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扫地机器人常见的5种定位技术解析

说到扫地机器人,想必大家都不陌生。它已成为众多家庭中的一位新成员,扫地机器人在早前就已兴起,近年来才逐渐普及开来,用过扫地机器人的朋友一定遇到过这样的情形,扫地机满地乱窜、杂乱无章,有些地方扫了好几遍、有些地方是去也不去,说好的智能呢?其实,一款扫地机到底智不智能、到底能不能把家打扫干净主要在于它的定位方式。那么扫地机器人定位技术主要有哪些呢?以下将为大家分享扫地机器人常见的几种定位技术。

扫地机器人常见的5种定位技术解析

(图:扫地机器人常见的5种定位技术解析)

1、扫地机器人基于信标的定位

信标定位原指在航海或航空中利用无线电基站发出的无线电波实现定位与导航的技术。对机器人室内定位而言是指,机器人通过各种传感器接收或观测环境中已知位置的信标,经过计算得出机器人与信标的相对位置,再代入已知的信标位置坐标,解出机器人的绝对坐标来实现定位。用于定位的信标需满足3个条件:

(1)信标的位置固定且信标的绝对坐标已知;

(2)信标具有主被动特征,易于辨识;

(3)信标位置便于从各方向观测。

信标定位方式主要有三边测量和三角测量。三边测量是根据测量得到的机器人与信标的距离来确定移动机器人位置的方法。三边测量定位系统至少需要3个已知位置的发射器(或接收器),而接收器(或发射器)安装在移动机器人上。三角测量和三边测量的思路大体一致,通过测量移动机器人与信标之间的角度来进行定位。

扫地机器人常见的5种定位技术解析

(图:扫地机器人常见的5种定位技术解析)

基于信标的定位系统依赖于一系列环境中已知特征的信标,并需要在移动机器人上安装传感器对信标进行观测。用于信标观测的传感器有很多种,比如超声波传感器、激光雷达、视觉传感器等。可以实时测量,没有累进误差,精度相对较高、稳定性好,提供快速、稳定、精确的绝对位置信息,但安装和维护信标花费很高。市场上已经出现较为成熟的基于信标定位的信标定位扫地机器人,如Proscenic的模拟GPS卫星三点定位技术,iRobot的Northstar导航定位技术,但由于其价格较为昂贵,它们都用于相对高端的产品中。

扫地机器人常见的5种定位技术解析

(图:扫地机器人常见的5种定位技术解析)

低成本自主定位导航技术成为打入市场的关键点,近两年来兴起的国内SLAMTEC-思岚科技公司经过多年的潜心研发,目前已相继推出多款定位导航领域的产品,其中包括了RPLIDAR A2和SLAMWARE,这就相当于为机器人装上了“眼睛”和“小脑”,让真正的智能式机器人离我们并不遥远。机器人除了“眼睛”“大脑”外,想要真正实现自主行走,一个控制运动的核心中枢更为重要,而SLAMTEC思岚科技研发的SLAMWARE就相当是机器人的“小脑”。SLAMWARE通常跟RPLIDAR系列配套使用,它集成了基于激光雷达的同步定位与建图(SLAM)及配套的路径规划功能。解决机器人行走的问题看似简单,然而SLAMTEC思岚科技创始人陈士凯表示,实际要远比想象中困难得多,这也是为什么市面上大多数的陪伴式机器人都不能行走的原因。目前市面上的激光雷达成本过高,不适合民用。市面上大部分扫地机器人还是用“随机碰撞”替代“导航”——成本是阻碍激光雷达进入消费领域的最大因素。Velodyne、Quanergy、Hokuyo,这些国外品牌的激光雷达售价全都在万元级别,而思岚采用自主研发的基于是激光的测距引擎,批量售价低至数百元。

2、扫地机器人环境地图模型匹配定位

是机器人通过自身的各种传感器探测周围环境,利用感知到的局部环境信息进行局部的地图构造,并与其内部事先存储的完整地图进行匹配。通过匹配关系获得自己在全局环境中的位置,从而确定自身的位置。该方法由于有严格的条件限制,只适于一些结构相对简单的环境。

扫地机器人常见的5种定位技术解析

(图:扫地机器人常见的5种定位技术解析)

3、扫地机器人基于视觉的定位

科学研究统计表明,人类从外界获得信息量约有75%来自视觉,视觉系统是机器人与人类感知环境最接近的探测方式。受益于模式识别、机器视觉的发展,基于视觉的机器人定位近年来成为研究热点。

基于视觉的定位主要分为单目视觉、双目视觉:

单目视觉无法直接得到目标的三维信息,只能通过移动获得环境中特征点的深度信息,适用于工作任务比较简单且深度信息要求不高的情况,如果利用目标物体的几何形状模型,在目标上取3个以上的特征点也能够获取目标的位置等信息,但定位精度不高。

双目立体视觉三维测量是基于视差原理的,即左相机像面上的任意一点只要能在右相机像面,上找到对应的匹配点,就可以确定出该点的三维信息,从而获取其对应点的三维坐标。

4、扫地机器人地图匹配法

机器人通过自身的各种传感器探测周围环境,利用感知到的局部环境信息进行局部的地图构造,并与其内部事先存储的完整地图进行匹配。通过匹配关系获得自己在全局环境中的位置。该方法受环境布局影响大,只适于一些结构相对简单的环境。

扫地机器人常见的5种定位技术解析

(图:扫地机器人常见的5种定位技术解析)

5、扫地机器人图像匹配法

机器人通过事先移动获得环境中各特征点的图像信息,利用目标物体的几何形状模型,在目标上取3个以上的特征点和探测到的图像特征点进行匹配。属于指纹定位法的一种。

受元器件成本、性能及生产等因素的制约,航位推算法仍然是目前采用最广泛的定位方法,但通过算法优化,引入多种定位技术的混合定位,可以减小其累积误差带来的负面影响。

扫地机器人目前仍然属于新兴行业,现在制约扫地机器人发展的一个重要问题是,机器人在寻路和返回基座充电时仍会出现偶尔失败,导致清扫不彻底或者无法返回。另一个问题是,受限于较小的体积,扫地机器人功率较小,清扫能力还不能和吸尘器相比。若能顺利解决这两大问题扫地机器人将迎来新的发展机遇,而广大消费者也将享受更加便利的生活,从枯燥的家务劳动中解放出来。

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