智能家居機(jī)器人的開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

楊蘇娟 周非凡 南京郵電大學(xué)

1 環(huán)境感知技術(shù)

人工智能環(huán)境感知技術(shù)是實現(xiàn)自主機(jī)器定位、導(dǎo)航的前提，通過對周圍環(huán)境進(jìn)行有效的感知，人工智能可以更好地進(jìn)行自主定位、環(huán)境探索與自主導(dǎo)航等基本任務(wù)的實施。環(huán)境感知技術(shù)是人工智能自主行為理論中的重要研究內(nèi)容，具有十分重要的研究意義。

人工智能的環(huán)境感知技術(shù)的研究分為三個方面。1、環(huán)境信息的獲取。人工智能可以通過各種傳感器來獲取周圍環(huán)境的信息，在這次的項目中我們將利用視覺傳感器將景物的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。2、環(huán)境信息的提取與處理。視覺傳感器可以直接對外界環(huán)境進(jìn)行拍攝，提取物體的顏色、邊界等特征信息，然后對特征進(jìn)行去噪、聚類和匹配等處理，達(dá)到對環(huán)境進(jìn)行識別的目的。3、對外界環(huán)境特征進(jìn)行提取和處理后，在完全位未知的環(huán)境中，人工智能利用自身攜帶的傳感器，如激光測距儀、超聲傳感器、視覺攝像頭等感知環(huán)境，從得到的感知信息中提取出環(huán)境特征，構(gòu)建出環(huán)境地圖。

2 語音識別技術(shù)

根據(jù)對說話人說話方式的要求，可以分為孤立字（詞）語音識別系統(tǒng)，連接字語音識別系統(tǒng)以及連續(xù)語音識別系統(tǒng)。 根據(jù)對說話人的依賴程度可以分為特定人和非特定人語音識別系統(tǒng)。語音識別技術(shù)主要包括特征提取技術(shù)、模式匹配準(zhǔn)則及模型訓(xùn)練技術(shù)三個方面。此外，還涉及到語音識別單元的選取。

（1）語音識別單元的選取

選擇識別單元是語音識別研究的第一步。語音識別單元有單詞（句）、音節(jié)和音素三種，具體選擇哪一種，由具體的研究任務(wù)決定。音節(jié)單元多見于漢語語音識別，主要因為漢語是單音節(jié)結(jié)構(gòu)的語言，而英語是多音節(jié)，并且漢語雖然有大約1300個音節(jié)，但若不考慮聲調(diào)，約有408個無調(diào)音節(jié)，數(shù)量相對較少。因此，對于中、大詞匯量漢語語音識別系統(tǒng)來說，以音節(jié)為識別單元基本是可行的。

（2）特征參數(shù)提取技術(shù)

從信息論角度講，這是信息壓縮的過程。 線性預(yù)測（LP）分析技術(shù)是目前應(yīng)用廣泛的特征參數(shù)提取技術(shù)，許多成功的應(yīng)用系統(tǒng)都采用基于LP技術(shù)提取的倒譜參數(shù)。

（3）模式匹配及模型訓(xùn)練技術(shù)

模型訓(xùn)練是指按照一定的準(zhǔn)則，從大量已知模式中獲取表征該模式本質(zhì)特征的模型參數(shù)，而模式匹配則是根據(jù)一定準(zhǔn)則，使未知模式與模型庫中的某一個模型獲得最佳匹配。語音識別所應(yīng)用的模式匹配和模型訓(xùn)練技術(shù)主要有動態(tài)時間歸正技術(shù)（DTW）、隱馬爾可夫模型（HMM）和人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)（ANN）。

DTW是較早的一種模式匹配和模型訓(xùn)練技術(shù)，但因其不適合連續(xù)語音大詞匯量語音識別系統(tǒng)，目前已被HMM模型和ANN替代。

HMM模型是語音信號時變特征的有參表示法。它由相互關(guān)聯(lián)的兩個隨機(jī)過程共同描述信號的統(tǒng)計特性。模型參數(shù)包括HMM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率及描述觀察符號統(tǒng)計特性的一組隨機(jī)函數(shù)。

ANN本質(zhì)上是一個自適應(yīng)非線性動力學(xué)系統(tǒng)，模擬了人類神經(jīng)元活動的原理，具有自學(xué)、聯(lián)想、對比、推理和概括能力。

3 路徑規(guī)劃和避障技術(shù)

機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)，就是機(jī)器人根據(jù)自身傳感器對環(huán)境的感知，自行規(guī)劃出一條安全的運(yùn)行路線，同時高效完成作業(yè)任務(wù)。移動機(jī)器人路徑規(guī)劃主要解決3個問題：(1) 使機(jī)器人能從初始點運(yùn)動到目標(biāo)點；(2) 用一定的算法使機(jī)器人能繞開障礙物，并且經(jīng)過某些必須經(jīng)過的點完成相應(yīng)的作業(yè)任務(wù)；(3) 在完成以上任務(wù)的前提下，盡量優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)行軌跡。按照策略分類，路徑規(guī)劃算法可以分為一下四類：模版匹配路徑規(guī)劃技術(shù)、人工勢場路徑規(guī)劃技術(shù)、地圖構(gòu)建路徑規(guī)劃技術(shù)和人工智能路徑規(guī)劃技術(shù)。其中人工勢場路徑規(guī)劃技術(shù)的優(yōu)點為算法簡明，實時性良好,占用計算資源少，規(guī)劃路徑軌跡圓滑，非常適合移動機(jī)器人領(lǐng)域，因此本課題采用人工勢場法路徑規(guī)劃技術(shù)，結(jié)合超聲波傳感器，實現(xiàn)路徑規(guī)劃和避障。

4 應(yīng)用場景

兩個場景：主人回家的場景及需要搜尋物品的場景。

智能家居機(jī)器人與其他的機(jī)器人不同地方就在于它是陪伴型的機(jī)器人，而陪伴的過程中最直接的接觸就是交流，包括回到家打開門就可以看見機(jī)器人是對感情很好的發(fā)展，也能使人對機(jī)器人產(chǎn)生感情和依賴。當(dāng)主人回到家，在門外喊開門時，機(jī)器人就會進(jìn)行語音識別，在確認(rèn)無誤后調(diào)用各種功能前進(jìn)至門口把將門打開，迎接主人歸家。

而搜尋物品的場景是當(dāng)主人當(dāng)即需要拿到某一件物品時，它能夠準(zhǔn)確無誤地找到此物品并將其交與主人。這就解決了主人出門前手忙腳亂找不到鑰匙手機(jī)錢包等的困擾，也能在日常生活中解決常常遇到的冥思苦想無法想起過往的物件所放置的位置的問題。總而言之，智能家居只是智能機(jī)器人的一個應(yīng)用方面，在這個方面它還有更廣大的空間可以不斷發(fā)展。

[1]DongCaiYu. Mobile robot autonomous navigation and positioning technology.