摘 要： 針對傳統臺燈存在的功能單一、機械開關壽命短和人性化程度偏低等諸多不利因素，設計了基于攝像頭識別處理技術和FPGA技術的智能家居臺燈系統。該系統通過熱釋電紅外傳感器進行人體紅外感應；以舵機控制的機械臂模塊為執行終端，控制臺燈的高度及光照方向；采用攝像頭采集圖像對人手皮膚圖像進行識別，實現人手所在位置的跟蹤識別；采用具有Nios II嵌入式軟核處理器的SoPC控制系統實現對整個系統的控制管理。實驗表明,該系統能夠有效地實現臺燈根據人的到來自動開啟;使用時，臺燈的光照方向能根據人手所在位置進行自動跟蹤調節；具有動作靈活、可擴展性強和識別精確等優點。
關鍵詞： 攝像頭；FPGA；熱釋電紅外傳感器；智能臺燈
智能機器人是一類能夠通過傳感器感知環境和自身狀態，實現在特定環境中自主運動，從而完成一定作業功能的機器人系統。目前對智能機器人的研究涉及機器人的機械結構、體系結構、環境建模、導航定位、路徑規劃、運動控制、多傳感器信息融合、故障診斷、容錯控制以及移動機器人導航控制平臺等。
現場可編程門陣列(FPGA)是在PAL、GAL和CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。FPGA可內嵌CPU或DSP內核，支持軟硬件協同設計，例如，蔣星紅等采用DSPC000對智能機器人視覺傳感器采集到的圖像進行高速信號處理[1]，并利用FPGA資源作為協處理器進行圖像濾波處理;高彩等選用TMS320DM642作為核心處理芯片，利用FPGA芯片進行底層圖像處理[2]。同時,FPGA可以作為片上可編程系統(SoPC)的硬件平臺，非常適合于諸如數字圖像處理類的數學密集型應用[3]。目前用FPGA技術來處理圖像的研究正處于熱門階段,例如劉智等基于FPGA實現圖像銳化[4];龔濤等基于FPGA的圖像采集處理系統實現了布匹圖像的采集和預處理，檢測紡織行業中布匹的疵點[5]。
本項目在傳統家居臺燈系統的基礎上對其進行改進，研究了一種節能、智能化、人性化的現代家居智能臺燈機器人，用于書桌照明的需求[6-9]。系統以嵌入Nios II軟核處理器的FPGA系統為主控單元，以OV7670攝像頭為圖像采集模塊、5個舵機控制的五自由度機械臂為執行單元，實現臺燈的多自由度轉動、照射目標智能跟蹤等功能。
1 系統總體結構
系統總體上可分為多舵機PWM驅動模塊、攝像頭模塊和FPGA控制系統3大部分，如圖1所示。多舵機PWM驅動模塊由底層舵機、支架舵機、上層舵機以及PWM驅動電路組成，實現臺燈照射方向的自動精確定位功能。FPGA控制系統采用基于友晶公司的DE2開發板,核心芯片采用Altera公司的 Cyclone II 系列，在DE2開發板上配備3.5英寸觸摸屏。基于OV7670攝像頭[10-11]模塊配合FPGA控制系統完成圖像的實時采集、幀緩存、預處理和數據處理等功能，并通過對FPGA系統的優化提高圖像采集和處理系統的整體性能。
其中，h、l為線性系數。
實驗表明，通過以上處理后，人手部在桌面的位置可很好地提取出來，最后通過計算手部重心位置得出機械臂應將燈光投向桌面的方位。
2.3 基于Nios II的SoPC系統的軟件設計
FPGA主控系統主要用于判別攝像頭采集圖像是否為人體皮膚和多級的分別控制等。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，根據判別結果，攝像頭進行圖像處理，主要進行皮膚識別算法處理，對圖像中心進行計算，進而控制舵機進行精確定位。系統軟件流程圖如圖4所示。通過3.5英寸的觸摸屏可以查看人體皮膚經過處理之后的效果。
3 機械臂執行動作單元設計
全方位轉動機械臂相比于固定機械臂具有更大的操作空間和更高的操作靈活性，因而優化的控制系統是保證機械臂高效工作的基礎[14]。本系統采用舵機控制的動力模塊。舵機的控制信號是 PWM 信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。一般舵機的控制要求如圖5所示。
4 系統試驗驗證及結果分析
4.1 模擬舵機實驗結果
模擬舵機需要一個外部控制器（遙控器的接收機）產生脈寬調制信號來告訴舵機轉動角度，脈沖寬度是舵機控制器所需的編碼信息。舵機的控制脈沖周期為20 ms，脈寬為0.5 ms~2.5 ms，分別對應-90°~+90°的位置，如圖6所示。
針對傳統臺燈的不利因素以及對未來美好家居生活的向往，本文設計了基于FPGA的智能家居臺燈系統。系統具有部署靈活方便、穩定可靠、成本低、組裝維護簡單和擴展方便的特點，可以針對具體的應用環境進行相應的參數設置，有效提高了該款智能家居臺燈系統的廣泛適應性。
參考文獻
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