從3D雙線結構光+AI避障策略看如何讓掃地機器人更“開眼”

從3D雙線結構光+AI避障策略看如何讓掃地機器人更“開眼” 1


在眾多智能家居設備中,掃地機器人無疑是最受歡迎的消費類硬件之一,它能解放我們的雙手,實現中國家庭對地面清潔的終極需求——掃擦兩相宜。然而,在享受掃地機器人帶來的便利生活之餘,你是否想過——它是如何繞過“取經”(掃擦)路上的各種“妖魔鬼怪”(障礙)的?

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慣性導航時代

掃地機器人的歷史最早可以追溯到1996年伊萊克斯推出的機器人吸塵器,由於其造型酷似遠古生物三葉蟲,所以它被命名為“Trilobite”即三葉蟲。

2002年,iRobot發布了真正意義上的家用掃地機器人Roomba,只是這一時期產品採用的均為慣性導航+隨機碰撞式的清潔模式,通過碰撞障礙物改變運動方向、窮舉的方式來進行清掃,存在撲朔迷離的風騷走位問題,掃起地來毫無章法,完全沒有行進路徑規劃,不知道哪裡掃過了,哪裡沒掃過,該去哪裡掃,直到電量耗盡,還有大量需要清掃的地方沒有覆蓋到。

路徑規劃時代

隨著視覺導航(使用攝像頭)和激光雷達導航(LDS模塊)的出現,掃地機器人終於具備了一定的地圖測繪能力,通過算法進行智能的路徑規劃,可使房間的清掃工作更精確,避障能力也有了大幅提升。

換句話說,只有支持路徑規劃的,才是真正意義上智能型掃地機器人。

而將智能掃地機器人推向普及,走進千家萬戶的標誌性事件,則是2016年小米旗下生態鏈企業石頭科技推出的米家掃地機器人。這款產品採用激光測距傳感器,支持智能路徑規划算法,同時還集1800Pa大風壓電機以及5200mAh大電池於一身,並打出了史無前例的1699元價格,較之同級別競品便宜了50%甚至更多。

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在米家掃地機器人發售之前,市面上雖然也有所謂的帶導航路徑規劃的產品,但它們中的絕大部分產品都沒有合理的路徑規划算法,其清掃方式、效果與碰撞式基本沒有區別,售價與體驗不成正比。

因此,通過對石頭科技旗下幾款經典產品的把脈,不難梳理出掃地機器人的路徑規劃和避障技術的迭代進程。

石頭掃地機器人的技術迭代

對掃地機器人來說,避障無疑是最為核心的技能,也是其智能性的重要體現之一。想讓機器人清潔無死角,避免跌落樓梯、繞過各種障礙、規避特殊環境(如衛生間),需要從感知(perception)、決策(decision making)和控制(control)三個方面加以優化。

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2016年上市的第一代米家掃地機器人(由石頭代工)引入了石頭科技自主研發的LDS激光測距傳感器,可進行360度、每秒1800次測距掃描,通過類似無人駕駛技術中使用的SLAM(即時定位與地圖構建)算法實時構建房間地圖。結合陀螺儀、加速度傳感器、里程計、超聲傳感器等12類不同傳感器數據,可以實現智能的路徑規劃功能,最大限度提高了掃地效率,並解決了碰撞型和偽路徑規劃式掃地機器人面對複雜環境時容易困在某個區域周旋,掃得慢、掃不全的痛點。

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此外,用戶還可隨時通過手機客戶端查看實時地圖的生成過程,及清掃路徑、遠程操控、定時清掃,在APP端還有安靜,標準,強力三種清掃模式可以讓用戶選擇,耗材到期前智能提醒更換耗材,讓掃地機器人第一次可被信賴的使用。

2017年,石頭科技帶著自主品牌新品石頭掃地機器人採用了眾籌的形式正式發布,它在米家掃地機器人智能路徑規劃、遠程APP智能控制和大吸力大電池等特色的基礎上,帶來了“清潔、脫困、硬件、軟件”等四大方面的升級。新增的拖地模塊,實現了邊掃邊拖的功能;在軟件上,石頭掃地機器人加入了劃區清掃和指哪去哪功能,在APP上可以手動規劃清掃面積和區域。除此之外,石頭掃地機器人在檢測到地毯後會增大吸力保證清潔效果;在充電體驗上也得到了提升,現在無論機器人在什麼地方都能夠輕鬆回充。

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2019年問世的石頭掃地機器人T6也值得我們關注,它內置的LDS導航系統升級了新一代激光建圖算法,帶來更快速、更穩定、更準確的建圖能力,還能自動識別房間,可以像人一樣按房間清掃。

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此外,石頭掃地機器人T6全新升級的Rock Navigation路徑規劃相較於上一代產品更加智能。其基於長邊優先原則和就近原則,在狹長區域清掃更快,不繞遠、不走冤枉路,清潔效率提升20%。得益於以上兩項智能升級,石頭掃地機器人T6的地圖管理3.0系統在首次清掃完成後,能準確記住用戶的家居地圖,為用戶提供更加個性化的清掃操作,支持選區清掃、劃區清掃和虛擬牆禁區設置,想掃哪就掃哪,相較於早期產品更高效,智能體驗更豐富。

到了2020年,石頭科技發布的年度旗艦探索機型石頭掃地機器人T7 Pro開創性地將無人機和自動駕駛領域運用到的前沿技術——AI雙目視覺避障系統運用到適合掃地機器人的近地視角場景上,解決了面對複雜多樣家庭環境中不同材質障礙物導致的掃地機器人卡困而無法完成自主清掃的痛點。

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目前市面上大多數掃地機器人所使用的傳感器只能感知到平面信息,例如單顆攝像頭拍攝的照片是各個深度的物體疊加到一個平面,但對於掃地機器人來說,這類圖片由於缺失深度信息而容易導致判斷和行為上的錯誤。

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石頭掃地機器人T7 Pro的雙目視覺避障系統,可以感知到周圍完整的三維立體信息,能夠對周圍世界有立體的認知。建立在海量圖像基礎上的機器學習和卷積神經網絡的AI雙目視覺系統,配合主流的LDS激光雷達,能夠讓T7 Pro像人一樣識別家庭常見障礙物,並根據障礙物類別自主選擇相應的避障策略,清掃路徑更有規劃,不卡不撞不漏掃,真正實現自動化清掃。

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2021年,石頭科技全新發布的T7S系列“掃拖機器人”更厲害,其中的石頭T7 Plus採用了創新的3D雙線結構光+AI避障策略。

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簡單來說,3D結構光是一種主動光學測距方案,由發射端和接收端兩部分組成。石頭掃拖機器人T7S Plus選擇的3D雙線結構光,其採用雙線結構光替代傳統紅外光源,能夠實現遠距離測量。

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傳統的LDS激光雷達無法有效分辨門檻等低矮障礙物,因此不能正確採取“跨過”還是“避開”。 3D雙線結構光的引入則較好地解決了這一問題,其通過主動式測距,融合多傳感器和AI算法,可實現毫米級高精度避障,聰明不誤撞。該技術的應用是石頭科技繼將LDS激光雷達大規模應用到掃地機器人領域後,又一次對超前技術下放的探索之作。實際體驗中,T7S Plus能夠根據不同物體採取不同的避障策略,智能評估避讓距離,兼顧清掃覆蓋率和避障成功率,讓用戶體驗更上一層樓。

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目前T7S Plus可避開體重秤、風扇底座、鞋子、插線板等家庭常見障礙物。同時,T7S Plus搭載RR mason 8.0 3D算法系統,並且會在離牆或障礙物大概1cm時轉身避障,保護家具和踢腳線,減少碰撞產生磨損的情況,有效減少因機身臨界高度的卡困問題。值得一提的是,T7S Plus支持百種泛物體識別避障,在檢測到障礙物後,它會融合LDS地圖信息,將障礙物對應位置標記在APP地圖上,非常人性化。

作為首家大規模量產LDS模組,帶領行業進入LDS時代的公司,石頭科技在技術上追求卓越,不斷引領和突破行業的技術壁壘。雙目視覺/3D雙線結構光+LDS激光雷達導航是對掃地機器人工作環境的深度思考,同時也是對掃地機器人三維感知和精準避障的一次深度探索。而這一前沿方案的背後,實質上是石頭科技追求極致用戶體驗的初心和認真鑽研精益求精的工程師精神。

在掃地機器人這個激烈的賽道上,算法與數據是核心壁壘。石頭科技在這兩方面的深厚積澱將是長期競爭力的保障。希望未來石頭科技能繼續堅持創新簡化生活,創造出更多實用好用的產品,用前沿科技簡化生活中的繁瑣,給用戶帶來更多更美好的體驗。