伍 坪

(三明學(xué)院，福建 三明 365004)

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基于DSP圖像處理和HPI通信接口的采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

伍 坪

(三明學(xué)院，福建 三明 365004)

為了提高采摘機(jī)器人的智能化程度，降低設(shè)計(jì)和制造成本，提高機(jī)器人的通信能力，提出了一種基于HPI接口和DSP系統(tǒng)的新型采摘機(jī)器人。該機(jī)器人將嵌入式DSP系統(tǒng)和ARM控制器利用HPI接口有效地結(jié)合起來(lái)，利用圖像DSP系統(tǒng)對(duì)采集圖像進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位，從而提高了嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)算能力；利用ARM控制器對(duì)執(zhí)行末端進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的準(zhǔn)確定位和控制；使用濾波器對(duì)通信過(guò)程的干擾信號(hào)進(jìn)行降噪處理，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。最后，對(duì)采摘機(jī)器人的通信能力進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：IIR濾波器可以有效的濾除干擾信號(hào)，通信較為穩(wěn)定，從而驗(yàn)證了嵌入式DSP系統(tǒng)和HPI通信接口在采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)上使用的可行性。

采摘機(jī)器人；DSP圖像處理；HPI接口；ARM控制器；嵌入式系統(tǒng)

0 引言

近年來(lái)，隨著機(jī)器人在農(nóng)業(yè)作業(yè)過(guò)程中的普及，歐美和日本等國(guó)家一直致力于基于視覺(jué)通信系統(tǒng)的采摘機(jī)器人研究，我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域也展開(kāi)了研究。采用嵌入式系統(tǒng)代替PC控制系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展的方向，嵌入式系統(tǒng)功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性較好，是傳統(tǒng)PC系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人上所不能代替的，而借助圖像DSP系統(tǒng)可以有效地提高嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)算能力，從而提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。利用ARM控制器可以植入LINUX操作系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)機(jī)器人的執(zhí)行末端進(jìn)行操作，DSP和ARM之間的通信采用HPI通信接口，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算速度和通信能力，對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 DSP圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DSP圖像處理平臺(tái)主要是對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，需要將采摘機(jī)器人攝像機(jī)得到的模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)。該過(guò)程主要通過(guò)A/D信號(hào)變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而DSP處理系統(tǒng)則通過(guò)FFT變換和卷積等形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，典型DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要流程如圖1所示。為了使DSP和ARM之間進(jìn)行快速的通信和數(shù)據(jù)交換，采用了16bit的HPI接口，且在TMS320DM642芯片集成了該接口。該接口還可以用來(lái)進(jìn)行PCI通信，DSP圖像處理系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖1 機(jī)器人DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

具體步驟：首先是利用攝像頭采集當(dāng)前圖像幀，然后將圖像利用SCOM模塊傳遞給圖像處理模塊，如果識(shí)別算法檢測(cè)到目標(biāo)，則發(fā)送指令給移動(dòng)式采摘機(jī)器人；移動(dòng)機(jī)器人接受到指令后進(jìn)行相關(guān)的移動(dòng)，達(dá)到目標(biāo)物一定距離后，計(jì)算執(zhí)行末端和目標(biāo)物的距離，然后將得到的距離信號(hào)利用HPI接口傳遞給ARM控制系統(tǒng)。

圖2 DSP圖像處理系統(tǒng)流程

2 采摘機(jī)器人DSP圖像通信信號(hào)濾波算法

為了提高采摘機(jī)器人DSP圖像通信信號(hào)的質(zhì)量，降低信號(hào)噪聲的干擾，采用IIR數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。該濾波器是一種基于離散時(shí)間的系統(tǒng)，其系統(tǒng)函數(shù)為

(1)

其中，ak和bk表示濾波系數(shù)；z表示響應(yīng)函數(shù)。該函數(shù)看成是IIR濾波器的子系統(tǒng)和(M-N)個(gè)FIR濾波器系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)形式，對(duì)于濾波器的設(shè)計(jì)主要通過(guò)對(duì)濾波器系數(shù)的求解；在數(shù)值計(jì)算方面可以看成是函數(shù)逼近問(wèn)題，利用最小均方差方法對(duì)系統(tǒng)的特性逼近，根據(jù)逼近平面的不同可以將濾波器分為數(shù)字濾波器和模擬濾波器，這種平面分別為S平面和Z平面，得到的濾波器分別為模擬濾波器和數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)主要依據(jù)模擬濾波器的設(shè)計(jì)原理，應(yīng)用數(shù)字濾波器的特性模仿模擬濾波器。其中，脈沖響應(yīng)不變法是最常用的方法之一，利用單位脈沖序列h(n)來(lái)模擬濾波器的沖擊響應(yīng)ha(t)，利用模擬濾波器時(shí)間采樣，得到脈沖響應(yīng)序列h(n)，近似地滿足h(n)=ha(nT)。其中，T表示采樣的周期。假設(shè)ha(t)是ha(S)的拉普拉斯變換，h(n)是H(z)的Z變換，則根據(jù)模擬信號(hào)的拉普拉斯變換和采樣信號(hào)序列的Z變換可以得到關(guān)系式為

(2)

由式(2)可以看出：脈沖響應(yīng)不變法可以利用數(shù)字濾波器的Z平面來(lái)代替模擬濾波器的S平面，從S平面到Z平面的變換需要借助公式z=esT。該公式是標(biāo)準(zhǔn)變換公式，其映射關(guān)系如圖3所示。

圖3 脈沖響應(yīng)不變法的映射關(guān)系圖

根據(jù)拉普拉斯變換和采樣信號(hào)序列的變換關(guān)系，模擬濾波器和數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)關(guān)系為

(3)

由以上公式可以看出：數(shù)字濾波器和模擬濾波器的差別在于前者是后者在周期上的拓展。因此，根據(jù)采樣定理，模擬濾波器的頻率響應(yīng)需要為有限帶，即

(4)

只有這樣，才能保證在不產(chǎn)生混疊失真的情況下，利用數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)模擬濾波器的頻率響應(yīng)，其關(guān)系式為

(5)

一般模擬濾波器很難嚴(yán)格限帶，在折疊頻率以上模擬濾波器頻率響應(yīng)越大、越快，其變換后的失真越小，濾波器的效果才會(huì)越好。混疊的失真現(xiàn)象如圖4所示。

圖4 頻率響應(yīng)混疊現(xiàn)象示意圖

由圖4可以看出：將采樣的時(shí)間間隔降低，頻率響應(yīng)的周期延拓才能差距更大，從而降低混疊效應(yīng)。IIR數(shù)字濾波器采用兩種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)：一種方法是通過(guò)模擬濾波器的設(shè)計(jì)公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算；另一種是直接在頻率和時(shí)域內(nèi)聯(lián)立方程，但進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要借助計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算。

IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)一般有兩種方法：一是借助模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行。其設(shè)計(jì)步驟為：先設(shè)計(jì)模擬濾波器，再按照某種方法轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器。這種方法比較容易一些，因?yàn)槟M濾波器的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)非常成熟，不僅有完整的設(shè)計(jì)公式，還有完善的圖表供查閱。二是直接在頻率或者時(shí)域內(nèi)進(jìn)行，由于需要解聯(lián)立方程，設(shè)計(jì)時(shí)需要計(jì)算機(jī)做輔助設(shè)計(jì)。其過(guò)程是：首先通過(guò)計(jì)算得到模擬濾波器響應(yīng)函數(shù)Ha(s)，然后利用某種轉(zhuǎn)換方法將Ha(s)轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器的響應(yīng)H(z)，具體流程如圖5所示。

圖5 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)流程

數(shù)字濾波器當(dāng)前使用的最成熟的方法是兩種:一是脈沖響應(yīng)不變法；二是雙線性變換法。根據(jù)設(shè)計(jì)流程，其設(shè)計(jì)步驟如下：

1)首先確定需要設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)，包括帶通邊界ωp及最大允許的衰減αp、阻帶邊界ωs、阻帶允許的最小衰減αs；

2)通過(guò)數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)來(lái)核算模擬濾波器的技術(shù)指標(biāo)；

3)利用模擬濾波器的計(jì)算公式，按照指標(biāo)對(duì)模擬濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)；

4)根據(jù)轉(zhuǎn)換公式，把模擬濾波器Ha(s)變換成數(shù)字濾波器響應(yīng)函數(shù)H(z)。

根據(jù)濾波器的設(shè)計(jì)步驟，對(duì)DSP系統(tǒng)進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)后，便可以將其應(yīng)用在采摘移動(dòng)式機(jī)器人設(shè)備上，來(lái)對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，從而驗(yàn)證HPI通信的可行性。

3 采摘機(jī)器人通信性能試驗(yàn)

在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境下，采摘機(jī)器人的通信性能十分重要。本研究采用HPI通信接口對(duì)DSP處理圖像進(jìn)行傳輸，利用該原理設(shè)計(jì)了采摘移動(dòng)式機(jī)器人的模型，其實(shí)物如圖6所示。

圖6 采摘移動(dòng)式機(jī)器人實(shí)物和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖

為了對(duì)采摘機(jī)器人的通信能力進(jìn)行測(cè)試，以基于DSP圖像處理和目標(biāo)識(shí)別的自主導(dǎo)航為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，通過(guò)多個(gè)方向的移動(dòng)，來(lái)測(cè)試通信的準(zhǔn)確性，移動(dòng)過(guò)程如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖

圖7中，分為直行左轉(zhuǎn)和逆行、直行右轉(zhuǎn)和逆行。為了測(cè)試通信過(guò)程，將試驗(yàn)分為正常通信和加入噪聲干擾的通信，通信方式采用HPI通信接口，通過(guò)測(cè)試得到的原始信號(hào)波形如圖8所示。

圖8 原始信號(hào)波形

由測(cè)試結(jié)果可以看出：在0～18 000Hz的范圍內(nèi)，原始波形的最大頻率響應(yīng)幅值為0.18dB，對(duì)原始信號(hào)加入噪聲信號(hào)后進(jìn)行測(cè)試，得到了如圖9所示的信號(hào)波形。

圖9 含噪聲波形

由圖9可以看出：干擾信號(hào)的最大幅值為0.1dB。該信號(hào)會(huì)對(duì)DSP的通信傳輸造成干擾，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)如圖10所示。

圖10 DSP系統(tǒng)濾波后波形

由圖10可以看出：對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波后，可以有效地消除干擾信號(hào)，從而保證通信的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)也驗(yàn)證了DSP圖像處理系統(tǒng)和HPI通信接口的可行性。

4 結(jié)論

結(jié)合IIR濾波算法，設(shè)計(jì)了一種基于HPI接口和DSP系統(tǒng)的新型采摘機(jī)器人。該機(jī)器人綜合使用了ARM控制器和DSP嵌入式系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的快速、準(zhǔn)確定位，提高了機(jī)器人作業(yè)的精確性和穩(wěn)定性。對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了通信能力實(shí)驗(yàn)，測(cè)試項(xiàng)目包括直行左轉(zhuǎn)和逆行、直行右轉(zhuǎn)和逆行。為了測(cè)試通信過(guò)程，并在測(cè)試過(guò)程中加入了干擾信號(hào)。測(cè)試結(jié)果表明：DSP系統(tǒng)可以有效地對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行濾除，得到穩(wěn)定的通信信號(hào)，從而驗(yàn)證了HPI通信接口的高效性和穩(wěn)定性，為現(xiàn)代化采摘機(jī)器人通信設(shè)備設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

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Design of Picking Robot Based on DSP Image Processing and HPI Communication Interface

Wu Ping

(Sanming University, Sanming 365004, China)

In order to improve the level of intelligent robot, reduce design and manufacturing costs, improve the communication ability of the robot, it proposes a new harvesting robot system based on HPI interface and DSP. The robot will be embedded DSP system and arm controller by using HPI interface effectively combined and image processing system based on DSP for image acquisition and processing. It achieves the goal orientation, so as to improve the operational capability of the embedded system. As to the end effect or control, to achieve accurate positioning and control of manipulator based on ARM controller, it uses the filter to the communication process interference signal de noise processing, so as to improve the stability and reliability of the whole system. Finally, the picking robot communication ability was tested. According to the test result, IIR filter can effectively filter out the interference signal to be a more stable communication, thus validating the embedded system and DSP HPI in picking robot design was used on the feasibility.

picking robot; DSP image processing; HPI interface; ARM controller; embedded system

2016-07-06

福建省高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目(JAS14763)

伍 坪(1983-),女，福建三明人，講師，碩士，(E-mail)wuping2016@126.com。

TP242;S126

A

1003-188X(2017)10-0228-05