机器人视觉识别系统研究.docx

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机器人视觉识别系统研究

　西南科技大学城市学院

毕业论文（设计）

论文题目：

机器人视觉识别系统研究

系别：

　机电工程系　

专业：

　自动化　　　

班级：

　　0701　　　　

学号：

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机器人视觉识别系统研究

摘要

现实生活和工业生产中，具有视觉识别系统的机器人的应用越来越多，本文目标是设计出一个基于嵌入式微处理器ARM（S3C2440）与CMOS构建的图像数据采集系统，完成高质量的图像数据采集功能及星形图形的识别。

论文重点对图像数据采集系统总体方案进行了探索和设计，构造了一种基于ARM＋OV7725的图像采集系统方案，通过ARM处理器、OV7725图像传感器、及LCD显示器构成整个图像采集系统的硬件部分，并通过相应的软件设计完成对整个系统的控制，最终实现图像数据采集和识别功能。

关键词:

图像采集识别ARM处理器OV7725

RobotVisionRecognitionSystem

Abstract

Inreallife,andindustrialproduction,arobotwithavisualidentificationsystemusedmoreandmoreandmore,thisgoalistodesignamicroprocessor-basedembeddedARM（S3C2440）andCMOSimagedataacquisitionsystembuilttocompletethehigh-qualityTheimagedataacquisitionandstaridentificationgraphics.

Paperfocusesonthegeneralschemeofimagedataacquisitionsystemareexploredandthedesign,constructionwhichisbasedonARM+OV7725imageacquisitionsystem,throughtheARMprocessor,OV7725imagesensor,andLCDmonitorsystemconstitutestheentireimageacquisitionhardware,andthroughCompletionoftheappropriatesoftwaretocontrolthewholesystem,andultimatelytheimagedataacquisitionandrecognition.

Keywords:

ARMprocessorOV7725imageacquisitionRecognition

第一章绪论

1.1背景

进入21世纪以来，机器人的研究取得了长足的发展，从论文发表和成果报道来看，视觉识别机器人已成为机器人领域目前最引人注目的拘束热点。

从2000年起，IEEE每年召开视觉识别机器人专题的学术会议（Int.conf.onHumanoidRobots），学术期刊Int.J.ofhumanoidRobotics也于2004年创刊。

视觉识别机器人的研究论文也频见于机器人相关领域其它学术刊物，这些都表明视觉识别机器人座位机器人学的一个重要分支，已经受到学界的充分重视

目前世界各国都在发展，日本的视觉识别机器人研究在企业界的大力支持下发展较快，无论从羡慕数量或是研究成果看，都占据着明显的领先地位，此外，美英德韩也都在开展相关研究。

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机器人视觉对于智能机器人就相当于眼睛和人的关系一样，为了使机器人实现智能化，则必须让机器人具有感知功能，是机器人能够“看到”周围世界，第一代工业机器人由于没有视觉系统，只能按照预先规定的动作往返操作，一旦工作环境变化，机器就不能胜任工作，因为无法感知周围环境和工作对象的情况，因此对于机器人来说，视觉系统是必不可少的，所以对于图像采集的研究和探索那是绝对不可少的。

且随着科学技术的发展，更高速，更可靠，更低成本成为各种技术开发的要求。

图像采集与处理技术的应用越来越广泛，技术要求也越来越高，设计能实现图像采集与图像处理一体化，结构紧凑，并能有效降低成本的专用图像处理系统，将具有很大的市场应用前景，这种系统具有安装方便、配置灵活，便于携带等突出优点。

计算机技术已经进入嵌入式产品时代，嵌入式产品将逐渐成为行业发展的主流，而作为这个时代的代表行产物——ARM嵌入式微处理器的应用将更加广泛，ARM实业界领先的16/32位嵌入式RISC处理器技术供应商，占领了大约75%的市场。

它可为一个完整系统的开发提供全面的技术支持，具有性能高，低成本和能耗省等特点，ARM嵌入式处理器采用PCA架构，支持大容量Fllash和ARM存储器，支持实时操作系统，ARM的微处理器核心正迅速地在便携通信设备、手持设备、工业控制仪器仪表，信息家电及消费类电子等各个领域得到广泛的应用。

1.2意义

近年来，随着电子技术、计算机技术、自动控制技术、多媒体技术的迅速发展，图像数据采集系统技术也取得了长足的发展。

在智能仪器仪表和工业测控系统中图像采集占据着重要地位。

传统的图像采集系统大多采用PCI图像采集卡进行图像采集和微型计算机软件进行图像处理或采用单片机作为控制核心的设计方案。

采用PCI图像采集卡的设计方案致使系统体积庞大、成本高、携带不便，且因微型计算机总线插槽数目和采集卡通道数目有限，实现多点采集困难。

而以单片机作为控制核心的设计方案由于单片机资源有限，实现图像采集需要大量的系统资源和强大的运算处理能力，因此难以实现。

从而提出了一种基于ARM处理器的实现图像数据采集的方案，此方案提高了系统图像数据的采集与处理能力，整个系统速度快、功耗低、体积小、易于升级维护

近20年来由于微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛，我国图像据采集系统技术也取得了巨大的进展，从技术背景上说，硬件集成电路的不断发展和创新是一个重要因素。

各种集成电路芯片都在朝超大规模、全CMOS化的方向发展。

微电子技术的不断发展尤其是微处理器的出现．引发了图像采集结构的根本变革，出现了各种采用微处理器的图像采集系统．新的设计思想和新的集成电路不断涌现，图像数据采集系统已进入了崭新的发展阶段，图像数据采集系统广泛应用于我们的日常生活中，如我们用的摄像机、DV等。

在工业控制方面，图像采集系统也起着重要的作用。

我国图像数据采集系统研究成果很丰富，如基于FPGA的图像采集系统、基于USB总线的图像采集系统、基于ARM的图像采集系统等。

并且这些图像采集系统大量应用于机械、电子、安防、化工、探测、侦查等领域。

而基于ARM的图像采集系统在工业生产中的应用还不是很多。

为此，本文特别采用基于ARM微处理器的图像采集和处理系统的解决方案，

并对其可行性，实现方法以及相应的理论进行了深入的探讨，基于ARM嵌入式平台图像采集与处理系统具有体积小，成本低，稳定性高等优点，未来会在诸如只能交通移动机器人，只能产品检测，医学仪器，视频监控系统，便携式多媒体设备等各种应用领域得到越来越广泛的应用。

1.3总结

所以，综合各方面的因素，本文提出了基于嵌入式微处理器ARM（S3C2440）与OV7725（CMOS）构建的图像数据采集识别系统，完成高质量的图像数据采集功能及星形图形的识别。

以下具体介绍该系统的软件硬件设计。

第二章系统方案设计

2.1系统处理器选择

目前，市面上常用的芯片有单片机、FPGA、DSP、ASIC、ARM9，以下分别介绍这几类芯片的优缺点：

单片机：

采用Atmel公司的AT89S52单片机作为主控制器。

AT89S52是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS8位单片机，片内含8k空间的可反复擦些1000次的Flash只读存储器，具有256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，3个16位可编程定时计数器。

且该系列的51单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。

但是考虑到本系统要进行图像采集和OV7725传感器的检测以及LCD显示，若使用AT89S52可能在数据处理方面有一些不足，且占用CPU资源较多而使得单片机同时处理其他任务的速度和能力降低，这样图像采集起来速度太慢。

FPGA：

采用FPGA（可编程逻辑门阵列）作为主控制器，它可实现系统集成，基于实现宏函数的嵌入式阵列及实现普通功能的逻辑阵列，提供异步的“乘积项”或者“和项”构成的寄存器的置位/复位信号，且还可以单独的可编程的输出电压摆率控制位。

虽然他还具有高速，高可靠性，开发周期短，质量稳定。

开发软件投入小、开发工具先进，可多次擦写等优点。

但是本系统主要是对图像进行采集，不需要逻辑性很强的控制器，基于这一点也不选择此方案。

DSP：

采用DSP（数字图像处理）作为图像采集控制器，它是在原有通用CPU的基础上，发展改进硬件结构和指令集结构而来的。

DSP能够更好的完成在数字信号处理的滤波、卷积和FFT中最重复出现的乘法器，地址产生器，使得DSP在相同时间内能够完成更过的操作，提高程序执行速度，精简指令，有利于DSP结构上的简化和成本的降低，总线结构，专用寻址单元，DSP中采用独立程序总线和数据总线，能够同时取指令和取操作数，区别于传统CPU采用统一城乡和地址空间的冯.诺曼结构，共享程序和数据总线，专用寻址单元。

DSP有地址产生器，与ALU并行操作，地址运算不额外占用CPU时间，片内存储器，存放参数和数据，解决了外部存储器的总线竞争和访问速度不匹配问题，访问速度快，缓解DSP数据瓶颈，流水处理，使得两个或更多不同的操作可以重叠执行，提高DSP程序执行效率。

但是它控制系统比较复杂，实时图像处理比较复杂，基于本系统立志于简单高速考虑也放弃此种方案。

ASIC：

采用ASIC芯片，与通用集成电路相比，ASIC芯片具有体积小，重量轻、功耗低、可靠性高等几个方面的优势，而且在大批量应用时，可降低成本，但ASIC得缺点在于设计周期长，非大批量应用场合，造价昂贵且功能单一，而且ASIC一旦投入应用，构建的系统灵活性差，新的技术和算法只能重新设计芯片来实现，这样导致ASIC芯片通用性较差。

ARM9：

ARM微处理器是一种高性能、低功耗的32位微处器，它被广泛应用于嵌入式系统中。

ARM9代表了ARM公司主流的处理器，已经在手持电话、机顶盒、数码像机、GPS、个人数字助理以及因特网设备等方面有了广泛的应用。

由于ARM处理器体积小、低功耗、使用0.13um的CMOS制造技术和记忆体编程器制造、有16K的指令快取、MU快取、强大的索引地址模式、且支持ARM处理器16-bit指令模式主频可以达到499MHZ，提高了系统图像数据的采集与实时处理能力。

综合上述几种芯片，我们从硬件、完成高质量的图像采集和实时处理能力、简单处理速度快速等几个方面考虑，选择ARM9作为本设计的系统处理器。

2.2图像传感器的选择

目前图像传感器类型有两种：

一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）图像传感器；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）图像传感器。

这两种都是基于核心成像部件CCD和CMOS而区分的

CCD中文译为"电子耦合组件"（chargedcoupleddevice），它就像传统相机的底片一样，是感应光线的电路装置，可以将它想象成一颗颗微小的感应粒子，铺满在光学镜头后方，当光线与图像从镜头透过、投射到CCD表面时，CCD就会产生电流，将感应到的内容转换成数码资料储存起来。

CCD的尺寸其实是说感光器件的面积大小，CCD像素数目越多、单一像素尺寸越大，捕获的光子越多，感光性能