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视觉导航 vs 激光导航,扫地机器人SLAM技术解析
2019-10-30 17:23:03 来源: 康二罗硷新闻网

如今清扫机器人越来越受欢迎,已经成为一种“新型小家电”。为了实现更高效、更节能地清扫整栋房子的功能,绘制室内地图和确定自己的位置是必不可少的功能。许多早期的清扫机器人产品没有配备导航系统,只能按照设定的路线清扫,碰到墙壁或物体边缘时会转弯,导致清扫路线混乱,效率低下。近年来,许多中高端清扫机器人都配备了导航系统,可以为室内区域构建地图或模型来规划清扫路线,从而节约能源,提高效率。目前,市场上广泛使用的导航技术有两种,一种是视觉导航,另一种是激光导航。

两者都是通过slam算法实现的。slam是指当机器人等在未知环境中移动时,在构建环境地图或模型以解决定位和地图构建问题的同时,移动物体根据传感器信息计算其自身位置的过程。根据传感器的不同,分为视觉SLAM和激光雷达SLAM,分别对应视觉导航和激光导航。

一.视觉导航

传统意义上,实现视觉导航的vslam主要通过两种视觉传感器获取信息。一种是深度相机(depth camera),通过距离测量实现三维空间感知,也可算作距离测量传感器,属于主动光源距离测量传感器,包括结构光和相位tof两种。另一种是双目、多眼和鱼眼导航传感器,属于非主动光源传感器。其工作机制类似于人的眼睛。根据三角测距原理,通过分析两个传感器采集的图像之间的差异来计算距离信息。

视觉导航技术的优势在于成本低。最基本的功能只能通过能够收集清晰的环境图像信息的摄像机、处理信息的计算单元和经过训练的人工智能模型来实现。更低的材料成本意味着更低的产品价格,更容易被消费者接受。随着用户数量的增加,人工智能模型可以被持续训练以形成良性循环。以及诸如双目导航传感器之类的非有源光源传感器,通过接收环境光来计算距离,并且理论上可以构建地图的区域更大。

▲视觉导航示意图

视觉导航技术的缺点也很突出。毕竟,硬件条件太弱了。正是因为只有相机才能收集信息。有源光源测距传感器由于其低功率容易受到环境光的干扰,而非有源光源测距传感器在弱光条件下难以工作,并且对光的要求很高。其次,像人眼一样,随着距离的增加,非主动光源测距传感器具有更大的误差。同时,太多的轻数据也使得处理单元难以加载。此外,vslam的研究起步较晚,因此目前其应用相对较少。同时,它应该与陀螺仪等传感器一起工作,主要是惯性导航,单个摄像机的功能只是校正偏差。例如Cobos中的dj65清扫机器人采用视觉导航,而辅助导航和定位的传感器包括罗盘传感器、陀螺仪、跌落传感器、里程计等。

▲ Cobos dj65清扫机器人

第二,激光导航

激光导航技术的基本原理,开始于较早,相对简单。一个是激光测距。激光测距是向特定方向发射光束。当遇到物体时,光线会反弹回来,并被接收器捕获。给定光速,它和物体之间的距离可以通过时间来计算。不同之处在于,激光测距只需要发射一次并被接受一次,而激光导航技术要高一个维度。通过在所有方向上排列更多的点,可以建立二维映射或三维建模,并且可以同时确定清扫机器人本身的位置。二是利用两点间的距离信息进行三角测距。

▲激光导航示意图

通过以上解释,我们知道实现激光导航技术所需的硬件包括激光收发器,俗称激光雷达测距传感器(laser radar ranging sensor),可以同时从多个点到多个方向进行测距。由于其原理相对简单,早在2005年就已经成熟,是目前最稳定、最主流的定位导航方法。目前市场上许多产品都使用lds激光导航算法,如扫石机器人t6和Mijia扫拖一体化机器人等。这些产品配备了所谓的lds激光雷达测距传感器,另一个是用于处理距离信息和建模的处理单元。

▲激光导航示意图

由于原理更简单,所涉及的计算不会使处理单元在短时间内难以加载,并且在相同环境下获得的数据更精确,因此使用激光导航技术的清扫机器人通常可以更精确地绘制二维地图或三维模型,并且可以与“悬崖传感器”等配合处理各种地形,以防止清扫机器人从较高的高度如台阶上跌落。当然,性能更好的激光导航技术的硬件成本更高,激光雷达测距传感器损坏时的维护成本也更高。

▲扫石机器人t6

第三,哪个更好

了解了它们的工作原理和优缺点后,视觉导航和激光导航哪种技术更好,哪种更适合国内清扫机器人市场?事实上,它只代表两个方向和思想。

视觉导航技术的最大问题是,在这一阶段,绘图和建模不够准确,经验也不令人满意。使用视觉导航技术的清扫机器人的一些产品在距离测量上不精确。然而,当与其他传感器一起使用时,可以在很大程度上弥补短板,并且可用性仍然可以得到保证。此外,相对较低的价格更容易被消费者接受。另一方面,激光导航技术在测绘和建模方面具有较高的精度,虽然现阶段激光导航和测距传感器的成本仍然相对较高,但越稳定的技术越成熟。各种制造商肯定会开发性价比更高的传感器,降低硬件成本,让消费者以更低的价格享受更好的清扫机器人产品。

我们认为这两种技术各有优势,在现阶段各有一定的市场份额。这主要取决于哪种技术适合特定的消费者群体。如果激光导航和测距传感器的价格能够大幅降低,那么精度更高、体验更好的激光导航技术就更有可能主宰清扫机器人市场的未来。当然,在距离较近、光照较好的应用场景中,视觉导航具有更大的优势,并将继续占有一席之地。

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