關(guān)于掃地機(jī)器人與人工智能技術(shù)的研究

徐軍

摘? 要：掃地機(jī)器人是近年來(lái)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(wèn)世便受到市場(chǎng)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(dòng)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(guò)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(jué);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(dòng)完成對(duì)室內(nèi)地板的清潔。目前，市場(chǎng)中大部分掃地機(jī)器人的外形都是圓盤(pán)形，可借助控制面板或是遙控器，對(duì)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(dòng)、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(guò)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(duì)于不規(guī)則的物體會(huì)造成破壞等。部分掃地機(jī)器人雖然性能比較完善，但價(jià)格卻非常昂貴，如某公司推出的一款采用視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)的掃地機(jī)器人，市場(chǎng)零售價(jià)格為9000元左右。因此，開(kāi)發(fā)性?xún)r(jià)比高的掃地機(jī)器人已成為當(dāng)前亟待解決的首要問(wèn)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(jué)是人工智能技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，基于視覺(jué)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(jué)傳感器對(duì)作業(yè)面的信息進(jìn)行獲取，完成對(duì)障礙物的探測(cè)、地圖的構(gòu)建以及自動(dòng)定位等任務(wù)，以自主規(guī)劃為基礎(chǔ)，對(duì)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(shí)與作業(yè)面保持動(dòng)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(shí)獲取，基于這一前提，在對(duì)掃地機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，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(gè)層次，即全局規(guī)劃層、目標(biāo)分解層、控制層。同時(shí)，為對(duì)視覺(jué)圖像進(jìn)行快速處理，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用雙處理器架構(gòu)，由此將導(dǎo)航系統(tǒng)劃分為兩個(gè)子系統(tǒng)，一個(gè)是STM32，另一個(gè)是ARM。前者能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、運(yùn)動(dòng)指令執(zhí)行;后者可以實(shí)現(xiàn)障礙探測(cè)、構(gòu)建地圖、規(guī)劃路徑、視覺(jué)定位、路徑跟隨。兩個(gè)子系統(tǒng)之間采用串口的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

2.2 構(gòu)建運(yùn)動(dòng)模型

本次設(shè)計(jì)中的掃地機(jī)器人為市面上常見(jiàn)的圓盤(pán)形，底部共有三個(gè)輪子，其中一個(gè)為萬(wàn)向輪，另外兩個(gè)為驅(qū)動(dòng)輪。掃地機(jī)器人在進(jìn)行直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，行進(jìn)速度應(yīng)當(dāng)?shù)陀?0cm/s，旋轉(zhuǎn)時(shí)的速度則應(yīng)低于90°/s，由此可將驅(qū)動(dòng)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(gè)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(lái)估計(jì)機(jī)器人的位姿。在本次設(shè)計(jì)中，采用視覺(jué)與慣性?xún)煞N定位方式結(jié)合的方案，視覺(jué)定位借助攝像頭采集圖像來(lái)完成，慣性定位利用霍爾傳感器來(lái)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(duì)視覺(jué)定位進(jìn)行輸出后，導(dǎo)航系統(tǒng)中的位置與姿勢(shì)校正模塊，會(huì)完成對(duì)慣性定位的校正，隨后慣性定位對(duì)掃地機(jī)器人的行進(jìn)軌跡進(jìn)行推測(cè)。導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)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(chǎng)傳感器，本次設(shè)計(jì)中選用的是開(kāi)關(guān)型，整個(gè)傳感器由以下幾個(gè)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?；魻杺鞲衅鬏敵龅氖菙?shù)字量，通過(guò)與霍爾碼盤(pán)的配合，可對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)里程進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄?？蓪⒒魻柎a盤(pán)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行同軸安裝，在同軸的作用下碼盤(pán)會(huì)隨著電機(jī)進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

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(hào)處理算法對(duì)測(cè)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(dòng)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(gè)較為重要的環(huán)節(jié)，運(yùn)動(dòng)控制主要起銜接的作用，即對(duì)路徑規(guī)劃與實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行有效地銜接。整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制模塊由兩個(gè)單元構(gòu)成，分別為路徑跟隨和運(yùn)動(dòng)指令執(zhí)行。其中路徑規(guī)劃可以完成實(shí)時(shí)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(dòng)信息，借助生成器快速生成運(yùn)動(dòng)控制指令，并由STM32對(duì)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(gè)位姿上經(jīng)過(guò)。利用串口，STM32能夠?qū)\(yùn)動(dòng)控制指令進(jìn)行接收，經(jīng)過(guò)處理后，會(huì)輸出運(yùn)行速度，并對(duì)掃地機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.3.3 環(huán)境觀(guān)測(cè)模塊

本次設(shè)計(jì)的掃地機(jī)器人在對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，采用視覺(jué)+紅外的測(cè)距方法，并以前者為主，后者為輔，同時(shí)，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(cè)。通過(guò)傳感器對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行獲取進(jìn)而生成地圖。在環(huán)境觀(guān)測(cè)模塊的設(shè)計(jì)中，選用了光測(cè)距傳感器、紅外測(cè)距傳感器、檢測(cè)傳感器。

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

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

第三，檢測(cè)傳感器。該傳感器能夠?qū)ε鲎?、懸空及跌落進(jìn)行檢測(cè)，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?jī)煞N規(guī)劃方式，前者屬于離線(xiàn)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(xiàn)規(guī)劃，除了能夠完成對(duì)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(duì)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(shí)，需要經(jīng)歷從無(wú)到有的過(guò)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(gè)子系統(tǒng)，分別為STM32和ARM，兩個(gè)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(dòng)控制是該子系統(tǒng)的核心，下面重點(diǎn)就這兩個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)過(guò)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(dòng)控制單元便會(huì)按照該指令，對(duì)掃地機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度機(jī)型調(diào)節(jié)，此時(shí)STM32會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果回傳給ARM。具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)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(huì)自行判斷是否接收到新的指令，并按照接收到的指令對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行切換，依據(jù)新的指令對(duì)運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，隨后對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，根據(jù)新的參數(shù)，運(yùn)動(dòng)控制單元會(huì)對(duì)掃地機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)。

第二，運(yùn)動(dòng)控制。掃地機(jī)器人在自動(dòng)導(dǎo)航模式下，系統(tǒng)會(huì)對(duì)串口通信進(jìn)行檢查，看有無(wú)未經(jīng)處理的新指令，當(dāng)接收到新的指令后，便會(huì)從自動(dòng)導(dǎo)航模式退出，對(duì)新指令進(jìn)行執(zhí)行，并進(jìn)入到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更新階段，此時(shí)掃地機(jī)器人會(huì)按照傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，如速度更新、運(yùn)行里程更新等等。STM32運(yùn)動(dòng)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(shí)，機(jī)器人會(huì)保持靜止不動(dòng)，如果此時(shí)存在懸空的現(xiàn)象，那么安裝在機(jī)器人上的蜂鳴器會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警提示，當(dāng)接收到新指令后，系統(tǒng)會(huì)按照新指令對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行初始化，隨后轉(zhuǎn)入到工作狀態(tài)，對(duì)運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行執(zhí)行;當(dāng)掃地機(jī)器人處于工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)對(duì)碰撞、懸空及跌落等進(jìn)行判斷，針對(duì)不同的事件采取相應(yīng)的操作，當(dāng)多個(gè)事件在同一個(gè)時(shí)間內(nèi)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)按照預(yù)先設(shè)定好的事件優(yōu)先級(jí)進(jìn)行執(zhí)行。狀態(tài)更新與事件處理全部完成后，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器會(huì)自行對(duì)掃地機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)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(dòng)控制，是通過(guò)PID控制器來(lái)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(dòng)指令等。視覺(jué)障礙物探測(cè)和路徑規(guī)劃是該子系統(tǒng)的重點(diǎn)部分，下面對(duì)此進(jìn)行論述。

第一，視覺(jué)障礙物探測(cè)。在本次設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)視覺(jué)障礙物探測(cè)，采用了光測(cè)距傳感器，該傳感器能夠觀(guān)測(cè)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(cè)到的障礙物坐標(biāo)，坐標(biāo)的連線(xiàn)構(gòu)成了障礙物的輪廓。在該傳感器的檢測(cè)范圍內(nèi)，無(wú)障礙區(qū)域會(huì)被設(shè)定為空閑狀態(tài)，有障礙物的區(qū)域會(huì)被設(shè)定為占據(jù)狀態(tài)，掃地機(jī)器人能夠自動(dòng)繞開(kāi)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(cè)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(huì)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(huì)對(duì)下一塊局部待清潔區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)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(jià)格，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，對(duì)人工智能技術(shù)進(jìn)行合理運(yùn)用，從而開(kāi)發(fā)出具有較高性?xún)r(jià)比的產(chǎn)品，為掃地機(jī)器人的推廣普及提供支撐。未來(lái)一段時(shí)期，應(yīng)當(dāng)加大相關(guān)方面的研究力度，對(duì)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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