slam歷史介紹

　　“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針”，幾個世紀以前的古人便利用觀星術(shù)和指南針實現(xiàn)了大航海中位置和航向的標定，走出世代居住的大陸走向廣袤的大海，探索新大陸。

　　圖1 GPS系統(tǒng)衛(wèi)星示意圖

　　上個世紀七十年代由美軍研制并投入使用的GPS系統(tǒng)，實現(xiàn)了全球范圍內(nèi)10米的定位精度，綜合定位精度在軍用領(lǐng)域可達到厘米級和毫米級。

　　有著出色定位性能的GPS技術(shù)，在室內(nèi)卻無能為力。由于建筑物遮擋，配備GPS的手機在室內(nèi)基本無法獲取定位信息，更不用談定位精度。

　　這就為室內(nèi)slam帶來了巨大挑戰(zhàn)，各種室內(nèi)定位和導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)運而生。

　　目前較為成熟的室內(nèi)機器人slam方案

　　室內(nèi)slam方案則根據(jù)其技術(shù)選型而有眾多區(qū)別。在日常生活中，大家經(jīng)常接觸的多是iBeacon和WiFi室內(nèi)定位兩種技術(shù)，這兩種方案均是基于2.4G射頻技術(shù)，根據(jù)射頻場強隨距離衰減的模型計算距離，因為射頻信號傳播本身就受環(huán)境干擾不穩(wěn)定。所以基于這個原理的測距也不會精確。針對iBeacon，蘋果也是把結(jié)果放在一個大概范圍內(nèi)，分成Immediate，Near，F(xiàn)ar三種。根據(jù)測試結(jié)果在3米內(nèi)精度尚可，3米后基本無效。所以也多是用在倉儲、商場、購物中心做粗略的樓層或位置判斷。

　　若應(yīng)用在室內(nèi)機器人行走，則因為精度問題以及需要提前布置無線基站，實際效果與成本差強人意。

　　圖2 Neato發(fā)布超低價格測距傳感器

　　2009年，成立于2005年的掃地機廠商Neato發(fā)布了一款成本極低的激光雷達，利用激光發(fā)射器與接收器之間的三角測距方法測得與障礙物之間的距離，激光測距傳感器安裝在電機上，通過旋轉(zhuǎn)測得一圈360°范圍內(nèi)的距離，并基于此繪制室內(nèi)地圖。測距范圍從20cm到6m，最大誤差只有3cm，以30美金的超低價格在機器人圈中引起不小的轟動。

　　圖3 激光三角測距原理

　　圖4 Neato測距傳感器原型

　　圖5 Neato測距傳感器成品圖，Amazon售價119美金。

　　圖6 現(xiàn)有其他品類的測距傳感器價格

　　而在此之前，市面上諸多高精度的測距傳感器價格(如圖6)高達幾千美金，用于無人車自動駕駛領(lǐng)域的激光雷達更是高達幾萬美金，致使激光雷達一直存在于各大科研院所的實驗室中，未能真正進入大眾的生活。

　　Neato一百美金的的激光雷達滿足了機器人對測距傳感器高性價比的需求，在此之后的幾年內(nèi)，國內(nèi)誕生了眾多基于此的激光雷達方案商。

　　圖7 國內(nèi)同類型激光雷達，售價從2000元到3000元不等

　　圖8 Neato激光雷達拆解圖

　　從上圖很容易發(fā)現(xiàn)，Neato采用的旋轉(zhuǎn)式激光雷達采用的皮帶傳動，很容易老化，且激光測距模塊位于旋轉(zhuǎn)部件頂部，長時間轉(zhuǎn)動磨損較為嚴重，而Neato在Amazon的用戶評論也恰好證明了這一點：

　　圖9 Neato在Amazon用戶評論

　　按掃地機每天工作時間為2小時，則三年總計工作時間約為2000小時，即使行業(yè)內(nèi)最早做室內(nèi)機器人slam方案的Neato公司，其產(chǎn)品壽命也僅為兩三千小時，滿足室內(nèi)機器人的高強度運行似乎有些困難。

　　針對室內(nèi)機器人slam方案，其他機器人廠商是怎么解決的

　　由MIT人工智能實驗室的幾位學(xué)生在1990年創(chuàng)立的iRobot，從2002年九月份推出第一款掃地機后在短短的兩年內(nèi)已賣出1百萬臺，截止到2012年，已賣出近8百萬的家用機器人，這樣一家行業(yè)巨頭，在家用機器人上又是采用什么樣的slam方案呢?

　　圖9 iRobot Roomba 980 vslam演示效果圖

　　Roomba 980 是iRobot于2015年12月推出的最新一款采用vslam方案的掃地機，在掃地機頂部一顆斜向上45°的攝像頭，攝像頭通過vslam算法拾取和記錄沙發(fā)中的大量特征點(尤其是物體的邊角)，并在運動過程中不斷追蹤這些特征點，同時不斷檢測新的特征點，由此建立一個環(huán)境地圖。但是，為了定位自己當前的位置，必須要結(jié)合其他測距傳感器，諸如陀螺儀、慣性導(dǎo)航設(shè)備等。

　　圖10 搭配Roomba 980 同時使用的Virtual Wall 模組

　　Virtual Wall 技術(shù)多出現(xiàn)于傳統(tǒng)的非智能掃地機中，多是因為傳統(tǒng)掃地機無法識別家庭環(huán)境，并建立一套行之有效的房間地圖，當臥室或廚房或兒童房等某個房間不需要掃地機清掃時則可在其門口設(shè)立這樣一個Virtual Wall模組，待掃地機行走到此處時，自動避開，人或動物則可暢通無阻。然而Roomba 980 不能依靠原有的vslam實現(xiàn)相關(guān)技術(shù)，而需另選Virtual Wall配件，則可見其vslam技術(shù)并沒有建立真正的室內(nèi)地圖。

　　此外，vslam這種依托被動光源的導(dǎo)航方案，對光線要求較高，若光照條件不足，則會喪失導(dǎo)航的功能，進入到盲掃的狀態(tài)。

　　在采用被動光源的vslam相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中，由于需要通過處理大量包含rgb信息的圖像信息，一方面移動處理器的性能問題，另一方面相關(guān)算法的成熟度，不僅功耗較高，不適合移動機器人平臺，并且精度十分有限，甚至無法識別近處的較為細小的桌腿等障礙物。

　　讓家家都有機器人

　　從上面的分析可以發(fā)現(xiàn)，slam導(dǎo)航方案作為智能機器人的眼睛，所起到的作用尤為重要，擁有不完善或不成熟的導(dǎo)航方案的機器人猶如無頭的蒼蠅，無法很好融入每個家庭。

　　綜合上述幾種slam方案，有沒有一種真正能讓機器人走進每個家庭的解決方案么?

　　圖11 主流的兩家掃地機廠商Neato、iRobot與Robotleo 2D Depth camera的參數(shù)對比

　　從上表不難發(fā)現(xiàn)，slam方案常見的幾個參數(shù)中，Robotleo 2D Depth Camera均略占優(yōu)勢。

　　圖12 Robotleo 2D Depth Camera 實物圖

　　對計算機視覺熟悉的朋友很容易就發(fā)現(xiàn)，Robotleo 2D Depth Camera最上面是一個發(fā)射紅外結(jié)構(gòu)光的器件，下面依次是RGB和紅外攝像頭。下面就其原理為大家簡單做個介紹：

　　圖13 Kinect 3D 結(jié)構(gòu)光原理圖

　　諸位從事機器人相關(guān)領(lǐng)域的朋友應(yīng)該非常熟悉上面的這張圖片，在日常開發(fā)中經(jīng)常用到Kinect做為機器人提供slam方案，輔助進行物體識別、物體抓取等操作，這里提到的便是降了一維的2D Depth Camera。首先從計算量則降低了很多，只需廉價的芯片即可完成相關(guān)圖形處理;其次采用標準的線性結(jié)構(gòu)光器件與攝像頭模組，大大降低了相關(guān)的元器件成本，這也從根本上讓2D Depth Camera從幾百美金降到了只有幾十美金，甚至在將來技術(shù)方案成熟后，成本將會進一步下降;再者，中間的RGB攝像頭通過特征點拾取幫助識別如鞋子、玩具等低矮的障礙物，讓掃地機擁有真正的智能。相較于Neato 旋轉(zhuǎn)激光雷達的方案，則在穩(wěn)定性與使用壽命方面得到了大幅提升，不再為slam模組的售后而擔(dān)心。

　　2D Depth Camera視覺測距模塊，目前已經(jīng)同國內(nèi)多家品牌掃地機廠商，以及量產(chǎn)能力較強的掃地機代工廠展開了實質(zhì)合作，大家對整體解決方案的高度認可和隨后的批量化采購，勢必會較大提升整個掃地機行業(yè)的技術(shù)水平。如果價格的適當提升能夠控制在消費者可接受的范圍內(nèi)，那家庭用戶具備自動測距、繪圖和智能路徑規(guī)劃而不瞎撞亂跑的掃地機的大時代，也就指日可待了。

本文作者為雷動云合市場總監(jiān)，王永濤，致力于讓真正的智能機器人走入每個家庭。