水下机器人视觉控制系统的设计与实现_刘卓夫

图像;识别;视觉

第29卷第12期　　　　　　　　应　　　用　　　科　　　技　　　　　　　　　Vol.29,№.122002年12月　　　　　　　　Applied　Science　and　Technology　　　　　　　　　　Dec.,2002文章编号:1009-671X(2002)12-0035-02

水下机器人视觉控制系统的设计与实现

刘卓夫,桑恩方

(哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江哈尔滨　150001)

摘　　　要:主要介绍了如何利用目前较先进的水下摄像机实现水下机器人视觉系统的设计,并通过计算机串口对集成微处理的控制实现了摄像机的缩放、变焦功能以及水下灯光的开、关等控制任务,从而使水下机器人

①具有了较完善的视觉系统。

关　键　词:水下机器人;视觉系统;串行通信;计算机控制中图分类号:TP13　文献标识码:A

DesignandRealizationofUnderwaterAutomaton's

VisionSystem

LIUZhuo-fu,SANGEn-fang

(CollegeofUnderwaterAcousticEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Abstract:Thispapermainlyintroducedhowtocompletethedesignoftheunderwaterautomaton'svisionsystembyusingthenow-advancedunderwatercamera.WiththecomputercontrollingtheintegratedMCU,functionsofzoom

andfocusoftheunderwatercameraandon offoftheunderwaterlightinghavebeenfinished.Thustheunderwaterautomatonhasanexcellentvisionsystem.

Keywords:underwaterautomaton;visionsystem;serialcommunication;computercontrol

0　引　言

我国的河流众多,星罗棋布的大小溪流更是数不胜数。为了有效的治理水患,充分有效地利用水资源,党和政府自建国以来就大力兴建各种水利设施(水库、堤坝、灌渠),但由于各种各样的人为或自然因素,许多水利设施存在着这样或那样的隐患(例如管涌、空洞、裂缝)。为了防患于未然,就有必要对水利设施进行定期检修,但如果采用人工探测的方法不仅费时费力,还存在很大的危险性,基于以上的诸多因素的考虑,设计一种能够自行探测的水下机器人装置则是大势所趋。

2)水平分辨率:≥470线3)信噪比:≥50dB4)工作温度:0～60℃5)功耗:9W(11～30V)

由以上性能指标可以看出,该水下摄像机非常适合于水下压力≤6000psi,照度≥0.1Lux条件下使用,而我国的大部分江河都能满足这一要求,所以采用该型水下摄像机作为水下机器人的视觉系统是非常合适的。如何通过岸上的主控制计算机实现对水下机器人视觉系统的控制,从而完成缩放、变焦以及灯光照明设备的开启和关断成为主要控制任务。

1　问题的提出

在实际工作中使用的是TriTech公司生产的Typhoon水下专用摄像机以及相应的水下灯照明设备。该水下摄像机的主要特性如下。

1)视角范围:47°(水平);2.2°(垂直)

2　问题的解决

2.1　硬件电路的设计

由于整个机器人要在水下长时间工作,并考虑到其运输和使用的方便性,整个机器人的体积尽量要小、功耗尽量要低。所以在设计机器人视

①收稿日期:2002-04-08

),,,计算机视觉。

图像;识别;视觉

·36·应　　　用　　　科　　　技　　　　　　　　　　　　第29卷

由于ADuC812的内核为51系列单片机,所以

在软件程序的编制过程中,既可以采用传统的汇编语言,也可以选用C语言进行编写。笔者采用的是汇编语言,整个下位机控制程序可分为两部分,一是水下摄像机缩放(zoom),变焦(focus)控制;二是水下灯光的开关(on off)控制。

由于水下摄像机的缩放(zoom),变焦(focus)控制要求以脉冲方式进行控制,然而在TriTech公司所提供的数据资料中并没有明确提出该脉冲所需要的确切持续时间,在实际设计中,通过反复试验确定最佳脉冲持续时间是0.1ms.为此,在水下摄像机的控制程序中就要加入延时子程序供主程序调用。

对于水下灯光的开关(on off)控制程序设计就相对简单,当接到串口传来的中断控制时,对其进行判断,如果是对灯光进行控制的指令则执行,否则不执行。2.2.2　上位机控制程序设计

上位机控制程序设计是利用Microsoft公司的VisualC++在Windows98操作系统下编译完成的。所谓上位机控制程序设计实际上就是如何利用计算机的串口与ADuC812进行半双工的串行通信。整个设计的关键所在就是,如何保证远距离(水上、水下可达百米,中继由光纤和相应的转换模块完成)串行通信的误码率最小。通过查阅相关文献,并进行实际测试后,发现采用控制字加命令字的方式能很好的保障串行通信的可靠性。所谓控制字就是在每次发送的指令之前加上一串特殊的字符(该字符应保证从概率的角度同时出现的可能性为零,本次设计使用的是55AA);而命令字则是通知ADuC812要完成何种控制任务。由于ADuC812所要完成的控制任务有6种,所以命令字由三位二进制字组成,具体功能见表1.

表1命令字对应控制任务功能表命令字000001010011100101110

图1　电路原理示意框图

控制任务放大缩小焦距变大焦距变小开启灯光关闭灯光保留保留

(下转第34页)

觉控制系统的时候,尽量采用低功耗、小体积的元

器件,并最终将其与水下摄像机及水下灯光照明系统做成一个整体,这样不仅可以达到缩小体积、降低功耗的要求,还可以提高系统的抗干扰能力。

出于以上的考虑,水下机器人视觉控制系统的核心控制器采用的是Analog公司生产的集成度很高的ADuC812处理器。该芯片的特点是,1)两路12bits电压输出DACs;8通道12bitsADCs;2)8k片内程序存储器;3)640bytes片内数据存储器;4)3个16bits定时器;5)32根I O口线;6)丰

2

富的片内外设(UART、IC、SPI、Watchdog、电源监测)。

由以上所列出的ADuC812的主要特点可知,该芯片的两路内置12bits的DAC接口经放大后,可用来实现对水下摄像机的缩放(zoom),变焦(fo-cus)的控制,P1口的任意一个I O引脚可用来控制晶闸管,从而实现对水下灯光的开关(on off)控制。ADuC812的SCI接口再通过水上、水下的光纤转换模块正好可实现与PC机的串行通信,接收相应的控制指令。

该控制电路另一个要解决的问题是,如何将+5V的直流电压变换成±10V直流电压。这样转换的原因是水下摄像机的缩放(zoom),变焦(fo-cus)控制的阀值是≥+10V(放大、焦距变长)和≤-10V(缩小、焦距变小),而整个控制系统的供电部分只有一个直流+5V.为了满足不扩大体积又保证所需功率的要求,通过查阅大量资料,最后选用了MAXIM公司生产的MAX865.该芯片uMAX封装,所以体积极小而输出电流可达20mA.

这样,水下机器人视觉控制系统和水下灯光的开关(on off)控制的硬件电路设计就基本完成了。其电路原理示意图如图1

.

2.2　软件程序的编制2111

图像;识别;视觉

·34·应　　　用　　　科　　　技　　　　　　　　　　　　第29卷

2　模糊控制器的微机实现

采用台湾凌阳SPCE061可在线编程的单片式微处理器来实现,温度控制系统的结构框图如图

2所示。计算机及相应的接口电路主要完成系统的数据通讯及SPCE061的在线编程工作。用C语言在上位计算机中编写模糊控制器的程序,求出最终模糊控制表后,将此表存入SPCE061的存储器中。控制程序采用SPCE061的汇编语言编写,然后下载到SPCE061构成的模糊控制器中,之后控制系统就可以脱离计算机而独立运行,实现对制革生产线上的辊筒温度的模糊控制

。

3　实验研究

以电阻炉加热水温作为实验对象,实验系统中的控制器采用上述设计的模糊控制器。控制器中的量化因子K1的大小对控制系统的动态性能影响很大,增大K1可以提高系统对误差的分辨率,使控制精度提高,但K1太大不利于系统的稳定性。实验过程中取K1=15,实验输出响应曲线如图3所示

。

图3　实验阶跃响应曲线

参考文献

[1]　于微波,刘俊萍,何伟明.烟叶发酵温度的模糊控制

[J].吉林工学院学报,1998,19(1):34-38.

图2　温度控制系统的结构框图

[2]　李士勇.模糊控制、神经控制和智能控制理论[M].

哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1996.

(上接第36页)

通过以上论述,并结合一定的编程技巧,一个可靠性很强的串行通信控制程序就编制完成了。

较强的通用性。另外,在上位机控制程序设计过程中提出了采用控制字加命令的传输方式,从而大大提高了远距离数据串行传输的可靠性。

3　结束语

介绍了如何利用ADuC812这款较流行的集成芯片实现了对水下机器人视觉系统(摄像机的

缩放、变焦功能以及水下灯光的开、关)的控制。由于被控信号既有模拟量(摄像机的缩放,变焦),又有数字量(水下灯光的开、关),所以该设计具有

参考文献

[1]　余人杰,高祖纲.计算机控制技术[M].西安:西安交

通大学出版社,1994.

[2]　陈　坚.实用VisualC++编程大全[M].西安:西安

电子科技大学出版社,2000.