掃地機(jī)器人避障技術(shù)的發(fā)展史

掃地機(jī)器人從真空吸塵器發(fā)展而來(lái)，它的出現(xiàn)幫助人們解放雙手、減輕家務(wù)負(fù)擔(dān)，可以更多關(guān)注生活中重要的事情，因此越來(lái)越多的家庭選擇配置掃地機(jī)器人。

據(jù)IDC《智能家居設(shè)備市場(chǎng)季度跟蹤報(bào)告，2023年第四季度》顯示，2023年全球智能掃地機(jī)器人市場(chǎng)出貨量為1852萬(wàn)臺(tái)。伴隨市場(chǎng)升級(jí)、滲透，預(yù)計(jì)未來(lái)五年市場(chǎng)出貨量將以6%的年復(fù)合增長(zhǎng)率持續(xù)提升，預(yù)計(jì)2028年將接近2500萬(wàn)臺(tái)。

其中，避障能力作為評(píng)判一款掃地機(jī)器人的智能化級(jí)別，其重要性不言而喻。

市場(chǎng)規(guī)模決定技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展水平，如果向AI助理提問(wèn)：“掃地機(jī)器人避障方式哪種好？”，它給到的回答排序是視覺(jué)避障（27%）、3D結(jié)構(gòu)光避障（22%）、3D ToF避障（16%）、激光雷達(dá)避障（13%）......所有的技術(shù)能力都不是一蹴而就，關(guān)于避障技術(shù)的探索同樣經(jīng)歷一輪輪迭代發(fā)展。

避障1.0

碰撞式/超聲波傳感器/紅外傳感器

1996年，第一臺(tái)掃地機(jī)器人亮相，通過(guò)超聲波探測(cè)躲避障礙，由于對(duì)有些障礙物不能很好避開(kāi)，因此在第二代版本中加入紅外傳感器，讓它的避障能力有所提升。但是它的反應(yīng)和運(yùn)行速度較慢，無(wú)法解決碰撞問(wèn)題，很多區(qū)域無(wú)法被清理。

2002年，機(jī)器人公司iRobot開(kāi)創(chuàng)隨機(jī)碰撞模式，即當(dāng)掃地機(jī)器人在地面隨機(jī)移動(dòng)時(shí)，能夠在碰到障礙物時(shí)改變方向，探測(cè)到臺(tái)階時(shí)自動(dòng)停止。作為早期的避障技術(shù)，技術(shù)簡(jiǎn)單、效率低下，而且容易損壞家具。

避障2.0

LDS激光雷達(dá)

從隨機(jī)清掃到路徑規(guī)劃，從功能實(shí)現(xiàn)到質(zhì)量和效率的提升。

2016年，搭載在掃地機(jī)器人頂部的激光測(cè)距傳感器（LDS激光雷達(dá)）通過(guò)360°全向旋轉(zhuǎn)掃描周圍環(huán)境并進(jìn)行定位、環(huán)境地圖構(gòu)建（SLAM），從而實(shí)現(xiàn)合理的清掃路線規(guī)劃。

LDS激光雷達(dá)通過(guò)ToF（Time of Flight）的原理，即計(jì)算激光從發(fā)出到反射回來(lái)的飛行時(shí)間，得出相對(duì)精準(zhǔn)的距離信息。但是由于其安裝在掃地機(jī)器人頂部，無(wú)法探測(cè)到下方的低矮區(qū)域，并且對(duì)透明及黑色物體識(shí)別不佳、也無(wú)法識(shí)別語(yǔ)義，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能避障。

但作為目前主流的技術(shù)方案，LDS激光雷達(dá)精度較高、采集速度較快，主要任務(wù)是導(dǎo)航及建圖，可以輔助避障，幾乎應(yīng)用在目前所有的掃地機(jī)器人上。

避障3.0

LDS+雙線結(jié)構(gòu)光

線激光只能測(cè)量單條線上的距離信息，那么雙線激光/結(jié)構(gòu)光就能做到更強(qiáng)、更精細(xì)的三維識(shí)別。

雙線結(jié)構(gòu)光，即采用兩條交叉的線激光共同工作，通常安裝在掃地機(jī)正前方，可以進(jìn)行3D建模、判斷物體距離和外形，從而實(shí)現(xiàn)有效避障。雙線結(jié)構(gòu)光避障的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)環(huán)境光的抗干擾能力較強(qiáng)、識(shí)別距離遠(yuǎn)，但是分辨率不高。

避障4.0

純視覺(jué)（雙目立體視覺(jué)）

隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，基于視覺(jué)的避障系統(tǒng)更接近人眼的處理能力，展現(xiàn)出更強(qiáng)的智能化特征。

雙目立體視覺(jué)，利用雙攝像頭采集圖像信息進(jìn)行智能感知和深度信息探測(cè)。通過(guò)AI算法，對(duì)周圍環(huán)境和障礙物進(jìn)行高精度的三維測(cè)距，實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別，從而進(jìn)行策略性避障和導(dǎo)航規(guī)劃。

2024年4月云鯨發(fā)布了首款雙目視覺(jué)避障方案的掃地機(jī)器人，對(duì)于障礙物的識(shí)別類型提升至100+，并且對(duì)數(shù)據(jù)線、紙巾等易纏繞物體都能有效識(shí)別。

由于視覺(jué)方案涉及測(cè)量和識(shí)別，數(shù)據(jù)處理量極大，因此對(duì)于掃地機(jī)器人的芯片算力要求很高，而且攝像頭在弱光環(huán)境下面臨不小的挑戰(zhàn)。

針對(duì)視覺(jué)避障的這兩處難點(diǎn)，基于酷芯行業(yè)領(lǐng)先的智能感知ISP圖像處理能力和智能計(jì)算NPU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理能力，可以提供4Tops及以上算力，深度學(xué)習(xí)方式效果驚艷，同時(shí)搭配語(yǔ)義分割可獲得更為精細(xì)的圖像分割結(jié)果，解決傳統(tǒng)算法上的corner case；面對(duì)弱光環(huán)境，通過(guò)更大靶面的傳感器及適當(dāng)補(bǔ)光等解決方案，提升視覺(jué)避障在不同光照條件下的性能。

作為酷芯第三代AI SoC，今年推出的AR94系列具備等效8Tops INT8算力，集成40+硬件算子，可以滿足掃地機(jī)器人日益復(fù)雜的應(yīng)用需求，帶給用戶更好的智能產(chǎn)品體驗(yàn)。同時(shí)，功率相比上一代降低50%以上，讓掃地機(jī)器人擁有更長(zhǎng)的續(xù)航能力。

從“智障”到“智能”的避障之路需要不斷摸索，每種傳感器也都各有千秋，通過(guò)多種傳感器的融合使用可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)和全面的環(huán)境感知。除此之外，AI技術(shù)的升級(jí)也將推動(dòng)掃地機(jī)器人向更高層次的智能化發(fā)展。

每個(gè)領(lǐng)域都需要自己的開(kāi)荒者，他打破技術(shù)的藩籬，將創(chuàng)新的點(diǎn)子落地成觸手可及的產(chǎn)品。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)需求的推動(dòng)，每一次迭代都帶來(lái)了更高效、更智能的用戶體驗(yàn)，掃地機(jī)器人也將真正成為家庭生活中不可或缺的一部分。

關(guān)于酷芯微電子

合肥酷芯微電子有限公司成立于2011年7月，致力于成為全球智能芯片領(lǐng)導(dǎo)者?？偛课挥诤戏矢咝聟^(qū)，并在上海、成都、深圳等多地開(kāi)設(shè)分、子公司。公司依托通信、端側(cè)AI芯片及其解決方案賦能產(chǎn)業(yè)智能升級(jí)。產(chǎn)品主要應(yīng)用于無(wú)線通信、機(jī)器人、融合成像、AR/VR等多個(gè)領(lǐng)域。