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.
Источник
Роботы-пылесосы с лидаром. Что такое лидар и зачем он нужен?
Лазерная навигация помогает роботу-пылесосу ориентироваться в помещениях со сложной планировкой и методично обрабатывать каждый участок пола, что положительно отражается на качестве уборки. Поэтому каждый уважающий себя производитель добавил в свою линейку модель с лидаром. За редким исключением, это роботы-пылесосы среднего и высокого класса. В рейтинге представлено 10 моделей с лазерной навигацией, различающихся по ценнику (от 20 до 50 тыс. руб.), техническим характеристикам и функциональным возможностям.
Что такое лидар?
Лидар (от англ. Light Detection and Ranging) или лазерный дальномер работает по тому же принципу, что и радар, но вместо радиоволн он использует световые волны. Вращаясь внутри башенки с прорезями, лидар зондирует пространство в горизонтальной плоскости на 360 градусов вокруг робота. Он посылает лазерный импульс и высчитывает время, затраченное на то, чтобы луч достиг объекта и отразился обратно, на основе чего и определяется расстояние до объекта. Полученные данные обрабатываются процессором, который строит систему координат окружающих объектов и на её основе рисует в приложении трёхмерную карту помещения.
Главное преимущество лидара – высокая точность измерений и независимость от освещённости объекта. Лазерный дальномер одинаково эффективно работает днём и ночью, на открытом пространстве и под мебелью. К недостаткам лазерной навигации можно отнести проблемы с распознаванием отражающих и прозрачных поверхностей (зеркала, стёкла, тюлевые занавески, хромированные ножки мебели и т. п.), а также быстрый износ подшипника вращающего механизма.
Roborock S6 MaxV
Roborock S6 MaxV – потенциальный новый флагман Xiaomi с инновационной системой навигации ReactiveAI, представленной тандемом лидара и стереоскопической камеры. За счёт этой системы робот распознаёт встречающиеся препятствия и определяет оптимальный алгоритм их обработки (обувь, собачьи миски и экскременты – объезжать, ножки стула – обработать вплотную и т. д.). Силы всасывания в 2500 Па хватает для сбора шерсти, песка и камней с ковров, со средним ворсом. А также в наличии продвинутая система влажной уборки с баком для воды и моющей шваброй, как у DEEBOT Ozmo 950. На одном заряде аккумулятора (5200 мАч) робот успевает обработать до 250 кв. м., после чего становится на подзарядку или возобновляет уборку. В продаже Roborock S6 MaxV должен появиться осенью 2020 с ориентировочным ценником в 750$.
GENIO LASER L800
Флагман GENIO – одна из самых сбалансированных моделей предыдущего поколения. В помощь лидару производитель укомплектовал робота гироскопом, подпружиненным бампером, ИК-сенсорами и боковым датчиком. Последний позволяет GENIO LASER L800 двигаться параллельно стене без постоянных «киваний» в сторону плинтуса. Интерактивность приложения на том же уровне, что и у более дорогого Roborock S6 MaxV. В процессе сухой уборки робот собирает шерсть турбощёткой и втягивает мусор в пылесборник объёмом 500 мл. Многоуровневая система фильтрации не позволяет вылетать наружу даже самым мелким пылинкам. Сила всасывания достигает 2700 Па. Аккумулятор соответствует мощности мотора – 5200 мАч. Для влажной уборки GENIO LASER L800 укомплектован отдельным модулем с баком на 240 мл и отсеком для мусора.
Proscenic M7 Pro
Робот-пылесос M7 Pro от бренда Proscenic обошёл многих именитых конкурентов и занял почётное второе место рейтинга. Не поднимая стоимость выше 45 тыс. руб., производитель укомплектовал M7 Pro мощным мотором на 2700 Па, топовым аккумулятором на 5200 мАч, зарядной базой и станцией самоочистки. По мере заполняемости пылесборника робот самостоятельно перекачивает собранный мусор в большой стационарный бункер, что максимально экономит время потребителю. Достаточно один раз поставить программу и раз в две недели менять одноразовые пакеты. С умными функциями у Proscenic M7 Pro тоже всё в порядке: Y-образная протирка пола, как в Okami U100, распознавание коврового покрытия, индивидуальная программа уборки для каждой комнаты и управление через голосовых помощников. Единственный недостаток – маленький резервуар для влажной уборки (110 мл).
Viomi V3
Ещё один робот с интерактивной картографией на базе лидара – можно делить квартиру на комнаты, очерчивать прямоугольные зоны, ставить запретные линии. Но главная особенность Viomi V3 – его богатая комплектация. Производитель предусмотрел отдельный модуль для каждого рабочего режима:
- Пылесборник объемом 550 мл для сухой уборки. Турбощетка вычесывает ковры, а двигатель с силой 2600 Па втягивает мусор внутрь. В своем классе это одна из самых мощных моделей.
- Контейнер 300/200 мл для совмещенной уборки, во время которой Viomi V3 пылесосит и вытирает полы одновременно.
- Бак на 550 мл для влажной уборки. Для оттирания присохшей к полу грязи Viomi можно переключить в Y-образный режим, имитирующий движения человеческой руки.
Аккумулятора ёмкостью 4900 мАч хватает на 170 минут автономной работы. Во время обработки ковров шум достигает 75 дБ.
Roborock S6 Pure
Обновленная версия Roborock S6 с пометкой Pure может похвастать доступным ценником при сохранении функционала исходной модели, и даже увеличенным баком для воды (180 мл). Единственный серьезный недостаток удешевления – отказ от фирменной шумоизоляции, из-за чего гул мотора достигает 75 дБ. Для навигации робота оборудовали хорошо узнаваемым Xiaomi-шным лидаром с оранжевыми прорезями. Через них он сканирует окружающее пространство на 360о и составляет интерактивную карту. В наличии плавающая турбощетка, надежная силиконовая метелка и бесщеточный мотор на 2000 Па. При обнаружении ковров Roborock автоматически повышает обороты, чтобы собрать больше грязи. Гладкие покрытия робот может не только пылесосить, но ещё протирать. Для этого под его днище крепится швабра с салфеткой. Вода подается прямотоком, поэтому без присмотра оставлять робота нельзя. Аккумулятор такой же, как у флагманских моделей Roborock, – 5200 мАч.
Eufy RoboVac L70 Hybrid
Шестое место занимает ещё одна качественная копия Roborock S6 – модель RoboVac L70 Hybrid от компании Eufy by Anker. По силе всасывания этот американский робот сопоставим с Lenovo X1 (2200 Па) и работает он почти так же тихо (не громче 57 дБ), но в отличие от китайского собрата, он умеет автоматически повышать обороты турбины при заезде на ковры (carpet boost). Другая положительная особенность RoboVac L70 Hybrid – качественная влажная уборка. Под лицевую крышку вставляется двухэтажный пылесборник, верхнюю часть которого занимает бак для воды. Из резервура вода поступает на салфетку под контролем электронасоса. А также в наличии подкладка под док-станцию, защищающая пол от протечек во время простоя робота. Аккумулятор у RoboVac L70 – один из лучших на рынке (литий-ионный на 5200 мАч). Но покупателю этот пылесос обойдётся на 20% дороже, чем Botvac D7 Connected, – 35 тыс. руб.
360 S6 Pro/S9
360 S6 Pro – это единственный робот в рейтинге, который вместо традиционных ИК-датчиков укомплектован УЗ-сенсорами, распознающими препятствия независимо от их цвета и прозрачности. Такое дополнение к лидару значительно повышает эффективность работы пылесоса ночью. Роботизированный помощник запоминает до 10 карт помещения, благодаря чему его удобно использовать в многоэтажных помещениях. Ещё одно достоинство 360 S6 Pro – батарея ёмкостью 5200 мАч, на заряде которой робот может безостановочно пылесосить в течение 3-часов. Для влажной уборки служит отдельный бак для воды, который вставляется под лицевую крышку рядом с пылесборником – самая удобная для обслуживания конструкция. Единственный минус этой модели – слабая звукоизоляция корпуса. Мотор у 360 S6 Pro такой же, как RoboVac L70 Hybrid (2200 Па), но шумит он гораздо сильнее – до 70 дБ.
iBoto Smart L920W Aqua
Робот вышедший вначале 2020 года от компании iBoto. При стоимости в 21-24 тыс. руб. Smart L920W Aqua может похвастать лазерной навигацией с картографией и делением помещения на небольшие участки, каждый из которых обрабатывается отдельно. Робот пылесосит пол и вытирает его влажной тряпкой, но из-за особенностей конструкции выполняет эти операции раздельно. Сухая уборка выполняется при помощи вакуумного мотора в 2000 Па, центральной и торцевых щёток. Для влажной протирки предназначен отдельный резервуар на 300 мл c электромагнитным дозатором. Из достоинств Smart L920W Aqua следует выделить небольшую высоту корпуса (80 мм с учётом лидара), которая позволяет iBoto проникать под диваны, кровати и в другие труднодоступные места. Наряду с автоматическим режимом, производитель сохранил на выбор пользователя удобные классические режимы – по спирали и вдоль стен.
NEATSVOR X600
Обладатели ковров со средним ворсом впервые могут почувствовать себя уверенно. Силы всасывания в 4000 Па хватит для втягивания в пылесборник шерсти, песка, застрявших в ворсинках крошек и любого другого мусора. Контактная обработка покрытия выполняется при помощи трёх щеток – двух боковых и одной центральной. Помимо глубокой очистки ковров, NEATSVOR X600 может делать и влажную уборку. Для этого в отсек под крышку нужно вставить совмещенный контейнер с баком на 350 мл и отсеком для пыли. Вакуумный мотор во время протирки отключается, но турбощетка продолжает забрасывать соринки в воздуховод. Обильность смачивания салфетки переключается в приложении. Планирование маршрута осуществляется посредством SLAM-навигации: NEATSVOR сканирует помещение лидаром, пылесосит и рисует карту одновременно. В интерактивные возможности входит деление карты на комнаты, установка целевых и запретных зон.
Alfawise V10 Max
Один из удачных клонов Xiaomi Mijia LDS, мало чем уступающий прародителю, а в чем-то и превосходящий его. В частности, Alfawise V10 Max укомплектовали не одной, а двумя торцевыми щетками, из-за чего эффективность уборки за один проход значительно возросла. А ещё производитель предусмотрел сменные рабочие блоки для разных поверхностей: блок прямого всасывания для линолеума и турбощетку для ковров. При заезде на ворсистые покрытия Alfawise автоматически повышает силу всасывания до 2200 Па. Для активации влажной уборки на место пылесборника нужно вставить бак для воды объемом 400 мл. Смачивание салфетки происходит через вмонтированные в днище форсунки. За картографию помещения отвечает тандем лидара и гироскопа. Пользователь может зонировать помещения и настраивать параметры уборки для индивидуально для каждой комнаты. Заряда аккумулятора в 4300 мАч хватает на обработку 130 кв.м.
Об авторе
Группа в ВК — vk.com/bestrobotinfo — пишите, бесплатно помогаю с выбором роботов пылесосов, консультирую.
О себе: 8 лет работал промоутером Mvideo. Большую часть времени представлял бренд Bork. Работал и с другими брендами. Интересуюсь техникой, в данный момент погрузился с головой в нишу роботов пылесосов, умного дома и все что с этим связано. Пишу обзоры, помогаю людям с выбором. Тестировал лично с десяток моделей роботов. Пишите, если есть вопросы по выбору робота пылесоса, умных розеток. Разбираюсь и в других гаджетах, но не так плотно.
Источник