基于DSP的簡(jiǎn)易新型機(jī)器人導(dǎo)航方案

楊晶惠羅培元?jiǎng)M祿

摘要：文章介紹了DSP芯片“TMS320F2808”采集并處理天花板柵格走向信息，實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)易且新型的機(jī)器人方案。文章借助DSP芯片強(qiáng)大的“浮點(diǎn)運(yùn)算能力”和“PWM波輸出及中斷等功能”同時(shí)利用信號(hào)模塊電路通訊，以PID算法控制碼盤脈沖電機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)了在同等物理環(huán)境下高速的“天花板柵格走向”識(shí)別和循跡（跟蹤）的目標(biāo)。結(jié)果為：模型車體在實(shí)驗(yàn)室地面以1m/s速度行駛，并能識(shí)別和跟蹤“天花板柵格走向”；擺幅為0.2m；調(diào)整時(shí)間為1s。文章側(cè)面論證了DSP芯片在海量數(shù)字信號(hào)處理方面的高速性和精準(zhǔn)性，數(shù)字信號(hào)處理能力優(yōu)于普通單片機(jī)。

關(guān)鍵詞：DSP；導(dǎo)航方案；圖像分析；PID；碼盤電機(jī)

中圖分類號(hào)：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2012）13-0007-02

21世紀(jì)特殊作業(yè)環(huán)境機(jī)器人是研究的熱點(diǎn)，眾多學(xué)者和企業(yè)從事“機(jī)器人導(dǎo)航方案”的研究。目前，多數(shù)導(dǎo)航方案需要重新鋪設(shè)機(jī)器人識(shí)別標(biāo)志。若作業(yè)環(huán)境特殊，則方案實(shí)施困難。考慮到眾多建筑本身鋪設(shè)有“石膏柵格天花板”。本文聲明了一種新型的根據(jù)“天花板柵格走向”進(jìn)行機(jī)器人導(dǎo)航的方案。

文章介紹了DSP處理攝像頭OV7620反饋圖像信息的方案。小車轉(zhuǎn)向角和車速被精準(zhǔn)控制，并沿天花板柵格走向快速前進(jìn)。最終實(shí)現(xiàn)了一種新型且易行的機(jī)器人導(dǎo)航方案。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為空曠實(shí)驗(yàn)室，天花板由石膏板重復(fù)排列形成柵格圖案。

實(shí)驗(yàn)中，將小車模擬為環(huán)境機(jī)器人。小車車體為：普通模型小車支撐長(zhǎng)桿，在長(zhǎng)桿頂架設(shè)攝像頭。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，系統(tǒng)硬件由DSP控制模塊，視頻循跡模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

1.1主控制模塊

本系統(tǒng)采用DSP系列芯片中的TMS320F2808，是32位的單片機(jī)。其作為主控芯片，同外圍器件一起工作主要用來對(duì)攝像頭采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，根據(jù)邊緣位置信息計(jì)算出天花板黑線的實(shí)際位置，并根據(jù)實(shí)時(shí)情況通過輸出PWM波來控制直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

1.2視頻采集模塊

視頻采集模塊采用低功耗CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭OV7620。OV7620工作方式和輸出格式多樣，能適應(yīng)不同場(chǎng)合。針對(duì)微型系統(tǒng)，采用單通道Y輸出，逐行掃描的工作方式。

對(duì)圖像的濾波方法默認(rèn)為二值濾波，判斷使用卡爾曼濾波。在程序代碼中設(shè)定了閥值，將圖像中高于閥值點(diǎn)設(shè)置為0x00（默認(rèn)為黑色），將圖像中低于閥值點(diǎn)設(shè)置為0xFF（默認(rèn)為白色）。從而可以有效的識(shí)別天花板柵格圖像。

2系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

2.1圖像處理及控制設(shè)計(jì)

為保證數(shù)據(jù)無漂移，行信號(hào)采集使能在場(chǎng)信號(hào)采集使能之后開啟。捕捉到行信號(hào)后，依次采集每行中點(diǎn)的灰度值，下一個(gè)場(chǎng)信號(hào)來到時(shí)，圖像采集完成。最終通過循環(huán)查詢方式判斷黑線（直線和十字路線）分布（注：石膏柵格模型類型：直線型、十字型）。

芯片處理圖像時(shí)，從圖像底部依次向上掃描，并記錄掃描到的黑點(diǎn)X坐標(biāo)（僅操作黑點(diǎn)）遞歸運(yùn)算所有參數(shù)，可得X坐標(biāo)整體跨度。由于小車物理坐標(biāo)可抽象為圖像中（20，0），所以本跨度表（斜率）征車體傾斜狀況或位置。

在視頻采集中最核心的部分就是坐標(biāo)的采集及處理。詳細(xì)的處理流程圖如圖2所示：

系統(tǒng)首先判斷圖像中黑點(diǎn)域數(shù)量，若超出閥值，進(jìn)行卡爾曼濾波修正圖像。隨后循環(huán)采集黑點(diǎn)坐標(biāo)，采集的黑點(diǎn)坐標(biāo)為二維數(shù)組下標(biāo)值。

采集完成后，從圖像底部自下而上掃描，首先設(shè)定坐標(biāo)的兩個(gè)參考點(diǎn)，根據(jù)參考點(diǎn)與處理點(diǎn)坐標(biāo)關(guān)系，運(yùn)用遞歸方法逐步計(jì)算得到斜率，在運(yùn)算前首先判斷本斜率與此前存儲(chǔ)斜率是否線性變化。最后，根據(jù)斜率判斷車體運(yùn)動(dòng)情況。

2.2電機(jī)控制算法

由于固定參數(shù)的PID控制器不能很好同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速度運(yùn)動(dòng)時(shí)小車的方向和速度的高精度控制，所以本設(shè)計(jì)采用可調(diào)參數(shù)的改進(jìn)型PID控制算法對(duì)小車的方向和速度進(jìn)行控制。該控制算法具有更優(yōu)越的控制性能，參數(shù)鑒定方便。

3系統(tǒng)調(diào)試及數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境采用TMS320F28X系列DSP芯片的開發(fā)軟件 Code Composer Studio v4.2。微機(jī)通過串口軟件eSmartCameraCar觀察圖像信息，同時(shí)也能實(shí)時(shí)地優(yōu)化程序。

在正常情況下，車體沿天花板柵格走向直線運(yùn)行，時(shí)而有擺動(dòng)，經(jīng)過程序優(yōu)化，有明顯改善。相關(guān)調(diào)試數(shù)據(jù)見表1：

在速度方面，速度與步行速度相當(dāng)；在恢復(fù)時(shí)間方面，平均時(shí)間小，最大恢復(fù)時(shí)間在1s以下；在擺幅方面，最大左右擺幅不超過實(shí)物車體寬度10%。導(dǎo)航方案彈性空間大，為機(jī)器人后續(xù)服務(wù)提供了有力支持。

4結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的新型導(dǎo)航方案中模型小車能夠按預(yù)設(shè)情況跟蹤“實(shí)驗(yàn)室天花板柵格走向”快速行駛，雖存在擺動(dòng)，但在程序的優(yōu)化下，擺動(dòng)得到改善，如圖3所示：

最終，文章提供了一種易行且新型的機(jī)器人導(dǎo)航方案，在模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中運(yùn)行良好。其核心思想為：利用環(huán)境原有標(biāo)志對(duì)機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航，該導(dǎo)航方案移植方便，運(yùn)用范圍廣，有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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（責(zé)任編輯：王書柏）