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扫地机器人室内定位技术解析
来源：人机与认知实验室 作者：张玉坤/刘伟日 11:43
[导读] 如果说清扫系统是扫地机器人冠以“扫地”之名的本钱，是扫地机器人之心；那么自主导航系统就是它冠以“机器人”之名的底气，是扫地机器人之脑。如果没有自主导航系统，那么它只能被称为“扫地机器”而不是“扫地机器人”。下面就让我们具体来看一下扫地机器人的“底气”是怎么产生的。
　　相信屏幕前的各位看官应该都有过扫地的经历，回想一下扫地的过程，可以分解为两个主要的动作：走到某个位置；将其打扫干净。与之相应的，作为人类扫地劳动的替代者&&扫地机器人也包含两个主要的系统：自主导航系统和清扫系统。
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　　| 机器人导航的三个经典问题
　　说到机器人的自主导航，简单来说可以归结为由MIT教授John J. Leonard和原悉尼大学教授Hugh Durrant-Whyte提出的三个问题：
　　（1）Where am I ？
　　（2）Where I am going？
　　（3）How should I go there？
　　第一个问题是机器人的定位问题，即如何根据现在观测到的和前面已知的信息，判断机器人在当前环境中的位置。第二个和第三个问题，实际上就是指定一个目标，然后规划一定的路径来实现这个目标。对一般的移动机器人来说，这个目标是一个点，即点到点导航。而对扫地机器人来说，其目标不是到达某一点，而是遍历某一个区域，以实现对房间的清扫。今天让我们先来看一下第一个问题，即扫地机器人的定位。
　　定位是包括扫地机器人在内的移动机器人自主导航中最基本的环节，也是完成任务必须解决的问题。说到定位，大家首先想到的可能是GPS定位、基站定位等常用的室外定位。
　　与之不同，扫地机器人的定位都是室内定位，其要求定位精度高（最少在亚米级），实时性好，GPS、基站定位等方法无法满足。扫地机器人定位总体上可以分为相对定位和绝对定位，下面我们分别来看。
　　| 相对定位法
　　航位推算法（Dead-Reckoning Method）是一种经典的相对定位法，也是扫地机器人目前最为广泛使用的一种定位方法。它利用机器人装备的各种传感器获取机器人的运动动态信息，通过递推累计公式获得机器人相对初试状态的估计位置。航位推算较常使用的传感器一般有：码盘，惯性传感器（如陀螺仪、加速度计）等。
　　码盘法一般使用安装在车轮上的光电码盘记录车轮的转数，进而获得机器人相对于上一采样时刻位置和姿态的改变量，通过这些位移量的累积就可以估计机器人的位置。码盘法优点是方法简单、价格低廉，但其容易受标定误差、车轮打滑、颠簸等因素影响，误差较大。但是由于码盘价格便宜，简单易用，可用于机器人较短时间距离内的位置估计。
　　惯性传感器使用陀螺仪和加速度计得到机器人的角加速度和线加速度信息，通过积分获得机器人的位置信息。一般情况下，使用惯性传感器的定位精度高于码盘，但是其精度也要受陀螺仪漂移、标定误差、敏感度等问题影响。无论是使用码盘还是惯性传感器，它们都存在一个共同的缺点：有累积误差，随着行驶时间、距离的不断增加，误差也不断增大。因此相对定位法不适合于长时间、长距离的精确定位。
　　| 绝对定位法
　　绝对定位法是指机器人通过获得外界一些位置等己知的参照信息，通过计算自己与参照信息之间的相互关系，进而解算出自己的位置。。绝对定位主要采用基于信标的定位、环境地图模型匹配定位、视觉定位等方法。
　　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。
　　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。
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近万元的清洁机器人到底好在哪？附清洁机器人推荐
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简介：作者介绍：SNAKE 对清洁机器人的热爱远非一般人能及，对于各类各品牌的机器人都了如指掌，今天就让他来带我们认识下常见的清洁机器人都有哪些，旗舰机型是如何“旗舰”的。有没有觉得打扫家务又累又没意义？又或许你 ...
作者介绍：SNAKE 对清洁机器人的热爱远非一般人能及，对于各类各品牌的机器人都了如指掌，今天就让他来带我们认识下常见的清洁机器人都有哪些，旗舰机型是如何“旗舰”的。有没有觉得打扫家务又累又没意义？又或许你早就听说，只要有了清洁机器人，坐在沙发上看着电视就能把家里打扫干净了？当我们真的要掏出钱包准备购买的时候，就会发现市面上机器人的价格参差不齐，买便宜的怕清洁不干净，买贵的又怕没有那么好花了冤枉钱。今天我带大家一一认识下市面上常见的扫地、拖地和擦窗机器人，以及它们中的佼佼者到底好在哪里。李斯特的清单iRobot Roomba 880 扫地机器人Neato Botvac D75 扫地机器人iRobot Braava 380 拖地机器人Ecovacs/科沃斯 窗宝 W850 擦窗机器人Hobot/玻妞 188 擦窗机器人一、常见的清洁机器人有哪几种？在清洁机器人方面最火的就是扫地机器人了，发展得最完善，竞争也最激烈。经过10多年的发展，有些扫地机器人能够做到扫描房间达到最大效率的清扫，有些机器人能够感知垃圾重灾区从而重点清扫；而几乎所有的机器人都已经能做到半途没电自动返回充电桩充电，充满电后再继续打扫了。当然，防跌落和定时清扫功能也都已经是扫地机器人的标配。扫地机器人本质上就是一个移动吸尘器。虽然它的吸力不如传统吸尘器，吸入口比较小，对一些个头大点的垃圾的处理起来有些吃力，但如果大家使用它的时候，可以先手动把比较明显并且坚硬的大件垃圾收拾掉，剩下的灰尘、毛发和一些琐碎的垃圾就可以放心交给它啦。有些朋友不喜欢吸尘器，嫌它的工作噪音很大，所以转而不喜欢扫地机器人。其实我们并不需要担心噪音问题，虽然扫地机器人的噪音与电吹风相仿，但噪音是会根据传播距离衰减的，扫地机器人并不像电吹风那样永远在你耳边工作，它会去到房子的各个地方，一旦它离你远了，自然就不吵了。实在嫌吵的话，还可以把它设置在家里没人的时候工作，这样就没有噪音问题啦！当然，扫地拖地总是分不开的，地面清洁机器人部队也有拖地系列。由于国外家庭地面硬地板的覆盖率不如中国家庭这么高，所以拖地方面的机器人就不如扫地机器人那么多，可供给国内“研究”的型号也不多，说得上经典的就更少之又少了。拖地机器人通常有两种用法：干拖能够进一步将地面上比较顽固污渍给吸附到拖布上，另外在湿度比较大的南方还能保证回南天时瓷砖地面的干燥；湿拖则能真正彻底地将扫地机器人完全无法对付、最有粘性的液体污渍清除殆尽。当然，拖地机器人清理已经风干了的污渍还是有点难度的，毕竟人工清理这种污渍也非常困难。拖地机器人工作时非常安静，机器工作过程中基本听不到什么声音，如果在家里看着电视，你基本无法注意它在工作。拖地机器人由于工作时必须与地面紧密的接触，所以它可行走的范围不是很大，偶尔还要加个水，所以也没有所谓的自动往返充电功能等，总的来说使用起来不如扫地机器人那么全自动。它们的工作时间比扫地机器人短一些（毕竟工作范围小）。紧贴地面的工作方式使得拖地机器人的行动范围很受*，在它工作之前我们最好将挡路地毯凳子什么的移开，这样才能享受它静静工作的样子。我不建议大家选择那种在扫地机器人的腹部贴一块拖布，将扫地机器人变身为扫拖二合一的机器。机器人对于地面的摩擦力越大、机器人本身负重越大，续航的时间就越短。扫拖二合一的机器人功能增多而运行时间更短，使用体验并不好。擦窗机器人更是咱们人口密集国家的需求了，特别是中国大城市，那雨一下，全把天上的雾霾沾在自家窗上了。可是住在里——尤其是住高层的人，擦窗伤不起啊有木有，每次都是在拿绳命在擦窗户啊有木有！擦窗机器人是使用空气泵将自己和镜面之间的的空气抽成真空从而贴在墙上，比某些用磁铁吸附的双面擦窗工具的吸力要大个好几倍，所以擦拭力度更大，安全性更高。当然，强大的吸力也会带来不小的工作噪音，这一点大家购买前需要注意。擦窗机器人分为有边框和无边框两种类型:有边框型机器人的活动范围是靠碰撞决定的，通常造价低但不够安全；无边框型机器人除了碰撞检测外，更重要的是使用边缘红外检测，防止自己从镜面边缘掉落，虽然造价高，但也更加安全。为防止意外掉落，擦窗机器人都附带有一个固定在机器上的安全绳，万一发生故障，安全绳也能紧紧拽住机器人避免高空坠物情况的发生。虽然同样内置电池，但擦窗机器人充满电后只能够维持不长的时间（一般仅有二三十分钟）。这是因为它们工作时主要通过室内电源供电，内置电池只是为了意外断电时有个紧急呼救的时间，好让我们把机器人收进屋内。因为在户外工作，擦窗机器人的电源线长度需要特别注意，我也强烈建议大家在购买擦窗机器人的同时，购买一个长度合适的接线板。另外，我发现小巧的擦窗机器人虽然工作速度相比大号机器人慢，但是它能把窗户的边角部分擦得更干净。认识完这三类清洁机器人，我来给大家推荐一些比较好的型号。二、清洁机器人推荐
iRobot 公司于1990年在美国马萨诸塞州成立，专注于机器人研发25年，旗下机器人不仅有家用系列，更有为各*方提供的军用系列。所以 iRobot 的机器人特别耐用，像 Roomba 880 这种扫地机器人，用4、5年都不是问题。iRobot 独创的 iAdapt 技术——也就是碰撞折返清扫技术，开创了扫地机器人智能清扫的先河。到现在为止，市面上卖得好的扫地机器*部分都是模仿这套技术。但是这套系统有点类似无头苍蝇，需要灯塔虚拟墙来分隔房间。灯塔虚拟墙是 iRobot 率先研发出来的装置，它像一堵虚拟的墙一样阻隔扫地机器人行动的装置，因为 Roomba 无法分清房间到底有多大，当扫地机器人将主要的房间清理完毕以后，虚拟墙会暂时关闭，让 Roomba 进到下一个清扫区域里去，等 Roomba 进入区域以后再重新封闭，让它老老实实在区域里呆着，直到新的区域也清扫完毕。对于旗舰款 Roomba 880 来说，“旗舰”在哪里呢？Roomba 880 的滚刷是 iRobot 公司开发的最新的 AeroForce 吸尘系统中的一员，全身由橡胶制成，橡胶滚刷于毛刷相比能够很好的避免毛发和垃圾缠绕问题，柔软地能够保护地板的釉面，挤压时又能够轻易地将大块的粉碎吸入，最终能够3~4个月才要进行一次“保养”，彻底解放你的劳动力。Roomba 880 相比以前 iRobot 比较弱的吸尘环节现在大大改善，整个机器从滚刷到集尘盒的封闭性提高，采用更强的吸尘涡轮风扇，将地上垃圾一捧一吸尽可能的做到最大效率的清洁；最后从机器送出的风是向上吹的，尽量避免将地上的尘埃吹到空中造成二次污染。Roomba 880 能依靠附送的2个灯塔一次性清理150平米的房间，配合 xlife 超大容量的镍氢电池尽量减少清洁期间的充电次数。要知道机器人充电一次需要2个小时左右，本来只要1个小时就能清洁完的房间因为充电的关系期间中断了2个小时，这种体验是非常不好的。Roomba 880，整机保修一年，电池保修180天，售后网店遍布全国，具体请看：iRobot 中国官网。iAdapt 算法配合虚拟墙，加上最新的 AeroForce 吸尘系统，清洁效果表现出众。配备有清洁能力更强的滚刷。吸力更强悍的吸尘涡轮风扇与合理的风道。拥有150平米的超大的清扫范围与更长的续航。有良好的行动能力，能爬 2cm 高的断层及穿越地毯。机器本身坚固耐用，用个4、5年也不成问题。无规则往返重清扫，能够强化它的清扫成果，有些地方的垃圾过多，一次清扫可能扫不干净，但是第二、第三次就能保证这篇区域的清洁啦。厂家本地化成果优秀，售后网点分布广，耗材价格亲民，保修方便。缺点：工作方式看上去杂乱无章到处乱撞，老是走一些重复的路线，清扫时间略长，一套100平米的房子清扫需要一个半小时左右。偶尔会被地上的线材缠住，使用前要记得地面线材收好。
Neato创立于美国的加州硅谷，而Neato公司所生产出来的扫地机器人充满了硅谷情怀。iRobot Roomba系列机器人使用圆形造型是因为它们并没有真正的“正面”之分，而Neato全系的机器人都使用 D 型的造型，有着一个非常平整的正脸。使用这个造型就是因为 Neato系列的机器人上那个能洞察世界的“眼睛”。Neato机器人利用“眼睛”这个优势开发了一套特殊的系统，使得这些扫地机器人有方向感、空间感，能够更符合人类的思维，循序渐进得清扫你家庭的每一个角落，清扫路线也很规整，清扫范围也更大。配合大气“苹果”式设计风格和一块不小的液晶指示屏幕，Neato机器人整体给人的感觉是一位干活很有脑子，清扫起来很优雅的绅士。最近 Neato 在国内投产了最先进的 BotVac D75，而且价格几乎没有什么上涨，真是一个非常好的消息。那么刚刚说的这个“最先进”，到底指什么呢？相对于普通的 Botvac 系列，Botvac D75在处理器、清扫算法和逻辑上的提升，尽可能地减少了在复杂地形下的清扫漏洞。Botvac D75 相对于上一代XV系列，拥有更大的集尘盒和滤网面积，更宽的滚刷清扫范围，还加了边刷。即使没有第一点中的改进，这3项的提升已经足以秒杀 XV 系列了。有些朋友可能观察到我没有推荐 Neato 的旗舰款机器人 Botvac D85，那是因为 Neato 同一系列不同型号的机器人仅在包装内部赠送的耗材有点变化，这种销售策略有点类似专骗土豪的行径。另外，关于 Neato 的产品质量不如 iRobot Roomba 系列的说法，虽然没错，但也不是没有原因。一是由于 Neato 早期的 XV 系列故障率比较高，质量较差的印象一直存在；二是 Neato 采用的激光眼，液晶屏等组件的耐用程度本身就不如Roomba 系列。但近年来 Neato 已经全面升级了产品线，并且在质量上也有了个很大的改进。BotVac D75 的保修期也是整机一年，电池半年。激光眼扫描清扫区域进行智能规划，利用大吸力吸尘马达清除路上所有垃圾。清扫路线非常智能、高效，每一个区域只走一遍。虽然移动速度比 Roomba 系列来得慢，但同样的清洁面积，它走的路程却远比 Roomba 走得短。吸力非常强劲，确保了只走一遍同样能将地面清理干净。工作时间短，因为路线合理，同面积下工作时间要比 iRobot 系列机器人短很多。行动能力强，可穿过地毯，并且线材缠绕的几率也更低。清扫面积极大，官方给出的清扫面积为300平米，认路能力一流。工作噪音大。第一次工作的声音实在有点恐怖，好多人用飞机起飞来形容它：它的运行的前10秒噪音是渐进的，慢慢达到最大，最后比iRobot 系列的机器人噪音还要大一些。短小的边刷在处理墙角的垃圾方面会略微的差了一些。销售和维修网点都比较少，虽然正在中国推行本地化，但和 iRobot 的执行力度比还有差距。耗材非常贵，后期投入大。
Bravva 是目前仅存的元老级拖地机器人，技术积累十分雄厚，市面上大多的拖地机器人，多少都是参照 Bravva 的机器人来开发的。Bravva 的前身是另一家公司所开发的机器人，该公司后被 iRobot 收购，所以 Bravva 380 的清扫系统和 iRobot 扫地机器人不同。它有一个专门的北极星定位装置摆在需要清扫区域附近，Braava 机器人会根据类似 GPS 的定位系统来记录它走过哪里，哪里是障碍等等。北极星导航装置的摆放位置也很讲究，应当放在清扫区域的偏中心的高处，这样它才能够将整片区域很好的引导给 Braava 机器人。Bravva 380 干湿两用，工作的时候左边一下右边一下，模拟人工跪地擦地的 Y 字型拖地方式，运行起来萌萌的。它的最大覆盖面积，干擦为93平方米，湿擦为32平方米。对于湿擦的范围，这里还要多说几句。因为湿擦需要保持清洁布的湿度，为达到湿擦的良好效果，设计时特意把 Braava 380 的湿擦面积*在这个范围。此时机器人完成工作会停下来，但是它还有电量，我们可以换洗清洁布，给蓄水垫加水，再次清洁其他区域。如果以蓄水垫的水用完为一个清洁周期，实际上 Bravva 380 在满电情况下，可以支持清洁60-70平米左右。Braava 380 有一款兄弟版本 Braava 380T，它与380一模一样，但是附带一个快速充电底座，价格则会高出1000元。如果您家需要拖地机器人工作的区域特别多，这也许是购买 380T 一个不错的理由。同样作为 iRobot 家的机器人，保修与上面 Roomba 880 一致。模拟人工跪地擦地的 Y 字型拖地方式。工作时十分安静，几乎听不到噪音。能够使用的时间比较长，干拖能坚持4小时，湿拖则是2.5小时。北极星定位装置支持多个扩展，如果标配的一个不足以覆盖清理区域，另外选购定位装置放到合适的地方即可完成清理区域的扩展。清洁方便，Braava 系列机器人并不需要使用专用清洁药水，省钱方便。售后有保障，同其他 iRobot 机器人一样，售后网店遍布全国，本地化服务优秀。行动力比较差，使用前需要先人工“清理战场”。不如扫地机器人自动化。
窗宝是科沃斯机器人的擦窗产品系列。W850 这款产品外形是正方形的，腹部偏中间的部分是它的真空负压空气泵，旁边有两条可供移动的履带。四周都环绕着清洁布，将清洁区域最大化；清洁布的后方是一对塑胶刮条，能够避免清洁过后遗留任何水渍和污渍，保证窗户每个角落都能被清洁到。它包含的无边框感应模块，可以胜任任何表面相对光滑的域，比如洗手间或里的瓷砖墙壁啦，茶几电视机柜啦等等。清洁布四周环绕设计，将清洁区域最大化。小巧敏捷，它差不多一部 iPhone 5 的长度，体重和 13寸的 Macbook Pro 差不多。附带遥控器，能够控制 W850 在窗户上的行动，万一想让机器人反复擦某些地方，或者机器人工作完在窗外的位置不好够到，都可以使用遥控器解决。维修方便，售后好。科沃斯在内地的影响力还是非常大的，它有极多的销售网点和售后网点，保修期为一年。节省耗材，除了用一些玻璃水以外，几乎没有其它会产生消耗的地方了。电源线长度不太够，仅有3米，但可以通过购买符合我们长度要求的接线板解决。内置电池支持时间较短，只有15分钟。
玻妞188的工作区域很像一颗药丸的形状，它的空气泵的抽气处是两个擦窗棉，这样能够将擦拭后的污渍固定在擦窗棉上，防止污渍在机器人的运动过程中遗落在窗上。它通过两个擦窗棉互相扭动的方式进行清洁，在扭动的过程中，擦窗棉还会进行自我旋转，这样更有助于清理窗上的污渍。玻妞与科沃斯 W850 一样，可以胜任窗、瓷砖墙、地板、桌子等多种场合。扭动旋转的清洁方式。体型轻便，重量只有 930g，几乎是 W850 的一半。附带遥控器，同样可以用来调整清洁位置与使用后的取回位置。内置电池时间较长，能够支撑30分钟的运行。电源线长度比较充足，有5.5米。赠送耗材充足，作为 Hobot 耗材的擦窗棉，购买时赠送的一打足够用个2年的了。环形的擦窗面，无法清洁窗户死角。背部较高，有13cm，安装防护网的窗户需要先确认间距足够。保修不够方便，售后的本地化做的不够好，虽然保修期同样为一年，但需要通过网络上靠谱的经销商负责寄送厂家维修，跟踪维修情况等等。三、机器人使用、保养小建议在使用扫地或拖地机器人时，最好能够搬离一些垃圾桶、凳子、拖鞋等方便移动的物体，这样能够尽量减少他们的工作环境复杂度，又能增加清洁范围。扫地机器人能应付小型灰尘和垃圾却害怕大型垃圾，比如塑料袋，玩具积木等等，这些东西不应该由它们来清理。另外扫地机器人是特别害怕水和油污的，所以最好别让它们进入和厨房。经常沾水的拖地机器人和擦窗机器人在使用完以后要保持干燥，以防水汽进入机器机械和电路部分影响他们的使用寿命。不论是什么机器人，经常让它们工作才能够良好地保持一个区域洁净程度，连穿久了的衣服洗衣机也没办法一次洗干净不是？所以在评论机器人工作效果之前应当让它们在同一块地区至少运行2~3次，这样才接近它们最终的清扫结果。
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