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扫地机器人的底气是怎么产生的

2021-10-17 来源:乌兰察布机械信息网

2016-11-01 11:00:50来源: 21ic电子网

如果说“科技为懒人服务”,那么扫地机器人应该算是继洗衣机后,最能让懒癌晚期患者们感到幸福的家电产品之一了。

相信小伙伴们都有过扫地的经历,回想一下扫地的过程,可以分解为两个主要的动作:走到某个位置;将其打扫干净。与之相应的,扫地机器人最重要的就是定位和打扫,它包含两个主要的系统:自主导航系统和清扫系统。

如果说清扫系统是扫地机器人冠以“扫地”之名的本钱,是扫地机器人之心;那么自主导航系统就是它冠以“机器人”之名的底气,是扫地机器人之脑。如果没有自主导航系统,那么它只能被称为“扫地机器”而不是“扫地机器人”。下面就让我们具体来看一下扫地机器人的“底气”是怎么产生的。

扫地机器人自主导航系统

机器人导航的三个经典问题

说到机器人的自主导航,简单来说可以归结为由MIT教授John J. Leonard和原悉尼大学教授Hugh Durrant-Whyte提出的三个问题:

(1) Where am I ?

(2) Where I am going?

(3) How should I go there?

第一个问题是机器人的定位问题,即如何根据现在观测到的和前面已知的信息,判断机器人在当前环境中的位置。第二个和第三个问题,实际上就是指定一个目标,然后规划一定的路径来实现这个目标。对一般的移动机器人来说,这个目标是一个点,即点到点导航。而对扫地机器人来说,其目标不是到达某一点,而是遍历某一个区域,以实现对房间的清扫。今天让我们先来看一下第一个问题,即扫地机器人的定位。

定位是包括扫地机器人在内的移动机器人自主导航中最基本的环节,也是完成任务必须解决的问题。说到定位,大家首先想到的可能是GPS定位、基站定位等常用的室外定位。

与之不同,扫地机器人的定位都是室内定位,其要求定位精度高(最少在亚米级),实时性好,GPS、基站定位等方法无法满足。扫地机器人定位总体上可以分为相对定位和绝对定位,下面我们分别来看。

相对定位法

航位推算法(Dead-Reckoning Method)是一种经典的相对定位法,也是扫地机器人目前最为广泛使用的一种定位方法。它利用机器人装备的各种传感器获取机器人的运动动态信息,通过递推累计公式获得机器人相对初试状态的估计位置。航位推算较常使用的传感器一般有:码盘,惯性传感器(如陀螺仪、加速度计)等。

码盘法一般使用安装在车轮上的光电码盘记录车轮的转数,进而获得机器人相对于上一采样时刻位置和姿态的改变量,通过这些位移量的累积就可以估计机器人的位置。码盘法优点是方法简单、价格低廉,但其容易受标定误差、车轮打滑、颠簸等因素影响,误差较大。但是由于码盘价格便宜,简单易用,可用于机器人较短时间距离内的位置估计。

惯性传感器使用陀螺仪和加速度计得到机器人的角加速度和线加速度信息,通过积分获得机器人的位置信息。一般情况下,使用惯性传感器的定位精度高于码盘,但是其精度也要受陀螺仪漂移、标定误差、敏感度等问题影响。无论是使用码盘还是惯性传感器,它们都存在一个共同的缺点:有累积误差,随着行驶时间、距离的不断增加,误差也不断增大。因此相对定位法不适合于长时间、长距离的精确定位。

绝对定位法

绝对定位法是指机器人通过获得外界一些位置等己知的参照信息,通过计算自己与参照信息之间的相互关系,进而解算出自己的位置。.绝对定位主要采用基于信标的定位、环境地图模型匹配定位、视觉定位等方法。

基于信标的定位

信标定位原指在航海或航空中利用无线电基站发出的无线电波实现定位与导航的技术。对机器人室内定位而言是指,机器人通过各种传感器接收或观测环境中已知位置的信标,经过计算得出机器人与信标的相对位置,再代入已知的信标位置坐标,解出机器人的绝对坐标来实现定位。用于定位的信标需满足3个条件:

(1) 信标的位置固定且信标的绝对坐标已知;

(2) 信标具有主被动特征,易于辨识;

(3) 信标位置便于从各方向观测。

信标定位方式主要有三边测量和三角测量 。三边测量是根据测量得到的机器人与信标的距离来确定移动机器人位置的方法。三边测量定位系统至少需要3个已知位置的发射器(或接收器),而接收器(或发射器)安装在移动机器人上。三角测量和三边测量的思路大体一致,通过测量移动机器人与信标之间的角度来进行定位。

基于信标的定位系统依赖于一系列环境中已知特征的信标,并需要在移动机器人上安装传感器对信标进行观测。用于信标观测的传感器有很多种,比如超声波传感器、激光雷达、视觉传感器等。可以实时测量,没有累进误差,精度相对较高、稳定性好,提供快速、稳定、精确的绝对位置信息,但安装和维护信标花费很高。市场上已经出现较为成熟的基于信标定位的信标定位扫地机器人,如Proscenic的模拟GPS卫星三点定位技术,iRobot的Northstar导航定位技术,但由于其价格较为昂贵,它们都用于相对高端的产品中。

环境地图模型匹配定位

是机器人通过自身的各种传感器探测周围环境,利用感知到的局部环境信息进行局部的地图构造,并与其内部事先存储的完整地图进行匹配。通过匹配关系获得自己在全局环境中的位置,从而确定自身的位置。该方法由于有严格的条件限制,只适于一些结构相对简单的环境。

基于视觉的定位

科学研究统计表明,人类从外界获得信息量约有75%来自视觉,视觉系统是机器人与人类感知环境最接近的探测方式。受益于模式识别、机器视觉的发展,基于视觉的机器人定位近年来成为研究热点。

基于视觉的定位主要分为单目视觉、双目视觉。

单目视觉无法直接得到目标的三维信息,只能通过移动获得环境中特征点的深度信息,适用于工作任务比较简单且深度信息要求不高的情况,如果利用目标物体的几何形状模型,在目标上取3个以上的特征点也能够获取目标的位置等信息,但定位精度不高。

双目立体视觉三维测量是基于视差原理的,即左相机像面上的任意一点只要能在右相机像面,上找到对应的匹配点,就可以确定出该点的三维信息,从而获取其对应点的三维坐标。目前,基于视觉定位的扫地机器人也已有产品推出,iRobot和Dyson分别于2015年及2014年推出了基于视觉定位的高端扫地机器人RoomBa980和360Eye。

自主定位是扫地机器人自主路径规划的基础。经过多年的研究,虽然受成本、生产等因素的制约,航位推算法仍然是目前采用最广泛的定位方法,但通过算法优化,利用混合定位,可以减小其误差带来的影响。而且,随着视觉定位等较高定位精度的定位方法的进一步成熟,其成本也将逐步下降,并将从高端市场逐渐推向大众市场,到时候扫地机器人的定位精度,智能化水平都将有普遍的提升。

进口和国产扫地机器人PK

目前国产和进口的扫地机器人,主流一线品牌还是能数的过来的。评估一款扫地机器人是否好用,需要考虑到清洁力、续航、自主导航能力和易用性。根据此前的详细产品评测,评选出了一个在售扫地机器人的排名。iRobot无疑是先驱之一,Roomba系列产品一直声名在外,目前已成为全球最主流的扫地机器人品牌。当然,市场中总是不乏竞争者, Neato的Botvac扫地机器人,专注宠物毛发轻扫性能,也获得了市场关注。国产中科沃斯的销量当仁不让。

iRobot Roomba和Neato是扫地机器人行业两大知名的进口品牌,它们都拥有不同的专利核心技术,在清扫房间时采用的技术也是不同的。目前大家最熟悉的iRobot产品就是Roomba扫地机器人。

iRobot Roomba采用的专利技术叫做iAdapt,这种技术是通过传感器来判定清扫区域的,它是在清扫区域内做随机运动,通过反复清扫的方式来保证每个地方都清扫干净,这种技术的好处是清扫得比较干净,但其不足之处在于它清扫起来相对耗时。

而另一个扫地机品牌Neato采用的思路与iRobot 扫地机器人完全不同,它采用的技术叫做房间定位系统RPS。机器在清扫之前,会自动依靠激光传感器对房间的布局进行描绘,它可以分辨出过道、墙壁等,在清扫地图绘制完成以后,会以一个清扫路线来进行清扫,从而达到高效的效果。下面分享一张这两个扫地机器人品牌的清扫路线轨迹图:

这两个品牌的扫地机器人在其它方面也有很大的差别。例如在清扫墙角的时候,由于Neato扫地机器人的机身是方型的,可能在一定程度上对墙角的清扫能力有限制。而iRobot Roomba的机身是圆形的,它是清扫墙角时,采用的是能够探到机身外的边刷,清扫墙角的效果自然会好很多。

分享一张这两款扫地机的对比图表

品牌一:iRobot Roomba

iRobot Roomba650采用一体式轴承,有效改善了毛发缠绕的问题,使日常维护非常轻松。并采用新改良的毛刷,根据科学比例综合使用了软毛和硬毛,能把小垃圾和大垃圾一网打尽。

高速吸尘马达,紧靠主刷的设计,其产生的真空吸力直接作用于主刷,将卷起的垃圾强力吸进垃圾盒,减少附着在主刷上的毛发,提高主刷工作效率。同时采用大弧形滤网,全方位保护马达,阻隔灰尘进入扬风口,避免空气二次污染。

650是一个会思考的机器人,能够感知和巡视房间,感应灰尘,手机家居环境信息。利用60次每秒速度智能思考,判断地面状况,选择正确的清扫方式。

iRobot Roomba 770是一款定位中端的机型,总得来说缺乏一些高端功能,表现较为平均中庸。当然,其价格相对便宜,所以对于性能不太较真的用户还是可以考虑以下的。

iRobot Roomba 880是高端机,比650相比有六大升级,主要表现在:吸力提升5倍,清洁效率提升50%,维护便利程度大幅提升(3-4个月清洁维护一次),一体式的充电座,X-life高寿命电池,充电周期延长一倍,噪音更小,价格偏贵。

品牌二:Neato

NeatoBotvac D75称得上最佳综合机型,它拥有较为完善的自主导航性能,同时支持手机应用和远程操作,可以进行预设、控制,提出了新的扫地机器人应用形式。另外,它的清洁性能非常出众,拥有谷歌无人汽车驾驶技术,工作前会对房间全景进行3D扫描,进而规划一个最快的直线路线,然后利用本身的36W大功率,1000帕大吸力进行清扫工作,所以无论“毛发、粉尘、纸屑”再细小都统统清扫干净。

D75的操作界面直观有趣,并且“一键操作”简单易行,即使老人小孩也可轻松操作。

国行版没有wifi,只有海淘有。当然wifi用处不是很。

NeatoBotvac 80是为数不多能够直接从光滑地板上或是长毛地毯中吸入宠物毛发、人类头发的真空吸尘机器人,虽然它看上去有些复古,但吸尘能力超强。如果你家里养了狗狗或猫咪,这款产品会是一个好选择。

Neato XV-21是近年来销量最高的扫地机器人之一,它可以说是一款“大杂烩”式的全能机型,清洁性能不俗,但主要不足在于经常会被困在障碍物前,所以整体评分稍低一些。

品牌三:科沃斯

科沃斯"朵朵S"搭路径规划(SmartMove)技术,摒弃随机清扫模式,开启规划清洁智慧生活新篇章。

不仅极大的提高了居家清扫的覆盖率,所形成的90度弓形清扫模式,在最大程度上避免了原先随机模式的重复扫、漏扫现象。

SmartMove技术:是科沃斯机器人研发的的路径规划技术。使家庭服务机器人实现路径记忆,智能补漏,"弓"字形规律行走等功能,减少重复清扫,有效提升清洁效率。清扫结果手机APP可视,清洁一目了然。

科沃斯朵朵S在操控选择上,更替了朵朵原先的精扫模式,取而代之的"单间清扫"模式更具实用性。通过的空间机密设计,单间模式使得朵朵S在清扫中更为智能优化。单间模式,只需将朵朵S放置于密闭空间,当其清扫完毕后,会自动返回原点。

类似扫地机器人一类的服务类机器人在我们的生活中扮演着越来越重要的作用,生活智能化,解放双手,已不再只是梦想!

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