說(shuō)到掃地機(jī)器人，家庭主婦們心里多半會(huì)蕩漾起幸福的漣漪，掃地機(jī)器人應(yīng)該算是繼洗衣機(jī)后，最能讓懶癌晚期患者們感到幸福的家電產(chǎn)品之一了。在快包平臺(tái)，不斷有雇主來(lái)咨詢我們掃地機(jī)器人相關(guān)的技術(shù)開發(fā)問(wèn)題，以及發(fā)包找團(tuán)隊(duì)做軟硬件開發(fā)。掃地機(jī)器人有哪些關(guān)鍵技術(shù)，它的工作原理是什么？今天小編帶你詳細(xì)了解掃地機(jī)器人背后的技術(shù)玄機(jī)。

相信小伙伴們都有過(guò)掃地的經(jīng)歷，回想一下掃地的過(guò)程，可以分解為兩個(gè)主要的動(dòng)作：走到某個(gè)位置；將其打掃干凈。與之相應(yīng)的，掃地機(jī)器人最重要的就是定位和打掃,它包含兩個(gè)主要的系統(tǒng)：自主導(dǎo)航系統(tǒng)和清掃系統(tǒng)。

如果說(shuō)清掃系統(tǒng)是掃地機(jī)器人冠以“掃地”之名的本錢，是掃地機(jī)器人之心；那么自主導(dǎo)航系統(tǒng)就是它冠以“機(jī)器人”之名的底氣，是掃地機(jī)器人之腦。如果沒(méi)有自主導(dǎo)航系統(tǒng)，那么它只能被稱為“掃地機(jī)器”而不是“掃地機(jī)器人”。下面就讓我們具體來(lái)看一下掃地機(jī)器人的“底氣”是怎么產(chǎn)生的。

一、掃地機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)

機(jī)器人導(dǎo)航的三個(gè)經(jīng)典問(wèn)題

說(shuō)到機(jī)器人的自主導(dǎo)航，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)可以歸結(jié)為由MIT教授John J. Leonard和原悉尼大學(xué)教授Hugh Durrant-Whyte提出的三個(gè)問(wèn)題：
“
(1) Where am I ？
(2) Where I am going？

(3) How should I go there？

第一個(gè)問(wèn)題是機(jī)器人的定位問(wèn)題，即如何根據(jù)現(xiàn)在觀測(cè)到的和前面已知的信息，判斷機(jī)器人在當(dāng)前環(huán)境中的位置。第二個(gè)和第三個(gè)問(wèn)題，實(shí)際上就是指定一個(gè)目標(biāo)，然后規(guī)劃一定的路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。對(duì)一般的移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，這個(gè)目標(biāo)是一個(gè)點(diǎn)，即點(diǎn)到點(diǎn)導(dǎo)航。而對(duì)掃地機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其目標(biāo)不是到達(dá)某一點(diǎn)，而是遍歷某一個(gè)區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)對(duì)房間的清掃。今天讓我們先來(lái)看一下第一個(gè)問(wèn)題，即掃地機(jī)器人的定位。

定位是包括掃地機(jī)器人在內(nèi)的移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航中最基本的環(huán)節(jié)，也是完成任務(wù)必須解決的問(wèn)題。說(shuō)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。

與之不同，掃地機(jī)器人的定位都是室內(nèi)定位，其要求定位精度高（最少在亞米級(jí)），實(shí)時(shí)性好，GPS、基站定位等方法無(wú)法滿足。掃地機(jī)器人定位總體上可以分為相對(duì)定位和絕對(duì)定位，下面我們分別來(lái)看。

相對(duì)定位法

航位推算法（Dead-Reckoning Method）是一種經(jīng)典的相對(duì)定位法，也是掃地機(jī)器人目前最為廣泛使用的一種定位方法。它利用機(jī)器人裝備的各種傳感器獲取機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)信息，通過(guò)遞推累計(jì)公式獲得機(jī)器人相對(duì)初試狀態(tài)的估計(jì)位置。航位推算較常使用的傳感器一般有：碼盤，慣性傳感器（如陀螺儀、加速度計(jì)）等。

碼盤法一般使用安裝在車輪上的光電碼盤記錄車輪的轉(zhuǎn)數(shù)，進(jìn)而獲得機(jī)器人相對(duì)于上一采樣時(shí)刻位置和姿態(tài)的改變量，通過(guò)這些位移量的累積就可以估計(jì)機(jī)器人的位置。碼盤法優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但其容易受標(biāo)定誤差、車輪打滑、顛簸等因素影響，誤差較大。但是由于碼盤價(jià)格便宜，簡(jiǎn)單易用，可用于機(jī)器人較短時(shí)間距離內(nèi)的位置估計(jì)。

慣性傳感器使用陀螺儀和加速度計(jì)得到機(jī)器人的角加速度和線加速度信息，通過(guò)積分獲得機(jī)器人的位置信息。一般情況下，使用慣性傳感器的定位精度高于碼盤，但是其精度也要受陀螺儀漂移、標(biāo)定誤差、敏感度等問(wèn)題影響。無(wú)論是使用碼盤還是慣性傳感器，它們都存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)：有累積誤差，隨著行駛時(shí)間、距離的不斷增加，誤差也不斷增大。因此相對(duì)定位法不適合于長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離的精確定位。

絕對(duì)定位法

絕對(duì)定位法是指機(jī)器人通過(guò)獲得外界一些位置等己知的參照信息，通過(guò)計(jì)算自己與參照信息之間的相互關(guān)系，進(jìn)而解算出自己的位置。.絕對(duì)定位主要采用基于信標(biāo)的定位、環(huán)境地圖模型匹配定位、視覺(jué)定位等方法。

基于信標(biāo)的定位

信標(biāo)定位原指在航海或航空中利用無(wú)線電基站發(fā)出的無(wú)線電波實(shí)現(xiàn)定位與導(dǎo)航的技術(shù)。對(duì)機(jī)器人室內(nèi)定位而言是指，機(jī)器人通過(guò)各種傳感器接收或觀測(cè)環(huán)境中已知位置的信標(biāo)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出機(jī)器人與信標(biāo)的相對(duì)位置，再代入已知的信標(biāo)位置坐標(biāo)，解出機(jī)器人的絕對(duì)坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。用于定位的信標(biāo)需滿足3個(gè)條件：
“
（1） 信標(biāo)的位置固定且信標(biāo)的絕對(duì)坐標(biāo)已知；
（2） 信標(biāo)具有主被動(dòng)特征，易于辨識(shí)；
（3） 信標(biāo)位置便于從各方向觀測(cè)。

信標(biāo)定位方式主要有三邊測(cè)量和三角測(cè)量 。三邊測(cè)量是根據(jù)測(cè)量得到的機(jī)器人與信標(biāo)的距離來(lái)確定移動(dòng)機(jī)器人位置的方法。三邊測(cè)量定位系統(tǒng)至少需要3個(gè)已知位置的發(fā)射器(或接收器)，而接收器(或發(fā)射器)安裝在移動(dòng)機(jī)器人上。三角測(cè)量和三邊測(cè)量的思路大體一致，通過(guò)測(cè)量移動(dòng)機(jī)器人與信標(biāo)之間的角度來(lái)進(jìn)行定位。

基于信標(biāo)的定位系統(tǒng)依賴于一系列環(huán)境中已知特征的信標(biāo)，并需要在移動(dòng)機(jī)器人上安裝傳感器對(duì)信標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)。用于信標(biāo)觀測(cè)的傳感器有很多種，比如超聲波傳感器、激光雷達(dá)、視覺(jué)傳感器等?？梢詫?shí)時(shí)測(cè)量，沒(méi)有累進(jìn)誤差，精度相對(duì)較高、穩(wěn)定性好，提供快速、穩(wěn)定、精確的絕對(duì)位置信息，但安裝和維護(hù)信標(biāo)花費(fèi)很高。市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)較為成熟的基于信標(biāo)定位的信標(biāo)定位掃地機(jī)器人，如Proscenic的模擬GPS衛(wèi)星三點(diǎn)定位技術(shù)，iRobot的Northstar導(dǎo)航定位技術(shù)，但由于其價(jià)格較為昂貴，它們都用于相對(duì)高端的產(chǎn)品中。

環(huán)境地圖模型匹配定位

是機(jī)器人通過(guò)自身的各種傳感器探測(cè)周圍環(huán)境，利用感知到的局部環(huán)境信息進(jìn)行局部的地圖構(gòu)造，并與其內(nèi)部事先存儲(chǔ)的完整地圖進(jìn)行匹配。通過(guò)匹配關(guān)系獲得自己在全局環(huán)境中的位置，從而確定自身的位置。該方法由于有嚴(yán)格的條件限制，只適于一些結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的環(huán)境。

基于視覺(jué)的定位

科學(xué)研究統(tǒng)計(jì)表明，人類從外界獲得信息量約有75%來(lái)自視覺(jué)，視覺(jué)系統(tǒng)是機(jī)器人與人類感知環(huán)境最接近的探測(cè)方式。受益于模式識(shí)別、機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展，基于視覺(jué)的機(jī)器人定位近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)。

基于視覺(jué)的定位主要分為單目視覺(jué)、雙目視覺(jué)。

單目視覺(jué)無(wú)法直接得到目標(biāo)的三維信息，只能通過(guò)移動(dòng)獲得環(huán)境中特征點(diǎn)的深度信息，適用于工作任務(wù)比較簡(jiǎn)單且深度信息要求不高的情況，如果利用目標(biāo)物體的幾何形狀模型，在目標(biāo)上取3個(gè)以上的特征點(diǎn)也能夠獲取目標(biāo)的位置等信息，但定位精度不高。

雙目立體視覺(jué)三維測(cè)量是基于視差原理的,即左相機(jī)像面上的任意一點(diǎn)只要能在右相機(jī)像面，上找到對(duì)應(yīng)的匹配點(diǎn),就可以確定出該點(diǎn)的三維信息，從而獲取其對(duì)應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。目前，基于視覺(jué)定位的掃地機(jī)器人也已有產(chǎn)品推出，iRobot和Dyson分別于2015年及2014年推出了基于視覺(jué)定位的高端掃地機(jī)器人RoomBa980和360Eye。

自主定位是掃地機(jī)器人自主路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)多年的研究，雖然受成本、生產(chǎn)等因素的制約，航位推算法仍然是目前采用最廣泛的定位方法，但通過(guò)算法優(yōu)化，利用混合定位，可以減小其誤差帶來(lái)的影響。而且，隨著視覺(jué)定位等較高定位精度的定位方法的進(jìn)一步成熟，其成本也將逐步下降，并將從高端市場(chǎng)逐漸推向大眾市場(chǎng)，到時(shí)候掃地機(jī)器人的定位精度，智能化水平都將有普遍的提升。

進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)掃地機(jī)器人PK

目前國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口的掃地機(jī)器人，主流一線品牌還是能數(shù)的過(guò)來(lái)的。評(píng)估一款掃地機(jī)器人是否好用，需要考慮到清潔力、續(xù)航、自主導(dǎo)航能力和易用性。根據(jù)此前的詳細(xì)產(chǎn)品評(píng)測(cè)，評(píng)選出了一個(gè)在售掃地機(jī)器人的排名。iRobot無(wú)疑是先驅(qū)之一，Roomba系列產(chǎn)品一直聲名在外，目前已成為全球最主流的掃地機(jī)器人品牌。當(dāng)然，市場(chǎng)中總是不乏競(jìng)爭(zhēng)者， Neato的Botvac掃地機(jī)器人，專注寵物毛發(fā)輕掃性能，也獲得了市場(chǎng)關(guān)注。國(guó)產(chǎn)中科沃斯的銷量當(dāng)仁不讓。

iRobot Roomba和Neato是掃地機(jī)器人行業(yè)兩大知名的進(jìn)口品牌，它們都擁有不同的專利核心技術(shù)，在清掃房間時(shí)采用的技術(shù)也是不同的。目前大家最熟悉的iRobot產(chǎn)品就是Roomba掃地機(jī)器人。

iRobot Roomba采用的專利技術(shù)叫做iAdapt，這種技術(shù)是通過(guò)傳感器來(lái)判定清掃區(qū)域的，它是在清掃區(qū)域內(nèi)做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)反復(fù)清掃的方式來(lái)保證每個(gè)地方都清掃干凈，這種技術(shù)的好處是清掃得比較干凈，但其不足之處在于它清掃起來(lái)相對(duì)耗時(shí)。

而另一個(gè)掃地機(jī)品牌Neato采用的思路與iRobot 掃地機(jī)器人完全不同，它采用的技術(shù)叫做房間定位系統(tǒng)RPS。機(jī)器在清掃之前，會(huì)自動(dòng)依靠激光傳感器對(duì)房間的布局進(jìn)行描繪，它可以分辨出過(guò)道、墻壁等，在清掃地圖繪制完成以后，會(huì)以一個(gè)清掃路線來(lái)進(jìn)行清掃，從而達(dá)到高效的效果。

這兩個(gè)品牌的掃地機(jī)器人在其它方面也有很大的差別。例如在清掃墻角的時(shí)候，由于Neato掃地機(jī)器人的機(jī)身是方型的，可能在一定程度上對(duì)墻角的清掃能力有限制。而iRobot Roomba的機(jī)身是圓形的，它是清掃墻角時(shí)，采用的是能夠探到機(jī)身外的邊刷，清掃墻角的效果自然會(huì)好很多。

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