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        關(guān)于掃地機(jī)器人與人工智能技術(shù)的研究

        2019-10-21 09:57:47徐軍
        讀書文摘(下半月) 2019年7期
        關(guān)鍵詞:視覺人工智能傳感器

        徐軍

        摘? 要:掃地機(jī)器人是近年來出現(xiàn)的一款智能型家用電器,強(qiáng)大的功能和小巧的體積使其一經(jīng)問世便受到市場的關(guān)注。人工智能是掃地機(jī)器人的核心技術(shù),由此賦予了機(jī)器人自動完成區(qū)域范圍內(nèi)地面清潔的能力。借此,文章從掃地機(jī)器人的特點(diǎn)分析入手,論述了基于人工智能技術(shù)的掃地機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)。期望通過本文的研究能夠?qū)Υ龠M(jìn)掃地機(jī)器人整體性能的提升有所幫助。

        關(guān)鍵詞:掃地機(jī)器人;人工智能;視覺;傳感器

        1 掃地機(jī)器人的特點(diǎn)

        掃地機(jī)器人歸屬于智能家電的范疇,其以人工智能技術(shù)為核心,可自動完成對室內(nèi)地板的清潔。目前,市場中大部分掃地機(jī)器人的外形都是圓盤形,可借助控制面板或是遙控器,對掃地機(jī)器人進(jìn)行操控。單片機(jī)是掃地機(jī)器人的控制系統(tǒng),在機(jī)器人的底部配有清掃刷,可邊移動、邊清掃。由于掃地機(jī)器人的體積較小,從而使其能夠順利通過室內(nèi)不便于清潔的區(qū)域,如沙發(fā)下、床底等等。掃地機(jī)器人具備很多的優(yōu)點(diǎn),其缺點(diǎn)也比較明顯,如清掃的全面性較差、對于不規(guī)則的物體會造成破壞等。部分掃地機(jī)器人雖然性能比較完善,但價格卻非常昂貴,如某公司推出的一款采用視覺導(dǎo)航技術(shù)的掃地機(jī)器人,市場零售價格為9000元左右。因此,開發(fā)性價比高的掃地機(jī)器人已成為當(dāng)前亟待解決的首要問題之一。

        2 基于人工智能技術(shù)的掃地機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        機(jī)器視覺是人工智能技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一,基于視覺的掃地機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備如下功能:可利用視覺傳感器對作業(yè)面的信息進(jìn)行獲取,完成對障礙物的探測、地圖的構(gòu)建以及自動定位等任務(wù),以自主規(guī)劃為基礎(chǔ),對工作環(huán)境進(jìn)行全覆蓋清潔。

        2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

        掃地機(jī)器人的工作性質(zhì)決定了其需要隨時與作業(yè)面保持動態(tài)的交互,因此,導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)Νh(huán)境中相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時獲取,基于這一前提,在對掃地機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)設(shè)計(jì)時,可以采用復(fù)合式體系結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)下,可將掃地機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)劃分為三個層次,即全局規(guī)劃層、目標(biāo)分解層、控制層。同時,為對視覺圖像進(jìn)行快速處理,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時,采用雙處理器架構(gòu),由此將導(dǎo)航系統(tǒng)劃分為兩個子系統(tǒng),一個是STM32,另一個是ARM。前者能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、運(yùn)動指令執(zhí)行;后者可以實(shí)現(xiàn)障礙探測、構(gòu)建地圖、規(guī)劃路徑、視覺定位、路徑跟隨。兩個子系統(tǒng)之間采用串口的方式進(jìn)行實(shí)時通信。

        2.2 構(gòu)建運(yùn)動模型

        本次設(shè)計(jì)中的掃地機(jī)器人為市面上常見的圓盤形,底部共有三個輪子,其中一個為萬向輪,另外兩個為驅(qū)動輪。掃地機(jī)器人在進(jìn)行直線運(yùn)動時,行進(jìn)速度應(yīng)當(dāng)?shù)陀?0cm/s,旋轉(zhuǎn)時的速度則應(yīng)低于90°/s,由此可將驅(qū)動輪的速度范圍設(shè)定在0~300mm/s。

        2.3 功能模塊設(shè)計(jì)

        2.3.1 定位模塊

        在掃地機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,定位模塊是一個非常重要的部分,其主要任務(wù)是按照掃地機(jī)器人上的傳感器來估計(jì)機(jī)器人的位姿。在本次設(shè)計(jì)中,采用視覺與慣性兩種定位方式結(jié)合的方案,視覺定位借助攝像頭采集圖像來完成,慣性定位利用霍爾傳感器來實(shí)現(xiàn)。前者的計(jì)算量較大,數(shù)據(jù)輸出頻率低,后者的計(jì)算量小,輸出頻率高。具體的定位原理如下:當(dāng)掃地機(jī)器人上的攝像頭采集到圖像,并對視覺定位進(jìn)行輸出后,導(dǎo)航系統(tǒng)中的位置與姿勢校正模塊,會完成對慣性定位的校正,隨后慣性定位對掃地機(jī)器人的行進(jìn)軌跡進(jìn)行推測。導(dǎo)航系統(tǒng)會將定位模塊輸出的慣性位姿作為掃地機(jī)器人的位姿。組成定位模塊的主要硬件包括霍爾傳感器、陀螺儀。

        第一,霍爾傳感器。這是一種磁場傳感器,本次設(shè)計(jì)中選用的是開關(guān)型,整個傳感器由以下幾個部分組成:霍爾元件、穩(wěn)壓器、斯密特觸發(fā)器、差分放大器等。霍爾傳感器輸出的是數(shù)字量,通過與霍爾碼盤的配合,可對轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量,并對里程進(jìn)行實(shí)時記錄??蓪⒒魻柎a盤與驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行同軸安裝,在同軸的作用下碼盤會隨著電機(jī)進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動。

        第二,陀螺儀。本次設(shè)計(jì)中,選用的是單抽數(shù)字陀螺儀,其主要作用是為掃地機(jī)器人提供偏航角的數(shù)據(jù),該陀螺儀以高性能的單片機(jī)作為核心,能夠輸出較為精度的角度。依托數(shù)字信號處理算法對測量值進(jìn)行處理,確保了輸出角速度的準(zhǔn)確性和平穩(wěn)性。

        2.3.2 運(yùn)動控制模塊

        這是掃地機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個較為重要的環(huán)節(jié),運(yùn)動控制主要起銜接的作用,即對路徑規(guī)劃與實(shí)際運(yùn)動過程進(jìn)行有效地銜接。整個運(yùn)動控制模塊由兩個單元構(gòu)成,分別為路徑跟隨和運(yùn)動指令執(zhí)行。其中路徑規(guī)劃可以完成實(shí)時的路徑輸出,ARM可以按照定位回傳的機(jī)器人位姿和運(yùn)動信息,借助生成器快速生成運(yùn)動控制指令,并由STM32對該指令進(jìn)行執(zhí)行,控制掃地機(jī)器人逐一從路徑上的各個位姿上經(jīng)過。利用串口,STM32能夠?qū)\(yùn)動控制指令進(jìn)行接收,經(jīng)過處理后,會輸出運(yùn)行速度,并對掃地機(jī)器人的運(yùn)動過程進(jìn)行調(diào)節(jié)。

        2.3.3 環(huán)境觀測模塊

        本次設(shè)計(jì)的掃地機(jī)器人在對障礙物進(jìn)行檢測時,采用視覺+紅外的測距方法,并以前者為主,后者為輔,同時,為了使掃地機(jī)器人的運(yùn)行更加安全,還在設(shè)計(jì)中加入了跌落、懸空及碰撞檢測。通過傳感器對環(huán)境信息進(jìn)行獲取進(jìn)而生成地圖。在環(huán)境觀測模塊的設(shè)計(jì)中,選用了光測距傳感器、紅外測距傳感器、檢測傳感器。

        第一,光測距傳感器。該傳感器能夠通過對圖像中光條位置的提取,對障礙物的距離進(jìn)行計(jì)算,其測距范圍可以達(dá)到50cm,精度為厘米級。

        第二,紅外傳感器。該傳感器采用的是三角測量的方法,測距范圍在4~30cm之間,誤差不超過0.8cm。

        第三,檢測傳感器。該傳感器能夠?qū)ε鲎?、懸空及跌落進(jìn)行檢測,其主要作用是確保掃地機(jī)器人的運(yùn)行安全性。

        2.3.4 路徑規(guī)劃模塊

        為實(shí)現(xiàn)作業(yè)區(qū)域全覆蓋的目標(biāo),在本次設(shè)計(jì)中,采用全局和局部兩種規(guī)劃方式,前者屬于離線規(guī)劃,可按照生成的地圖,達(dá)到局部區(qū)域路徑;后者屬于在線規(guī)劃,除了能夠完成對局部作業(yè)區(qū)域內(nèi)的弓字形全覆蓋之外,還能按照傳感器采集到的信息對障礙物進(jìn)行避讓。由于掃地機(jī)器人在構(gòu)建環(huán)境地圖時,需要經(jīng)歷從無到有的過程,所以全局規(guī)劃使用的地圖為已知地圖。

        2.4 子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

        在本次設(shè)計(jì)中,共有兩個子系統(tǒng),分別為STM32和ARM,兩個子系統(tǒng)具有不同的任務(wù)。

        2.4.1 STM32子系統(tǒng)

        自主導(dǎo)航和運(yùn)動控制是該子系統(tǒng)的核心,下面重點(diǎn)就這兩個部分的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行分析。

        第一,自主導(dǎo)航。當(dāng)SYN32接收到ARM發(fā)送的自主導(dǎo)航指令后,運(yùn)動控制單元便會按照該指令,對掃地機(jī)器人的運(yùn)動速度機(jī)型調(diào)節(jié),此時STM32會將采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果回傳給ARM。具體的實(shí)現(xiàn)過程如下:當(dāng)掃地機(jī)器人進(jìn)入自主導(dǎo)航模式后,系統(tǒng)會自行判斷是否接收到新的指令,并按照接收到的指令對工作狀態(tài)進(jìn)行切換,依據(jù)新的指令對運(yùn)動控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,隨后對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行更新,根據(jù)新的參數(shù),運(yùn)動控制單元會對掃地機(jī)器人的運(yùn)動過程進(jìn)行調(diào)節(jié)。

        第二,運(yùn)動控制。掃地機(jī)器人在自動導(dǎo)航模式下,系統(tǒng)會對串口通信進(jìn)行檢查,看有無未經(jīng)處理的新指令,當(dāng)接收到新的指令后,便會從自動導(dǎo)航模式退出,對新指令進(jìn)行執(zhí)行,并進(jìn)入到運(yùn)動狀態(tài)更新階段,此時掃地機(jī)器人會按照傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息對機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時更新,如速度更新、運(yùn)行里程更新等等。STM32運(yùn)動控制單元擁有兩種不同的狀態(tài),一種為等待,另一種為工作。當(dāng)掃地機(jī)器人處于等待狀態(tài)時,機(jī)器人會保持靜止不動,如果此時存在懸空的現(xiàn)象,那么安裝在機(jī)器人上的蜂鳴器會自動發(fā)出報(bào)警提示,當(dāng)接收到新指令后,系統(tǒng)會按照新指令對控制參數(shù)進(jìn)行初始化,隨后轉(zhuǎn)入到工作狀態(tài),對運(yùn)動指令進(jìn)行執(zhí)行;當(dāng)掃地機(jī)器人處于工作狀態(tài)時,會對碰撞、懸空及跌落等進(jìn)行判斷,針對不同的事件采取相應(yīng)的操作,當(dāng)多個事件在同一個時間內(nèi)發(fā)生時,系統(tǒng)會按照預(yù)先設(shè)定好的事件優(yōu)先級進(jìn)行執(zhí)行。狀態(tài)更新與事件處理全部完成后,運(yùn)動執(zhí)行器會自行對掃地機(jī)器人的驅(qū)動輪進(jìn)行調(diào)速,經(jīng)由串口將數(shù)據(jù)傳給ARM。掃地機(jī)器人的運(yùn)動控制,是通過PID控制器來實(shí)現(xiàn)。

        2.4.2 ARM子系統(tǒng)

        在本次涉及中,ARM子系統(tǒng)的主要作用是向STM32發(fā)送相關(guān)的控制指令,如系統(tǒng)指令、運(yùn)動指令等。視覺障礙物探測和路徑規(guī)劃是該子系統(tǒng)的重點(diǎn)部分,下面對此進(jìn)行論述。

        第一,視覺障礙物探測。在本次設(shè)計(jì)中,為實(shí)現(xiàn)視覺障礙物探測,采用了光測距傳感器,該傳感器能夠觀測到前方90°視角內(nèi)所有障礙物,其輸出的數(shù)據(jù)格式為檢測到的障礙物坐標(biāo),坐標(biāo)的連線構(gòu)成了障礙物的輪廓。在該傳感器的檢測范圍內(nèi),無障礙區(qū)域會被設(shè)定為空閑狀態(tài),有障礙物的區(qū)域會被設(shè)定為占據(jù)狀態(tài),掃地機(jī)器人能夠自動繞開有障礙物的區(qū)域。

        第二,路徑規(guī)劃。ARM子系統(tǒng)的路徑規(guī)劃有三種模式,分別為預(yù)設(shè)路徑、全局規(guī)劃以及局部規(guī)劃,其中預(yù)設(shè)路徑主要是為了實(shí)現(xiàn)單元測試,而全局和局部規(guī)劃是導(dǎo)航系統(tǒng)必須具備的兩種模式。掃地機(jī)器人會按照規(guī)劃好的路徑完成局部清潔任務(wù),在進(jìn)入全局規(guī)劃前,會對下一塊局部待清潔區(qū)域進(jìn)行自動搜索。

        3 結(jié)論

        綜上所述,掃地機(jī)器人現(xiàn)已走進(jìn)尋常百姓家,成為人們處理家務(wù)的好幫手。為在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上,提升掃地機(jī)器人的各方面性能,并降低其價格,應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)研發(fā)過程中,對人工智能技術(shù)進(jìn)行合理運(yùn)用,從而開發(fā)出具有較高性價比的產(chǎn)品,為掃地機(jī)器人的推廣普及提供支撐。未來一段時期,應(yīng)當(dāng)加大相關(guān)方面的研究力度,對掃地機(jī)器人的功能進(jìn)行不斷改進(jìn)和完善,并將更多的人工智能技術(shù)引入到掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)當(dāng)中。

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