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扫地机器人的激光雷达技术

2023-1-5 14:06| 发布者: 闪电| 查看: 1| 评论: 0

摘要: 大家有了解过激光雷达技术在扫地机器人中是什么作用吗?我们在了解它的作用前,先了解下它是什么。激光雷达是一种遥感技术,它使用光并以脉冲的方式发射光,我们平常说的雷达一般是发射无线电波,而激光雷达和雷达不 ...

大家有了解过激光雷达技术在扫地机器人中是什么作用吗?

我们在了解它的作用前,先了解下它是什么。

 

激光雷达是一种遥感技术,它使用光并以脉冲的方式发射光,我们平常说的雷达一般是发射无线电波,而激光雷达和雷达不同就是发射的是光。激光雷达由三部分组成,发射系统、接收系统、信息处理系统。激光器将电脉冲转化成光脉冲发射出去,然后接收器收到反射回来的光脉冲,根据信息处理系统算法算出目标的位置、运动状态、形状等。

 

(图片来源于网络)

激光雷达不断旋转,对周围环境发出光脉冲,发出的激光线束越多,理论上返回的数据就越多,那么计算的精确度也就更高,我们平常所说的 4 线、8 线、16 线就是激光雷达发射出去的激光线数。
市面上的激光雷达采集图像信息的方法多种多样,三角测距雷达是在扫地机中应用最广泛的方式。

三角测距法的具体操作为:用一束激光以一定的入射角度照射被测物体,激光在物体表面发生反射和散射,在另一角度利用透镜对反射激光汇聚成像,光斑成像在 CCD(Charge-coupled Device,感光耦合组件)位置传感器上。当被测物体沿激光方向发生移动时,位置传感器上的光斑将产生移动,其位移大小对应被测物体的移动距离,因此可通过算法设计,由光斑位移距离计算出被测物体与基线的距离值。由于入射光和反射光构成一个三角形,对光斑位移的计算运用了几何三角定理,故该测量法称为激光三角测距法。

激光雷达应用广泛,除了扫地机器人,各类机器人上都有应用,还应用在无人驾驶、无人车等。

第一代扫地机,只有超声波实现壁障,主要通过随机打扫,随机碰撞进行打扫,这个打扫就很杂乱,无法做到全面打扫,且容易被电线缠绕等问题。

第二代扫地机,是拥有陀螺仪和加速度计的规划式打扫,有了一定的路径和方向,但还是不够“聪明”。还是容易碰撞,且有点鸡肋。

第三代扫地机,则有了巨大的转变,导航依靠 SLAM 算法,包括激光导航(LDS SLAM)和视觉导航(VSLAM)两派。SLAM(Simultaneous Localization and Mapping),即同步定位与地图构建,这一步扫地机器人根据传感器的信息,一边计算自身位置,一边构建环境地图,熟悉每一块原本未知的工作环境。




(图片来源于网络)

激光导航(LDS SLAM)通过 LDS 激光模块绘制出房间轮廓,再由相应的导航算法规划出合理的清扫路径,在理论、技术和产品落地上都相对成熟;视觉导航(vSLAM)尚处于进一步研发和应用场景拓展、产品逐渐落地阶段。

有了 SLAM 算法,扫地机器人仿佛有了带“上帝视角”的真正的眼睛。价位上升到 2000 元以上的档次,开始大规模进入普通家庭。

SLAM 主要应用于机器人、无人机、无人驾驶、AR、VR等领域,其用途包括定位、路径规划、场景理解。 

LDS 系统使用的硬件是激光雷达,它就好比扫地机器人的眼睛,观察周围环境,帮助其进行定位和导航。

激光模组,高端产品采用工业级 Sensor+DSP 芯片的技术路线,为了降低成本,有厂家自研扫地机器人消费级面阵 Sensor +自主研发的专用芯片,保证性能的同时把成本降下来了。


(图片来源于网络)

LDS 目前的优势在于,导航的开发的功能已经比较完善,成本也因为大批量的使用,有效降低,也能较好的实现功能,但是目前可升级的空间不高,虽然还是市场主流,但是非常有可能以后被 VSLAM 替代,但是以后可能是 5 年,也可能是 10 年,我们一起期待着第四代的扫地机器人吧。

参考文献:

『科学史话 | 扫地机器人的眼睛——LDS雷达』(作者:电子科技博物馆;出處:https://mp.weixin.qq.com/s/V0EOZT_IPGvkwcpENuBEcg

『卖爆的扫地机器人和紧缺的芯片』(作者:芯片世相 Silvia;出處:https://mp.weixin.qq.com/s/cZdCo9wRTBchtbImr3so3A )


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