摘 要： 針對傳統(tǒng)臺燈存在的功能單一、機械開關(guān)壽命短和人性化程度偏低等諸多不利因素，設(shè)計了基于攝像頭識別處理技術(shù)和FPGA技術(shù)的智能家居臺燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過熱釋電紅外傳感器進行人體紅外感應(yīng)；以舵機控制的機械臂模塊為執(zhí)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(xiàn)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(tǒng)實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制管理。實驗表明,該系統(tǒng)能夠有效地實現(xiàn)臺燈根據(jù)人的到來自動開啟;使用時，臺燈的光照方向能根據(jù)人手所在位置進行自動跟蹤調(diào)節(jié)；具有動作靈活、可擴展性強和識別精確等優(yōu)點。
關(guān)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(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在特定環(huán)境中自主運動，從而完成一定作業(yè)功能的機器人系統(tǒng)。目前對智能機器人的研究涉及機器人的機械結(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(dǎo)航控制平臺等。
現(xiàn)場可編程門陣列(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，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(xié)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(tǒng)(SoPC)的硬件平臺，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)來處理圖像的研究正處于熱門階段,例如劉智等基于FPGA實現(xiàn)圖像銳化[4];龔濤等基于FPGA的圖像采集處理系統(tǒng)實現(xiàn)了布匹圖像的采集和預(yù)處理，檢測紡織行業(yè)中布匹的疵點[5]。
本項目在傳統(tǒng)家居臺燈系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對其進行改進，研究了一種節(jié)能、智能化、人性化的現(xiàn)代家居智能臺燈機器人，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個舵機控制的五自由度機械臂為執(zhí)行單元，實現(xiàn)臺燈的多自由度轉(zhuǎn)動、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PWM驅(qū)動模塊、攝像頭模塊和FPGA控制系統(tǒng)3大部分，如圖1所示。多舵機PWM驅(qū)動模塊由底層舵機、支架舵機、上層舵機以及PWM驅(qū)動電路組成，實現(xiàn)臺燈照射方向的自動精確定位功能。FPGA控制系統(tǒng)采用基于友晶公司的DE2開發(fā)板,核心芯片采用Altera公司的 Cyclone II 系列，在DE2開發(fā)板上配備3.5英寸觸摸屏?；贠V7670攝像頭[10-11]模塊配合FPGA控制系統(tǒng)完成圖像的實時采集、幀緩存、預(yù)處理和數(shù)據(jù)處理等功能，并通過對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(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
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(tǒng)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(jīng)過處理之后的效果。
3 機械臂執(zhí)行動作單元設(shè)計
全方位轉(zhuǎn)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(yōu)化的控制系統(tǒng)是保證機械臂高效工作的基礎(chǔ)[14]。本系統(tǒng)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(tǒng)試驗驗證及結(jié)果分析
4.1 模擬舵機實驗結(jié)果
模擬舵機需要一個外部控制器（遙控器的接收機）產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號來告訴舵機轉(zhuǎn)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(yīng)-90°~+90°的位置，如圖6所示。
針對傳統(tǒng)臺燈的不利因素以及對未來美好家居生活的向往，本文設(shè)計了基于FPGA的智能家居臺燈系統(tǒng)。系統(tǒng)具有部署靈活方便、穩(wěn)定可靠、成本低、組裝維護簡單和擴展方便的特點，可以針對具體的應(yīng)用環(huán)境進行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，有效提高了該款智能家居臺燈系統(tǒng)的廣泛適應(yīng)性。
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