应用于RoboCup机器人的嵌入式图像处理系统的研究

摘要

视觉子系统是RoboCup机器人获取比赛场地信息的主要途径，是自主足球机器人非常重要的组成部分。视觉子系统需要先完成视频图像采集，然后经过一系列的图像处理操作，将最终提取的特征信息码传递给决策层。一般的机器人视觉子系统在实现上多采用视频采集卡加通用计算机的方式，其优点是硬件配置高、软件资源丰富等，但是功耗大、结构不轻便，对于依赖电池供电的全自主足球机器人而言是主要的缺点。因此，基于嵌入式的图像处理系统的研究与设计具有现实意义。
　　 本论文在对已有的足球机器人视觉子系统分析的基础上，并结合国内外大学和研究机构对嵌入式图像处理系统的研究，设计了一套更加适合于RoboCup机器人的视觉子系统。鉴于足球机器人视觉子系统的复杂性，采用美国模拟器件公司Blackfin系列ADSP-BF531处理器和开源的μClinux嵌入式操作系统相结合的方式构建了嵌入式图像处理系统。
　　 围绕RoboCup中型组足球机器人的视觉子系统，本文主要的研究内容如下：
　　 首先，分析了RoboCup机器人视觉子系统的特点，提出了基于嵌入式平台的视觉子系统并完成了系统总体方案设计。
　　 其次，完成了系统硬件平台的建立和软件开发平台的构建。系统软件开发平台主要包括交叉编译环境的建立、U-Boot和μClinux操作系统的移植，以及SAA7113H视频解码器字符设备驱动程序的设计。
　　 再次，开发了系统应用程序，包括视频图像采集、网络传输和初步的嵌入式图像处理。因为所开发的系统本身不带GUI图形接口，研究过程中为了便于观察效果，本文采用C++Builder软件开发了Windows下的图像接收与显示软件，可显示来自RoboCup机器人视觉子系统采集得到的图像。
　　 最后，本文进行了系统的整机调试和图像处理性能测试，并对课题研究工作进行了总结和提出了展望。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2 Robocup机器人视觉子系统概述

1.3 国内外研究现状

1.3.1 足球机器人嵌入式视觉子系统研究现状

1.3.2 视觉系统已有的研究成果介绍

1.4 课题的研究内容

1.4.1 嵌入式图像处理系统概述

1.4.2 研究对象和内容安排

1.5 本章小结

第二章 嵌入式图像处理系统硬件平台的构建

2.1 嵌入式图像处理系统总体方案设计

2.1.1 嵌入式图像处理系统的方案分析

2.1.2 DSP处理器的选择

2.1.3 ADSP-BF531理器介绍

2.1.4 摄像机类型的选择

2.1.5 嵌入式图像处理系统总体设计方案的确立

2.2 嵌入式图像处理系统硬件开发平台的建立

2.2.1 ADSP-BF531核心板简介

2.2.2 视频采集接口板硬件设计

2.3 Robocup机器人嵌入式图像处理系统硬件平台

2.4 本章小结

第三章 嵌入式图像处理系统软件开发平台的构建

3.1 嵌入式操作系统的选择

3.2 嵌入式图像处理系统软件开发平台建立流程

3.3 交叉编译环境的建立

3.3.1 μClinux开发系统交叉编译环境模型

3.3.2 交叉编译工具的安装

3.4 U-Boot的移植分析

3.4.1 Bootloader的概念

3.4.2 U-Boot工程概述

3.4.3 U-Boot在ADSP-BF531平台上的移植

3.5 嵌入式Linux操作系统的移植分析

3.5.1 μClinux简介

3.5.2 μClinux在ADSP-BF531平台上的移植

3.6 嵌入式Linux设备驱动开发

3.6.1 Linux设备驱动基础

3.6.2 Linux设备的分类

3.6.3 μClinux字符设备驱动的开发

3.6.4 视频解码器SAA7113H设备驱动的实现

3.7 本章小结

第四章 嵌入式图像处理系统应用程序的开发

4.1 图像采集和网络传输程序设计

4.1.1 图像采集程序设计

4.1.2 图像网络传输程序设计

4.2 Windows下图像接收显示软件的开发

4.2.1 Windows网络编程概述

4.2.2 文件分割与内存流技术分析

4.2.3 服务器端图像接收显示软件开发

4.3 基于嵌入式Linux的图像处理技术

4.3.1 视频数据的动态存储

4.3.2 颜色分析库的建立

4.3.3 嵌入式图像处理初步

4.4 应用程序的动态调试与静态编译

4.5 应用程序的自动运行

4.6 本章小结

第五章 系统的调试与性能分析

5.1 硬件调试

5.2 软件调试

5.2.1 SAA7113H设备驱动的调试

5.2.2 μClinux下图像采集和网络传输的测试

5.3 嵌入式图像处理系统的性能分析

5.3.1 图像采集速度测试

5.3.2 图像处理性能分析

5.4 系统调试和性能分析结果

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 论文工作总结

6.2 研究工作展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文