基于圖像、氣味識別相融合的掃地機器人控制策略

孫霖

（中國石油大學(xué)（華東），山東青島，266580）

0 引言

掃地機器人，又稱自動打掃機、地寶等，是一種智能化家用電器。近年來，業(yè)界在對掃地機器人的研究主要聚焦于避障、自清潔等領(lǐng)域[1]，然而，對于養(yǎng)寵物的家庭，經(jīng)常會遇到寵物在家里的地板上排放糞便的情況，若掃地機器人不能正確識別糞便而將其作為常規(guī)污染物，采用常規(guī)的模式對地板進(jìn)行清理，極有可能會把糞便擴散的滿屋子都是。現(xiàn)有的糞便識別方法常用兩種，一種是通過圖像識別，先將不同形狀糞便照片提供給掃地機器人，結(jié)合使用環(huán)境中掃地機器人拍攝的圖片對糞便進(jìn)行識別；另一種是通過氣味識別，如公開號為（CN108991993A）的中國發(fā)明專利通過周圍空氣中氨氣、硫化氫等氣體濃度用于對動物糞便進(jìn)行識別[2]，然而，上述方案存在以下幾個問題：僅通過氣體或僅通過圖像對糞便的識別，識別準(zhǔn)確度不高；異味氣體受風(fēng)向影響較大，當(dāng)糞便位于掃地機器人的下風(fēng)口時有可能識別不出。

針對以上問題，本文采取的基于圖像、氣味識別相融合的掃地機器人控制策略可以將寵物糞便識別準(zhǔn)確率提高到95%以上。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計方案

本文設(shè)計的掃地機器人控制系統(tǒng)，如圖1 所示，由電源模塊，處理器，光線強度傳感器，攝像頭，氣體傳感器，糞便清理模塊等組成。

圖1 掃地機器人電路連接圖

■1.1 光線強度傳感器

光線強度傳感器型號為BH1750，集成在掃地機器人的側(cè)邊，用于感知行進(jìn)路線內(nèi)的光照強度，并將結(jié)果發(fā)送給處理器。該傳感器是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器，可方便集成于其他結(jié)構(gòu)部件中，同時，其內(nèi)部由光敏二極管、運算放大器、ADC 采集、晶振等組成，對應(yīng)廣泛的輸入光范圍，光強檢測的準(zhǔn)確率高。

■1.2 處理器

核心處理器芯片為SMT32F103C8T6，該芯片配有ARM Cortex-M3 32 位微控制器，48 路LQFP 封裝.它結(jié)合了高性能的RISC 內(nèi)核，運行頻率可達(dá)72MHz。處理器接收光線強度傳感器、攝像頭、氣體傳感器信號，實現(xiàn)圖像識別模塊、氣體識別模塊和判斷模塊三個模塊功能，圖像識別模塊用于通過圖像判斷掃地機器人的行進(jìn)路線前方是否存在寵物糞便；氣體識別模塊[4]，用于根據(jù)氣體傳感器模塊采集的氣體含量識別是否存在寵物糞便；判斷模塊，用于判斷圖像識別模塊與氣體識別模塊輸出的結(jié)果是否相同，用于對光線強度傳感器采集的光線強度與預(yù)設(shè)閾值比較。

■1.3 攝像頭

攝像頭的型號為KS861-60，集成于掃地機器人的側(cè)邊，且距地高度和角度可靈活調(diào)節(jié)，優(yōu)先選擇為廣角的攝像頭，以方便采集行進(jìn)路線前方的圖像[5]，并傳輸給處理器。

■1.4 氣體傳感器

氣體傳感器包括氨氣傳感器、硫化氫傳感器和甲烷傳感器，用于采集環(huán)境中的氣體信息，并將結(jié)果傳輸給處理器，氨氣傳感器選用MQ137 產(chǎn)品，MQ137 氣體傳感器所使用的氣敏材料是電導(dǎo)率較低的二氧化錫，靈敏度高，壽命長，采用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度。

■1.5 糞便清理模塊

糞便清理模塊為強力吸塵裝置，在檢測到寵物糞便時，首先通過強力吸塵裝置將寵物糞便吸進(jìn)掃地機器人中單獨的糞便儲存袋中，不與灰塵袋混用，同時，處理器控制清水桶將水灑在清洗刷具上清洗，并將污水聚攏收集到污水箱，可將寵物糞便完全清理干凈。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計方案

基于圖像、氣味識別相融合的掃地機器人控制策略流程如圖2 所示。

圖2 掃地機器人控制策略流程圖

掃地機器人在工作狀態(tài)時，會處于動態(tài)環(huán)境中，環(huán)境參數(shù)會隨時變化，因此，首先檢測掃地機器人所處環(huán)境中的光線強度，根據(jù)環(huán)境光線強度的不同，采取不同的控制策略，具體包括以下步驟：

步驟1：控制掃地機器人的光線強度傳感器檢測行進(jìn)路線預(yù)定范圍內(nèi)的光線強度，并將檢測結(jié)果發(fā)送給處理器。

步驟2：處理器將收到的光線強度值與預(yù)設(shè)閾值比較；若大于等于預(yù)設(shè)閾值，則進(jìn)入步驟3，采用強光照強度處理策略；若小于預(yù)設(shè)閾值則進(jìn)入步驟5，采用弱光照強度處理策略。

掃地機器人在工作過程中，會處于動態(tài)環(huán)境中，有時候需要在桌子、沙發(fā)等家具的下面執(zhí)行清理任務(wù)，有時候需要去衛(wèi)生間執(zhí)行清理任務(wù)，處于不同的位置掃地機器人的環(huán)境參數(shù)變化較大，因此，本文設(shè)置了判斷光線強度的步驟，根據(jù)不同的光線強度控制執(zhí)行不同的寵物糞便識別流程。

步驟3：如圖3 所示，為強光線環(huán)境下控制策略流程圖。攝像頭采集掃地機器人行進(jìn)路線前方的圖像，傳輸給圖像識別模塊，其儲存有卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolution Neural Network，CNN）的圖像識別模型，可用于識別圖像中是否具有寵物糞便[6～7]；氣體傳感器采集環(huán)境中的氣體信息，當(dāng)任一個傳感器采集的氣體含量大于對應(yīng)的預(yù)設(shè)的氣體含量閾值，則氣體識別模塊就輸出存在寵物糞便的結(jié)果。然后進(jìn)入步驟3。

圖3 強光線環(huán)境下控制策略流程圖

當(dāng)掃地機器人處于具有較高光照強度的環(huán)境中時，集成在其上的攝像頭能夠采集到清晰的圖像數(shù)據(jù)，可精確地識別出行進(jìn)路線的前方區(qū)域是否存在寵物糞便。

在實驗中，設(shè)置具有寵物糞便的環(huán)境與無糞便環(huán)境，然后利用氣體傳感器對環(huán)境中氣體含量進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測的各氣體含量結(jié)果設(shè)置對應(yīng)氣體的預(yù)設(shè)的氣體含量閾值。

氣體識別模塊對所述氣體信息進(jìn)行識別，判斷是否存在寵物糞便具體過程為：若所述氨氣傳感器、所述硫化氫傳感器、所述甲烷傳感器中任一個傳感器采集的氣體含量大于對應(yīng)的預(yù)設(shè)的氣體含量閾值，則所述氣體識別模塊就輸出存在寵物糞便的結(jié)果。舉例來說，設(shè)定判定存在寵物糞便的氨氣傳感器檢測的氨氣含量閾值為a，設(shè)定判定存在寵物糞便的硫化氫傳感器檢測的硫化氫含量閾值為b，設(shè)定判定存在寵物糞便的甲烷傳感器檢測的甲烷含量閾值為c，此時，氨氣傳感器檢測的氣體含量為a1，硫化氫傳感器檢測的氣體含量為b1，甲烷傳感器檢測的氣體含量為c1，若a1 ＞a，b1 ＜b，c1

步驟4：處理器判斷圖像識別模塊輸出的結(jié)果與氣體識別模塊輸出的結(jié)果是否相同，若相同且均未存在糞便，則確認(rèn)存在寵物糞便，控制糞便清理模塊清理寵物糞便，如不同，進(jìn)入步驟6。

由于風(fēng)向?qū)怏w的影響以及氣體傳感器靈敏度對檢測結(jié)果存在影響等原因，設(shè)置了圖像識別結(jié)果以及氣體識別結(jié)果雙結(jié)果驗證的過程，因此，在具有圖像識別結(jié)果時，本文設(shè)置了上述三種傳感器任一個傳感器檢測出糞便氣體超標(biāo)，即認(rèn)定為存在寵物糞便，這樣，可大大減少圖像識別結(jié)合和氣體識別結(jié)果不同的情況，有助于最終結(jié)果的確認(rèn)。

步驟5：如圖4 所示，為弱光線環(huán)境下控制策略流程圖，氣體傳感器采集空氣中的NH3、HS、CH4氣體含量；氣體識別模塊根據(jù)三種氣體含量判斷是否存在寵物糞便；若存在寵物糞便，則控制糞便清理模塊清理寵物糞便；若不存在，則掃地機器人沿預(yù)設(shè)路線前進(jìn)[8]，執(zhí)行步驟1；若調(diào)整方向檢測后有一種或兩種超過閾值，執(zhí)行步驟6。

圖4 弱光線環(huán)境下控制策略流程圖

氣體識別模塊判斷三種氣體含量是否均超過閾值；若均超過閾值，則輸出存在寵物糞便的結(jié)論；若均不超過閾值，則輸出不存在寵物糞便的結(jié)論；若三種氣體中有一種或兩種超過閾值，為了避免因風(fēng)向?qū)怏w傳感器模塊的影響，則機器人移動至與原始位置成一定范圍角度的位置，再進(jìn)行檢測。具體移動的位置可以為一個范圍，以掃地機器人前方1m 的點為圓心，以1m 為半徑做圓周運動，移動90°～270°范圍內(nèi)的區(qū)間的點。

步驟6：將掃地機器人的行進(jìn)方向的區(qū)域設(shè)置為臨時禁區(qū)，掃地機器人轉(zhuǎn)向繼續(xù)執(zhí)行清潔任務(wù)。

圖像識別模塊和氣體識別模塊輸出的結(jié)果不同時，將圖像以及氣體數(shù)據(jù)傳送到用戶手機的APP 中，供用戶進(jìn)行人工認(rèn)定，由于這個過程需要一定時間，因此，可通過設(shè)置臨時禁區(qū)的形式，使掃地機器人暫時先不進(jìn)入上述區(qū)域，待用戶確認(rèn)后再行處理上述區(qū)域，以避免將寵物糞便掃到滿屋的情況。

3 結(jié)果分析

參考CIE 國際發(fā)光照明委員會標(biāo)準(zhǔn)《室內(nèi)工作場所照明》S008/E--2001 的分級標(biāo)準(zhǔn)，將環(huán)境光線強度分別設(shè)置為5Lux，10Lux，20Lux，30Lux，50Lux，100Lux，將光照強度大于等于30 Lux 設(shè)置為強光線環(huán)境，設(shè)定判定存在寵物糞便的氣體傳感器檢測的氨氣含量閾值a 為0.3ppm，硫化氫含量閾值b 為0.2ppm，甲烷含量閾值c 為1.8 ppm，通過實驗，驗證結(jié)果如表1 所示。

表1 不同光照強度下識別策略比對

通過分析，本文提出的方法較常用的寵物糞便識別處理方法，識別正確率有大幅度提高，統(tǒng)計分析，識別正確率可達(dá)95%以上，可以極大提升用戶的使用體驗。

4 結(jié)論

本文針對寵物糞便清理這一需求設(shè)計的掃地機器人控制策略，采用基于圖像和氣體識別相融合的方法，根據(jù)工作環(huán)境光線強度不同，采用不同的識別策略，強光環(huán)境采用圖像與氣體識別相結(jié)合識別，弱光環(huán)境僅采用氣體識別，寵物糞便識別的準(zhǔn)確率可以大幅度提高。并且在通過氣體識別寵物糞便時，在僅識別出一種或兩種氣體時，考慮風(fēng)向影響，掃地機器人變換位置，在不同角度進(jìn)行檢測，進(jìn)一步提高了氣體識別的準(zhǔn)確率。