基于单片机的轮式机器人视觉系统设计.docx

1、基于单片机的轮式机器人视觉系统设计第卷第期年”月军事交通学院学报基础理论与应用基于单片机的轮式机器人视觉系统设计朱云江，徐友春，刘亚豪，彭永胜，赵玉皤（军事交通学院汽车工程系，天津）摘要：提出一种应用于轮式机器入的视觉系统方案。该方案设计了基于位单片机和数字图像芯片的硬件系统和相应的底层软件，给出了硬件系统和软件系统的设计原理，对系统各个组成模块间的接口进行了详细的分析，并给出了系统的应用实例。关键字：摄像头；图像采集；轮式机器人中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；轮式机器人，特别是微型轮式机器人，在消防、军事等领域具有广泛的用途。轮式机器人由机械、视觉、通信、控制、电源等系

2、统组成。视觉系统是轮式机器人最重要的系统之一。轮式机器人要求其视觉系统能够采集并传输图像，并且体积要尽可能小。视觉系统实现方法多种多样，有的基于机的总线采集卡或嵌入式工控机（如），有的基于，有的基于专用或通用数字信号处理器（如或￥），有的基于单片机（如）等。嵌入式工控机有商品化的操作系统及有关软件可以利用，开发容易，但成本较高，体积较大。方式用硬件实现图像采集和处理，并行处理程度高，可实现高速处理，但算法复杂时，开发难度大。采用通用实现方式，灵活性强，具有很好的可扩展性，但成本相对较高。单片机系统由于速度低，很难满足图像处理系统的速度要求，但其成本在各种方案中最低，对于速度要求低、分辨率低、算

3、法简单的系统仍有实用价值。收稿日期：；修回日期：基金项目：天津自然科学基金资助项目（）作者简介：朱云江（一），男（汉族），河北承德人，硕士研究生，一；赵玉瑶（一），男，教授，博士，硕士生导师万方数据年冀寒云江等：基于荤筹枧的轮式机器人视觉系统设计第卷第期摄像镜头把图像信息成像在图像传感器的面阵感应单元上，适用于轮式移动机器人的传感器主要有覆阵和蟊阵两静拉。图像传感器是近年发展超来的一种新型国体阕像传感器，由于采用了相同的工艺，冈此可以将像素阵列与驱动电路和信号处理电路集成在同一块芯片上。耐怠，瑗在越来越多的湖像传感器芯片将集成进去，医此还可直接输出数字视频信号和同步信号。本设计为寻线运行的轮式

4、机器人提供视觉，不需要很高的图像分辨率，算法也相对简单，同时考虑裁律成本，最终选用基于单片视的悉像采集系统。本文先介绍图像传感器和单片机，然后给出整个系统的硬件和软件实现方法。硬件设计本系统的硬件框图如图所示，图像传感器将道路信息转换为电信号，同时输出场同步信号、彳亏同步信号和像素时钟信号。单片机输入捕捉端鏊捕挺耪同步信号，并按照一定规则采集图像传感器数据输出端口的数字信号，即得到道路图像。！：懋苎竺！矍电源恕。嗣步信号燕点貔接口片模块寸机豳系统礤体框篷图像传感器本设计采用的是公司推出的彩色图像传感器。该芯片将传感器技术与数字接口组合，用于视频图像应用。芯片的基本参数为”）单片视频图像传感器，

5、逐行鼍撼也可隔行扫描，连置位。）图像尺寸。，像素尺寸，像素数。）内核供电，模块供电，接。供电。）信嗓毙，灵敏度。）输出图像格式可为、等，输出数据格式可为：、：、原始等。在一引脚输出数字图像视频流。在输出数字褫菝滚的同曝，还提供像素时锋，水平参考信号，垂直同步信号，便于外部电路同步读取图像。具有丰富的编程控制功能，其图像帧频、曝光时间、增益控制、校正以及图像开窗等均可邋过对芯片内部寄存器的渎写送行设置。单片机本设计选用的单片机既要采集图像信息又要控制整个轮式机器人，这样可使整个机器人系统设计篱纯，避免了大量酶垂豫数挺的传输，同时也增强了系统的可靠性。（以下简称）是公司推出的系列单片机中的一款增强

6、型位单片机，其谯汽车电子应用领域具有广泛的用途。单抟巍采用增强型位，总线时钟最高可这；片内资源包括、个端口、个端口、路位或者路位、个路位精度转换器、个控制器局域网模块（），增强型攘键定时器（）并支持背景调试模式（）等】。本设计采用封装的单片机。系统接口电路及其实现系统接曩电路如图所示，英工终原理如下：电源模块输出、种电压，分别给的、和内核供电，同时，电源也给单片机供电。单片机模块的和脚分别与的秘楣连，通过总线实现对图像传感器的参数设定。的数据输出接口与单片机的并口相连，作数据输入，采集网像信息。单片机模块中的、胛、睨日设置戏输入捕捉，分别与垂壹露步信号、水平参考信号和像素时钟输出引脚相连，通过

7、捕捉相应的同步信号蜜现图像的同步读取。应注意的是，和线上一定要接上拉电阻；单片机和一定要簇弱一个晶振援供酣锌，缳证蕊者之间的时钟同步。软件设计本视觉系统没计墨标为麓以（）以上的速率采集（）格式的黑内图像。因此，将通过总线将设置万方数据第卷第期军事交通学院学报年月成输出格式的图像，输出帧频为，数据输出格式为：，只取量即得到黑白图像。可知，每个像素点占个字节，采集到的图像需占用字节的空间。有的，能够保存下完整的一幅图像后再进行相关处理。图系统搔电蹯摄像机参数的设定通过总线设置内部寄存器。单片机工作在主机模式，工作在从机模式，写内部寄存器的地址为，读内部寄存器的地址为。将单片机的波特率设置为，其写内

8、部寄存器的过程如下：将中地址为的寄存器设置为，应先向单片机模块的数据寄存器写寻址，待发送完后再写指明要修改的寄存器地址，然后再写要设置的值。按照以上方法，参考数据手册，将中寄存器设置为，使其输出图像；将寄存器设置为，使其隔行采集图像；将寄存器设置为，使其输出图像帧频为；将寄存器设置为，使其数据输出格式为：。当然，还可以根据需要设置图像曝光时间、增益控制、校正、边缘增强、亮度、对比度等。各个寄存器设置完毕后，在输出帧图像的时间之后，即会输出所需格式的图像。图像采集程序设计将设置成功后其输出的同步信号如图所示”。用示波器测量的频率为，的频率为，的频率为，证明设置成功。的口设置为下降！门。！厂厂。厂

9、：正丑：旺丑：旺：茧甄甄：图同步信号时序沿触发中断，检测信号；口设置为上升沿触发中断，检测信号；口判断的电平，当由低电平变高电平时读取的值，得到图像信息。可知当为高电平时单片机进人中断并采集图像，当为低电平时单片机可进行其他的计算，使得整个图像采集时间占用约的时间，其他时间单片机可处理数据并对移动机器人进行控制，满足设计要求。图像采集的具体过程如下：）允许输人捕捉中断，等待信号下降沿的到来。当捕捉到的下降沿时，将行数计数变量清零，并等待信号的到来。）当盯口捕捉到的上升沿时，将列数计数变量清零，并等待。的上升沿的到来。）当的信号到来时，读取的值，并将其存人数组中，同时加。）重复步骤，判断的值是否

10、等于。当时，值加，并判断值是否等于。当不等于时，跳至步骤。）当时，整幅图像采集完毕。禁止输入捕捉中断，程序跳至图像处理及相关控制程序。图像采集过程的流程如图所示。图像的存储与显示本系统采集的图像占用字节的，其能够完整地保存在的中后再进行处理。为了便于移动机器人的调试，采集的图像或经处理过的图像也可以通过的接口传输到机上显示并保存。机上的图像接收软件是用开发的，用机的串口接收数据，接收到的图像如图所示。图像处理与道路识别当一帧图像采集完成后，要对获得的道路图像进行预处理，主要包括滤波、边缘增强和二值化等。本文采用中值滤波器对图像进行滤波，对经万方数据年月朱云江等：基于单片机的轮式机器人视觉系统设

11、计第卷第期 图采集的道路图像过滤波的图像采用算子进行边缘增强。为了便于图像的处理和道路的识别还需对图像进行二值化。在二值化图像过程中，阈值的选取是关键，阈值选取的是否合适直接影响道路的识别。本文采用的方法是抽取图像一些行（，），求得这些行的象素点的灰度值（，歹）（，）的平均值，并对这些行象素点进行相邻象素点的灰度值的差分，求得差分后的绝对值的和进行平均后乘，最后求取二者之和，即为阈值。，一磊磊磊邑（，）磊靠毛，邑（，）一（，）（）式）可减少计算量，同时在实验中证明是有效的。图经预处理后如图所示。本文采用启发式搜索算法对道路进行识别。该算法的核心思想是通过上下文信息来搜索下一个最有可能的边界点，

12、其过程主要包括起始点的选择、边界点的搜索以及终止点的确定。通过确定引导黑线在图像中的位置，推算出移动机器人当前所处的位置，进而完成对其的控制。结论图经过预处理后的图像本系统体积小、成本低、工作可靠、图像采集速度快，使得整个移动机器人的电路设计大大简化。本设计尝试了用低端单片机采集图像的方案（该方案完全可以在位单片机上实现），在对分辨率要求不高，对成本较敏感的系统上具有实用价值。该系统还可以应用在智能玩具和远程监控等领域。参考文献：李绍民嵌入式图像采集及自主足球机器人视觉系统吉林大学学报：信息科学版，（）：孙挺，李众立，黄玉清，等基于图像传感器的计算机并口图像采集系统现代电子技术，：，（责任编校：闰晓枫）万方数据