LDS-датчик или камера?
Именно поэтому компании, которые производят роботы-пылесосы стараются постоянно совершенствовать систему навигации своих новых моделей (более подробно о новинках — смотреть тут). А таковых, то бишь систем навигации, которыми оснащаются роботы-пылесосы потребительского класса, в настоящее время существует две: лазерная и визуальная. Лазерная система представлена LDS-датчиком (в простонародье «лидар») и широкоугольной камерой. Нужен ли роботу-пылесосу лидар? Может ли камера быть также эффективна? И почему вообще принято считать, что лидарные системы более продвинутые, чем безлидарные?
Вопрос важный, здесь даже не нужны излишние вступления. Приступим к разбору.
Начиная с 2016 года, когда роботы только начинали набирать популярность, их навигация оставляла желать лучшего, она заключалась в том, чтобы строить карту через столкновение с преградами, поэтому у всех роботов с тех времен устанавливаются бортики. Это основа навигационной системы самого старого робота-пылесоса.
Затем появилась лидарная система, которая представляет собой лазерный дальномер. С этого момента ориентация Робота в пространстве шагнула далеко вперёд и с тех пор принято считать, что именно роботы с лидаром обладают самой продвинутой навигацией. Но так-ли это в современных реалиях?!
На сегодняшний день безлидарная система, которая включает в себя навигационную камеру и хотя бы 13 датчиков, способна ориентироваться в пространстве не хуже, а то и лучше любой лидарной системы. Она абсолютно точно распознает преграды, видит препятствия и в большинстве случаев даже не касается их для построения карты. Этому способствуют технологии и искусственного интеллекта и новейших процессоров встроенных в систему Робота.
Мы не будем углубляться в технические термины, а разберём отличия лидарной и безлидарной систем.
Особенности LDS-датчика — это одинаковая точность навигации при любом уровне освещения (и днем и ночью).
В свою очередь камера представляет собой визуальную систему навигации. Карта помещения строится за счет считывания и обработки изображений с камеры. Она сканирует потолок, делая множество изображений, и на основании этих данных строит план комнат. Кроме этого, камера не увеличивает высоту робота-пылесоса и есть модели, высотой всего около 7-8 см, что позволяет роботу проходить под низкой мебелью.
Сделать вывод о том, что эти системы навигации одинаково эффективны так же позволяет одинаковый набор функций, который есть и у робота с лидаром и без него. К таким функциям можно отнести: зональную уборку, точечную уборку, управление пультом, установку виртуальных стен, запретных зон на сухую и влажную уборку.
Итак, мы с Вами убедились, что эффективность у того и другого способа навигации Эффективно, но давайте теперь разберем их минусы.
Немного о минусах
Лидар — превосходная система навигации с одним слабым местом, это отражающие поверхности (зеркала, металлы). В условиях, когда лазер отражается, робот испытывает затруднения в построении карты. То есть он её скорее всего построит, но «достроит» ненужный кусок карты там, где была отражающая поверхность.
А вот безлидарная система, в этих случаях отрабатывает превосходно, хотя есть у неё и свой небольшой минус, — и это неосвещенные пространства. Для беспрепятственной работы эта система нуждается в источнике света. Логично, что любая камера испытывает сложности в темноте.
Какой вывод сделаем?
В противостоянии способов навигации выходит счёт 1:1, и в сильных сторонах, и в слабых. В любом случае и тот, и другой тип навигации позволяет построить точную карту помещения и вывести уборку роботом на максимально эффективный уровень. Сравниваемые роботы могут сохранять несколько разных карт уборки в памяти, что актуально для двухэтажных домов, кроме этого поддерживается уборка после подзарядки, зональная уборка, а также возможность установки запретных зон в приложении.
Объективно подметим, что поводов для беспокойства нет, ведь оба варианта, на практике, сложностей в навигации не испытывают.
Целью этой небольшой статьи было восстановление справедливости по отношению к роботам с навигационной камерой.
Если у Вас дома есть робот-пылесос и вы довольны (или недовольны) его работой, напишите нам в сообщения свою обратную связь, автору и читателями в этой теме наверняка будет интересно услышать Вашу историю 😉
Так ли умны «роботы-пылесосы»? Рассматриваем датчики для навигации
Роботом-пылесосом в доме уже никого не удивить. У кого-то они есть, кто-то хочет приобрести, кто-то считает игрушкой. И производители пользуются этими желаниями, и пытаются продать нам что-то. Именно что-то, потому что маркетинговые отделы компаний из кожи лезут, придумывая завлекательные названия и наделяя несложные решения несуществующими возможностями. Дальше я попытаюсь разложить устройство роботов-пылесосов «по полочкам» и рассказать об их сенсорах.
Я не буду делать упор на их внутреннее устройство, платы, процессоры, сами механизмы уборки. Моя задача показать, что ничего сверхъестественного в этих домашних помощниках нет и построены они на базовых принципах, мало-мальски знакомых любому прикоснувшемуся к робототехнике. У меня у самого дома есть робот-пылесос от А-бренда (HomeBot), поэтому иногда я буду рассказывать и на его примере тоже и это не реклама бренда. Более того, домашний пылесос носит гордую кличку «Дурачок», так как работает усердно, но.
Но начнем мы с конструкции, потому что это будет объяснять ту или иную форму. По факту почти все домашние роботы-пылесосы это двухколесная тележка с одним или двумя опорными колесами. Форма у 99% моделей круглая. Почему круг, а не квадрат или треугольник? Достаточно посмотреть на вот эти рисунки.
Квадратный пылесос в теории тщательней уберет все углы, так как у нас в большинстве случаев помещения и мебель с прямыми углами, но заехав в угол, он не сможет развернуться, а при движении вдоль стенки так вообще может застрять. С учетом того, что пылесосы убирают «построчно» (это называется алгоритм уборки «зигзаг» и об этом, если вам будет интересно, мы можем поговорить потом), такой робот будет испытывать определенные проблемы с маршрутами. Да, есть производители с «прямоугольным» носом (Hobot, Electrolux и другие), но эволюционно такая форма почти отмерла.
Круглая форма же имеет свои плюсы (двухколесная тележка робота и его симметричная форма позволяет ему разворачиваться на месте) и свои минусы, так как щетки могут не доставать до мусора по углам, а делать их очень длинными тоже проблематично. И даже если производитель заявляет, что у него квадратный корпус, то он будет лукавить (как в случае с моим роботом), так как по факту это будет чуть обтесанный круг.
Круглая форма опять же дает больше места для размещения механизмов и батарей и «по классике» мы имеем спереди робота щетки, посередине отверстие для всасывания мусора и контейнер для него, а сзади саму турбину пылесоса и элементы питания.
И эта форма определяет те датчики и принципы навигации, которые применяются на рынке и именно на примере такой формы мы их и рассмотрим, введя некоторую классификацию.
1. Механизм от игрушки, который хаотично гоняет робота по полу. Никаких датчиков нет.
Игрушечный механизм работает по принципу «повернись, когда упрешься в препятствие», электроники нет, включать и выключать эту игрушку вам нужно вручную. Ни о каких возможностях построения карты помещения, зонирования, возвращения на базу и других умных вещах говорить не приходится. Стоят эти игрушки от 700 рублей.
Плюсом обычно имеем концевой выключатель присутствия контейнера и датчик переворота «на брюхо». Эти два датчика в той или иной реализации есть и у более продвинутых моделей.
2. Добавлен ИК датчик нахождения базы (он же центральный датчик приближения) и бампер на концевых выключателях. Энкодеров на колесах нет, ездит робот «от препятствия до препятствия», возврат на базу по ИК-лучам.
Чуть более сложная конструкция. Ударный бампер есть в той или иной реализации у всех роботов-пылесосов. У кого-то он контактный (то есть стоят концевые выключатели), у кого-то бесконтактный (то есть нет механического перемещения), но без него робот не поймет, что куда-то врезался. А врезаться он будет, потому что различные сенсоры на роботе не всегда могут «охватить» все пространство перед ним, у них есть мертвые зоны и бампер последний шанс робота определить препятствие. Но для некоторых пылесосов это единственная возможность «на ощупь» передвигаться.
Бампер устроен просто: два концевых выключателя и подпружиненная полукруглая пластина. Когда пылесос ударяется в препятствие, в зависимости от его расположения, замыкаются оба выключателя или только слева или справа. И пылесос «понимает», что врезался во что-то перед собой или сбоку.
Сзади датчиков обычно нет.
Базу же, что недорогие, что более дорогие модели, видят благодаря старым добрым ИК-лучам. Два параллельных луча образуют «рельсы», на которые наш пылесос пытается «встать» в итоге и приползти к кормушке. Но данный ИК приемопередатчик, состоящий из сдвоенного инфракрасного светодиода и приемника, может выполнять не только функцию нахождения базы, но играть роль бесконтактного датчика препятствий, чтобы робот-пылесос не упирался в стену перед собой.
ИК-сенсор может быть установлен не по центру, а по бокам, но отказываться от проверенной технологии производители не спешат, а еще это позволяет управлять пылесосом с обычного ИК-пульта.
Поэтому производители и рекомендуют оставлять справа и слева от базы по метру-полтора, чтобы был свободный «подъезд» к ней, но мой робот-пылесос спокойно живет в закутке за диваном и находит базу.
4. к. п 3. добавляем энкодеры. Пылесос может точнее отрабатывать свое положение и его повороты уже предсказуемы, а отклонение от прямой линии определяемо. Такой робот будет стараться ездить параллельно линиям своего маршрута и понимать, что повернулся на нужный угол. Мотор-колеса пылесосов снабжаются энкодерами разного типа: щеточными, резистивными, оптическими, на датчиках Холла и т. п. Но цель одна: определить, на какой угол повернулось колесо.
Энкодер также можно поставить только в поддерживающий ролик и определять перемещение по его кручению и повороту. Это позволяет использовать дешевые мотор-редукторы в колесах и упрощает конструкцию, так как оптические датчики энкодера в таком случае просто распаиваются на управляющей плате.
5. к. п. 4 добавляем нижние ИК-датчики уровня. Пылесос перестает падать и может различать высоту (немного, но может). Обычно пункты 4 и 5 делают совместно, так как пылесосы такого уровня уже стоят до десятка тысяч рублей и допускать его падение нежелательно. Минимально (и стандартно) датчиков три: по центру и ближе к бокам и представляют они собой привычные ИК-датчики. В теории наш робот-пылесос можно научить даже ездить по начерченной линии. При наличии такого набора датчиков (п. 3 — п.5) наш пылесос уже можно считать роботом. Он уже сможет построить простейшую карту местности и при следующих прогонах стараться не тыкаться в препятствия.
6. к. п 5 добавляем ИК датчики на бампер не только по центру.
Пылесос теперь не тыкается в препятствия в виде вертикальной стены. Ножки он, конечно, еще не видит, шторы может продолжать жевать, но уже может строить карту препятствий. Пример такого пылесоса Xiaomi Mop Essential. За черной полоской на бампере закреплено дополнительно по окружности по три ИК-датчика (два по центру как мы помним есть у многих моделей) и они позволяют обнаруживать что-то отражающее ИК-лучи раньше, чем сработает ударный «концевик».
Также у таких моделей уже часто присутствуют компас и гироскоп, что улучшает навигацию. Бампер может быть не ИК или контактным механическим, а ультразвуковым и с датчиком удара по его поверхности (так сделано у моего HomeBot).
Что ИК, что ультразвуковые сенсоры позволяют также определять расстояние до препятствий, но ультразвук позволяет это делать гораздо точнее и у таких моделей играет роль также датчика расстояния.
7. к. п 8 добавляем боковые ИК-датчики в слепые зоны для контроля притирания пылесоса к стене.
Что происходит «сбоку» от пылесоса, он увы может и не увидеть и часто роботы могут начать «тереться» о стену (а иногда могут и обои «подрать»). Поэтому некоторые производители добавляют ИК-сенсоры по бокам робота, если не используют сенсоры по периметру бампера (например, у пылесосов с лидаром).
9. к п.8 добавляем сенсоры построения карты помещения по препятствиям и навигации в пространстве. До данного пункта у нас роботы-пылесосы могли определять препятствия перед собой, отслеживать маршрут по повороту своих колес и даже определять препятствия сбоку или пытаться найти себя по показаниям компаса. Но все это далеко от того, что можно было бы назвать «навигацией». Да, роботы-пылесосы у нас еще не доросли до применения GPS/GLONASS (да и в помещениях от этих технологий толку часто мало, сигнал глушится, точность не для сантиметровых размеров в квартирах), но хотелось бы, чтобы робот-пылесос не терялся в двух-трех комнатах и старался убираться не хаотично, а последовательно помещение за помещением. Да и алгоритм «зигзаг» не позволяет убирать полностью комнату с хаотично расставленными вещами.
Поэтому производители для ориентации в пространстве ставят на роботы дополнительные датчики, задача которых строить карту помещения и определять, где робот находится в текущий момент, где он уже убрался, а где еще нет. После тестовых прогонов, так как мебель и расположение помещений обычно не меняется, это позволяет роботу-пылесосу уверенно передвигаться и быстрее выполнять уборку, строят оптимальный маршрут.
Данные сенсоры в основном представлены следующими видами: лазерный дальномер (он же LDS, он же лидар), широкоугольная камера с машинным зрением, ToF камера и даже 3D-камера (то есть комбинация ИК-камеры разметки и камеры ее считывания по типу FaceID в айфонах). Возможна комбинация устройств сверху, в передней части, в задней части и снизу (для определения разных типов поверхности).
Пылесосы с лидаром достаточно массово распространены в средне ценовом сегменте, эта технология позволяет строить карту помещения с высокой точностью, но опять же имеет свои минусы: «башня» лидара часто мешает проехать пылесосу под мебель, а ее расположение на верху пылесоса мешает ему замечать низкие препятствия и пылесос в таком случае часто полагается только на ударные датчики бампера. И лидар очень не любит зеркала, и такой робот может «играть» в злобное создание, кидающееся на свое отражение.
Камера имеет также свои плюсы и минусы. Обычно ставится только верхняя камера, которая отлеживает изменения на поверхности потолка (как современная компьютерная мышь) и пытается по ним отслеживать карту изменений. Хоть производители и говорят, что их роботы «видят» в темноте, опыт эксплуатации показывает, что пылесосам с камерой лучше везде включить свет 🙂 У меня как раз пылесос с навигацией по камере.
Дорогие модели сейчас пытаются избавить от лидаров, установив как верхнюю камеру, так и переднюю камеру с датчиком глубины (ToF), чтобы определять расстояние до объектов по времени отражения сигнала. Опять же это ИК-камера, и она обычно замещает передний ИК-датчик базы.
Плюс производители пытаются заигрывать с машинным зрением, 3D и AI, но пока чаще всего это только заигрывания с потребителем и маркетинговые уловки.
Вот такой немного сумбурный обзор, но надеюсь он показывает, что в устройстве роботов-пылесосов с точки зрения датчиков нет ничего сверхъестественного и все, что применяют их конструкторы, проверено временем и эксплуатацией на множестве робототехнических устройств. И часто даже такой простой набор датчиков может быть дополнен отличным софтом навигации и распознавания препятствий и поэтому программная начинка тут немаловажна. Но это уже совсем другая история.
А у вас есть робот-пылесос? И какие датчики есть на нем? Напишите в комментариях об этом, а также можете дополнить мою классификацию.
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.
Лидар в роботах-пылесосах: для чего нужен, как работает, топ-10
Лучший робот-пылесос с лидаром можно выбрать из многочисленных бюджетных и дорогостоящих моделей. Устройства такого типа обладают своими минусами, но имеют и важные преимущества.
Для чего нужен лидар в роботах-пылесосах
Любой робот-пылесос оснащается навигационной системой, позволяющей ему ориентироваться в пространстве. Именно благодаря датчикам агрегат справляется с поворотами и перепадами высоты, не сталкивается с мебелью и выбирает оптимальный маршрут для уборки.
Лидар — это лазерный дальномер, сканирующий окружающее пространство. Обычно представляет собой небольшую башню в верхней части приспособления. Пылесосы с лидаром отличаются особенной маневренностью и демонстрируют высокую эффективность.
Как работает лидар в роботах-пылесосах
Принцип работы лидара у робота-пылесоса очень простой. Лазерные датчики непрерывно сканируют пространство во всех направлениях с периодичностью примерно пять раз в секунду. Модуль управления устройства обрабатывает полученную информацию и определяет расстояние до предметов, находящихся в помещении.
Функция лидара в роботе-пылесосе помогает последнему выстраивать карту комнаты, свободно ориентироваться в пространстве и рассчитывать оставшуюся мощность. Система лазерных датчиков позволяет агрегату обходить препятствия и не заезжать в тупики. Также робот может оценивать площадь помещения и соотносить ее с запасами энергии. Если аккумулятор почти разряжен, а комната еще не убрана, пылесос с лидаром автоматически вернется на базу для подзарядки, после чего продолжит чистку.
Рейтинг лучших роботов-пылесосов с лидаром 2022 года
Лучшие пылесосы с лидаром стоят дороже обычных моделей. Но в использовании они более удобны и практически не требуют контроля со стороны владельца.
Roborock S7
Пылесос обладает повышенной мощностью и справляется не только с пылью на полу, но и с мелким песком. Вместо турбощетки оснащен ребристым валиком, обеспечивающим особенно качественную уборку. Поддерживает сухую и влажную чистку, причем самостоятельно выбирает нужный режим для ламината и для ковров. Швабра робота при уборке вибрирует, за счет чего пылесос справляется с удалением следов животных, пятен от напитков и других загрязнений.
Купить Roborock S7 можно от 44900 рублей