人工智能技術在掃地機器人中的應用

河南大學 河南 開封 475004

作為二十一世紀三大尖端技術之一的人工智能技術在很多領域都獲得了廣泛的應用,例如醫療健康領域、家居行業、高精尖行業等。隨著生活水平的普遍提高,家居行業對智能化的需求也進入新階段,掃地機器人作為人工智能技術在家居行業的典型代表,在日常生活中也發揮著愈發重要的作用。

1 人工智能和掃地機器人簡介

人工智能(Artificial Intelligence,簡稱AI),是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學,就其本質而言,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構模擬和功能模擬兩方面進行：結構模擬是仿照人腦的結構機制,制造出“類人腦”的機器；功能模擬則撇開人腦的結構,對其功能進行模擬。人工智能進入家庭,智能電腦、AI攝像設備、掃地機器人等的出現已經并且會繼續改變我們的生活。

掃地機器人,能憑借一定的人工智能,具有掃地功能的機器人。其一般采用刷掃和真空方式,將地面的雜物吸納進入自身的垃圾收納裝置,從而完成地面清掃的工作。掃地機器人通常為無線機器,使用電池運作,以遙控或機器面板進行操作。機身為自動化技術的可移動裝置,設有感應裝置,遇到障礙物會自行轉彎,并規劃路線和清掃區域。

2 掃地機器人的主要系統和關鍵人工智能技術

2.1 偵測系統 掃地機器人在工作時應當有效識別障礙物并繞開,防止碰撞跌落,偵測系統是掃地機器人熟識家居環境不可或缺的組成部分。掃地機器人最為常用的偵測系統有：(1)紅外線偵測系統。其主要利用光感應原理,采用紅外輻射對材料表明進行檢測,將光信號轉換成電信號,從而判斷物體的擺放位置。紅外線偵測系統成本低,被大多數掃地機器人利用,但其對環境要求高,如遇淺色物質無法返回[1]。(2)超聲波偵測系統。其原理是運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,測量聲波在發射后遇到障礙物反射回來的時間,從而計算障礙物的距離。超聲波偵測系統主要被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 掃地機器人想成功實現清掃功能還需依賴于強大的定位系統,市面上掃地機器人常用的定位系統有：(1)RPS激光定位系統。其是通過激光探頭360°不斷旋轉測量掃地機器人與環境距離的變化,經過運算得出掃地機器人與室內參照物的相對位置,再代入已知參照物的位置,求得機器人的絕對坐標來實現定位。RPS激光定位的坐標精度高,但是探頭價格昂貴,工作時也需要探頭不斷旋轉,使用壽命短。美國專業品牌neato和新上市的小米采用了此種技術。(2)VSLAM圖像位移定位系統。其利用全景圖像采集系統并結合圖像拼接技術得到球形全景圖,配合SIFT特征提取方法提取參照物特征,再利用球形攝像機模型技術及多視圖幾何約束原理恢復三維信息,并且以擴展卡爾曼濾波與粒子濾波方法進行系統的更新,在復雜未知環境下實現掃地機器人的自主定位。VSLAM使用較為廣泛,但也有缺點,例如：目標運動過快和光線過暗都會導致圖像模糊,且環境特征不明顯或者特征重復也會影響其工作。VSLAM的技術框架主要包括：傳感器數據預處理、視覺里程計、非線性優化、回環檢測和地圖構建[2]。(3)無線載波室內定位系統。通過充電座和掃地機器無線載波探頭雙重測量距離變化定位坐標,無線載波抗干擾能力強,不會被家居場景干擾。(4)其他定位系統。iRobot的Braava系列擦地機器人應用了北極星導航系統[3]；浦桑尼克LDS M6掃地機器人采用了無線載波+激光巡航雙定位技術,兩者搭配顯著提升了定位的準確度和實時性。

3 掃地機器人存在的問題及改進策略

3.1 清潔效率較低,清掃范圍不夠全面 傳統的掃地機器人對墻角、墻邊等四角清潔力度不夠,清掃范圍不夠全面。其主要是因為傳統掃地機器人多采用低成本的紅外線偵測系統,并采用躲避策略規劃清掃路徑,形成了固定的清掃范圍。進一步利用人工智能技術加強掃地機器人的環境識別能力和路徑規劃能力,完善系統算法,對角落和不同環境采用不同清掃模式,使清掃更為徹底。

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

3.3 傳統控制方式有待改進 掃地機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。隨著人工智能技術的發展,可以開發掃地機器人的語音識別功能,提高機器人的可控性,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,更好地保護掃地機器人自身。

掃地機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,通過結合人工智能技術,對偵測系統和定位系統進行合理的選擇和改進,使掃地機器人在清潔能力、避障能力和控制方式方面均有所提高,是人工智能技術為日常生活帶來更大的便利。