dǎo)和幫

102、助，我才得以完成這次課程設(shè)計(jì)。從一開(kāi)始，謝昭莉老師就對(duì)我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)作了明確的安排，給我們指明了方向。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)程中，謝老師時(shí)刻關(guān)注我的進(jìn)度，對(duì)我的設(shè)計(jì)提出很多建議，使我少走了很多彎路。對(duì)于我的問(wèn)題和疑惑，謝老師也是悉心指導(dǎo)，耐心幫助。我還要感謝謝老師對(duì)我的嚴(yán)格要求，要不是這樣，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能否順利完成還是個(gè)問(wèn)題，而且正因?yàn)榇宋也艑W(xué)到了一些真東西。謝老師還給我們提供了一個(gè)匯報(bào)工作的舞臺(tái)，除了理論方面的督促外，也鍛煉了我們的膽量、表達(dá)

103、能力。盛老師也一直關(guān)心我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作，對(duì)于我們畢業(yè)設(shè)計(jì)出現(xiàn)的問(wèn)題給出了很多寶貴的建議，并且通知我們學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)最新安排，讓我們做到心中有數(shù)，有的放矢，同時(shí)給了我們很多激勵(lì)，在我們懈怠的時(shí)候又提起了精神。陳皎師兄是負(fù)責(zé)我們的研究生，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室做本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)都付出了很多的心血。從一開(kāi)始就給我們指明了工作內(nèi)容，我的論文翻譯、開(kāi)題報(bào)告到最后的論文都是在陳皎師兄的直接幫助下完成的，我們有什么問(wèn)題他也總是第</p><

104、;p>　　有開(kāi)始就有結(jié)束，再過(guò)一段時(shí)間，我們將告別實(shí)驗(yàn)室，再一次感謝謝老師、盛老師和各位學(xué)長(zhǎng)的幫助，你們的教誨我將受用終生！</p><p>　　最后衷心地感謝在百忙之中抽出時(shí)間評(píng)閱論文和參加答辯的專(zhuān)家、老師。</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 莊煥偉，張鐵，李杞儀.基于DSP的輪式移動(dòng)機(jī)器人

105、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究.機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2007-1-20(1)</p><p>　　[2] Floreano D. and F. Mondada .Evolutionary neuro-controller for autonomous mobile robots. Neural Networks .1998, 7</p><p>　　[3] 張海波,原魁,周慶瑞.基于路徑識(shí)別的移動(dòng)機(jī)器

106、人視覺(jué)導(dǎo)航.中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào).2004,7.9(7)</p><p>　　[4] 陳無(wú)畏,孫海濤,李碧春,王啟瑞,李進(jìn).基于標(biāo)識(shí)線導(dǎo)航的自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)跟蹤控制機(jī)械工程學(xué)報(bào).2006,8.42(8)</p><p>　　[5] 李尊民.《電視圖像自動(dòng)跟蹤的基本原理》.北京國(guó)防工業(yè)出版社.1988</p><p>　　[6] 張文選,范紅.CMOS圖像傳感器介紹.長(zhǎng)春光學(xué)精