人工智能技术在扫地机器人中的应用

河南大学 河南 开封 475004

作为二十一世纪三大尖端技术之一的人工智能技术在很多领域都获得了广泛的应用,例如医疗健康领域、家居行业、高精尖行业等。随着生活水平的普遍提高,家居行业对智能化的需求也进入新阶段,扫地机器人作为人工智能技术在家居行业的典型代表,在日常生活中也发挥着愈发重要的作用。

1 人工智能和扫地机器人简介

人工智能(Artificial Intelligence,简称AI),是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学,就其本质而言,是对人的思维的信息过程的模拟。对人的思维模拟可以从结构模拟和功能模拟两方面进行：结构模拟是仿照人脑的结构机制,制造出“类人脑”的机器；功能模拟则撇开人脑的结构,对其功能进行模拟。人工智能进入家庭,智能电脑、AI摄像设备、扫地机器人等的出现已经并且会继续改变我们的生活。

扫地机器人,能凭借一定的人工智能,具有扫地功能的机器人。其一般采用刷扫和真空方式,将地面的杂物吸纳进入自身的垃圾收纳装置,从而完成地面清扫的工作。扫地机器人通常为无线机器,使用电池运作,以遥控或机器面板进行操作。机身为自动化技术的可移动装置,设有感应装置,遇到障碍物会自行转弯,并规划路线和清扫区域。

2 扫地机器人的主要系统和关键人工智能技术

2.1 侦测系统 扫地机器人在工作时应当有效识别障碍物并绕开,防止碰撞跌落,侦测系统是扫地机器人熟识家居环境不可或缺的组成部分。扫地机器人最为常用的侦测系统有：(1)红外线侦测系统。其主要利用光感应原理,采用红外辐射对材料表明进行检测,将光信号转换成电信号,从而判断物体的摆放位置。红外线侦测系统成本低,被大多数扫地机器人利用,但其对环境要求高,如遇浅色物质无法返回[1]。(2)超声波侦测系统。其原理是运用类似蝙蝠和海豚的声波探测功能,利用超声波在空气中的传播速度,测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间,从而计算障碍物的距离。超声波侦测系统主要被iRobot和Proscenic采用,其成本较高,但对黑色物体和透明物体的分辨度较为精确。

2.2 定位系统 扫地机器人想成功实现清扫功能还需依赖于强大的定位系统,市面上扫地机器人常用的定位系统有：(1)RPS激光定位系统。其是通过激光探头360°不断旋转测量扫地机器人与环境距离的变化,经过运算得出扫地机器人与室内参照物的相对位置,再代入已知参照物的位置,求得机器人的绝对坐标来实现定位。RPS激光定位的坐标精度高,但是探头价格昂贵,工作时也需要探头不断旋转,使用寿命短。美国专业品牌neato和新上市的小米采用了此种技术。(2)VSLAM图像位移定位系统。其利用全景图像采集系统并结合图像拼接技术得到球形全景图,配合SIFT特征提取方法提取参照物特征,再利用球形摄像机模型技术及多视图几何约束原理恢复三维信息,并且以扩展卡尔曼滤波与粒子滤波方法进行系统的更新,在复杂未知环境下实现扫地机器人的自主定位。VSLAM使用较为广泛,但也有缺点,例如：目标运动过快和光线过暗都会导致图像模糊,且环境特征不明显或者特征重复也会影响其工作。VSLAM的技术框架主要包括：传感器数据预处理、视觉里程计、非线性优化、回环检测和地图构建[2]。(3)无线载波室内定位系统。通过充电座和扫地机器无线载波探头双重测量距离变化定位坐标,无线载波抗干扰能力强,不会被家居场景干扰。(4)其他定位系统。iRobot的Braava系列擦地机器人应用了北极星导航系统[3]；浦桑尼克LDS M6扫地机器人采用了无线载波+激光巡航双定位技术,两者搭配显著提升了定位的准确度和实时性。

3 扫地机器人存在的问题及改进策略

3.1 清洁效率较低,清扫范围不够全面 传统的扫地机器人对墙角、墙边等四角清洁力度不够,清扫范围不够全面。其主要是因为传统扫地机器人多采用低成本的红外线侦测系统,并采用躲避策略规划清扫路径,形成了固定的清扫范围。进一步利用人工智能技术加强扫地机器人的环境识别能力和路径规划能力,完善系统算法,对角落和不同环境采用不同清扫模式,使清扫更为彻底。

3.2 对不规则物体避障能力较弱 目前市场上扫地机器人对规则物体避障能力较强,但遇到不规则物体时,其会判断食物,产生乱撞现象。对此可以采用超生波传感器与红外传感器结合的方式,相互补偿盲区,使扫地机器人具有更大的检测范围,提高其避障能力[4]。

3.3 传统控制方式有待改进 扫地机器人大多采用遥控或面板控制开启工作,使得对其控制存在着一定的局限性。随着人工智能技术的发展,可以开发扫地机器人的语音识别功能,提高机器人的可控性,方便用户更改需求,增加人为语音控制后也可以在一定程度上保证清扫范围、提高清洁效率,也能提高对障碍物的避让能力,更好地保护扫地机器人自身。

扫地机器人在一定程度上方便了人们的生活,但其仍然存在着诸多问题,通过结合人工智能技术,对侦测系统和定位系统进行合理的选择和改进,使扫地机器人在清洁能力、避障能力和控制方式方面均有所提高,是人工智能技术为日常生活带来更大的便利。