基于DSP的簡易新型機器人導航方案

楊晶惠羅培元劉滿祿

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，實現(xiàn)了一種簡易且新型的機器人方案。文章借助DSP芯片強大的“浮點運算能力”和“PWM波輸出及中斷等功能”同時利用信號模塊電路通訊，以PID算法控制碼盤脈沖電機，最終實現(xiàn)了在同等物理環(huán)境下高速的“天花板柵格走向”識別和循跡（跟蹤）的目標。結果為：模型車體在實驗室地面以1m/s速度行駛，并能識別和跟蹤“天花板柵格走向”；擺幅為0.2m；調整時間為1s。文章側面論證了DSP芯片在海量數(shù)字信號處理方面的高速性和精準性，數(shù)字信號處理能力優(yōu)于普通單片機。

關鍵詞：DSP；導航方案；圖像分析；PID；碼盤電機

中圖分類號：TP242文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）13-0007-02

21世紀特殊作業(yè)環(huán)境機器人是研究的熱點，眾多學者和企業(yè)從事“機器人導航方案”的研究。目前，多數(shù)導航方案需要重新鋪設機器人識別標志。若作業(yè)環(huán)境特殊，則方案實施困難。考慮到眾多建筑本身鋪設有“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”進行機器人導航的方案。

文章介紹了DSP處理攝像頭OV7620反饋圖像信息的方案。小車轉向角和車速被精準控制，并沿天花板柵格走向快速前進。最終實現(xiàn)了一種新型且易行的機器人導航方案。實驗環(huán)境為空曠實驗室，天花板由石膏板重復排列形成柵格圖案。

實驗中，將小車模擬為環(huán)境機器人。小車車體為：普通模型小車支撐長桿，在長桿頂架設攝像頭。

1系統(tǒng)設計

針對實驗環(huán)境，系統(tǒng)硬件由DSP控制模塊，視頻循跡模塊、電機驅動模塊、電源模塊組成，其結構框圖如圖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。其作為主控芯片，同外圍器件一起工作主要用來對攝像頭采集回來的數(shù)據(jù)進行讀寫，根據(jù)邊緣位置信息計算出天花板黑線的實際位置，并根據(jù)實時情況通過輸出PWM波來控制直流電機的運轉情況。

1.2視頻采集模塊

視頻采集模塊采用低功耗CMOS數(shù)字攝像頭OV7620。OV7620工作方式和輸出格式多樣，能適應不同場合。針對微型系統(tǒng)，采用單通道Y輸出，逐行掃描的工作方式。

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

2系統(tǒng)算法設計

2.1圖像處理及控制設計

為保證數(shù)據(jù)無漂移，行信號采集使能在場信號采集使能之后開啟。捕捉到行信號后，依次采集每行中點的灰度值，下一個場信號來到時，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，從圖像底部依次向上掃描，并記錄掃描到的黑點X坐標（僅操作黑點）遞歸運算所有參數(shù)，可得X坐標整體跨度。由于小車物理坐標可抽象為圖像中（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的采集及處理。詳細的處理流程圖如圖2所示：

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

采集完成后，從圖像底部自下而上掃描，首先設定坐標的兩個參考點，根據(jù)參考點與處理點坐標關系，運用遞歸方法逐步計算得到斜率，在運算前首先判斷本斜率與此前存儲斜率是否線性變化。最后，根據(jù)斜率判斷車體運動情況。

2.2電機控制算法

由于固定參數(shù)的PID控制器不能很好同時實現(xiàn)高速度運動時小車的方向和速度的高精度控制，所以本設計采用可調參數(shù)的改進型PID控制算法對小車的方向和速度進行控制。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。微機通過串口軟件eSmartCameraCar觀察圖像信息，同時也能實時地優(yōu)化程序。

在正常情況下，車體沿天花板柵格走向直線運行，時而有擺動，經過程序優(yōu)化，有明顯改善。相關調試數(shù)據(jù)見表1：

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

4結語

本文設計的新型導航方案中模型小車能夠按預設情況跟蹤“實驗室天花板柵格走向”快速行駛，雖存在擺動，但在程序的優(yōu)化下，擺動得到改善，如圖3所示：

最終，文章提供了一種易行且新型的機器人導航方案，在模擬實驗環(huán)境中運行良好。其核心思想為：利用環(huán)境原有標志對機器人進行導航，該導航方案移植方便，運用范圍廣，有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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（責任編輯：王書柏）