計(jì)算機(jī)移動(dòng)應(yīng)用技術(shù)研究——以掃地機(jī)器人為例

摘要：隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，掃地機(jī)器人通過全自動(dòng)清掃功能一定程度上代替人工勞作，在家庭生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然，其中也存在一些不足。文章將在掃地機(jī)器人原理、結(jié)構(gòu)、算法和不足等方面進(jìn)行研究，力求為掃地機(jī)器人進(jìn)一步推廣和應(yīng)用提供一些幫助。

關(guān)鍵詞：算法；路徑規(guī)劃

一、引言

從消費(fèi)者的角度看，掃地機(jī)器人質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個(gè)：一是清掃的覆蓋范圍，是否能夠做到100%覆蓋；二是清掃的能力，是否能夠把各種家庭垃圾清掃干凈。掃地機(jī)器人路徑規(guī)劃算法能夠決定清掃范圍，同時(shí)也能影響清掃的效率，這也是體現(xiàn)機(jī)器人智能化程度的關(guān)鍵因素。此外，還要設(shè)計(jì)一套高效的清掃系統(tǒng)，能夠針對(duì)各種常見的家庭垃圾如毛發(fā)、灰層、顆粒物等進(jìn)行徹底回收。文章將對(duì)以上問題展開思考和論述。

二、掃地機(jī)器人工作原理、構(gòu)造及技術(shù)

1.工作原理

掃地機(jī)器人是微型計(jì)算機(jī)智能化在家居中的一種應(yīng)用，通過在計(jì)算機(jī)芯片中預(yù)定好的路徑規(guī)劃算法在家中行走，同時(shí)利用設(shè)計(jì)的清掃系統(tǒng)對(duì)家庭環(huán)境中的垃圾進(jìn)行清掃，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清掃的目的。掃地機(jī)器人的工作系統(tǒng)主要包括路徑規(guī)劃系統(tǒng)和清掃系統(tǒng)。路徑規(guī)劃系統(tǒng)決定了機(jī)器人行走的路徑，清掃系統(tǒng)決定了清掃垃圾的能力，兩大系統(tǒng)是決定掃地機(jī)器人清掃能力的主要因素。

2.構(gòu)造

掃地機(jī)器人主要由以下幾部分構(gòu)成：

1）機(jī)身：目前市場上的主流掃地機(jī)器人多采用扁平的機(jī)身設(shè)計(jì)，根據(jù)家庭環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)機(jī)身的高度提出了更高的要求。由于可以進(jìn)入到家具如沙發(fā)底部，其高度將往更加輕薄的方向發(fā)展。

2）可充電電池：電池以鎳氫電池為主，滿電一次可工作3到5小時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋址充電，電池壽命可使用3年。

3）充電座：為掃地機(jī)器人提供充電的接口。

4）旋轉(zhuǎn)掃帚與集塵盒：通過旋轉(zhuǎn)的掃帚把垃圾清掃到集塵盒，集塵盒需要定期清理。

5）前進(jìn)輪與轉(zhuǎn)向輪：一般配置兩個(gè)前進(jìn)輪和一個(gè)轉(zhuǎn)向輪，負(fù)責(zé)掃地機(jī)器人的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向移動(dòng)。

6）遙控器：為方便操控，一般配置無線遙控器。

7）其他：包括傳感器、拖布、水箱等。

3、涉及的相關(guān)技術(shù)

掃地機(jī)器人涉及的相關(guān)技術(shù)主要有：傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、清掃技術(shù)、電源技術(shù)等。

傳感技術(shù)可以采用超聲波測傳感以及紅外測距傳感，掃地機(jī)器人在行進(jìn)中利用傳感技術(shù)可以確定前方障礙物，以此采取躲避的算法。智能控制技術(shù)相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的CPU，一套好的控制技術(shù)能更好的提高掃地機(jī)器人的工作效率。清掃技術(shù)采用旋轉(zhuǎn)掃帚、拖布、集塵盒、水箱等設(shè)計(jì)，達(dá)到清掃效果。電源技術(shù)已經(jīng)較為成熟，能夠提供機(jī)器人工作的持久電量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)尋址充電。

三、掃地機(jī)器人路徑規(guī)劃及算法研究

路徑規(guī)劃是掃地機(jī)器人的核心，路徑規(guī)劃是機(jī)器人根據(jù)預(yù)定的算法，根據(jù)自身的傳感器對(duì)外界感知后規(guī)劃出一條有效的運(yùn)行線路。路徑規(guī)劃的優(yōu)劣是決定機(jī)器人掃地效率的重要因素，路徑規(guī)劃需要機(jī)器人進(jìn)行定位和環(huán)境地圖構(gòu)建。一般情況下，路徑規(guī)劃需要解決以下幾個(gè)基本問題：

一是使得機(jī)器人從當(dāng)前位置準(zhǔn)確移動(dòng)到目的位置；

二是按照預(yù)定的算法碰到障礙物后繞開障礙物，并且合理優(yōu)化下一條行進(jìn)線路；

三是行徑的線路能夠盡可能的覆蓋所有清掃區(qū)域。

路徑規(guī)劃一般分為點(diǎn)到點(diǎn)和完全遍歷兩種。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路徑規(guī)劃是從起點(diǎn)到終點(diǎn)的一條運(yùn)動(dòng)軌跡，這條運(yùn)動(dòng)軌跡是經(jīng)過合理優(yōu)化的（路徑或者時(shí)間或者代價(jià)最小），機(jī)器人通過這條軌跡可以避開障礙物順利達(dá)到終點(diǎn)。完全遍歷路勁規(guī)劃是在一個(gè)二維空間中，通過一定的算法，機(jī)器人能夠遍歷所有的區(qū)域，并且，遍歷的路徑也是經(jīng)過合理優(yōu)化的。

掃地機(jī)器人的路徑規(guī)劃是屬于完全遍歷路徑規(guī)劃，通常，這種遍歷需要滿足兩個(gè)條件，一是遍歷性，二是不重復(fù)性。遍歷性是指機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑能夠完全覆蓋房間的清掃區(qū)域，不重復(fù)性是指機(jī)器人在完成一次遍歷的過程中，其運(yùn)動(dòng)路徑不走重復(fù)的路線，以達(dá)到清掃高效的目的。在完成一次遍歷后，機(jī)器人可能會(huì)通過重復(fù)的路線進(jìn)入到下一個(gè)遍歷區(qū)。

在機(jī)器人路徑規(guī)劃中，常用到一些算法，下面將簡單介紹。

1、ABC算法（又稱人工蜂群算法）

Artificial Bees Colony（ABC）算法又稱為人工蜂群算法，最早為了解決函數(shù)優(yōu)化問題由Basturk等人提出。ABC算法的思想是模擬蜜蜂采蜜過程，把蜜蜂分為三種：分別是采蜜蜂、偵查蜂和觀察蜂。整個(gè)算法的目標(biāo)是找到最大花蜜量的地方（稱為蜜源）。在該算法中，采蜜蜂的職責(zé)是根據(jù)之前的蜜源信息尋找新的蜜源，同時(shí)，把位置信息與觀察蜂分享。觀察蜂的職責(zé)是在蜂巢中等待采蜜蜂提供蜜源信息，然后尋找新的蜜源。偵查蜂的職責(zé)是在蜂巢附件位置隨機(jī)的尋找蜜源，從而發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的有價(jià)值的蜜源。

ABC算法的流程可以大致概括為：

（1）對(duì)蜜蜂種群進(jìn)行初始化xi，i=1，2，…，SN；

（2）對(duì)種群中各類蜜蜂的適應(yīng)值進(jìn)行設(shè)定和規(guī)劃；

（3）進(jìn)行第一次循環(huán)：cycle=1；

（4）重復(fù)以上程序；

（5）偵查蜂根據(jù)第二步產(chǎn)生新的解，然后計(jì)算出一個(gè)適應(yīng)值；

（6）偵查蜂根據(jù)貪心策略選擇蜜源；

（7）根據(jù)（3）式計(jì)算選擇蜜源xi的概率pi；

（8）觀察蜂根據(jù)概率pi選擇蜜源xi，根據(jù)（2）式在該蜜源附近產(chǎn)生新的蜜源vi，并計(jì)算新蜜源vi的適應(yīng)值；

（9）觀察蜂根據(jù)貪心算法選擇蜜源；

（10）判斷是否有放棄的蜜源，如果有隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)并代替它；

（12）循環(huán)次數(shù)+1

（13）循環(huán)直到最大值cycle=MCN；

4、算法可能的改進(jìn)方式

（1）新蜜源的搜索領(lǐng)域（2）式的改進(jìn)（如：其他拓?fù)溧徲颍?/p>

（2）觀察蜂選擇雇傭蜂的概率（3）式的改進(jìn)（如：動(dòng)態(tài)的）

在該算法應(yīng)用到掃地機(jī)器人路徑規(guī)劃中，蜜蜂的采蜜行為對(duì)應(yīng)路徑優(yōu)化問題，蜜源位置對(duì)應(yīng)路徑的可行解，蜜源的大小收益度對(duì)應(yīng)可行解的質(zhì)量（路徑代價(jià)），尋找及采蜜的速度對(duì)應(yīng)路徑優(yōu)化的求解速度，最大收益度對(duì)應(yīng)最小的路徑代價(jià)。

2、粒子群算法

粒子群算法，英文為particleswarm optimization，簡稱PSO，它是Kennedy和Eberhart提出，用于對(duì)Hepper的模擬鳥群算法進(jìn)行修正的算法。該算法假設(shè)鳥為粒子，粒子能夠飛向解空間，在最佳位置降落，得到粒子最優(yōu)解。

算法模擬場景為：一群鳥在一個(gè)未知區(qū)域?qū)ふ沂澄铮僭O(shè)食物只有一處，并且初始狀態(tài)下鳥并不知食物所在。但是鳥知道自己離食物有多遠(yuǎn)，這種情況下，搜尋食物的最佳策略是什么呢？就是從離食物最近的鳥的周圍區(qū)域開始搜索。

假設(shè)鳥為“粒子”，搜索空間維度為D，并且，粒子通過fitness-function參數(shù)確定適應(yīng)值用于判斷當(dāng)前位置優(yōu)劣；每個(gè)粒子有參數(shù)用于記憶所搜尋過的最佳位置；每個(gè)粒子有一個(gè)速度參數(shù)，用于決定飛行的距離和方向，并且該速度可以根據(jù)自身和同伴的飛行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。

據(jù)此，有一下算式：

C1、C2為學(xué)習(xí)因子或者為加速系數(shù)，一般為正的常數(shù)2。r1、r2取值在0到1之間，是用于記錄區(qū)間中均勻分布的偽隨機(jī)數(shù)，Vmax表示粒子的最大速度。

掃地機(jī)器人路徑規(guī)劃算法還有多種，因篇幅限制僅對(duì)以上兩種做簡單介紹。

四、掃地機(jī)器人在應(yīng)用中的不足

不管從算法還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，目前的掃地機(jī)器人都有可改進(jìn)的地方，使得其工作效率更高，清掃的更為干凈。具體的表現(xiàn)有：1、旋轉(zhuǎn)拖把的設(shè)計(jì)還不夠理想，機(jī)器人所過之處并不能一次把所有的垃圾掃入垃圾盒，特別是一些顆粒垃圾。如何設(shè)計(jì)更為合理的旋轉(zhuǎn)模式和清理模式能夠解決此問題，是需要思考和改進(jìn)的地方。2、拖布的設(shè)計(jì)還不能清理干凈地板的灰層，特別是沾的牢固的粉塵。是否可以考慮類似路面掃地車，先用旋轉(zhuǎn)刷子清理，再用拖布擦拭，使得清理效果更佳。3、路徑算法需要進(jìn)一步優(yōu)化。機(jī)器人在路徑規(guī)劃中，還不能做到完全覆蓋，需要多次調(diào)整位置和重新啟動(dòng)來彌補(bǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡衡. 基于單目視覺的SLAM方法研究[D]. 新疆大學(xué) 2015

[2]楊恒. 基于局部特征提取匹配的視覺SLAM閉環(huán)檢測方法研究[D]. 南華大學(xué) 2015

[3]https：//blog.csdn.net/zuochao_2013/article/details/53431767？ref=myread

本文系以下項(xiàng)目的研究成果：

1.2017 年度廣西職業(yè)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目課題《計(jì)算機(jī)專業(yè)<畢業(yè)設(shè)計(jì)>網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)實(shí)踐與研究》，項(xiàng)目編號(hào)：GXGZJG2017B152。

2.2017 年度廣西現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究中心開放課題《廣西開放大學(xué)高職移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)專業(yè)人才培養(yǎng)方案研究》，項(xiàng)目編號(hào)：2017GXOUYB08。

作者簡介：李飛，男，1983.10，學(xué)歷（學(xué)位）：本科、碩士學(xué)位，專業(yè)職稱：工程師，研究方向：軟件工程、遠(yuǎn)程教育、成人教育。