Лидар, камеры или гироскоп: какую систему навигации выбрать для роботов-пылесосов
Сейчас рассмотрим 3 основных системы навигации для роботов-пылесосов: лидар, камеры и гироскопы. Расскажу про принцип работы и ключевые особенности, которые помогут при выборе домашнего помощника. Помимо этого, в конце дам ссылку на подборку робот-пылесосов с собственной базой.
Содержание
Лидар
Система использует лазерный луч на вращающейся платформе для измерения расстояния до окружающих объектов. Он отправляет луч и измеряет время, за которое он отражается от предмета и возвращается обратно. Затем на основе этой информации робот строит карту окружающей среды и определяет своё местоположение.
Преимущества
- Высокая точность. Лидар обеспечивает очень точное определение расстояний и создание детальных карт окружающей среды. При должной программной поддержке такие модели не убирают одну и ту же площадь дважды, а также умеют выставлять виртуальные стены.
- Надёжность. Лидары отлично ориентируются даже в полной темноте.
- Практичность. Эффективен в больших помещениях и сложных средах с множеством препятствий.
Недостатки
- Высокая стоимость. Лидар почти не устанавливается в бюджетные модели, поэтому за технологию придётся доплатить.
- Габариты. Лидар располагается сверху робота и занимает немало места. Под некоторые низкие объекты робот с лидаром может не пролезть.
- Риск выхода из строя. Вращающийся модуль с лазером — механический элемент, который подвержен износу и со временем может сломаться, хотя такие случаи встречаются редко.
- Возможность отражения лазера. При наличии хромированных или зеркальных покрытий, есть риск неточного построения карты.
Камеры
Камеры робота снимают изображения окружающей среды и используют компьютерное зрение для их анализа. С помощью алгоритмов обработки робот определяет своё местоположение и препятствия.
Преимущества
- Относительно низкая стоимость. Модели с камерами можно найти и в среднем, и в бюджетном сегментах.
- Удалённый доступ. Некоторые умные модели с приложением могут предоставлять доступ от камер для удалённого наблюдения за квартирой.
Недостатки
- Зависимость от освещенности. В условиях низкой освещенности качество навигации камер снижается.
Гироскопы
Гироскопы измеряют угловую скорость вращения робота. Используя данные о вращении, робот определяет своё местоположение и направление движения.
Преимущества
- Низкая стоимость. Большинство бюджетных моделей оборудованы гироскопами, хотя сейчас они постепенно теряют свою актуальность.
- Размер. Как и камеры, они не требуют вертикального пространства, поэтому модели с гироскопами лучше пролазят под низкой мебелью и другими объектами.
Недостатки
- Недостаточная точность. Гироскопы могут накапливать ошибки со временем, что может привести к неточной навигации.
- Ограничения в сложных средах. В средах с большим количеством препятствий гироскопы сильно теряют в эффективности.
Подведём итоги
Выбор системы навигации для робота-пылесоса зависит от конкретных условий эксплуатации. В больших помещениях с множеством препятствий лидар может быть предпочтительным вариантом благодаря своей высокой точности. Возможность построения карт моделей с лидаром ещё больше увеличивает их эффективность. Для небольших помещений есть смысл рассмотреть камерную навигацию.
Гироскопы могут быть полезными в качестве дополнительной системы навигации, но их можно рассмотреть при выборе самых бюджетных роботов.
Новый Roomba строит карту помещений в процессе уборки (метод SLAM)
Робот-пылесос Roomba — отличный помощник в хозяйстве и самый популярный в мире домашний робот, но алгоритм его навигации никогда не был идеальным. Робот осуществлял странные случайные маневры, натыкался на вещи и т. д. Разработчики из компании iRobot исправили ошибки — и выпустили новый интеллектуальный комбайн Roomba 980, который ориентируется в помещениях на порядок лучше своего предка.
Раньше Roomba двигался более-менее случайно, меняя направление при встрече с препятствием. Он выполнял работу исправно, но такой процесс не назовёшь эффективным или разумным. Roomba 980 использует новый подход.
Для картографирования комнат и навигации пылесос оснащён видеокамерой и программным обеспечением с распознаванием образов. (услышал бы эту фразу кто-нибудь полвека назад. )
Вот как Roomba 980 строит карту помещений по мере прохода по всем комнатам. На анимации процесс показан в ускоренном режиме.
Пылесос больше не двигается хаотично, а вместо этого чётко и методично зачищает всю площадь поверхности, перемещаясь геометрически правильным способом.
Такая техника известна как «одновременное ориентирование и картографирование» (simultaneous location and mapping, SLAM). Техника SLAM десятилетиями изучалась учёными, но только недавно нашла применение в коммерческих продуктах.
Традиционно SLAM требует больших вычислительных ресурсов. Чтобы заставить этот метод работать на встроенном в пылесос компьютере, потребовалось значительно доработать и оптимизировать алгоритмы.
Джон Леонард (John Leonard), профессор Массачусетского технологического института и один из изобретателей техники SLAM, сказал в интервью MIT Technology Review, что сейчас изобретение становится по-настоящему ценным инструментом. Многие производители беспилотных автомобилей, в том числе Google, применяют для навигации подходы, основанные на технике SLAM. Она также применяется для навигации беспилотных летательных аппаратов. То, что iRobot выводит на рынок продукт на основе SLAM, является отличной новостью для всех исследователей, которые давно работают в данной области.
Roomba 980 комбинирует информацию с видеокамеры и других сенсоров. Таким образом, робот-пылесос способен ориентироваться в пространстве даже если камера закрыта, например, из-за кота, сидящего сверху, что случается на удивление часто.
В целях безопасности карта помещения и видеозапись удаляются из памяти после окончания рабочей сессии.
Кроме продвинутой навигации, в новой модели пылесоса удвоено время работы от аккумулятора и впервые появилась возможность управлять им со смартфона. Roomba 980 продаётся за $899, то есть на две сотни дороже прежнего. Но чтобы порадовать кота, никаких денег не жалко.
Прогресс идет за вами: как современные роботы-пылесосы ориентируются в пространстве
Роботы-пылесосы становятся все совершеннее. Теперь они умеют отлично ориентироваться в пространстве и составлять точную карту помещения. Если еще вчера максимум, что производитель мог предложить – это пылесос, который обнаруживает предмет, лишь столкнувшись с ним, то уже сегодня робот не просто обходит неведомое препятствие, но и детально распознает предмет и запоминает его.
Проследив путь развития умной навигации, вы раз и навсегда разберетесь, чем отличается лидар от SLAM, и сможете выбрать своего идеального помощника!
Самый первой появилась контактная система навигации, которую еще называют рандомной. Такой робот распознает препятствие только в случае столкновения с ним, чтобы затем двинуться в противоположную сторону. У таких моделей чаще всего имеется мягкий бампер, чтобы ни пылесос, ни предмет не пострадали. С поддерживающей уборкой они справляются достойно. Однако недостаток такой технологии в том, что робот неизбежно принимает стену за препятствие, которое нужно обойти. Чтобы решить эту проблему, часто добавляют функцию обхода периметра.
Роботы-пылесосы с системным типом навигации воспринимают окружающий мир с помощью заранее сформированных алгоритмов. Таким образом робот доезжает до препятствия, «видит» его с помощью инфракрасных датчиков или касания бампером, затем меняет траекторию движения. Когда во время автоматической уборки сенсоры подсказывают, что пылесос движется вдоль стены, активируется соответствующий алгоритм, при котором робот продолжает движение так, чтобы стена оставалась всегда с одной стороны. Алгоритм «SPOT-уборка» включается при отсутствии преград. В этом случае пылесос движется по спирали, обрабатывая около 2 м² площади, после чего переключается на другой квадрат или переходит к иному алгоритму.
Система ориентирования в пространстве, заложенная в некоторых роботах, не допускает столкновения с предметами. Ультразвуковые и инфракрасные датчики выявляют заметить препятствие в пределах 1 метра. При обнаружении объектов программа корректирует траекторию движения робота-пылесоса и уводит его в сторону. Ультразвуковой датчик в передней части устройства и инфракрасные сенсоры на боковых поверхностях по всему периметру обеспечивают функцию кругового отслеживания препятствий, а также способность двигаться по периметру помещения вдоль стен. Если столкновение все же произошло, в игру вступают датчики касания, установленные в подвижном бампере. Они посылают сигнал в центральный процессор, а тот, в свою очередь, оперативно корректирует траекторию движения робота.
Существуют также роботы-пылесосы, оснащенные системой позиционирования или построения карт. В основе ее работы лежит метод SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) – создание ситуационной карты и локализация объекта в пространстве. Сканер, установленный на пылесосе, проверяет пространство вокруг и по отклику своих датчиков формирует карту. Преимущество этой функции еще и в том, что она позволяет роботу построить оптимальный алгоритм уборки.
Технология навигации G-SLAM предполагает построение карты с помощью гироскопа. G-SLAM измеряет ускорение и угловую скорость пылесоса, тем самым вычисляя его местонахождение. Иными словами, робот запоминает откуда приехал, куда он направляется и месторасположение док-станции, на которую нужно вернуться по окончании уборки. Роботы с гироскопом могут строить карту только в ПО и отображать ее в приложении. При этом карта не сохраняется, ее можно увидеть только онлайн в приложении в момент уборки.
Построение карты по системе V-SLAM происходит через камеру в верхней части умного пылесоса, направленной под углом 45 градусов вперед и вверх. V-SLAM-технология одновременно определяет местоположение робота и строит карту. Делая снимок, ПО сравнивает пиксели на отличие. Если предметы или пылесос меняют свое положение, то устройство нарисует новую карту, после чего сравнит ее с предыдущей для определения своего положения в помещении. Когда локация определена, реализуются новые модели поведения. Робот способен двигаться по прямой линии и направляться к док-станции при низком уровне заряда. Конечно, иногда картографирование осложняется плохим освещением или полной темнотой. В этом случае робот не может собрать корректную информацию об окружающем пространстве, поэтому он часто теряется под шкафом или кроватью, а также не эффективен ночью при выключенном свете.
Роботы-пылесосы, оснащенные лидаром (лазером) или LDS-датчиком, «видят» пространство, направляя на предметы лазерный или световой луч. Лидар расположен на верхней «башенке» девайса. Датчик содержит источник и приемник лазерного или светового луча (в маломощных моделях применяют светодиоды, излучающие потоки света в инфракрасном диапазоне). Испускаемый световой луч, встречаясь с препятствиями, отражается от них и улавливается приемником лидара. LDS-сенсор вращается вокруг своей оси с довольно высокой частотой, обеспечивая круговой обзор. Такие роботы очень точно моделируют карту помещения, поэтому они не заблудятся в квартире с несколькими комнатами. Можно также настраивать зоны уборки и создавать виртуальные границы, которые робот не будет пересекать. Лидар позволяет пылесосам очень точно ориентироваться в помещении, а пользователю — гибко настраивать параметры уборки.
Другим способом навигации является построение карты ToF-камерой. Это новая технология, которую только начали внедрять некоторые производители электроники, например, в начале 2022 года на российском рынке появилась модель S10 бренда 360, поддерживающая эту систему навигации. Особая широкоугольная камера позволяет создавать объемные снимки пространства. Иначе такие камеры называют «камерами глубины». ToF-камера способна испускать световые лучи инфракрасного спектра и содержит светочувствительную матрицу, которая улавливает интенсивность отраженного света. Принцип действия схож с лидар-системой. Преимуществ у такого робота несколько. Во-первых, уровень освещения – теперь не проблема, ведь сенсору по силам «отрисовать» границы пространства даже в полумраке. Во-вторых, камеру встраивают вровень с верхней поверхностью робота, что позволяет сделать его более компактным, и, следовательно, открыть ему дорогу в труднодоступные места.
Ну и наконец, робот, который строит карты с помощью AI (искусственного интеллекта). В этом ему помогает специальная камера, которая позволяет распознать, какой именно предмет находится перед ним, и использовать алгоритм обхода препятствия. Так, пылесос не будет наматывать провода на щетки и не застрянет на брошенном носке. База данных предметов, которая служит роботам своего рода «коллективной памятью», постоянно обновляется на серверах, что позволяет девайсам «учиться» вместе. Данная технология зачастую используется в связке «лидар + камера».
Совершенно очевидно, что роботы-пылесосы не намерены останавливаться в развитии. Ежедневно технологии становятся все умнее, удобнее и доступнее. Рынок домашних помощников уже сейчас невероятно богат и разнообразен, и для каждого запроса найдется свой идеальный вариант.
Материал подготовлен компанией diHouse — мультиканальным поставщиком современных технологий.
Как работают сенсоры роботов-пылесосов
Наблюдение за работой робота-пылесоса — довольно медитативное и умиротворяющее занятие. Но время от времени у пытливых умов появляется вопрос: «Как роботу удается ориентироваться в пространстве и преодолевать возникающие на его пути препятствия?» Давайте разбираться!
Несмотря на огромное количество мифов о работе робота-пылесоса, этот девайс по праву занимает свое место в наших домах, а все благодаря той легкости и скорости, с которой он выполняет уборку. Его эффективность во многом зависит от количества и типа электронных сенсоров, установленных на борту. В зависимости от модели, робот-пылесос использует от 6 до 15 датчиков, включенных в различные системы.
Назначение датчиков — построение карты объекта, ориентирование в пространстве и обеспечение безопасности девайса. Данные, получаемые с сенсоров, обрабатывает управляющая программа. Ориентируясь на полученные значения параметров, применяются те или иные сценарии, непосредственно влияющие на действия робота-уборщика.
Только слаженная работа всех систем обеспечивает работу пылесоса.
Система позиционирования
Основная система любого робота-пылесоса, отвечающая за построение карты убираемой территории и определение точного местоположения электронного уборщика внутри помещения.
В основе работы системы лежит метод SLAM (Simultaneous Localization And Mapping), основная идея которого — построение ситуационной карты и локализация объекта в пространстве. Это происходит следующим образом. Сканер, установленный на объекте, проверяет пространство вокруг и по отклику своих датчиков составляет карту местности.
В сегмент бытовой техники изобретение пришло из области освоения космоса и близлежащих планет: одними из первых такие радары (точнее, лидары) получили луноходы и марсоходы.
В роботах-пылесосах построение карты необходимо для определения оптимального алгоритма уборки. После составления карты управляющая программа разрабатывает и отдает на исполнение оптимальный маршрут передвижения робота. Мобильный пылесос должен заглянуть даже в самый отдаленный уголок!
В современных роботах-пылесосах построение карты окружающего пространства производят одним из двух типов датчиков.
Лазерное сканирование пространства
Сканирование пространства происходит с помощью лидара (или, как его еще называют, LDS-датчика) — прибора, применяемого для точных измерений в газообразной среде. Распознать LDS-датчик достаточно просто: он представляет собой небольшой выступ в форме шайбы, расположенный на верхней плоскости девайса. Датчик содержит источник и приемник лазерного или светового луча (в маломощных девайсах применяют светодиоды, излучающие потоки света в инфракрасном диапазоне). Для обеспечения кругового обзора LDS-сенсор вращается вокруг своей оси с довольно высокой частотой.
Испускаемый световой луч, встречаясь с препятствиями на своем пути (стены, крупная мебель и т. д.), отражается от них и улавливается приемником лидара. Расстояние до препятствия вычисляется по временной задержке между генерацией и приемом лазерного луча. В большинстве моделей роботов-пылесосов частота вращения датчика, как правило, составляет 5 об/сек, чего вполне достаточно для построения карты и довольно точного вычисления положения пылесоса в помещении.
Работающие по такому же принципу датчики можно встретить и на прототипах беспилотных автомобилей.
LDS-датчик позволяет достаточно точно определять расстояние до стен, крупных предметов и других препятствий. Как правило, в роботах-пылесосах применяются датчики, позволяющие уверенно сканировать пространство на расстоянии до 6 метров.
Основным недостатком такой конструкции является то, что датчик выступает над уровнем верхней плоскости, и добавляет к высоте робота-пылесоса несколько сантиметров. В некоторых случаях это может быть критично, поскольку пылесос просто физически не сможет заехать под низко расположенную полку или пространство под кроватью или шкафом.
Визуальная система навигации
Другим способом навигации является так называемая безлидарная система, основанная на широкоугольной камере.
Вот только камера применяется особая, позволяющая создавать объемные снимки пространства. Иначе такие камеры называют «камерами глубины» или ToF-камерами (Time of Flight, что в буквальном переводе означает «время полета»).
ToF-камеры — новое веяние в сфере мобильных гаджетов. Ими оснащены многие флагманские смартфоны. С помощью такой камеры легко и довольно недорого реализуется механизм распознавания по лицу, обмануть его фотографией человека невозможно.
ToF-камера представляет собой источник света, излучающий в инфракрасном спектре, и светочувствительную матрицу, улавливающую интенсивность отраженного света. Их принцип действия схож с лазерным определением расстояния. Камера рассчитывает время с момента испускания пучка света до момента его фиксации на светочувствительной матрице, вычисляет расстояние до объекта в соответствии с временной задержкой и составляет объемную карту помещения.
Преимуществ у такого метода несколько. Во-первых, уровень освещения не играет определяющей роли. Даже в полумраке сенсору по силам «отрисовать» границы убираемого пространства. Во-вторых, камеру встраивают вровень с верхней поверхностью робота, что позволяет сделать его более компактным, и, следовательно, открыть ему дорогу в труднодоступные места.
Система ориентирования в пространстве
Задача системы ориентирования — минимизация столкновений с препятствиями, возникающими на пути робота-пылесоса.
В отличие от системы позиционирования, сканирующей пространство вокруг пылесоса на несколько метров, датчики ориентирования способны выявить препятствие в пределах одного метра. Как правило, для выявления преград используют датчики двух типов: ультразвуковые и инфракрасные.
Принцип их действия схож. В обеих конструкциях имеются передатчик и приемник сигнала. В качестве самого сигнала используют либо звуковые волны, неслышимые человеческому уху (частотой свыше 20 кГц), или световые лучи инфракрасного диапазона.
При обнаружении препятствий, управляющая программа вносит корректировку в траекторию движения робота-пылесоса и уводит его в сторону.
Ведущую роль в системе играет ультразвуковой датчик. Он располагается в передней части устройства.
Инфракрасные сенсоры располагают на боковых поверхностях робота по его периметру. Они дополняют основной датчик, обеспечивая пылесосу возможность кругового отслеживания препятствий.
Боковые датчики выполняют еще одну функцию. Они обеспечивают движение робота вдоль стены, когда нужно убрать по периметру помещения. Как правило, сенсоры позволяют выдерживать интервал от стены на уровне 10-15 мм. Этого вполне достаточно для уборки мусора подвижными щетками робота-пылесоса.
В случае, когда препятствие не попало в зону действия ни одного из перечисленных датчиков и столкновение с поверхностью все же произошло, в работу вступает третья группа датчиков, установленная в подвижном бампере робота-пылесоса, — датчики касания. При срабатывании они посылают сигнал в центральный процессор, а тот в свою очередь оперативно корректирует траекторию движения робота. Датчики касания выполнены либо в виде обычных концевых выключателей, либо в формате оптопары, в которой световой луч прерывается подвижным «флажком» в момент нажатия на передний бампер.
Система безопасности
Система безопасности предназначена для защиты робота-пылесоса от падений и неправильного его использования со стороны пользователя.
Защиту от падения с высоты обеспечивает группа датчиков, установленная в нижней части по периметру устройства.
Это уже привычные инфракрасные сенсоры, с тем же принципом действия, но вот логика их работы существенно отличается. Датчик постоянно отслеживает наличие твердой поверхности под колесами робота-пылесоса. Как только она пропадает (робот подъехал к краю ступени или пытается съехать с высокого порожка), центральный процессор получает тревожный сигнал с датчика и изменяет траекторию движения робота-уборщика.
Сочетание светлых и темных цветовых схем напольного покрытия может вызвать ложные срабатывания оптических датчиков высоты, вследствие чего робот просто откажется проводить уборку темных зон.
В мотор-редукторах, приводящих в движение колеса пылесоса, установлены датчики опрокидывания робота. Если одно или оба колеса окажутся вывешенными, срабатывание датчиков приведет к остановке моторов. Это убережет аккумуляторную батарею от разрядки. Возобновление работы возможно только после установки робота-пылесоса на ровную поверхность.
Датчик опрокидывания — обычный концевой выключатель, разрывающий цепь питания при опрокидывании пылесоса или вывешивании одного из колес.
Чтобы не допустить использование робота-пылесоса без контейнера для сбора мусора, в приемный лоток устанавливают датчик наличия контейнера. Вариаций исполнения не так уж и много. Самый простой — установка концевого выключателя, более продвинутый — датчик в виде геркона. На корпусе контейнера устанавливают постоянный магнит, активирующий геркон, когда контейнер установлен на свое место. Процессор «видит» замкнутую цепь и «понимает» что устройство можно использовать.
Система парковки на базовую станцию
Возвращение на базовую станцию после уборки или в случае необходимости пополнения заряда аккумулятора, — еще одна интересная функция, реализованная в роботе-пылесосе. При выполнении процедуры возвращения на базовую станцию, задействованы две системы. На первом этапе — система позиционирования, которая отвечает за текущее положение устройства по отношению к базовой станции. Алгоритм определяет кратчайший оптимальный маршрут. Когда робот-пылесос находится в зоне видимости базовой станции, в работу включаются датчики парковки.
Система работает следующим образом. В базовой станции расположен мощный инфракрасный светодиод, выполняющий функцию маяка. В корпусе робота-пылесоса имеется пара оптических приемников, захватывающих луч маяка. Каждый из приемников передает процессору свое значение расстояния до маяка, а тот корректирует маршрут движения таким образом, чтобы оба значения сигналов сравнялись по величине. Как только это происходит, считается, что робот занял позицию прямо перед базой, после чего происходит его парковка на контактных площадках базовой станции.
Как видно, датчики робота-пылесоса превращают его в полностью автономное устройство, способное самостоятельно навести порядок в доме. Получается как в той известной песне Сережи Сыроежкина: «Вкалывают роботы, счастлив человек!». Единственное, за чем необходимо следить, чтобы девайс всегда находился в строю, так это за чистотой самих датчиков.