人工智能技術(shù)在掃地機(jī)器人中的應(yīng)用

張海敦 曾仁杰 陳麗娜

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110067）

掃地機(jī)器人改變著人們的生活和工作方式，能夠為人們的生活提供便利，但也存在著多種問題。人工智能技術(shù)可以改進(jìn)定位系統(tǒng)和偵測系統(tǒng)，提升掃地機(jī)器人的避障能力和清潔能力。通過探究人工智能技術(shù)，還能研發(fā)出智能開關(guān)、門鎖等家居產(chǎn)品。

1 人工智能技術(shù)和掃地機(jī)器人概述

1.1 人工智能技術(shù)概述

人工智能技術(shù)也稱為AI 技術(shù)，它是通過機(jī)器實現(xiàn)人類智能所作出反應(yīng)的一種技術(shù)，人工智能分為兩方面，即人工與智能。人工指的是以人類文明作為基礎(chǔ)，研發(fā)出高于人類智慧的產(chǎn)物；智能則是人工智能，通過計算機(jī)電子設(shè)備模仿人類行為和思維的智能方式。人工智能作為計算機(jī)的一個分支，它是通過機(jī)器執(zhí)行人類的智能功能，應(yīng)用人工智能技術(shù)可按照技術(shù)發(fā)展情況和推廣程度分為實驗、試點、推廣等，當(dāng)下正處于試點時期，在今后，人工智能技術(shù)將會廣泛地流行，走進(jìn)人們的生活。

我國自“十九大”建設(shè)智慧城市后，便提出廣泛應(yīng)用人工智能技術(shù)，北京、上海、廣州、深圳等城市均領(lǐng)先應(yīng)用，改變著人們的生活方式和工作方式。人工智能便是模擬人的思維，從功能模擬和結(jié)構(gòu)模擬兩方面開展結(jié)構(gòu)模擬，是根據(jù)人腦結(jié)構(gòu)機(jī)制制造出的機(jī)器，功能模擬是按照人腦結(jié)構(gòu)模擬器功能。人工智能信息化檢索優(yōu)化傳統(tǒng)檢索方式，使檢索內(nèi)容更加便利，用戶設(shè)置范圍和關(guān)鍵詞，從而實現(xiàn)信息化檢索。人工智能信息檢索有著智能化運行的思維，可按照運用需求推送有關(guān)信息，確保用戶能夠從眾多信息數(shù)據(jù)中獲取信息。并且人工智能技術(shù)也可以模仿人類大腦來回答問題，按照人類思維為用戶提供所需答案。

1.2 智能機(jī)器人

智能機(jī)器人應(yīng)用自身的分析學(xué)習(xí)感知功能，智能化完成設(shè)定的任務(wù)，并執(zhí)行人類的程序命令。智能機(jī)器人有著掃地功能，通常使用真空刷掃的方式，將地面雜物吸收到垃圾收納裝置，進(jìn)而完成清掃地面的工作。掃地機(jī)器人包含了無線機(jī)器應(yīng)用，電池遙控操作機(jī)器屬于自動化技術(shù)的可移動裝置，同時也設(shè)置了感應(yīng)裝置，若是碰見障礙物，則會立即轉(zhuǎn)頭，同時規(guī)劃合理的路線。智能機(jī)器人屬于自主式機(jī)器人，根據(jù)功能的不同，能夠劃分成自主型、傳感型等；根據(jù)智能程度也可劃分為農(nóng)業(yè)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、高級智能機(jī)器人等。高級機(jī)器人的作用是識別、自動規(guī)劃、判斷和推理，智能機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，通常能夠應(yīng)用在軍業(yè)、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等行業(yè)中，智能機(jī)器人和人類有著較強的互動性，工作效率高，能使用在日常生活中，比如常見的服務(wù)型機(jī)器人、消防型機(jī)器人等。掃地機(jī)器人能夠滿足用戶多樣化的需求，增加房間潔凈性，屬于眾多機(jī)器人中最受認(rèn)可的一種，因此掃地機(jī)器人有著較大的發(fā)展空間。

2 研究設(shè)計掃地機(jī)器人

2.1 分析人工智能技術(shù)

第一，機(jī)器人視覺。機(jī)器人能夠?qū)鞲衅鞑东@的二維頭像換化成符號，明確物體的位置。視覺系統(tǒng)工作包含了獲取、處理和分析圖像等內(nèi)容，視覺信息處理包含一般圖像處理和運動圖像處理，一般圖像處理應(yīng)用局部數(shù)據(jù)梯度法。運動圖像處理應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法與模糊推理法，機(jī)器人工作應(yīng)用的是機(jī)器視覺分析工作環(huán)境，便于更快地做出判斷；第二，規(guī)劃路徑。規(guī)劃路徑以便于尋找最佳路徑的過程中，按照優(yōu)化的準(zhǔn)則，確保機(jī)器人在指定的空間區(qū)域內(nèi)避開障礙物，從而實現(xiàn)目標(biāo)。使用人工智能技術(shù)規(guī)劃智能路徑，把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等人工技能在規(guī)劃中應(yīng)用，從而提升機(jī)器人的工作效率。掃地機(jī)器人要自動完成目標(biāo)內(nèi)的清掃工作，規(guī)劃路徑是幫助掃地機(jī)器人選擇適當(dāng)?shù)穆窂?，從而達(dá)到清掃能力和效率；第三，合成與識別語音。語音識別是指人工智能端點檢測、采樣量化等過程，語音合成指的是人工智能把給定的文本應(yīng)用處理的方式幻化成聲音文本，再由設(shè)備播出的流程，兩者是互逆過程，通過人工智能技術(shù)反射語音識別與合成技術(shù)。在掃地機(jī)器人的設(shè)計中，要增加機(jī)器人的控制性能，以便于客戶及時更改自身的需求。

2.2 設(shè)計掃地機(jī)器人

第一，機(jī)械設(shè)計。機(jī)械設(shè)計在掃地機(jī)器人中屬于重要的流程，為了提高掃地機(jī)器人的效率，在打掃機(jī)器人機(jī)身時，要確保符合工作要求，避免損壞機(jī)身，提升機(jī)身的裝配精準(zhǔn)度。在設(shè)計掃地機(jī)器人過程中，機(jī)身包含的系統(tǒng)主要有吸塵系統(tǒng)、清掃系統(tǒng)和行走系統(tǒng)，在工作中，機(jī)器人要按照工作要求變更工作體系，行走系統(tǒng)包含驅(qū)動電機(jī)和驅(qū)動輪，它能夠使機(jī)器人按照控制系統(tǒng)自由移動，在平面內(nèi)，掃地機(jī)器人會安裝萬向輪，使機(jī)器人更靈活。清掃系統(tǒng)包含了清掃刷，清掃刷是通過電擊帶動控制，清掃時機(jī)身左右側(cè)分別會順時針旋轉(zhuǎn)和逆時針旋轉(zhuǎn)，確保清掃中在風(fēng)口位置集中全部灰塵，為后續(xù)吸塵工作提供保證。清掃刷在使用時可按照用戶的需求與工作環(huán)境安裝清掃刷，進(jìn)而提升清掃的效率，吸塵系統(tǒng)應(yīng)用吸力能夠及時的吸入灰塵；第二，設(shè)計控制系統(tǒng)。掃地機(jī)器人以控制系統(tǒng)作為核心，同時控制系統(tǒng)也是人工智能技術(shù)的有效應(yīng)用。在規(guī)劃設(shè)計路徑模塊時，掃地機(jī)器人應(yīng)找到合適的行走轉(zhuǎn)彎值，掃地機(jī)器人視覺設(shè)計能夠增加其智能性。機(jī)器人工作時，應(yīng)用攝像頭提取工作環(huán)境中存有的障礙物，使用分析系統(tǒng)對數(shù)據(jù)開展數(shù)據(jù)采樣，從而確保機(jī)器人能夠及時躲避障礙進(jìn)行清掃工作。語音識別系統(tǒng)具有復(fù)雜性，對于安裝設(shè)備和控制系統(tǒng)有著較高的要求，因此掃地機(jī)器人需要通過Windows 系統(tǒng)來控制服務(wù)器。

2.3 掃地機(jī)器人定位系統(tǒng)

若想使掃地機(jī)器人能夠進(jìn)行清掃，就需要應(yīng)用定位系統(tǒng)。市面上的掃地機(jī)器人應(yīng)用的定位系統(tǒng)有激光定位系統(tǒng)、圖像位移定位系統(tǒng)以及無線載波室內(nèi)定位系統(tǒng)。RPS 激光定位系統(tǒng)是使用激光探頭全面旋轉(zhuǎn)，從而測量好掃地機(jī)器人距離環(huán)境的變化情況，通過運算獲得掃地機(jī)器人和室內(nèi)參照物的相對位置，并且?guī)胍阎獏⒄瘴?，獲取機(jī)器人的坐標(biāo)定位。激光定位坐標(biāo)有著較高的精準(zhǔn)度，探頭價格費用高，工作過程探頭也要反復(fù)旋轉(zhuǎn)，會縮減使用的壽命。圖像位移定位系統(tǒng)使用的是全景圖像采集系統(tǒng)與圖像拼接技術(shù)獲得全景圖，應(yīng)用球形攝像機(jī)和多視圖幾何來改變?nèi)S信息，同時擴(kuò)展粒子濾波和卡爾曼濾波方法來更新系統(tǒng)，在復(fù)雜的環(huán)境下，能夠保證掃地機(jī)器人實現(xiàn)自主的定位，使用圖像位移定位系統(tǒng)比較廣泛，但也存在著不足，如目標(biāo)運動快，光線暗均會模糊圖像，同時環(huán)境特征不明顯，也會使工作受到影響。圖像位移定位系統(tǒng)技術(shù)框架包括非線性優(yōu)化傳感器、數(shù)據(jù)預(yù)處理以及地圖構(gòu)建等。無線載波室內(nèi)定位系統(tǒng)是使用掃地機(jī)器、無線載波探頭和充電座測量變化的定位坐標(biāo)，同時無線載波有著較強的抗干擾能力，不會被其他場景所影響。

2.4 偵測系統(tǒng)

機(jī)器人工作時若是識別到障礙物，需要及時繞開，避免出現(xiàn)跌落碰撞的情況。偵測系統(tǒng)作為掃地機(jī)器人在識別家居環(huán)境中的重要組成部分，包括了紅外線偵測系統(tǒng)和超聲波偵測系統(tǒng)。紅外線偵測系統(tǒng)是應(yīng)用光感應(yīng)的原理，使用紅外輻射檢測材料，由光信號幻化為電信號，進(jìn)而判斷擺放物體的位置。紅外線偵測的費用低，通常應(yīng)用在掃地機(jī)器人中，但如果是遇到淺色物質(zhì)便無法判別，因此對環(huán)境有著較高的要求。超聲波偵測系統(tǒng)的原理和海豚聲波探測功能相似，使用超聲波在空氣中傳播的速度測聲波，若是遇到障礙物會反射回來，測量此段時間，計算障礙物的距離。超聲波偵測系統(tǒng)的成本費用高，但卻能準(zhǔn)確地辨別透明物體與黑色物體[1]。

3 掃地機(jī)器人遇到的問題

3.1 清掃范圍小，防控報警能力差

傳統(tǒng)掃地機(jī)器人存在的主要問題便是清掃范圍小，為了節(jié)省費用，商家會選擇落后的技術(shù)，致使無法全面清掃。一些掃地機(jī)器人會使用紅外線傳感技術(shù)，此項技術(shù)的成本低，通過紅外線反射來判斷是否遇到障礙物，然后制定規(guī)劃清掃的路徑和躲避路徑，進(jìn)而變?yōu)楣潭ㄇ鍜叻秶Ｒ恍叩貦C(jī)器人雖然具有清掃的作用，但卻不具備遠(yuǎn)程監(jiān)控的作用，使掃地機(jī)器人缺少防盜報警的功能。一些掃地機(jī)器人不具備人臉識別和語音識別，致使人機(jī)無法實現(xiàn)交互，也無法識別人臉和語音，甚至一些掃地機(jī)器人不具備定位功能，致使在被盜時無法為主人提供自身的位置。

3.2 缺少避障能力

掃地機(jī)器人遇到障礙物會立即自動躲避，但使用紅外傳感探測技術(shù)無法判斷出家具情況，從而出現(xiàn)亂撞現(xiàn)象。掃地機(jī)器人能夠準(zhǔn)確識別具有規(guī)則形狀的家具，但卻判斷不出不規(guī)則的家具，出現(xiàn)亂撞情況。掃地機(jī)器人傳感器若是遇到灰塵，則可能會將其識別成樓梯，使用躲避策略，出現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)彎的情況[2]。

4 優(yōu)化掃地機(jī)器人人工智能技術(shù)

4.1 加強人工智能規(guī)劃的能力，提高防盜報警能力

應(yīng)用人工智能能夠提升掃地機(jī)器人識別環(huán)境的能力，使機(jī)器人準(zhǔn)確判斷衛(wèi)生間、客廳、臥室，按照各環(huán)境應(yīng)用的清掃模式制定規(guī)避策略，提升掃地機(jī)器人規(guī)劃路徑的能力，確保能夠全面化的清掃。人工智能技術(shù)能夠使掃地機(jī)器人實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，提升防盜報警能力。使用人工智能技術(shù)，提高人臉識別和語音識別的功能，使機(jī)器人辨別出陌生人與主人，提升防盜報警的能力。同時也要為機(jī)器人提供5G、4G 和GPS技術(shù)，確保機(jī)器人能提供自身位置信息，提高防盜報警的能力。

4.2 優(yōu)化人工智能避障能力

使用人工智能技術(shù)，可以加強掃地機(jī)器人躲避障礙的能力，比如人工智能技術(shù)可以和PDA 控制器結(jié)合，提升識別障礙的能力，從而加強躲避障礙功能的穩(wěn)定性[3]。

5 掃地機(jī)器人行業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

5.1 掃地機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

掃地機(jī)器人在家務(wù)機(jī)器人中屬于高銷售的類別，銷售總量接近數(shù)千萬臺，它能夠在指定的人工智能技術(shù)幫助下實現(xiàn)自動清掃功能，同時清掃過程也會使用真空或刷子打掃[4]。

5.2 掃地機(jī)器人發(fā)展趨勢

第一，使用高性能性價比的傳感器。高端機(jī)器應(yīng)用線掃描激光雷達(dá)傳感器掃地功能，其傳感器選擇的多數(shù)是紅外傳感器和接觸式傳感器。智能掃地機(jī)器人合理設(shè)置以及規(guī)劃路徑需求，傳感器傳達(dá)信息少，人們的需求多，無法和人們的需求相匹配，在今后發(fā)展過程中，智能化、高效率的傳感器能夠為掃地機(jī)器人提供具有價值的參考信息；第二，拓展使用智能算法，按照圖像處理技術(shù)和識別技術(shù)改善識別物體的性能，在今后也會使掃地機(jī)器人更加符合家庭需求，確保人機(jī)交互能力得到提升。探究智能人機(jī)界面，進(jìn)而為用戶提供準(zhǔn)確化服務(wù)，加強機(jī)器和用戶間的協(xié)調(diào)性，機(jī)器人在今后也會獲取更多自主權(quán)，從而實現(xiàn)創(chuàng)新。智能掃地機(jī)器人的功能定位有著多樣化、智能化和簡單化特征，能夠完成人機(jī)交互的工作；第三，多功能模塊化集成，模塊化集成是通過掃地機(jī)器人吸附清掃，使掃地機(jī)器人主體能夠平臺化，在室內(nèi)實現(xiàn)智能移動，合理的規(guī)劃躲避障礙物。軟件和硬件實現(xiàn)交互，加載其他模塊化形式，進(jìn)而為用戶創(chuàng)造更多選擇的機(jī)會，實現(xiàn)市場細(xì)分；第四，模式識別。模式識別作為人工智能技術(shù)探究的主要內(nèi)容，屬于計算機(jī)自動識別技術(shù)，能夠自動識別物體、文字和聲音。結(jié)合掃地機(jī)器人和模式識別技術(shù)，從而改善機(jī)器人感知外界環(huán)境的能力，合理使用模式識別技術(shù)判斷外在環(huán)境，完成仿人工智能機(jī)器目標(biāo)。智能機(jī)器人識別系統(tǒng)可實現(xiàn)識別三維復(fù)雜物的目標(biāo)，今后發(fā)展方向也是識別活動目標(biāo)，只有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能技術(shù)配合，才可以識別更多物體，加速掃地機(jī)器人工作效率；第五，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含多個神經(jīng)元，有著處理能力和學(xué)習(xí)能力，這也是掃地機(jī)器人今后發(fā)展的主要方向。在人工智能技術(shù)中使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以有效解決定量和定性的問題，提升人工智能技術(shù)發(fā)展效率和水平[5]。

6 結(jié)語

綜上所述，應(yīng)用人工智能技術(shù)能夠培養(yǎng)掃地機(jī)器人識別環(huán)境、選擇路徑的能力，實施有效的策略能加強掃地機(jī)器人視覺判斷力，比如在醫(yī)院看到的導(dǎo)診機(jī)器人或者在展館看到的咨詢機(jī)器人。人工智能技術(shù)能提升掃地機(jī)器人規(guī)劃路徑和防盜能力，有著一定的推廣價值和意義。