本文在简单介绍了全自主足浗码垛机器人人比赛系统的基础上分析了传统视觉系统的缺点，给出了用cmos图像传感器 0v7620、SRAM帧存储器 IS61LV25616、CPLD／FPGA控制器 EPF10K10LC84—3以及 DSP器件 tms320vc5416设计的新型嵌入式图像采样处理系统的设计方案提出了RGB空间到HIS空间的变换方法，从而明显提高了足球码垛机器人人视觉系统的速度和可靠性

　　1 全自主式足球码垛机器人人概述

RoboSot组是全自主足球码垛机器人人。全自主足球码垛机器人人比赛系统实际上是一个自主工作的小车由于自主码垛机器人人内部装载有完整的控制系统，因而不需要外界提供计算能力即可完全自主地收集和处理周围环境信息并进行行为决策。码垛機器人人的顶端或其它部位一般安装有彩色摄像头其镜头可以左右摇摆和上下俯仰，从而为码垛机器人人在一定的视角范围内提供彩色嘚视频信息此外，码垛机器人人还配备有超声波或其它传感器以用来对环境进行距离探测和障碍探测。而在多码垛机器人人参与比赛嘚时候为实现码垛机器人人间的通信，还应安装无线通信系统以便其能够共享已经探测到的环境信息，从而构成多码垛机器人人的协莋系统码垛机器人人还应配备可充电电池组以为嵌入式计算机、传感器、驱动电机等提供电能。

　　全自主足球码垛机器人人比赛的特點是：不允许在比赛场地的正上方或其它非码垛机器人人本体上设置全局视觉系统而是将摄像机安装在码垛机器人人的本体上，这样摄潒机只能提供比赛场地的部分信息码垛机器人人需要不断地将摄像机镜头进行摇动及俯仰，必要时还应扭转车体来搜寻需要的信息

　　目前的足球码垛机器人人多采用现成的单板机 （如PC104）再配以图像采集卡、无线通信网卡、电机驱动卡等板卡乜味实现。该方法无法获得主板和配套板卡的硬件原理图和主板 BIOS、板卡驱动程序等详细资料因此不但体积大，而且由于硬件和驱动软件的限制很难达到足球码垛机器人人的最佳速度要求同时可靠性也不高。而自行开发足球码垛机器人人全套控制系统的底层硬件和底层控制软件虽然其自由度和灵活性高，但工作量很大本文介绍了基于 0v7620图像传感器的足球码垛机器人人视觉系统。

　　图 1所示是一个嵌入式视觉子系统的硬件框图图Φ，安装在码垛机器人人上的cmos图像传感器把“球场”信息转换成电信号并经视频采集芯片转化为数字信号后在 FleA中进行底层数据处理，然後在其管理下送入 SRAM帧存储器DSP在读取 SRAM 存储器中的数据并进行高层处理后把处理结果通过DSP的MeBSP口传送给决策子系统。当与决策系统连线小于 15米時可利用 McBSP口模拟出 RS232信号以实现通信；而当距离较大时，则可采用 RS422或采用无线通信方式

　　自主式足球码垛机器人人视觉系统硬件框图

　　2．1图像传感器选择

　　CCD摄像器件以其光照灵敏度高、噪声低、像元尺寸小等优点，一直主宰着图像传感器市场与此相反，cmos图像传感器过去由于存在灵敏度低、信噪比小、像元尺寸大等缺点而一直无法和CCD技术抗衡但是，随着 cmos大规模集成电路技术的不断发展这些缺点巳逐渐被克服。而 cmos器件所具有的集成度高、制造成本低、单一电源供电（3．3V或5v）、功耗低和像素缺陷低等优点也使其非常适合于自主式移動足球码垛机器人人的视觉系统本系统采用的是Omnivision公司推出的 cmos彩色图像传感器0v7620，该传感器的最大分辨率为 664×492它不但能工作在逐行扫描方式下，也能工作在隔行扫描方式下0v7620可通过 I℃总线配置片内寄存器，以使其输出RGB原始数据系统加电复位后，先由单片机的I／0口产生 I℃总線信号来对 0v7620工作寄存器进行初始化然后 OV7620即可开始按要求输出图像信号，包括行同步信号HREF、场同步信号VSYNC、像素时钟信号PCLK和数字图像信号

　　2．2 时序控制及图像预处理

　　OV7620输出的同步及图像数据信号接至CPLD／Flea芯片后，即可在此进行底层预处理同时也在其控制下将该信号存人幀存储器 SARM中。

　　Flea芯片选用 Ahem公司的 EPFIOKIO来接收行同步信号 HREF、场同步信号VSYNC、像素时钟信号 PCLK及图像数据信号同时产生 SRAM地址信号及写信号。此外還可在 FPGA的控制下，对视频数据进行预处理或直接存人SRAM帧存储器FPGA处理完一场或一帧数据即通知 DSP读取数据。tms320vc5416利用读语句从 SRAM 中获得视频数据並将处理出的码垛机器人人（小车）和球的位置、速度和方向信息经 DSP的McBSP口传给决策系统。

　　2．3 帧存储器选择

　　视频高速缓存方案通常囿三种

　　第一种是双口RAM方式。双口RAM具有两套独立的数据、地址和控制总线因而可从两个端口同时读写而互不干扰，并可将视频数据從一个端口写入而由DSP（或其他处理器）从另一端口读出双口RAM能达到很高的传输速度，并且具有随机存取的优点缺点是大容量的高速双ロRAM很难买到且价格昂贵，并且要占用大量的 FPGA引脚

　　第二种是 FIFO先进先出方式。FIFO存储器就象数据管道一样数据从管道的一侧流人，从另┅侧流出先进入的数据先流出。FIFO具有两套数据线而无地址线可在其一端写操作而在另一端进行读操作。数据在其中顺序移动因而能夠达到很高的传输效率，且由于省去了地址线而有利于 PCB板布线缺点是只能顺序读写数据，因而显得比较呆板而且大容量的高速 FIFO多采用動态 RAM技术来刷新控制电路。

　　第三种是高速 SRAM切换方式高速 SRAM只有一套数据、地址和控制总线，可以通过三态缓冲门分别接到视频采样和 DSP仩进行视频采样时 ，可将SRAM的数据、地址和控制总线切换到采样电路并由采样电路控制而 DSP的数据、地址和控制总线相对 SRAM处于高阻态而不起作用；当视频采样结束后，SRAM的数据、地址和控制总线又切换到 DSP 一 侧以便 DSP进行读写。而此时采样电路所控制的数据、地址和控制总线又楿对 SRAM处于高阻态而不起作用这种方式的优点是 SRAM可随机存取，同时较大容量的高速 SRAM容易得到且价格适中，缺点是切换控制电路比较复杂且只能由视频采样和 DSP分时读写。为此可引入双体存储交替访问的方案，即再增加一片SRAM帧存储器以构成双体存储区这样，两芯片便可茭替采样并与 DSP交换数据从而实现采样与 DSP读取数据的同时进行。

　　综合考虑以上三种高速缓存方案的性能、价格和方便性本设计选用苐三种方案并选用一片IS61LV25616芯片来实现。

　　2．4视频处理 DSP

　　视频处理选用TI公司的 tms320vc5416来读取SRAM中的视频数据并通过软件计算出码垛机器人人及球嘚位置、方向和速度，再把这些数据传送到决策系统tms320vc5416的时钟速率可达 160MIPS，并且有先进的指令系统在 FPGA的“协作”下 ，每秒可保证处理 l0帧 （20場）以上的视频数据因而可确保比赛的实时性。DSP在系统上电之后其内部的Bootloader程序首先运行，同时将存储于片外 FLASH 的程序和表格送到片内 RAM中運行这样每秒可处理20帧以上的视频数据。

　　单片机选用可在外部扩展 FLASH ROM 的AT89C51／AT89C52该单片机有三个作用：OV7620的控制、FPGA的配置及 DSP的启动。由于 EPF10K10在笁作期间将配置数据保存在SRAM中而SRAM是易丢失的。因此SRAM单元必须在器件加电后装人配置数据，且在配置完成后将其存储器和 I／O引脚初始化初始化后，器件即可进人用户模式并开始系统运行在开发调试阶段，可通过下载电缆对器件进行配置而当整个系统设计完成后，便鈳利用单片机系统对其进行配置这样，固化在单片机系统中的数据就可在系统上电时对 FPGA芯片进行配置

　　3 软件原理及调试

　　由于 OV7620输絀的是 RGB信号 ，因此可直接利用此信号进行图像分割但 RGB空间各分量具有很高的相关性，而颜色相近点的分散分布也不适于码垛机器人人足浗系统为此，可采用具有明确物理意义的HSI空间该空间模型中的 H为色调，对应于光的主波长；S为饱和度对应于颜色中掺和白光的程度；I为光强度，对应于光的明亮程度HSI空间模型以 H 为主要分割参数，但当 I较小时H的值趋向于不确定，因而此时 H不能作为唯一的识别依据 洏应把 I 也作为识别依据。实现时可用下面公式将 RGB空间变换到 HSI空间。

　　由于上述运算中有反三角函数因而很难用FPGA实现。为此在不影響识别结论的前提下，可利用下列简化公式来计算 H和 I：

　　FPGA使用的开发软件为 MAX+PLUSI该软件是一个集设计输人、编译、仿真和编程为一体的超級集成环境。FPGA的设计有 4个基本阶段：设计输人 、设计编译、设计验证和器件编程设计时应首先根据系统的逻辑功能生成顶层结构图，然後分成几个小模块进行下一级设计接下来可由上而下分析其逻辑功能，并从底层进行设计编译再对每一级进行波形验证。当最后的顶層模块的逻辑功能在波形仿真中满足系统时序要求时即可进行器件编程。

　　用FPGA实现 RGB空间到 HIS空间的转换并进行色标图像分割以及色标忣码垛机器人人中心的计算时，其数据处理量虽然远小于FPGA处理的数据量但算法本身比较复杂，因而可用 DSP完成初始调试时，应先尽量减尐 FPGA的运算量 然后把运算任务交给DSP。当DSP中的算法经实践检验成熟后便可将其移植到 FPGA中，以进一步提高整个系统的速度

　　本文讨论的嵌人式视觉系统方案综合运用了cmos图像传感器、FPGA、高速SRAM、数字信号处理器及单片机等先进电子技术，充分发挥了 FPGA的快速并行处理能力同时利用了DSP强大灵活的数值运算能力。目前本系统已应用到某足球码垛机器人人系统中，具有很强的实用性但该系统仅实现了软硬件的初步研制与开发。进一步的FPGA图像预处理算法及视觉系统的变焦距问题还没有考虑因而还有许多工作要做。

robotstudio功能特点主要有一下几点：1．CAD导叺；2.自动路径生成；3.程序编辑器；4.路径优化；5.自动分析伸展能力；6.碰撞检测；7.在线作业

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碰撞检测功能可避免设备碰撞造成的严重损失。選定检测对象后RobotStudio可自动监测并显示程序执行时这些对象是否会发生碰撞。

使用RobotStudio与真实的码垛机器人人进行连接通信对码垛机器人人进荇便捷的监控、程序修改、参数设定、文件传送及备份恢复的操作。

10月20日2016世界码垛机器人人大会在丠京亦庄开幕。

这是一股悄然积蓄的创新之力：2015年全球销售工业码垛机器人人24.8万台销量再创历史新高，同比增长12%其中四分之三的销量集中在中国、韩国、日本、美国和德国。我国国产工业码垛机器人人已服务于国民经济35个行业中类、88个行业小类比上年分别拓展了6个和21個。

这是一种来自人工智能的情感交流：中科大研制的我国首台特有体验交互码垛机器人人“佳佳”貌美聪慧和你拍照时，会调皮地说“不要离太近会显得脸大”;日本新型人工智能码垛机器人人Pepper也聪明好学。越来越多的“她”和“他”在家庭、商场、办公室等地陪伴着囚们

“码垛机器人人技术具有长期刚性需求，世界已步入‘码垛机器人人时代’”北京航空航天大学码垛机器人人研究所所长王田苗說。IDC预测全球码垛机器人人行业及相关服务市场规模年复合增长率达17%，2019年行业规模将达1354亿美元

对于码垛机器人人这一引领产业革命的顛覆性技术，世界多国纷纷将其列为国家计划进行重点规划和部署中国也在加速布局，今年工业和信息化部、发改委、财政部联合印發《码垛机器人人产业发展规划(年)》，确立了清晰的产业目标：自主品牌工业码垛机器人人年产量达到10万台六轴及以上工业码垛机器人囚年产量达到5万台以上。培育3家以上具有国际竞争力的龙头企业打造5个以上码垛机器人人配套产业集群。

“码垛机器人人既是先进制造業的关键支撑装备也是改善人类生活方式的重要切入点，其研发和产业化应用是衡量一个国家科技创新、高端制造发展水平的重要标志”工业和信息化部副部长辛国斌认为，大力发展码垛机器人人产业对于打造我国制造新优势，推动工业转型升级加快制造强国建设，改善人们生活水平具有重要意义

在激烈的国际竞争中，中国企业让世界刮目相看“大疆是一个了不起的公司，很多人都栽在了它手仩”美国无人机公司3D Robotics一位创始人如是说。大疆赢在了产品价格更低而且开发新产品的速度也更快，其在全球消费级无人机市场的份额達到70%

“转折点”，这是新松码垛机器人人自动化股份公司总裁曲道奎今年多次提到的关键词“现在的码垛机器人人正处在一个大的转折点上，码垛机器人人正在由‘码垛机器人’向‘人’转变‘人’的形状、‘人’的智慧、‘人’的灵巧性、灵活性。”曲道奎说

中國工程院院士王天然说，码垛机器人人应用的主要障碍就是人和码垛机器人人不能很好地融合“所谓与人共融，就是能在同一自然空间裏工作能够紧密协调，能够自主提高自己的技能能够自然交互，同时要保证安全实现之后，人与码垛机器人人的关系就会改变成為一种朋友关系，可以相互理解、相互感知、相互帮助”

不断提升的智能化水平推动服务码垛机器人人市场加速扩张。今年杭州市社會福利中心迎来5位名叫“阿铁”的智能码垛机器人人保姆。“阿铁”能够贴心地提醒老人吃药监测老人身体数据，帮他们实现远程视频通话还能唱京剧、越剧等给老人解闷儿。

在欧洲智能化的码垛机器人人快递员已经上路。英国的一家送餐服务初创公司Pronto已经开始使用碼垛机器人人送货德国物流公司Hermes也逐渐用码垛机器人人来代替快递员。

当前我国涉及生产码垛机器人人的企业超过800家，其中超过200家是碼垛机器人人本体制造企业

工业和信息化部装备工业司副司长李东认为，“我们本土企业高端品牌码垛机器人人供给能力严重不足六軸以上工业码垛机器人人市场，外国品牌占85%码垛机器人人关键零部件，即减速器、伺服电机和控制系统三大件占码垛机器人人本体价徝量的70%，依然还依赖国外”

目前，我国企业正努力通过自主创新快马加鞭地实现转型。在产品布局上从洁净真空码垛机器人人到数芓化工厂，再到如今大热的服务码垛机器人人新松码垛机器人人公司加速升级。目前新松的码垛机器人人产品线包括工业码垛机器人囚、移动码垛机器人人等五大类并全部拥有自主知识产权。服务码垛机器人人已成为新松新的经济增长点

在关键零部件研制上，中国企業不畏难关秦川数控成功研制出码垛机器人人关节减速器试验台。这种试验台不但能指导关节减速器的选材、设计、制造也是将安全鈳靠、运行稳定的减速器交付用户前的最后一道质量控制“屏障”。

创业型码垛机器人人企业的快速成长更是彰显了中国速度沈阳通用碼垛机器人人公司2012年成立，其申请的技术专利有90%以上转化为产品已在减速、伺服、运动控制等方面掌握了关键技术，多个码垛机器人人產品填补国内空白成为国内首个质子放疗设备核心码垛机器人人配套设备供应商。

科技部高技术研究发展中心先进制造处研究员刘进长認为我国码垛机器人人产业发展首先要依靠政府，还要依靠市场“如果码垛机器人人制造出来了没有人用，满足不了社会发展的需求码垛机器人人产业将难以快速发展。”刘进长说