超声波扫地机器人,你见过吗?

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只要像 A超诊断一样,“听”到回声情况,就可以确定地毯的类型,从而清除杂质。用超声波也就算了,它还可以用“重低音”,轻轻松松地把咖啡渍震掉:没错,就是那种弹贝斯的感觉,不就是扫地吗,这个机器人怎么用上这么多黑科技呢?

超声波识别地毯,弥补AI短板

事实上,超声波技术并非噱头——它在医学、汽车、无人机等行业的应用,非常广泛。例如,最近盛大投资的脑机接口中心,就在不损伤脑组织的情况下,用超声波实现了“读心术”。这项研究,将超声波探测到的脑活动、和肢体运动联系起来,并用机器学习算法加以分析,成功根据脑活动,预测了肢体运动。此外,还用到了新冠病毒的研究上。MIT研究人员发现,在一定条件下,超声波能让新冠病毒的外壳和蛋白质尖峰坍塌、破裂,使得病毒无法侵入人体细胞。在汽车和无人机上,超声波传感器也得到了大量应用。比如,倒车雷达。

扫地机器人

那扫地机器人为什么要用上超声波呢?

实际上,超声波是帮助机器人识别地毯的。清洁地毯时,机器人不能像擦地那样,直接拖上去——万一刚好是纯毛地毯,你的扫地机器人直接湿着拖布一寸寸擦过,然后你光脚踩了上去……加上超声波传感器后,扫地机器人就能对地板材质做出判断,原理上类似于A超的诊断方法:A型超声诊断以回波的波幅高低、波数多少、回波形态、动态及位置距离为依据,对组织器官的形态学及功能的改变,进行分析判断。

扫地机器人

当遇到光滑地板时,超声波被吸收的程度很小,传感器所呈现的就是连续不断“回弹”的波。

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而遇到多毛地毯时,通过与表面的柔性材料之间的摩擦,超声波就会被吸收掉。

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这时候,扫地机器人没有听见自己的回声,就会明白:前面即将到达地毯区域。但,为什么偏偏选择超声波识别,而不用最先进的AI目标检测算法?如果说,AI目标检测是用“视觉”检测,超声波更像是一种“触觉”检测方式。因此AI目标检测的实际效果,依赖于很多条件:光照、地毯颜色、检测角度、实时处理速度、摄像头清晰程度……以光照和地毯颜色为例。如果室内光线较暗,地毯颜色又恰好比较深,AI就极有可能将地毯误检成地板。而超声波,却不受这些条件的影响,就像是在摸黑躲猫猫时,摸到了自己的被子这种感觉。

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既然如此,又为何不用其他声波呢?

平时生活中,我们会制造出大量声音。要是用声波来探测地毯,那扫地机器人收到的声音,可能就不再是最初发出的了。不仅如此,发出的声波,还可能和机器人接收的声波发生干涉,直接消失。这里的干涉,就是当两列波频率相同、振动方向相同、相位差恒定时,就会发生增强、或者相互抵消的情况。

扫地机器人

 

 

但对于超声波而言,除了相干波,几乎没有其他情况能干扰到它的运行。相较于普通声波,超声波还有一个最大的特点:频率超过20kHz,波长超出人耳听力范围。

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也意味着,超声波对人体几乎不造成干扰。这一点,次声波就无法满足。它会与人体某些内脏器官引起共振,因此可能会让人出现恶心、呕吐等不适的情况。这也就能理解,为什么在汽车行业中,超声波感知器能被广泛应用。

不过,扫地机器人实现超声波地毯识别,也并没有那么简单。首先,需要专门购置各种不同形状、材质、毛长、形状的地毯,来建立地毯识别库。毕竟,短毛、长毛,采用的吸力可能不一样;而材质不同的地毯,采用的清扫方式也完全不同。例如,橡胶地毯,就可以直接上手拖布。超声波传感器接收到反射波后,系统会根据传回来的波形进行判断,选择最合适的清扫模式。然而,如果拖布位置无法改变,“识别地毯”不就没啥用?为了优化体验,机器人还得再下点功夫。拖布可升降,还能用“重低音”擦地首先,就是让拖布尽可能“只出席重要场合”。例如,用上自动升降擦地模组。让机器人自行判断,什么时候需要“缩回肚子里”。

比如,当机器人遇上了地毯、门槛、或者滑溜溜的风扇底座、叉型桌脚时,拖布会提升5mm,保证不增加工作负担。

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如果越过障碍物的难度本身不高,那么一边清扫,一边跨过障碍物,也没有问题。然后,加上声波震动。不过这里的声波,是用来协助擦地的,也与超声波互不干扰。根据频率的不同,这种声波可以被分成三档,50Hz、38Hz和28Hz。即使是最高的一档,震动速度达到3000次/分,发出的声音也只是勉强接近贝斯,可以说是低噪音了。

那么,为什么声波能通过震动,来更好地除去污渍呢?

见过超声波清洗眼镜的同学,应该能理解声波在水中的威力。由于水的密度更高,传递震动的能力也越强。原本没那么容易清除的污渍,有了声波加成,就能被强行“卸下”。而为了扫地机器人更好地带走污渍,还需要一个双区拖布。在负责声波震动的区域,拖布主要负责震落污渍,再利用非震动区域一套拖布带走。

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具体效果如何?

这种“声波振动”擦拭技术,结合6 N的擦拭压力,可以去除最顽固的污渍之一——咖啡渍,有效率达91.41%。与石块扫地机器人S5系列相比,清洁力级别直接提升4倍。为了满足声波振动擦拭地面和时而起落拖布这两种情况,如此巨大的动力需求,从何而来?无刷式电动机无刷电动机与有刷电动机相比,其性能和寿命都是“身临其境”。实际上,除了这次最大的亮点——声波振动擦地系统+自动提升擦地模块之外,机器人在避障算法方面,也做了更多的探索:采用了3D双线结构光+ AI避障策略。也就是说,采用双线结构光,取代传统的红外线光源,不需要在暗环境中对光线进行补充。

 

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