拆機分析三目激光+dToF如何精確清掃和避障

2021年07月15日08:20

一、前言

各位好,我是abrams2415。專注於家電研究。擅長用各種測試設備對家電進行深度評測。輔以通俗的語言告訴大家該產品的真實性能。

今天來談談家用懶人神器“掃地機”。我從2011年開始使用掃地機,到目前為止用了超過15台。經過10年的發展。首先簡單回顧一下我家的掃地機發展史。

二、10年掃地機發展史

2.1 初代掃地機--隨機算法

拆機分析三目激光+dToF如何精確清掃和避障_新浪眾測
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▲我的第一台掃地機就是這種當年算非常“高端”的隨機算法掃地機器人,掃到哪裡全憑運氣。根本無法做到全屋覆蓋、而且避障能力非常差,特別容易被困住。

2.2 vSLAM視覺導航掃地機

隨機算法機器人之後,美國那邊在2012年出現了以vSLAM視覺導航技術的掃地機。它是一種利用視覺系統實現自主定位與地圖構建的系統。其優勢是鏡頭硬件成本低。但除此之外,缺點也非常多。比如對環境光要求較高,過亮過暗都無法工作、無法和激光導航一樣實時察覺新增障礙物,只能靠碰撞感知其存在。定位精度也不夠理想。

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▲比如iRobot Roomba i7就用了視覺導航技術(掃地機正面有個45°前置鏡頭),它的地圖無法一次性生成,需運行繪製地圖程式多次才能夠得到一張房屋地圖。數字地圖看似平整,實際上缺少很多信息,比如餐桌腿、茶几。而且對於新增的障礙物不能做到在數字地圖中實時顯示

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▲iRobot的2D紅外避障也比較弱。它檢測不到電源線,徑直碾壓了過去。非常容易造成纏繞。

2.3 LDS激光導航機器人

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同年2012年,美國另一個品牌Neato是第一個把LDS激光導航技術應用於掃地機的,可以說是目前最穩定、最主流的定位導航方法。但由於結構和工作原理的限製,激光雷達導航有幾個缺點:

1、激光雷達頭裸露,防水防塵能力差;

2、遇到深色物體,光線反射差,定位容易出現錯誤;

3、旋轉機構通過皮帶傳動,長期使用可能出現皮帶斷裂的情況;

4、清掃時容易進灰和頭髮,長期會造成驅動皮帶纏繞頭髮。造成故障。

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▲比如2013年我美亞海淘了3台Neato XV-21。結果都壞了,一台LDS激光模塊損壞、一台行走電機損壞。最後拆解3台把完好的零件拚了一台能用的。

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▲我利用夜視儀觀察LDS激光原理,它實際上通過勻速360°旋轉向四周發射點狀激光。通過光線接受器接收反彈信號,從而繪製出周邊數字地圖。

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▲但激光導航無法分辨前方的細小障礙物。一些品牌掃地機利用紅外線、超聲波進行避障,但效果甚微幾乎都測不到電源線,最後滾輪卡住報錯。

2.4 dToF導航掃地機

dToF英文名為Direct-Time of flight,中文直譯為直接飛行時間。工作原理是應用設備會首先發射光脈衝,當光脈衝遇見障礙物時會發生反射,已知光的傳播速度是一定的,當距離不同時,接收反射光線的時間也不同,通過記錄光脈衝的反射時間,就可以計算出光脈衝發射位置到物體位置的距離,不斷的重複這一過程,就能繪製出物體的3D形態。

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▲比如科沃斯N8 Pro,就採用了dToF導航技術。特點是全封閉式傳感器設計、避免異物和灰塵進入造成損壞。

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▲通過照相機能清晰看到科沃斯採用正前方投射出的兩條交叉點陣激光,配合正中間的攝像機來檢測前方障礙物(點陣激光肉眼無法分辨)

不過,無論是LDS還是dToF導航,這些掃地機有個共同缺點:那就是頂部旋轉保護蓋會帶來掃地機整體高度上的增加。

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▲旋轉保護蓋向上凸出1.5cm、因此我家床底無法進入。這是永遠的痛!

2.5 目前最新技術:無凸起三目激光矩陣+dToF導航掃地機

今年360新出的X100 Max,結合了LDS掃瞄和dToF避障技術。

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▲360 X100 MAX最大特點是取消了頂部凸出保護蓋,機身厚度顯著降低。厚度只有8.5cm!少了1.5cm終於能鑽床底清掃了!

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▲頂部取消了旋轉機構,360 X100的激光旋轉裝置設置在了正面機身內部。

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▲通過紅外線鏡頭觀察,360 X100 MAX採用前方固定線激光+側向固定線激光的技術,當物體被前方固定線激光照射到時候就能算出與障礙物的距離,然後用側向固定激光來精確沿邊清掃。

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▲實際運轉情況,360 X100 MAX的三目激光+dToF避障,能精確發現充電線。在我家貓主子的干擾下精確定位並躲避障礙。

目前這款360 X100 Max用了一段時間,關於功能上過多的闡釋我就不寫了,網上評測有很多。今天我就來拆解下這款機器。看看它內部構造,尤其是三目激光到底是如何佈置的。

三、拆解環節

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▲360 X100 Max背面功能一覽,首先拆除底部護板。

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▲拆除底部護板後的樣子。

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▲拆除上蓋前後兩塊裝飾板後發現,上蓋無任何走線。方便整機拆取。

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▲進一步拆除護板就能露出機器的核心:主控主板。傳感器接線從主板左右和前面接入。最大限度利用了機器內部空間。

3.1 鋰電池組

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▲鋰電池組是拆除背板第一個就能卸下的,方便後期維護替換。電池容量16.8V 5000mAh。大容量電池是實現長續航的關鍵。

3.2 三目激光矩陣+dToF模塊

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▲拆除底部背板後接著拆除前面的防撞緩衝裝置,主要用來拆下正前方的一個dToF激光避障模塊。

激光矩陣模塊一:側向固定線激光

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▲位於掃地機機身右側的這塊側向激光矩陣模塊發射線性激光束,再通過旁邊的鏡頭計算出光脈衝發射位置到物體位置的距離。不斷的重複這一過程,繪製出物體的3D形態。完成dToF空間掃瞄,幫助機器進行精確的沿邊清掃。

激光矩陣模塊二:正向固定線激光束

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▲接著往下拆,發現激光矩陣模塊蓋板處左右佈置有兩顆紅外線發射器(紅圈)。這是和充電樁對接時定位使用的。

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▲拆掉蓋板,露出了機器的”大腦“--主控板。機身所有傳感器都連接到主控板上。(此外,注意到機身內部還有3枚黑色鑄鐵配重塊。用來在拖地時提供足夠的下壓力)

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▲這是機器正前方110°激光旋轉下方的第二個激光矩陣模塊,它向機器正前方投射橫向激光束,再通過鏡頭捕捉生成3D空間掃瞄、來探測機器前方是否存在障礙物。(背景每個空格0.5cm,能看出大小)

激光矩陣模塊三:正向110°掃瞄激光束

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▲這是我見過目前最小的360°旋轉激光投射器。只有5×5cm大小的面積。

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▲這個模塊非常像Wall-E的眼睛,一個發射激光束、一個光學接收器用來接收反彈回的光信號。

階段總結:

360 x100 Max掃地機器人全面取消了其它掃地機上的沿邊紅外線和避障紅外傳感器,改用了精度更高的激光+dToF 3D避障技術。使自身規劃清掃能力和避障能力得到質的飛躍。同時3目激光矩陣模塊高度集成,使掃地機高度降低不少。

3.3 行走機構

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▲左右驅動輪採用12V電機單獨控制,電機上帶有彈簧促使驅動輪始終貼於地面。當某個輪懸空後觸發壓力開關,這時會同步APP向用戶發出輪子懸空的提示。

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▲每個輪子(紅圈處)都有一個轉速傳感器,系統通過控制電機輸出轉速來實現掃地機的靈活轉彎,配合避障模塊實現機動行駛。

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▲保護蓋有密封圈,阻擋減速齒輪進灰。

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▲這種左右花紋的胎紋能最大程度的提供抓地力的同時,還能有一定的脫困能力。

3.4 主板及其它附屬物

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▲這是掃地機上的2.4GHz無線信號模塊,負責接受和傳送信息給手機APP。

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▲360 X100 Max的主控芯片是瑞芯微電子的,緩存為紫光國芯。但看不出緩存具體大小。整體做工非常工整。

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▲拿走主板後,底部有一枚超聲波傳感器,它負責探測地面材質。當檢測到地毯,會觸發地毯模式,提高吸力。

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▲主刷電機採用了12V 5000轉直流電機,通過皮帶傳遞驅動力給滾刷。邊刷電機為3~12V碳刷500電機。

3.5 風道設計

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▲360 X100 Max擁有四檔吸力調節。最高檔的吸力能達到3300Pa。而它的噪音卻能控制的很優秀,是怎麼做到的呢?我們來看下。

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▲上圖是360 X100 Max的風機模塊,採用Nidec最大27000rpm轉速無刷電機+風壓渦流導向技術+懸掛式風機。能提供強大吸力的同時,懸掛電機能避免共振引發噪音。

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▲進風從集塵盒中抽取地面空氣,再經過15.2cm長的整流風道進一步降低風噪。一般來說,進風道越短越有利於空氣流動補償,太長的話,風機載荷越大,轉起來越費勁。打個比方如果拿半米長的吸管吸水,水還沒到嘴裡,人已經累的半死。

另外,對於出風道,雖然並不是越長越好,但太短也有兩個不利因素,一是風機渦輪處噪音直接釋放到機外,二是做降噪處理空間有限,有勁也沒地方使。

再來說下360 X100 Max,它的風道長度適中,有一定的距離讓部分噪聲迂迴抵消。

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▲風道出風口有黑色消音棉包裹,降低風噪。即吸音又透氣,不影響排風通氣;

測試環節:

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▲老規矩,使用電子壓差表進行測試。掃吸口用油泥封堵,來測試這台掃地機的實際吸力如何。

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▲首先回顧一下我在2019年測的三款掃地機在標準吸力檔位測得的實際吸力:

科沃斯T5: 650Pa

石頭T6:810Pa

360 X90: 950Pa

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▲官方宣傳標準檔位吸力為1000Pa。實際測試後,360 X100 Max在標準檔位下實際吸力1190Pa。高於之前測的3款掃地機,它吸力還是非常能打的!最大吸力能達到3200Pa。

3.6 拖地模塊

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▲電控拖地模式採用了安裝在風道上方的電控蠕動泵,來按照用戶設定的出水量進行定量抽水。(四個出水檔位)

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▲最終出水由底部四個出水孔潤濕拖布完成對地面的拖地工作。

四、總結

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▲拆解完畢,主機體上還殘留一些小的附件,如揚聲器、塵盒放入檢測傳感器等我就不從蓋上一一分離了。

最後全部複原,只多出一顆螺絲。其餘功能全部正常。

從這次的拆解我總結以下幾點:

1、360 X100 Max機身內部結構緊湊,最大限度利用了內部空間;

2、上蓋無任何走線,線束都佈置在機身下方、方便整機拆取。內部線束佈置整潔;

3、目前市面上唯一使用三目激光矩陣的掃地機,且無頂部凸起。所以能做到9.5cm的超薄機身;

4、正向110°掃瞄激光矩陣體積小巧,只有5cm×5cm大小面積。

5、這台360 X100 Max依託三目激光矩陣+dToF模塊,實測其掃地規劃+避障能力非常優秀;

6、Nidec 27000rpm轉速無刷電機+風壓渦流導向技術+懸掛式風機+15cm適中風道長度+尾部黑色消音棉,擁有強悍3200Pa吸力同時、噪音顯著降低。實測在標準吸力檔位,強於其它三款掃地機。

這款360 X100 Max掃拖一體掃地機,可以說的上是最近非常值得入手的型號。不過需注意下拖地模塊不用時要及時從機身上拿下。

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