ZigBee无线技术於影像追踪与影像传输之设计与应用解析.docx
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ZigBee无线技术於影像追踪与影像传输之设计与应用解析
ZigBee無線技術於影像追蹤與影像傳輸之設計與應用
林國煌1*謝承哲2
1
國立虎尾科技大學電機工程系副教授
2
國立虎尾科技大學電機工程系學生
摘要
本文旨在將ZigBee無線技術應用於自走車的影像追蹤與影像傳輸之功能,其架構係整合彩色影像追蹤模組、影像傳輸模組、伺服馬達控制模組、ZigBee無線通訊模組與微處理晶片,藉由雙軸式影像追蹤系統,比較色彩追蹤與動態追蹤之效能,將最佳追蹤效果的參數應用於自走車。
另一方面,本文亦應用ZigBee無線通訊模組,透過微處理晶片,達成自走車遠端控制信號與影像傳輸功能,並且在個人電腦端,亦採用VisualBasic語言設計人機介面,顯示遙控與接收影像資料的畫面。
此實驗成果可做為實作目標追蹤自走車之參考,亦可提供ZigBee無線模組之應用實例,以提昇無線技術在智慧型機器人的應用範疇。
關鍵字:
影像追蹤、影像傳輸、ZigBee無線通訊、自走車。
*連繫作者:
國立虎尾科技大學電機工程系,雲林縣虎尾鎮文化路64號。
Tel:
+886-5-6315628
Fax:
+886-5-6315607
E-mail:
mike@nfu.edu.tw
壹、前言
近年來,隨著機器人的應用與發展,機器視覺或電腦視覺被熱烈的討論與研究。
早期的影像追蹤主要應用在軍事用途上,常見的應用有雷達偵測、飛彈追蹤器等,而日常生活的應用,包括:
視訊、遠端監控、無人飛機、智慧型互動機器人等。
早期由於電腦運算數度之限制,因此只能運用一些簡單的追蹤法則,例如在想追蹤物體上加裝一個特定形狀或塗上不同顏色,如此追蹤法則只須判定指定形狀或顏色,即可完成追蹤工作[1]。
而後由於利用電腦進行數位影像處理的速度大幅提升,與硬體建置的成本的降低,使許多更為複雜的追蹤法則得以實現。
如結合視訊壓縮技術領域,所使用的三步搜尋法(3-stepsearchingmethod,首先在壓縮過的影像中進行搜尋,接著再以三步搜尋法在原始影像中在相對應區域搜尋,以獲得精確的目標位置[2]。
另外,如使用雙CCD鏡頭,同步擷取成對影像,經過影像處理方法分離目標物與背景,找尋目標物,達成立體視覺追蹤[3]。
使得電腦視覺在人工智慧的應用,扮演不可或缺的角色,其發展性與應用層次益顯重要。
在新興的短距無線技術之中,ZigBee即是一種強調低成本、低耗電、雙向傳輸、感應網路功能等特色之無線傳輸技術,並且朝著開放標準的方向發展,IEEE已將ZigBee收納為IEEE802.15.4的標準[4]。
ZigBee晶片與產品已逐漸上市,在產品發展的初期,是以工業或企業市場的感應式網路為主,提供感應辨識、燈光與安全控制等功能,再逐漸將市場擴展至家庭中的應用,在未來的發展,可以將ZigBee晶片設置在手機或遙控器上,即可以在一個空間內迅速抓取配備同樣介面的無線設施訊號,以共通的手機和遙控器控制各種家電。
分析家認為,到2006年,ZigBee設備將會達到每年4億台幣的市場規模,預計到2010年,每個家庭將會安裝大約50個ZigBee設備,將佔據家庭自動化市場的三分之二,是未來值得期待與開發的無線技術[5]。
因此本文的研究目的在於設計與實現一個結合影像追蹤控制與ZigBee無線影像傳輸的系統,並架構於自製的自走車上,以驗證ZigBee無線網路在遠端控制與無線影像傳輸的應用效能。
貳、雙軸式影像追蹤系統架構
雙軸式影像追蹤系統使用CMUcam2模組作為影像追蹤模組,雙軸(水平軸和俯仰軸馬達使用兩顆伺服馬達製作,機構採用壓克力材料,製作成品如圖1所示。
使用VisualBasic設計人機介面,如圖2所示,可接收影像追蹤模組資料與控制影像追蹤模組的狀態。
圖1雙軸式影像追蹤實體圖
圖2雙軸式影像追蹤人機介面
一、影像追蹤模組
CMUcam2模組包含SX52微型控制器與OV6620或OV7620影像處理晶片和一個CMOS鏡頭,實體如圖3所示[6]。
此模組擁有兩種追蹤模式,分別為色彩追蹤與動態追蹤,在色彩追蹤模式時擷取圖片每秒可達50張,動態追蹤模式擷取圖片時每秒可達26張,傳輸資料可以藉由RS-232或TTL串列通訊埠。
圖3CMUcam2模組
二、ZigBee無線通訊
目前在短距無線傳輸介面除了以藍芽為主流之外,新興的短距無線技術也正在發展當中,ZigBee即是一種強調低成本、低耗電、雙向傳輸、感應網路功能等特色之無線傳輸技術,並且朝著開放標準的方向發展,IEEE已將ZigBee收納為IEEE802.15.4的標準。
而ZigBee聯盟於2001年8月亦由Honeywell提出成立,目前主要的成員包括Invensys、MitsubishiElectric、Motorola、PhilipsSemiconductor以及20多家的IC設計製造與系統廠商,其基本規格如表一所示[7,8]。
ZigBee傳輸距離最遠可達100公尺,內建ZigBee裝置與裝置之間能形成所謂的蜘蛛網狀,並且可支援6萬4千個節點,此優勢是藍芽技術難以達到的目標。
另外,ZigBee晶片價格低廉,電力消耗低,因此ZigBee相當適合作為遙控裝置的傳輸方式。
本文採用ZigBee模組其包含PIC微電腦、2.4GHzZigBeeRF傳輸模組、ZigBeeRF整合型天線,如圖4所示[9]。
表一ZigBee基本規格
頻段
全球2.4GHz、歐洲868MHz、
美國915MHz。
裝置鏈結同時最多可255個裝置鏈結。
網路架構星型,樹狀,網狀
傳輸速率20Kbps~250Kbps
傳輸距離約70公尺
可使用頻道數1~16個
圖4ZigBee模組
三、ZigBee傳輸測試
此部分測試ZigBee無線傳輸時是否有錯誤產生。
透過雙軸式影像追蹤的RS232串列通訊埠連接ZigBee模組(RS232版,電腦端USB通訊埠連接ZigBee模組(USB版,透過人機介面傳送控制信號,要求CMUcam2模組傳送回鏡頭的影像。
傳輸資料採用RS232格式傳輸,傳輸速率為115200bps,資料位元為8個位元。
此部分測試發現,ZigBee傳輸控制信號方面,可正確傳輸控制信號並無問題。
ZigBee傳輸影像方面,由於CMUcam2模組原設定提供兩種大小圖片(解析度:
176×144和352×287供使用,為減少傳輸時間,使用最小圖片(解析度:
176×144測試ZigBee影像傳輸,發現ZigBee傳輸影像只能
傳送四分之三影像,如圖5所示。
此問題是由於本文所使用ZigBee模組內部暫存器容量不足所導致,因此下面將提出解決辦法。
圖5傳送四分之三的影像
(一ZigBee影像傳輸測試
由於ZigBee模組內暫存器容量不足,所以無法正常傳輸影像,因此本文提出降低影像解析度、延長傳輸時間兩種解決方法,下面將分別對兩種方式做測試。
1、降低影像解析度
此部分測試方式,調整CMUcam2模組傳送的影像解析度,測試結果如表二所示。
表二降低影像解析度傳輸結果
影像解析度影像傳輸完整度
176×144(原始設定值
75%164×13786%
160×13588%156×13393%152×13195%150×130100%
148×129100%
2、延長傳輸時間
此部分測試方式,傳輸影像解析度為176×144,調整CMUcam2模組傳輸串列資料的時間延遲。
CMUcam2模組提供了傳輸延遲的功能,可設定0~255的延遲數值,測試結果如表三所示。
表三延長傳輸時間結果
延遲數值影像傳輸完整度傳輸時間
0(無延遲75%3.0秒
1100%3.5秒5100%4.1秒10100%5.5秒25100%11.1秒
此章節測試結果發現,無設定延遲時間的情況下,傳輸影像解析度最大為150×130。
如設定延長傳輸時間,可傳輸影像解析度為176×144,但傳輸時間加長。
四、影像追蹤實驗與結果
本文影像追蹤採用CMUcam2模組作為控制
器,此模組的追蹤模式共分為兩種,一種為顏色追蹤,一種為動態追蹤,下面將分別做追蹤實驗並比較兩者的差別,測試值的評估方式,分別定義為:
(1追蹤靈敏度:
依反應時間長短為依據分為:
高(0~0.5秒、中(0.5~1.5秒、低(1.5~2.5秒。
(2追蹤穩定度:
依追蹤到物體時左右搖擺度數分為:
高(0~5度、中(5~15度、低(大於15度。
在顏色追蹤的部份共有三種變數會影響追蹤效果,分別為色彩RGB值、光亮度和色彩誤差值三種變數,下列將分別對這三種變數做實驗,其數據分別為:
表四為色彩RGB值為變數的實驗值;表五至表七為光亮度為變數的實驗值;表八至表十為色彩誤差值為變數的實驗值。
表四色彩RGB值為變數實驗值【環境設定:
光亮度為545lux,色彩誤差值為25】RGB值顏色RGB追蹤靈敏度
追蹤穩
定度紅1451916高高黃11015516高高藍163074高
高
表五光亮度為變數實驗值【環境設定:
色彩為紅
色(RGB值:
145,19,16,色彩誤差值為25】
光亮度追蹤靈敏度
追蹤穩定度
35lux低高340lux高高545lux
高
高
表六光亮度為變數實驗值【環境設定:
色彩為黃色(RGB值:
110,155,16,色彩誤差值為25】
光亮度追蹤靈敏度追蹤穩定度
35lux低高
340lux高高
545lux高高
表七光亮度為變數實驗值【環境設定:
色彩為藍色(RGB值:
16,30,74,色彩誤差值為25】
光亮度追蹤靈敏度追蹤穩定度
35lux中中
340lux高中
545lux高高
表八色彩誤差值為變數實驗值【環境設定:
色彩為紅色(RGB值:
145,19,16,光亮度為545
lux】
色彩誤差值追蹤靈敏度追蹤穩定度
5低高
15高高
25高高
35高中
45高中
表九色彩誤差值為變數實驗值【環境設定:
色彩為黃色(RGB值:
110,155,16,光亮度為545
lux】
色彩誤差值追蹤靈敏度追蹤穩定度
5低高
15高高
25高高
35高高
45中中
表十色彩誤差值為變數實驗值【環境設定:
色彩為藍色(RGB值:
16,30,74,光亮度為545
lux】
色彩誤差值追蹤靈敏度追蹤穩定度
5中高
15高高
25高高
35中中
45低低
由上列的實驗結果,當在同一種光源下且誤差值都設為25時,三種顏色追蹤效果皆很準確,追蹤距離為3.5公尺。
當光亮度為變數時,追蹤效果也隨著光亮度的變化有所改變,當光亮度下降,追蹤穩定度下降,甚至會導致無法追蹤,且追蹤距離亦有下降的趨勢。
當色彩誤差值為變數且誤差值變小時,發現追蹤穩定度增加,但有時會無法正確的追蹤,當色彩誤差數值變大時,發現追蹤靈敏度上升,但追蹤穩定度也會因而下降。
因此,光亮度以及色彩誤差值影響追蹤效果最大,為了達到最佳的追蹤效果,光亮度必須大於340lux且色彩誤差值需介於20~30之間。
另一方面,在動態追蹤實驗部分,有追蹤色彩與光亮度兩種變數:
表十一為追蹤色彩為變數的實驗值;表十二至表十四為光亮度為變數的實驗值。
表十一追蹤色彩為變數實驗值【環境設定:
光亮度為545lux】
追蹤色彩追蹤靈敏度
紅低
黃低
藍低
表十二光亮度為變數實驗值【環境設定:
追蹤色彩為紅色】
光亮度追蹤靈敏度
35lux沒反應
340lux低
545lux低
表十三光亮度為變數實驗值【環境設定:
追蹤色彩為黃色】
光亮度追蹤靈敏度
35lux沒反應
340lux低
545lux低
表十四光亮度為變數實驗值【環境設定:
追蹤色彩為藍色】
光亮度追蹤靈敏度
35lux沒反應
340lux低
545lux低
在動態追蹤的模式下,同樣使用三種顏色實驗,發現無論哪一種顏色追蹤效果皆無明顯差異且追蹤靈敏度不佳。
由實驗結果,在色彩追蹤方面,優點是追蹤準確度高,缺點是必需確定追蹤顏色RGB數值,且須足夠的光亮度和適當的誤差值的,才可以準確的追蹤顏色。
而動態追蹤方面,優點是無須知道追蹤
国虎尾科技大学学报第二十七卷第二期(民国九十七月:
27-36物体的RGB值,缺点是追踪准确低.参,影像追踪自走系统架构由上述ZigBee无线网和追踪模式测试结果,本文将ZigBee应用於遥控装置讯号传输,追踪模式采用色彩追踪模式为追踪目标的方法因此,设定三种固定的颜色为追踪目标,分别为黄,,红.本文硬体制作主要分为部分,一部分为自走体的系统架构,一部分为遥控装置的系统架构.在自走的系统架构部分使用前一章所制作的双,轴式影像追踪加至自走上体的部分一样采用,压克为主要材,子采用2个全向(外径5cm,外加舵一个(前;使用颗360伺服马达作为驱动子的马达,目标追踪自走长22公分,宽21公分,高22公分,如图6所示.采用ZigBee模组作为遥控装置与目标追踪自走之间的传输方式,再藉由BS2-IC微处晶片作为接ZigBee模组与CMUcam2模组之间的传输控制晶片,并且控制自走的移动与态,使用TTL通讯埠作为CMUcam2模组与BS2-IC的通讯方式.遥控装置系统架构,主要由6个按键与ZigBee模组所构成,外壳部分采用塑胶盒子加工制作而成,遥控装置长10公分,宽5.5公分,高4.5公分,如图7所示.图7遥控装置实体图一,BASICStamp微处晶片系BASICStamp微处晶系整合PLC多工控,制器及单晶片处功能,免除使用单晶片系工作时所需的周边装置,如模拟器,烧入器等,且具备EEPROM(程式储存,最多可支援4000指;处速可达12000/秒.因此本文使用BASICStamp微处晶片系中的BS2-IC微处晶片,如图8所示,作为接ZigBee模组与CMUcam2模组之间的传输控制晶片.图8BS2-IC微处晶片二,制作成果本实作主要透过ZigBee控制自走的移动与追踪态.当遥控装置端按下方向按钮,自走会依照所按的方向移动;当按下选择颜色钮,会使得体上的指示灯改变颜色(顺序:
黄,,红,显示的颜色也就是追踪目标的颜色;当按下态选图6目标追踪自走实体图择钮,自走就会变目前的态(手动或追踪,如在追踪态自走开始追踪所选择的目标颜32
国虎尾科技大学学报第二十七卷第二期(民国九十七月:
27-36色;当在追踪态时按下态选择钮,会改到手动态.为达到即时控制的目的,ZigBee终端装置并无设计休眠模式(休眠时间0秒,所以本文考虑ZigBee的电功能.由於是无线传输控制,并无法达到真正的即时控制,正常会慢0.1~0.3秒,但这是可容许的范围内.在遥控距测试上,由於测试空间有限,所以无法测试超过30公尺以上的距.在无阻挡物的情况下,遥控距可达到30公尺,但在中间一道墙的情况下,遥控距约20尺,且目标追踪自走反应时间也加长.在追踪态方面,追踪颜色设定有黄,和红三种颜色可以选择,三种颜色追踪效果皆为准确.但当目标物移动至光线阴暗处,可能改变目标物颜色值,导致无法追踪,所以实验部分皆在光线充足且光线变化大的情况.当目标追踪自走发现目标时,会朝著目标移动.如果目标物距在10公分内移动,只会由双轴转动追踪,体部分为会移动;如目标移动会跟著目标物移动.但是当目标移动过快,因而超出追踪画面,会使的无法追踪而停止,必须让目标回到追踪画面中,会继续追踪目标.图9系自走追踪色目标之续画面.图9追踪色目标续图4321肆,结本文成功将色彩追踪应用於自走上,但由於色彩追踪必须先设定追踪颜色范围,才可准确追踪目标.为改善此缺点,未将结合动态追踪,首先用动态追踪判断出目标位置,由微处晶片辨目标颜色,再转换成色彩追踪目标,解决必须先设定目标颜色的问题,提升追踪效能.本文提出之Zigbee於影像追踪与影像传输之设计与应用结果,透过ZigBee无线传输测试,分33析ZigBee的传输特性,并且用ZigBee模组传送遥控装置控制信号,使用影像追踪模组追踪目标,得知目标位置,再透过微处晶片接个模组,控制自走的移动与态.由实验结果,本文将ZigBee无线传输成功的应用於遥控装置上,并且於自走上加上影像追踪功能,使自走功能加强大.未研究方向将结合ZigBee定位的功能,进一步提升智慧型机器人自走功能.
国虎尾科技大学学报第二十七卷第二期(民国九十七月:
27-36考文献[1]J.FeddemaandO.Mitchell,"Vision-guidedservoingwithfeature-basedtrajectorygeneration,"IEEETrans.onRoboticsandAutomation,vol.5,pp.691-700.[2]陈宽益,"即时视觉伺服追踪系统之设计与实现",国成功大学硕士文.[3]钟书铭,"以SOPC实现强健性彩色影像物体追踪及移动预测系统",国成功大学硕士文.[4]C.E.Pughe,"ZigBeewirelessstandard,"IEEReview,vol.49,issue3,pp.28-31.[5]工研院经资中心ITIS计画,"ZigBee基本规格",2003.[6]"ImagesensorCMOS-EYE介绍与使用方法",0EYE%20P1-P5.pdf[7]W.Zhu,"WirelesstechnologyandWeb,"inProceedingsoftheIEEE6thCircuitsandSystemsSymposium,vol.1,pp.I-26.[8]N.Baker,"ZigBeeandBluetoothstrengthsandweaknessesforindustrialapplications,"J.Computing&ControlEngineering,vol.16,Issue2,pp.20-25.[9]郭永球,"ZigBee无线标准与XBee模块",p?
sublnk=article&mcontentid=34
国虎尾科技大学学报第二十七卷第二期(民国九十七月:
27-36TheDesignandApplicationofZigBeeWirelessTechniquesforImageTrackingandImageTransmissionKuo-HuangLin1*Cheng-CheHsieh21Associateprofessor,DepartmentofElectricalEngineering,NationalFormosaUniversity2Collegestudent,DepartmentofElectricalEngineering,NationalFormosaUniversityAbstractThispaperisforthepurposeofapplyingZigBeewirelesstechniquestoimagetrackingandtransmissionfunctionswhichweresetuponamobilerobot.Thesystemarchitecturewasintegratedwithcolorimagetrackingmodule,imagetransmissionmodule,servomotorcontrolmodule,ZigBeewirelesscommunicationmodule,andmicroprocessor.Theefficiencybetweencolortracinganddynamictracingareevaluatedbyusingthedual-axletypeimagetrackingsystem.Thenthebesttargettracingparametersareappliedtothemobilerobot.Ontheotherhand,thispaperalsousesZigBeewirelesscommunicationmodule,suchthefunctionsofmobilerobotremotecontrolsignalsandimagemessagestransmissionwereachieved.Moreover,ForthePCpart,thegraphicalhumanmachineinterfaceisprogrammedbyVisualBasicsoftware;suchthefunctionsofremotecontrolandimagemessagesbedisplayed.Theexperimentprovidetheimplementationreferencefortheimagetrackingmobilerobot,alsoprovidesacompletedemoforZigBeewirelessmoduleapplication.Theresultscontributethewirelesstechnologyonintelligentrobotresearch.Keywords:
imagetracking,imagetransmission,ZigBeewirelesscommunication,mobilerobot.*Correspondingauthor:
DepartmentofElectricalEngineering,NationalFormosaUniversityNo.64,Wen-HuaRoad,HuWei,YunLin,63208,Taiwan.Tel:
+886-5-6315628Fax:
+886-5-6315607E-mail:
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