河南大學(xué) 河南 開封 475004

作為二十一世紀(jì)三大尖端技術(shù)之一的人工智能技術(shù)在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用,例如醫(yī)療健康領(lǐng)域、家居行業(yè)、高精尖行業(yè)等。隨著生活水平的普遍提高,家居行業(yè)對智能化的需求也進(jìn)入新階段,掃地機(jī)器人作為人工智能技術(shù)在家居行業(yè)的典型代表,在日常生活中也發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用。

1 人工智能和掃地機(jī)器人簡介

人工智能(Artificial Intelligence,簡稱AI),是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué),就其本質(zhì)而言,是對人的思維的信息過程的模擬。對人的思維模擬可以從結(jié)構(gòu)模擬和功能模擬兩方面進(jìn)行：結(jié)構(gòu)模擬是仿照人腦的結(jié)構(gòu)機(jī)制,制造出“類人腦”的機(jī)器；功能模擬則撇開人腦的結(jié)構(gòu),對其功能進(jìn)行模擬。人工智能進(jìn)入家庭,智能電腦、AI攝像設(shè)備、掃地機(jī)器人等的出現(xiàn)已經(jīng)并且會繼續(xù)改變我們的生活。

掃地機(jī)器人,能憑借一定的人工智能,具有掃地功能的機(jī)器人。其一般采用刷掃和真空方式,將地面的雜物吸納進(jìn)入自身的垃圾收納裝置,從而完成地面清掃的工作。掃地機(jī)器人通常為無線機(jī)器,使用電池運(yùn)作,以遙控或機(jī)器面板進(jìn)行操作。機(jī)身為自動化技術(shù)的可移動裝置,設(shè)有感應(yīng)裝置,遇到障礙物會自行轉(zhuǎn)彎,并規(guī)劃路線和清掃區(qū)域。

2 掃地機(jī)器人的主要系統(tǒng)和關(guān)鍵人工智能技術(shù)

2.1 偵測系統(tǒng) 掃地機(jī)器人在工作時應(yīng)當(dāng)有效識別障礙物并繞開,防止碰撞跌落,偵測系統(tǒng)是掃地機(jī)器人熟識家居環(huán)境不可或缺的組成部分。掃地機(jī)器人最為常用的偵測系統(tǒng)有：(1)紅外線偵測系統(tǒng)。其主要利用光感應(yīng)原理,采用紅外輻射對材料表明進(jìn)行檢測,將光信號轉(zhuǎn)換成電信號,從而判斷物體的擺放位置。紅外線偵測系統(tǒng)成本低,被大多數(shù)掃地機(jī)器人利用,但其對環(huán)境要求高,如遇淺色物質(zhì)無法返回[1]。(2)超聲波偵測系統(tǒng)。其原理是運(yùn)用類似蝙蝠和海豚的聲波探測功能,利用超聲波在空氣中的傳播速度,測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間,從而計(jì)算障礙物的距離。超聲波偵測系統(tǒng)主要被iRobot和Proscenic采用,其成本較高,但對黑色物體和透明物體的分辨度較為精確。

2.2 定位系統(tǒng) 掃地機(jī)器人想成功實(shí)現(xiàn)清掃功能還需依賴于強(qiáng)大的定位系統(tǒng),市面上掃地機(jī)器人常用的定位系統(tǒng)有：(1)RPS激光定位系統(tǒng)。其是通過激光探頭360°不斷旋轉(zhuǎn)測量掃地機(jī)器人與環(huán)境距離的變化,經(jīng)過運(yùn)算得出掃地機(jī)器人與室內(nèi)參照物的相對位置,再代入已知參照物的位置,求得機(jī)器人的絕對坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)定位。RPS激光定位的坐標(biāo)精度高,但是探頭價格昂貴,工作時也需要探頭不斷旋轉(zhuǎn),使用壽命短。美國專業(yè)品牌neato和新上市的小米采用了此種技術(shù)。(2)VSLAM圖像位移定位系統(tǒng)。其利用全景圖像采集系統(tǒng)并結(jié)合圖像拼接技術(shù)得到球形全景圖,配合SIFT特征提取方法提取參照物特征,再利用球形攝像機(jī)模型技術(shù)及多視圖幾何約束原理恢復(fù)三維信息,并且以擴(kuò)展卡爾曼濾波與粒子濾波方法進(jìn)行系統(tǒng)的更新,在復(fù)雜未知環(huán)境下實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人的自主定位。VSLAM使用較為廣泛,但也有缺點(diǎn),例如：目標(biāo)運(yùn)動過快和光線過暗都會導(dǎo)致圖像模糊,且環(huán)境特征不明顯或者特征重復(fù)也會影響其工作。VSLAM的技術(shù)框架主要包括：傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理、視覺里程計(jì)、非線性優(yōu)化、回環(huán)檢測和地圖構(gòu)建[2]。(3)無線載波室內(nèi)定位系統(tǒng)。通過充電座和掃地機(jī)器無線載波探頭雙重測量距離變化定位坐標(biāo),無線載波抗干擾能力強(qiáng),不會被家居場景干擾。(4)其他定位系統(tǒng)。iRobot的Braava系列擦地機(jī)器人應(yīng)用了北極星導(dǎo)航系統(tǒng)[3]；浦桑尼克LDS M6掃地機(jī)器人采用了無線載波+激光巡航雙定位技術(shù),兩者搭配顯著提升了定位的準(zhǔn)確度和實(shí)時性。

3 掃地機(jī)器人存在的問題及改進(jìn)策略

3.1 清潔效率較低,清掃范圍不夠全面 傳統(tǒng)的掃地機(jī)器人對墻角、墻邊等四角清潔力度不夠,清掃范圍不夠全面。其主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)掃地機(jī)器人多采用低成本的紅外線偵測系統(tǒng),并采用躲避策略規(guī)劃清掃路徑,形成了固定的清掃范圍。進(jìn)一步利用人工智能技術(shù)加強(qiáng)掃地機(jī)器人的環(huán)境識別能力和路徑規(guī)劃能力,完善系統(tǒng)算法,對角落和不同環(huán)境采用不同清掃模式,使清掃更為徹底。

3.2 對不規(guī)則物體避障能力較弱 目前市場上掃地機(jī)器人對規(guī)則物體避障能力較強(qiáng),但遇到不規(guī)則物體時,其會判斷食物,產(chǎn)生亂撞現(xiàn)象。對此可以采用超生波傳感器與紅外傳感器結(jié)合的方式,相互補(bǔ)償盲區(qū),使掃地機(jī)器人具有更大的檢測范圍,提高其避障能力[4]。

3.3 傳統(tǒng)控制方式有待改進(jìn) 掃地機(jī)器人大多采用遙控或面板控制開啟工作,使得對其控制存在著一定的局限性。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,可以開發(fā)掃地機(jī)器人的語音識別功能,提高機(jī)器人的可控性,方便用戶更改需求,增加人為語音控制后也可以在一定程度上保證清掃范圍、提高清潔效率,也能提高對障礙物的避讓能力,更好地保護(hù)掃地機(jī)器人自身。

掃地機(jī)器人在一定程度上方便了人們的生活,但其仍然存在著諸多問題,通過結(jié)合人工智能技術(shù),對偵測系統(tǒng)和定位系統(tǒng)進(jìn)行合理的選擇和改進(jìn),使掃地機(jī)器人在清潔能力、避障能力和控制方式方面均有所提高,是人工智能技術(shù)為日常生活帶來更大的便利。