CN101610351A - 机器人视觉传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明一种机器人视觉传感器，由计算处理模块和通讯模块组成，两个模块由独立的板卡实现，通过总线插槽相连；计算处理模块包括专用于数字图像处理的DSP处理器负责图像的实时处理和控制决策运算；通讯模块负责图像的输入解码、输出编码、和外部运动控制器进行通讯以及输出最后的决策控制信号。本发明的机器人视觉传感器可以用于图像监控系统和机器人视觉导航系统，视觉传感器配置了大容量的存储器，利用高速的专用DSP图像处理器，可以在本地实现图像处理算法和决策算法，并直接输出控制结果，避免了大数据量数字图像传输所需要的高速数据通道，其小巧的体积和丰富的接口提高了机器人系统的移动性能。
Description
技术领域
本发明属于机器人领域中的嵌入式视觉传感器装置，具体地说是用于获取机器人视觉信息，对图像进行本地处理以避免大数据量的图像传输，并具有多种外围接口的一种小型低功耗高性能装置。
背景技术
机器人视觉是机器人研究的重要研究领域。传统的机器人视觉系统大多是基于PC构架的，基于PC架构的图像处理系统的优势主要体现在其通用性、可扩充性上。但是，这种视觉系统价格昂贵，软件需要定制，其开发工作复杂，开发周期长，而且受工作环境限制，移动性能较差。在移动机器人平台上，视觉系统要求有更高的灵活性，需要更小的体积和更低的功耗。现在移动机器人平台上采用的视觉系统多是基于PC104构架的。图像数据需要通过高速通道传输到内存单元，执行结果也需要通过外围运动控制卡输出，整个数据传输通道比较耗时，而且处理器只有一个，难以通过并行处理来提高机器人响应速度。另外，PC104计算机运行的是功能复杂的Windows操作系统，较多的系统资源消耗在系统服务中，从而影响控制系统的整体计算性能，而且其较大的体积和重量对移动平台而言也是一个缺陷负担。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明的目的在于开发一种基于DSP的体积小、功耗低、计算能力强的嵌入式机器人视觉传感器。
为了达到所述目的，本发明一种机器人视觉传感器，包括：计算处理模块和通讯模块，两个模块通过总线插槽相连，计算处理模块，负责图像采集、图像的实时处理和控制决策运算；通讯模块，负责图像的输入解码、输出编码、跟外部运动控制器进行通讯以及输出最后的决策控制信号。
所述计算处理模块包括：动态存储器、静态存储器、DSP处理器，其中：DSP处理器的数据总线和地址总线与动态存储器和静态存储器相连，DSP处理器通过指定的地址访问动态数据和静态数据。
所述DSP处理器具有视频输入端口、视频输出端口、以太网端口、数据总线和地址总线、I2C端口、数字量IO端口及HPI端口，其中：DSP处理器的视频输入端口与通讯模块的视频解码芯片相连，接收视频解码芯片解码的数字图像；DSP处理器的视频输出端口与通讯模块的视频编码芯片相连，发送数字图像到视频编码芯片；DSP处理器的以太网端口与通讯模块的以太网控制器相连，通过以太网控制器传送或者接收数据；DSP处理器的数据总线和地址总线与通讯模块的通用异步收发器的控制器相连，通过通用异步收发器的控制器接收或者发送串口数据；DSP处理器的数字量IO端口与数字量IO接口相连，接收和发送数字量信号；DSP处理器的HPI端口与HPI接口相连，接收和发送HPI数据；DSP处理器的I2C端口与DA转换芯片相连，把数据输出到DA转换芯片以转换成模拟量输出。
所述通讯模块包括：摄像头输入接口、视频解码芯片、视频编码芯片、视频输出接口、以太网控制器、以太网接口、通用异步收发器、RS232收发器、RS232接口、RS485收发器、RS485接口、数字量IO接口、HPI接口、DA转换芯片、模拟量输出接口，其中：摄像头接口与摄像头相连，用于采集外部摄像头的模拟图像；视频解码芯片分别与摄像头接口和DSP处理器的视频输入端口相连，用于接收摄像头接口的模拟图像并对其进行解码，生成数字图像并输出到DSP处理器；视频编码芯片与DSP处理器的视频输出端口相连，用于接收DSP处理器的数字图像并对其进行编码，将数字图像编码转换成模拟图像并输出；视频输出接口与视频编码芯片相连，用于接收并输出视频编码芯片的模拟图像；以太网物理层收发器与DSP处理器的以太网端口相连，用于实现DSP处理器与以太网之间通信数据的物理层协议封装；以太网接口与以太网电缆相连，用于从以太网中接收数据或者发送数据到以太网；通用异步收发器的控制器与DSP处理器的数据总线和地址总线相连，用于实现DSP处理器的并行数据与通用异步收发器的串行通信数据之间的协议转换；RS232收发器与通用异步收发器的控制器相连，用于实现通用异步收发器串行通信数据与RS232通信数据之间的电平转换；RS232接口是用于物理连接到外部RS232通信接口；RS485收发器与通用异步收发器控制器相连，用于实现通用异步收发器串行通信数据与RS485通信数据之间的电平转换；RS485接口是用于连接到外部RS485通信接口的物理连接；数字量IO接口与DSP处理器的数字量IO端口相连，用于接收和发送数字量信号；主机接口HPI接口与DSP处理器的HPI端口相连，用于接收和发送HPI数据；DA转换芯片与DSP处理器的I2C端口相连，用于把DSP处理器13通过I2C总线发送的数字量转换成模拟量，或者把DA转换芯片2E转换的数字量结果传输给DSP处理器的I2C端口；模拟量输出接口与DA转换芯片相连，把DA转换的结果以模拟量的形式输出。
本发明的有益效果是：开发了一个集成度高、结构灵活、图像处理软件功能丰富的视觉传感器，通过集成的微处理器和微系统内核减少数据传输，分担机器人主处理器的计算负担，在保证视觉信息处理性能的同时减小系统的体积，增加系统平台的移动能力。本发明主要基于焊接机器人平台的基本应用需求来设计和实现，在设计过程中充分考虑了结构的灵活性，以便向其它的应用平台上移植。
本发明可用于图像监控系统和视觉导航系统，嵌入式视觉传感器配置了大容量的存储器，利用高速的专用DSP图像处理器，可以在本地实现图像处理算法和决策算法，并直接输出控制结果，避免了大数据量数字图像传输所需要的高速数据通道，其小巧的体积和丰富的接口提高了机器人系统的移动性能和扩展能力。
附图说明
图1为本发明嵌入式视觉传感器的硬件结构示意图。
图2为本发明嵌入式视觉传感器用于实时图像监控系统的示意图。
图3为本发明嵌入式视觉传感器用于图像的远程监控系统的示意图。
图4为本发明嵌入式视觉传感器与ARM控制器组成机器人视觉导航系统的实例示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
请参阅图1本发明基于DSP的嵌入式机器人视觉传感器的硬件结构示意图，下面对本发明进行说明，图1包括：
计算处理模块1和通讯模块2，两个模块通过总线插槽相连。计算处理模块1，它负责图像的实时处理和控制决策运算；通讯模块2，它负责图像的输入解码、输出编码、跟外部运动控制器进行通讯以及输出最后的决策控制信号。
本发明最大限度的把视觉算法集成在嵌入式视觉传感器本地执行，减少数据传输和系统通讯的时间消耗，并且分担机器人主处理器的计算负担，提高机器人整体的系统响应速度。其硬件结构示意图如图1所示。通过采用专用的高速视频图像DSP处理器和大容量的内存配置，解决计算资源不足的问题；采用叠加式的硬件构架使得系统具有良好的可扩展性，嵌入式视觉传感器可以通过叠加扩展板卡添加各种形式的外围接口；移植了完整的微内核操作系统，嵌入式视觉传感器可以脱离上位机独立运行，同时其丰富的通讯接口使得系统也可以和其他计算平台如ARM、单片机、PC机、PC104平台等进行协调工作，具有很高的灵活性；专用的软件开发工具，可以利用大量的第三方算法软件库，减少算法开发的周期，开发工具针对DSP专用处理器的指令优化提高了算法的执行速度。
所述的计算处理模块1包括：动态存储器11、静态存储器12、DSP处理器13，DSP处理器13的数据总线和地址总线与动态存储器11和静态存储器12相连，DSP处理器通过指定的地址访问动态数据和静态数据。
DSP处理器13采用图像/视频DSP处理器，DSP处理器13具有视频输入端口、视频输出端口、以太网端口、数据总线和地址总线、I2C端口、数字量IO端口及HPI端口，其中：计算处理模块1的DSP处理器13的视频输入端口与通讯模块2的视频解码芯片22相连，接收视频解码芯片22解码的数字图像；计算处理模块1的DSP处理器13的视频输出端口与通讯模块2的视频编码芯片23相连，发送数字图像到视频编码芯片23；计算处理模块1的DSP处理器13的以太网端口与通讯模块2的以太网物理层收发器25相连，通过它传送或者接收数据；计算处理模块1的DSP处理器13的数据总线和地址总线与通讯模块2的通用异步收发器27相连，通过通用异步收发器27接收或者发送串口数据；计算处理模块1的DSP处理器13的数字量IO端口与数字量IO接口29相连，接收和发送数字量信号；计算处理模块1的DSP处理器13的HPI端口与HPI接口2A相连，接收和发送HPI数据；计算处理模块1的DSP处理器13的I2C端口与DA转换芯片2B相连，把数据输出到DA转换芯片2C以转换成模拟量输出。
所述的动态存储器11存储量为32M字节，由两片1M×32-bit×4-BANK的动态存储器芯片MT48LC4M32B2串联组成；所述的静态存储器12采用1M×8位的静态存储芯片AM29LV081B，大容量的存储器配置保证了可以同时处理多幅数字图像，也可存储复杂的代码量大的程序。所述的DSP处理器13使用TI的浮点型专用图像/视频数字信号处理器TMS320DM642，TMS320DM642是一款高性能数字多媒体处理器，工作频率达600MHz，运算能力非常强大。此外，TMS320DM642支持的外围设备非常丰富。所述的DSP处理器13使用TI公司的DSP/BIOS实时内核，它包括一个小的实时软件库、一套使用实时库的API、一个易于使用的配置和分析工具。DSP/BIOS实时内核具有所有嵌入式操作系统具备的内存管理、中断管理和多任务调度功能，可以简单地实现内核对象的分配和使用，对DSP处理器13的片内资源调度及其方便，同时具有强大的实时调试功能。这个微内核是模块化的，只有使用到的模块被编译到应用程序中，不像Windows操作系统那样无法避免不需要的系统服务开销。
通讯模块2包括：摄像头输入接口21、视频解码芯片22、视频编码芯片23、视频输出接口24、以太网物理层收发器25、以太网接口26、通用异步收发器27、RS232收发器28、RS232接口29、RS485收发器2A、RS485接口2B、数字量IO接口2C、HPI接口2D、DA转换芯片2E、模拟量输出接口2F，其中：
摄像头接口21与摄像头相连，用于采集外部摄像头的模拟图像；视频解码芯片22分别与摄像头接口21和DSP处理器13的视频输入端口相连，用于接收摄像头接口21的模拟图像并对其进行解码，生成数字图像并输出到DSP处理器13；视频编码芯片23与DSP处理器13的视频输出端口相连，用于接收DSP处理器13的数字图像并对其进行编码，将数字图像编码转换成模拟图像并输出；视频输出接口24与视频编码芯片23相连，用于接收并输出视频编码芯片23的模拟图像；以太网物理层收发器25与DSP处理器13的以太网端口相连，用于实现DSP处理器13与以太网之间通信数据的物理层协议封装；以太网接口26与以太网电缆相连，用于从以太网中接收数据或者发送数据到以太网；通用异步收发器27与DSP处理器13相连，用于实现DSP处理器13的并行数据与通用异步收发器的串行通信数据之间的协议转换；RS232收发器28与通用异步收发器27相连，用于实现通用异步收发器串行通信数据与RS232通信数据之间的电平转换；RS232接口29是用于连接到外部RS232通信接口的物理连接；RS485收发器2A与通用异步收发器27相连，用于实现通用异步收发器串行通信数据与RS485通信数据之间的电平转换；RS485接口2B是用于物理连接到外部RS485通信接口；数字量IO接口2C与DSP处理器13的数字量IO端口相连，用于接收和发送数字量信号；主机接口HPI接口2D与DSP处理器13的HPI端口相连，用于接收和发送HPI数据；DA转换芯片2E与DSP处理器13的I2C端口相连，用于把DSP处理器13通过I2C总线发送的数字量转换成模拟量，或者把DA转换芯片2E转换的数字量结果传输给DSP处理器13的I2C端口；模拟量输出接口2F与DA转换芯片2E相连，把DA转换的结果以模拟量的形式输出。
摄像头接口21采用BNC连接端子，视频解码芯片22采用超低功耗视频解码芯片TVP5150AM1，视频编码芯片23采用SAA7121视频编码芯片。视频输出接口24采用S端子。嵌入式视觉传感器通过多个超低功耗视频解码芯片22，可以把多个摄像头的NTSC/PAL/SECAM制式的视频信号转换成8位ITU-R BT.656格式的数字视频信号。通过视频编码芯片23可以把数字视频转换成模拟视频通过视频输出接口24输出。以太网物理层收发器25采用DM9161E芯片，以太网接口26为RJ45端子，通用异步收发器27采用双端口通用异步收发器TL16C752B，RS232收发器28采用ADM3202，RS485收发器2A采用ADM3077E，RS232接口29和RS485接口2B皆为4芯的接插件，数字量IO接口2C为一个20芯的接插件，HPI接口2D为一个40芯的接插件，DA转换芯片2E采用串行模数转换芯片AD5622，模拟量输出接口2F为一个4芯的接插件。
如图2为本发明嵌入式视觉传感器用于实时图像监控系统的实例示意图，下面请同时参阅图1和图2，其中：摄像头31与本发明DSP视觉传感器32的摄像头接口21相连，电视机或者计算机33与本发明嵌入式DSP视觉传感器32的视频输出接口24相连。嵌入式视觉传感器32把摄像头31采集的模拟图像转换成数字图像，并进行必要的处理，然后把数字图像编码成模拟图像，通过视频输出端口把图像输出到电视机或计算机33，从而实现实时图像监控。
如图3本发明嵌入式视觉传感器应用于图像的远程监控系统的实例示意图，下面请同时参阅图3和图1，其中：摄像头31与本发明嵌入式DSP视觉传感器32的摄像头接口21相连，嵌入式DSP视觉传感器32通过其以太网接口26接入以太网43，远程终端44也接入以太网43，并与显示设备45相连。嵌入式视觉传感器32把摄像头31采集的模拟图像转换成数字图像后进行图像压缩，然后把压缩的图像通过以太网43传输到远程终端44，远程终端44对图像进行解压缩，并把还原的图像传输给显示设备45进行显示，这就实现了图像远程监控。
如图4本发明嵌入式视觉传感器与ARM控制器组成机器人视觉导航系统的实例示意图，下面请同时参阅图1和图4，其中：摄像头31与嵌入式DSP视觉传感器32的视频输入接口21相连，ATA硬盘53与嵌入式DSP视觉传感器32的HPI接口2D相连，嵌入式DSP视觉传感器32的RS232接口29与ARM控制器55相连，非视觉传感器54和运动控制器56与ARM控制器55相连，运动控制器56与机器人运动部件57相连，远程控制中心58与ARM控制器56通过无线网络相连。嵌入式DSP视觉传感器32负责处理摄像头31采集到的图像数据，处理结果通过其RS232接口29传送给ARM控制器55，同时把原始图像数据存储到硬盘中以备后续的查询和处理。ARM控制器负责收集非视觉传感器54采集的环境信息和嵌入式DSP视觉传感器32得到的图像处理结果，通过信息融合、定位导航和任务协调后得到决策结果，把决策控制命令发送给运动控制器56，后者进一步控制机器人的运动部件57执行相应的动作。远程控制中心58可以通过无线网络向ARM控制器55发布任务和命令，实现远程控制。
本发明的嵌入式DSP视觉传感器的主要规格如表1所示：
表1本发明DSP视觉传感器的主要规格
| 板卡尺寸 | 100×100mm2 |
| DSP处理器 | TMS320DM642 |
| 中央处理器频率 | 600MHz |
| 动态存储器 | 32M字节 |
| 静态存储器 | 1M字节 |
| 主要外围接口 | RS232/RS485×1HPI(16-bit)×1EMAC×1AO×2，DIO×1 |
| 视频输入 | NTSC/PAL复合端子×4 |
| 视频输出 | S端子×1 |
| 供电电源 | 5V |
| 空载电流/工作电流 | 240mA/280mA |
| 空载功耗/工作功耗 | 1.2w/1.4w |
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1、一种机器人视觉传感器，其特征在于，包括：计算处理模块和通讯模块，两个模块通过总线插槽相连，计算处理模块，负责图像采集、图像的实时处理和控制决策运算；通讯模块，负责图像的输入解码、输出编码、跟外部运动控制器进行通讯以及输出最后的决策控制信号。
2、根据权利要求1所述的机器人视觉传感器，其特征在于，计算处理模块包括：动态存储器、静态存储器、DSP处理器，其中：DSP处理器的数据总线和地址总线与动态存储器和静态存储器相连，DSP处理器通过指定的地址访问动态数据和静态数据。
3、根据权利要求2所述的机器人视觉传感器，其特征在于，DSP处理器具有视频输入端口、视频输出端口、以太网端口、数据总线和地址总线、I2C端口、数字量IO端口及HPI端口，其中：
DSP处理器的视频输入端口与通讯模块的视频解码芯片相连，接收视频解码芯片解码的数字图像；
DSP处理器的视频输出端口与通讯模块的视频编码芯片相连，发送数字图像到视频编码芯片；
DSP处理器的以太网端口与通讯模块的以太网控制器相连，通过以太网控制器传送或者接收数据；
DSP处理器的数据总线和地址总线与通讯模块的通用异步收发器相连，通过通用异步收发器接收或者发送串口数据；
DSP处理器的数字量IO端口与数字量IO接口相连，接收和发送数字量信号；
DSP处理器的HPI端口与HPI接口相连，接收和发送HPI数据；
DSP处理器的I2C端口与DA转换芯片相连，把数据输出到DA转换芯片以转换成模拟量输出。
4、根据权利要求1所述的机器人视觉传感器，其特征在于，通讯模块包括：摄像头输入接口、视频解码芯片、视频编码芯片、视频输出接口、以太网控制器、以太网接口、通用异步收发器、RS232收发器、RS232接口、RS485收发器、RS485接口、数字量IO接口、HPI接口、DA转换芯片、模拟量输出接口，其中：
摄像头接口与摄像头相连，用于采集外部摄像头的模拟图像；
视频解码芯片分别与摄像头接口和DSP处理器的视频输入端口相连，用于接收摄像头接口的模拟图像并对其进行解码，生成数字图像并输出到DSP处理器；
视频编码芯片与DSP处理器的视频输出端口相连，用于接收DSP处理器的数字图像并对其进行编码，将数字图像编码转换成模拟图像并输出；
视频输出接口与视频编码芯片相连，用于接收并输出视频编码芯片的模拟图像；
以太网物理层收发器与DSP处理器的以太网端口相连，用于实现DSP处理器与以太网之间通信数据的物理层协议封装；
以太网接口与以太网电缆相连，用于从以太网中接收数据或者发送数据到以太网；
通用异步收发器的控制器与DSP处理器的数据总线和地址总线相连，用于实现DSP处理器的并行数据与通用异步收发器的串行通信数据之间的协议转换；
RS232收发器与通用异步收发器相连，用于实现通用异步收发器串行通信数据与RS232通信数据之间的电平转换；
RS232接口是用于物理连接到外部RS232通信接口；
RS485收发器与通用异步收发器相连，用于实现通用异步收发器串行通信数据与RS485通信数据之间的电平转换；
RS485接口是用于连接到外部RS485通信接口的物理连接；
数字量IO接口与DSP处理器的数字量IO端口相连，用于接收和发送数字量信号；
主机接口HPI接口与DSP处理器的HPI端口相连，用于接收和发送HPI数据；
DA转换芯片与DSP处理器的I2C端口相连，用于把DSP处理器13通过I2C总线发送的数字量转换成模拟量，或者把DA转换芯片2E转换的数字量结果传输给DSP处理器的I2C端口；
模拟量输出接口与DA转换芯片相连，把DA转换的结果以模拟量的形式输出。
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