擇要
本團(tuán)隊(duì)計(jì)劃了一種基于RobeiEDA對(duì)象的自動(dòng)化倉儲(chǔ)貨色分揀機(jī)器人。應(yīng)用FPGA停止HSV色采空間變更實(shí)現(xiàn)對(duì)多貨色的形心定位與追蹤，共同多自由度順運(yùn)動(dòng)學(xué)分化算法節(jié)制機(jī)器臂，大幅提高分揀服從。同時(shí)應(yīng)用多傳感器融會(huì)算法，使分揀機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)貨色條形碼辨認(rèn)；人體與事情異常檢測(cè)；負(fù)反饋補(bǔ)光等功用。應(yīng)用克己的上位機(jī)系統(tǒng)可供工作人員及時(shí)近程監(jiān)控機(jī)器人事情環(huán)境。顛末體系架構(gòu)設(shè)計(jì)與整體調(diào)試，機(jī)器人可以知足預(yù)期需要，且體系可重構(gòu)性和算法可移植性強(qiáng)，經(jīng)由過程改良可順應(yīng)分歧的應(yīng)用環(huán)境與需要。
作品實(shí)拍
1名目架構(gòu)
本名目計(jì)劃的機(jī)器人次要由兩個(gè)部門構(gòu)成，離別是圖像處理部門與運(yùn)動(dòng)節(jié)制部門，因?yàn)閳D象與順運(yùn)動(dòng)學(xué)分化均須要耗損較多的邏輯資源，同時(shí)為了模擬實(shí)際的事情情況，當(dāng)體系呈現(xiàn)問題時(shí)可以便于排查辦理，是以兩部門離別用一塊零丁的FPGA停止節(jié)制。圖象與節(jié)制部門之間經(jīng)由過程藍(lán)牙停止無線數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)圖像處理實(shí)現(xiàn)后，將數(shù)據(jù)傳送給節(jié)制部門，傳輸數(shù)據(jù)幀包括貨色顏色、坐標(biāo)信息，節(jié)制部門經(jīng)由過程解析數(shù)據(jù)幀，去實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器臂的節(jié)制，實(shí)現(xiàn)貨色的分揀事情。同時(shí)體系也包括了較多的傳感器，應(yīng)用克己的上位機(jī)可供工作人員及時(shí)監(jiān)控機(jī)器人事情環(huán)境，整體架構(gòu)設(shè)計(jì)以下圖所示。
圖像處理部門和運(yùn)動(dòng)節(jié)制部門正在RobeiEDA中的頂層架構(gòu)以下圖所示。
2算法先容
2.1RGB轉(zhuǎn)HSV算法
平常來講，紀(jì)錄及顯現(xiàn)彩色圖像時(shí)，RGB是最罕見的一種計(jì)劃。可是RGB色采空間注重顏色的分解而將顏色的屬性相混淆，正在圖像處理中，若是沒有平均轉(zhuǎn)變RGB，會(huì)轉(zhuǎn)變亮度跟飽和度，由此帶來的RGB比例轉(zhuǎn)變以至?xí)D(zhuǎn)變色調(diào)，也就是受情況光強(qiáng)影響較大，簡(jiǎn)單因?yàn)閳D像處理部門犯錯(cuò)以招致全部體系解體。而HSV(HueSaturationValue)是一種比力直觀的顏色模子，它將顏色的亮度、色調(diào)跟飽和度屬性離散，是以采取HSV顏色空間去實(shí)現(xiàn)顏色的檢測(cè)后果會(huì)更好。
實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換操縱最緊張的是除法運(yùn)算，本實(shí)例挪用了一個(gè)低耽誤的移位減法除法器去實(shí)現(xiàn)高速除法，失掉h、s的值。最初要留神保障hsv三個(gè)份量的耽誤皆同等。用Verilog實(shí)現(xiàn)RGB轉(zhuǎn)HSV的流程以下圖所示。
依據(jù)HSV空間基于區(qū)域特點(diǎn)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多運(yùn)動(dòng)方針中間的不變定位與追蹤，沒有須要挪用RAM的IP核停止邊緣處置懲罰等操縱，節(jié)約資源。
2.2順運(yùn)動(dòng)學(xué)分化算法
正在失掉了貨色坐標(biāo)后，下一步就是若何節(jié)制機(jī)器臂對(duì)響應(yīng)坐標(biāo)的貨色停止抓取了。由終極計(jì)算結(jié)果可知，實(shí)現(xiàn)開平方函數(shù)、歸正切函數(shù)、歸正弦函數(shù)跟反余弦函數(shù)再聯(lián)合除法器模塊便可實(shí)現(xiàn)機(jī)器臂依據(jù)色塊形心坐標(biāo)抓取色塊。以是前面次要對(duì)那兩個(gè)函數(shù)模塊停止先容。
2.2.1反三角函數(shù)——基于CORDIC算法的迭代位移算法
CORDIC算法的多少原理為正在XOY坐標(biāo)系中點(diǎn)P1繞原點(diǎn)扭轉(zhuǎn)θ后失掉面P2。
正在XOY坐標(biāo)系中點(diǎn)P1(x1y1)繞原點(diǎn)扭轉(zhuǎn)后失掉面P2(x2y2)，則P1跟P2兩點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)聯(lián)為：
應(yīng)用該算法停止迭代時(shí)，終極的迭代公式為：
設(shè)置迭代次數(shù)為16，人為設(shè)置x0=Πcosθi，y0=0，然后依據(jù)角度θ便可失掉cosθ=x16，sinθ=y16，arctanθ=z16。此時(shí)已實(shí)現(xiàn)歸正切函數(shù)，再逐次迫近便可失掉歸正弦、反余弦函數(shù)。顛末16級(jí)迭代，成果已與真實(shí)值十分瀕臨。由此曾經(jīng)可以失掉歸正切值，為了實(shí)現(xiàn)輸入正弦值輸出對(duì)應(yīng)歸正弦值，正在0到90°的規(guī)模內(nèi)由低到下遍歷角度計(jì)較其正弦值，當(dāng)其正弦值增大至大于即是輸入正弦值時(shí)，與此時(shí)的角度為歸正弦值。同理可以實(shí)現(xiàn)輸入余弦值輸出對(duì)應(yīng)反余弦值。試驗(yàn)測(cè)試成果以下：
2.2.2開平方函數(shù)——逐次迫近算法
起首數(shù)據(jù)輸入data[7:0]，接著設(shè)置試驗(yàn)值D_z[3:0]跟肯定值D_q[3:0]，然后依照從高往低的次序，依次將每一地位1，再將試驗(yàn)值平方后與輸入數(shù)據(jù)比力，若試驗(yàn)值的平方大于輸入值，則此位為0，反之此位為1，以此迭代到最初一名。這是一種比力罕見的算法，簡(jiǎn)略好用。
3總結(jié)與感悟
經(jīng)由過程第五屆天下大學(xué)生集成電路翻新創(chuàng)業(yè)大賽Robei杯，咱們團(tuán)隊(duì)每一個(gè)人皆學(xué)到了十分多。正在名目早期，咱們對(duì)Robei杯停止了調(diào)研，相識(shí)到RobeiEDA對(duì)象是一種全新的面向?qū)ο蟮目梢暬酒?jì)劃軟件，可以撐持基于Verilog語言的集成電路前端計(jì)劃與仿真。正在之前咱們利用的FPGA開發(fā)軟件大多皆是Quartus跟Vivado，國產(chǎn)EDA軟件少之又少，并且素來不打仗過國產(chǎn)相關(guān)的EDA軟件。RobeiEDA軟件令咱們眼前一亮，十分直觀的UI界面很吸引咱們。正在FPGA這類十分注重條理架構(gòu)設(shè)計(jì)的范疇，直觀的模塊計(jì)劃、連線對(duì)開辟的資助十分年夜，其次是正在現(xiàn)今數(shù)字IC計(jì)劃EDA軟件被外洋把持的環(huán)境下，國產(chǎn)RobeiEDA軟件的呈現(xiàn)，為中國數(shù)字IC計(jì)劃奉獻(xiàn)出了十分年夜的一份力，咱們十分的敬仰，是以毅然決定取舍Robei杯。
分揀機(jī)器人缺點(diǎn)名目停止的進(jìn)程中遇到過很多問題，正在名目早期的時(shí)侯FIFO模塊一直沒法畸形運(yùn)轉(zhuǎn)，最初咱們經(jīng)由過程利用Robei中的仿真功用，對(duì)讀寫時(shí)序一點(diǎn)點(diǎn)天停止檢查，一點(diǎn)點(diǎn)天辦理時(shí)序毛病的問題，最初終于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用FIFO對(duì)SDRAM停止讀寫的功用。在此之后咱們也深刻意識(shí)到Robei杯賽是十分注重底層和談開辟的。
中后期階段，為了進(jìn)一步優(yōu)化體系，進(jìn)步作品的程度，咱們來研討了機(jī)器臂的順運(yùn)動(dòng)學(xué)，愿望可以做到能讓機(jī)器臂對(duì)隨意率性地位的貨色停止抓取。開辟進(jìn)程十分的艱苦，由于傳統(tǒng)的順運(yùn)動(dòng)學(xué)剖析須要停止大批的浮點(diǎn)運(yùn)算，多利用嵌入式設(shè)備停止，根本很難查到利用FPGA停止順運(yùn)動(dòng)學(xué)分化節(jié)制機(jī)器臂的材料，以是咱們經(jīng)由過程剖析傳統(tǒng)順運(yùn)動(dòng)學(xué)剖析的C語言代碼，一步一步應(yīng)用Verilog語言停止編寫，并應(yīng)用RobeiEDA的仿真功用對(duì)每一步轉(zhuǎn)換出的數(shù)據(jù)停止剖析，本人編寫并挪用了良多三角運(yùn)算與除法運(yùn)算模塊，最初終于實(shí)現(xiàn)順運(yùn)動(dòng)學(xué)分化算法，使機(jī)器臂可以抓取規(guī)模內(nèi)隨意率性坐標(biāo)的貨色。
最初非常感謝小組的每一個(gè)成員，為了實(shí)現(xiàn)此次角逐各人皆花了十分多的工夫與血汗，當(dāng)看到全部體系能依照預(yù)期運(yùn)行，咱們真的皆十分快慰。這是一次難忘的閱歷，謝謝Robei，謝謝指導(dǎo)老師，也謝謝每一個(gè)為之支付過盡力的成員們，受益頗多！
寫給想要列入下一年Robei杯的同窗
Robei杯與其他的杯賽有個(gè)很大的區(qū)別，信任當(dāng)真審過標(biāo)題的同窗便會(huì)曉得，他沒有容許利用任何的軟硬核，相當(dāng)于您的一切事情，皆是必需要正在RobeiEDA上用雜Verliog自力編寫實(shí)現(xiàn)。這個(gè)劃定規(guī)矩說好也好，道欠好也欠好，看您若何來明白了。
快遞分揀機(jī)器人成品禁用這些軟硬核，最本色的感觸感染是，開辟變貧苦了，可是也十分磨煉您的底層開辟才能...波及圖像處理的話，免不了要對(duì)DDR或許SDRAM停止讀寫，F(xiàn)IFO的IP核不克不及挪用怎么辦？RAM的IP核不克不及挪用怎么辦？PS端繞沒有過來怎么辦？只能本人念門徑，或許本人來寫。可是從另一個(gè)角度念，這類劃定規(guī)矩實(shí)在會(huì)限制一個(gè)角逐的下限，也就是能實(shí)現(xiàn)的功用是有天花板的，只有您能無限瀕臨這個(gè)天花板，而且計(jì)劃的機(jī)器人功用、前景充足新奇，您的結(jié)果便必然不會(huì)好。加油！審核
樂從分揀機(jī)器人拋光機(jī)快遞分揀機(jī)器人課程報(bào)告上市公司中做分揀機(jī)器人的企業(yè)分揀機(jī)器人系統(tǒng)組成