服务机器人视觉系统模块化研究综述

径， 而且其获取环境信息量丰富， 研究出能够软硬件一体的视觉 模块， 不仅可以减轻服务机器人上位机的工作， 提高机器人实时 性指标， 而且为将来服务机器人再开发、 批量生产奠定基础[5]。 随着服务机器人应用领域的日益普及，功能的不断完善， 机 器人自身结构和控制也变得越来越复杂。 服务机器人已经在生活 中起到了越来越重要的作用， 为了使服务机器人的设计及应用更 加快速有效， 能够胜任更复杂的工作， 以应对不断变化的市场需 求， 传统的设计和开发方法已经逐渐显示出了制约机器人的应用 和发展， 为此， 研究者们寻求机器人模块化和组件化设计新方法[6]。 提出服务机器人模块化视觉系统由视觉传感器、 图像采集处 输入输出接口、 面向特定应用的算法以及运动控制单元 理单元、 几部分组成， 其结构框图， 如图 1 所示。
3.2 基于嵌入式设计的图像采集处理模块
嵌入式视频采集处理系统具有可靠性高、 速度快、 成本低、 体 积小、 功耗低、 环境适应性强等优点。 机器人技术是与嵌入式系统 的发展紧密联系在一起的。由于嵌入式系统的高速发展， 机器人 基于嵌入式设计的图像采集模 视觉技术获得了更大的发展机遇。 块由： 电源模块、 图像采集模块、 高速缓存单元、 配置/下载模块、 输入输出接口模块和 MPU 处理单元组成。电源模块为整个系统 提供工作所需的电压， 其组成框图， 如图 2 所示。
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高云峰等： 服务机器人视觉系统模块化研究综述 3.2.1 基于 ASIC 的图像采集处理模块
第2期
传输过程忠稳定性和实时性的基础， 目前在视觉系统模块化设计 S 端子、 VGA、 USB、 1394 等接口 中常用的视频信号的输入端有： 形式， 输出端主要有： PCI 总线、 USB、 CAN 总线、 RS232 等。视觉 算法的主要作用是根据机器人需要完成的任务， 对获取的图像信 息进行相应的处理， 提取相应特征， 完成目标识别以及环境理解 等， 将处理结果输出给服务机器人的控制系统/执行单元。运动控 制单元是控制服务机器人视觉平台的运动， 控制视觉平台的俯仰 和旋转两个自由度的运动， 从而实现视觉系统动态的感知环境信 息， 满足服务机器人实时跟踪目标等要求。 就模块化视觉系统核心部分： 图像采集处理单元作如下论述。
3.2.2 基于 DSP 的图像采集处理模块
数字信号处理器 （DSP ） 是一类具有专门为数字信号处理任 务而优化设计的体系结构和指令系统的通用处理器件。 具有处理 速度快和有复合功能的单周期指令等特点， 在高速图像处理中得 到了越来越多的应用。通常情况下基于 DSP 的智能图像处理单 元面向某种特定应用，如文献中的立体视觉模块利用 DSP 实现 基于区域相关的立体算法，可以从大小为 320 x240 的图像实时 计算深度图， 并通过并口和上位机进行通讯。文献用 CMOS 图像 板和 TI 公司的 DSP-DSK 板构建的视觉系统采用 C6416 定点数 4800MIPS ） ， 该系统能够以较高的实时性 字信号处理器 （600MHz， 完成目标搜索和避障信息计算等任务。文献采用 DSP 图像处理 目标搜索 系统作为足球机器人的底层视觉系统， 用于图像分割、 和定位以及机器人的自定位任务， 实现了较高的实时性。 根据参阅的文献发现，一个完整的视觉系统采用 DSP 还不 够， 还要有 FPGA 或 CPLD 来完成系统中所有芯片的接口和各种 控制逻辑，这样无疑提高了系统的成本和开发难度， FPGA 的内 部资源未得到充分的利用， 而且目前的 FPGA 芯片其逻辑门达到 了 500 万， 内部可配置丰富的 IP 核资源、 乘法器和 DSP 块， 为嵌 入式系统的搭建， 提供很多方便。
都有很强大的功能， 其应用做视觉处理系统都有各自的优缺点。 ASIC 芯片具有高性能、 低功耗、 可以提供大的数据吞吐量等 特点， 因此， 可以用于嵌入式机器人视觉系统的研制开发。文献[7] 设计了一种快速边缘检测的芯片， 可以跟踪图像的边缘， 实时提供 边缘的位置和方位信息， 用于机器人视觉系统的特征提取和模式识 别。 文献[8]中的移动机器人视觉系统采用运动图像编解码 （MPEG ） 芯 片和运动估计协处理器对图像处理进行加速， 通过计算光流场检测 运动物体， 用于机器人的导航和避障。采用 ASIC设计开发视觉系 统的主要缺点是灵活性较差， 研制开发周期较长。 ASIC 设计一般 为了克服这 都针对一个特定应用， 增减功能和升级都很不方便[9]。 这种 种缺点， 文献[10]中提出了可重新配置的多处理器网络结构， 结构在网络直径和处理器之间连接数限制之间进行折中， 它可以 执行快速傅立叶变换 （FIT ） 、 边缘提取、 模版匹配、 Hough 变换等 多种图像处理算法， 方便了嵌入式视觉系统的研制开发。
1 引言
模块化是一种思想方法， 它广泛地应用于机械、 电子和计算 机等行业的产品设计[1]。把产品系统中含有相同或相似的功能单 归并、 简化， 以通用单元的 元分离出来， 用标准化原理进行统一、 形式独立存在， 这就是模块。 然后用不同的模块组合成新产品， 这 就是模块化。 因此， 模块化技术主要包含 2 个方面的内容： 一是模 块的合理分解； 二是模块的有效组合[2]。上个世纪 90 年代日本就 开始了可重构模块化机器人的研究。 这里模块化的概念是多个具 有相同结构、 组成及功能的单元通过组成不同的机械形式、 不同 的空间结构， 来实现不同的运动、 功能等[3][4]。 典型的服务机器人视觉系统应用包括室内机器人自主定位 基于视觉信息的目标物体的抓取、 基于视觉信息的人脸识 导航、 别、 基于视觉信息的障碍物检测与运动估计、 服务机器人视觉伺 服等。 涉及了图像采集、 图像处理、 模式识别、 特征匹配、 三维重建 和视觉跟踪等领域。 既要做到图像的准确采集还要做到对外界变 化反应的实时性， 同时还需要对外界运动的目标实时跟踪。根据 视觉模块的性能出发， 查阅相关文献对服务机器人视觉系统的关 键技术： 系统组成和图像采集处理模块作论述。
CCD 输入 输出 接口 图像采集 处理单元 运动控制 单元 CCD 面向特 定应用 的算法
2 服务机研究处于快速发展的阶段， 其发展前景和 市场非常广阔， 如何占领这广阔的市场， 国家 863 组提出机器人 模块化体系结构设计， 按组成机器人的功能构件分为： 机械标准 件、 智能控制模块、 驱动模块、 感知模块、 通讯模块、 人机交互模块 等。 机器人感知功能构件中视觉是机器人获取环境信息的主要途
3 服务机器人图像采集处理模块
3.1 传统的图像采集处理系统
传统的视觉系统由摄像头+图像采集卡+计算机组成，采集卡 的作用是对摄像头采集到的模拟视频信号进行 A/D 转换，并且通 过计算机总线接口传入计算机内存， 用软件实现对数字化图像的处 理分析， 再把计算机对图像信息的处理结果， 如提取的目标物体的 特征参量等信息通过串行/并行总线传给机器人的驱动/控制单元。 这种视觉系统结构简单， 图像的处理工作完全由计算机完成， 上位机在完成图像处理的同时， 对于服务机器人来说， 还需要完成 整个机器人系统的任务规划、 各子系统的协调控制、 其它感知功能 为了 构件的信息处理等任务。上位机需要处理完成的任务比较多， 满足系统功能和实时性的要求， 多数服务机器人不得不采用高性能 通用计算机作为机器人的上位机，从而造成机器人整体功耗过 大， 持续工作时间缩短。因此研发具有高性能低功耗特点的嵌入 式图像采集处理模块成为服务机器人研究的重要研究方向之一。
电 源 模 块 输 入 接 口 图 像 采 集 配置模块
3.2.3 基于 FPGA 的图像采集处理模块
输 出 接 口
FPGA 的在线可编程性可以实现处理算法的柔性选择， 是大数 据量、 实时信号处理系统的理想选择。FPGA 具有静态可重复编程 和动态在系统重构的特性， 使得硬件的功能可以像软件一样通过编 程来修改。 FPGA 内置的丰富的 IP 核资源、 乘法器和 DSP 块以及丰 富的可编程逻辑资源， 可以实现将图像处理算法 “软件硬件化” ， 两 大 FPGA 芯片生产商 Altera 和 Xilix 开发的软件平台功能强大， DSP Builder、 SOPC、 Nios 开发工具为搭建嵌入式图像处理系统提供 条件， 同时 QuartusⅡ软件支持 C 语言， 只要在相应的函数上右击， 点击 “C2H” 就可以将 C 语言转换成硬件语言， 以前视觉算法大都是 用 VC 开发环境， 大都是 C 语言， 有了这样的转换功能， 为我们设计 开发基于 FPGA 的模块化的视觉平台提供了极大的方便。 文献通过设计不同的模板对图像进行处理和匹配， 用 FPGA
第2期 2010 年 2 月
文章编号： 1001-3997 （2010 ） 02-0165-03
机械设计与制造 Machinery Design ＆ Manufacture
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服务机器人视觉系统模块化研究综述 *
高云峰 吴秀芬 ） （哈尔滨工业大学 机器人研究所， 哈尔滨 150001
An overview of wision system modularization of service robot
＊来稿日期： 2009-04-15 ＊基金项目： 国家 863 项目 （2007AA041702 ）
图 1 模块化形式的视觉系统
服务机器人常用的视觉传感器是 CCD 和 CMOS 类型的摄像 机。图像采集处理单元是服务机器人视觉系统的核心， 其主要任 务是将摄像头输出的视频信号转换成适合处理单元处理的格式， 输入输出接口也是模块化设计中重要的环 执行设定的视觉算法。 节， 一个通用简便且能满足传输速度的输入输出接口是视觉信息
GAO Yun-feng， WU Xiu-fen （Robot Research Institute Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China ） 【摘 要】对于服务机器人， 其所处的环境通常都是未知的、 非结构化的， 视觉以其信息量大成为最 重要的机器人感知方式。图像采集、 处理系统各式各样， 研发存在大量低水平的简单重复工作。将从机器 人的模块化为切入点， 综述了视觉系统作为机器人的强大的功能构件， 其发展过程中的常用系统形式和 相应的特点。最后展望和分析了服务机器人视觉模块化的发展趋势。 关键词： 服务机器人； 视觉； 模块化； 图像采集处理单元 【Abstract】 For service robot， its environment is usually unknown， unstructured， visual is the most important way of robot perception. Image acquisition， processing systems with different hardware and soft － ware， there is too much low-lever and simple duplicate work. It introduces the present situation of research overview the development of structural form of vision system. Finally， discuss the on modular robot domain， future work and analysis the trends of visual modular of Services robot. Key words： Service robot； Vision； modularization； Image acquisition and processing module 中图分类号： TH122 文献标识码： A