基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能洗衣機(jī)的研究*

楊 睿，屠 慧，顧僑樺，丁佩瑤

（沈陽(yáng)師范大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

1 研究意義與現(xiàn)狀

1.1 研究意義

隨著人們生活水平的不斷提高，洗衣機(jī)越來(lái)越普及，每家每戶都有洗衣機(jī)，因此人們對(duì)于洗衣機(jī)的使用需求越來(lái)越高。 洗衣機(jī)經(jīng)過(guò)多次技術(shù)革新，已經(jīng)使人類極大地?cái)[脫了繁重的體力勞動(dòng)。 但在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)階段所謂的“全自動(dòng)”洗衣機(jī)的使用體驗(yàn)仍有差強(qiáng)人意之處。 本團(tuán)隊(duì)通過(guò)細(xì)致調(diào)研，研發(fā)了一種可以實(shí)現(xiàn)洗衣方案智能選定、洗衣流程自主控制、 洗衣效果自動(dòng)檢測(cè)的真正全自動(dòng)洗衣機(jī)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

1.2 研究現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代技術(shù)不斷的更新，秉承科技為人民生產(chǎn)生活服務(wù)的理念，智能家居已經(jīng)開(kāi)始變得普遍化。 如今大多數(shù)家用電器都具備了智能化功能。

洗衣機(jī)作為較為普遍的家用電器之一，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別控制水位，并精準(zhǔn)完成浸泡、漂洗、脫水、自動(dòng)排水等功能。 然而，洗衣機(jī)具備的這些功能都是出廠固定設(shè)置的，無(wú)法根據(jù)人們的實(shí)際需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)、 靈活的調(diào)整。因此洗衣機(jī)需要進(jìn)一步的智能化。洗衣機(jī)作為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚闹?，已?jīng)從普及期向更新?lián)Q代期過(guò)渡。 未來(lái)我國(guó)洗衣機(jī)市場(chǎng)將持續(xù)穩(wěn)步增長(zhǎng)，而健康、護(hù)衣等功能是洗衣機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的主要迭代方向。

2 智能洗衣過(guò)程功能研究

智能洗衣過(guò)程的功能設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 智能洗衣機(jī)功能模塊圖

利用紡織品質(zhì)地不同導(dǎo)致超聲傳感器響應(yīng)不同，判定衣物材質(zhì)類型；利用磁電式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速，再以慣性為中間量來(lái)檢測(cè)衣物重量；在洗衣機(jī)排水通道設(shè)置截留裝置和紅外光電傳感器，對(duì)洗衣過(guò)程不同階段的排放水進(jìn)行檢測(cè)，可判定污物是否完全清除，以及洗滌劑是否漂洗干凈；利用壓電傳感器檢測(cè)脫水階段衣物含水量，控制脫水轉(zhuǎn)速，以降低洗衣機(jī)和衣物在脫水過(guò)程中的損耗。 下面詳細(xì)介紹各功能的原理及具體情況。

2.1 利用超聲波及電磁原理檢測(cè)判定衣物材質(zhì)、重量

2.1.1 超聲波傳感器檢測(cè)衣物材質(zhì)

超聲波檢測(cè)衣物材質(zhì)，是利用不同衣料的聲學(xué)性能差異，導(dǎo)致對(duì)超聲波傳播波形反射情況和穿透時(shí)間的能量變化，來(lái)分辨衣物材質(zhì)的非接觸檢測(cè)方法[1]。 超聲波在固體中的傳輸損失很小，探測(cè)深度大。

假設(shè)衣物由同一均勻介質(zhì)材料制成，脈沖波的傳播時(shí)間與聲程成正比。 超聲波聲束能集中在特定的方向上，在介質(zhì)中沿著直線傳播，具有良好的指向性。 超聲波在異質(zhì)界面上會(huì)發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，透射的超聲波被探頭接收，通過(guò)儀器內(nèi)部的電路處理，就會(huì)顯示出不同高度和有一定間距的波形。 可以根據(jù)波形的變化特征判斷衣物的材質(zhì)類型。

超聲波的頻率較高，波長(zhǎng)很短，通過(guò)不同致密程度的衣料時(shí)，穿透程度會(huì)有明顯差異。 本項(xiàng)目設(shè)想利用超聲檢測(cè)判定衣物材質(zhì)，為智能化選擇洗衣流程、洗滌劑種類和用量提供依據(jù)。

2.1.2 磁電式傳感器檢測(cè)衣物重量

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，匝數(shù)為N 的線圈在磁場(chǎng)中切割磁力線時(shí)，會(huì)使經(jīng)過(guò)其中的磁通量Φ 發(fā)生改變，同時(shí)線圈上就會(huì)感生出電動(dòng)勢(shì)e。 線圈匝數(shù)為確定值時(shí)，其上感應(yīng)電勢(shì)的值與穿過(guò)該線圈的磁通量時(shí)間變化率成正比。 該感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)式為：

當(dāng)傳感器的線圈匝數(shù)和磁場(chǎng)強(qiáng)度確定后，可以通過(guò)使線圈和磁場(chǎng)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或銜鐵運(yùn)動(dòng)改變磁路中的磁阻來(lái)改變線圈中的磁通量。

利用慣性原理及電子技術(shù)判斷衣量： 在洗衣桶內(nèi)注入一定水后使電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，平穩(wěn)后快速斷電，洗衣桶在衣物慣性作用下帶動(dòng)電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。 此時(shí)，電機(jī)繞組產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，對(duì)其半波整流并放大整形，即獲得矩形脈沖。 通過(guò)分析脈沖的數(shù)量和寬度，就能判斷衣量這一重要參數(shù)。

2.2 利用紅外傳感器判斷洗滌效果

只要物質(zhì)本身具有高于絕對(duì)零度的溫度，都會(huì)對(duì)外輻射紅外線。 紅外傳感器利用紅外線的物理性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)[2]。 紅外線透過(guò)傳播介質(zhì)時(shí)，具有反射、折射、吸收等性質(zhì)，可表示為：

式中：T 為傳播介質(zhì)的透過(guò)率，α 和β 分別為其對(duì)紅外線的吸收率和反射率。 可以依據(jù)這些性質(zhì)判斷介質(zhì)的情況。紅外傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

下面介紹智能洗衣機(jī)判斷洗滌和漂洗兩個(gè)過(guò)程是否完成的具體情況。

2.2.1 洗滌效果檢測(cè)

若洗滌后，截留排放水裝置中底層紅外傳感器接收到光線較弱，說(shuō)明排放水光透明度低，其中有懸浮的污濁物，衣物未洗滌干凈，還需根據(jù)未洗凈程度調(diào)整清水和洗滌劑的用量后，重新進(jìn)行洗滌過(guò)程。

2.2.2 漂洗效果檢測(cè)

當(dāng)水透明度檢測(cè)單元判定衣物洗滌干凈后，進(jìn)行漂洗及脫水。 截留排放水裝置頂層紅外光電傳感器將判斷漂洗后脫水所得的排放水中是否殘留洗滌劑泡沫，以此證明衣物是否漂洗干凈。 如果排放水中含有泡沫，紅外線經(jīng)過(guò)其散射后，接受端的光會(huì)很弱或者無(wú)法測(cè)得，這表明有洗滌劑沒(méi)被漂洗干凈，需要繼續(xù)漂洗。 根據(jù)泡沫影響程度調(diào)整漂洗中清水用量后，重復(fù)漂洗操作，直到接收到正常光線，表明洗滌劑被漂洗干凈。

2.3 利用壓電傳感器控制脫水

壓電式傳感器是利用某些物質(zhì)受到外力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生電量輸出的特性制成的測(cè)力傳感器。 一般來(lái)說(shuō)，輸出的變化電量為電動(dòng)勢(shì)，即受力時(shí)輸出符合對(duì)應(yīng)關(guān)系大小的電壓。 具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)，例如石英晶體、壓電陶瓷片等，當(dāng)受到一定方向上的力時(shí)，會(huì)在一對(duì)特定面上積累不同種類的電荷，進(jìn)而產(chǎn)生靜電場(chǎng)，形成電壓。 壓電式傳感器必須用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)變化的外力，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算電路的處理，將其轉(zhuǎn)化為與之呈線性關(guān)系的電量輸出。

脫水桶高度旋轉(zhuǎn)時(shí)，飛濺出的水作用于壓電傳感器上。 根據(jù)傳感器得出的壓力變化，自動(dòng)控制脫水功能運(yùn)行。 智能脫水可以預(yù)防以往由于固定時(shí)長(zhǎng)造成的脫水不足或過(guò)度脫水，進(jìn)而造成衣物老化、損壞。

3 洗衣過(guò)程參數(shù)智能進(jìn)化研究

引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，利用過(guò)程數(shù)據(jù)積累經(jīng)驗(yàn)，使系統(tǒng)更“會(huì)”洗衣服[3]。 在日常使用中系統(tǒng)會(huì)積累大量關(guān)于衣物和洗衣流程的數(shù)據(jù)，將這些相關(guān)數(shù)據(jù)提供給智能洗衣機(jī)內(nèi)嵌的機(jī)器學(xué)習(xí)單元，經(jīng)過(guò)算法處理可以得到不斷更新的決策參數(shù)，使得洗衣流程更加合理[4]。 智能洗衣機(jī)自學(xué)習(xí)流程如圖2 所示。

圖2 智能洗衣機(jī)自學(xué)習(xí)流程圖

將洗衣過(guò)程分為清洗和漂洗兩部分，清洗部分以“加水、洗衣粉——浸泡、清洗——脫水”為一個(gè)輪次，漂洗部分以“加水——漂洗——脫水”為一個(gè)輪次。分別為清洗和漂洗設(shè)定不同的完成標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)紅外傳感器判斷清洗和漂洗結(jié)果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的何等程度。兩種標(biāo)準(zhǔn)分別由三個(gè)數(shù)值組成，將完成情況劃分為差、一般、較好、合格四個(gè)檔次。清洗漂洗情況為差時(shí)，要加大水量再完成一個(gè)輪次；情況為一般時(shí)，要保持水量再完成一個(gè)輪次；情況為較好時(shí)，要保持水量再完成一個(gè)輪次；情況為合格時(shí)，可完成當(dāng)前流程。清洗合格后方可進(jìn)入漂洗，漂洗合格后結(jié)束本次洗衣。

通過(guò)情況反饋環(huán)節(jié)的自主調(diào)控，智能洗衣機(jī)可以根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)自學(xué)習(xí)來(lái)進(jìn)化洗衣策略，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

人們對(duì)洗衣機(jī)功能的要求越來(lái)越高，對(duì)現(xiàn)有所謂“全自動(dòng)”洗衣機(jī)的使用體驗(yàn)表現(xiàn)出很多不滿。 目前智能洗衣機(jī)的研究相對(duì)較少，智能洗衣機(jī)開(kāi)發(fā)具有較大的發(fā)展空間，市場(chǎng)非常廣闊。 本文提出了一種可以實(shí)現(xiàn)依據(jù)衣物材質(zhì)確定水量和洗滌劑種類、用量，并自動(dòng)辨別洗衣效果的洗衣機(jī)方案。 該方案還引入機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能進(jìn)化，達(dá)到節(jié)能減排的目的。 智能洗衣機(jī)極大地節(jié)省了洗衣過(guò)程中各方面的消耗，設(shè)計(jì)更加人性化，功能貼近使用者需求，為用戶帶來(lái)愉悅的使用感受。