關于掃地機器人與人工智能技術的研究

徐軍

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

關鍵詞：掃地機器人;人工智能;視覺;傳感器

1 掃地機器人的特點

掃地機器人歸屬于智能家電的范疇，其以人工智能技術為核心，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，對掃地機器人進行操控。單片機是掃地機器人的控制系統(tǒng)，在機器人的底部配有清掃刷，可邊移動、邊清掃。由于掃地機器人的體積較小，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。掃地機器人具備很多的優(yōu)點，其缺點也比較明顯，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航技術的掃地機器人，市場零售價格為9000元左右。因此，開發(fā)性價比高的掃地機器人已成為當前亟待解決的首要問題之一。

2 基于人工智能技術的掃地機器人導航系統(tǒng)設計

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

2.1 系統(tǒng)總體設計思路

掃地機器人的工作性質(zhì)決定了其需要隨時與作業(yè)面保持動態(tài)的交互，因此，導航系統(tǒng)應當能夠?qū)Νh(huán)境中相關信息進行實時獲取，基于這一前提，在對掃地機器人的導航系統(tǒng)進設計時，可以采用復合式體系結構。在該結構下，可將掃地機器人導航系統(tǒng)劃分為三個層次，即全局規(guī)劃層、目標分解層、控制層。同時，為對視覺圖像進行快速處理，在系統(tǒng)設計時，采用雙處理器架構，由此將導航系統(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、運動指令執(zhí)行;后者可以實現(xiàn)障礙探測、構建地圖、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行實時通信。

2.2 構建運動模型

本次設計中的掃地機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。掃地機器人在進行直線運動時，行進速度應當?shù)陀?0cm/s，旋轉(zhuǎn)時的速度則應低于90°/s，由此可將驅(qū)動輪的速度范圍設定在0～300mm/s。

2.3 功能模塊設計

2.3.1 定位模塊

在掃地機器人導航系統(tǒng)設計中，定位模塊是一個非常重要的部分，其主要任務是按照掃地機器人上的傳感器來估計機器人的位姿。在本次設計中，采用視覺與慣性兩種定位方式結合的方案，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現(xiàn)。前者的計算量較大，數(shù)據(jù)輸出頻率低，后者的計算量小，輸出頻率高。具體的定位原理如下：當掃地機器人上的攝像頭采集到圖像，并對視覺定位進行輸出后，導航系統(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器人的行進軌跡進行推測。導航系統(tǒng)會將定位模塊輸出的慣性位姿作為掃地機器人的位姿。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，本次設計中選用的是開關型，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)速進行測量，并對里程進行實時記錄。可將霍爾碼盤與驅(qū)動電機進行同軸安裝，在同軸的作用下碼盤會隨著電機進行同步轉(zhuǎn)動。

第二，陀螺儀。本次設計中，選用的是單抽數(shù)字陀螺儀，其主要作用是為掃地機器人提供偏航角的數(shù)據(jù)，該陀螺儀以高性能的單片機作為核心，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行處理，確保了輸出角速度的準確性和平穩(wěn)性。

2.3.2 運動控制模塊

這是掃地機器人導航系統(tǒng)設計中一個較為重要的環(huán)節(jié)，運動控制主要起銜接的作用，即對路徑規(guī)劃與實際運動過程進行有效地銜接。整個運動控制模塊由兩個單元構成，分別為路徑跟隨和運動指令執(zhí)行。其中路徑規(guī)劃可以完成實時的路徑輸出，ARM可以按照定位回傳的機器人位姿和運動信息，借助生成器快速生成運動控制指令，并由STM32對該指令進行執(zhí)行，控制掃地機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)\動控制指令進行接收，經(jīng)過處理后，會輸出運行速度，并對掃地機器人的運動過程進行調(diào)節(jié)。

2.3.3 環(huán)境觀測模塊

本次設計的掃地機器人在對障礙物進行檢測時，采用視覺+紅外的測距方法，并以前者為主，后者為輔，同時，為了使掃地機器人的運行更加安全，還在設計中加入了跌落、懸空及碰撞檢測。通過傳感器對環(huán)境信息進行獲取進而生成地圖。在環(huán)境觀測模塊的設計中，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，對障礙物的距離進行計算，其測距范圍可以達到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鲎病铱占暗溥M行檢測，其主要作用是確保掃地機器人的運行安全性。

2.3.4 路徑規(guī)劃模塊

為實現(xiàn)作業(yè)區(qū)域全覆蓋的目標，在本次設計中，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行避讓。由于掃地機器人在構建環(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)的實現(xiàn)

在本次設計中，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。

2.4.1 STM32子系統(tǒng)

自主導航和運動控制是該子系統(tǒng)的核心，下面重點就這兩個部分的實現(xiàn)過程進行分析。

第一，自主導航。當SYN32接收到ARM發(fā)送的自主導航指令后，運動控制單元便會按照該指令，對掃地機器人的運動速度機型調(diào)節(jié)，此時STM32會將采集到的數(shù)據(jù)結果回傳給ARM。具體的實現(xiàn)過程如下：當掃地機器人進入自主導航模式后，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)進行切換，依據(jù)新的指令對運動控制參數(shù)進行設置，隨后對傳感器數(shù)據(jù)進行更新，根據(jù)新的參數(shù)，運動控制單元會對掃地機器人的運動過程進行調(diào)節(jié)。

第二，運動控制。掃地機器人在自動導航模式下，系統(tǒng)會對串口通信進行檢查，看有無未經(jīng)處理的新指令，當接收到新的指令后，便會從自動導航模式退出，對新指令進行執(zhí)行，并進入到運動狀態(tài)更新階段，此時掃地機器人會按照傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息對機器人的運動狀態(tài)進行實時更新，如速度更新、運行里程更新等等。STM32運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。當掃地機器人處于等待狀態(tài)時，機器人會保持靜止不動，如果此時存在懸空的現(xiàn)象，那么安裝在機器人上的蜂鳴器會自動發(fā)出報警提示，當接收到新指令后，系統(tǒng)會按照新指令對控制參數(shù)進行初始化，隨后轉(zhuǎn)入到工作狀態(tài)，對運動指令進行執(zhí)行;當掃地機器人處于工作狀態(tài)時，會對碰撞、懸空及跌落等進行判斷，針對不同的事件采取相應的操作，當多個事件在同一個時間內(nèi)發(fā)生時，系統(tǒng)會按照預先設定好的事件優(yōu)先級進行執(zhí)行。狀態(tài)更新與事件處理全部完成后，運動執(zhí)行器會自行對掃地機器人的驅(qū)動輪進行調(diào)速，經(jīng)由串口將數(shù)據(jù)傳給ARM。掃地機器人的運動控制，是通過PID控制器來實現(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)送相關的控制指令，如系統(tǒng)指令、運動指令等。視覺障礙物探測和路徑規(guī)劃是該子系統(tǒng)的重點部分，下面對此進行論述。

第一，視覺障礙物探測。在本次設計中，為實現(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，坐標的連線構成了障礙物的輪廓。在該傳感器的檢測范圍內(nèi)，無障礙區(qū)域會被設定為空閑狀態(tài)，有障礙物的區(qū)域會被設定為占據(jù)狀態(tài)，掃地機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，分別為預設路徑、全局規(guī)劃以及局部規(guī)劃，其中預設路徑主要是為了實現(xiàn)單元測試，而全局和局部規(guī)劃是導航系統(tǒng)必須具備的兩種模式。掃地機器人會按照規(guī)劃好的路徑完成局部清潔任務，在進入全局規(guī)劃前，會對下一塊局部待清潔區(qū)域進行自動搜索。

3 結論

綜上所述，掃地機器人現(xiàn)已走進尋常百姓家，成為人們處理家務的好幫手。為在現(xiàn)有的基礎上，提升掃地機器人的各方面性能，并降低其價格，應當在設計研發(fā)過程中，對人工智能技術進行合理運用，從而開發(fā)出具有較高性價比的產(chǎn)品，為掃地機器人的推廣普及提供支撐。未來一段時期，應當加大相關方面的研究力度，對掃地機器人的功能進行不斷改進和完善，并將更多的人工智能技術引入到掃地機器人的設計環(huán)節(jié)當中。

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