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;高危工种.如煤矿,管道,排爆等,对工作人员的生命安全构成了严重的威胁.移动探测机器人的研究为恶劣环境下的人工作业带来了希望,提高了安全性,同时降低了劳动强度[3].随着现代计算机技术,传感器技术以及信息处理技术的发展,探测机器人的应用范围已不仅仅局限于危险区域.农业,医疗,空间探测等,也大量出现了探测机器人的身影.探测机器人要实现在未知和不确定环境下运行,必须具备自动导航和避障功能.视觉随动系统是探测机器人的关键部分,它通过对未知环境的感知,自动探测搜索目标,并且能成功的避开障碍物,快速准确平稳的到达目的地,作出相应的决策.本课题研究目的是:一,设计探索机器人视觉随动系统,二,控制机器人主动感知环境,寻找目标和障碍物,为决策提供数据基础.
1.4课题的研究内容
本课题的任务是设计视觉随动机构并软件对视觉传感器进行随动控制.由于视觉随动机构对系统影响很大,因此要求它紧凑,可靠,稳定性高,另外用软件算法控制伺服马达达到对视觉传感器的控制.
为了设计机器人视觉随动机构,首先要选购伺服马达,确定伺服马达参数.机器人机电控制系统中,伺服马达控制效果是性能的重要影响因素.伺服马达可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构,其简单的控制和输出使得DSP控制器系统非常容易与之接口.基于伺服马达,可以设计一个视觉随动机械结构,包括一个可靠性高,稳定的摄像头支架.
1.5本章小结
探测机器人作为智能机器人的一个分支,在现代人类社会的生产中的作用越来越大,已经渗透到了很多重要的领域,是目前国内外机器人研究的一个重点和热点.几十年来其发展非常迅速,取得相当多有意义的成果.本章详细介绍了国内外探测机器人的研究现状,并举出了一些具有代表性的成果,如卡内基-梅隆大学机器人研究所研究的"流浪者"(nomad)号机器人.本章重点介绍了本课题的研究目的,意义及研究内容.众所周知,在诸如地下矿井,管道和排爆等高危场所进行人工作业,随时都可能给施工人员带来生命威胁.因此,用机器人代替人类在这些环境里工作,将给人类带来希望.机器人要在这些非结构化的环境里工作,必须具备自动导航和避障功能,视觉随动系统是其中的关键部分.本课题研究内容就是设计探索机器人视觉随动机构,并设计软件算法对视觉传感器进行随动控制.
2视觉随动系统简介
2.1视觉机构
2.1.1摄像机
摄像机是产生图象信号的部件,也是探测机器人视觉系统的重要组成部分.摄像机由光学镜头,摄像元件,视频放大及同步扫描电路,光强控制等部件组成[5].前方景物经光学镜头生成光学图像,摄像元件的感光表面能按照光学像上各点照度的不同产生相应数量的电荷,同步扫描电路则按一定顺序把这些电荷取出成为电信号--视频信号,经视频放大器放大并加入规定的同步信号后输出.下面我们详细分析摄像机的组成部件.
光学镜头的作用是产生景物的光学像,并把它投射在摄像器件的感光表面上.光学镜头可分为定焦镜头与变焦镜头.在变焦镜头中又有连续变焦与不连续变焦之分,后者实际是几个焦距不同的定焦镜头的组合,其某些光学零件相互共用.变焦镜头的最长焦距与最短焦距之比,叫做变焦比或变倍比,一般在4至12之间.光学镜头的重要技术参数是焦距和相对孔径.对于一定尺寸的摄像元件而言,光学镜头的焦距决定了电视摄像机的视场大小,摄像镜头的另一个重要参数是入瞳直径D与焦距f之比D/f,叫做相对孔径,而F/D通常叫做F数.它对靶面上像的照度有重要影响.
摄像器件的作用是把光学图像转换成电信号输出.CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器,两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换,将图像转换为数字数据.CMOS工艺是超大规模集成电路的主流工艺6],集成度高,可以根据需要将多种功能集成在一块芯片上.CMOS图像传感器包括图像阵列逻辑寄存器,存储器,定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统.70年代出现了电荷耦合器件(CCD器件),它是一种半导体固体成像器件.这种器件的感光表面是用半导体材料做成的许多敏感单元组成的阵列,当光学像投射到感光表面时,对应于像上各点的不同照度在阵列的各敏感单元中产生不同数量的电荷(载流子),然后外电路按一定时间顺序从阵列边缘取出各敏感单元的电荷,就得到对应于光学图像的视频信号.
摄像器件的几个主要参数是:响应度,信噪比,惰性,分辨力.响应度又叫做灵敏度,是输出的光电流与输入的光通量之比,单位是微安/流明.信噪比(S/N)是图像信号的峰值电平Usp与杂波有效值Un之比,单位用分贝(DB).惰性又叫做滞后,是指当光照停止后光电流并不立即消失的现象.在看电视时有时看到在一个移动的亮物体图像后面拖着一个亮"尾巴"就是这种惰性的反映.惰性的大小用光照停止后第三(电视)场剩余信号电流与光照停止前的信号电流之比值表示.而分辨力是摄像器件分解图像细节的能力.
CCD与CMOS二者主要差异是数字数据传送的方式不同,因此在效能与应用上也有诸多差异.在灵敏度,成本,分辨率,噪声控制等方面,CCD传感器都优于CMOS传感器.而且CCD器件光谱敏感波段也很宽,可达近红外波段,特别是体积小,耐冲击振动,已逐渐占据了市场.本课题选用了CCD传感器.
光强控制部件的作用是使由光学镜头产生的光学像的照度保持在摄像器件正常工作所需的范围内.自然景物所受的光照变化是很大的,正午时地面照度可达到100000(勒克斯),而太阳刚刚落下地平线时约为100(勒克斯).摄像器件要在适当照度的光学像下工作才能正确反映景物亮暗层次,输出满意的图像信号.改变像的照度可以从两方面入手一是改变光学镜头的相对孔径(D/f),即入瞳直径D与焦距f之比二是改变透光率.
2.1.2视频输入处理器SAA7111
摄像机输出的是模拟视频信号,所以必须对它进行分析和处理.随着计算机多媒体应用领域日益广阔,技术日新月异,各种软件和硬件层出不穷.而作为图象多媒体不可或缺的重要组成部分,视频输入处理变得异常重要.各半导体芯片生产厂家不断创新,改进,力求通过简单的操作达到完美的效果,使视频输入处理功能不断完善,给图象多媒体的后期操作带来更多的方便.着名的半导体公司Phillps提供的基于PC机作为平台的可编程视频输入处理芯片SAA7l11,正是为满足这一需要而出现的.它采用CMOS工艺,通过简单的I2C总线与PC机接口.内部包含两路模拟处理通道,能实现视频源的选择,抗混叠(去假频)滤波,模数变换,自动嵌位,自动增益控制,时钟产生,多制式(PALBGHI,PALM,PALN,NTSCM和NTSCN)解码及亮度,对比度和饱和度控制.可为视频桌面系统,图象多媒体,数字电视,图象处理,视频等的应用提供极大方便.
SAA7111是以PC机作为平台的,其所有的可编程功能是通过I2C总线对内部的32个寄存器相应的控制位置相应的数值来完成的.有以下主要特点:
(1)可编程选择四路视频输入中的一路或两路组成不同的工作模式,在其内部有两路模拟视频信号处理通道,可进行静态增益控制或自动增益控制两路8位的模数转换,
(2)可对芯片编程进行白电平控制,抗混叠滤波,梳状滤波,
(3)能实现行场同步信号的自动检测和分离,并且行同步信号的起始位置与结束位置均可根据需要进行编程控制,片内产生的时钟通过数字PLL锁定行同步,
(4)场频50Hz或60Hz自动检测,并自动在PAL和NTSC之间自动切换,并能对不同输入制式的亮度信号和色度信号进行处理,并实现亮度,色度和饱和度的片内控制,
(5)
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