FPGA系统的优化提高图像采集和处理系统的整体性能

智能机器人是一类能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在特定环境中自主运动，从而完成一定作业功能的机器人系统。目前对智能机器人的研究涉及机器人的机械结构、体系结构、环境建模、导航定位、路径规划、运动控制、多传感器信息融合、故障诊断、容错控制以及移动机器人导航控制平台等。
    现场可编程门阵列(FPGA)是在PAL、GAL和CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。FPGA可内嵌CPU或DSP内核，支持软硬件协同设计，例如，蒋星红等采用DSPC000对智能机器人视觉传感器采集到的图像进行高速信号处理[1]，并利用FPGA资源作为协处理器进行图像滤波处理;高彩等选用TMS320DM642作为核心处理芯片，利用FPGA芯片进行底层图像处理[2]。同时,FPGA可以作为片上可编程系统(SoPC)的硬件平台，非常适合于诸如数字图像处理类的数学密集型应用[3]。目前用FPGA技术来处理图像的研究正处于热门阶段,例如刘智等基于FPGA实现图像锐化[4];龚涛等基于FPGA的图像采集处理系统实现了布匹图像的采集和预处理，检测纺织行业中布匹的疵点[5]。
    本项目在传统家居台灯系统的基础上对其进行改进，研究了一种节能、智能化、人性化的现代家居智能台灯机器人，用于书桌照明的需求[6-9]。系统以嵌入Nios II软核处理器的FPGA系统为主控单元，以OV7670摄像头为图像采集模块、5个舵机控制的五自由度机械臂为执行单元，实现台灯的多自由度转动、照射目标智能跟踪等功能。
1 系统总体结构
    系统总体上可分为多舵机PWM驱动模块、摄像头模块和FPGA控制系统3大部分，如图1所示。多舵机PWM驱动模块由底层舵机、支架舵机、上层舵机以及PWM驱动电路组成，实现台灯照射方向的自动精确定位功能。FPGA控制系统采用基于友晶公司的DE2开发板,核心芯片采用Altera公司的 Cyclone II 系列，在DE2开发板上配备3.5英寸触摸屏。基于OV7670摄像头[10-11]模块配合FPGA控制系统完成图像的实时采集、帧缓存、预处理和数据处理等功能，并通过对FPGA系统的优化提高图像采集和处理系统的整体性能。