基于DaVinci技术的智能机器人视觉跟踪系统研究

摘要

本文以TI-DaVinci技术为依托,兼顾“机器人模块化体系”的设计要求,设计了一种智能机器人视觉跟踪系统。该系统为嵌入式Linux系统,它具有丰富的通用接口、强大的扩展能力,在该系统上实现了运动目标的检测与跟踪,可以有效地解决机器人视觉处理主要依靠上位机的问题,提高了机器人的视觉处理能力。
　　论文的研究工作主要包括:视觉跟踪系统硬件的设计;运动目标检测算法与运动目标跟踪算法的研究;嵌入式Linux系统的构建;图像的采集、实时显示、图像的预处理以及运动目标的检测与跟踪实验。
　　在TI公司TMS320DM6446为核心芯片的CPU核心板的基础上,进行了系统硬件设计。设计了视频输入输出电路、用于部分信号电平转换和硬件扩展的CPLD电路、RS232串行接口电路、以太网接口电路、USB接口电路、SD卡接口电路以及系统的电源模块电路。采用高速电路设计软件Cadence,完成了以上硬件的电路原理图设计、PCB设计以及电路板加工所需光绘文件设计。
　　研究分析了运动目标的检测算法以及常见的背景提取算法,选用了相邻帧间差分法与Surendra算法相结合的运动目标检测算法,并对检测目标进行了数学形态学处理,最终获得运动目标;阐述了Mean Shift算法理论,并推导了Mean Shift向量及其扩展形式以及在目标跟踪中基于巴氏系数的应用算法。
　　进行了嵌入式系统引导程序Uboot和嵌入式Linux系统的移植及配置,搭建了嵌入式Linux系统,设计了基于Codec引擎的ARM处理器程序,用于视频输入输出端口的控制、DSP处理器上的算法调用以及与上位机间的通信控制程序,设计了符合XDM-XDAIS标准的DSP端运动目标检测与跟踪程序。
　　实验验证了本系统可以通过RS232串口、以太网口实现与上位机的通讯;可以实现图像的采集、实时显示以及图像的预处理;可以进行运动目标的检测与跟踪。
　　本文初步达到了视觉跟踪系统的设计要求,为智能机器人视觉跟踪技术的深入研究和应用奠定了基础。

目录

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 视觉跟踪领域的研究现状

1.2.1国外视觉跟踪技术现状

1.2.2国内视觉跟踪技术现状

1.2.3视觉跟踪技术及其存在的问题

1.3 Davinci技术

1.4 主要研究内容

第2章 视觉跟踪系统硬件的设计

2.1 系统整体方案的设计

2.2 电源模块的设计

2.3 视频输入输出模块的设计

2.3.1视频输入模块的设计

2.3.2视频输出接口电路的设计

2.4 CPLD电平转换及接口扩展电路

2.5 其他接口电路的设计

2.5.1RS232串行接口电路

2.5.2以太网接口电路

2.5.3USB接口电路

2.5.4SD卡接口电路

2.6 系统硬件的PCB设计

2.7 本章小结

第3章 运动目标检测算法及实现

3.1 运动目标检测算法

3.1.1相邻帧间差分法

3.1.2背景差分法

3.1.3光流法

3.2 几种常见的背景提取算法

3.2.1时间上的均值滤波方法

3.2.2混合高斯模型

3.2.3Surendra算法

3.3 本文运动目标检测算法

3.4 数学形态学分析

3.5 本章小结

第4章 运动目标跟踪算法及实现

4.1 Mean Shift算法理论

4.1.1Mean Shift向量及其扩展形式

4.1.2多维空间核密度估计

4.2 Mean Shift算法在目标跟踪中的应用

4.2.1目标及候选目标概率密度函数

4.2.2基于巴氏系数的相似性测度

4.2.3巴氏系数最大化及其算法

4.3 本章小结

第5章 嵌入式系统构建及实验

5.1 嵌入式Linux系统的构建

5.1.1系统引导程序U-Boot的移植及配置

5.1.2嵌入式Linux操作系统的移植

5.2 TMS320DM6446的Codec框架

5.3 ARM上应用程序与上位机通信的实现

5.4 XDAIS与XDM算法标准

5.5 实验与分析

5.5.1实验系统的搭建

5.5.2图像获取及预处理实验

5.5.3运动目标跟踪实验

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢