摘 要：针对传统台灯存在的功能单一、机械开关寿命短和人性化程度偏低等诸多不利因素，设计了基于摄像头识别处理技术和FPGA技术的智能家居台灯系统。该系统通过热释电红外传感器进行人体红外感应；以舵机控制的机械臂模块为执行终端，控制台灯的高度及光照方向；采用摄像头采集图像对人手皮肤图像进行识别，实现人手所在位置的跟踪识别；采用具有Nios II嵌入式软核处理器的SoPC控制系统实现对整个系统的控制管理。实验表明,该系统能够有效地实现台灯根据人的到来自动开启;使用时，台灯的光照方向能根据人手所在位置进行自动跟踪调节；具有动作灵活、可扩展性强和识别精确等优点。
关键词：摄像头；FPGA；热释电红外传感器；智能台灯
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。
其中，h、l为线性系数。
实验表明，通过以上处理后，人手部在桌面的位置可很好地提取出来，最后通过计算手部重心位置得出机械臂应将灯光投向桌面的方位。
2.3 基于Nios II的SoPC系统的软件设计
FPGA主控系统主要用于判别摄像头采集图像是否为人体皮肤和多级的分别控制等。在其上电后，热释电红外传感器工作，其感知红外线的距离与角度可调，根据判别结果，摄像头进行图像处理，主要进行皮肤识别算法处理，对图像中心进行计算，进而控制舵机进行精确定位。系统软件流程图如图4所示。通过3.5英寸的触摸屏可以查看人体皮肤经过处理之后的效果。
3 机械臂执行动作单元设计
全方位转动机械臂相比于固定机械臂具有更大的操作空间和更高的操作灵活性，因而优化的控制系统是保证机械臂高效工作的基础[14]。本系统采用舵机控制的动力模块。舵机的控制信号是 PWM 信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。一般舵机的控制要求如图5所示。
4 系统试验验证及结果分析
4.1 模拟舵机实验结果
模拟舵机需要一个外部控制器（遥控器的接收机）产生脉宽调制信号来告诉舵机转动角度，脉冲宽度是舵机控制器所需的编码信息。舵机的控制脉冲周期为20 ms，脉宽为0.5 ms~2.5 ms，分别对应-90°~+90°的位置，如图6所示。
针对传统台灯的不利因素以及对未来美好家居生活的向往，本文设计了基于FPGA的智能家居台灯系统。系统具有部署灵活方便、稳定可靠、成本低、组装维护简单和扩展方便的特点，可以针对具体的应用环境进行相应的参数设置，有效提高了该款智能家居台灯系统的广泛适应性。
参考文献
[1] 蒋星红.基于DSP的智能机器人视觉伺服系统研究[D].镇江：江苏大学,2007.
[2] 高彩，罗庆生，韩宝玲,等.适用于新型智能机器人的高性能低功耗视觉系统[J].机械设计与制造,2008(12)：91-93.
[3] 林飞宇，王彦瑜，龙银东，等. 基于Nios-Ⅱ用于加速器监控系统的通用型可重配置嵌入式微控制器[J]. 强激光与粒子束，2009,21(6)：911-914.
[4] 刘智,夏春蕾，戴曙光.基于FPGA的图像锐化实现[J].微型机与应用, 2012，31(3):40-41.
[5] 龚涛.基于FPGA的图像采集处理系统[D].武汉：华中科技术大学,2005.
[6] ASTARLOA A, L?魣ZARO J, BIDARTE U, et al. FPGA technology for multi-axis control systems[J]. Mechatronics, 2009,19(2):258-268.
[7] 刘九维，陈锋，刑岚. 数字式CMOS摄像头在智能车中的应用[J]. 单片机与嵌入式系统应用， 2010(7)：42-44.
[8] 杨波，陈忧先. 热释电红外传感器的原理和应用[J].仪表技术，2008(6)：66-68.
[9] 彭浩，袁涛. 论台灯设计中的情感化设计[J]. 重庆科技学院学报(社会科学版)，2008(9)：161-162.
[10] 朱翔，潘峥嵘.基于OV7620的机器人视觉导航系统设计[J]. 电子测量技术，2010,33(1)：64-66.
[11] 李春明，姜威，高超,等.CMOS图像传感器芯片OV9620/OV9120及其应用[J]. 电视技术，2003(12)：66-67.
[12] 贺钦，刘文予. 数字图像传感器颜色插值算法研究[J]. 小型微型计算机系统，2007，28(8)：1482-1485.
[13] 陆军,高乐，刘涛.基于DSP和FPGA的全景图像处理系统设计与实现[J]. 电子技术应用, 2012,38(6):24-26.
[14] 李世其，刘洋，朱文革，等. 多关节轻型机械臂的设计研究[J]. 航天器工程，2009,18(3)：48-52.