2020年11月03日 | 扫地机器人为何“离家出走”：差个自动驾驶算法

这家公司，竟然将自动驾驶算法用在了他们的扫地机器人上。

大材小用？

还真没有，虽然道路交通很复杂，但家里也一样。

不仅要在靠近柜脚床脚时减速，还要在“看见”障碍物（掉在地上的袜子、缠绕的数据线）时来个急刹车。

还得肩负起逗猫遛狗的责任，给上班的你直播宠物的“作案现场”。

问题来了，机器人想要避开物体（如数据线、猫狗），用目标检测算法不就行了？

但目标检测算法只能识别已知物体，无法识别、测量未知物体的距离。

想让机器避障，除了检测特殊目标，还需要自动驾驶技术中的一项核心算法三维感知，即判断障碍物距离和三维尺寸（体积大小）的能力。

人眼会下意识地判断物体与自己的距离。

机器要想“学会”这种能力，同样需要先拥有“眼睛”。

自动驾驶避障核心：双目视觉算法

深度感知用到的测距方法有很多，包括红外、超声波、激光、3D 结构光、3D ToF、单目视觉、双目视觉等。

那么，为什么要选择双目视觉算法？

简单来说，就是让机器像人一样，用两只眼睛看世界，产生“深度”感。不然，机器人看着你和身后的花瓶，会认为是你正顶着一个花瓶，而不会产生“深度”感。

△错位图

如果只有单目（只用一只眼睛，利用时间和判定框大小变化去测量距离）的话，机器也有办法判断距离，但就与人一样，没办法判断得那么精确。

例如，左右手各举一支笔，在闭上一只眼睛后，试着将笔尖对笔尖——是不是容易对不上？因为距离感变差了，所以笔尖总是容易互相错过。

那么，激光雷达呢？

这的确是一个好东西，如果多个雷达全方位感知，机器就拥有了“神之视角”，每个角落都能看得清清楚楚。

然而，它造价太昂贵。如果在机器人身上装上可以无死角扫视房间的雷达数量，它就变成了“行走的小金库”，价格让人无法直视。

此外，如红外、超声波等算法，避障精度不如双目准确；至于 3D ToF、结构光等算法，不仅成本高，需要额外配摄像头做目标检测，而且没有区分物体的能力，只能通过大小判断障碍物。（例如，薄薄的袜子可能就被误吸了）

这也是为什么，双目视觉算法在无人车与无人机领域“备受欢迎”。

而现在，双目视觉算法也被用在了扫地机器人上。

3cm 以上：结合 LDS，障碍物全识别

机器的“眼睛”，通俗点来说就是各种大大小小的传感器。（激光雷达、相机后面的传感器）

传感器通常的工作原理，是机器（在角α顶点处）发射红外线、超声波、激光，通过“眼睛”（下图角β的顶点）接收到后，再根据反射回来的角度、相位或时间，来判断距离（d）。

△考验高中数学知识的时候到了

而双目视觉的根本原理，就像是将这个三角形变成了 3D 版：

它的原理就两步：①确定视差，即将两个相机拍下来的照片进行对比，找出两张照片中相同的点间像素差，②基于视差，通过已知的双目空间几何关系，计算立体空间中各点的距离。

但相比人脑的高精度计算，想要实现计算机的双目识别，并不只有解三角形这么简单。

一个重要的原因，就是在步骤②这一块，计算机本身并不知道摄像机拍的两张照片哪里是一样的。

△在计算机眼里，这些小黄鸭就是一堆数据

这就导致双目视觉算法的开发变得非常困难，但带来的收益也很高。

不过，双目视觉算法仍然有缺点，它受光线影响依旧很大。

所以在光线不足时，就用算法去主动“补上光线”。

以石头 T7 Pro 扫地机器人的算法为例，双目视觉模块分为视觉控制和深度估计两部分，一个智能补光，一个估计深度。（甚至专门做个红外拍出的相片，搞成数据集，训练补光识别效果）

但自动驾驶算法，也绝不仅仅只靠“两只眼睛”。

与人类不同，无论是自动驾驶汽车、无人机、还是扫地机器人，都可以说是“全身遍布”着眼睛。

其中就包括 LDS（激光雷达）。

当双目视觉算法遇上激光雷达（能搞定所在高度的平面避障），在二者的结合之下，机器人不仅能完美避开 3cm 以上的障碍物，还能通过它们“找准自身定位”。

此外，激光雷达也会用在 SLAM 的建图和定位上。

3cm 以下：目标检测算法的最强“辅助”

不过，在实际应用中，单靠双目视觉算法和激光雷达，还远远不够。

小于 3×5 厘米的物体，会比较麻烦，既要区分出要清扫的部分（纸屑、地毯）、又要避开一些容易缠住的障碍（数据线）。

这种情况下，双目视觉算法就成了最好的“辅助”：协助目标识别算法，将需要避开的物体检测出来，准确地区分垃圾与障碍物。

目标检测模型上，T7 Pro 自研的神经网络借鉴了 SSD，YOLO，及 CenterNet 等多种新型模型，目前还在不断地迭代。

算法上，石头采用了“一分为二”的待遇：高于 3 厘米的物体，绕障碍物边沿避障和清扫；

小于 3 厘米的物体，按种类进行清扫（纸屑、地毯）或避障（宠物便便、数据线）。

数据集上，石头也“别有用心”：选出了一些特殊的物体，进行“有差别对待”。

例如，大家都有所担心的动物便便，石头 T7 Pro 的算法中直接加入了便便的识别（同情做数据集的一秒钟），在接触之前，远远地就避开它。

哪怕不在家，扫地机器人也不会把宠物便便拖得满地都是。

虽然算法目前已经迭代到了能够识别 9 种物体的“体量”（还在增加 ing），但不是所有的物体都像宠物便便这样，会受到“远远避开”的待遇。

9 类常见障碍物：底座类（吧台椅、风扇、手持底座、平底座、灯底座）、体重秤、线团、插线板、鞋子、粑粑、织物（如袜子）、易卡家具（ 如 U 型椅）、簸箕

例如鞋子、风扇这种相对较为安全的物体，离得近一点再避障也没什么问题（推开一点不重要，扫干净就行）。

以及，这部分算法还有个小彩蛋。

在你上班的时候，这个扫地机器人就能化身小管家，“监督”宠物：是不是又把食盆打翻了？

不过，视频只有直播，没有云存储，也就是说，其他人甚至没办法窃取你家的数据，所以，不用担心扫地机器人会“变身间谍”。

继续“拆解”后的发现

从深度感知部分来看，扫地机器人深度感知的原理，与无人驾驶算法有着相似之处：

如下图，算法包含三大部分，第一部分是传感器数据的获取，第二部分是信息的提取，第三部分是独特导航算法的融合（后融合）。

但这并不意味着，扫地机器人的算法与无人驾驶汽车的算法一样。

在实际应用上，扫地机器人需要“近距离避障”（晚点刹车，扫得更干净），自动驾驶汽车则相反，需要以“安全”为主（尽早刹车）。

所以，虽然二者的避障核心都是自动驾驶中的双目视觉算法，但数据处理方式不同。

从根本上来说，它们都是智能机器人，为了让生活变得更方便而存在。

“智能，让人们更聚焦于生活”

石头科技 CTO、本硕毕业于浙大的吴震，在接受量子位采访时表示，基于用户场景持续迭代，扫地机器人才能更好地适应千家万户的多样性。

△石头科技 CTO 吴震

例如，内测的时候，先对身边的人“下手”：

在我们第一代产品内测时，我们发现有一位同事家里，一件老家具很容易卡住机器人。

后来我们就给这位同事买了一件相似的新家具，然后把这件老家具搬到实验室，作为我们标准测试项目。

而扫地机器人被发明出来的初衷，本质上与无人驾驶汽车一样，目的是将人类从劳动（驾车、琐碎的家务等）中解放出来，聚焦于生活。

吴震相信，伴随着计算机视觉的发展，智能机器人的视觉算法也会变得越来越完善。

“扫地机器人，在我们看来是机器人技术在家庭环境下的第一个应用，但不会是最后一个。它不是终点，而是开始、是未来。”

期待这些未来的智能机器人，能（让我们变得更懒）更加解放我们的双手。