Робот-пылесос в доме уже никого не удивит. У кого-то они есть, кто-то хочет их купить, кто-то считает игрушкой.
И производители пользуются этими желаниями и пытаются нам что-то продать.
Именно что-то, ведь маркетинговые отделы компаний изо всех сил стараются придумать заманчивые названия и наделить простые решения несуществующими возможностями.
Далее я попытаюсь разобрать конструкцию роботов-пылесосов и рассказать об их датчиках.
Я не буду останавливаться на их внутреннем устройстве, платах, процессорах или самих механизмах очистки.
Моя задача показать, что в этих домашних помощниках нет ничего сверхъестественного и они построены на базовых принципах, более-менее знакомых каждому, кто соприкасался с робототехникой.
Робот-пылесос от А-бренда (HomeBot) у меня есть прямо дома, поэтому иногда буду рассказывать и на его примере, и это не реклама бренда.
Более того, домашний пылесос носит гордое прозвище «Дурак», так как работает он усердно, но.
Но начнем мы с дизайна, потому что он объяснит ту или иную форму.
По сути, почти все домашние роботы-пылесосы представляют собой двухколесную тележку с одним или двумя опорными колесами.
Форма 99% моделей круглая.
Почему круг, а не квадрат или треугольник? Просто посмотрите на эти рисунки.
Квадратный пылесос, по идее, будет тщательнее чистить все углы, так как в большинстве случаев мы имеем комнаты и мебель с прямыми углами, но если он зайдет в угол, то не сможет развернуться, а при движении по стене, он может даже застрять.
Учитывая тот факт, что пылесосы убирают «построчно» (это называется алгоритм уборки «зигзаг» и об этом мы можем поговорить позже, если вам интересно), такой робот будет испытывать определенные проблемы с маршрутами.
Да, есть производители с «прямоугольным» носом (Hobot, Electrolux и другие), но эволюционно эта форма практически вымерла.
Круглая форма имеет свои преимущества (тележка робота двухколесная и симметричная форма позволяет ему поворачиваться на месте) и свои недостатки, так как щетки могут не доставать до мусора в углах, а сделать их очень длинными тоже проблематично.
И даже если производитель утверждает, что у него квадратный корпус, он будет врать (как в случае с моим роботом), так как на самом деле это будет слегка высеченный круг.
Круглая форма опять-таки дает больше места для размещения механизмов и аккумуляторов, причем «по классике» перед роботом мы располагаем щетки, посередине отверстие для всасывания мусора и контейнер для него, а сзади – сама турбина пылесоса и аккумуляторы.
И эта форма определяет те датчики и принципы навигации, которые используются на рынке, и именно на примере этой формы мы и будем их рассматривать, вводя некоторую классификацию.
1. Механизм из игрушки, который хаотично гоняет робота по полу.
Датчиков нет. 
Механизм игрушки работает по принципу «разворачивайся при столкновении с препятствием»; нет электроники; вам нужно включать и выключать эту игрушку вручную.
О каких-то возможностях построения карты помещения, зонирования, возврата на базу и прочих хитростей говорить не приходится.
Эти игрушки стоят от 700 рублей.
Плюсом у нас обычно является концевой выключатель наличия контейнера и датчик переворота «на брюхо».
Более продвинутые модели также имеют эти два датчика в той или иной реализации.
2. Добавлен ИК-датчик положения базы (он же центральный датчик приближения) и бамперы на концевые выключатели.
Энкодеров на колесах нет, робот ездит «от препятствия к препятствию» и возвращается на базу с помощью ИК-лучей.
Немного более сложная конструкция.
Все роботы-пылесосы в той или иной форме имеют противоударный бампер.
У одних контактные (то есть есть концевые выключатели), у других бесконтактные (то есть нет механического движения), но без него робот не поймет, что где-то разбился.
И он упадет, потому что различные датчики робота не всегда могут «охватить» все пространство перед ним, у них есть мертвые зоны и бампер — последний шанс робота идентифицировать препятствие.
Но для некоторых пылесосов это единственный способ перемещения «на ощупь».
Бампер устроен просто: два концевика и подпружиненная полукруглая пластина.
При наезде пылесоса на препятствие, в зависимости от его расположения, замыкаются оба переключателя или только левый или правый.
И пылесос «понимает», что он врезался во что-то спереди или сбоку.
Сзади датчиков обычно нет. И недорогие, и более дорогие модели видят базу благодаря старым добрым ИК-лучам.
Две параллельные балки образуют «рельсы», на которых наш пылесос в итоге пытается «встать» и доползти до кормушки.
А вот этот ИК-приемопередатчик, состоящий из сдвоенного инфракрасного светодиода и приемника, может выполнять не только функцию поиска базы, но и играть роль бесконтактного датчика препятствий, чтобы робот-пылесос не упирался в стену впереди.
этого.
ИК-датчик можно установить не по центру, а по бокам, но производители не спешат отказываться от проверенной технологии, и это также позволяет управлять пылесосом с помощью обычного ИК-пульта.
Поэтому производители рекомендуют оставлять по полтора метра справа и слева от основания, чтобы к нему был свободный «доступ», а мой робот-пылесос спокойно живет в укромном уголке за диваном и находит основание.
4. Шаг 3. Добавьте кодеры.
Пылесос может точнее отработать свое положение и его повороты уже предсказуемы, а отклонение от прямой определяется.
Такой робот попытается проехать параллельно линиям своего маршрута и понять, что он повернул на нужный угол.
Мотор-колеса пылесосов оснащены энкодерами разных типов: щеточными, резистивными, оптическими, датчиком Холла и т. д. Но цель одна: определить, на какой угол повернулось колесо.
Энкодер также может быть размещен только в опорном ролике и движение может определяться его кручением и вращением.
Это позволяет использовать в колесах дешевые мотор-редукторы и упрощает конструкцию, поскольку оптические датчики-энкодеры в этом случае просто припаиваются к плате управления.
5. Шаг 4: добавьте датчики нижнего ИК-уровня.
Пылесос перестает падать и различает высоту (немного, но умеет).
Обычно пункты 4 и 5 выполняются вместе, так как пылесосы такого уровня уже стоят до десятков тысяч рублей и допускать его падение нежелательно.
Датчиков минимум (и стандартно) три: в центре и ближе к бокам, и это обычные ИК-датчики.
По идее, наш робот-пылесос можно научить даже ездить по нарисованной линии.
С таким набором датчиков (п.
3 – п.
5) наш пылесос уже можно считать роботом.
Он уже сможет построить простую карту местности и во время последующих заездов стараться не натыкаться на препятствия.
6. шаг 5 добавляем ИК датчики на бампер, а не только по центру.
Пылесос больше не натыкается на препятствия в виде вертикальной стены.
Конечно, он еще не видит своих ног, может продолжать жевать шторы, но уже может построить карту препятствий.
Пример такого пылесоса Xiaomi Mop Essential. За черной полосой на бампере дополнительно расположены три ИК-датчика по окружности (два по центру, как мы помним, у многих моделей есть) и они позволяют обнаружить что-то, отражающее ИК-лучи, до того, как сработает ударный «концевик».
.
Также в таких моделях зачастую уже есть компас и гироскоп, что улучшает навигацию.
Бампер может быть не ИК или контактный механический, а ультразвуковой и с датчиком удара на поверхности (так делает мой HomeBot).
И ИК, и ультразвуковые датчики также позволяют определять расстояние до препятствий, но ультразвук позволяет сделать это гораздо точнее и в таких моделях он также играет роль датчика расстояния.
7. шаг 8 добавляем в слепые зоны боковые ИК датчики для контроля трения пылесоса о стену.
К сожалению, он может не видеть, что происходит «сбоку» от пылесоса, и зачастую роботы могут начать «тереться» о стену (а иногда даже «рвать» обои).
Поэтому некоторые производители добавляют ИК-датчики по бокам робота, если не используют датчики по периметру бампера (например, в пылесосах с лидаром).
9. К шагу 8 добавляем датчики для построения карты помещения по препятствиям и навигации в пространстве.
.
До этого момента наши роботы-пылесосы могли обнаруживать препятствия перед собой, отслеживать маршрут, поворачивая колеса, и даже обнаруживать препятствия сбоку или пытаться найти себя по показаниям компаса.
Но все это далеко от того, что можно было бы назвать «навигацией».
Да, наши роботы-пылесосы еще не доросли до использования GPS/ГЛОНАСС (да и в помещении от этих технологий часто мало толку, сигнал глушится, точность не для сантиметровых размеров в квартирах), но робота хотелось бы Пылесос не терялся в двух-трех комнатах и старался убирать не хаотично, а последовательно комнату за комнатой.
А зигзагообразный алгоритм не позволяет полностью очистить комнату с хаотично расположенными вещами.
Поэтому для ориентации в пространстве производители устанавливают на роботов дополнительные датчики, задача которых — построить карту помещения и определить, где в текущий момент находится робот, где он уже убрался, а где еще не убрался.
После тестовых запусков, поскольку мебель и планировка помещений обычно не меняются, это позволяет роботу-пылесосу уверенно двигаться и быстрее выполнять уборку, а также строится оптимальный маршрут. Эти датчики в основном представлены следующими типами: лазерный дальномер (он же ЛДС, он же лидар), широкоугольная камера с машинным зрением, ToF-камера и даже 3D-камера (то есть комбинация камеры ИК-маркировки и камера для его считывания, как FaceID в iPhone).
Возможна комбинация верхних, передних, задних и нижних устройств (для обнаружения различных типов поверхностей).
Пылесосы с лидаром довольно широко распространены в среднем ценовом сегменте; эта технология позволяет построить карту помещения с высокой точностью, но опять же имеет свои недостатки: лидарная «башня» часто мешает пылесосу заехать под мебель, а ее расположение сверху пылесоса не позволяет его заметить низкие препятствия и пылесос в этом случае часто полагается только на датчики удара бампера.
А лидар очень не любит зеркала, и такой робот может «играть» в злое существо, атакующее свое отражение.
У камеры также есть свои плюсы и минусы.
Обычно устанавливается только верхняя камера, которая отслеживает изменения на поверхности потолка (как современная компьютерная мышь) и пытается с их помощью отслеживать карту изменений.
Хоть производители и утверждают, что их роботы «видят» в темноте, но опыт эксплуатации показывает, что пылесосам с камерой лучше везде включать свет :) У меня просто пылесос с камерой-навигацией.
Дорогие модели сейчас пытаются избавиться от лидаров, устанавливая одновременно верхнюю камеру и фронтальную камеру с датчиком глубины (ToF) для определения расстояния до объектов по времени отражения сигнала.
Опять же, это ИК-камера, которая обычно заменяет передний ИК-датчик базы.
Плюс производители пытаются заигрывать с машинным зрением, 3D и AI, но пока чаще всего это всего лишь заигрывание с потребителем и маркетинговые уловки.
Это немного сумбурный обзор, но я надеюсь, он показывает, что в конструкции роботов-пылесосов нет ничего сверхъестественного с точки зрения датчиков и все, что используют их конструкторы, проверено временем и эксплуатацией на самых разных роботизированных устройствах.
.
И зачастую даже такой простой набор датчиков можно дополнить отличным программным обеспечением навигации и распознавания препятствий, а потому программное обеспечение здесь важно.
Но это совсем другая история.
У вас есть робот-пылесос? И какие у него датчики? Напишите об этом в комментариях, а также можете дополнить мою классификацию.
Теги: #популярная наука #Научно-популярная #Электроника для начинающих #роботы #Робототехника #электроника #сенсоры #роботы-пылесосы #дизайн роботов
-
Сдайте Экзамены Mcse, Усердно Учась
19 Oct, 24 -
«Чистый Интернет» В Костромской Области
19 Oct, 24 -
Java + Struts + Ajax (Библиотеки)
19 Oct, 24
