基于单片机的轮式机器人视觉系统设计

第１０卷第６期２００８年”月军事交通学院学报ＪｏｕｎｒｎａｌｏｆＡｃａｄｅｍｙｏｆＭｉｌｉｔａｒｙＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＶ０１．１０Ｎｏ．６Ｎｏｖｅｍｂｅｒ２００８●基础理论与应用ＢａｓｉｃＴｈｅｏｒｙａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ基于单片机的轮式机器人视觉系统设计朱云江，徐友春，刘亚豪，彭永胜，赵玉皤（军事交通学院汽车工程系，天津３００１６１）摘要：提出一种应用于轮式机器入的视觉系统方案。该方案设计了基于１６位单片机和数字图像芯片ＯＶ９６５０的硬件系统和相应的底层软件，给出了硬件系统和软件系统的设计原理，对系统各个组成模块间的接口进行了详细的分析，并给出了系统的应用实例。关键字：ＣＭＯＳ摄像头；图像采集；轮式机器人中图分类号：ＴＨｌ２２文献标志码：Ａ文章编号：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轮式机器人，特别是微型轮式机器人，在消防、军事等领域具有广泛的用途。轮式机器人由机械、视觉、通信、控制、电源等系统组成。视觉系统是轮式机器人最重要的系统之一。轮式机器人要求其视觉系统能够采集并传输图像，并且体积要尽可能小。视觉系统实现方法多种多样，有的基于ＰＣ机的ＰＣＩ总线采集卡或嵌入式工控机（如ＰＣＩ０４），有的基于ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ，有的基于专用或通用数字信号处理器（如ＴＭｌ３００或ＴＭ￥３２０ＶＣ５４１６／５４０２），有的基于单片机（如ＡＴ８９Ｃ５２／５１）等［¨。嵌入式工控机有商品化的操作系统及有关软件可以利用，开发容易，但成本较高，体积较大。ＣＰＬＤ方式用硬件实现图像采集和处理，并行处理程度高，可实现高速处理，但算法复杂时，开发难度大。采用通用ＤＳＰ实现方式，灵活性强，具有很好的可扩展性，但成本相对较高。单片机系统由于速度低，很难满足图像处理系统的速度要求，但其成本在各种方案中最低，对于速度要求低、分辨率低、算法简单的系统仍有实用价值。收稿日期：２００８－０３—１５；修回日期：２００８—０６—０９．基金项目：天津自然科学基金资助项目（０５ＹＦＪＭＪｃｌｌ９９００）．作者简介：朱云江（１９８４一），男（汉族），河北承德人，硕士研究生，ｚｙｊ一３３３＠１２６．ＣＯＨｌ；赵玉瑶（１９４４一），男，教授，博士，硕士生导师．８６万方数据２００８年１１冀寒云江等：基于荤筹枧的轮式机器人视觉系统设计第１０卷第６期摄像镜头把图像信息成像在图像传感器的面阵感应单元上，适用于轮式移动机器人的传感器主要有覆阵ＣＣＤ和蟊阵ＣＭＯＳ两静拉ｊ。ＣＭＯＳ图像传感器是近年发展超来的一种新型国体阕像传感器，由于采用了相同的ＣＭＯＳ工艺，冈此可以将像素阵列与驱动电路和信号处理电路集成在同一块芯片上。耐怠，瑗在越来越多的ＣＭＯＳ湖像传感器芯片将Ａ／Ｄ集成进去，医此还可直接输出数字视频信号和同步信号。本设计为寻线运行的轮式机器人提供视觉，不需要很高的图像分辨率，算法也相对简单，同时考虑裁律成本，最终选用基于单片视的悉像采集系统。本文先介绍图像传感器和单片机，然后给出整个系统的硬件和软件实现方法。．１硬件设计本系统的硬件框图如图ｌ所示，ＣＭＯＳ图像传感器将道路信息转换为电信号，同时输出场同步信号、彳亏同步信号和像素时钟信号。单片机输入捕捉端鏊捕挺３耪同步信号，并按照一定规则采集ＣＭＯＳ图像传感器数据输出端口的数字信号，即得到道路图像。！：懋◆苎竺！矍◆电源—■恕．。◆ｏＶ９６５０嗣步信号燕—点貔．．－——————●ＩＩＣ接口片模块●・———寸机３．３Ｖｋ豳’系统礤体框篷１．１图像传感器本设计采用的是ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ公司推出的ＣＭＯＳ彩色图像传感器０Ｖ９６５０。该芯片将ＣＭＯＳ传感器技术与数字接口组合，用于视频图像应用。０Ｖ９６５０芯片的基本参数为”１１）单片１／４ｉｎ视频图像传感器，２８ｐｉｎ，逐行＿ｌ鼍撼也可隔行扫描，连置１０位Ａ／Ｄ。２）图像尺寸４．１３ｍｍ×３。２８ｍｍ，像素尺寸３．１８ＩｘｍＸ３．１８ｔｘｍ，像素数ｌ３００Ｘ１０２８。３）内核１．８Ｖ供电，Ａ／Ｄ模块２．５Ｖ供电，Ｌ／Ｏ接ｔ３３。３Ｖ供电。４）信嗓毙４０ｄＢ，灵敏度０．９ｖ／Ｌｕｘ—ｓｅｃ。５）输出图像格式可为ＳＸＧＡ、ＶＧＡ、ＣＩＦ、ＱＣＩＦ、ＱＱＣＩＦ等，输出数据格式可为ＹＵＶ４：２：２、ＧＲＢ４：２：２、原始ＲＧＢ等。ＯＶ９６５０在Ｄ９一ＤＯ引脚输出数字图像视频流。在输出数字褫菝滚的同曝，还提供像素时锋ＰＣＬＫ，水平参考信号ＨＲＥＦ，垂直同步信号ＶＳＹＮＣ，便于外部电路同步读取图像。ＯＶ９６５０具有丰富的编程控制功能，其图像帧频、曝光时间、增益控制、Ｇａｍｍａ校正以及图像开窗等均可邋过对芯片内部寄存器的渎写送行设置。１．２单片机本设计选用的单片机既要采集图像信息又要控制整个轮式机器人，这样可使整个机器人系统设计篱纯，避免了大量酶垂豫数挺的传输，同时也增强了系统的可靠性。ＭＣ９Ｓ１２ＤＧｌ２８（以下简称ＤＧｌ２８）是Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ公司推出的Ｓ１２系列单片机中的一款增强型１６位单片机，其谯汽车电子应用领域具有广泛的用途。ＤＧｌ２８单抟巍采用增强型１６位ＨＣＳｌ２ＣＰＵ，总线时钟最高可这２５ＭＨｚ；片内资源包括８ＫＲＡＭ、１２８ＫＤａｓｈ、２ＫＥＥＰＲＯＭ、ＩＩＣ、２个ＳＣＩ端口、３个ＳＰＩ端口、８路８位或者４路１６位ＰＷＭ、２个８路ｌｏ位精度Ａ／Ｄ转换器、４个控制器局域网模块（ＣＡＮ），增强型攘键定时器（ＥＣＴ）并支持背景调试模式（ＢＤＭ）等｜４】。本设计采用８０ｐｉｎ封装的ＤＧｌ２８单片机。１．３系统接口电路及其实现系统接曩电路如图２所示，英工终原理如下：电源模块输出３．３Ｖ、２．５Ｖ、１．８Ｖ３种电压，分别给０Ｖ９６５０的Ｉ／Ｏ、Ａ／Ｄ和内核供电，同时，３．３Ｖ电源也给单片机供电。单片机ＩＩＣ模块的ＳＣＬ和ＳＤＡ脚分别与ＯＶ９６５０的ＳＩＯ—Ｃ秘ＳＩＯ—Ｄ楣连，通过ＩＩＣ总线实现对图像传感器的参数设定。０Ｖ９６５０的数据输出接口Ｄ９～Ｄ２与单片机的并口ＰＯＲＴＡ相连，作数据输入，采集网像信息。单片机ＥＣＴ模块中的ＰＴ０、胛ｌ、Ｐ睨日设置戏输入捕捉，分别与垂壹露步信号ＶＳＹＮＣ、水平参考信号ＨＲＥＦ和像素时钟ＰＣＬＫ输出引脚相连，通过捕捉相应的同步信号蜜现图像的同步读取。应注意的是，ＳＣＬ和ＳＤＡ线上一定要接上拉电阻；单片机和ＯＶ９６５０一定要簇弱一个晶振援供酣锌，缳证蕊者之间的时钟同步。２软件设计本视觉系统没计墨标为麓以６０ｆｏｓ（ｆｒａｍｅｐｅｒｓｅｃｏｎｄ）以上的速率采集ＱＱＣＩＦ（８８×７２）格式的黑内图像。因此，将通过ＩＩＣ总线将０Ｖ９６５０设置８７万方数据第１０卷第６期军事交通学院学报２００８年１１月成输出ＱＱＣＩＦ格式的图像，输出帧频为６０Ｈｚ，数据输出格式为ＹＵＶ４：２：２，只取Ｙ量即得到黑白图像。可知，每个像素点占１个字节，采集到的图像需占用６３３６字节的ＲＡＭ空间。ＤＧｌ２８有８Ｋ的ＲＡＭ，能够保存下完整的一幅图像后再进行相关处理。图２系统搔１２１电蹯２．１摄像机参数的设定ＯＶ９６５０通过ＩＩＣ总线设置内部寄存器。单片机工作在主机模式，ＯＶ９６５０工作在从机模式，写ＯＶ９６５０内部寄存器的地址为０ｘ６０，读ＯＶ９６５０内部寄存器的地址为０ｘ６１。将单片机ＩＩＣ的波特率设置为１００Ｋｂｐｓ，其写ＯＶ９６５０内部寄存器的过程如下：将ＯＶ９６５０中地址为０ｘ０２的寄存器设置为０ｘ５５，应先向单片机ＩＩＣ模块的数据寄存器写０ｘ６０寻址ＯＶ９６５０，待发送完后再写０ｘ０２指明要修改的寄存器地址，然后再写要设置的值０ｘ５５＂Ｊ。按照以上方法，参考ＯＶ９６５０数据手册，将ＯＶ９６５０中０ｘ０Ｄ寄存器设置为０ｘＣ０，使其输出ＱＱＣＩＦ图像；将Ｏｘ０４寄存器设置为０ｘ２４，使其隔行采集图像；将Ｏｘｌｌ寄存器设置为０ｘ８１，使其输出图像帧频为６０Ｈｚ；将０ｘ１２寄存器设置为０ｘ０８，使其数据输出格式为ＹＵＶ４：２：２。当然，还可以根据需要设置图像曝光时间、增益控制、Ｇａｍｍａ校正、边缘增强、亮度、对比度等。各个寄存器设置完毕后，在输出１０帧图像的时间之后，ＯＶ９６５０即会输出所需格式的图像。２．２图像采集程序设计将ＯＶ９６５０设置成功后其输出的同步信号如图３所示”Ｊ。用示波器测量ＶＳＹＮＣ的频率为６０Ｈｚ，ＨＲＥＦ的频率为５．７８ＫＨｚ，ＰＣＬＫ的频率为３ＭＨｚ，证明ＯＶ９６５０设置成功。ＤＧｌ２８的ＰＴ０口设置为下降８８Ｖｓ■！门．。ｒ］ＨＲＥ！厂］厂］。厂］ＹＵＶ：：：：：正丑：旺丑：：：旺Ⅲ：茧甄甄：ＲｏｗＯＲＯＷｌＲｏｗ７ｌ图３同步信号时序沿触发中断，检测ＶＳＹＮＣ信号；ＰＴｌ口设置为上升沿触发中断，检测ＨＲＥＦ信号；ＰＴ２口判断ＰＣＬＫ的电平，当ＰＣＬＫ由低电平变高电平时读取ＰＯＲ—ＴＡ的值，得到图像信息。可知当ＨＲＥＦ为高电平时单片机进人中断并采集图像，当ＨＲＥＦ为低电平时单片机可进行其他的计算，使得整个图像采集时间占用约３０％的ＣＰＵ时间，其他时间单片机可处理数据并对移动机器人进行控制，满足设计要求。图像采集的具体过程如下：１）允许输人捕捉中断，等待ＶＳＹＮＣ信号下降沿的到来。当ＰＴ０捕捉到ＶＳＹＮＣ的下降沿时，将行数计数变量ｒｏｗ清零，并等待ＨＲＥＦ信号的到来。２）当盯１口捕捉到ＨＲＥＦ的上升沿时，将列数计数变量ｃｏｌｕｍｎ清零，并等待ＰＣＩ。Ｋ的上升沿的到来。３）当ＰＣＬＫ的信号到来时，读取ＰＯＲＴＡ的值，并将其存人数组ｂｕｆｆｅｒ［ｒｏｗ］［ｃｏｌｕｍｎ］中，同时ｃｏｌ－ｕｍｎ加１。４）重复步骤３，判断ｃｏｌｕｍｎ的值是否等于８８。当ｃｏｌｕｍｎ＝８８时，ｒｏｗ值加１，并判断ｒｏｗ值是否等于７２。当ｒｏｗ不等于７２时，跳至步骤２。５）当ｒｏｗ＝７２时，整幅图像采集完毕。禁止输入捕捉中断，程序跳至图像处理及相关控制程序。图像采集过程的流程如图４所示。２．３图像的存储与显示本系统采集的图像占用６３３６字节的ＲＡＭ，其能够完整地保存在ＤＧｌ２８的ＲＡＭ中后再进行处理。为了便于移动机器人的调试，采集的图像或经处理过的图像也可以通过ＤＧｌ２８的ＳＣＩ接口传输到ＰＣ机上显示并保存。ＰＣ机上的图像接收软件是用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋６．０开发的，用ＰＣ机的串口接收数据，接收到的图像如图５所示。２．４图像处理与道路识别当一帧图像采集完成后，要对获得的道路图像进行预处理，主要包括滤波、边缘增强和二值化等。本文采用中值滤波器对图像进行滤波，对经万方数据２００８年１１月朱云江等：基于单片机的轮式机器人视觉系统设计第１０卷第６期图５采集的道路图像过滤波的图像采用Ｓｏｂｅｌ算子进行边缘增强。为了便于图像的处理和道路的识别还需对图像进行二值化。在二值化图像过程中，阈值的选取是关键，阈值选取的是否合适直接影响道路的识别。本文采用的方法是抽取图像一些行ｉ（ｉ＝０，１，…，ｍ），求得这些行的象素点的灰度值ｇ（ｉ，歹）（＿『＝０，１，…，ｎ）的平均值，并对这些行象素点进行相邻象素点的灰度值的差分，求得差分后的绝对值的和进行平均后乘２，最后求取二者之和，即为阈值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）可减少计算量，同时在实验中证明是有效的。图６经预处理后如图７所示。本文采用启发式搜索算法对道路进行识别。该算法的核心思想是通过上下文信息来搜索下一个最有可能的边界点，其过程主要包括起始点的选择、边界点的搜索以及终止点的确定。通过确定引导黑线在图像中的位置，推算出移动机器人当前所处的位置，进而完成对其的控制。３结论图７经过预处理后的图像本系统体积小、成本低、工作可靠、图像采集速度快，使得整个移动机器人的电路设计大大简化。本设计尝试了用低端单片机采集图像的方案（该方案完全可以在８位单片机上实现），在对分辨率要求不高，对成本较敏感的系统上具有实用价值。该系统还可以应用在智能玩具和远程监控等领域。参考文献：［１］李绍民．嵌入式图像采集及自主足球机器人视觉系统［Ｊ］．吉林大学学报：信息科学版，２００４，２２（６）：５７９—５８２．［２］孙挺，李众立，黄玉清，等．基于ＣＭＯＳ图像传