工研部-郑亮:嵌入式检测技术在机器人视觉领域中的应用

发布日期:2015-9-23 浏览次数:1168

 1 引言

机器人设计是一门集机械设计、检测技术、控制技术、计算机技术、材料科学等于一体的综合性学科。其中,检测技术对机器人控制技术的发展尤为关键,在常见的机器人闭环运动控制系统中,机器人的运动精度依赖于测量的精度,因此,提高测量精度对提高机器人控制精度具有重要意义。机器人视觉检测技术是工业自动化检测技术的一种,其使用的图像传感器可以获取大量的外界环境信息,赋予了机器人识别外界环境的能力,因此,视觉检测在高精度要求的工业检测领域中应用广泛。嵌入式视觉检测是机器人视觉检测的一部分,因其具有设备轻、便携性好、成本低等优势而具有重要的研究价值。

2 嵌入式检测技术的发展

传统的工业检测技术多采用基于单片机、DSP等的仪器仪表技术或模拟测量电路、数据采集卡、PC机组成的上位机测量系统。两种方式因各自不同的特点被应用于不同场合。表2.1给出了两种测量方式的优缺点:

2. 1 嵌入式测量系统与上位机系统的优缺点对比

特点

嵌入式测量系统

上位机测量系统

测量精度

数据处理能力

实时性

可便携性

功耗

设备大小

系统设计难度

如表2.1所示,嵌入式系统在实时性、数据处理能力以及测量精度等方面相对较差,主要优点是可便携性、低功耗及设备尺寸小。随着微电子技术的发展,嵌入式系统同上位机之间的实时性与处理大数据的能力等差距也正在逐渐缩小,尤其是拥有高速运算能力的DSP的出现,使得具有控制优势的ARM与运算优势的DSP组成的小型PC机也能完成原先只有上位机才能实现的功能,因此,研究嵌入式测量系统对实现设备的小型化、便携化以及低功耗化具有重要价值。

3 嵌入式测量系统组成

测量系统一般主要包括被测信息的获取、转换、处理及输出几个部分。通常采用传感器对被测量如物理量、化学量、生物量等进行信息获取,并转换为电量,传感器输出电信号经过调理电路进行放大、整形等转换处理,再通过输出单元显示测量信息。测量系统的组成如图3.1所示:


3. 1 测量系统的组成

嵌入式测量电路的硬件以微处理器作为运算与控制的核心,一般包括电源电路、驱动电路、调理电路、滤波电路、信号采集电路、LCD显示电路、上位机通信电路、按键电路。其中电源电路负责给整个测量系统进行供电、驱动电路用于驱动传感器、调理电路对传感器输出信号进行放大整形等处理、滤波电路对调理输出信号进行滤波处理,信号采集电路采用AD对滤波输出信号进行数据采集、处理器对采集的数据进行信号处理,获取信号的特征量,得出测量结果并在LCD中进行实时显示,上位机接口电路实现嵌入式系统与上位机的通信,按键电路用于人机交互。嵌入式测量系统硬件电路的一般组成如图3.2所示:


3. 2 嵌入式测量系统的组成框图

4 嵌入式视觉检测系统的研究目标

嵌入式视觉测量系统在工业自动化检测领域中应用广泛,如快速分拣、定位、瑕疵检测等。项目组主要研究其在快速分拣中的应用,该研究的主要性能指标包括:(1)功能上实现目标物体的快速分拣;(2)实时性要求测量系统完成数据采集与信号处理的时间在300ms以内,即完成一次测量所需时间不超过300ms;(3)摄像头性能指标要求其分辨率在50w左右,视野范围为0.5m*0.5m。嵌入式视觉快速分拣系统模型如图4.1所示:

4. 1 嵌入式视觉分拣系统模型

5 嵌入式视觉检测系统的组成

5.1 嵌入式视觉检测系统硬件

项目组研究的嵌入式视觉项目测量系统硬件部分包括工业相机、ARM+DSP的控制与信号处理单元,其中ARM+DSP的结构有两种不同类型,分别为两片单核的ARMDSP构成的运算控制单元、ARMDSP集成在一块芯片上的双核处理器构成的运算控制单元,两种方式各自具有不同的特点。1采用标准的摄像头接口实现ARM处理器对图像信号的采集,并将采集到的图像信号传递给DSP,由DSP进行信号处理,再将处理结果传给ARM,经LCD实时显示测量结果,这种方式其主要不足在于图像信号数据量大,处理器间的信号传输会消耗较多时间,影响系统的实时性;2采用ARM+DSP的双核处理器,两种处理器之间采用内存共享技术,ARM将采集到的信号存储于共享内存之中,当图像采集完毕,ARM将共享内存的使用权交给DSP,由DSP对存储的图像数据进行信号处理,并将处理结果存储于共享内存,信号处理结束后,由DSP通知ARM来读取共享内存里的处理结果并实时显示,该方法节省了图像数据在两个处理器之间的传递时间,增强了系统的实时性;目前的内存共享技术多见于ARM+DSP的多核处理器,因此,第二种方式可以降低系统硬件的设计难度,同时也可减小PCB的尺寸,但软件设计相对复杂,且两个处理器在同一时间最多允许其中一款处理器访问共享内存,如果访问不正确,将导致系统崩溃。两种方式的优缺点各有不同,但整体的设计思想类似,嵌入式视觉检测系统框图如图4.1所示:


5. 1 嵌入式视觉检测系统框图

另外,目前市场上的数字摄像头多将传感器与放大电路、模数转换电路封装在一起,提供一个标准的图像采集接口,因此,硬件设计时,PCB板上只需留有标准的图像采集接口,而无需设计摄像头模组,降低了嵌入式测量系统的硬件设计难度。

5.2 嵌入式视觉检测系统软件

Linux操作系统因其具有代码免费开源、内核功能强大、支持多种架构的处理器、强大的网络功能以及广泛的技术支持等优势,在嵌入式系统中被广泛应用。嵌入式视觉系统软件开发的主要工作是在Linux操作系统下进行驱动程序开发与应用程序开发。

正式开发之前,首先需要选择一款开发板作为软件开发平台,搭建嵌入式Linux开发环境,并将UbootKernelRootfs烧写至目标处理器,利用NFS服务实现程序的在线调试。

项目软件开发的关键在设备驱动程序的开发。设备驱动程序是应用程序和实际设备之间的软件层,它向下负责和硬件设备的交互,向上通过一个通用的接口挂接至文件系统,用户应用程序可通过操作普通文件的方式操作硬件设备。项目组分别以通用免驱的USB摄像头和CMOS摄像头驱动为基础,进行驱动程序的二次开发,并开发相应的应用程序。嵌入式Linux下单任务程序流程如图所示:


5. 2 嵌入式Linux下单任务程序流程

6 嵌入式视觉项目的核心技术

嵌入式视觉项目主要包括六个关键技术。(1)根据系统要求的性能指标以及处理数据量等要求选定合适的ARM+DSP处理器、工业相机等器件;(2)设计系统的硬件电路;(3)调试系统软件,包括图像数据采集、ARMDSP间的数据传输等;(4)实际应用中对目标物体特征信息的定义;(5)采用双摄像头结构实现立体视觉效果;(6)设计合适的嵌入式图像处理算法。

7 总结与展望

项目组选用单核ARM开发板作为软件开发平台,并在Windows操作系统下构建了Linux虚拟机平台;安装、配置并启动了FTP服务、SSH服务、NFS服务;利用CuteFTP工具实现了Windows与虚拟机之间的文件传输;利用SecureCRT实现登录虚拟机与串口调试开发板;在虚拟机平台上搭建完成ARM-Linux软件开发环境,并实现Windows、虚拟机及开发板三者之间的无线网络通讯。虚拟机平台、SecureCRTCuteFTP界面及开发板构成的软件调试平台如图4.3所示:

6. 1 软件调试平台

项目组完成了开发环境的搭建、实现了PC机、虚拟机和开发板之间的无线网络通讯,并在现有驱动基础上做二次开发。但是项目组仍然面临大量的研究工作,将ARM采集到的图像数据通过网络传送给上位机,并在PC机上实现图像处理算法;选择合适的DSP开发板,利用DSPARM采集的图像数据进行信号处理;在完成数据传输与算法等功能后完善整个嵌入式软件;软件测试完成后,以开发板硬件电路为基础,结合项目实际需要,设计嵌入式视觉检测系统的硬件电路。

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