基于DSP的機器人視覺伺服系統研究

　　我們選用了WTC6201PA板上的TMS320C6201芯片、FPGA、SBSRAM、SDRAM、雙口RAM、PCI總線、JTAG接口等硬件資源作為視覺圖像處理單元，和PC主控機、圖像采集卡、CCD攝像機和機器人控制系統組成系統，原理框圖如圖3所示。

圖3 系統原理框圖

　　系統工作過程如下：

　　CCD攝像機輸出標準制式的全電視信號，其中包含著圖像信號、復合同步信號、行、場消隱信號、槽脈沖和前后均衡脈沖等七種信號。本系統采用了北京大恒公司的DH-PCI-H圖像采集卡來實現視頻信號的預處理。CCD攝像機將視頻數據輸入到圖像采集卡，圖像采集卡按照設定的窗口位置、大小和方式采集視頻數據，采集的數據存儲在計算機的內存中。圖像傳輸由圖像卡控制的，無需CPU參與，圖像傳輸速度可達40MB/S。

　　設置圖像采集卡的采集方式是25幀/s連續采集，則采集一幀的時間為40ms，每一幀圖像由奇偶兩場組成，場頻為50HZ，即一場掃描時間為20ms。圖像采集大小為512×512像素，量化為8bit，256灰度級，則一幀圖像的數據量為512×512×8bit=256KB。圖像數據存儲方式為隔行存放，即奇、偶場的圖像數據交叉存放，組成一幀完整圖像函數。

　　C6201由BOOTMODE[4:0]設置芯片的自舉方式，加載過程采用主機（HPI）引導方式。外部主機通過主機口初始化CPU的存儲空間，主機完成所有的初始化后，將主機口控制寄存器中的DSPINT位設置為1，結束引導過程。CPU退出復位狀態，開始執行地址0處的指令。

　　系統上電后，主機經HPI口對系統初始化，主要完成對各寄存器的設置，包括EMIF、中斷、DMA等相關的寄存器初始化操作等。主機向HPI控制寄存器的DSPINT位寫1觸發DSP運行，系統進入等待狀態。CCD攝像機實時采集圖像，經圖像采集卡處理后存儲到主機內存。PC機內存緩沖區一幀存滿，向DSP發中斷信號，DSP應答后，通過PCI總線將圖像數據從主機內存經HPI口傳輸到WTC6201PA板片外SDRAM。DSP控制波門范圍內圖像數據以DMA方式傳輸到內部數據存儲器。由于DSP為指令結構處理芯片，具有可編程性好、可以處理大量復雜指令（由程序RAM地址空間的大小決定）等優點，但相對FPGA而言其處理速度比較慢;而FPGA為可編程邏輯器件，具有很強的細粒度并行處理和多級流水線處理能力，但其內部有限的邏輯資源使之不適合實現復雜邏輯運算。因此我們采用FPGA作為協處理器來完成底層操作，再由DSP完成高層操作，兩種操作可以采用流水線的方式并行運行，共同完成高速圖像處理。從FPGA到DSP之間的圖像數據傳輸使用雙端口RAM。處理完一幀圖像后，DSP向主機發信息，主機應答后，將圖像處理結果經PCI總線傳輸至PC機內存，PC機再將位置偏差數據信號送至伺服控制系統，完成伺服任務。

　　3 圖像雅可比矩陣
　　對于圖像反饋機器人視覺伺服系統控制機構，圖像雅可比矩陣是很關鍵的，它描述了機器人空間中的運動與圖像特征空間中的運動之間的關系：