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        3. 張偉超
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          專訪銀星智能CTO閆瑞君丨匠心打造掃地機器人技術生態鏈

          張偉超
          2020-05-08 · 11:09
          [ 億歐導讀 ] 打造行業技術生態鏈,不僅可以優化產品,更能促進整個行業共同進步。
          銀星智能,物聯網,掃地機器人,SLAM,銀星智能,慣性導航

          作者:張偉超,圖片來自“億歐網”

          近年來,我國國民生活水平不斷提升。受到消費升級理念的影響,廣大民眾對能便捷生活的智能單品有著龐大的需求,掃地機器人就是其中之一。 

          其實,掃地機器人誕生至今已有多年的歷史。早年間,掃地機器人只具備基礎清掃功能,陷入了功能單一且同質化的困境。其常年被消費者詬病“偽智能”、“清潔能力差”、“價格虛高”。 

          通過技術創新,提升掃地機器人的用戶體驗,是掃地機器人市場破局的關鍵所在。銀星智能首席技術官閆瑞君博士告訴億歐科創。

          閆瑞君博士認為,從技術創新切入,使掃地機器人能自主學習家庭環境并進行多層面智能規劃清掃,將智能機器人在感知與決策技術層面的優勢,落地到家庭場景當中,是解決掃地機器人偽智能與同質化的新策略。 

          15年深耕,技術創新賦能行業

          對于消費者而言,掃地機器人是用于解放人力的家庭清潔工具,因此其清潔力度和智能程度是最為關鍵的兩項性能指標。而對于掃地機器人來說,清潔力度和智能程度集中體現在機器人的“軟硬件”能力上。 

          作為國內最早從事掃地機器人研發與制造企業之一的銀星智能,從“結構、硬件、導航方案、物聯網”四大方向對掃地機器人技術進行創新性的探索。 

          要想使掃地機器人清潔能力大大提升,風機作為清掃動力部件,起著至關重要的作用。 

          “風機傳統的設計方法往往很大程度依賴于經驗,并且受困于空間,設計出來的風機往往周期長,并存在性能不穩定等問題,極大制約了智能掃地機的發展?!遍Z瑞君博士介紹到。

          為解決這一行業痛點,銀星智能創新性的推出8kPa大吸力風機設計方案。該方案采用專業的CFturbo流體機械軟件和仿真軟件Fluent交互式設計,使風機設計具有高度靈活性和可視性,極大縮短風機設計周期和提高風機性能的穩定性。

          “基于家用掃地機的具體吸力需求和分機體積等需求,我們就可以得到經過成熟理論設計的初版葉輪和蝸殼,經過Fluent軟件的流體力學仿真模擬,可以獲得實物風機的流場。通過風機流場和相關數據來觀察結構的合理性,反過來調整CFturbo葉輪和蝸殼的參數,再調整風機實物的3D模型,這樣就形成了一個風機設計的閉環體系,最終實現標準化的高效風機設計?!遍Z瑞君博士進一步解釋道。 

          銀星智能8kPa大吸力風機

          在硬件上,馬達是掃地機器人動力的核心。銀星智能采用永磁無刷直流電機進行驅動,代替了傳統的有刷電機的接觸式換向器和電刷。

          相比于傳統的有刷馬達,無刷直流馬達利用定子線圈回路的磁力來驅動永久磁鐵的轉子,通過傳感器與電子電路實現以前利用帶刷直流馬達的電刷與整流子實現的電流切換。無刷直流馬達在電流與轉矩、電壓與轉速成正比這點上,具有直流馬達的特點,而在結構上則具有交流馬達的特點,結合了兩者的優勢。且無刷直流馬達具有外型小、輸出功率大、壽命長、無火花和干擾等優點。 

          銀星智能通過長期的無刷馬達研究,積累了豐富的馬達設計、測試、驗證等經驗,目前已經有成熟的馬達加工、組裝產線。

          基于無刷馬達的研發經驗,銀星智能已擁有自主研發的D-TOF激光雷達,相對于現有三角測距激光雷達,D-TOF激光雷達體積更小、精度更高、探測距離更遠,更適合于家用掃地機和商用清潔機器人的產業化應用。  

          值得一提的是銀星智能還投資了外部廠商旭益達。旭益達成立于2003年,主要開發與生產各類直流無刷電機,風機以及配套控制器。未來,銀星智能將與旭益達共同推進直流無刷電機在掃地機器人領域更深入的應用。 

          考慮到每一個掃地機器人都是家庭大數據的入口,在物聯網方面,銀星智能通過自研APP與物聯網公司的投資,實現了數據可視化、用戶數據管理、版本跟蹤、用戶自畫像、圖形化編程等多種功能,使家用掃地機器人在未來智能家居中起到核心作用。 

          低成本解決方案將是行業標配 

          導航方案是掃地機器人最重要的技術之一,被譽為掃地機器人的“眼睛”。掃地機器人從誕生之初,一直到很長一段時間,隨機式路徑規劃模式是其主要實現方式。隨機式模式,具體來說是掃地機器人根據內置的移動算法隨機地覆蓋待清掃區域,同時通過碰撞或者紅外傳感器感應的方式感知障礙物。 

          以往這一路徑規劃方式有兩個重要的弊端:一是掃地機器人的清掃覆蓋區域難以控制,通常會造成部分區域反復清掃或者大面積漏掃的情況;二是清掃過程中機器人與障礙物頻繁發生碰撞,造成機器人或家具損壞。

          所以具有規劃式路徑模式的掃地機器人成了市場必然的選擇。 

          路徑規劃依賴于機器人的定位能力和地圖構建能力,目前應用的主流技術是SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)。 

          SLAM可以理解為,機器人在未知環境中,從一個未知位置開始移動,在移動過程中,依據內置傳感器來估計位置和地圖構建進行自身定位,同時在自身定位的基礎上建造增量式地圖,實現機器人的自主定位和導航。 

          而按照傳感器的不同,SLAM可以分為兩大類:一是基于LDS激光測距傳感器的SLAM;二是基于攝像頭的視覺SLAM,即VSLAM。其中,激光SLAM起步更早,產品落地已經比較成熟;而VSLAM技術相對于激光SLAM,對環境光干擾能力較弱,激光雷達在實現SLAM的同時也可以起到障礙物避障、沿墻等功能。 

          目前,銀星智能的產品已實現從基于陀螺儀的慣性導航--基于激光雷達的激光導航--基于攝像頭的單目視覺導航的全品類覆蓋。 

          雖然掃地機器人行業已經興起,但還沒有正真意義上走進“千家萬戶”。 

          Markets and Markets數據顯示,掃地機器人的市場還處在快速增長階段,2018年至2023年,整個掃地機市場將會由20.9億美元增至43.4億美元,復合增長率達16.21%。但中國家庭服務機器人在沿海城市的產品滲透率僅為5%,內地城市僅為0.4%,與發達國家16%的滲透率相比仍有較大差距。

          這表明,雖然國內掃地機器人在迅速增長,但很多家庭還處在觀望階段。 

          閆瑞君博士表示,出現這樣的原因是因為目前掃地機器人的價格還是相對較高,性價比優勢不明顯。以往,具有路徑規劃功能的機器人價格都會相對高一些,這是由于傳感器成本所致。 

          在目前的掃地機器人市場中,多以激光導航技術為主。低成本與高性能的慣性導航互補方案,是掃地機器人實現高性價比的關鍵。”閆瑞君博士說道。 

          在高性能上,如今銀星智能的慣性導航互補方案已可以完全媲美市場同類型的激光導航方案。

           

          (左)慣性導航地圖                                 (右)激光導航地圖 

          而在低成本上,深耕行業15年的銀星智能,擁有完善的全球頂級供應鏈系統,以及很強的供應鏈資源整合能力,從而確保了上游各器件的成本。

          未來,清潔能力出眾,價格實惠的價格的掃地機器人產品必將極大的提升行業滲透率。  

          預言前瞻,打造技術生態鏈 

          除了行業中已開始落地的技術,銀星智能對行業未來發展所需要的技術也開始做前瞻性預言。 

          3D視覺,就是閆瑞君博士研究的方向之一,“目前行業中主流的有雙目視覺和3D TOF兩種3D視覺測量技術?!?nbsp;

          雙目技術,是目前較為廣泛的3D視覺系統,它的原理就像我們人的兩只眼睛,用兩個視點觀察同一景物,以獲取在不同視角下的感知圖像,然后通過三角測量原理計算圖像的視差,來獲取景物的三維信息。 

          雙目視覺傳感器成本低,但對于硬件要求略高,因而能在一定程度上控制成本。但它對于環境光照非常敏感,光照角度變化、光照強度變化等環境因素的影響,拍攝的圖片亮度差別會比較大,這無疑加大了對算法的要求。另外兩個攝像頭間距限制了其測量范圍。 

          3D TOF 傳感器成本略高,優勢在于不受環境光照影響,可以準確獲取物體的三維點云數據,在地圖構建、障礙物避障方面的魯棒性較好。 

          目前,銀星智能同時開展了雙目視覺和3D TOF 相關的SLAM、物體識別等研究,相信在未來會看到更多創新技術的產品。 

          TOF(Time Of Flight)飛行時間法成像技術,它的原理是通過給目標物連續發送光脈沖,然后用傳感器接收從物體返回的光,通過探測光脈沖的飛行時間來得到目標物距離。 

          “除了導航技術,人機交互技術也是未來機器人的標配?!鄙罡彝デ鍧崣C器人領域多年的閆瑞君堅信,人機情感交互是掃地機器人革命性的未來。

          “定位導航技術可以解決機器人本身的感知問題,而人機交互技術可以解決人和機器的交流問題?!遍Z瑞君補充道。 

          隨著傳感器和路徑算法的應用,目前市面上的掃地機器人已經具備獨立規劃清掃路徑、斷點續掃、多地圖保存、智能分區等眾多功能。但在個性化消費時代,用戶在選購產品已不局限于功能需求,情感上的滿足成為購買的決定因素之一。 

          作為智能化程度最高的清潔類產品,掃地機器人在當今“萬物互聯”轉型的大浪潮中,也獲得了更加廣闊的發展空間。 

          家用掃地機器人、商用清潔機器人、搬運/配送機器人在不同的環境下都是獨立的數據入口,在當下5G高速通訊時代,大數據的收集、存儲、使用以及與深度學習、人工智能的結合,會有更大的應用市場空間。 

          在此前提下,銀星智能開始了自己的云平臺開發之路?!躲y星云》自研IOT平臺是提供物聯網設備入網的引擎,核心中轉站,可以將所有設備通過物聯網標準MQTT協議入網,并在設備授權的情況下安全通過手機APP進行控制。 

          在行業技術上,銀星智能不但自研,還引入了“賽馬機制”。即銀星智能不但自己做技術創新,還會引進外部的先進技術,實現了技術的互相彌補,查缺補漏。

          閆瑞君博士表示,打造行業技術生態鏈,不僅可以使掃地機器人各模塊擁有最先進的技術,優化產品的使用體驗,更能促進整個行業的共同進步,為掃地機器人產品進入全球億萬家庭貢獻新力量。

          本文經授權發布,版權歸原作者所有;內容為作者獨立觀點,不代表億歐立場。如需轉載請聯系原作者。

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