高精度導(dǎo)航定位、全局環(huán)境語(yǔ)義，雙目視覺(jué)導(dǎo)航方案更適合掃地機(jī)器人

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人們消費(fèi)觀念的轉(zhuǎn)變，更具科技屬性的智能規(guī)劃型掃地機(jī)器人成為最受費(fèi)者青睞的智能家居產(chǎn)品。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，智能規(guī)劃掃地機(jī)器人市場(chǎng)占比從17年的10%提升到18年的59%，其中激光導(dǎo)航占76%，視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)占24%。而隨著視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)在iRobot、戴森等掃地機(jī)器人頭部陣營(yíng)不斷發(fā)酵，關(guān)于視覺(jué)導(dǎo)航單目、雙目的技術(shù)問(wèn)題，也得到了掃地機(jī)器人廠商的廣泛關(guān)注。

單目：SLAM無(wú)尺度信息，易受噪聲影響

眾所周知，掃地機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)是通過(guò)連續(xù)不斷地對(duì)機(jī)器周圍環(huán)境拍攝記錄，并根據(jù)特征點(diǎn)或標(biāo)志物進(jìn)行房屋建圖，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位或路線規(guī)劃，單目雙目方案，都是如此。不同的是，單目攝像頭在單幀圖像中，無(wú)法確定距離物體的真實(shí)距離，僅能通過(guò)相機(jī)的運(yùn)動(dòng)形成視差，測(cè)量物體的相對(duì)深度。也就是說(shuō)，單目視覺(jué)導(dǎo)航方案無(wú)法實(shí)際測(cè)繪出一個(gè)物體的真實(shí)大小。這個(gè)物體可能是個(gè)很小卻很近的物體，也可能是一個(gè)很大卻很遠(yuǎn)的東西。并且，在單目SLAM估計(jì)的軌跡和地圖上，與真實(shí)的軌跡和地圖相差一個(gè)重要因素——尺度，即便結(jié)合里程計(jì)、IMU進(jìn)行組合導(dǎo)航，依然無(wú)法達(dá)到雙目的精度水平。

無(wú)法確定真實(shí)尺度，這也意味著以測(cè)距為基礎(chǔ)的三維立體解算應(yīng)用在單目傳感器上無(wú)法得到有力支持，影響搭載單目視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)掃地機(jī)的智能避障，語(yǔ)義地圖等功能。另一方面，單目SLAM更易受到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的噪聲影響，穩(wěn)定性較雙目SLAM低，對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力較弱，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保持定位、規(guī)劃的精準(zhǔn)性。這也是為什么單目成本更低，市場(chǎng)卻對(duì)其響應(yīng)平平的原因。

雙目：定位精度更高，環(huán)境語(yǔ)義更具智能潛力

雙目在硬件結(jié)構(gòu)上更接近人類的雙眼，通過(guò)左右目圖像的視差來(lái)確定距離，也就是立體視覺(jué)。從工作原理上來(lái)說(shuō)，雙目是將左右目拍攝的2D環(huán)境圖像通過(guò)三維立體解算成帶有深度信息的三維空間結(jié)構(gòu)，更適合掃地機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精度及穩(wěn)定性俱佳的導(dǎo)航定位效果。并且，基于三維空間的立體解算，掃地機(jī)器人在識(shí)別障礙物時(shí)，可以解算出障礙物距離，大小以及屬性，障礙物識(shí)別范圍更廣，類似多線激光雷達(dá)，后續(xù)的避障便有了更多操作空間。另一方面，結(jié)合語(yǔ)義識(shí)別，雙目視覺(jué)導(dǎo)航掃地機(jī)器人可以更好地得到語(yǔ)義地圖，理解房屋布局、空間結(jié)構(gòu)，讓掃地機(jī)器人實(shí)現(xiàn)如人物目標(biāo)跟蹤、執(zhí)行特定語(yǔ)義區(qū)域清掃等智能人機(jī)交互，甚至擔(dān)任無(wú)人情況下部分家庭安防工作。

當(dāng)然，雙目實(shí)現(xiàn)這些功能是有前提條件的，雙目視覺(jué)導(dǎo)航的一個(gè)難點(diǎn)便是相機(jī)的同步問(wèn)題。上文提到，雙目是通過(guò)左右目圖像的視差測(cè)距的。因此，理論上左右目攝像頭要做到完全一樣，這便需要兩枚攝像頭實(shí)現(xiàn)同步。如果兩個(gè)攝像頭拍攝時(shí)無(wú)法達(dá)到完全同步，那么就會(huì)造成測(cè)距的參照物發(fā)生錯(cuò)位，造成不可逆的連鎖誤差。

為了解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)新銳計(jì)算機(jī)視覺(jué)廠商INDEMIND軟硬件優(yōu)化一齊著手。首先通過(guò)硬件同步和高精度標(biāo)定算法，讓攝像頭之間、其他傳感器之間實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)時(shí)間同步，實(shí)現(xiàn)硬件端低誤差測(cè)距。在算法上，搭載自研Vi-SLAM算法，通過(guò)構(gòu)建全局SLAM地圖，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)穩(wěn)定的空間定位，進(jìn)而掌握清掃路徑和未清掃區(qū)域，自主智能完成“補(bǔ)漏式”清掃。并且，基于全局地圖還可實(shí)現(xiàn)SLAM丟失后的重定位或開(kāi)機(jī)重定位，提高機(jī)器人系統(tǒng)魯棒性。

完成掃地機(jī)器人清掃這一基本工作之余，結(jié)合語(yǔ)義識(shí)別建立的語(yǔ)義地圖，掃地機(jī)器人不僅可以“看”還可“理解”障礙物是什么，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑規(guī)劃和全局/選擇性避障，避免漏掃、誤掃。并且，根據(jù)語(yǔ)義地圖，使掃地機(jī)器人與人之間產(chǎn)生更多交互，如語(yǔ)音命令掃地機(jī)器人清掃特定區(qū)域、人物活動(dòng)密集區(qū)域著重清掃等，更高效的執(zhí)行家庭清掃任務(wù)。

總的來(lái)說(shuō)，雙目視覺(jué)導(dǎo)航是定位精度更高、系統(tǒng)魯棒性更強(qiáng)，更加智能的掃地機(jī)器人導(dǎo)航方案，能夠更好地引領(lǐng)掃地機(jī)器人向家庭清潔智能助手轉(zhuǎn)變，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，可以預(yù)見(jiàn)，雙目視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)逐漸成為掃地機(jī)器人主流導(dǎo)航定位方案。