單目仿生眼控制系統(tǒng)

山 峰，謝少榮，鄭麗麗，羅 均

（上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072）

0 引言

仿生眼系統(tǒng)是近年來國內(nèi)外研究的熱點[1]，它可以根據(jù)攝像頭采集回來的圖像信息以及各傳感器的信號，不斷調(diào)整運動跟蹤平臺的轉(zhuǎn)動，使攝像頭視軸跟蹤目標(biāo)物體運動。通過一定的仿生模型，可以使仿生眼系統(tǒng)模仿人眼的前庭動眼反射、視動反射、平滑追蹤以及急動等功能。

鑒于仿生眼系統(tǒng)體積小、重量輕，可以搭載在各種移動機器人、水下機器人以及飛行器上，用于交通、軍事、反恐防暴、勘察、救災(zāi)等多種危險或者不適合人近距離觀察的環(huán)境。

本文設(shè)計了一個仿生眼的運動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了與課題組其他成員所設(shè)計的眼球機構(gòu)控制單元和圖像處理系統(tǒng)的接口對接。通過實驗調(diào)試，驗證了系統(tǒng)可以滿足仿生眼運動控制的實時性要求。

1 仿生眼系統(tǒng)與人眼的對應(yīng)關(guān)系

人們通過支配6條眼外肌使之產(chǎn)生協(xié)調(diào)運動，使目標(biāo)物體在視網(wǎng)膜的中央凹上成像。該類運動可視為視覺-眼動系統(tǒng)在一定刺激下的輸出，表現(xiàn)為不斷地視軸運動。

圖1 單眼眼動簡化模型

根據(jù)人眼的運動模型[2]提取出單眼運動的簡化模型如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

整套仿生眼系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、眼球機構(gòu)、三軸陀螺儀、無線通信模塊組成。

圖2 硬件系統(tǒng)圖

2.1 眼球機構(gòu)

微型攝像頭置于眼球內(nèi)，該機構(gòu)具有兩個自由度的轉(zhuǎn)動[3]。

利用兩臺舵機控制眼球的轉(zhuǎn)動。這里選用韓國HiTEC公司型號為HSG-5084MG的舵機作為眼球機構(gòu)的驅(qū)動器。該舵機采用4.8V電源供電，最高可輸出1.5kg.cm的扭矩，空載轉(zhuǎn)速達(dá)到0.07s/60°，體積為29×13×30mm，滿足了對運動機構(gòu)的微型化和高速響應(yīng)的要求。

圖3 眼球機構(gòu)原理圖

2.2 MCU

采用Silicon Laboratories公司的C8051F023單片機作為運動控制系統(tǒng)的核心處理器。C8051F023是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片[4]，其內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，70%的指令的執(zhí)行時間只需要1個或2個系統(tǒng)時鐘周期，加上C8051F023最高可達(dá)25MHz的系統(tǒng)時鐘頻率，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比處理速度大大提高。同時C8051F023內(nèi)置64K字節(jié)的程序存儲器和4352字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，在大多數(shù)的應(yīng)用中無需再另外擴展存儲器。

在控制系統(tǒng)中，利用UART，通過MAX3232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，與外部的三軸陀螺儀、圖像處理系統(tǒng)以及無線通信模塊進(jìn)行通信連接。由于C8051F023內(nèi)部只帶有2個UART，因此，還需要擴展一個UART。這里采用軟件UART，下文會有詳細(xì)論述。

采用周期為20ms的PWM對舵機進(jìn)行控制。本文中所使用的HSG-5084MG舵機，PWM控制信號的高電平時長為1.1ms～1.9ms，對應(yīng)于舵機的轉(zhuǎn)動角度-35°～+35°。當(dāng)高電平時長為1.5ms時，舵機的轉(zhuǎn)角位于中心位置。

除此之外，還預(yù)留了2個SPI接口和2個ADC輸入通道，用于系統(tǒng)將來的擴展。如可利用SPI與所搭載的機體的控制器進(jìn)行通信；也可利用ADC來觀測供電電池的電壓信號，可在電壓不足的情況下進(jìn)行報警。

2.3 UART的擴展

本控制系統(tǒng)中，由于C8051F023本身只帶有2個UART接口，但系統(tǒng)的應(yīng)用中卻需要3個UART，因此還需要另行擴展一個UART。

擴展UART的方法不外乎兩種：使用擴展芯片或者軟件模擬。采用擴展芯片方式增加UART最大的缺點就是需要增加成本，這在成本敏感的項目里面是不可取的。通過充分挖掘MCU片上硬件資源，使用軟件模擬方式生成UART，不但能夠降低成本，還能簡化電路。考慮到C8051F023本身自帶的PCA（可編程計數(shù)器陣列）就能為軟件UART提供一個很好的解決方案[5]，因為PCA計數(shù)器在產(chǎn)生中斷的情況下不會停止計數(shù)，即不會因為中斷而產(chǎn)生延時的積累，利用這一點能夠產(chǎn)生精確波特率，這是傳統(tǒng)的使用定時器產(chǎn)生軟件UART的波特率所不能比擬的。

在這里利用兩個PCA模塊分別產(chǎn)生軟件UART的接收和發(fā)送波特率，并利用PCA的下降沿捕獲功能判斷數(shù)據(jù)接收的起始位。所有的接收和發(fā)送過程是在PCA中斷服務(wù)程序內(nèi)完成的。

圖4 軟件UART程序流程圖

2.4 圖像處理系統(tǒng)

圖像處理是仿生眼系統(tǒng)的核心[6]。通過圖像處理，可以獲取運動的目標(biāo)物體與圖像中心的偏角，并把偏角數(shù)據(jù)通過RS-232C傳給運動控制系統(tǒng)。運動控制系統(tǒng)根據(jù)所收到的數(shù)據(jù)信息，再控制眼球機構(gòu)的轉(zhuǎn)動，使目標(biāo)物體始終處于圖像中央。

2.5 三軸陀螺儀

當(dāng)仿生眼系統(tǒng)搭載在非固定機體上時，由于機體自身受到發(fā)動機振動、空氣阻力等外界因素的影響使得的機體自身姿態(tài)發(fā)生改變，這勢必嚴(yán)重影響對移動目標(biāo)視頻跟蹤的穩(wěn)定性。所以需要能夠?qū)崟r的采集到機體姿態(tài)的變化，并根據(jù)采集到的變化量給予反向控制，從而減少機體姿態(tài)對跟蹤仿生眼系統(tǒng)的影響，避免了跟蹤攝像頭視軸經(jīng)常偏移移動目標(biāo)。

本系統(tǒng)中考慮到控制跟蹤的連續(xù)性和穩(wěn)定性，采用了具有高速度、高精度、多功能的傳感器3DMGX1[7]。3DM-GX1可以綜合三個角速率陀螺儀，三個正交的加速度計和三個正交的磁力計的測量數(shù)據(jù)，從而在靜止或動態(tài)的條件下提供穩(wěn)定的方向信息。當(dāng)三個軸都在360°的范圍內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時，該產(chǎn)品可以輸出為矩陣、四元數(shù)或歐拉角度方程格式的方向信息；它的數(shù)字式連續(xù)輸出還可以為所有傳感器提供溫度補償信號；其擁有一個嵌入式處理器，自帶了可調(diào)濾除算法，以提供穩(wěn)定的輸出信號；內(nèi)置RS-232C接口。

2.6 無線通信模塊

由于仿生眼系統(tǒng)是搭載在移動機器人、水下機器人或飛行器上的，它與上位機勢必只能通過無線通信取得聯(lián)系。

無線通信模塊連接機載的跟蹤控制系統(tǒng)和地面控制站，在向地面發(fā)送實時的跟蹤數(shù)據(jù)的同時，實現(xiàn)地面操作人員對跟蹤控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作和人工干預(yù)。根據(jù)其工作任務(wù)和環(huán)境特點，要求無線通信模塊串口傳輸、通信距離遠(yuǎn)、功耗低、穩(wěn)定可靠。為此，選用了可工作在900Mhz或2.4Ghz不需認(rèn)證的ISM波段的XStream-PKG-R[8]無線數(shù)傳電臺，它具有如下主要功能：

支持RS-232/485(多端口總線)協(xié)議；

與主機接口波特率 :1200bps～57.6Kbps，空中傳輸速率9600bps或19.2Kbps，戶外傳輸距離可達(dá)11km。

3 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能如下：

1）與上位機進(jìn)行無線通信，獲取命令數(shù)據(jù)；

2）與圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行通信，獲得攝像頭視角偏移數(shù)據(jù)；

3）獲取仿生眼所搭載的機體的姿態(tài)變化率；

4）實現(xiàn)對眼球機構(gòu)的運動控制率。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實驗調(diào)試

主要從軟件UART和控制系統(tǒng)兩個方面進(jìn)行了實驗。

4.1 軟件UART

由于本系統(tǒng)中采用軟件模擬方式擴展了UART，而軟件UART的運行需要占用一定的機時，因此需要平衡通信速度和硬件機時占用。

實驗條件：跟蹤控制板上采用了22.1184Mhz的晶振。

實驗方法：上位機對控制板的軟件UART連續(xù)不間斷地發(fā)送數(shù)據(jù)。MCU采用查詢方式，軟件UART在接收到每個字節(jié)數(shù)據(jù)的同時，把接收到的每個字節(jié)數(shù)據(jù)立即用軟件UART的發(fā)送端回發(fā)給上位機，然后對比上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到數(shù)據(jù)。如圖6所示。

根據(jù)實驗結(jié)果可知，在時鐘頻率為22.1184Mhz的條件下，該軟件UART可對絕大多數(shù)的應(yīng)用提供全雙工模式下38.4Kbps的波特率支持。

而本系統(tǒng)對系統(tǒng)的實時性要求很高，為此，將此軟件UART配置給數(shù)據(jù)傳輸壓力最小的無線通信模塊，同時將波特率設(shè)為19.2Kbps，以滿足系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

圖6 實驗時用到的串口調(diào)試器

表1 實驗結(jié)果表

4.2 控制板調(diào)試

控制板的調(diào)試采用上位機定時發(fā)送目標(biāo)偏角數(shù)據(jù)給跟蹤控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)根據(jù)偏角數(shù)據(jù)控制舵機的轉(zhuǎn)動。

考慮到我國電視采用PAL制式，每秒鐘能產(chǎn)生25幀圖像。這里就假設(shè)圖像處理系統(tǒng)能夠每秒處理25幀圖像，即每秒鐘給出25組目標(biāo)物體的偏角數(shù)據(jù)。

實驗方法：上位機每隔40ms發(fā)送一組偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)給運動跟蹤控制板，觀察舵機的運動。

結(jié)果表明，舵機反應(yīng)迅速，無滯后響應(yīng)現(xiàn)象。

5 結(jié)論

圖7 運動跟蹤控制板

結(jié)合仿生眼運動的建模和對模型的離散化控制，該系統(tǒng)能夠很好模仿人眼的運動，且能夠達(dá)到很高的精度。同時通過實驗，初步表明，該跟蹤控制系統(tǒng)能夠滿足仿生眼系統(tǒng)對實時性的要求。

[1] 鄒海榮,龔振邦,羅均.仿生眼的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機器人,2005,27(5):469-474.

[2] Zhang X L,Wakamatsu H. An Unified Adaptive Oculomotor Control Model[J].International Journal of Adaptive Control and Signal Processing,2001,15(7):697-713.

[3] 傅湘國.地面目標(biāo)低空跟蹤伺服云臺控制系統(tǒng)研究[D].上海:上海大學(xué),2007.

[4] 潘琢金.C8051F020/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊[Z].Rev 1.4.新華龍電子有限公司.2005.

[5] 潘琢金,孫德龍,夏秀峰.C8051F單片機應(yīng)用解析[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[6] Xie S R,Gong Z B,Ding W,et al.Detection and Tracking of Moving object in Visual Tracking from a Low-Altitude Flying Helicopter[A].Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics[C].Sanya:IEEE,2007:178-182.

[7] MicroStrain Inc.3DM-GX1 Datasheet[Z].2005.

[8] MaxStream Inc.XStream-PKG-RTM RS-232/485 RF Modem Product Manual[Z]. 2006.