壽命長(zhǎng)高性?xún)r(jià)比的室內(nèi)機(jī)器人slam導(dǎo)航方案

　　slam歷史介紹

　　“舟師識(shí)地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針”，幾個(gè)世紀(jì)以前的古人便利用觀星術(shù)和指南針實(shí)現(xiàn)了大航海中位置和航向的標(biāo)定，走出世代居住的大陸走向廣袤的大海，探索新大陸。

　　圖1 GPS系統(tǒng)衛(wèi)星示意圖

　　上個(gè)世紀(jì)七十年代由美軍研制并投入使用的GPS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全球范圍內(nèi)10米的定位精度，綜合定位精度在軍用領(lǐng)域可達(dá)到厘米級(jí)和毫米級(jí)。

　　有著出色定位性能的GPS技術(shù)，在室內(nèi)卻無(wú)能為力。由于建筑物遮擋，配備GPS的手機(jī)在室內(nèi)基本無(wú)法獲取定位信息，更不用談定位精度。

　　這就為室內(nèi)slam帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，各種室內(nèi)定位和導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

　　目前較為成熟的室內(nèi)機(jī)器人slam方案

　　室內(nèi)slam方案則根據(jù)其技術(shù)選型而有眾多區(qū)別。在日常生活中，大家經(jīng)常接觸的多是iBeacon和WiFi室內(nèi)定位兩種技術(shù)，這兩種方案均是基于2.4G射頻技術(shù)，根據(jù)射頻場(chǎng)強(qiáng)隨距離衰減的模型計(jì)算距離，因?yàn)樯漕l信號(hào)傳播本身就受環(huán)境干擾不穩(wěn)定。所以基于這個(gè)原理的測(cè)距也不會(huì)精確。針對(duì)iBeacon，蘋(píng)果也是把結(jié)果放在一個(gè)大概范圍內(nèi)，分成Immediate，Near，F(xiàn)ar三種。根據(jù)測(cè)試結(jié)果在3米內(nèi)精度尚可，3米后基本無(wú)效。所以也多是用在倉(cāng)儲(chǔ)、商場(chǎng)、購(gòu)物中心做粗略的樓層或位置判斷。

　　若應(yīng)用在室內(nèi)機(jī)器人行走，則因?yàn)榫葐?wèn)題以及需要提前布置無(wú)線(xiàn)基站，實(shí)際效果與成本差強(qiáng)人意。

　　圖2 Neato發(fā)布超低價(jià)格測(cè)距傳感器

　　2009年，成立于2005年的掃地機(jī)廠(chǎng)商N(yùn)eato發(fā)布了一款成本極低的激光雷達(dá)，利用激光發(fā)射器與接收器之間的三角測(cè)距方法測(cè)得與障礙物之間的距離，激光測(cè)距傳感器安裝在電機(jī)上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)測(cè)得一圈360°范圍內(nèi)的距離，并基于此繪制室內(nèi)地圖。測(cè)距范圍從20cm到6m，最大誤差只有3cm，以30美金的超低價(jià)格在機(jī)器人圈中引起不小的轟動(dòng)。

　　圖3 激光三角測(cè)距原理

　　圖4 Neato測(cè)距傳感器原型

　　圖5 Neato測(cè)距傳感器成品圖，Amazon售價(jià)119美金。

　　圖6 現(xiàn)有其他品類(lèi)的測(cè)距傳感器價(jià)格

　　而在此之前，市面上諸多高精度的測(cè)距傳感器價(jià)格(如圖6)高達(dá)幾千美金，用于無(wú)人車(chē)自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的激光雷達(dá)更是高達(dá)幾萬(wàn)美金，致使激光雷達(dá)一直存在于各大科研院所的實(shí)驗(yàn)室中，未能真正進(jìn)入大眾的生活。

　　Neato一百美金的的激光雷達(dá)滿(mǎn)足了機(jī)器人對(duì)測(cè)距傳感器高性?xún)r(jià)比的需求，在此之后的幾年內(nèi)，國(guó)內(nèi)誕生了眾多基于此的激光雷達(dá)方案商。

　　圖7 國(guó)內(nèi)同類(lèi)型激光雷達(dá)，售價(jià)從2000元到3000元不等

　　圖8 Neato激光雷達(dá)拆解圖

　　從上圖很容易發(fā)現(xiàn)，Neato采用的旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)采用的皮帶傳動(dòng)，很容易老化，且激光測(cè)距模塊位于旋轉(zhuǎn)部件頂部，長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)磨損較為嚴(yán)重，而Neato在Amazon的用戶(hù)評(píng)論也恰好證明了這一點(diǎn)：

　　圖9 Neato在Amazon用戶(hù)評(píng)論

　　按掃地機(jī)每天工作時(shí)間為2小時(shí)，則三年總計(jì)工作時(shí)間約為2000小時(shí)，即使行業(yè)內(nèi)最早做室內(nèi)機(jī)器人slam方案的Neato公司，其產(chǎn)品壽命也僅為兩三千小時(shí)，滿(mǎn)足室內(nèi)機(jī)器人的高強(qiáng)度運(yùn)行似乎有些困難。

　　針對(duì)室內(nèi)機(jī)器人slam方案，其他機(jī)器人廠(chǎng)商是怎么解決的

　　由MIT人工智能實(shí)驗(yàn)室的幾位學(xué)生在1990年創(chuàng)立的iRobot，從2002年九月份推出第一款掃地機(jī)后在短短的兩年內(nèi)已賣(mài)出1百萬(wàn)臺(tái)，截止到2012年，已賣(mài)出近8百萬(wàn)的家用機(jī)器人，這樣一家行業(yè)巨頭，在家用機(jī)器人上又是采用什么樣的slam方案呢?

　　圖9 iRobot Roomba 980 vslam演示效果圖

　　Roomba 980 是iRobot于2015年12月推出的最新一款采用vslam方案的掃地機(jī)，在掃地機(jī)頂部一顆斜向上45°的攝像頭，攝像頭通過(guò)vslam算法拾取和記錄沙發(fā)中的大量特征點(diǎn)(尤其是物體的邊角)，并在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷追蹤這些特征點(diǎn)，同時(shí)不斷檢測(cè)新的特征點(diǎn)，由此建立一個(gè)環(huán)境地圖。但是，為了定位自己當(dāng)前的位置，必須要結(jié)合其他測(cè)距傳感器，諸如陀螺儀、慣性導(dǎo)航設(shè)備等。

　　圖10 搭配Roomba 980 同時(shí)使用的Virtual Wall 模組

　　Virtual Wall 技術(shù)多出現(xiàn)于傳統(tǒng)的非智能掃地機(jī)中，多是因?yàn)閭鹘y(tǒng)掃地機(jī)無(wú)法識(shí)別家庭環(huán)境，并建立一套行之有效的房間地圖，當(dāng)臥室或廚房或兒童房等某個(gè)房間不需要掃地機(jī)清掃時(shí)則可在其門(mén)口設(shè)立這樣一個(gè)Virtual Wall模組，待掃地機(jī)行走到此處時(shí)，自動(dòng)避開(kāi)，人或動(dòng)物則可暢通無(wú)阻。然而Roomba 980 不能依靠原有的vslam實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)，而需另選Virtual Wall配件，則可見(jiàn)其vslam技術(shù)并沒(méi)有建立真正的室內(nèi)地圖。

　　此外，vslam這種依托被動(dòng)光源的導(dǎo)航方案，對(duì)光線(xiàn)要求較高，若光照條件不足，則會(huì)喪失導(dǎo)航的功能，進(jìn)入到盲掃的狀態(tài)。

　　在采用被動(dòng)光源的vslam相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中，由于需要通過(guò)處理大量包含rgb信息的圖像信息，一方面移動(dòng)處理器的性能問(wèn)題，另一方面相關(guān)算法的成熟度，不僅功耗較高，不適合移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，并且精度十分有限，甚至無(wú)法識(shí)別近處的較為細(xì)小的桌腿等障礙物。

　　讓家家都有機(jī)器人

　　從上面的分析可以發(fā)現(xiàn)，slam導(dǎo)航方案作為智能機(jī)器人的眼睛，所起到的作用尤為重要，擁有不完善或不成熟的導(dǎo)航方案的機(jī)器人猶如無(wú)頭的蒼蠅，無(wú)法很好融入每個(gè)家庭。

　　綜合上述幾種slam方案，有沒(méi)有一種真正能讓機(jī)器人走進(jìn)每個(gè)家庭的解決方案么?

　　圖11 主流的兩家掃地機(jī)廠(chǎng)商N(yùn)eato、iRobot與Robotleo 2D Depth camera的參數(shù)對(duì)比

　　從上表不難發(fā)現(xiàn)，slam方案常見(jiàn)的幾個(gè)參數(shù)中，Robotleo 2D Depth Camera均略占優(yōu)勢(shì)。

　　圖12 Robotleo 2D Depth Camera 實(shí)物圖

　　對(duì)計(jì)算機(jī)視覺(jué)熟悉的朋友很容易就發(fā)現(xiàn)，Robotleo 2D Depth Camera最上面是一個(gè)發(fā)射紅外結(jié)構(gòu)光的器件，下面依次是RGB和紅外攝像頭。下面就其原理為大家簡(jiǎn)單做個(gè)介紹：

　　圖13 Kinect 3D 結(jié)構(gòu)光原理圖

　　諸位從事機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域的朋友應(yīng)該非常熟悉上面的這張圖片，在日常開(kāi)發(fā)中經(jīng)常用到Kinect做為機(jī)器人提供slam方案，輔助進(jìn)行物體識(shí)別、物體抓取等操作，這里提到的便是降了一維的2D Depth Camera。首先從計(jì)算量則降低了很多，只需廉價(jià)的芯片即可完成相關(guān)圖形處理;其次采用標(biāo)準(zhǔn)的線(xiàn)性結(jié)構(gòu)光器件與攝像頭模組，大大降低了相關(guān)的元器件成本，這也從根本上讓2D Depth Camera從幾百美金降到了只有幾十美金，甚至在將來(lái)技術(shù)方案成熟后，成本將會(huì)進(jìn)一步下降;再者，中間的RGB攝像頭通過(guò)特征點(diǎn)拾取幫助識(shí)別如鞋子、玩具等低矮的障礙物，讓掃地機(jī)擁有真正的智能。相較于Neato 旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)的方案，則在穩(wěn)定性與使用壽命方面得到了大幅提升，不再為slam模組的售后而擔(dān)心。

　　2D Depth Camera視覺(jué)測(cè)距模塊，目前已經(jīng)同國(guó)內(nèi)多家品牌掃地機(jī)廠(chǎng)商，以及量產(chǎn)能力較強(qiáng)的掃地機(jī)代工廠(chǎng)展開(kāi)了實(shí)質(zhì)合作，大家對(duì)整體解決方案的高度認(rèn)可和隨后的批量化采購(gòu)，勢(shì)必會(huì)較大提升整個(gè)掃地機(jī)行業(yè)的技術(shù)水平。如果價(jià)格的適當(dāng)提升能夠控制在消費(fèi)者可接受的范圍內(nèi)，那家庭用戶(hù)具備自動(dòng)測(cè)距、繪圖和智能路徑規(guī)劃而不瞎撞亂跑的掃地機(jī)的大時(shí)代，也就指日可待了。

本文作者為雷動(dòng)云合市場(chǎng)總監(jiān)，王永濤，致力于讓真正的智能機(jī)器人走入每個(gè)家庭。