摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)臺(tái)燈存在的功能單一、機(jī)械開(kāi)關(guān)壽命短和人性化程度偏低等諸多不利因素，設(shè)計(jì)了基于攝像頭識(shí)別處理技術(shù)和FPGA技術(shù)的智能家居臺(tái)燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)熱釋電紅外傳感器進(jìn)行人體紅外感應(yīng)；以舵機(jī)控制的機(jī)械臂模塊為執(zhí)行終端，控制臺(tái)燈的高度及光照方向；采用攝像頭采集圖像對(duì)人手皮膚圖像進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)人手所在位置的跟蹤識(shí)別；采用具有Nios II嵌入式軟核處理器的SoPC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制管理。實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈根據(jù)人的到來(lái)自動(dòng)開(kāi)啟;使用時(shí)，臺(tái)燈的光照方向能根據(jù)人手所在位置進(jìn)行自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)；具有動(dòng)作靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)和識(shí)別精確等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 攝像頭；FPGA；熱釋電紅外傳感器；智能臺(tái)燈
智能機(jī)器人是一類能夠通過(guò)傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在特定環(huán)境中自主運(yùn)動(dòng)，從而完成一定作業(yè)功能的機(jī)器人系統(tǒng)。目前對(duì)智能機(jī)器人的研究涉及機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)、環(huán)境建模、導(dǎo)航定位、路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制、多傳感器信息融合、故障診斷、容錯(cuò)控制以及移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制平臺(tái)等。
現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)是在PAL、GAL和CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。FPGA可內(nèi)嵌CPU或DSP內(nèi)核，支持軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，例如，蔣星紅等采用DSPC000對(duì)智能機(jī)器人視覺(jué)傳感器采集到的圖像進(jìn)行高速信號(hào)處理[1]，并利用FPGA資源作為協(xié)處理器進(jìn)行圖像濾波處理;高彩等選用TMS320DM642作為核心處理芯片，利用FPGA芯片進(jìn)行底層圖像處理[2]。同時(shí),FPGA可以作為片上可編程系統(tǒng)(SoPC)的硬件平臺(tái)，非常適合于諸如數(shù)字圖像處理類的數(shù)學(xué)密集型應(yīng)用[3]。目前用FPGA技術(shù)來(lái)處理圖像的研究正處于熱門階段,例如劉智等基于FPGA實(shí)現(xiàn)圖像銳化[4];龔濤等基于FPGA的圖像采集處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了布匹圖像的采集和預(yù)處理，檢測(cè)紡織行業(yè)中布匹的疵點(diǎn)[5]。
本項(xiàng)目在傳統(tǒng)家居臺(tái)燈系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，研究了一種節(jié)能、智能化、人性化的現(xiàn)代家居智能臺(tái)燈機(jī)器人，用于書桌照明的需求[6-9]。系統(tǒng)以嵌入Nios II軟核處理器的FPGA系統(tǒng)為主控單元，以O(shè)V7670攝像頭為圖像采集模塊、5個(gè)舵機(jī)控制的五自由度機(jī)械臂為執(zhí)行單元，實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈的多自由度轉(zhuǎn)動(dòng)、照射目標(biāo)智能跟蹤等功能。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)總體上可分為多舵機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)模塊、攝像頭模塊和FPGA控制系統(tǒng)3大部分，如圖1所示。多舵機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)模塊由底層舵機(jī)、支架舵機(jī)、上層舵機(jī)以及PWM驅(qū)動(dòng)電路組成，實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈照射方向的自動(dòng)精確定位功能。FPGA控制系統(tǒng)采用基于友晶公司的DE2開(kāi)發(fā)板,核心芯片采用Altera公司的 Cyclone II 系列，在DE2開(kāi)發(fā)板上配備3.5英寸觸摸屏。基于OV7670攝像頭[10-11]模塊配合FPGA控制系統(tǒng)完成圖像的實(shí)時(shí)采集、幀緩存、預(yù)處理和數(shù)據(jù)處理等功能，并通過(guò)對(duì)FPGA系統(tǒng)的優(yōu)化提高圖像采集和處理系統(tǒng)的整體性能。
其中，h、l為線性系數(shù)。
實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)以上處理后，人手部在桌面的位置可很好地提取出來(lái)，最后通過(guò)計(jì)算手部重心位置得出機(jī)械臂應(yīng)將燈光投向桌面的方位。
2.3 基于Nios II的SoPC系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
FPGA主控系統(tǒng)主要用于判別攝像頭采集圖像是否為人體皮膚和多級(jí)的分別控制等。在其上電后，熱釋電紅外傳感器工作，其感知紅外線的距離與角度可調(diào)，根據(jù)判別結(jié)果，攝像頭進(jìn)行圖像處理，主要進(jìn)行皮膚識(shí)別算法處理，對(duì)圖像中心進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而控制舵機(jī)進(jìn)行精確定位。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。通過(guò)3.5英寸的觸摸屏可以查看人體皮膚經(jīng)過(guò)處理之后的效果。
3 機(jī)械臂執(zhí)行動(dòng)作單元設(shè)計(jì)
全方位轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械臂相比于固定機(jī)械臂具有更大的操作空間和更高的操作靈活性，因而優(yōu)化的控制系統(tǒng)是保證機(jī)械臂高效工作的基礎(chǔ)[14]。本系統(tǒng)采用舵機(jī)控制的動(dòng)力模塊。舵機(jī)的控制信號(hào)是 PWM 信號(hào)，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置。一般舵機(jī)的控制要求如圖5所示。
4 系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析
4.1 模擬舵機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
模擬舵機(jī)需要一個(gè)外部控制器（遙控器的接收機(jī)）產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)告訴舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，脈沖寬度是舵機(jī)控制器所需的編碼信息。舵機(jī)的控制脈沖周期為20 ms，脈寬為0.5 ms~2.5 ms，分別對(duì)應(yīng)-90°~+90°的位置，如圖6所示。
針對(duì)傳統(tǒng)臺(tái)燈的不利因素以及對(duì)未來(lái)美好家居生活的向往，本文設(shè)計(jì)了基于FPGA的智能家居臺(tái)燈系統(tǒng)。系統(tǒng)具有部署靈活方便、穩(wěn)定可靠、成本低、組裝維護(hù)簡(jiǎn)單和擴(kuò)展方便的特點(diǎn)，可以針對(duì)具體的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，有效提高了該款智能家居臺(tái)燈系統(tǒng)的廣泛適應(yīng)性。
參考文獻(xiàn)
[1] 蔣星紅.基于DSP的智能機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué),2007.
[2] 高彩，羅慶生，韓寶玲,等.適用于新型智能機(jī)器人的高性能低功耗視覺(jué)系統(tǒng)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008(12)：91-93.
[3] 林飛宇，王彥瑜，龍銀東，等. 基于Nios-Ⅱ用于加速器監(jiān)控系統(tǒng)的通用型可重配置嵌入式微控制器[J]. 強(qiáng)激光與粒子束，2009,21(6)：911-914.
[4] 劉智,夏春蕾，戴曙光.基于FPGA的圖像銳化實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用, 2012，31(3):40-41.
[5] 龔濤.基于FPGA的圖像采集處理系統(tǒng)[D].武漢：華中科技術(shù)大學(xué),2005.
[6] ASTARLOA A, L?魣ZARO J, BIDARTE U, et al. FPGA technology for multi-axis control systems[J]. Mechatronics, 2009,19(2):258-268.
[7] 劉九維，陳鋒，刑嵐. 數(shù)字式CMOS攝像頭在智能車中的應(yīng)用[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用， 2010(7)：42-44.
[8] 楊波，陳憂先. 熱釋電紅外傳感器的原理和應(yīng)用[J].儀表技術(shù)，2008(6)：66-68.
[9] 彭浩，袁濤. 論臺(tái)燈設(shè)計(jì)中的情感化設(shè)計(jì)[J]. 重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2008(9)：161-162.
[10] 朱翔，潘崢嶸.基于OV7620的機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子測(cè)量技術(shù)，2010,33(1)：64-66.
[11] 李春明，姜威，高超,等.CMOS圖像傳感器芯片OV9620/OV9120及其應(yīng)用[J]. 電視技術(shù)，2003(12)：66-67.
[12] 賀欽，劉文予. 數(shù)字圖像傳感器顏色插值算法研究[J]. 小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2007，28(8)：1482-1485.
[13] 陸軍,高樂(lè)，劉濤.基于DSP和FPGA的全景圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2012,38(6):24-26.
[14] 李世其，劉洋，朱文革，等. 多關(guān)節(jié)輕型機(jī)械臂的設(shè)計(jì)研究[J]. 航天器工程，2009,18(3)：48-52.