山 峰，謝少榮，鄭麗麗，羅 均

（上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072）

0 引言

仿生眼系統(tǒng)是近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1]，它可以根據(jù)攝像頭采集回來的圖像信息以及各傳感器的信號(hào)，不斷調(diào)整運(yùn)動(dòng)跟蹤平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使攝像頭視軸跟蹤目標(biāo)物體運(yùn)動(dòng)。通過一定的仿生模型，可以使仿生眼系統(tǒng)模仿人眼的前庭動(dòng)眼反射、視動(dòng)反射、平滑追蹤以及急動(dòng)等功能。

鑒于仿生眼系統(tǒng)體積小、重量輕，可以搭載在各種移動(dòng)機(jī)器人、水下機(jī)器人以及飛行器上，用于交通、軍事、反恐防暴、勘察、救災(zāi)等多種危險(xiǎn)或者不適合人近距離觀察的環(huán)境。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)仿生眼的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了與課題組其他成員所設(shè)計(jì)的眼球機(jī)構(gòu)控制單元和圖像處理系統(tǒng)的接口對(duì)接。通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)可以滿足仿生眼運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性要求。

1 仿生眼系統(tǒng)與人眼的對(duì)應(yīng)關(guān)系

人們通過支配6條眼外肌使之產(chǎn)生協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，使目標(biāo)物體在視網(wǎng)膜的中央凹上成像。該類運(yùn)動(dòng)可視為視覺-眼動(dòng)系統(tǒng)在一定刺激下的輸出，表現(xiàn)為不斷地視軸運(yùn)動(dòng)。

圖1 單眼眼動(dòng)簡(jiǎn)化模型

根據(jù)人眼的運(yùn)動(dòng)模型[2]提取出單眼運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

整套仿生眼系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、眼球機(jī)構(gòu)、三軸陀螺儀、無線通信模塊組成。

圖2 硬件系統(tǒng)圖

2.1 眼球機(jī)構(gòu)

微型攝像頭置于眼球內(nèi)，該機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。

利用兩臺(tái)舵機(jī)控制眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)。這里選用韓國HiTEC公司型號(hào)為HSG-5084MG的舵機(jī)作為眼球機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器。該舵機(jī)采用4.8V電源供電，最高可輸出1.5kg.cm的扭矩，空載轉(zhuǎn)速達(dá)到0.07s/60°，體積為29×13×30mm，滿足了對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的微型化和高速響應(yīng)的要求。

圖3 眼球機(jī)構(gòu)原理圖

2.2 MCU

采用Silicon Laboratories公司的C8051F023單片機(jī)作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心處理器。C8051F023是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片[4]，其內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，70%的指令的執(zhí)行時(shí)間只需要1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，加上C8051F023最高可達(dá)25MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比處理速度大大提高。同時(shí)C8051F023內(nèi)置64K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器和4352字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，在大多數(shù)的應(yīng)用中無需再另外擴(kuò)展存儲(chǔ)器。

在控制系統(tǒng)中，利用UART，通過MAX3232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，與外部的三軸陀螺儀、圖像處理系統(tǒng)以及無線通信模塊進(jìn)行通信連接。由于C8051F023內(nèi)部只帶有2個(gè)UART，因此，還需要擴(kuò)展一個(gè)UART。這里采用軟件UART，下文會(huì)有詳細(xì)論述。

采用周期為20ms的PWM對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制。本文中所使用的HSG-5084MG舵機(jī)，PWM控制信號(hào)的高電平時(shí)長(zhǎng)為1.1ms～1.9ms，對(duì)應(yīng)于舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度-35°～+35°。當(dāng)高電平時(shí)長(zhǎng)為1.5ms時(shí)，舵機(jī)的轉(zhuǎn)角位于中心位置。

除此之外，還預(yù)留了2個(gè)SPI接口和2個(gè)ADC輸入通道，用于系統(tǒng)將來的擴(kuò)展。如可利用SPI與所搭載的機(jī)體的控制器進(jìn)行通信；也可利用ADC來觀測(cè)供電電池的電壓信號(hào)，可在電壓不足的情況下進(jìn)行報(bào)警。

2.3 UART的擴(kuò)展

本控制系統(tǒng)中，由于C8051F023本身只帶有2個(gè)UART接口，但系統(tǒng)的應(yīng)用中卻需要3個(gè)UART，因此還需要另行擴(kuò)展一個(gè)UART。

擴(kuò)展UART的方法不外乎兩種：使用擴(kuò)展芯片或者軟件模擬。采用擴(kuò)展芯片方式增加UART最大的缺點(diǎn)就是需要增加成本，這在成本敏感的項(xiàng)目里面是不可取的。通過充分挖掘MCU片上硬件資源，使用軟件模擬方式生成UART，不但能夠降低成本，還能簡(jiǎn)化電路。考慮到C8051F023本身自帶的PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列）就能為軟件UART提供一個(gè)很好的解決方案[5]，因?yàn)镻CA計(jì)數(shù)器在產(chǎn)生中斷的情況下不會(huì)停止計(jì)數(shù)，即不會(huì)因?yàn)橹袛喽a(chǎn)生延時(shí)的積累，利用這一點(diǎn)能夠產(chǎn)生精確波特率，這是傳統(tǒng)的使用定時(shí)器產(chǎn)生軟件UART的波特率所不能比擬的。

在這里利用兩個(gè)PCA模塊分別產(chǎn)生軟件UART的接收和發(fā)送波特率，并利用PCA的下降沿捕獲功能判斷數(shù)據(jù)接收的起始位。所有的接收和發(fā)送過程是在PCA中斷服務(wù)程序內(nèi)完成的。

圖4 軟件UART程序流程圖

2.4 圖像處理系統(tǒng)

圖像處理是仿生眼系統(tǒng)的核心[6]。通過圖像處理，可以獲取運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)物體與圖像中心的偏角，并把偏角數(shù)據(jù)通過RS-232C傳給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)所收到的數(shù)據(jù)信息，再控制眼球機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使目標(biāo)物體始終處于圖像中央。

2.5 三軸陀螺儀

當(dāng)仿生眼系統(tǒng)搭載在非固定機(jī)體上時(shí)，由于機(jī)體自身受到發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、空氣阻力等外界因素的影響使得的機(jī)體自身姿態(tài)發(fā)生改變，這勢(shì)必嚴(yán)重影響對(duì)移動(dòng)目標(biāo)視頻跟蹤的穩(wěn)定性。所以需要能夠?qū)崟r(shí)的采集到機(jī)體姿態(tài)的變化，并根據(jù)采集到的變化量給予反向控制，從而減少機(jī)體姿態(tài)對(duì)跟蹤仿生眼系統(tǒng)的影響，避免了跟蹤攝像頭視軸經(jīng)常偏移移動(dòng)目標(biāo)。

本系統(tǒng)中考慮到控制跟蹤的連續(xù)性和穩(wěn)定性，采用了具有高速度、高精度、多功能的傳感器3DMGX1[7]。3DM-GX1可以綜合三個(gè)角速率陀螺儀，三個(gè)正交的加速度計(jì)和三個(gè)正交的磁力計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)，從而在靜止或動(dòng)態(tài)的條件下提供穩(wěn)定的方向信息。當(dāng)三個(gè)軸都在360°的范圍內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，該產(chǎn)品可以輸出為矩陣、四元數(shù)或歐拉角度方程格式的方向信息；它的數(shù)字式連續(xù)輸出還可以為所有傳感器提供溫度補(bǔ)償信號(hào)；其擁有一個(gè)嵌入式處理器，自帶了可調(diào)濾除算法，以提供穩(wěn)定的輸出信號(hào)；內(nèi)置RS-232C接口。

2.6 無線通信模塊

由于仿生眼系統(tǒng)是搭載在移動(dòng)機(jī)器人、水下機(jī)器人或飛行器上的，它與上位機(jī)勢(shì)必只能通過無線通信取得聯(lián)系。

無線通信模塊連接機(jī)載的跟蹤控制系統(tǒng)和地面控制站，在向地面發(fā)送實(shí)時(shí)的跟蹤數(shù)據(jù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)地面操作人員對(duì)跟蹤控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作和人工干預(yù)。根據(jù)其工作任務(wù)和環(huán)境特點(diǎn)，要求無線通信模塊串口傳輸、通信距離遠(yuǎn)、功耗低、穩(wěn)定可靠。為此，選用了可工作在900Mhz或2.4Ghz不需認(rèn)證的ISM波段的XStream-PKG-R[8]無線數(shù)傳電臺(tái)，它具有如下主要功能：

支持RS-232/485(多端口總線)協(xié)議；

與主機(jī)接口波特率 :1200bps～57.6Kbps，空中傳輸速率9600bps或19.2Kbps，戶外傳輸距離可達(dá)11km。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

1）與上位機(jī)進(jìn)行無線通信，獲取命令數(shù)據(jù)；

2）與圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行通信，獲得攝像頭視角偏移數(shù)據(jù)；

3）獲取仿生眼所搭載的機(jī)體的姿態(tài)變化率；

4）實(shí)現(xiàn)對(duì)眼球機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制率。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

主要從軟件UART和控制系統(tǒng)兩個(gè)方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

4.1 軟件UART

由于本系統(tǒng)中采用軟件模擬方式擴(kuò)展了UART，而軟件UART的運(yùn)行需要占用一定的機(jī)時(shí)，因此需要平衡通信速度和硬件機(jī)時(shí)占用。

實(shí)驗(yàn)條件：跟蹤控制板上采用了22.1184Mhz的晶振。

實(shí)驗(yàn)方法：上位機(jī)對(duì)控制板的軟件UART連續(xù)不間斷地發(fā)送數(shù)據(jù)。MCU采用查詢方式，軟件UART在接收到每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的同時(shí)，把接收到的每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)立即用軟件UART的發(fā)送端回發(fā)給上位機(jī)，然后對(duì)比上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到數(shù)據(jù)。如圖6所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在時(shí)鐘頻率為22.1184Mhz的條件下，該軟件UART可對(duì)絕大多數(shù)的應(yīng)用提供全雙工模式下38.4Kbps的波特率支持。

而本系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求很高，為此，將此軟件UART配置給數(shù)據(jù)傳輸壓力最小的無線通信模塊，同時(shí)將波特率設(shè)為19.2Kbps，以滿足系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

圖6 實(shí)驗(yàn)時(shí)用到的串口調(diào)試器

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

4.2 控制板調(diào)試

控制板的調(diào)試采用上位機(jī)定時(shí)發(fā)送目標(biāo)偏角數(shù)據(jù)給跟蹤控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)根據(jù)偏角數(shù)據(jù)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

考慮到我國電視采用PAL制式，每秒鐘能產(chǎn)生25幀圖像。這里就假設(shè)圖像處理系統(tǒng)能夠每秒處理25幀圖像，即每秒鐘給出25組目標(biāo)物體的偏角數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)方法：上位機(jī)每隔40ms發(fā)送一組偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)給運(yùn)動(dòng)跟蹤控制板，觀察舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

結(jié)果表明，舵機(jī)反應(yīng)迅速，無滯后響應(yīng)現(xiàn)象。

5 結(jié)論

圖7 運(yùn)動(dòng)跟蹤控制板

結(jié)合仿生眼運(yùn)動(dòng)的建模和對(duì)模型的離散化控制，該系統(tǒng)能夠很好模仿人眼的運(yùn)動(dòng)，且能夠達(dá)到很高的精度。同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)，初步表明，該跟蹤控制系統(tǒng)能夠滿足仿生眼系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

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