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基于FPGA的小型组足球机器人视觉系统研究与设计

作　者: 裴嘉政
导　师: 廖家平
学　校: 湖北工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: YCbCr色彩空间 目标识别 实时性 现场可编程门阵列(FPGA)
分类号: TP242.62
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


机器人世界杯是一个世界性的机器人足球比赛,其鼓励人工智能及相关领域的研究。而视觉系统作为足球机器人的主要感知设备,其性能的好坏对机器人性能的发挥起着决定性作用。随着机器视觉的作用越来越显著,人们对图像处理的研究越来越深入。由于小型组足球机器人视觉系统对识别的准确性,实时性,以及对现场环境的适应性的要求,使得它是一个很好的研究机器视觉的平台。本项目的目的是开发一个供湖北工业大学的足球机器人队使用的视觉系统的工作原型。因为现存的小型组足球机器人的视觉系统通常是利用计算机对摄入的图像进行处理,计算机一边要进行图像的数据采集,一边要对图像进行各种算法的处理,图像的处理所需的运算,大量的占用了CPU的时间,从而影响了识别响应的实时性,并且由于足球机器人快速的运动和激烈的对抗,要求视频捕获频率为30帧/秒,即必须在16ms内完成视觉信息处理、通讯、动作规划等一系列任务,以形成下一周期的比赛策略,这对视觉系统的实时性提出了更高的要求,一些时间复杂度高的算法和大量占用CPU时间的方法很难直接使用。因此本文提出了基于FPGA的视觉系统。本文以FPGA为平台,使用VHDL硬件描述语言设计并实现了一种基于YCbCr色彩空间的算法。该系统不仅满足了视觉系统对实时性、稳定性和准确性的需求,还为系统提供了灵活性,可以根据需要对系统内部逻辑功能进行配置。不仅如此,基于FPGA的视觉系统大大缩小了视觉系统的规模,更有助于系统的稳定、携带和调试。实验结果证明所设计的小型组足球机器人视觉系统满足了实时性、准确性、灵活性和稳定性的要求,具有较好的应用前景。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-9
第1章 绪论  9-14
  1.1 足球机器人简介  9-12
    1.1.1 机器人足球赛简介  9-10
    1.1.2 RoboCup小型足球机器人系统结构  10
    1.1.3 RoboCup小型足球机器人比赛规则  10-12
  1.2 机器人视觉系统概述  12-13
  1.3 本文研究内容和结构  13
  1.4 本文研究意义  13-14
第2章 RoboCup小型组足球机器人视觉系统  14-27
  2.1 小型足球机器人视觉系统问题研究和分析  14-15
  2.2 基于FPGA的视觉系统的发展现状  15-16
  2.3 视觉系统的基础知识  16-21
    2.3.1 色彩空间  16-18
    2.3.2 数字视频格式  18-19
    2.3.3 基于颜色的阈值分割法  19-21
  2.4 色标模板设计  21-26
    2.4.1 色标大小、形状和颜色  21
    2.4.2 选取色标板  21-24
    2.4.3 对象筛选  24-26
  2.5 本章小结  26-27
第3章 算法描述  27-38
  3.1 概述  27
  3.2 算法步骤  27-35
    3.2.1 阈值化  28-31
    3.2.2 滤波  31
    3.2.3 标记  31-32
    3.2.4 排序  32-33
    3.2.5 分组  33-34
    3.2.6 角点检测  34-35
  3.3 软件工具  35-37
    3.3.1 Matlab  35
    3.3.2 Quartus and ModelSim  35-36
    3.3.3 VHDL语言  36-37
  3.4 本章小结  37-38
第4章 硬件系统架构  38-53
  4.1 相机接口  38-39
  4.2 视频接口  39-41
    4.2.1 输入同步  39
    4.2.2 状态检测  39-41
  4.3 流水线  41-47
    4.3.1 阈值化的硬件实现  42-44
    4.3.2 滤波的硬件实现  44-45
    4.3.3 标记的硬件实现  45-46
    4.3.4 排序的硬件实现  46
    4.3.5 分组模块和角点检测的硬件实现  46-47
  4.4 存储器判断器  47-50
    4.4.1 标签排序的存储判断器  47-49
    4.4.2 串行接口的存储判断器  49-50
  4.5 输出接口  50-51
    4.5.1 调试接口  50
    4.5.2 数码管显示  50
    4.5.3 PCB上的LED  50
    4.5.4 串口  50-51
  4.6 PCB的设计  51-52
    4.6.1 视频解码器  51-52
    4.6.2 关于PCB的一些说明  52
  4.7 本章小结  52-53
第5章 结论与展望  53-56
  5.1 测试结果和结论  53-55
  5.2 展望  55-56
参考文献  56-59
致谢  59-60
附录  60-61
  附录A:获奖证书  60-61
  附录B:攻读硕士学位期间发表的论文  61

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人 > 智能机器人 > 机器人视觉
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