一種清潔機(jī)器人清潔效率測(cè)試方法的研究*

褥 銅，劉念源，潘錦萍

（1.順德出入境檢驗(yàn)檢疫局綜合技術(shù)服務(wù)中心，廣東順德 528303；2.重慶海關(guān)技術(shù)中心，重慶 400025）

0 引言

清潔機(jī)器人在歐美韓日普及度高，其技術(shù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)也比較細(xì)化，而我國(guó)清潔機(jī)器人的發(fā)展迅速，各種品牌的性能參差不齊[1]。而目前專門(mén)針對(duì)家用智能清潔機(jī)器人性能檢測(cè)的技術(shù)平臺(tái)較少，對(duì)智能清潔機(jī)器人清潔能力的測(cè)試與評(píng)估的指標(biāo)相對(duì)單一，特別是對(duì)于清潔效率相關(guān)的路徑規(guī)劃?rùn)z測(cè)的指標(biāo)不足。

1 測(cè)試需求分析

1.1 標(biāo)準(zhǔn)需求

國(guó)際電工委員會(huì)與歐盟于2014年出臺(tái)了《IEC 62929:2014家用清潔機(jī)器人干燥清潔:測(cè)量性能的方法》[2]、《EN 62929:2014家用清潔機(jī)器人干燥清潔:測(cè)量性能的方法》[3]，而我國(guó)則于2015年出臺(tái)了《QB/T 4833-2015家用和類似用途清潔機(jī)器人》[4]。從標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容看，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)部分參照了IEC和EN標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，測(cè)試內(nèi)容包括覆蓋率、硬地板除塵能力、邊角除塵能力、防跌落能力、越障能力、自動(dòng)充電功能、預(yù)約清掃功能、遙控功能、噪聲、工作壽命。IEC和EN標(biāo)準(zhǔn)則更細(xì)化和具體，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)場(chǎng)景更加復(fù)雜，除了硬地清潔之外，還包括了地毯清潔方面的內(nèi)容，主要測(cè)試內(nèi)容包括空間除塵能力、直線除塵能力、自動(dòng)導(dǎo)航/覆蓋能力、機(jī)器人平均速度。無(wú)論是國(guó)標(biāo)還是IEC和EN標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)清潔效率與能力的主要測(cè)試為覆蓋率（自動(dòng)導(dǎo)航/覆蓋能力）、硬地板除塵能力（空間除塵能力、直線除塵能力、邊角除塵能力）的測(cè)試，另外，IEC和EN標(biāo)準(zhǔn)中的平均速度的測(cè)試也有效體現(xiàn)出清潔機(jī)器人的整體清潔效率。

1.2 企業(yè)需求

智能清潔機(jī)器人技術(shù)上最復(fù)雜的就屬路徑規(guī)劃，國(guó)內(nèi)清潔機(jī)器人的清掃路徑規(guī)劃智能化不足，市場(chǎng)上90%的清潔機(jī)器人清掃路徑是隨機(jī)性的，或者只有4種路徑，智能感不強(qiáng)[5]。對(duì)于路徑規(guī)劃技術(shù)需求的痛點(diǎn)，研發(fā)企業(yè)需要通過(guò)軌跡跟蹤測(cè)試，挖掘清潔機(jī)器人對(duì)于復(fù)雜環(huán)境的路線規(guī)劃水平，進(jìn)行不斷的優(yōu)化和迭代。

1.3 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文通過(guò)圖像識(shí)別的方式，實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤的測(cè)試，該軌跡跟蹤可適用于覆蓋率測(cè)試（Coverage test）、直線測(cè)試（Straight line test）、平均速度測(cè)試（Average speed test），其設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)：位置分辨率（Position resolution）小于或等于1 cm；位置精度（Position accuracy）小于或等于1 cm；采樣頻率（Samplingrate）大于或等于30 Hz。

另外，該系統(tǒng)也可適用于一般的靜態(tài)圖像的清潔范圍的計(jì)算，通過(guò)實(shí)驗(yàn)灰清掃區(qū)域與未清掃區(qū)域的圖像區(qū)域比值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)硬地板除塵能力、邊角除塵能力等靜態(tài)圖像的測(cè)試。

2 視覺(jué)追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

視覺(jué)追蹤系統(tǒng)是測(cè)試清潔效率的關(guān)鍵，需要識(shí)別出清潔機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置，生成平面移動(dòng)的軌跡，并根據(jù)清潔機(jī)器人的有效清潔區(qū)域，模擬出動(dòng)態(tài)的覆蓋率。

2.1 移動(dòng)物體（清潔機(jī)器人）追蹤識(shí)別

目標(biāo)物體識(shí)別是計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域中最早研究的內(nèi)容[6]，基于特征的圖像配準(zhǔn)方法因其計(jì)算量較低，對(duì)位置變化較敏感，同時(shí)降低了噪聲、遮擋、光照和圖像變形的影響，成為當(dāng)前主流的配準(zhǔn)方法[7]。本文選用應(yīng)用比較廣泛的SIFT算法進(jìn)行移動(dòng)物體的識(shí)別，SIFT算法在圖像平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、視角變換和光照變化等因素下具有很好的效果[8]。

對(duì)攝像頭輸入的二維圖像I(x，y)與二維高斯核函數(shù)G(x，y，σ)進(jìn)行卷積濾波，得出L(x，y，σ)，公式表示如下:

建立圖像的DOG金字塔尺度空間，掃描DOG空間的像素點(diǎn)，與鄰域像素點(diǎn)（26個(gè)）進(jìn)行比對(duì)，該像素點(diǎn)為鄰域中的最大值，則可以判定該點(diǎn)為極值特征點(diǎn)，2個(gè)相鄰尺度空間的差值用D(x，y，σ)表示：

通過(guò)差值算法極值特征點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，選取關(guān)鍵特征點(diǎn)，以關(guān)鍵點(diǎn)特征點(diǎn)與鄰域像素的梯度計(jì)算比對(duì)，得出關(guān)鍵特征點(diǎn)的方向θ(x，y)，公式表示如下:

為得到更多可靠的SIFT特征匹配對(duì)，并提高配準(zhǔn)精度與速度，本文采用降維的方法降低運(yùn)算，采用24維特征描述符代替原有的128維特征描述進(jìn)行特征向量計(jì)算[9]。

清潔機(jī)器人作為移動(dòng)物體，在三維空間中主要是以平面和與平面相垂直側(cè)面的形態(tài)出現(xiàn)。因此，在動(dòng)態(tài)輸入上的圖像上，通過(guò)動(dòng)態(tài)的前一幀與后一幀圖像作為待比對(duì)圖像，識(shí)別出移動(dòng)的物體圖像，計(jì)算出運(yùn)動(dòng)的軌跡。清潔機(jī)器人有效的清潔區(qū)域位于下表面（非可視表面），根據(jù)可視的上表面圖形特征提取清潔區(qū)域結(jié)合軌跡坐標(biāo)計(jì)算，模擬輸出實(shí)際清潔軌跡區(qū)域，整個(gè)軌跡識(shí)別輸出流程如圖1所示。

圖l 軌跡識(shí)別輸出流程

2.2 精度測(cè)試

識(shí)別軌跡的位置精度可以通過(guò)實(shí)際測(cè)量位置進(jìn)行與放置測(cè)量軌跡對(duì)象（清潔機(jī)器人）的示值進(jìn)行比對(duì)，對(duì)軌跡跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行精度測(cè)量。軌跡跟蹤系統(tǒng)采用200萬(wàn)像素的Logitech C920攝像頭作為圖像輸入裝置，采樣頻率30 Hz，滿足實(shí)驗(yàn)采樣頻率大于或等于30 Hz。圖像分辨率為1920pixel×1080pixel，測(cè)試圖像實(shí)際試驗(yàn)區(qū)域最大邊長(zhǎng)小于或等于500 cm，滿足分辨率小于或等于1 cm的參數(shù)要求。

本文以試驗(yàn)臺(tái)的邊緣距離作為測(cè)量基準(zhǔn)，對(duì)位于X，Y方向的6個(gè)位置與試驗(yàn)臺(tái)邊緣的實(shí)際距離進(jìn)行測(cè)量，如圖2所示，使用軌跡跟蹤系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別并標(biāo)出實(shí)時(shí)的中心坐標(biāo)位置，通過(guò)與實(shí)際空間的標(biāo)定距離與跟蹤系統(tǒng)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)距離來(lái)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試出位置精度是否滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。根據(jù)表1位置精度的測(cè)試值，測(cè)試的位置精度偏差小于1 cm，滿足位置精度的要求。

圖2 測(cè)試位置

表1 位置精度測(cè)試值cm

2.3 覆蓋率（清潔率）測(cè)試

通過(guò)圖像特征的識(shí)別，描繪出運(yùn)動(dòng)的軌跡，按照清潔機(jī)器人清潔頭寬度（機(jī)器人清掃面積），生成覆蓋的軌跡圖形，并根據(jù)覆蓋率的計(jì)算公式C(t)={A(t)/A}×100%，計(jì)算覆圖形的面積進(jìn)行覆蓋率（清潔率）測(cè)試。式中：A(t)為實(shí)時(shí)覆蓋率（清潔率），不包括重復(fù)覆蓋區(qū)域；A為實(shí)驗(yàn)區(qū)間面積（測(cè)試面積）；t為測(cè)試時(shí)間（清掃時(shí)間）。測(cè)試如圖3所示。

圖3 覆蓋率（清潔率）測(cè)試

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析清潔機(jī)器人國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試要求與企業(yè)研發(fā)的需求，明確清潔機(jī)器人清潔效率測(cè)試的關(guān)鍵指標(biāo)。通過(guò)采用SIFT算法結(jié)合清潔區(qū)域特征，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)物體（清潔機(jī)器人）的追蹤識(shí)別，為清潔機(jī)器人清潔效率測(cè)試開(kāi)發(fā)了原型系統(tǒng)。該原型系統(tǒng)有效滿足測(cè)試精度的要求，應(yīng)用于相關(guān)的覆蓋率測(cè)試、直線測(cè)試、平均速度等，為相關(guān)企業(yè)做技術(shù)研發(fā)提供標(biāo)準(zhǔn)化與個(gè)性化的測(cè)試服務(wù)，對(duì)提高我國(guó)智能家用清潔機(jī)器人生產(chǎn)研發(fā)企業(yè)的技術(shù)水平有積極意義。