深度解讀掃地機(jī)器人SLAM技術(shù)

如今掃地機(jī)器人越來越受歡迎，已經(jīng)成為一類“新興小家電”。為了效率更高、更節(jié)能地實現(xiàn)清掃全屋的功能，繪制室內(nèi)地圖以及確定自身位置是必不可少的功能，許多早期掃地機(jī)器人產(chǎn)品并沒有配備導(dǎo)航系統(tǒng)，只能按照設(shè)定的路線進(jìn)行清掃，碰到墻壁或物體邊緣便轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致清掃線路雜亂無章、效率低下。近年來不少中高端掃地機(jī)器人都配備了導(dǎo)航系統(tǒng)，可以為室內(nèi)區(qū)域建圖或建模，以此來規(guī)劃清掃路線，既節(jié)能又可以提高效率。目前市場上使用較為廣泛的導(dǎo)航技術(shù)有兩種，一種是視覺導(dǎo)航，另一種是激光導(dǎo)航。

兩者都是通過SLAM（同步定位與建圖）算法實現(xiàn)，SLAM是指運(yùn)動物體根據(jù)傳感器的信息，一邊計算自身位置，一邊構(gòu)建環(huán)境地圖或模型的過程，解決機(jī)器人等在未知環(huán)境下運(yùn)動時的定位與地圖構(gòu)建問題。而根據(jù)傳感器不同又分為基于視覺的VSLAM（Visual SLAM）和基于激光雷達(dá)的激光SLAM（Lidar SLAM），分別對應(yīng)視覺導(dǎo)航和激光導(dǎo)航。

一、視覺導(dǎo)航

傳統(tǒng)意義上實現(xiàn)視覺導(dǎo)航的VSLAM主要通過兩種視覺傳感器來獲取信息，一是深度攝像頭，通過測距實現(xiàn)三維空間感知，也算作一種測距傳感器，屬于主動光源測距傳感器，包括結(jié)構(gòu)光和相位TOF兩種。二是雙目、多目、魚眼導(dǎo)航傳感器，屬于非主動光源傳感器，工作機(jī)制類似于人眼，根據(jù)三角測距的原理，通過分析兩個傳感器采集到的圖像的差異，計算出距離信息。

視覺導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)勢在于成本較低，最基礎(chǔ)的功能僅需要可以采集到清晰環(huán)境圖像信息的攝像頭，以及處理信息的計算單元，搭載訓(xùn)練完成的AI模型，即可實現(xiàn)。較低的物料成本意味著較低的產(chǎn)品價格，更易被消費(fèi)者接受，用戶數(shù)量增加便可以不斷訓(xùn)練AI模型，形成良性循環(huán)。以及雙目導(dǎo)航傳感器等非主動光源測傳感器是通過接受環(huán)境光計算距離，理論上可以建圖的區(qū)域更大。

▲視覺導(dǎo)航示意圖

視覺導(dǎo)航技術(shù)的弊端也同樣突出，畢竟硬件條件過于薄弱，正是由于僅靠攝像頭來采集信息，主動光源測距傳感器由于功率較低，很容易受到環(huán)境光的干擾，而非主動光源測距傳感器在光線條件不好的情況下幾乎無法工作，對光線的要求很高；其次，非主動光源測距傳感器和人眼一樣，距離越大，誤差越大，同時過多的光線數(shù)據(jù)也讓處理單元難以負(fù)荷。加之VSLAM研究起步較晚，所以目前應(yīng)用相對較少，同時也要配合陀螺儀等傳感器共同工作，主要為慣性導(dǎo)航，單個攝像頭的作用僅為糾偏，如科沃斯DJ65掃地機(jī)器人，采用視覺導(dǎo)航，同時輔助導(dǎo)航和定位的傳感器還有羅盤傳感器、陀螺儀、跌落傳感器、里程計等。

▲科沃斯DJ65掃地機(jī)器人

二、激光導(dǎo)航

起步更早的激光導(dǎo)航技術(shù)的基本原理相對簡單，其一即為激光測距，激光測距就是朝向特定方向發(fā)射一束光線，光線遇到物體反彈回來被接收器捕獲，已知光速，通過時間便可以計算出自身與物體之間的距離。區(qū)別在于，激光測距只需要發(fā)射一次接受一次，而激光導(dǎo)航技術(shù)高一個維度，通過向各個方向更多點位測距，可以二維地建圖或三維地建模，同時確定掃地機(jī)器人自身的位置；其二則為利用兩點間的距離信息進(jìn)行三角測距。

▲激光導(dǎo)航示意圖

通過上述的講解，我們知道了實現(xiàn)激光導(dǎo)航技術(shù)需要的硬件有可以同時向多個點位多個方向測距的激光收發(fā)器，一般稱為激光雷達(dá)測距傳感器。由于其原理較為簡單，早在05年便已比較成熟，是目前最穩(wěn)定、最主流的定位導(dǎo)航方法?，F(xiàn)在市場上有不少產(chǎn)品采用LDS激光導(dǎo)航算法，比如石頭掃地機(jī)器人T6和米家掃拖一體機(jī)器人等，這類產(chǎn)品搭載的被稱為LDS激光雷達(dá)測距傳感器，另外就是處理距離信息和建模的處理單元。

▲激光導(dǎo)航示意圖

由于原理更簡單，涉及計算量也不至于短時間內(nèi)讓處理單元難以負(fù)載，并且在同一環(huán)境下得到的數(shù)據(jù)更加精確，所以使用激光導(dǎo)航技術(shù)的掃地機(jī)器人往往可以更精準(zhǔn)地繪制二維地圖或三維模型，配合“懸崖傳感器”等還可以應(yīng)對各種地形，防止掃地機(jī)器人從較高處如臺階跌落。當(dāng)然，性能更加優(yōu)異的激光導(dǎo)航技術(shù)所需的硬件成本也更高，以及激光雷達(dá)測距傳感器損壞時維修成本也更高。

▲石頭掃地機(jī)器人T6

三、孰勝一籌

了解完兩者的工作原理以及優(yōu)勢劣勢，那么視覺導(dǎo)航和激光導(dǎo)航哪種技術(shù)更好，更加適合家用掃地機(jī)器人市場呢？其實只是代表了兩種方向和思路。

視覺導(dǎo)航技術(shù)的最大硬傷在于現(xiàn)階段建圖建模不夠精確，使用體驗并不盡如人意，一些采用視覺導(dǎo)航技術(shù)的掃地機(jī)器人產(chǎn)品測距不準(zhǔn)，不過搭配其他傳感器一起使用可以在較大程度上補(bǔ)足短板，可用性還是可以得到保障，另外比較低的價格也更容易被消費(fèi)者接受；反觀建圖建模精度更高的激光導(dǎo)航技術(shù)，雖然現(xiàn)階段激光導(dǎo)航測距傳感器成本仍較高，但更加穩(wěn)定技術(shù)更加成熟，各家廠商必定會研制性價比更高的傳感器，降低硬件成本，讓消費(fèi)者以較低的價格，也可以享受到效果更好的掃地機(jī)器人產(chǎn)品。

我們認(rèn)為，兩種技術(shù)各有千秋，現(xiàn)階段市場中各占有一定的份額，主要還是看哪種技術(shù)適合特定的消費(fèi)人群。如果激光導(dǎo)航測距傳感器的價格可以大幅度降度，那么精度更高、體驗更好的激光導(dǎo)航技術(shù)更有可能主導(dǎo)掃地機(jī)器人市場的未來；當(dāng)然，在近距離、光照較好的應(yīng)用場景下，視覺導(dǎo)航的優(yōu)勢更大，仍會保有一席之地。
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